王書敏，男，教授，博士生導(dǎo)師。

基于組合智能模型的無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案質(zhì)量評(píng)估方法

陳娟1，王書敏2，王世貴2

(1. 陸軍軍官學(xué)院 防空兵系, 安徽 合肥 230031；2. 陸軍軍官學(xué)院 炮兵系, 安徽 合肥 230031)

摘要現(xiàn)代戰(zhàn)場中無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案質(zhì)量評(píng)估的影響因素日益復(fù)雜，傳統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估方法已不能滿足要求，而組合智能評(píng)估方法集成多種方法的優(yōu)勢，能有效解決復(fù)雜系統(tǒng)評(píng)估問題。綜合考慮無人機(jī)系統(tǒng)自身的性能因素和戰(zhàn)場環(huán)境對(duì)無人機(jī)的影響，構(gòu)建了多層次的無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)體系，研究了組合智能評(píng)估方法在無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案質(zhì)量評(píng)估中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能模型和基于改進(jìn)熵值法的傳統(tǒng)模型，并運(yùn)用實(shí)例驗(yàn)證了組合智能評(píng)估方法的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞組合智能模型；無人機(jī)；作戰(zhàn)需求方案；質(zhì)量評(píng)估方法

作者簡介陳娟(1980-)，女，講師，博士研究生，主要研究方向?yàn)檐娛逻\(yùn)籌。chenbbm@sina.com

中圖分類號(hào)E25

文章編號(hào)2095-3828(2015)06-0028-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2015.06.007

AbstractIn modern battlefields, evaluation on the quality of operational requirement plan of unmanned aerial vehicle becomes more and more complicated. Traditional evaluation method can not meet this requirements while compound intelligent evaluation method has advantages of many other methods so that it can effectively solve out complicated issues of system evaluation. By comprehensively considering the performance factors of unmanned aerial vehicle and the influence of battlefield environment on unmanned aerial vehicle, the paper builds up a multi-layer quality evaluation indicator system for operational requirement plan of unmanned aerial vehicle, researches the applications of compound intelligent evaluation method in this respect, designs an intelligent model based on neural network and a traditional model based on improved entropy method and verifies the effectiveness and feasibility of this compound intelligent evaluation method with real cases.

Keywordscompound intelligent model; unmanned aerial vehicle; operational requirement plan; quality evaluation method

Quality Evaluation Method of Operational Requirement Plan on

Unmanned Aerial Vehicles Based on Compound Intelligent Model

CHEN Juan1，WANG Shumin2，WANG Shigui2

(1. Air Defence Forces Department, Army Officer Academy, Hefei Anhui 230031, China；

2. Artillery Department, Army Officer Academy, Hefei Anhui 230031, China)

隨著戰(zhàn)場環(huán)境的日益復(fù)雜和無人機(jī)戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用的不斷變革，當(dāng)前無人機(jī)作戰(zhàn)呈現(xiàn)出協(xié)同復(fù)雜化、決策智能化和規(guī)劃實(shí)時(shí)化的特點(diǎn)，無人機(jī)作戰(zhàn)任務(wù)向偵察監(jiān)視、火力校射、通信中繼、空中預(yù)警等多元方向發(fā)展，無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案質(zhì)量評(píng)估的影響因素日益復(fù)雜[1-2]。目前，層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、模糊綜合評(píng)判法等多種傳統(tǒng)評(píng)估方法已被廣泛應(yīng)用于質(zhì)量評(píng)估領(lǐng)域[3]。但是，傳統(tǒng)評(píng)估方法存在不足，一方面很難檢驗(yàn)主觀因素對(duì)方案的影響；另一方面無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案需要綜合考慮無人機(jī)力量構(gòu)成、敵方火力威脅、地形氣象影響和地形匹配、地形跟蹤，以及景象匹配等各種導(dǎo)航要求。因此，無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案質(zhì)量評(píng)估是復(fù)雜的系統(tǒng)評(píng)估，傳統(tǒng)的評(píng)估方法難以滿足要求，而智能評(píng)估方法適于解決多影響因素的復(fù)雜決策問題。本文在深入研究無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案影響因素的基礎(chǔ)上，研究智能評(píng)估方法在無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案質(zhì)量評(píng)估中的應(yīng)用，構(gòu)建無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案質(zhì)量評(píng)估體系，提出組合智能評(píng)估模型和評(píng)估流程，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案的優(yōu)選。

