基于灰色層次分析法的多種載荷偵察效能評估

王 晨，謝文俊，毛 聲，趙曉林

（空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安 710038）

基于灰色層次分析法的多種載荷偵察效能評估

王 晨，謝文俊，毛 聲，趙曉林

（空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安 710038）

針對無人機攜帶多種偵察載荷執(zhí)行偵察任務(wù)協(xié)同效能評估需求，用層次分析法逐層比較分析多種載荷的偵察能力、協(xié)同能力、生存能力，建立了偵察效能評估體系。通過專家評分確定指標權(quán)重，將認知的灰色性和層次分析理論結(jié)合，用灰色系統(tǒng)理論實現(xiàn)評估指標從定性到定量的轉(zhuǎn)化，使層次分析法的判斷矩陣擴展為灰色判斷矩陣，給出了無人機多種載荷兩兩協(xié)同方案的偵察效能評估的一種方法。該方法在不同任務(wù)背景下比現(xiàn)有模型適應(yīng)性更強。

灰色系統(tǒng)理論，層次分析法，無人機，偵察載荷，效能評估

0 引言

無人機相對有人機具有低損耗、低成本、零傷亡、可重復(fù)使用等諸多優(yōu)點，在地質(zhì)勘測、目標偵察、應(yīng)急救援等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1］。由于現(xiàn)代戰(zhàn)場維度已經(jīng)擴展至陸、海、空、天、網(wǎng)、電磁等多個維度，且信息對抗日趨激烈，不僅要求作為獲取戰(zhàn)場信息主要手段的偵察監(jiān)視系統(tǒng)能夠全天時、全維度獲取戰(zhàn)場情報，而且對情報的時效性、以及復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下偵察系統(tǒng)生存能力都提出了新的需求，僅僅依靠單一類型偵察傳感器已無法滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭需求，協(xié)同不同類型偵察載荷獲取情報已經(jīng)是主要的偵察樣式，無人機攜帶不同類型偵察載荷的偵察能力、不同類型載荷信息協(xié)同能力及平臺生存能力等方面的綜合性能在實際應(yīng)用過程中也越來越多地受到關(guān)注［2］。

實現(xiàn)對無人機攜帶不同偵察載荷協(xié)同完成任務(wù)的效能進行評估能夠為決策者提供最優(yōu)的偵察載荷協(xié)同方案［3-4］。目前對無人機攜帶單個偵察載荷的偵察效能評估已經(jīng)有很多成熟的模型和研究方法［5-6］，但對單無人機攜帶不同類型偵察載荷協(xié)同偵察效能評估的研究還很少。由于無人機執(zhí)行偵察任務(wù)具有先驗信息不足的特點，以及執(zhí)行任務(wù)過程中存在諸多不確定的因素，很難對不同偵察載荷協(xié)同效能進行較為準確的量化評估［7］，所以對單無人機攜帶不同偵察載荷進行協(xié)同效能評估是一個有挑戰(zhàn)的問題。

文獻［8］對此問題建立了效能評估模型，參數(shù)較多且計算復(fù)雜，由于未考慮在不同作戰(zhàn)任務(wù)背景下評估模型的適應(yīng)性，該模型難以適應(yīng)不同任務(wù)評估需求。針對上述問題，本文將灰色系統(tǒng)理論和層次分析法相結(jié)合，研究了電子信號偵察設(shè)備、合成孔徑雷達和CCD相機3種偵察載荷在無人偵察機上兩兩協(xié)同工作情況下的效能評估方法，為不同評估指標采用了相同的標準分配權(quán)重，在不同的作戰(zhàn)任務(wù)需求下只需要調(diào)整輸入?yún)?shù)，求解過程較現(xiàn)有方法簡便，考慮因素更全面，為決策者提供了科學(xué)的參考依據(jù)。

1 評估指標體系

一般采用層次分析法確立評估指標體系，指標的選取遵循最簡性、獨立性、可測性、完備性、客觀性原則。層次分析法將多種因素層次化，并逐層比較其關(guān)聯(lián)因素，為分析和預(yù)測事物的發(fā)展提供依據(jù)［9］，主要應(yīng)用在安全科學(xué)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，包括煤礦安全研究、危險化學(xué)品評價、油庫安全評價、城市災(zāi)害應(yīng)急能力研究以及交通安全評價等［10-12］。

