張永利，孫治水，周榮坤

(中國電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院，北京100041)

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基于AHP-模糊綜合評判法的有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能評估

張永利，孫治水，周榮坤

(中國電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院，北京100041)

摘要：有人機(jī)與無人機(jī)的編隊協(xié)同作戰(zhàn)是未來空戰(zhàn)的一個重要模式，是爭取未來空戰(zhàn)勝利的重要方式。對有人機(jī)與無人機(jī)的編隊協(xié)同作戰(zhàn)進(jìn)行效能評估，分析了影響有人機(jī)與無人機(jī)的編隊協(xié)同的主要因素，建立了有人機(jī)與無人機(jī)的編隊協(xié)同作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系和模型，采用AHP確定系統(tǒng)性能指標(biāo)權(quán)重，利用層次分析法(AHP)-模糊綜合評判法評價性能指標(biāo)。結(jié)果表明此方法可以科學(xué)合理地對有人機(jī)與無人機(jī)的編隊協(xié)同作戰(zhàn)效能進(jìn)行評估，為有人機(jī)與無人機(jī)的編隊協(xié)同作戰(zhàn)效能評估提供了新的研究視角。

關(guān)鍵詞：有人機(jī)；無人機(jī)；層次分析法；模糊綜合評判；效能評估

0引言

有人機(jī)在戰(zhàn)時執(zhí)行超視距偵察、監(jiān)視、引導(dǎo)任務(wù)時的隱蔽性和安全性方面存在弱點，使其在惡劣環(huán)境下的生存能力低于無人機(jī)，同時有人機(jī)還存在駕駛?cè)藛T所能承受的工作時間的限制；而無人機(jī)在任務(wù)載荷能力和機(jī)載設(shè)備性能方面又存在一定的局限性。有人機(jī)/無人機(jī)編隊優(yōu)勢整合，以1架有人機(jī)與1架無人機(jī)或1架有人機(jī)與多架無人機(jī)2種形式，把原來對無人機(jī)實施指揮的地面控制系統(tǒng)移植到空中飛機(jī)上，由有人機(jī)后座的武器控制人員根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢制定編隊決策并在任務(wù)的執(zhí)行過程中全程進(jìn)行控制。有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)可以提高有人機(jī)/無人機(jī)戰(zhàn)場生存概率，準(zhǔn)確及時地反饋戰(zhàn)場信息，執(zhí)行多樣化的作戰(zhàn)任務(wù)[1-5]。

有人機(jī)/無人機(jī)編隊協(xié)同體現(xiàn)的戰(zhàn)場優(yōu)勢，使得各國開始嘗試這一方面的戰(zhàn)術(shù)演練。達(dá)索公司最新公布的宣傳片中首次出現(xiàn)“陣風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)、“獵鷹”公務(wù)機(jī)以及“神經(jīng)元”無人作戰(zhàn)飛機(jī)進(jìn)行編隊飛行的畫面，說明法國已經(jīng)做出將有人機(jī)/無人機(jī)編隊方式用于實際護(hù)航的嘗試。美國海軍的X-47B與F/A-18F組合成功地在366 m的空中以193 km/h的速度進(jìn)場著陸，完成首次有人機(jī)/無人機(jī)在同一航母起降，說明美國在這一方面已經(jīng)領(lǐng)先一步[6]。

有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)使得各種資源得到充分、合理的配置，極大地提高了作戰(zhàn)效能。因此對于有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能進(jìn)行科學(xué)合理的評估具有重要的現(xiàn)實意義。本文針對構(gòu)造的有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系，利用層次分析法和模糊綜合評判法建立作戰(zhàn)效能評估模型，并用算例對作戰(zhàn)系統(tǒng)效能評估進(jìn)行驗證。

1構(gòu)建有人機(jī)-無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能評估體系

合理地構(gòu)建有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)效能評估指標(biāo)體系，可以簡單、全面而又真實地反映系統(tǒng)的效能。有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)的選取，需要遵循系統(tǒng)性、簡明性、客觀性、時效性、可測性、完備性、獨立性、一致性原則。

1.1影響評估指標(biāo)體系的主要因素

為了將多層次、多因素的評估問題進(jìn)行科學(xué)的量化處理，采用模糊綜合評判法構(gòu)建有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系二級評判模型，有2個層次，即能力層和技術(shù)指標(biāo)層。能力層的因素集包含以下6個方面：協(xié)同攻擊能力、指揮控制決策能力、數(shù)據(jù)鏈能力、雷達(dá)能力、任務(wù)可靠度和飛機(jī)可用度。技術(shù)指標(biāo)層包括偵測能力、干擾能力、信息接收能力、信息處理能力、數(shù)據(jù)共享能力、生存力、攻擊時效性、武器效能、損傷評估能力、態(tài)勢感知能力、指揮決策能力和輔助決策能力[7]。

