基于DoDAF的無人機協(xié)同作戰(zhàn)效能評估

王 瑛， 史翔宇， 李 超

(空軍工程大學(xué)裝備管理與無人機工程學(xué)院， 西安， 710051)

無人機協(xié)同作戰(zhàn)是指多架無人機將各自的作戰(zhàn)資源和空間占位整合，協(xié)同完成作戰(zhàn)任務(wù)，是未來戰(zhàn)場上作戰(zhàn)模式主要發(fā)展趨勢之一[1]。在執(zhí)行作戰(zhàn)使命之前，需要對實施方案進行整體效能評估[2-3]，給決策者在方案選取方面提供數(shù)據(jù)支撐，有效提高協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)執(zhí)行的成功率[4]。

DoDAF(Department of Defense Architectural Framework，DoDAF)是用于體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的頂層框架模型，研究體系結(jié)構(gòu)的框架模型和頂層概念，可為決策者制定方案提供支撐，適用于體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與分析[5]。李大喜[6]使用DoDAF視圖產(chǎn)品建立空基反導(dǎo)裝備體系結(jié)構(gòu)可執(zhí)行模型；高松[7]使用DoDAF針對島礁防空反導(dǎo)作戰(zhàn)構(gòu)建了島礁防空反導(dǎo)電子對抗裝備體系頂層概念框架。DoDAF在體系結(jié)構(gòu)描述、作戰(zhàn)活動分析等方面是一種有效的工具。

ADC(Availability Dependability Capability，ADC)模型考慮問題全面、數(shù)學(xué)模型嚴(yán)謹(jǐn)，是目前對武器系統(tǒng)實施效能評估有效的評估方法[8]。包悅[9]借鑒Markov過程將ADC模型簡化，實現(xiàn)了對反導(dǎo)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部作戰(zhàn)的效能評估；陳強[10]綜合冪指數(shù)法與層次分析法處理能力矩陣，再使用ADC模型實施數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估。ADC模型對裝備體系的可用度、可信度、能力綜合分析，適合對復(fù)雜系統(tǒng)進行效能評估[11]。

本文以無人機協(xié)同作戰(zhàn)為研究對象，采用DoDAF開展對無人機協(xié)同作戰(zhàn)結(jié)構(gòu)的分析，得到無人機協(xié)同作戰(zhàn)的效能評估能力指標(biāo)體系，通過ADC模型對無人機協(xié)同作戰(zhàn)進行效能評估。最后以典型對地作戰(zhàn)任務(wù)進行實例分析，驗證了效能評估方法的可行性和合理性。

1 無人機協(xié)同作戰(zhàn)指標(biāo)體系構(gòu)建方法

在當(dāng)今復(fù)雜的國際局勢下，提高無人機協(xié)同作戰(zhàn)能力有利于我國實施積極防御的軍事戰(zhàn)略。本文基于DoDAF分析無人機協(xié)同作戰(zhàn)軍事需求，并構(gòu)建無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系。

1.1 基于DoDAF的建模過程

1)作戰(zhàn)任務(wù)描述。DoDAF將使命任務(wù)轉(zhuǎn)化為高級作戰(zhàn)概念圖(OV-1)，讓建模人員對作戰(zhàn)使命有一個直觀、具體化的了解。

2)作戰(zhàn)活動描述。將作戰(zhàn)使命分解為包含時序關(guān)系的若干子任務(wù)，梳理任務(wù)與子任務(wù)的層層聚合關(guān)系。DoDAF中的作戰(zhàn)活動分解視圖(OV-5a)可以有效滿足這些需求。

3)作戰(zhàn)能力描述。為了得到無人機協(xié)同作戰(zhàn)的指標(biāo)體系，需要建立作戰(zhàn)任務(wù)和作戰(zhàn)活動之間的映射關(guān)系，然后對能力進行分解，得到子能力和相應(yīng)的能力指標(biāo)需求，主要涉及DoDAF中作戰(zhàn)活動到系統(tǒng)功能追蹤矩陣(SV-5a)和能力列表(CV-2)。

通過作戰(zhàn)任務(wù)—作戰(zhàn)活動—作戰(zhàn)能力的邏輯關(guān)系，可以從文字描述的使命任務(wù)中分析獲得效能評估體系結(jié)構(gòu)及相關(guān)的能力指標(biāo)需求，見圖1。

圖1 DoDAF建模過程

1.2 無人機協(xié)同作戰(zhàn)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.2.1 作戰(zhàn)想定