無人機攜帶不同偵察載荷執(zhí)行偵察任務(wù)，影響其總體偵察效能的因素很多，在評估指標體系構(gòu)建過程中，結(jié)合國內(nèi)外的相關(guān)標準與文獻［2，14］，根據(jù)執(zhí)行任務(wù)的過程并結(jié)合效能評估指標建立原則，本文利用層次分析法建立了無人機多種偵察載荷效能評估體系，如圖1所示。首先獲得無人機多載荷偵察效能評估備選指標集，再通過專家篩選、相關(guān)性分析等方法對備選指標進行篩選，最終確定了9個評估指標，并將其劃為偵察能力指標、協(xié)同能力指標、生存能力指標三大類。

2 灰色評估模型及其算法

圖1 無人機多種偵察載荷效能評估指標體系

灰色系統(tǒng)理論［13-14］是研究灰色系統(tǒng)分析、建模、預(yù)測、決策和控制的理論，可將抽象的系統(tǒng)加以實體化、量化及模型化，廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟管理、教育科學(xué)、控制工程及航空航天等領(lǐng)域［15-17］?；疑到y(tǒng)理論具有“少數(shù)據(jù)建?！钡奶攸c，對于“小樣本、貧信息不確定”問題能得到較好的解決。文獻［15］在教學(xué)評價中由專家對底層指標定性打分，采用灰色系統(tǒng)理論模型計算了評價指標的權(quán)向量，實現(xiàn)了評價指標從定性到定量的轉(zhuǎn)化，進而綜合所有指標計算出教師的教學(xué)能力，得到不同教師教學(xué)能力的精確排序結(jié)果，完成了評價過程。文獻［16］在施工風(fēng)險的評價中采用同樣的方法對定性指標進行了轉(zhuǎn)化，計算了施工風(fēng)險的綜合評價值進而得出施工風(fēng)險等級。

灰色層次分析法是灰色系統(tǒng)理論和層次分析法相互作用的產(chǎn)物，它兼具灰色理論和層次分析法的優(yōu)點，在人力資源管理、信息安全、變電站通信網(wǎng)絡(luò)等多個領(lǐng)域得到應(yīng)用［18-19］。本文將灰色層次分析法應(yīng)用到無人機多種偵察載荷效能評估中，用層次分析法確定多層次指標的權(quán)重，并用灰色理論作出判斷與評價，構(gòu)造了灰色判斷矩陣。

本文采用兩層樹狀結(jié)構(gòu)的評估體系來實現(xiàn)無人機多偵察載荷效能評估的算法，總效能A表示無人機攜帶多傳感器的偵察效能，并且A是一級評價指標Bi（i=1，2，3）所組成的集合，Bi是二級評價指標Ci（i=1，2，...，9）組成的集合，多偵察載荷效能評估體系的算法如下。

2.1 層次分析法計算組合權(quán)重

根據(jù)簡易表格法，按1～5的比例標度（從1～5依次表示該元素對上層元素重要程度的依次遞減）對評估指標重要程度賦值，由專家對上下層元素間的重要程度關(guān)系進行定性填表，用和法計算相鄰層次的下層元素對上層元素的權(quán)重并對判斷矩陣進行一致性檢驗，再算出底層元素對總效能的組合權(quán)重 W=（w1，w2，…，wn）T。

2.2 確定評估矩陣

確定評估指標值矩陣DJI（A），它表示方案J的第A個評估因素由評估者I給出的評估指標值。

2.3 確定評估灰類

針對具體對象，通過定性分析確定評估灰類的灰數(shù)、等級數(shù)及白化權(quán)函數(shù)。常用的白化權(quán)函數(shù)有3種，如圖2所示。

圖2 白化權(quán)函數(shù)

第1級白化權(quán)函數(shù)如圖2（a）所示。

第2級白化權(quán)函數(shù)如圖2（b）所示。

第3級白化權(quán)函數(shù)如圖2（c）所示。

2.4 計算評估系數(shù)