1評(píng)估指標(biāo)體系

裝備作戰(zhàn)需求方案質(zhì)量評(píng)估，主要有系統(tǒng)效能分析和作戰(zhàn)運(yùn)用效能分析2種方法[4-5]。無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案是在特定作戰(zhàn)背景和作戰(zhàn)要求的前提下，根據(jù)作戰(zhàn)構(gòu)想和敵我態(tài)勢，選擇適當(dāng)?shù)臒o人機(jī)作戰(zhàn)力量，進(jìn)行合理的作戰(zhàn)任務(wù)分配，實(shí)施最佳的任務(wù)規(guī)劃，最終達(dá)到理想作戰(zhàn)效果的需求規(guī)劃。無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案質(zhì)量評(píng)估屬于復(fù)雜的系統(tǒng)效能評(píng)估問題，對(duì)于該類問題WSEIAC(Weapon System Efficiency Industry Advisory Committee)方法應(yīng)用最廣泛，在各種類型無人機(jī)的作戰(zhàn)效能評(píng)估實(shí)踐和新型無人機(jī)系統(tǒng)研制評(píng)估時(shí)取得良好效果。這種方法嚴(yán)格從系統(tǒng)效能的定義出發(fā)來建立評(píng)估模型，能夠直接反映武器裝備系統(tǒng)效能的物理本質(zhì)，并且提出的系統(tǒng)效能評(píng)估值和綜合品質(zhì)指標(biāo)值、實(shí)際作戰(zhàn)效果及過程之間具有顯著的物理擬合性。WSEIAC方法中系統(tǒng)效能由裝備的可用性、可信性及能力決定，基本模型為

(1)

式中,ET為效能行向量；AT為可用性行向量；[D]為可信性矩陣；[C]為能力矩陣。該方法的改進(jìn)算法有KQ-ADC、ADCB、ADCS等方法。

目前，實(shí)際運(yùn)用時(shí)大部分無人機(jī)主要實(shí)施戰(zhàn)場偵察，執(zhí)行各種情報(bào)保障任務(wù)，在實(shí)時(shí)監(jiān)視、毀傷評(píng)估和態(tài)勢預(yù)測等方面為指揮員和指揮機(jī)關(guān)提供情報(bào)支援。構(gòu)建無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)體系時(shí)，既要考慮無人機(jī)系統(tǒng)本身的影響因素，又要考慮實(shí)施偵察和情報(bào)保障過程中的各種作戰(zhàn)環(huán)境和態(tài)勢變化。因此，本文構(gòu)建了基于WSEIAC方法和層次分析法相結(jié)合的無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1　無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)體系

1) 無人機(jī)基本性能指標(biāo)。無人機(jī)的作戰(zhàn)需求方案論證的首要問題是無人機(jī)的優(yōu)選，各種類型無人機(jī)的基本性能各不相同，與作戰(zhàn)需求方案的質(zhì)量密切相關(guān)，性能指標(biāo)包括翼展、重量、航程、最大速度、升限續(xù)航能力、有效載荷和飛行器成本。

2) 無人機(jī)可用性指標(biāo)。無人機(jī)可用性是指無人機(jī)開始執(zhí)行任務(wù)時(shí)所處狀態(tài)的度量，包括無人機(jī)自身狀態(tài)和影響無人機(jī)發(fā)射的外界狀態(tài)。無人機(jī)自身狀態(tài)一般是由飛行器分系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備分系統(tǒng)和維修保障分系統(tǒng)3個(gè)部分的初始狀態(tài)決定。無人機(jī)可用性還與發(fā)射前各種偵察設(shè)備的探測能力、運(yùn)輸條件、發(fā)射條件以及無人機(jī)發(fā)射成功概率等因素有關(guān)。因此，無人機(jī)的可用性主要由飛行器可用性、任務(wù)設(shè)備可用性等6個(gè)指標(biāo)來衡量。

