基于云理論和組合賦權(quán)方法的反潛巡邏機(jī)搜潛效能評(píng)估技術(shù)研究

楊兵兵，鞠建波，閆國玉，單志超

(海軍航空工程學(xué)院， 山東 煙臺(tái)　264001)

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基于云理論和組合賦權(quán)方法的反潛巡邏機(jī)搜潛效能評(píng)估技術(shù)研究

楊兵兵，鞠建波，閆國玉，單志超

(海軍航空工程學(xué)院， 山東 煙臺(tái)264001)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)效能評(píng)估方法的局限和不足，提出了一種基于云理論和組合賦權(quán)方法的反潛巡邏機(jī)搜潛效能評(píng)估方法；對(duì)于因素指標(biāo)的權(quán)重分配問題，將層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合，依據(jù)方差最大化原理提出了一種主客觀結(jié)合的組合賦權(quán)方法；應(yīng)用云理論進(jìn)行效能評(píng)估，介紹了云的數(shù)字特征，引入云權(quán)重參與評(píng)估，并通過云計(jì)算得到最終評(píng)估結(jié)果。通過實(shí)例計(jì)算及Matlab仿真，直觀明確地體現(xiàn)了各搜潛方案搜潛效能的優(yōu)劣。

關(guān)鍵詞：反潛巡邏機(jī)；效能評(píng)估；云理論；組合賦權(quán)

Citation format:YANG Bing-bing, JU Jian-bo, YAN Guo-yu, et al.Technical Research for Efficiency Evaluation by Anti-Submarine Patrol Aircraft Researching Submarine Based on Cloud Theory and Combination Weighting Method[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(2):11-14.

隨著科技水平的不斷提升，航空反潛作戰(zhàn)在現(xiàn)代海戰(zhàn)中的地位越來越重要，引起了各海洋大國的高度關(guān)注。其中搜潛輔助決策是現(xiàn)代航空反潛作戰(zhàn)需解決的一大難題。對(duì)于搜潛作戰(zhàn)行動(dòng)而言，構(gòu)建恰當(dāng)?shù)哪Ｐ蛯?duì)其搜潛效能進(jìn)行評(píng)估并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)搜潛輔助決策是十分有意義的。目前比較常見的效能評(píng)估方法包括模糊綜合評(píng)判法、WSEIAC模型、蒙特卡羅法等[1]，這些方法均可解決一定范圍的評(píng)估問題，但都不能直觀體現(xiàn)對(duì)象之間的差距，影響了輔助決策的效率。云理論很好地解決了定性定量問題的相互轉(zhuǎn)換，并能同時(shí)處理因素指標(biāo)模糊性和隨機(jī)性，且具有結(jié)果顯示直觀明晰的優(yōu)勢(shì)。另一方面，大多數(shù)評(píng)估方法在確定各評(píng)價(jià)屬性權(quán)重的方法上過于簡單隨意，嚴(yán)重影響了評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性。本文針對(duì)反潛巡邏機(jī)搜潛輔助決策問題，提出了基于云理論和組合賦權(quán)方法的搜潛效能評(píng)估模型，嘗試解決對(duì)潛搜索效能評(píng)估的一系列問題。

1反潛巡邏機(jī)搜潛方案評(píng)估指標(biāo)體系的建立

要從不同的搜潛方案中選擇最優(yōu)搜索方案，首先要確定方案集，然后建立評(píng)價(jià)因素指標(biāo)集，最后通過建立兩者之間的相互關(guān)系，獲得最優(yōu)決策方案。根據(jù)潛艇的不同航行狀態(tài)對(duì)各搜潛設(shè)備進(jìn)行方案劃分，潛艇航行狀態(tài)分為：水面狀態(tài)s1、通氣管狀態(tài)s2、潛望鏡狀態(tài)s3、常規(guī)巡航狀態(tài)s4和大深度航行狀態(tài)s5。對(duì)其不同狀態(tài)，反潛巡邏機(jī)可使用搜索雷達(dá)(R)、前視紅外/電視搜索儀(I)、磁探儀(M)及各類聲納浮標(biāo)(S)進(jìn)行搜索，對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行組合可得到31種不同方案，剔除掉不合理的方案后，可得對(duì)潛搜索方案集：