方案J對于評估指標A屬于各個評估灰類的總灰色評估系數(shù)記為則有：

2.5 計算評估權(quán)向量和權(quán)矩陣

2.6 對不同指標進行評估

由 R（A）求出：

再得到評估指標的權(quán)向量：

2.7 綜合評估

①綜合所有因素，確定受評方案所屬灰類。由r*（A）（A=1，2，3，…，a）排列得到矩陣 r*，再得到受評方案綜合所有指標后的綜合評估權(quán)向量rJ*（J=1，2，3，…，j）。

根據(jù)rJ*可得出被評為不同灰類的受評方案總評估權(quán)，從而確定受評方案綜合所有指標后所屬的灰類。

②綜合所有指標，給受評方案排序。計算：

式中BK表示不同灰類的權(quán)系數(shù)，RJK表示受評方案被評為不同灰類的總評估權(quán)。

綜合所有指標后，根據(jù)rJ的大小給受評方案排出優(yōu)劣次序。

整個算法的流程框圖如圖3所示。

圖3 算法流程圖

3 算例分析

本文以某海域偵察作戰(zhàn)任務(wù)為背景，該任務(wù)具有以下特點：①偵察監(jiān)視范圍廣，對偵察載荷的作用距離敏感；②目標發(fā)現(xiàn)、識別概率要求高；③不同載荷的協(xié)同數(shù)據(jù)可信性要求高；④偵察平臺被發(fā)現(xiàn)概率要低；⑤由于戰(zhàn)場環(huán)境存在電磁干擾比較嚴重，載荷協(xié)同的抗干擾性要好；⑥氣象環(huán)境復(fù)雜，偵察載荷要有在復(fù)雜氣象條件下遂行任務(wù)的能力。

為完成此任務(wù)事先制定了3種偵察載荷協(xié)同方案，方案1為電子信號偵察設(shè)備和合成孔徑雷達的協(xié)同遂行任務(wù)；方案2為電子信號偵察設(shè)備和CCD相機的協(xié)同遂行任務(wù)；方案3為合成孔徑雷達和CCD相機的協(xié)同遂行任務(wù)。

由專家經(jīng)驗根據(jù)任務(wù)特點對 A-B，B1-C，B2-C，B3-C進行填表打分，對作戰(zhàn)任務(wù)影響較大的評估指標得分相應(yīng)較高，打分表如表1所示，然后求得相應(yīng)的判斷矩陣 A、B1、B2、B3。

用和法算得 A、B1、B2、B3的特征向量分別為

將以上計算結(jié)果列表如表1所示，第1行數(shù)字是B層元素相對于目標A的相對權(quán)重，表1從C1到C9的前3列數(shù)字分別是C層元素相對于B1、B2、B3的相對權(quán)重，將該矩陣記為C1，則C層元素相對于目標A的組合權(quán)重為：

由表1可以看出：

①準則層中各準則的重要性程度從大到小排序為 B1＞B3＞B2；

②偵察能力下各指標重要性程度從大到小排序為 C1＞C2＞C3＞C4；

③協(xié)同能力下各指標重要性程度從大到小排序為 C5＞C6；

④生存能力下各指標重要性程度從大到小排序為 C8＞C7＞C9；

表1 層次排序表

⑤各個評估指標對于總效能的重要性程度從大到小排序為 C1＞C2＞C8＞C3＞C5＞C7＞C4＞C9＞C6；

邀請3位專家對3個方案的9個評估指標進行評分，給分范圍為1～10分，根據(jù)評分表格可得評估指標值矩陣DJI（1）～DJI（9）。

設(shè) K=1，2，3，4，即有 4 個評估灰類，表示“優(yōu)”，“良”，“中”，“差”4個等級，相應(yīng)的灰數(shù)及白化權(quán)函數(shù)如圖4所示。

圖4 4個評估灰類的白化權(quán)函數(shù)

對指標C1，受評方案1（J=1）屬于各灰類的評估系數(shù)由D1I（1）代入式（1）～ 式（3）計算：

由式（5）求得受評方案1對于評估指標C1的總評估系數(shù)為：

由式（6）求得受評方案1對于評估指標1的灰類評估權(quán)向量為：

同理可得受評方案2和方案3對于評估指標1的灰類評估權(quán)向量從而構(gòu)成評估指標1的灰色評估權(quán)矩陣

由式（9）和式（10）求得指標1的灰色評估權(quán)向量：

從評估權(quán)矩陣r*的9列向量，可得受評方案（J=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）對不同指標的排序，如表2所示。

