電子對(duì)抗條件下的無人機(jī)系統(tǒng)效能評(píng)估

任遠(yuǎn)+田曦++艾亞琴

摘 要： 無人作戰(zhàn)飛機(jī)作為一種多用途、低費(fèi)效比的航空武器裝備，在信息化作戰(zhàn)條件下的局部戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮的作用日益顯著。針對(duì)無人機(jī)電子對(duì)抗效能評(píng)估問題，建立無人機(jī)對(duì)抗綜合效能指標(biāo)體系，使用云理論和層次分析相結(jié)合的方法，對(duì)無人機(jī)在電子對(duì)抗環(huán)境下的系統(tǒng)效能進(jìn)行評(píng)估，通過實(shí)例證明了該模型的可行性。

關(guān)鍵詞： 無人機(jī)； 電子對(duì)抗； 效能評(píng)估； 云理論

中圖分類號(hào)： TN97?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）17?0023?04

Effectiveness evaluation for UAV system under electronic countermeasure

REN Yuan， TIAN Xi， AI Yaqin

（College of Electronic Science and Engineering， National University of Defense Technology， Changsha 410073， China）

Abstract： As a kind of aviation weapon equipment with multi?purpose and high cost?effectiveness ratio， UAV plays a signi?ficant role in local wars under the conditions of informatization fighting. The indicator system of comprehensive effectiveness for UAV countermeasure was established according to the problems of effectiveness evaluation for UAV electronic countermeasure. The method combining cloud theory with AHP is used to evaluate UAV system effectiveness under electronic countermeasure condition. The feasibility of the model was verified by experiments.

Keywords： UAV； electronic countermeasure； effectiveness evaluation； cloud theory

0 引 言

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，無人機(jī)以其獨(dú)特的作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)占據(jù)了高科技信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的一個(gè)制高點(diǎn)。作為一種高科技武器裝備，無人機(jī)并不是獨(dú)立存在的，而是廣泛融合在陸、海、空、天等多維戰(zhàn)場(chǎng)中[1]，在對(duì)抗的環(huán)境中生存、發(fā)展，因此對(duì)無人機(jī)在電子對(duì)抗[2]環(huán)境下的作戰(zhàn)能力進(jìn)行評(píng)估顯得尤為重要。

無人機(jī)的效能是指整個(gè)武器裝備系統(tǒng)在一定或規(guī)定的使用環(huán)境以及所考慮的組織、戰(zhàn)術(shù)、生存、保障等條件下，使用該系統(tǒng)完成規(guī)定任務(wù)的能力。常用的評(píng)估方法有層次分析法、ADC方法、系統(tǒng)效能分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、指數(shù)法[3]等，每種方法都各具特點(diǎn)，且能針對(duì)不同的評(píng)估對(duì)象完成相應(yīng)的評(píng)估任務(wù)。無人機(jī)系統(tǒng)是一套極其復(fù)雜的系統(tǒng)，很多指標(biāo)都很難用精確的數(shù)值來定量表示，定性與定量相結(jié)合的指標(biāo)普遍存在?；谠颇Ｐ蚚4?5]與層次分析法[6?7]相結(jié)合的評(píng)估方法能夠從各方面進(jìn)行分析，計(jì)算出比較合理的評(píng)估結(jié)果。因此，本文采用此方法來確定無人機(jī)系統(tǒng)在對(duì)抗條件下的綜合效能。

1 無人機(jī)在電子對(duì)抗環(huán)境下的指標(biāo)體系

科學(xué)、合理的指標(biāo)體系是效能評(píng)估的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到效能評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性，指標(biāo)應(yīng)該是在反映所要評(píng)估對(duì)象的本質(zhì)屬性基礎(chǔ)上抽象的結(jié)果。

1.1 無人機(jī)效能評(píng)估的特點(diǎn)