其中，v1={R,I,S}，v2={R,I}，v3={I}，v4={M,S}，v5={M}，v6={S}。

建立了對(duì)潛搜索方案集，還需要確立評(píng)價(jià)因素指標(biāo)集。對(duì)于不同的潛艇航行狀態(tài)每一種搜潛方案都有其不同特點(diǎn)，根據(jù)反潛作戰(zhàn)的實(shí)際需要，我們從搜索能力、隱蔽性能、可操作性和經(jīng)濟(jì)性四個(gè)方面對(duì)搜潛方案進(jìn)行評(píng)測，建立評(píng)價(jià)因素指標(biāo)集為[2]：

{搜索能力，隱蔽性能，可操作性，經(jīng)濟(jì)性}

根據(jù)上述描述，具體評(píng)估指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)層次如圖1所示。

圖1　指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)

2基于方差最大化原理的組合賦權(quán)法確定權(quán)重

對(duì)潛搜決策方案的決策評(píng)估是一個(gè)多屬性評(píng)價(jià)決策過程，其中評(píng)價(jià)因素的權(quán)重反映了各因素在評(píng)判和決策過程中所占有的地位和所起的作用，因素指標(biāo)權(quán)重的確定關(guān)系到待評(píng)價(jià)方案結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性，是決策評(píng)價(jià)過程十分重要的環(huán)節(jié)。目前，權(quán)重確定的方法主要有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩種，主觀賦權(quán)法權(quán)重的確定是由專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際判斷所得，有很大的主觀隨意性；客觀賦權(quán)法根據(jù)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)程度及各指標(biāo)信息量大小等來度量，未考慮決策專家的主觀意向，有時(shí)會(huì)與評(píng)價(jià)因素的實(shí)際情況相悖，且所得結(jié)果難以給出明確解釋，往往使人感到困惑。通過分析主、客觀賦權(quán)法的優(yōu)缺點(diǎn)可知它們具有一定的互補(bǔ)性，所以可以把這兩類方法結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，達(dá)到最佳權(quán)重確定效果，這就是組合賦權(quán)法的優(yōu)勢(shì)所在。本文基于方差最大化原理[3]，在用層次分析法和熵權(quán)法這兩種主、客觀賦權(quán)法分別求取出評(píng)價(jià)因素權(quán)重后，在綜合賦權(quán)中運(yùn)用目標(biāo)規(guī)劃方法，最終得到主客觀結(jié)合的組合權(quán)重。

2.1用層次分析法求取主觀權(quán)重

1) 確定因素指標(biāo)重要度[4]。為將各指標(biāo)進(jìn)行量化比較，引入1~9標(biāo)度，構(gòu)造判斷矩陣。具體標(biāo)度見表1。

表1　層次分析法指標(biāo)權(quán)重標(biāo)度

2) 構(gòu)造權(quán)重判斷矩陣：

(1)

式(1)中，aij表示因素指標(biāo)i相對(duì)于j的重要程度。

3) 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

求得權(quán)重判斷矩陣后，可得權(quán)向量計(jì)算公式為

(2)

2.2用熵權(quán)法求取客觀權(quán)重

1) 構(gòu)造決策矩陣Rm=(rij)n×m

(3)

3) 計(jì)算因素指標(biāo)j的信息熵：

(4)

4) 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重：

(5)

2.3基于方差最大化的主客觀組合賦權(quán)方法

(6)

得到α、β取值后，進(jìn)而可得組合權(quán)重w=αP+βQ，再對(duì)w=(w1,w2,…,wm)T進(jìn)行歸一化，得最終歸一化結(jié)果w0=(w01,w02,…w0m)T。

3基于云理論的反潛巡邏機(jī)搜潛效能評(píng)估模型

3.1云理論概述

云理論是李德毅院士提出的，就是在概率論和模糊數(shù)學(xué)理論兩者交互的基礎(chǔ)上，通過特定的結(jié)構(gòu)算法，用語言值體現(xiàn)某個(gè)定性概念與其定量表示之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系[5]。

