回亞立，王光源，毛世超 ，3

（1.遼寧海警第二支隊司令部，遼寧丹東118000；2.海軍航空大學(xué)，山東煙臺264001；3.92852部隊，浙江寧波315033）

隨著世界全球化發(fā)展與國際戰(zhàn)略環(huán)境的不斷變化，對我國的海上安全、海洋權(quán)益和國家利益帶來了一系列新的影響。我國面臨的海洋主權(quán)與海洋安全的諸多威脅，中遠(yuǎn)海區(qū)對國家的經(jīng)濟(jì)與貿(mào)易安全等帶來的諸多挑戰(zhàn)，特別是我國近海和中遠(yuǎn)海部分熱點(diǎn)水域，如亞丁灣等重要能源戰(zhàn)略通道，面臨著一些小型快速船艇的非法海上活動和安全威脅，這類目標(biāo)神出鬼沒，具有預(yù)警時間短、機(jī)動速度快、識別取證難的特點(diǎn)，是目前非戰(zhàn)爭軍事行動中遇到的新課題。為此，我國正在探討以海警、海軍等多方力量協(xié)同開展行動，海警主要承擔(dān)沿海水域的非作戰(zhàn)行動，海軍則以中遠(yuǎn)海為主。無人機(jī)具有成本低、體積小、用途廣泛、消費(fèi)比高、零傷亡等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于空中偵察、搜索、監(jiān)視、警戒、通信中繼、打擊等戰(zhàn)斗和保障活動[1]。隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展應(yīng)用，對現(xiàn)有艦船平臺加裝艦載無人機(jī)將是提升艦船識別與取證海上快速機(jī)動小目標(biāo)的有效手段[2]。因此，針對無人機(jī)對海上快速小目標(biāo)的取證效能開展評估研究，將為后續(xù)的海上非戰(zhàn)爭行動提供有效的決策支撐。

1 無人機(jī)對海上快速小目標(biāo)取證能力評估指標(biāo)體系

艦載無人機(jī)對海上快速小目標(biāo)取證是一個復(fù)雜的、系統(tǒng)的使用過程，通常要根據(jù)獲取可疑目標(biāo)情報、敵我雙方態(tài)勢、氣象環(huán)境等信息確定出動的無人機(jī)型號、數(shù)量及其配置的載荷，對可疑目標(biāo)展開偵察搜索、跟蹤監(jiān)視、識別與信息處理等行動[3]。對海上快速小目標(biāo)取證能力包括艦船指控能力、平臺出動能力、平臺載荷能力、搜索跟蹤能力以及信息處理能力。因此，其效能評估是典型的涉及多指標(biāo)體系和多屬性的復(fù)雜問題。

1）艦船指控能力。主要由艦載導(dǎo)航系統(tǒng)、無人機(jī)起飛和降落系統(tǒng)、無人機(jī)操作員、艦載導(dǎo)航系統(tǒng)、無人機(jī)航路規(guī)劃及任務(wù)規(guī)劃和分配等部分組成。艦面指控系統(tǒng)作為無人機(jī)的指控中心，須綜合考慮各方情報資料及艦載無人機(jī)的性能狀況，對無人機(jī)的任務(wù)、航路進(jìn)行規(guī)劃。無人機(jī)飛行員等相關(guān)工作人員負(fù)責(zé)無人機(jī)的發(fā)射、回收以及對任務(wù)飛行中的無人機(jī)及載荷進(jìn)行操控，對無人機(jī)傳回的遙測數(shù)據(jù)、圖像信息進(jìn)行處理[4-6]。

2）平臺出動能力。無人機(jī)對海上可疑快速小目標(biāo)取證能力很大程度上取決于無人機(jī)平臺的出動能力。平臺出動能力主要取決于無人機(jī)在緊急出動、高峰出動、持續(xù)出動[7]3種出動狀態(tài)下的架次率，執(zhí)行任務(wù)的可用度，架次任務(wù)的完成能力，以及載艦的維修保障能力和無人機(jī)的環(huán)境適應(yīng)能力。

3）平臺載荷能力。無人機(jī)可攜帶的用于海上監(jiān)視取證的裝備主要有光學(xué)照相機(jī)、電視攝像機(jī)、紅外掃描儀、前視紅外設(shè)備以及激光雷達(dá)等[8]。隨著多/超光譜、焦平面陣列、高清電視等關(guān)鍵技術(shù)的不斷發(fā)展，圖像采集設(shè)備的體積更小、質(zhì)量更輕、功耗更低、靈敏度更高、壽命更長、使用維護(hù)更簡便，且采集圖像的質(zhì)量和分辨率有顯著提升，使無人機(jī)在復(fù)雜的海上環(huán)境中對可疑目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視取證的能力得到了很大提升。