若干架無人機在起飛后進入目標(biāo)區(qū)域開始偵查，期間可能受到空空威脅、地空威脅以及電子干擾。無人機探測到作戰(zhàn)目標(biāo)后實施武力打擊，對目標(biāo)進行毀傷評估后，判斷目標(biāo)狀態(tài)后，再選擇實施第二輪武力打擊或者返航。

1.2.2 構(gòu)建協(xié)同作戰(zhàn)指標(biāo)體系

1)對軍事需求進行分析，得到作戰(zhàn)使命，構(gòu)建高級概念圖。無人機協(xié)同作戰(zhàn)的高層作戰(zhàn)概念圖刻畫出作戰(zhàn)過程，見圖2。

2)對無人機協(xié)同作戰(zhàn)高級作戰(zhàn)概念圖中各個活動進行分解，生成活動分解視圖見圖3。圖中包含16項作戰(zhàn)活動，具體見表1。

3)分析各項活動所涉及的作戰(zhàn)能力，得到無人機協(xié)同作戰(zhàn)活動到能力追蹤矩陣，見表2所示。通過作戰(zhàn)活動到能力追蹤矩陣，可以清晰直觀地表現(xiàn)出作戰(zhàn)活動與協(xié)同作戰(zhàn)能的映射關(guān)系。

將所需要的能力進一步分析，得到無人機協(xié)同作戰(zhàn)效能指標(biāo)體系，如圖4所示。

圖2 高級作戰(zhàn)概念圖(OV-1)

圖3 作戰(zhàn)活動分解視圖(OV-5a)

表1 作戰(zhàn)活動表

表2 作戰(zhàn)活動到能力追蹤矩陣(SV-5a)

圖4 無人機協(xié)同作戰(zhàn)效能指標(biāo)體系

2 基于ADC的協(xié)同作戰(zhàn)效能評估方法

2.1 基于ADC的協(xié)同作戰(zhàn)效能評估

無人機協(xié)同作戰(zhàn)涉及的效能評估指標(biāo)主要分為量綱型指標(biāo)和概率型指標(biāo)。使用效用函數(shù)法對量綱型指標(biāo)進行處理，概率型指標(biāo)分為定量和定性2類，使用概率法處理定量指標(biāo)，使用標(biāo)度法處理定性目標(biāo)。再將它們聚合生成能力向量C；對于可靠性指標(biāo)，使用比例計算法生成可用性向量A，再使用指數(shù)法處理指標(biāo)得到可信度矩陣D，見圖5。

圖5 無人機協(xié)同作戰(zhàn)效能模型的建立步驟與方法

2.1.1 可用性模型的建立

A表示開始執(zhí)行作戰(zhàn)活動時無人機協(xié)同編隊可能處于的狀態(tài)，是對作戰(zhàn)任務(wù)開始時系統(tǒng)狀態(tài)的描述。假設(shè)某次任務(wù)出動n架A型無人機，m架B型無人機，由于作戰(zhàn)環(huán)境、偵查范圍、作戰(zhàn)目標(biāo)個數(shù)及防御能力以及無人機最大航行時間等的影響，至少保持k架無人機處于正常狀態(tài)才能執(zhí)行任務(wù)。

同種類型的無人機可用度相同，平均故障間隔時間為MTBF，平均修復(fù)時間為MTTR，可用度asi[12]為：

(1)

式中：i=1,2,…，n表示無人機的種類。

則系統(tǒng)狀態(tài)計算步驟如下：

步驟1記無人機故障數(shù)為j(j=0,1,…,n+m)，A型無人機故障數(shù)為l，初始j=0,l=0，計算有j架無人機故障時系統(tǒng)的狀態(tài)；

步驟2N=n-l,M=m-(j-l)分別表示正常狀態(tài)的無人機數(shù)量；

步驟3判斷N≥0，M≥0，判斷此種狀態(tài)中處于正常狀態(tài)的無人機數(shù)量是否為正。若是，則這是系統(tǒng)的一種狀態(tài)，計算系統(tǒng)處于此種狀態(tài)的概率；若否，則這種情況不是系統(tǒng)的狀態(tài)，執(zhí)行步驟4；

步驟4假設(shè)A型無人機故障數(shù)為l=l+1，判斷此時l是否大于總故障數(shù)j。若否，轉(zhuǎn)到步驟2，計算系統(tǒng)可能處于的狀態(tài)；若是，則系統(tǒng)故障數(shù)為j的情況已經(jīng)篩選完畢，執(zhí)行步驟5；

