改進層次分析法在偵察設備規劃中的應用

姜天嬌，范秀英，黃新宇

(空軍航空大學，吉林 長春 130022)

0 引言

有人偵察機成像偵察憑借其偵察時機動靈活，飛行員能夠根據實時情況執行各種復雜的成像任務等特點，使其目前仍是主要的偵察成像平臺[1-2]。而成像偵察任務主要依靠搭載的各類成像偵察設備來完成，所以偵察設備任務規劃就顯得十分重要。通過對實際偵察任務的需求進行分析，并結合各種偵察設備自身的性能，建立相應的模型，對偵察設備進行最佳選擇，保證偵察任務的完成效果最優化[3]。針對傳統偵察設備任務規劃主要依靠專業人員的經驗，缺乏客觀性、合理性和準確性的問題，采用適當的分析方法和建模技術解決該問題一直以來都是偵察設備任務規劃研究的重點。通過對偵察設備進行合理的任務規劃，可以提高偵察效率，減少偵察風險，同時獲取高質量的偵察圖像，為作戰提供更好的情報保障。

1 層次分析法

層次分析法[4](analytic hierarchy process, AHP)是將影響決策的相關因素分解為不同的層次，并在此結構上做出合理的定性或定量決策。層次分析法是具有多個層次的混合結構分析方法，其優點在于能夠系統性地解決決策問題。每一層的指標因素都會對最終的結果產生影響，實質上是一種權重累積方法。而偵察設備任務規劃受到的影響因素通常不是單一的，所以采用層次分析法對其進行研究具有一定的合理性。通過對不同類別、性質的影響因素劃分層級，設定權重，同時在偵察設備任務規劃中獲得定量數據，可以彌補層次分析法在衡量具體參數大小所起作用的不足，結合各因素的權重以及實際數據可以得到一個客觀的評價指標來進行決策。

偵察設備的優化選擇對于偵察任務的完成情況具有重要作用，本文基于層次分析法對偵察設備任務規劃的應用展開了分析研究，對影響偵察任務的相關因素確定了權重并建立了模型[5]。通過計算結果證明了該方法對于偵察設備任務規劃具有重要作用，具體步驟如下：

(1) 建立問題遞階層次結構

分析待解決問題包含的相關內容，即影響問題解決的參考因素。根據它們互相之間的關系，確定其所在遞階結構中的層次以及重要程度。

(2) 確立比較判斷矩陣

將上層指標元素作為下層指標元素的判斷標準，然后依照該標準對同一層次各元素的重要性進行比較，將其按照1～9比例標度進行定量表示，并構建判斷矩陣。

(3) 計算判斷矩陣中各元素的相對權重

本文采用“和法”來計算該矩陣的最大特征值以及特征向量。實現步驟如下：

1) 將判斷矩陣中的元素按列采取歸一化；

2) 將判斷矩陣中的元素按行相加；

3) 將上步求得的行和向量歸一化，得到權向量w，公式如下：

(1)

式中:aij為判斷矩陣中的元素；n為判斷矩陣的階數。

由于各層次指標在進行比較打分的過程中，可能會由于某些原因而造成打分結果出現矛盾的情況。當這種矛盾的情況比較嚴重時，經過計算得到的相對權重矩陣是不可靠的，因此不能用于其后的問題研究，要通過一致性驗證的方法來篩選出可靠權重。

1) 計算一致性指標：

(2)

式中:λmax為判斷矩陣的最大特征值;n為判斷矩陣的階數。通常矩陣的階數越高，所要求作出的判斷越多，越難達到一致[4]。

2) 從表1中查找出相應的平均隨機一致性指標RI[6]。

表1 平均隨機一致性指標

3) 計算一致性比例。

(3)