1.1.1 協(xié)同攻擊能力

有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同攻擊是多機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)決策的核心內(nèi)容之一。無人機(jī)在預(yù)警機(jī)指揮下，各機(jī)相互協(xié)調(diào)配合，合理分配攻防資源，充分發(fā)揮各機(jī)的自主攻擊能力，對奪取制空權(quán)、提高我機(jī)作戰(zhàn)效能和生存力、有效殺傷敵機(jī)具有重要意義。對有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同攻擊效能指標(biāo)的選取與生存力、協(xié)同攻擊的作戰(zhàn)時效性、武器效能指數(shù)和損傷評估能力有關(guān)。

1.1.2 指揮控制決策[8]

有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)指揮決策系統(tǒng)是指揮者根據(jù)態(tài)勢感知信息，憑借著機(jī)載計算機(jī)輔助工具和主觀決策來為作戰(zhàn)任務(wù)的隨后階段做出分配控制的過程，二者優(yōu)勢互補(bǔ)，協(xié)同決策，高效地完成作戰(zhàn)任務(wù)。有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)指揮決策系統(tǒng)包括以下幾個關(guān)鍵指標(biāo)：態(tài)勢感知能力，指揮決策能力和輔助決策能力。

1.1.3 數(shù)據(jù)鏈能力

數(shù)據(jù)鏈的整體能力是由信息接收能力、信息處理能力和數(shù)據(jù)共享能力這幾部分組成的。無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時所獲取的巨大信息量單純依靠機(jī)上設(shè)備進(jìn)行處理比較困難，實時傳輸又會增加數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。所以有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)不僅要求無人機(jī)具備一定的對目標(biāo)信息進(jìn)行預(yù)處理的能力，同時要求與有人機(jī)協(xié)同的通信能力，能夠保證空戰(zhàn)中各平臺的信息流通，使作戰(zhàn)各平臺在信息化領(lǐng)域?qū)怪懈诱紦?jù)優(yōu)勢。

1.1.4 雷達(dá)能力

有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同的雷達(dá)能力包括偵測能力和干擾能力。偵測能力包括目標(biāo)偵察能力和目標(biāo)識別能力。無人機(jī)裝載高性能的雷達(dá)設(shè)備，配合有人機(jī)進(jìn)行聯(lián)合偵察，進(jìn)而擴(kuò)大空中的縱深探測范圍，延伸作戰(zhàn)半徑，為目標(biāo)識別奠定基礎(chǔ)；有人機(jī)與無人機(jī)協(xié)同配合，利用無人機(jī)良好的機(jī)動性和隱身性可以對敵方同一目標(biāo)或多目標(biāo)進(jìn)行多角度、全方位的高度識別，彌補(bǔ)了雷達(dá)盲區(qū)所帶來的困擾，提高了發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率。干擾能力包括有源干擾、無源干擾和欺騙式干擾，其中，有源干擾在空戰(zhàn)中較為常見，且以噪聲壓制式干擾為主，其它2種作為輔助手段進(jìn)行對敵干擾。

1.1.5 任務(wù)可靠度

有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同任務(wù)系統(tǒng)的可靠度是指在執(zhí)行任務(wù)飛行期間內(nèi)不出故障以至影響任務(wù)完成的概率，此概率與系統(tǒng)的平均故障率有關(guān)，也與執(zhí)行任務(wù)所需要的飛行時間長短有關(guān)。

設(shè)有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同任務(wù)系統(tǒng)子系統(tǒng)i的可靠度Ri(t)服從負(fù)指數(shù)分布，數(shù)學(xué)模型如下[9]：

(1)

式中:Ti為系統(tǒng)i開始工作時間;λi為系統(tǒng)i的平均故障率。

根據(jù)有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同所需要完成任務(wù)的不同，對其可靠度衡量指標(biāo)亦有所不同。例如在有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同執(zhí)行快速打擊任務(wù)時，協(xié)同狀態(tài)下系統(tǒng)任務(wù)可靠度R(T)為[10]：

R(T)=RC2·RCD[1-(1-Rradar·RL1)m]·

RLA·RL2·Rmissile

(2)

式中：RCD為通信設(shè)備可靠度；RC2為指控設(shè)備可靠度；Rradar為制導(dǎo)站可靠度；RLA為發(fā)射設(shè)備任務(wù)可靠度；RL1為數(shù)據(jù)鏈端機(jī)(有人機(jī))任務(wù)可靠度；RL2為數(shù)據(jù)鏈端機(jī)(無人機(jī))任務(wù)可靠度；Rmissile為導(dǎo)彈任務(wù)可靠度。