無人機(jī)效能評(píng)估的特點(diǎn)，主要包括如下四方面：

（1） 不確定性，性能和效能是不同的兩個(gè)概念，無人機(jī)的性能可以用精確的數(shù)字進(jìn)行描述，而其效能卻很難精確表達(dá)。

（2） 相對(duì)性，評(píng)估無人機(jī)的效能往往是為了要與其他型號(hào)飛機(jī)進(jìn)行比較，故評(píng)估出來的效能只能是相對(duì)值。

（3） 時(shí)效性，無人機(jī)的能力在其使用壽命期間一般變化不大。但由于一些機(jī)型數(shù)據(jù)不能在第一時(shí)間精確掌握，那么以此計(jì)算出的評(píng)估結(jié)果會(huì)與真實(shí)結(jié)果存在偏差。

（4） 局限性，評(píng)估方法多種多樣，采取不同的評(píng)估方法會(huì)得到不同的評(píng)估結(jié)果，不同方法也適用于不同的評(píng)估對(duì)象。

1.2 指標(biāo)分析

無人機(jī)系統(tǒng)在開始執(zhí)行任務(wù)時(shí)的狀態(tài)、在執(zhí)行任務(wù)過程中的狀態(tài)和最后完成給定任務(wù)的程度，三者共同構(gòu)成了系統(tǒng)的效能[8]。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建無人機(jī)效能評(píng)估指標(biāo)體系，如圖1所示。

（1） 可用性：無人機(jī)的可用性指標(biāo)直接與飛機(jī)的效能有關(guān)，是對(duì)開始執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)的狀態(tài)描述，常用可用度來表示，可用度的衡量指標(biāo)稱良好率。主要包括：飛機(jī)的平均故障間隔時(shí)間，飛機(jī)每飛行1 h需要的平均維修工時(shí)，飛機(jī)的總疲勞壽命，飛機(jī)的定期檢查維修程序和時(shí)間等。

（2） 可信性：是對(duì)無人機(jī)作戰(zhàn)過程中的狀態(tài)描述。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的無人機(jī)，飛機(jī)的可信性對(duì)其效能的影響至關(guān)重要。主要包括：無人機(jī)發(fā)生故障的概率和發(fā)生故障概率的平均時(shí)間。

（3） 能力：是無人機(jī)系統(tǒng)的固有屬性，反映系統(tǒng)完成任務(wù)的程度。無人機(jī)在電子對(duì)抗環(huán)境下，各性能都有可能發(fā)生改變，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的效能。通過采用特爾菲咨詢法等方法，確定能力指標(biāo)主要由飛行能力指標(biāo)，作戰(zhàn)任務(wù)能力指標(biāo)，任務(wù)控制能力指標(biāo)，電子攻擊能力指標(biāo)構(gòu)成。

2 基于云模型的評(píng)估方法

使用云模型進(jìn)行效能評(píng)估，實(shí)質(zhì)上就是將定性指標(biāo)用云模型進(jìn)行描述，而后使用層次分析法進(jìn)行分層計(jì)算出權(quán)重，得出各指標(biāo)的云重心，計(jì)算加權(quán)偏離度來衡量云重心的改變量，最終得出評(píng)估結(jié)果。

該法有三個(gè)要素：指標(biāo)集[（U）、]權(quán)重集[（W）、]評(píng)估集[（V）]。

（1） 指標(biāo)集，[U=U0，U1，…，Um，]其中[U0]為目的指標(biāo)，其余為影響最終指標(biāo)的第[i]個(gè)分指標(biāo)；

（2）權(quán)重集，[W=W1，W2，…，Wm，]其中[Wi≥0]且[W1+W2+…+Wm=1]；

（3） 評(píng)估集，[V=V1，V2，…，Vm]。

評(píng)估指標(biāo)可以按照實(shí)際需求劃分為多個(gè)層次，從最底層指標(biāo)開始進(jìn)行評(píng)估，并將評(píng)估結(jié)果反饋給上一層，以此類推逐層評(píng)估，直到得到所需評(píng)估結(jié)果。具體評(píng)估步驟為：