當CR<0.1時，可認為判斷矩陣的一致性可以接受；當CR≥0.1時，要對判斷矩陣進行適當調整；對于低于三階的矩陣，CR=0。

4) 計算各層元素的組合權重

綜合權重的計算要自上而下，對單個標準下的權重進行組合，并逐層進行總的一致性檢驗。

2 評估指標體系分析

選擇指標時，首先必須明確完成偵察任務時所關注的重點或任務目標，建立判定偵察任務完成情況的標準以及影響各標準的關于設備本身的性能參數，設備本身的性能參數通常對偵察任務規劃具有相當重要的作用，要在限度之內選擇最優的偵察設備完成偵察任務[6]。將偵察任務完成情況作為一級目標指標，考慮通過3個準則指標作為第2層級指標來衡量任務完成情況，即偵察效率、圖像質量和安全性。

其次，將所建立指標層次結構中的三級指標設定為使用特性指標，偵察效率是任務完成度的重要參考量，它可用4個使用特性指標描述：傳輸時間、調焦時間、時間間隔、收容寬度。

圖像質量對偵察任務完成情況起決定性作用，且影響圖像質量的使用特性指標較多，大致可概括為5個：地面分辨率、曝光量、像移、影像變形、調焦。

飛行的安全性是每次偵察任務完成的前提和根本，安全性影響因素指標包括：飛行時間、偵察高度、掛載武器、傾斜角。

最后根據第3層各使用特性指標確定與其相關的參數指標，作為遞階層次結構中的第4層指標，完成整個指標體系的構建。

3 構建偵察設備選擇評估結構

根據上節內容的分析，可以建立偵察設備選擇評估遞階層次結構，如圖1所示。

很多偵察任務對于偵察效率方面有著較高要求，效率高低則成為優先考慮的一項指標；而在偵察效率要求不高的情況下，圖像質量則變得尤為重要；對目標進行偵察的過程是否安全也是完成偵察任務的根本前提。判斷矩陣如表2所示。

求得該判斷矩陣λmax=3.064 9，一致性指標CI=0.032 5；通過查表得三階平均隨機一致性指標RI=0.58，計算可得一致性比例CR= 0.055 9<0.1，故其一致性滿足。

在偵察效率方面，圖像傳輸時間主要針對CCD等可進行實時傳輸的相機，而膠片型相機必須將膠卷帶回地面后處理成像，這對任務完成的時效性影響較大；調焦時間是指拍照前針對一定偵察高度和環境條件進行調焦所需的準備時間；時間間隔即偵照設備連續2次曝光所需的間隔時間，會直接影響總的偵照時間[7]；收容寬度是由相機橫向視場角和偵察高度所確定的橫向成像寬度，通常采用并列成像偵察、搖擺或步進成像方式來增大橫向收容寬度，從而提高偵察效率及減少飛行時間提高安全性[8]。判斷矩陣如表3所示。通過計算求得判斷矩陣B1-C的CR=0.049<0.1，滿足一致性。圖像傳輸時間由任務區全部圖像大小和圖像傳輸速率決定。判斷矩陣如表4所示。

圖1 偵察設備選擇評估指標模型Fig.1 Evaluation index model of reconnaissance equipment selection

AB1B2B3WB111/530.193 2B25170.723 5B31/31/710.083 3

表3 判斷矩陣B1-C

表4 判斷矩陣C1-D

對于一階二階判斷矩陣的CR=0，總是一致的，故無需檢驗其一致性。

速高比為飛行地速與偵察高度的比值；相機物鏡焦距決定了像的大小，相同成像距離焦距越大，像越大；圖像縱邊長度是圖像沿飛行方向的長度；縱向重疊率表示圖像縱邊重疊的百分率[9]。判斷矩陣如表5所示。

表5 判斷矩陣C3-D

計算判斷矩陣C3-D的CR=0.064 9<0.1，故其一致性滿足。

收容寬度由相機的橫向視場角和成像距離決定。成像距離由偵察高度與光軸的傾斜角決定。橫向視場角一定時，成像距離越遠，收容寬度越大；成像距離一定時，橫向視場角越大，收容寬度越大[10]。判斷矩陣如表6所示。