3) 無人機(jī)可靠性指標(biāo)。無人機(jī)可靠性是指無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)過程中所處狀態(tài)的量度。通常用無人機(jī)在特定時(shí)間、規(guī)定條件下實(shí)現(xiàn)其預(yù)定功能的概率表示。無人機(jī)可靠性與平均故障間隔時(shí)間、可利用率和A級(jí)事故率密切相關(guān)。平均故障間隔時(shí)間是指可修復(fù)系統(tǒng)或組件在故障前持續(xù)工作多長時(shí)間。可利用率是指在不定時(shí)(隨機(jī))要求執(zhí)行任務(wù)時(shí)系統(tǒng)或組件保持可運(yùn)行或可執(zhí)行狀態(tài)的程度。A級(jí)事故率是指機(jī)群每飛行10萬小時(shí)出現(xiàn)的事故(嚴(yán)重?fù)p壞或完全損失)次數(shù)，可劃分為動(dòng)力/推進(jìn)、飛行控制、通信、人的因數(shù)/地面控制和其他因素。

4) 無人機(jī)作戰(zhàn)能力指標(biāo)[6-7]。由于目前絕大多數(shù)無人機(jī)主要執(zhí)行戰(zhàn)場情報(bào)保障任務(wù)，因此這里的作戰(zhàn)能力指情報(bào)保障能力。無人機(jī)情報(bào)保障能力是指無人機(jī)通過對(duì)戰(zhàn)場目標(biāo)圖像進(jìn)行偵察、處理、分析、管理、整編和分發(fā)，為各級(jí)指揮機(jī)構(gòu)、作戰(zhàn)部隊(duì)、主戰(zhàn)兵器等提供及時(shí)、準(zhǔn)確、翔實(shí)的戰(zhàn)場目標(biāo)圖像情報(bào)和綜合情報(bào)保障的能力。無人機(jī)情報(bào)保障能力指標(biāo)由偵察設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、編制體制和保障效能4個(gè)子指標(biāo)構(gòu)成，按照層次分析法，每個(gè)子指標(biāo)又可進(jìn)一步細(xì)化。偵察設(shè)備包括電視偵察、照相偵察、紅外偵察和雷達(dá)偵察；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)劃分為傳輸能力、安全性能、組網(wǎng)方法和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4個(gè)子指標(biāo)；編制體制是指無人機(jī)裝備保障和情報(bào)處理部門及人員的編配，直接關(guān)系到無人機(jī)偵察能力和情報(bào)處理分發(fā)的能力，可以劃分為偵察裝備保障、偵察圖像處理和偵察圖像判讀；保障效能是指無人機(jī)情報(bào)保障的效果評(píng)價(jià)，可分為用戶保障率、保障效果和用戶滿意度3個(gè)子指標(biāo)。

5) 無人機(jī)協(xié)同性指標(biāo)?，F(xiàn)代戰(zhàn)場中無人機(jī)運(yùn)用不再是以前單架飛機(jī)的單打獨(dú)斗，而是多架多類型無人機(jī)協(xié)同完成任務(wù)。因此，在評(píng)估模型中應(yīng)考慮多無人機(jī)協(xié)同性指標(biāo)。協(xié)同性指標(biāo)可以劃分為體系結(jié)構(gòu)、編隊(duì)方式、組合模式等指標(biāo)。其中，體系結(jié)構(gòu)是指多無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的地面站控制方式，通常包括集中式、分布式和集散式體系結(jié)構(gòu)；編隊(duì)方式指多無人機(jī)在空中飛行的編隊(duì)運(yùn)動(dòng)方式；組合模式是指不同類型的無人機(jī)編配組合模式，通常根據(jù)無人機(jī)的功能編配或根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)需求編配。

2組合智能評(píng)估方法

組合智能評(píng)估模型的優(yōu)點(diǎn)是可以有效避免單一模型或方法的局限性，集成多種評(píng)估模型的優(yōu)點(diǎn)[8]，較好地適應(yīng)無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案的多影響因素、多層次等復(fù)雜機(jī)理，提高評(píng)估系統(tǒng)的精度和可信性。本文以提高無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案質(zhì)量評(píng)估效率為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種組合智能評(píng)估方法，如圖2所示。