（1） 將各指標(biāo)用云模型來表示[9]

在無人機(jī)電子對(duì)抗系統(tǒng)效能指標(biāo)體系中，有使用精確數(shù)值描述的定量指標(biāo)，也有使用語言描述的定性指標(biāo)。對(duì)于同一組指標(biāo)進(jìn)行多組采樣，將結(jié)果組成決策舉證，用云模型進(jìn)行表示。其中：

[Ex=Ex1+Ex2+…+Exnn] （1）

[En=max（Ex1，Ex2，…，Exn）-min（Ex1，Ex2，…，Exn）6] （2）

[Ex=Ex1En1+Ex2En2+…+ExnEnnEn1+En2+…+Enn] （3）

[En=En1+En2+…+Enn] （4）

指標(biāo)的類型不同，[Ex1～Exn]所表達(dá)的含義也不同。

（2） 運(yùn)用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重

在效能評(píng)估中，合理的權(quán)重直接影響效能評(píng)估的最終結(jié)果。與其他權(quán)重類似，效能評(píng)估的指標(biāo)權(quán)重也表示該指標(biāo)的重要程度，是評(píng)估的關(guān)鍵因素。本文選擇在咨詢專家進(jìn)行打分的基礎(chǔ)上，利用層次分析法確定權(quán)重集。

層次分析法是按照一定劃分的準(zhǔn)則將復(fù)雜的多目標(biāo)問題，構(gòu)建成層次結(jié)構(gòu)，通過對(duì)構(gòu)造矩陣進(jìn)行比較，計(jì)算出權(quán)重，從而得到系統(tǒng)效能。

（3） 系統(tǒng)狀態(tài)的表示

通過前面的敘述可以看出，不論有多少個(gè)指標(biāo)，都可以用云模型來描述， 一個(gè)多維的云模型可以表示多個(gè)指標(biāo)所反映出的系統(tǒng)狀態(tài)變化情況。隨著系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變，這個(gè)多維云的形狀就會(huì)產(chǎn)生變化，同時(shí)云重心也會(huì)發(fā)生改變。[n]維綜合云的重心[T]用一個(gè)[n]維的向量來表示，即[T=（T1，T2，…，Tn），]其中[Ti=ai×bi，][i=1，2，…，n，][a]為云重心的位置，期望值反映了信息中心值，即云重心位置，[b]為權(quán)重值。云重心高度反映了相應(yīng)云的重要程度。當(dāng)系統(tǒng)某個(gè)指標(biāo)發(fā)生變化，重心由[T]變化為[T′]，[T′=（T′1，T′2，…，T′n）]。

（4） 對(duì)云重心進(jìn)行衡量

在理想狀態(tài)下，某個(gè)系統(tǒng)的指標(biāo)值是預(yù)先設(shè)定好的。某理想狀態(tài)下，[n]維綜合云的重心位置向量為[a=（E0X1，E0X2，…，E0Xn）]，云重心高度[b=（b1，b2，…，bn）]。則云重心的向量[T0=a×bT=（T01，T02，…，T0n）]。同理，求得真實(shí)狀態(tài)下的云重心向量[T=（T1，T2，…，Tn）]。

加權(quán)偏離度[θ]可以表示理想狀態(tài)與真實(shí)狀態(tài)下的差異情況。首先，將該狀態(tài)下的綜合云重心向量進(jìn)行歸一化處理，得到向量[TG=（TG1，TG2，…，TGn），]其中：

[TGi=（Ti-T0i）T0i， 當(dāng)Ti

把經(jīng)過歸一化后的向量值，乘以其權(quán)重值后相加即得加權(quán)偏離度[θ，][θ=i=1n（W*iTGi），] [W*i]為第[i]個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重值。將得出的[θ]結(jié)果輸入云發(fā)生器后與理想狀態(tài)值對(duì)比評(píng)價(jià)便可得出效能值。