1.1.6飛機(jī)可用度

有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同，要求保證該系統(tǒng)中各飛機(jī)均具備作戰(zhàn)所需的實際良好率，即飛機(jī)實際可用度。根據(jù)飛機(jī)實際使用一段時間后的統(tǒng)計數(shù)字，用有人機(jī)與無人機(jī)隨時可用架數(shù)與實際裝備架數(shù)之比來表示實際良好率。

1.2有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)

有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　有人機(jī)-無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)結(jié)構(gòu)圖

2層次分析法[11]

設(shè)有n個因素A1，A2，…，An，對它們進(jìn)行兩兩比較，對n個因素A1，…，An比較之后，得到一個n×n階的判斷矩陣A=(aij)：

(3)

3模糊綜合評判法評估步驟[12-13]

有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能評估體系涉及到很多難以精確描述的不確定因素。模糊綜合評判法在定性分析影響系統(tǒng)效能的各指標(biāo)因素的基礎(chǔ)上，定量對各指標(biāo)因素做出綜合決策。模糊綜合評判法是按多項模糊的準(zhǔn)則參數(shù)對被選方案進(jìn)行綜合評判，再根據(jù)綜合評判結(jié)果對各備選方案進(jìn)行比較排序，選出最好的方案。與綜合評判有關(guān)的有限論域有準(zhǔn)則論域和評語等級論域2種。對各指標(biāo)建立評語集，分為4個評價等級(很好，好，一般，差)，對應(yīng)評分集為{10.80.60.4}。

模糊綜合評判法的數(shù)學(xué)模型由因素集、評判集和模糊矩陣3個要素組成，分為4步[9-11]：

(1) 因素集U={u1，u2，…，ui},其中ui(i=1，2)表示影響事物評判值的第i個因素；

(2) 因素評判集V={v1,v2，…，vj},其中vj(j=1,2)表示影響事物評判值的第j個等級；

(3) 單因素評判，對單個因素Ri(i=1，2)評判，得到單因素評判模糊矩陣:

(4)

(4) 綜合評判，可得綜合評判B=W°R=(b1，b2，…，bi),其中°表示合成運(yùn)算。對于合成運(yùn)算，典型模型有“加權(quán)平均型”、“主因素決定型”、“混合型”3種算法。其中加權(quán)平均型算法考慮諸因素(或諸指標(biāo))在評價中所處的地位或所起的作用不盡相同，表示為：

(5)

式中：ai(i=1，2，…，n)為各因素權(quán)重。

4使用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重

確定權(quán)重的方法很多，應(yīng)用層次分析法來量化指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)Saaty表度法，對有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系同一層級的各元素進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣，確定相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重。

表1　第1層指標(biāo)體系權(quán)重U1，U2，U3，

λ=6.123 2,IC=0.024 6;IR=1.26;RC=IC/IR=0.024 6/1.26=0.019 5。

表2　第2層指標(biāo)體系權(quán)重U11,U12,U13,U14的計算

從計算結(jié)果看出，RC<0.1，表明上述判斷一致性可以接受，即權(quán)重值W=(0.379 4，0.248，0.160 4，0.102 4，0.065 5，0.043 4)T是可以接受的。同理可得第2層各元素的權(quán)重，并分別對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗，得到各評判指標(biāo)的權(quán)重。

λ=4.031 0,IC=0.031;IR=0.89;RC=IC/IR=0.031/0.89=0.034 8。

從計算結(jié)果看出，EC<0.1，表明上述判斷一致性可以接受，即權(quán)重值W1=(0.465 8，0.277 1，0.161 1，0.096)T是可以接受的。

表3　第2層指標(biāo)體系權(quán)重U21，U22，U23的計算

λ=3.009 2,IC=0.009 2;IR=0.52;RC=IC/IR=0.009 2/0.52=0.017 7。

從計算結(jié)果看出，EC<0.1，表明上述判斷一致性可以接受，即權(quán)重值W2=(0.539 0，0.297 3，0.163 8)T是可以接受的。

表4　第2層指標(biāo)體系權(quán)重C31,C32,C33的計算

λ=3.009 2，IC=0.009 2，IR=0.52；RC=IC/IR=0/0.52=0。從計算結(jié)果看出RC<0.1，表明上述判斷一致性可以接受，即權(quán)重值W3=(0.571 4,0.285 7,0.142 9)T是可以接受的。

表5　第2層指標(biāo)體系權(quán)重C41，C42的計算

λ=2，IC=0；從計算結(jié)果看出，RC<0.1，表明上述判斷一致性可以接受，即權(quán)重值W4=(0.666 7,0.333 3)T是可以接受的。