表6 判斷矩陣C4-D

計算判斷矩陣C4-D的CR= 0.003 3<0.1，故其一致性滿足。

影響偵照圖像質量的因素中，分辨率直接決定對目標的分辨能力，影響圖像判讀結果；使底片獲得最合適的曝光量也是影響圖像質量的重要環節之一，曝光過量或不足都會影響對目標的分辨能力[11]；影像的變形主要考慮比例尺變形，變形程度大小對目標的分辨和測量有一定影響；像移是由曝光過程中偵照目標的影像與感光介質間的相對運動引起的像點移動，包括因前向飛行引起的前向像移，以及因飛行姿態改變而產生的隨機像移，可通過相機的自動像移補償系統和穩定平臺進行補償，故相機是否裝有像移補償系統同樣會影響像質；相機能否自動調焦對圖像清晰度有影響[12]。判斷矩陣如表7所示。

表7 判斷矩陣B2-C

通過計算，可得判斷矩陣B2-C的CR=0.085 6<0.1，故其一致性滿足。

地面分辨率主要受偵察高度、焦距和CCD像元大小的影響；執行航空偵察任務時有時無法進行臨空偵察或者需要傾斜影像，此時就需要有一定傾角進行側方偵察，傾斜角越大，在演習和作戰時安全性越高，但同時圖像質量也會有所下降[13]。判斷矩陣如表8所示。

計算得到判斷矩陣C5-D的CR=0.065 8<0.1，故其一致性滿足。

表8 判斷矩陣C5-D

表9 判斷矩陣C6-D

對于一階二階判斷矩陣的CR=0，總是一致的，故無需檢驗其一致性。

飛行時間對飛行安全性影響較大，飛行時間越短，安全性越高；安全性同時受偵察高度、傾斜角的綜合影響；如果相機總質量較小且對飛機重心影響滿足要求時，可以掛載武器進行自衛從而增強飛行安全性[15]。判斷矩陣如表10所示。

表10 判斷矩陣B3-C

計算得到判斷矩陣B3-C的CR= 0.046 0<0.1，故其一致性滿足。

4 實際算例分析

4.1 仿真數據

設定偵察任務執行時天氣良好，光照條件適度，對某目標進行偵察。通過選取型號1～3偵察相機，采用單臺偵察方式進行偵察。獲得其參數及實際偵察數據如表11所示。

4.2 評價結果

對表11，12中的數據進行歸一化處理，將其用B表示。影響偵察任務的因素的權重矩陣用A表示。最后的評價值設為R，R越大代表性能越穩定，具體算法過程如下；

(1)RCj=AiBi(1≤i≤15,1≤j≤6)，i為D層指標個數，j為包含下級指標的C層指標個數。

(2) 對通過計算得到的RCj進行歸一化。

表11 D層實測數據

表12 C層(無下級指標)的實測數據對應權重

(3) 將無下級指標的C層實測數據按照表12進行設定，表示為RCk(7≤j≤13)，使其范圍在0～1之間，以滿足歸一化的一致性。

根據上述算法流程，計算結果如表13所示。

表13 3種相機的R值

從表13中可以看出型號2的R值最大，說明選擇該型相機進行此偵察任務能達到最佳效果。并且3種型號的相機的R值處于合理的數值區間，說明該算法具有有效性。

5 結束語

本文利用層次分析法對偵察設備任務規劃進行了研究，首先將層次分析法的權重指標與偵察設備任務規劃的實際參數進行了綜合考慮，建立了模型，然后對相機的具體參數做了詳細的分析。最后以實際偵察任務為例進行了仿真實驗，實驗結果表明本文提出的方法對偵察設備任務規劃能實現效能最大化，在較低風險情況下能保證偵察任務更好地完成，并且實驗結果與實際偵察任務設備使用頻率具有一致性。