用期望值Ex、熵En、超熵He來表征云的數(shù)學(xué)特征，把模糊性和隨機(jī)性融合到了一起。其中，Ex是云中心值，即定性概念的最大可能值；En是定性概念的不確定性的度量，反映了在論域中可被概念接受的范圍，即亦此亦彼的裕度。He是En的不確定性度量，由En的隨機(jī)性和模糊性共同決定。隸屬度則是定性概念在定量值處的概率體現(xiàn)。圖3是定性概念“較好”(Ex=80,En=3,He=0.28)2 000個(gè)點(diǎn)的正態(tài)分布云圖。

圖3　評(píng)估值“良好”的云表示

3.2云評(píng)估具體過程

1) 獲取指標(biāo)值。根據(jù)之前建立的指標(biāo)體系，設(shè)待估方案有m個(gè)，評(píng)價(jià)指標(biāo)有n個(gè)，對(duì)象指標(biāo)值為xij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)，得到如下指標(biāo)列形式：

(9)

2) 將指標(biāo)值轉(zhuǎn)化為云的形式。式(9)中指標(biāo)通常有定性、定量和區(qū)間三種表述形式。定性指標(biāo)可通過多極化進(jìn)行定量處理；定量指標(biāo)可用期望值進(jìn)行處理；區(qū)間表述[cmin,cmax] 轉(zhuǎn)換為云模型表述為：Ex=(cmin+cmax)/2，En=(cmax-cmin)/6，He根據(jù)不同指標(biāo)的不確定性和隨機(jī)性相應(yīng)調(diào)整。

3) 求取權(quán)重并進(jìn)行“軟化”。根據(jù)前文表述的方法求取指標(biāo)權(quán)重。由于需進(jìn)行云參數(shù)運(yùn)算，因此需將指標(biāo)權(quán)重轉(zhuǎn)換為云的形式，即進(jìn)行“軟化”，表示方法為W={WC1,WC2,…,WCn}，WCi={wExi,wEni,wHei}，其中wEx是傳統(tǒng)概念的權(quán)重，而熵wEn和超熵wHe是用來“軟化”權(quán)重的參數(shù)，可根據(jù)具體情況具體確定。

4) 通過云運(yùn)算求得各方案的評(píng)估結(jié)果。通過指標(biāo)值與云權(quán)重運(yùn)算得評(píng)估結(jié)果的云表述，按式(10)進(jìn)行運(yùn)算

C1·WC1+C2·WC2+…Cn·WCn

(10)

5) 結(jié)果分析，采用正向云發(fā)生器輸出所求評(píng)估結(jié)果，做出仿真并進(jìn)行對(duì)比研究。

4實(shí)例分析

根據(jù)任務(wù)想定，反潛巡邏機(jī)前往某海域執(zhí)行對(duì)潛搜索任務(wù)，我們以搜索常規(guī)巡航狀態(tài)的潛艇為例，根據(jù)之前建立的反潛巡邏機(jī)搜潛方案決策指標(biāo)體系，進(jìn)行實(shí)例分析。

步驟如下:

1) 獲取指標(biāo)值。對(duì)于處于常規(guī)航行狀態(tài)的潛艇，搜索能力評(píng)價(jià)指標(biāo)可根據(jù)效能評(píng)估計(jì)算求得，隱蔽性能、可操作性和經(jīng)濟(jì)性可由領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行權(quán)威評(píng)判。由此得到了6種方案4個(gè)指標(biāo)的初始指標(biāo)評(píng)估值見表2。

表2　常規(guī)航行狀態(tài)潛艇的各方案因素指標(biāo)

2) 指標(biāo)轉(zhuǎn)換。將各評(píng)估指標(biāo)值轉(zhuǎn)換為云模型形式，相應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系見表3，轉(zhuǎn)換結(jié)果見表4。

