基于EAHP的地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)性能評(píng)價(jià)方法

孟凡凱,馬海寧,俞錦濤,孫少輝

(陸軍炮兵防空兵學(xué)院,安徽 合肥 230031)

無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)是指無(wú)人駕駛的、完全按遙控操作或預(yù)編程序自主運(yùn)作的、攜帶進(jìn)攻性或防御性武器遂行作戰(zhàn)任務(wù)的一類平臺(tái)[1]。地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)是無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的一種,主要包括軍用無(wú)人戰(zhàn)斗車輛、通用后勤服務(wù)無(wú)人車輛和小型單兵機(jī)器人等[2]。地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)能夠代替士兵獨(dú)立遂行偵察、攻擊等各種軍事任務(wù),可減少人員傷亡和提高戰(zhàn)斗效率。地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)非常靈活,可以穿越復(fù)雜地形,可以裝備多種類任務(wù)載荷,能極大提高部隊(duì)的戰(zhàn)斗力[3]。鑒于以上優(yōu)點(diǎn),近年來(lái),地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)得到各國(guó)軍方的關(guān)注。但在平臺(tái)實(shí)際研發(fā)過(guò)程中,不同研發(fā)機(jī)構(gòu)對(duì)地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的評(píng)價(jià)體系不一致,致使其作戰(zhàn)性能得不到公正評(píng)價(jià)。顯然,制定一套統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系對(duì)地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)是十分必要的。本文主要從地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的自身機(jī)動(dòng)能力和智能感應(yīng)能力兩個(gè)方面對(duì)其綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 指標(biāo)評(píng)價(jià)體系的建立

通常講,地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)應(yīng)具有三種能力:自身機(jī)動(dòng)能力、智能感應(yīng)能力和完成任務(wù)能力,我們從這三個(gè)能力出發(fā)構(gòu)建指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。但是,地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)完成不同作戰(zhàn)任務(wù)需要配置相應(yīng)任務(wù)載荷,因此,不同任務(wù)類型的地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)完成任務(wù)能力不具備可比性。所以,本文只針對(duì)地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的自身機(jī)動(dòng)能力和智能感應(yīng)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.1 自身機(jī)動(dòng)能力

自身機(jī)動(dòng)能力是指作戰(zhàn)平臺(tái)從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置的能力,可由快速機(jī)動(dòng)能力、靈活機(jī)動(dòng)能力、越障能力三個(gè)子能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1) 快速機(jī)動(dòng)能力:可由作戰(zhàn)平臺(tái)的最高速度和平均速度來(lái)評(píng)價(jià);

2) 越障能力:可由爬坡能力、松軟地面通行能力、涉水能力、跨壕能力和最長(zhǎng)行駛距離來(lái)評(píng)價(jià);

3) 靈活機(jī)動(dòng)能力:可由加速能力、制動(dòng)能力、轉(zhuǎn)向能力來(lái)評(píng)價(jià)。

1.2 智能感應(yīng)能力

各國(guó)對(duì)智能感應(yīng)能力的定義不一,美國(guó)“無(wú)人系統(tǒng)自主級(jí)別(ALFUS)工作小組”將其定義為:為了實(shí)現(xiàn)操控人員通過(guò)人機(jī)接口所賦予的目標(biāo),無(wú)人系統(tǒng)自身所具有的感知、分析、通信、規(guī)劃、決策和執(zhí)行等綜合能力[4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者將其定義為:在復(fù)雜多變的未知環(huán)境中主動(dòng)地執(zhí)行預(yù)定任務(wù),通過(guò)環(huán)境感知、決策規(guī)劃,有計(jì)劃、有目的地產(chǎn)生智能行為以適應(yīng)環(huán)境、改變現(xiàn)狀,從而達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)[5]。通過(guò)以上表述,我們可知地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)智能感應(yīng)能力的本質(zhì)是感知外界環(huán)境變化、獲得輸入信號(hào)、做出智能決策、生成執(zhí)行指令,進(jìn)而對(duì)環(huán)境變化做出反應(yīng)。綜上可知,平臺(tái)的智能感應(yīng)能力可從環(huán)境感知能力和環(huán)境反應(yīng)能力兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1) 環(huán)境感知能力:是指地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)通過(guò)傳感器感知外界環(huán)境變化,并通過(guò)數(shù)學(xué)模型將其轉(zhuǎn)化為作戰(zhàn)平臺(tái)可接受的數(shù)字信號(hào),可由感知范圍、建模精度、模型更新頻率來(lái)對(duì)環(huán)境感知能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2) 環(huán)境反應(yīng)能力:是指地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)通過(guò)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行正確判斷,做出智能決策,生成執(zhí)行指令,并執(zhí)行指令的能力。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)被賦予使命任務(wù)后,根據(jù)外部環(huán)境和內(nèi)部信息準(zhǔn)確有效地進(jìn)行任務(wù)分解形成元任務(wù)集,并根據(jù)當(dāng)前元任務(wù)快速地做出正確的行為決策;二是表現(xiàn)在自主導(dǎo)航能力方面,地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)能夠根據(jù)環(huán)境的變化、自身所處位置的變化和任務(wù)的變化,實(shí)時(shí)進(jìn)行局部路徑的合理規(guī)劃,并發(fā)出機(jī)動(dòng)指令來(lái)跟蹤這些路徑。因此,環(huán)境反應(yīng)能力可由任務(wù)規(guī)劃與決策能力、平臺(tái)定位精度、路徑規(guī)劃正確率、指令執(zhí)行速度、指令執(zhí)行精度對(duì)環(huán)境反應(yīng)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