5有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能評估體系

有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系分為2個層次:第1層6個指標(biāo)，第2層12個指標(biāo)。根據(jù)層次分析法，已經(jīng)確定各指標(biāo)的權(quán)重。由專家意見，影響有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)效能各個指標(biāo)的模糊評語如表6所示。

表6　有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能指標(biāo)等級評語表

由上面計算所得的Ui的指標(biāo)權(quán)重Wi和評語集合V，被評判對象相對于各個指標(biāo)的模糊評語，即Ui×V上的模糊矩陣是Ri，進(jìn)行下列模糊變換：Bi=Wi·Ri，i=1，2，…，n。

對于第1層各個指標(biāo)U的模糊評語Bi(i=1，2，…，4)：

歸一化計算可得:

B1=(0.365 90.374 30.146 60.109 6)

同理可得B2,B3，B4，B5,B6的值：

B2=(0.362 50.300 00.237 50.100 0)

B3=(0.357 10.257 10.242 90.142 9)

B4=(0.331 10.298 00.198 70.172 2)

B5=(0.400 00.400 00.100 00.100 0)

B6=(0.300 00.300 00.200 00.200 0)

由以上結(jié)果可以看出，該指標(biāo)體系在協(xié)同攻擊能力、指揮控制決策能力、數(shù)據(jù)鏈能力、雷達(dá)能力、任務(wù)可靠度和飛機(jī)可用度6項指標(biāo)中“好”與“較好”的隸屬度分別是0.743 8，0.662 5，0.614 3，0.629 1，0.800 0，0.600 0，評判結(jié)果比較客觀。

將Bi合成一級評判矩陣B=[B1,B2,B3,B4,B5,B6]，則被評判問題相對于全部指標(biāo)的二級評判矩陣為(按加權(quán)型算法計算)：

A=WB=(0.360 80.327 70.189 30.122 3)

這一評估結(jié)果表明有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)能力，36%的人認(rèn)為是很好，32%的人認(rèn)為是好，19%的人認(rèn)為是一般，12%的人認(rèn)為是差。將模糊評語A轉(zhuǎn)化為總得分。對若干個方案進(jìn)行排序，則需將綜合評語A再綜合為一個數(shù)。為此采用加權(quán)平均法對每個等級與權(quán)重分?jǐn)?shù)賦值V情況如表7所示。

表7　等級與權(quán)重值分?jǐn)?shù)設(shè)定情況

從而得到有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能評估方案得分為：

對于其它的有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能系統(tǒng)，可以按照上述方法進(jìn)行同樣的綜合評判，最后根據(jù)評判結(jié)果選出較優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

6結(jié)束語

有人機(jī)/無人機(jī)編隊協(xié)同，形成獨特的作戰(zhàn)體系，在網(wǎng)絡(luò)中每架飛機(jī)都具備不同功能和任務(wù)的節(jié)點，可以更加準(zhǔn)確地反饋戰(zhàn)場信息，更加機(jī)動靈活地處理突發(fā)事件，同時縮短信息傳輸時間和步驟，提高編隊作戰(zhàn)效率。文中通過對有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作

戰(zhàn)效能系統(tǒng)的主要因素進(jìn)行分析，建立有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能評估體系模型，采用層次分析法與模糊綜合評判法相結(jié)合，對有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能進(jìn)行評估，為有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)的構(gòu)成與優(yōu)化提供定量依據(jù)。

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Efficiency Evaluation of Manned/Unmanned Aerial Vehicles Coordinate

Operation Based on AHP-Fuzzy Synthetic Evaluation Method

ZHANG Yong-li，SUN Zhi-shui,ZHOU Rong-kun

(China Academy of Electronics and Information Technology,Beijing 100041,China)

Abstract:Coordinate operation of manned/unmanned aerial vehicle formation is an important mode of future aerial combat,and is an important manner to strive for the victory of aerial combat in the future.This paper performs the efficiency evaluation of manned/unmanned aerial vehicle formation coordinate operation,analyzes the major factors influencing manned/unmanned aerial vehicle formation coordinate operation,establishes the efficiency evaluation index system and model of manned/unmanned aerial vehicle formation coordinate operation,uses analytical hierarchy process (AHP) to determine the index weight of system performance,and adopts AHP-fuzzy synthetic evaluation method to evaluate the performance indexes.The result indicates that the method can make a scientific and reasonable evaluation for the efficiency of manned/unmanned aerial vehicle formation coordinate operation,which provides new perspective for the coordinate operation of efficiency evaluation of manned/unmanned aerial vehicle formation.

Key words:manned vehicle;unmanned aerial vehicle;analytical hierarchy process;fuzzy synthetic evaluation;efficiency evaluation

收稿日期:2015-05-21

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.06.019

中圖分類號：V279

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：CN32-1413(2015)06-0080-05