（5） 用云模型實(shí)現(xiàn)評(píng)語集

評(píng)語集的精確程度與評(píng)語的個(gè)數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，本文采用11個(gè)評(píng)語組成1個(gè)評(píng)語集：[V=（V1，V2，…，V11）=]（極差，非常差，很差，較差，差，一般，好，較好，很好，非常好，極好）。將11個(gè)評(píng)語置于語言值標(biāo)尺上，并且用云模型實(shí)現(xiàn)每個(gè)評(píng)語值，由此可以得到一個(gè)定性評(píng)測(cè)的云發(fā)生器，如圖2所示。

必須考慮到的一種情況是，當(dāng)同時(shí)激活了兩個(gè)云對(duì)象時(shí)，可以咨詢專家或者由用戶進(jìn)行定性標(biāo)書。如激活的結(jié)果為0.85，正好在很好與非常好之間。

3 實(shí)例分析

以某型無人機(jī)為例，以云理論和層次分析法相結(jié)合的方法對(duì)其能力進(jìn)行評(píng)估。通過對(duì)定量指標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，對(duì)定性指標(biāo)進(jìn)行專家評(píng)判，得出能力指標(biāo)狀態(tài)如表1所示。

使用云理論，將語言值用[Ex，][En，][He]來表征。[Ex]值可作為各單項(xiàng)指標(biāo)的定量表示值，把11個(gè)語言值（極差，非常差，很差，較差，差，一般，好，較好，很好，非常好，極好）量化為11個(gè)數(shù)值（0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0）。并由此組成決策矩陣[B1：]

[B1=0.60.60.80.60.80.80.50.90.70.60.90.50.60.80.60.7]

將其輸入評(píng)估工具中，求得各個(gè)四個(gè)指標(biāo)的期望值和熵，結(jié)果如表2所示。

依據(jù)云理論，由[T=a×b]對(duì)各能力求其加權(quán)綜合云重心向量以及理想狀態(tài)下加權(quán)綜合云的重心向量，歸一化后求其加權(quán)偏離度。

[TU1=（T1，T2，T3，T4）=（0.675×0.122，0.7×0.558，0.7×0.263，0.675×0.057）=（0.082，0.391，0.184，0.038）]

理想狀態(tài)的重心向量為：

[T0U1=（T01，T02，T03，T04）=（1×0.122，1×0.558，1×0.263，1×0.057）=（0.122，0.558，0.363，0.057）]

由 [T0U1=Ti-T0iT0i，當(dāng)Ti

[TGU1=（TG1，TG2，TG3，TG4）=（-0.328，-0.299，-0.300，-0.333）]

則[θ1=i=1n（W*U1TGU1）=-0.305，]即距理想狀態(tài)下的加權(quán)偏離度為0.305。

將加權(quán)偏離度[θ1]輸入評(píng)測(cè)云發(fā)生器后，從而激活形成如圖3所示的能力云評(píng)測(cè)圖。最后通過與理想狀態(tài)對(duì)比評(píng)價(jià)便可得出其效能值。

圖3 能力云評(píng)測(cè)圖

由圖3可以分析出，同時(shí)激活“很好”和“較好”2個(gè)對(duì)象，但是激活“較好”云對(duì)象的程度要遠(yuǎn)大于“很好”，用精確數(shù)值表示其評(píng)判值為[E1=1-0.305=0.695。]

4 結(jié) 語

本文對(duì)無人機(jī)效能評(píng)估進(jìn)行了研究，在構(gòu)造效能評(píng)估指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，建立了基于云重心評(píng)判法的電子對(duì)抗條件下無人機(jī)系統(tǒng)效能評(píng)估方法。通過驗(yàn)證表明，該方法可對(duì)無人機(jī)效能進(jìn)行綜合評(píng)估，評(píng)估結(jié)果具有較高的可信性，能夠充分考慮到評(píng)估過程中的隨機(jī)性，很好地完成定性與定量之間評(píng)估的轉(zhuǎn)換任務(wù)。

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