圖2　無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案質(zhì)量的組合智能評(píng)估方法

無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)體系中各類指標(biāo)的特點(diǎn)不同，對(duì)于影響因素較多而且具有較多模糊信息的評(píng)估指標(biāo)，可以組合模糊邏輯和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)估，如圖1中的無人機(jī)情報(bào)保障能力和協(xié)同性指標(biāo)。對(duì)于評(píng)估影響因素具有明顯層次性而且評(píng)估信息帶有不確定性的評(píng)估指標(biāo)，可以采用層次分析法與灰色關(guān)聯(lián)分析法相結(jié)合的方式進(jìn)行評(píng)估，如圖1 中的無人機(jī)基本性能、可用性和可靠性指標(biāo)。

3組合智能評(píng)估流程模型

組合智能模型是由傳統(tǒng)評(píng)估模型和智能評(píng)估模型構(gòu)成，下面具體對(duì)2類模型進(jìn)行構(gòu)建。

3.1　基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能評(píng)估模型

因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有良好的自適應(yīng)性、自組織、自學(xué)習(xí)、容錯(cuò)性和輸入輸出的高度非線性映射等特性[9]，所以無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案質(zhì)量評(píng)估的作戰(zhàn)能力和協(xié)同性指標(biāo)設(shè)計(jì)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能評(píng)估模型，如圖3所示。圖中采用三層BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型。其中，輸入層包括7個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別輸入經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理的偵察設(shè)備參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)、編制體制參數(shù)、保障效能參數(shù)、體系結(jié)構(gòu)參數(shù)、編隊(duì)方式參數(shù)和組合模式參數(shù)，輸出層為效能評(píng)估等級(jí)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型求解的關(guān)鍵在于確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)的模型參數(shù)?？梢岳眠z傳算法較強(qiáng)的全局搜索能力，確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)的模型參數(shù)。

圖3　基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能評(píng)估模型

給定無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案智能評(píng)估的訓(xùn)練樣本序列D，D={(x1,y),(x2,y),…,(xm,y)}，xi(i=1，2，…,7)表示樣本輸入向量，并且是歸一化的訓(xùn)練樣本；y是樣本輸出向量，表征評(píng)估值，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的目的就是建立從輸入空間到輸出空間的映射Ψ，使得Ψ(xi)=yi。訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是用于指標(biāo)評(píng)估的智能模型。

3.2　基于改進(jìn)熵值法的傳統(tǒng)評(píng)估模型

對(duì)于無人機(jī)基本性能、可用性和可靠性指標(biāo)可以采用層次分析法與改進(jìn)熵值法相結(jié)合的方式進(jìn)行評(píng)估[10]，評(píng)估模型如圖4所示。

圖4　基于改進(jìn)熵值法的傳統(tǒng)評(píng)估模型

圖4中改進(jìn)的熵值法確定權(quán)重系數(shù)的步驟如下：

1) 構(gòu)建原始權(quán)重矩陣，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化改進(jìn)。原始權(quán)重矩陣為

(2)

將原始權(quán)重矩陣標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到

(3)

2) 指標(biāo)同度量化及熵值。由于不同的指標(biāo)衡量尺度不一樣，需要對(duì)指標(biāo)進(jìn)行同度量化計(jì)算比重值

(4)

得出決策矩陣為

(5)

由此，計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值

(6)

3) 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。首先確定第j項(xiàng)指標(biāo)的差異性系數(shù)gj。對(duì)于給定的j，指標(biāo)值aij的差異性越小，則ej越大。當(dāng)aij全部相等時(shí)，ej=emax=1；當(dāng)各aij值相差越大時(shí)，ej越小，表明該指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)值大小比較所起的作用越大。定義差異性系數(shù)gj=1-ej，gj越大，指標(biāo)越重要。差異系數(shù)向量為

指標(biāo)權(quán)重為

(7)

4評(píng)估實(shí)驗(yàn)