綜上所述,可建立如圖1所示的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。

圖1 地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的打分及歸一化處理

得到指標(biāo)評(píng)價(jià)體系之后,我們可對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行打分,然后根據(jù)各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重,對(duì)平臺(tái)的性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),下面介紹各評(píng)價(jià)指標(biāo)的打分及歸一化處理方法。

2.1 自身機(jī)動(dòng)能力

2.1.1 靈活機(jī)動(dòng)能力

2.1.2 越障能力

2) 松散地面通過(guò)能力:平臺(tái)通過(guò)地面時(shí),平均接地壓強(qiáng)。接地壓強(qiáng)越小,通過(guò)松散地面的能力越強(qiáng)。按照定性評(píng)估,分為5個(gè)等級(jí),差,較差,中、較好、好,歸一化后的評(píng)價(jià)值分別為0、0.3、0.5、0.7、1。

3) 涉水能力:平臺(tái)所能通過(guò)的涉水深度占規(guī)定寬度水面的最大深度為h,通常以1 m為界,高于該標(biāo)準(zhǔn)的歸一化值都為1,其他為fc6=h;

4) 跨壕能力:平臺(tái)所能通過(guò)的涉水深度占規(guī)定寬度水面的最大深度為w,通常以1 m為界,高于該標(biāo)準(zhǔn)的歸一化值都為1,其他為fc7=w;

2.2 環(huán)境感應(yīng)能力

2.2.1 環(huán)境感知能力

3) 模型更新頻率:在規(guī)定的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下,模型的更新次數(shù)以單位時(shí)間更新8次為適中值,歸一化后的更新評(píng)價(jià)值:

2.2.2 環(huán)境反應(yīng)能力

1) 任務(wù)規(guī)劃與決策能力:用地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)正確規(guī)劃與決策的次數(shù)占總規(guī)劃與決策次數(shù)的比例fc12來(lái)衡量;

2) 平臺(tái)定位精度:在規(guī)定的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下,用地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)定位的坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)誤差的歸一化均方差來(lái)衡量,記為fc13;

3) 路徑規(guī)劃能力:用地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)在運(yùn)行過(guò)程中成功規(guī)劃路徑的百分比來(lái)衡量,記為fc14;

5) 指令響應(yīng)精度:可用路徑規(guī)劃精度來(lái)衡量,即規(guī)劃路徑與既定路徑(長(zhǎng)度一定)之間的面積S,歸一化后用fc16=e-S表示。

3 權(quán)重計(jì)算

獲得各評(píng)價(jià)指標(biāo)的分值之后,通過(guò)專家打分的方式確定各指標(biāo)的權(quán)重,在確定權(quán)重時(shí),通常采用層次分析法(AHP,Analytic Hierarchy Process)。但是AHP存在一定缺陷,即模糊判斷矩陣明確化和需要一致性檢驗(yàn)。我們使用可拓展的層次分析法(EAHP,Earp Analytic Hierarchy Process),用區(qū)間數(shù)代替點(diǎn)值數(shù)構(gòu)造可拓展判斷矩陣,克服了模糊判斷矩陣明確化的問(wèn)題。

3.1 構(gòu)建可拓判斷矩陣

在同一準(zhǔn)則層下,專家按照SAATY 提出的互反性 1-9 標(biāo)度法對(duì)各個(gè)指標(biāo)的重要性進(jìn)行兩兩比較,依次,可以建立可拓判斷矩陣:

3.2 計(jì)算判斷矩陣的權(quán)重

下面計(jì)算矩陣A=,在滿足一致性條件下對(duì)應(yīng)的權(quán)重。其中,A-是區(qū)間下端點(diǎn)構(gòu)成的矩陣,A+是區(qū)間上端點(diǎn)構(gòu)成的矩陣:

