基于AHP-模糊綜合評判法的有人機/無人機協同作戰效能評估

張永利，孫治水，周榮坤

(中國電子科技集團公司電子科學研究院，北京100041)

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基于AHP-模糊綜合評判法的有人機/無人機協同作戰效能評估

張永利，孫治水，周榮坤

(中國電子科技集團公司電子科學研究院，北京100041)

摘要：有人機與無人機的編隊協同作戰是未來空戰的一個重要模式，是爭取未來空戰勝利的重要方式。對有人機與無人機的編隊協同作戰進行效能評估，分析了影響有人機與無人機的編隊協同的主要因素，建立了有人機與無人機的編隊協同作戰效能評估指標體系和模型，采用AHP確定系統性能指標權重，利用層次分析法(AHP)-模糊綜合評判法評價性能指標。結果表明此方法可以科學合理地對有人機與無人機的編隊協同作戰效能進行評估，為有人機與無人機的編隊協同作戰效能評估提供了新的研究視角。

關鍵詞：有人機；無人機；層次分析法；模糊綜合評判；效能評估

0引言

有人機在戰時執行超視距偵察、監視、引導任務時的隱蔽性和安全性方面存在弱點，使其在惡劣環境下的生存能力低于無人機，同時有人機還存在駕駛人員所能承受的工作時間的限制；而無人機在任務載荷能力和機載設備性能方面又存在一定的局限性。有人機/無人機編隊優勢整合，以1架有人機與1架無人機或1架有人機與多架無人機2種形式，把原來對無人機實施指揮的地面控制系統移植到空中飛機上，由有人機后座的武器控制人員根據戰場態勢制定編隊決策并在任務的執行過程中全程進行控制。有人機/無人機協同作戰可以提高有人機/無人機戰場生存概率，準確及時地反饋戰場信息，執行多樣化的作戰任務[1-5]。

有人機/無人機編隊協同體現的戰場優勢，使得各國開始嘗試這一方面的戰術演練。達索公司最新公布的宣傳片中首次出現“陣風”戰斗機、“獵鷹”公務機以及“神經元”無人作戰飛機進行編隊飛行的畫面，說明法國已經做出將有人機/無人機編隊方式用于實際護航的嘗試。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的速度進場著陸，完成首次有人機/無人機在同一航母起降，說明美國在這一方面已經領先一步[6]。

有人機/無人機協同作戰使得各種資源得到充分、合理的配置，極大地提高了作戰效能。因此對于有人機/無人機協同作戰效能進行科學合理的評估具有重要的現實意義。本文針對構造的有人機/無人機協同作戰效能評估指標體系，利用層次分析法和模糊綜合評判法建立作戰效能評估模型，并用算例對作戰系統效能評估進行驗證。

1構建有人機-無人機協同作戰效能評估體系

合理地構建有人機/無人機協同作戰系統效能評估指標體系，可以簡單、全面而又真實地反映系統的效能。有人機/無人機協同作戰效能評估指標的選取，需要遵循系統性、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影響評估指標體系的主要因素

為了將多層次、多因素的評估問題進行科學的量化處理，采用模糊綜合評判法構建有人機/無人機協同作戰效能評估指標體系二級評判模型，有2個層次，即能力層和技術指標層。能力層的因素集包含以下6個方面：協同攻擊能力、指揮控制決策能力、數據鏈能力、雷達能力、任務可靠度和飛機可用度。技術指標層包括偵測能力、干擾能力、信息接收能力、信息處理能力、數據共享能力、生存力、攻擊時效性、武器效能、損傷評估能力、態勢感知能力、指揮決策能力和輔助決策能力[7]。

1.1.1 協同攻擊能力

有人機/無人機協同攻擊是多機協同空戰決策的核心內容之一。無人機在預警機指揮下，各機相互協調配合，合理分配攻防資源，充分發揮各機的自主攻擊能力，對奪取制空權、提高我機作戰效能和生存力、有效殺傷敵機具有重要意義。對有人機/無人機協同攻擊效能指標的選取與生存力、協同攻擊的作戰時效性、武器效能指數和損傷評估能力有關。

1.1.2 指揮控制決策[8]

有人機/無人機協同作戰指揮決策系統是指揮者根據態勢感知信息，憑借著機載計算機輔助工具和主觀決策來為作戰任務的隨后階段做出分配控制的過程，二者優勢互補，協同決策，高效地完成作戰任務。有人機/無人機協同作戰指揮決策系統包括以下幾個關鍵指標：態勢感知能力，指揮決策能力和輔助決策能力。

1.1.3 數據鏈能力

數據鏈的整體能力是由信息接收能力、信息處理能力和數據共享能力這幾部分組成的。無人機在執行任務時所獲取的巨大信息量單純依靠機上設備進行處理比較困難，實時傳輸又會增加數據傳輸系統的負擔。所以有人機/無人機協同作戰不僅要求無人機具備一定的對目標信息進行預處理的能力，同時要求與有人機協同的通信能力，能夠保證空戰中各平臺的信息流通，使作戰各平臺在信息化領域對抗中更加占據優勢。