4）搜索跟蹤能力。無人機(jī)對海搜索方式的選擇，應(yīng)根據(jù)目標(biāo)散布區(qū)域大小、任務(wù)的緊迫程度、編隊艦載無人機(jī)數(shù)量和當(dāng)時的戰(zhàn)場環(huán)境等因素綜合考慮。基本的搜索方式有縱飛推掃、縱飛側(cè)掃、縱飛橫掃、扇掃和環(huán)掃。而其跟蹤能力主要由無人機(jī)的機(jī)動方式、飛行方式、飛行高度以及續(xù)航能力共同決定。

5）信息處理能力。無人機(jī)在取證過程中，對載荷獲得的圖像等信息進(jìn)行即時處理和目標(biāo)識別。數(shù)據(jù)控制模塊控制有效信息儲存及發(fā)送，根據(jù)需要可以設(shè)置無人機(jī)與指揮艦之間上、下行通信鏈路的帶寬。指揮艦對無人機(jī)傳送來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行圖像處理、目標(biāo)識別，并提供戰(zhàn)術(shù)輔助決策。

定義評估指標(biāo)集合U={Ui,i=1,2,…,5} ；一級評估指標(biāo)，其中，Uij為二級指標(biāo)[9-10]。無人機(jī)對海上快速小目標(biāo)的取證能力評估指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 無人機(jī)對海上快速小目標(biāo)取證能力評估指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system for evidence capability of unmanned aerial vehicles for fast-small targets at sea

2 取證能力評估模型

針對艦船利用無人機(jī)對海上快速小目標(biāo)取證能力構(gòu)建的復(fù)雜指標(biāo)體系，采用層次分析法構(gòu)建評估模型對取證效能開展研究。

2.1 指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣

根據(jù)無人機(jī)對海上快速小目標(biāo)取證能力評估指標(biāo)體系，邀請經(jīng)驗豐富的專家應(yīng)用1～9的比較標(biāo)度法，分別對第2層、第3層指標(biāo)的重要性進(jìn)行交叉比較[11-12]。表1為評分標(biāo)準(zhǔn)及含義，判斷矩陣為：

式中，aij為第i項指標(biāo)與第j項指標(biāo)的比值。

表1 評分標(biāo)準(zhǔn)及含義Tab.1 Scoring criteria and meaning

2.2 評估指標(biāo)權(quán)重

由于指標(biāo)體系中下級指標(biāo)對上級指標(biāo)的影響程度不同，為加強(qiáng)可比性并盡量消除專家打分對評估指標(biāo)權(quán)重的主觀性影響，使評估的結(jié)果更合理。本文采用熵值法確定評估指標(biāo)的權(quán)重[13]，計算模型如下。

1）采用熵權(quán)法確定A中各指標(biāo)的權(quán)重，第i個子指標(biāo)的熵為：

2）第i個子指標(biāo)的權(quán)重為：

2.3 構(gòu)造評估樣本矩陣

根據(jù)艦船、無人機(jī)平臺和可用載荷、相關(guān)工作人員及保障設(shè)備的情況，邀請p位相關(guān)領(lǐng)域的專家依據(jù)表2制定的評估準(zhǔn)則對圖1所建立的取證能力評估指標(biāo)體系進(jìn)行評估打分[14]。

表2 評估準(zhǔn)則Tab.2 Evaluation criteria

本文以構(gòu)造第1層指標(biāo)U的評估樣本矩陣為例，第j名專家對U的下級指標(biāo)Ui的評分結(jié)果記為dij，構(gòu)造出U的評估樣本矩陣：

2.4 取證能力的灰色系統(tǒng)評估模型

1）確定評估灰類。評估灰類是一個用來比較的類別或概念，主要包括灰數(shù)和灰數(shù)對應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)[15]?；覕?shù)通常是在某個區(qū)間內(nèi)取值而不知其確切值的數(shù)，用“?”來表示。白化權(quán)函數(shù)是用來定量描述一個評估指標(biāo)在取值范圍內(nèi)隸屬于某一灰類的可能性或偏愛程度。根據(jù)表2的評價準(zhǔn)則設(shè)定評價灰類等級為4級，其序號用k(k=1,2,3,4）表示，各級灰類對應(yīng)的灰數(shù)如表3所示。