步驟5假設(shè)系統(tǒng)總故障數(shù)為j=j+1，判斷j是否大于系統(tǒng)允許的總故障數(shù)n+m-k。若是，則轉(zhuǎn)到步驟2，計算此時系統(tǒng)可能處于的狀態(tài)；若否，則系統(tǒng)可能處于的狀態(tài)判斷完畢；

步驟6輸出A。

計算流程見圖6。

圖6 可用性向量A的計算步驟

2.1.2 可信度模型的建立

可信度矩陣D表示無人機協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)狀態(tài)改變的概率，假設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)有n個，每種狀態(tài)可以相互轉(zhuǎn)移，D可表示為：

(2)

dij表示從狀態(tài)Si轉(zhuǎn)移到Sj的概率，若系統(tǒng)是不可修復(fù)的，則：

(3)

假設(shè)無人機在執(zhí)行任務(wù)過程中出現(xiàn)故障不可修復(fù)，t時刻無人機可靠度Ri(t)[12]為：

Ri(t)=e-λit
λi=1/MTBFi

(4)

式中：i=1,2,…,n表示無人機的種類。

對地攻擊型無人機生存力Sur主要影響因素包括[13]：雷達(dá)反射截面積(RCS)、電子對抗能力以及無人機的幾何尺寸：

(5)

式中：εe為電子對抗能力系數(shù)；RCS(m2)指無人攻擊機迎頭方向雷達(dá)反射截面積的均值；In表示紅外隱身能力；ACL指無人機自主化等級；DL為無人機數(shù)據(jù)鏈能力；Mane為無人機機動能力；S為機翼面積，單位為m2；Lall為無人攻擊機的長度，單位為m。

無人機的可用率Ui為：

Ui(t)=Ri(t)Suri

(6)

假設(shè)系統(tǒng)的第1種狀態(tài)為所有無人機正常，第2種狀態(tài)為n-1架A型無人機正常，m架B型無人機正常，則t時刻系統(tǒng)由狀態(tài)1轉(zhuǎn)化為狀態(tài)2的概率d12(t)為：

(7)

其余狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率dij均可如此計算，可得：

D=(dij)n×m，i>j時dij=0

(8)

2.1.3 能力模型的建立

無人機協(xié)同作戰(zhàn)能力向量為：

C=[c1c2…ci…cn]T

(9)

式中：ci表示系統(tǒng)處于狀態(tài)i時完成任務(wù)的概率。

從2.1節(jié)可知，對于量綱類能力指標(biāo)，如攻擊能力、有效系統(tǒng)容量等，使用尺度標(biāo)度法進行處理。尺度標(biāo)度法使用靈活，對單系統(tǒng)或方案評價時有很好的效果。首先，設(shè)計一個標(biāo)尺，如優(yōu)(0.8～1.0)，良(0.65～0.8)，中(0.55～0.65)，差(0.3～0.55)，然后使用專家評價法對性能指標(biāo)打分，最終得到量化均值cli(i=1,2,…,n)。

對于定量型概率類能力指標(biāo)，使用概率計算法進行處理。如無人機機動能力EJD，是無人機執(zhí)行對地攻擊任務(wù)的重要組成部分，影響無人機機動能力的因素主有最大使用過載nymax、最大盤旋過載nycir以及最大單位剩余功率sep[13]：

(10)

對于定性型概率類指標(biāo)，使用求和聚合法進行處理。如無人機自主決策能力Ctr，無人機自身傳感器將周圍態(tài)勢感知的情況傳給無人機計算機，并根據(jù)無人機的智能化系統(tǒng)做出行動指令。態(tài)勢感知能力Ts和智能化水平Zn是影響自主決策能力的關(guān)鍵指標(biāo)，確定相應(yīng)的權(quán)重ω1,ω2，計算公式如下：

Ctr=ω1Ts+ω2Zn

(11)

對于歸一量化后的各項能力指標(biāo)，使用求和聚合法先求出系統(tǒng)的各項協(xié)同能力，再整合得到系統(tǒng)處于狀態(tài)i時的綜合能力ci，分析系統(tǒng)處于不同狀態(tài)下的綜合能力，即可得到無人機協(xié)同作戰(zhàn)能力向量C。