利用組合智能評(píng)估方法，對(duì)多架無人機(jī)執(zhí)行不同情報(bào)保障任務(wù)的作戰(zhàn)需求方案進(jìn)行評(píng)估，選擇A、B、C 3種類型的無人機(jī)分別執(zhí)行戰(zhàn)場偵察、信號(hào)情報(bào)、精確目標(biāo)定位與指示、數(shù)字地形測繪等8項(xiàng)保障任務(wù)。其中，A型無人機(jī)是綜合大型無人機(jī)系統(tǒng)，B型無人機(jī)是搭載多種任務(wù)載荷的通用中程無人機(jī)，C型無人機(jī)是小型垂直起降戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)。

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能評(píng)估模型使用前需要大量樣本進(jìn)行訓(xùn)練。樣本來自無人機(jī)訓(xùn)練和演習(xí)數(shù)據(jù)，選取方法可采用隨機(jī)法、正交法和均勻法，本文采用均勻法選取訓(xùn)練樣本。鑒于訓(xùn)練樣本的數(shù)據(jù)龐大，挑選部分樣本數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1　智能評(píng)估模型的訓(xùn)練樣本

訓(xùn)練樣本的輸入數(shù)據(jù)x1～x7是對(duì)無人機(jī)演練歷史數(shù)據(jù)庫中相關(guān)指標(biāo)歸一化處理后的數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)y表示能力等級(jí)，通常分為“優(yōu)”“良”“中”“差”4個(gè)級(jí)別，數(shù)據(jù)區(qū)間相應(yīng)為[0.8,1]，[0.5,0.8]，[0.2,0.5]，[0,0.2]。訓(xùn)練好的智能評(píng)估模型即可直接用于評(píng)估。

利用組合評(píng)估模型對(duì)不同無人機(jī)執(zhí)行不同保障任務(wù)的需求方案進(jìn)行評(píng)估，排列出無人機(jī)在8個(gè)領(lǐng)域執(zhí)行保障任務(wù)時(shí)的優(yōu)先次序，如表2所示。

表2　無人機(jī)執(zhí)行保障任務(wù)的優(yōu)先排序

從表2可知，不同無人機(jī)執(zhí)行不同保障任務(wù)時(shí)的優(yōu)先次序不同，可以得到如下結(jié)論：

1) A型無人機(jī)是綜合大型無人機(jī)系統(tǒng)，適用于高空、遠(yuǎn)距離的戰(zhàn)場偵察監(jiān)視，可以獲得及時(shí)、可靠的態(tài)勢情報(bào)。

2) B型無人機(jī)是通用中程無人機(jī)，可以搭載光電、紅外成像、紅外照明和目標(biāo)激光指示等多種任務(wù)載荷，適用于提供戰(zhàn)術(shù)級(jí)偵察、監(jiān)視、精確目標(biāo)定位與指示。

3) C型無人機(jī)是小型垂直起降戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)，可以滿足小型作戰(zhàn)單元對(duì)具備盤旋、持續(xù)凝視和垂直起降能力的偵察與監(jiān)視系統(tǒng)的需求。

通過評(píng)估實(shí)驗(yàn)可知，不同類型的無人機(jī)由于性能、可靠性、情報(bào)保障能力等各有差異，執(zhí)行不同保障任務(wù)時(shí)的優(yōu)先次序不同，因此制定作戰(zhàn)需求方案時(shí)可以參考評(píng)估結(jié)果，從情報(bào)保障任務(wù)順利完成的角度出發(fā)，配置適合的無人機(jī)。

5結(jié) 束 語

無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案質(zhì)量評(píng)估是裝備作戰(zhàn)需求論證質(zhì)量評(píng)估的一項(xiàng)重要內(nèi)容，本文提出的組合智能評(píng)估方法可以有效解決無人機(jī)作戰(zhàn)需求方案質(zhì)量評(píng)估問題，是裝備作戰(zhàn)需求論證質(zhì)量評(píng)估方法研究的有益嘗試。隨著軍事和科技的突飛猛進(jìn)，各種新方法和新模型層出不窮，將不斷創(chuàng)新和發(fā)展裝備作戰(zhàn)需求論證質(zhì)量評(píng)估方法體系。

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(編輯：李江濤)