表3 各級灰類灰數(shù)對應(yīng)表Tab.3 Gray number correspondence table of grades

各灰類對應(yīng)的灰數(shù)和白化權(quán)函數(shù)[16]如下。

第一級灰類(k=1)。令灰數(shù)?1∈[0,9,∞)，則相應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)為：

第二級灰類(k=2 )，令灰數(shù)?2∈[0,7,14]，則相應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)為：

第三級灰類(k=3) ，令灰數(shù)?3∈[0,5,10]，則相應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)為：

第四級灰類(k=4 )，令灰數(shù)?4∈[0,2,4]，則相應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)為：

2）確定灰色評價權(quán)向量。計算在各白化權(quán)函數(shù)下的dij的灰色評價系數(shù)，處理得到灰色評價權(quán)矩陣：

式（9）中：rik為n位專家給出的指標(biāo)U在第k等級灰類下的灰色評價權(quán)值；fk(dij)表示第k等級灰類下，第j個專家對于第i個評價指標(biāo)所對應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)值。

3）建立灰色系統(tǒng)評估模型。根據(jù)本文確定的無人機(jī)對海上快速小目標(biāo)取證能力評估指標(biāo)的權(quán)重W和灰色評價權(quán)矩陣R，計算出取證能力評估指標(biāo)的灰色系統(tǒng)評估結(jié)果為：

結(jié)合制定的評價準(zhǔn)則，將取證能力的灰色系統(tǒng)評估結(jié)果進(jìn)行量化得到無人機(jī)對海上快速小目標(biāo)的取證能力值為[17-18]：

式中，F(xiàn)=[9 7 5 2]T為灰度評價的最優(yōu)值向量。

采用該模型可分別對艦船指控能力、平臺出動能力、平臺載荷能力、無人機(jī)搜索跟蹤能力及信息處理能力進(jìn)行評估分析。

3 算例分析

本文以搭載了3種型號、數(shù)量各為2架的海警某型執(zhí)法船為例進(jìn)行分析說明。5位專家組成評估小組，通過評審指標(biāo)體系各指標(biāo)，應(yīng)用1～9的比較標(biāo)度法，給出無人機(jī)對海上快速小目標(biāo)取證能力的比較判斷矩陣：

根據(jù)式（2）、（3）計算出判斷矩陣A的權(quán)重向量：

然后，專家根據(jù)該執(zhí)法船現(xiàn)有裝備及相關(guān)人員的訓(xùn)練情況，對該船運(yùn)用無人機(jī)對海上快速小目標(biāo)的取證能力進(jìn)行評分，得各二級指標(biāo)的評估樣本矩陣為：

根據(jù)式（5）～（8），計算求得各指標(biāo)在不同灰類等級下白化權(quán)函數(shù)值之和，見表4。

表4 各指標(biāo)在不同灰類等級下白化權(quán)函數(shù)值之和Tab.4 Sum of function value at different grey class for all indexes

根據(jù)式（9）可得無人機(jī)對海上快速小目標(biāo)取證能力評估的灰色評價權(quán)向量為：

根據(jù)式（10）計算得：

根據(jù)式（11）和本文制定的評價準(zhǔn)則對灰色評估結(jié)果進(jìn)行定量化得U=E?F=7.041 6。

由此可見，該執(zhí)法船搭載無人機(jī)對海上快速小目標(biāo)的取證能力的灰色估值為7.041 6，對應(yīng)評估結(jié)果為“良好”。

4 結(jié)束語

本文提出了運(yùn)用加載無人機(jī)協(xié)同艦船進(jìn)行執(zhí)法取證的使用方法，根據(jù)取證過程和影響因子，運(yùn)用層次分析法建立了無人機(jī)對海上快速移動可疑目標(biāo)取證能力的評估指標(biāo)體系。采用專家打分法和熵權(quán)法量化評估指標(biāo)的權(quán)重，利用灰色理論對評估樣本進(jìn)行分析處理，確定了評估灰類等級、灰數(shù)值及白化權(quán)函數(shù)，求得灰色評估權(quán)向量，進(jìn)而建立了無人機(jī)對海上小目標(biāo)取證能力評估模型，并通過實例進(jìn)行了仿真分析。運(yùn)用該模型不僅能夠有效地評估出艦船加載無人機(jī)對海上快速小目標(biāo)的取證能力，為指揮員執(zhí)行行動計劃提供參考依據(jù)，還能夠進(jìn)一步量化分析影響其取證能力的主要因素，找出存在短板，為艦船無人機(jī)裝備的系統(tǒng)建設(shè)，提高海上執(zhí)法能力提供了理論支撐。