表3　轉(zhuǎn)換關(guān)系

表4　轉(zhuǎn)換結(jié)果

3) 獲取權(quán)重。用層次分析法求取指標(biāo)主觀權(quán)重如表5所示。

表5　層次分析法求取指標(biāo)權(quán)重

同理，用熵權(quán)法求取指標(biāo)客觀權(quán)重向量見表6。

表6　熵權(quán)法求取指標(biāo)客觀權(quán)重

根據(jù)式(7)、式(8)計(jì)算得α=0.68，β=0.73，進(jìn)而得到組合權(quán)重：

w=αP+βQ=(0.781,0.249,0.215,0.165)T

歸一化得：

w0=(0.554,0.177,0.152,0.117)T

然后求云權(quán)重向量，云權(quán)重3個(gè)參數(shù)設(shè)定為：期望設(shè)為全局權(quán)重，熵取期望的1/4，超熵統(tǒng)一取0.002，結(jié)果見表7。

表7　指標(biāo)權(quán)重

4) 結(jié)果計(jì)算。根據(jù)式(10)計(jì)算6種方案的最終評(píng)估值的云參數(shù)，得

RC2=(50.905, 1.202, 0.0028)

RC3=(40.175, 0.722, 0.0012)

RC4=(53.45, 0.648, 0.001)

RC5=(54.705, 1.138, 0.002 4)

RC6=(65.005, 1.05 5, 0.002 2)

5) 結(jié)果分析。使用Matlab軟件對(duì)所得評(píng)估值的云參數(shù)進(jìn)行仿真來分析各方案之間的差異及相互影響，仿真結(jié)果如圖3，從仿真圖3可以直觀明晰地得出6種方案對(duì)常規(guī)巡航狀態(tài)的潛艇的搜索效能優(yōu)劣情況：方案1的搜潛效能最好，方案6次之，方案4與方案5之間交叉重疊部分最多，甚至有部分重疊區(qū)域難以有效劃分。此評(píng)估結(jié)果與實(shí)際搜潛情況相符，說明該方法正確可行。

圖3　評(píng)估結(jié)果仿真

5結(jié)語

本文針對(duì)傳統(tǒng)搜潛效能評(píng)估方法的局限和不足，提出了基于云理論和組合賦權(quán)方法的反潛巡邏機(jī)搜潛效能評(píng)估模型，該方法很好地解決了定性定量問題的相互轉(zhuǎn)換，并能同時(shí)處理因素指標(biāo)的模糊性和隨機(jī)性，且最終結(jié)果顯示直觀明晰，在反潛巡邏機(jī)搜潛輔助決策中具有很大優(yōu)勢(shì)。通過組合賦權(quán)法求取權(quán)重保證了評(píng)估屬性權(quán)重的合理準(zhǔn)確性，使得評(píng)估結(jié)果更加有效。實(shí)例分析驗(yàn)證了此方法的有效性，這對(duì)反潛巡邏機(jī)搜潛輔助決策具有一定的軍事意義。

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(責(zé)任編輯周江川)

Technical Research for Efficiency Evaluation by Anti-Submarine Patrol Aircraft Researching Submarine Based on Cloud Theory and Combination Weighting Method

YANG Bing-bing, JU Jian-bo, YAN Guo-yu, SHAN Zhi-chao

(Navy Aeronautics and Astronautics University, Yantai 264001, China)

Abstract:For the limitations and shortcomings of traditional effectiveness evaluation methods, a new method for anti-submarine patrol aircraft researching submarine based on cloud theory and combination weighting method was proposed. To the weight assignment of factor indexes, AHP was used together with entropy method to put forward a new combination weighting method based on maximizing deviation principle. Using cloud theory to effectiveness evaluation, the digital signature of the cloud was introduced. Importing cloud weighting in the assessment, the final results of the assessment by cloud calculate was got. By an applied example and simulation of Matlab, the pros and cons of each researching submarine scheme were reflected intuitively and clearly.

Key words:anti-submarine patrol aircraft; effectiveness evaluation; cloud theory; combination weighting

文章編號(hào)：1006-0707(2016)02-0011-05

中圖分類號(hào)：N945

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.02.003

作者簡介：楊兵兵(1990—)，男，碩士研究生，主要從事反潛信息處理研究。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60874112)；軍隊(duì)科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目(41512321)

收稿日期：2015-07-27；修回日期：2015-08-18

本文引用格式：楊兵兵，鞠建波，閆國玉，等.基于云理論和組合賦權(quán)方法的反潛巡邏機(jī)搜潛效能評(píng)估技術(shù)研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(2):11-14.

【裝備理論與裝備技術(shù)】