表2 受評方案對不同指標的排序

算得評估權(quán)矩陣r*后，其列向量的轉(zhuǎn)置向量為rJ，即為受評方案綜合所有評估指標后的綜合評估權(quán)向量，計算rJW，得到各方案的綜合評分：

由表2可以看到，方案3有6項評估指標名列第一，方案1占據(jù)第一的評估指標只有3項，最后的綜合評分結(jié)果中方案1要高于方案3。究其原因是評估指標對于總效能的組合權(quán)重和評估指標在不同評估方案中得分的共同作用結(jié)果。故可以得出結(jié)論，在針對特定海域執(zhí)行偵察類任務(wù)，電子信號偵察設(shè)備和CCD相機的協(xié)同方案具有較好的偵察效果。在其他的偵察任務(wù)中，比如小范圍的精確搜索目標識別，戰(zhàn)略偵察監(jiān)視，預(yù)警探測等，輸入?yún)?shù)隨著任務(wù)的不同而發(fā)生改變，評估指標對于偵察總效能的組合權(quán)重隨之發(fā)生改變，評估指標在不同評估方案中的得分亦會隨之改變，3種協(xié)同方案的比較就會有不一樣的評估結(jié)果。而文獻［8］中在不同的任務(wù)背景下，需要根據(jù)具體可獲得的數(shù)據(jù)情況，并結(jié)合參數(shù)敏感性分析以及課題任務(wù)等因素來調(diào)整具體的計算模型，因此，與該模型相比，針對無人機多種偵察載荷協(xié)同偵察效能評估問題，本文提出的方法在不同任務(wù)背景下具有更強的適應(yīng)性。

4 結(jié)論

本文給出了無人機偵察載荷效能評估的一種方法，它綜合考慮了各偵察載荷的相互影響帶來的不同表現(xiàn)結(jié)果，并對無人機偵察載荷兩兩協(xié)同的偵察效能進行了計算分析。結(jié)果顯示在針對特定海域執(zhí)行偵察類任務(wù)背景下，合成孔徑雷達和CCD相機的協(xié)同偵察效能最優(yōu)，該結(jié)果符合偵察作戰(zhàn)規(guī)律。

將灰色層次分析法應(yīng)用到無人機多種偵察載荷效能評估中，使能夠影響偵察總效能卻又難以量化的各項因素得到了很好的加權(quán)處理，避免了在應(yīng)對此類問題時評估者評價時的主觀性、片面性以及決策者對評估結(jié)果難作決斷的現(xiàn)象。本文以灰色層次分析法解決無人機多種偵察載荷效能評估問題，是對偵察載荷效能評估方法的有益補充和完善。

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Assessment on Multi-Payload Reconnaissance Effectiveness Based on Grey Analytic Hierarchy Process

WANG Chen，XIE Wen-jun，MAO Sheng，ZHAO Xiao-lin
（School of Aeronautics and Astronautics Engineering，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China）

For requirements of collaborative effectiveness assessment on multi-payload reconnaissance effectiveness of UAVs，the paper makes a variety of influencing factors hierarchical using analytic hierarchy process（ahp），and establishes effectiveness evaluation system through detection ability，cooperative ability and survival ability three aspects by comparative analysis step by step.And then the paper confirms every index weight by expert evaluation method，transforms qualitative indexes into quantitative indexes using grey system theory，combines cognitive gray and hierarchical analysis theory，makes the judgment matrix of ahp to gray judgment matrix，giving a method of collaborative effectiveness assessment on multi-payload reconnaissance effectiveness of UAVs.And the proposed approach has better adaptability than current model and method under the background of different tasks.

grey system theory，analytic hierarchy process，UAV，reconnaissance payload，effectiveness assessment

1002-0640（2017）10-0177-06

V243.5

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.10.037

2016-09-02

2016-10-16

國家自然科學(xué)基金（61503405）；航空科學(xué)基金資助項目（20145596024）

王 晨（1993- ），男，湖北武漢人，碩士。研究方向：無人飛行器協(xié)同控制與作戰(zhàn)管理。