3 實例分析

假設(shè)此次任務(wù)共出動A、B 2種察打一體無人機共4架，且任務(wù)執(zhí)行過程中至少保持3架無人機處于正常狀態(tài)，任務(wù)持續(xù)時間1 h，且任務(wù)執(zhí)行過程中無人機故障不可修復(fù)，則有如下方案：①1架A類無人機，3架B類無人機；②2架A類無人機，2架B類無人機；③3架A類無人機，1架B類無人機；④4架A類無人機；⑤4架B類無人機。

A、B無人機的性能指標(biāo)見表3，下面計算方案①的作戰(zhàn)效能。

表3 無人機性能指標(biāo)

3.1 可用性向量A的計算

執(zhí)行任務(wù)的4架無人機屬于并聯(lián)關(guān)系，要保證至少3架無人機處于正常，系統(tǒng)有4種狀態(tài)，如表4所示。

表4 無人機協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)狀態(tài)表

由表3中A、B型無人機的MTBF與MTTR可計算as1,as2，使用2.1.1節(jié)流程步驟中的計算A，可得：

A=[0.929, 0.056, 0.013, 0.002]

(12)

3.2 可信度矩陣D的計算

(13)

式中：U1,U2分別為無人機A與無人機B的可用率；

(14)

由公式(11)與公式(12)得：

(15)

3.3 能力向量C計算

為簡化計算過程，在案例中對能力向量的計算只考慮能力的有無。

1)計算量綱類性能指標(biāo)

使用尺度標(biāo)度法，計算SAR雷達(dá)探測能力、可見光/紅外探測能力、電子偵查能力、攻擊能力所對應(yīng)的量化值Cli(i=1,2,3,4)，計算結(jié)果見表5。

2)計算概率性指標(biāo)

使用2.1.3中的計算模型，確定信息接收能力、信息處理能力、信息共享能力、協(xié)同任務(wù)規(guī)劃、協(xié)同控制能力、自主決策能力、協(xié)同機動能力、電子對抗能力、飛行性能、戰(zhàn)術(shù)編隊、生存力Cgi(i=1,2,…,11)，如表6所示。

3)計算系統(tǒng)能力向量

由專家調(diào)查法確定各項能力指標(biāo)的權(quán)重見表7。

計算無人機協(xié)同作戰(zhàn)的能力，得：

C=[c1c2c3c4]T=[0.7960.7830.7210]T

(16)

表5 無人機協(xié)同作戰(zhàn)量綱指標(biāo)的計算

表6 無人機協(xié)同作戰(zhàn)概率指標(biāo)的計算

表7 無人機協(xié)同作戰(zhàn)能力指標(biāo)權(quán)重

3.4 可用性向量的計算

執(zhí)結(jié)合前面的計算結(jié)果，可得在給定任務(wù)下第一種方案的無人機協(xié)同作戰(zhàn)效能為：

(17)

同理可計算出其他4種方案的作戰(zhàn)效能，計算結(jié)果如表8所示。

表8 多種無人機協(xié)同作戰(zhàn)配置方案下的效能值

由表8分析可得，方案4與方案5效能較低，它們只選用了一種類型的無人機。2種無人機能力各有側(cè)重，A型無人機偵查能力比B型無人機強，但是在作戰(zhàn)能力方面相對較弱。因此，這2種方案整體上分別在作戰(zhàn)和偵查方面有所不足，所計算出的無人機協(xié)同作戰(zhàn)效能偏低。方案1～3均選用了不同類型的無人機，整體效能有所提高，其中方案1效能最高。這表明在此次任務(wù)中，選擇1架A型無人機和3架B型無人機可以獲得最高的作戰(zhàn)效能。本文所提出的效能評估方法，可以在數(shù)據(jù)層面為決策者提供最合適的方案，在無人機協(xié)同作戰(zhàn)方面有重要的應(yīng)用參考價值。

4 結(jié)論

針對無人機協(xié)同作戰(zhàn)效能評估問題，本文基于DoDAF體系結(jié)構(gòu)模型對無人機協(xié)同作戰(zhàn)進行建模分析，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)構(gòu)建視圖，得到無人機協(xié)同作戰(zhàn)指標(biāo)體系，并使用ADC模型對無人機協(xié)同作戰(zhàn)進行效能評估。結(jié)合案例分析，對察打一體無人機對地作戰(zhàn)任務(wù)下不同方案進行效能評估，仿真分析結(jié)果證明了本文提出的無人機協(xié)同作戰(zhàn)效能評估方法的有效性。