1) 求A-,A+最大特征值所對(duì)應(yīng)的具有正分量的歸一化特征向量x-,x+;

(1)

其中k,m為全體正實(shí)數(shù),且k,m滿足0

3) 一致性判斷。當(dāng)0

4) 計(jì)算權(quán)重

S=(S1,S2,S3…Snk)T=

(2)

其中，Snk表示第k層,第n個(gè)元素對(duì)上一層的某個(gè)因素的可拓區(qū)間權(quán)重。

3.3 對(duì)某一準(zhǔn)則層的因素進(jìn)行排序

(3)

其中i,j=1,2,…,n,i≠j;

Pi為第i個(gè)元素對(duì)其上一準(zhǔn)則層的某因素的權(quán)重;

P=(P1,P2,P3,…Pn)T表示某一準(zhǔn)則層上n個(gè)因素分別對(duì)上一準(zhǔn)則層的某因素的權(quán)重向量;

3.4 對(duì)所有準(zhǔn)則層的因素進(jìn)行排序

當(dāng)h=1,2…,nk-1時(shí),可得矩陣:

(4)

(5)

Wk=PkPk-1…P3W2,W2即是單項(xiàng)排序向量[6]。

4 實(shí)例計(jì)算

假設(shè)某科研機(jī)構(gòu),研發(fā)一臺(tái)地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái),經(jīng)測(cè)試,其各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的性能經(jīng)過(guò)歸一化處理之后如表1所示。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)分?jǐn)?shù)表

現(xiàn)按照所建立的模型對(duì)該平臺(tái)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

根據(jù)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系中的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),按照1-9標(biāo)度法構(gòu)建可拓區(qū)間數(shù)判斷矩陣,如表2所示。

我們由上至下對(duì)評(píng)價(jià)體系中每個(gè)準(zhǔn)則層進(jìn)行比較,得到可拓區(qū)間判斷矩陣,然后計(jì)算出各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表2 權(quán)重打分表

由表2可知:

計(jì)算可得

m=1.0545,X-=(0.1815,0.4712,0.3473)T

按照同樣的方法可得

k=0.9414,X+=(0.1768,0.4773,0.346)T

其中,0≤k≤1≤m,所以可拓區(qū)間判斷矩陣的一致性較好。

由式(3)得

S1=<0.1709,0.1864>,S2=<0.4436,0.5033>,S3=<0.3269,0.3649>。

可得

V(S2≥S1)=8.8404,V(S3≥S1)=7.2523。

根據(jù)式(4)，有

P1=1,P2=8.8404,P3=7.2523。

通過(guò)歸一化處理,可得3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)總目標(biāo)的權(quán)重:

P=(0.0585,0.5172,0.4243)。

依此類推,逐級(jí)計(jì)算其他指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表3。

4.2 各評(píng)價(jià)因素分?jǐn)?shù)的確定

5個(gè)評(píng)價(jià)要素(靈活機(jī)動(dòng)能力,越障能力,快速機(jī)動(dòng)能力,環(huán)境反應(yīng)能力,環(huán)境感知能力)的得分:

表3 權(quán)重表

同理可得,自身機(jī)動(dòng)能力和智能感應(yīng)能力的得分別為

該平臺(tái)的總得分:

以100分為滿分,該平臺(tái)的總體性能評(píng)價(jià)較低,從各評(píng)價(jià)指標(biāo)的得分來(lái)看,其環(huán)境感知能力較弱。主要原因是,該平臺(tái)的感知范圍、模型的更新頻率以及模型的計(jì)算精度較差，且智能感應(yīng)能力在整個(gè)性能評(píng)價(jià)體系中占據(jù)的權(quán)重較大。在今后的研究開(kāi)發(fā)中,應(yīng)該針對(duì)平臺(tái)的智能感應(yīng)能力,尤其是平臺(tái)的探測(cè)硬件和軟件進(jìn)行有重點(diǎn)的開(kāi)發(fā),進(jìn)而提升作戰(zhàn)平臺(tái)的整體性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)同一任務(wù)類型地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的自身機(jī)動(dòng)能力和智能感應(yīng)能力兩個(gè)方面對(duì)其綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)?；陟`活機(jī)動(dòng)能力、越障能力、快速機(jī)動(dòng)能力、環(huán)境感知能力和環(huán)境反應(yīng)能力,建立了地面無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,在此基礎(chǔ)上利用可拓展的層次分析法確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,提出了平臺(tái)的綜合性能評(píng)價(jià)模型,并用實(shí)例檢驗(yàn)了模型的有效性和可用性。