1.1.4 雷達能力

有人機/無人機協同的雷達能力包括偵測能力和干擾能力。偵測能力包括目標偵察能力和目標識別能力。無人機裝載高性能的雷達設備，配合有人機進行聯合偵察，進而擴大空中的縱深探測范圍，延伸作戰半徑，為目標識別奠定基礎；有人機與無人機協同配合，利用無人機良好的機動性和隱身性可以對敵方同一目標或多目標進行多角度、全方位的高度識別，彌補了雷達盲區所帶來的困擾，提高了發現目標的概率。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種作為輔助手段進行對敵干擾。

1.1.5 任務可靠度

有人機/無人機協同任務系統的可靠度是指在執行任務飛行期間內不出故障以至影響任務完成的概率，此概率與系統的平均故障率有關，也與執行任務所需要的飛行時間長短有關。

設有人機/無人機協同任務系統子系統i的可靠度Ri(t)服從負指數分布，數學模型如下[9]：

(1)

式中:Ti為系統i開始工作時間;λi為系統i的平均故障率。

根據有人機/無人機協同所需要完成任務的不同，對其可靠度衡量指標亦有所不同。例如在有人機/無人機協同執行快速打擊任務時，協同狀態下系統任務可靠度R(T)為[10]：

R(T)=RC2·RCD[1-(1-Rradar·RL1)m]·

RLA·RL2·Rmissile

(2)

式中：RCD為通信設備可靠度；RC2為指控設備可靠度；Rradar為制導站可靠度；RLA為發射設備任務可靠度；RL1為數據鏈端機(有人機)任務可靠度；RL2為數據鏈端機(無人機)任務可靠度；Rmissile為導彈任務可靠度。

1.1.6飛機可用度

有人機/無人機協同，要求保證該系統中各飛機均具備作戰所需的實際良好率，即飛機實際可用度。根據飛機實際使用一段時間后的統計數字，用有人機與無人機隨時可用架數與實際裝備架數之比來表示實際良好率。

1.2有人機/無人機協同作戰效能評估指標體系結構

有人機/無人機協同作戰效能評估指標體系結構如圖1所示。

圖1　有人機-無人機協同作戰效能評估指標結構圖

2層次分析法[11]

設有n個因素A1，A2，…，An，對它們進行兩兩比較，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/無人機協同作戰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效能的各指標因素的基礎上，定量對各指標因素做出綜合決策。模糊綜合評判法是按多項模糊的準則參數對被選方案進行綜合評判，再根據綜合評判結果對各備選方案進行比較排序，選出最好的方案。與綜合評判有關的有限論域有準則論域和評語等級論域2種。對各指標建立評語集，分為4個評價等級(很好，好，一般，差)，對應評分集為{10.80.60.4}。

模糊綜合評判法的數學模型由因素集、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°表示合成運算。對于合成運算，典型模型有“加權平均型”、“主因素決定型”、“混合型”3種算法。其中加權平均型算法考慮諸因素(或諸指標)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)為各因素權重。

4使用層次分析法確定各指標權重

確定權重的方法很多，應用層次分析法來量化指標權重。根據Saaty表度法，對有人機/無人機協同作戰效能評估指標體系同一層級的各元素進行兩兩比較，構造判斷矩陣，確定相應的指標權重。

表1　第1層指標體系權重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層指標體系權重U11,U12,U13,U14的計算

從計算結果看出，RC<0.1，表明上述判斷一致性可以接受，即權重值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層各元素的權重，并分別對判斷矩陣進行一致性檢驗，得到各評判指標的權重。

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

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

表3　第2層指標體系權重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。

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

表4　第2層指標體系權重C31,C32,C33的計算

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

表5　第2層指標體系權重C41，C42的計算

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

5有人機/無人機協同作戰效能評估體系

有人機/無人機協同作戰效能評估指標體系分為2個層次:第1層6個指標，第2層12個指標。根據層次分析法，已經確定各指標的權重。由專家意見，影響有人機/無人機協同作戰系統效能各個指標的模糊評語如表6所示。

表6　有人機/無人機協同作戰效能指標等級評語表

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

對于第1層各個指標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)

由以上結果可以看出，該指標體系在協同攻擊能力、指揮控制決策能力、數據鏈能力、雷達能力、任務可靠度和飛機可用度6項指標中“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的二級評判矩陣為(按加權型算法計算)：

A=WB=(0.360 80.327 70.189 30.122 3)

這一評估結果表明有人機/無人機協同作戰能力，36%的人認為是很好，32%的人認為是好，19%的人認為是一般，12%的人認為是差。將模糊評語A轉化為總得分。對若干個方案進行排序，則需將綜合評語A再綜合為一個數。為此采用加權平均法對每個等級與權重分數賦值V情況如表7所示。

表7　等級與權重值分數設定情況

從而得到有人機/無人機協同作戰效能評估方案得分為：

對于其它的有人機/無人機協同作戰效能系統，可以按照上述方法進行同樣的綜合評判，最后根據評判結果選出較優的系統結構。

6結束語

有人機/無人機編隊協同，形成獨特的作戰體系，在網絡中每架飛機都具備不同功能和任務的節點，可以更加準確地反饋戰場信息，更加機動靈活地處理突發事件，同時縮短信息傳輸時間和步驟，提高編隊作戰效率。文中通過對有人機/無人機協同作

戰效能系統的主要因素進行分析，建立有人機/無人機協同作戰效能評估體系模型，采用層次分析法與模糊綜合評判法相結合，對有人機/無人機協同作戰效能進行評估，為有人機/無人機協同作戰系統的構成與優化提供定量依據。

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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

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2015)06-0080-05