基于模糊層次分析法的警用非致命空氣炮作戰(zhàn)效能評估

陳飛翔，郭三學(xué)，牛良超

（武警工程大學(xué) a.研究生大隊；b.裝備管理與保障學(xué)院，西安 710086）

警用非致命空氣炮是利用自然空氣作為工作介質(zhì)近距離驅(qū)散群體目標的一種反人員非致命武器，具備使敵方人員裝備失去作戰(zhàn)能力以及對財產(chǎn)和環(huán)境的非故意破壞降至最低的基本特性[1]。其工作原理是利用電能驅(qū)動方式壓縮自然空氣形成高壓氣體，以瞬發(fā)噴爆或持續(xù)噴射方式作用于目標，拒止目標敵對行動，實現(xiàn)驅(qū)散行動中敵我的有效物理隔離，并實現(xiàn)敵我雙方而非敵單方的非致命性，30L警用非致命空氣炮結(jié)構(gòu)如圖1所示，技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 30 L警用非致命空氣炮結(jié)構(gòu)

表1 30L警用非致命空氣炮技術(shù)參數(shù)

空氣炮處置群體性事件尚無先例，主要在于空氣炮作為新型非致命性武器，以柔性自然空氣作為動能打擊介質(zhì)，其理論的正確、裝備的研制、作用的效果，尚需要科學(xué)論證。因此，對空氣炮作戰(zhàn)效能的評估論證就顯得尤為迫切。文中運用模糊層次分析法，構(gòu)建了以非致命性、適用性、人文性為準則層的警用非致命空氣炮作戰(zhàn)效能評估體系，通過加權(quán)平均算法和平均隨機一致性指標，進行各要素權(quán)重計算和一致性檢驗，對警用非致命空氣炮作戰(zhàn)效能進行評估，為空氣炮優(yōu)化設(shè)計和實戰(zhàn)應(yīng)用提供客觀參照。

1 作戰(zhàn)效能評估指標體系

空氣炮作為新型警用非致命武器，既要求在作戰(zhàn)行動中具備可靠的非致命性、高效的機動性、穩(wěn)定的作用性，又要具備新時代處置群體事件非致命作戰(zhàn)裝備特有的人文性、高度的集成性、維護的經(jīng)濟性，以此建立警用非致命空氣炮作戰(zhàn)效能評估指標體系，如圖2所示。

圖2 警用非致命空氣炮作戰(zhàn)效能評估指標體系

1.1 非致命性

警用非致命空氣炮作為處置群體性事件的動能驅(qū)散裝備，非致命性是其首要的考量因素，主要包括毀傷能量、作用精度和次生傷害。

1）毀傷能量?？諝馀跉芰考杏诟邏簹怏w射流上，在有效射程內(nèi)，隨著作用距離的縮小，毀傷能量也逐步增強。空氣炮壓縮強度、發(fā)射管口徑、噴爆時間、作用距離就是決定因素。因此，只要控制好壓縮強度、作用距離和噴爆時間，就完全可以控制毀傷能量。

2）作用精度。空氣射流沿射流軸線作減速直線運動，射流的外邊界逐漸向外擴散，作用力逐漸減小，形成以中軸線為最強動能的層級能量圈[2]。由于空氣射流受重力的影響很小，其作用方向?qū)⒈３址€(wěn)定的射流中軸線方向，作用的精度適宜對群體目標驅(qū)散作戰(zhàn)。

3）次生傷害。次生傷害指空氣炮作用中引起的非直接性傷害效應(yīng)，包括驅(qū)離人群造成的騷亂性踩踏事件，低溫環(huán)境下造成的傷寒感冒，高溫天氣下對人群穿著物作用可能引起的騷亂，以及瞬發(fā)噴爆產(chǎn)生的聲響。騷亂性踩踏事件以及噴爆聲響具有致命的性質(zhì)，通過強化操作人員的操作技能以及作用前的安全提醒，可以實現(xiàn)有效預(yù)防。

1.2 適用性

武器裝備作戰(zhàn)適應(yīng)性指機動部署能力、準備完好能力、戰(zhàn)時執(zhí)行任務(wù)能力和戰(zhàn)場持續(xù)能力[3]。根據(jù)驅(qū)散任務(wù)行動特點，警用非致命空氣炮的作戰(zhàn)適用性參數(shù)，體現(xiàn)在機動能力、操作維護能力和綜合集成能力三個方面。

1）機動能力?？諝馀诟鶕?jù)任務(wù)需要，可設(shè)計30、50、75、100 L儲氣罐體，質(zhì)量為35~95 kg。行動中，采取拖行、牽引或運載方式隨隊行動，也可安裝在車載平臺上機動作戰(zhàn)。在巷道、建筑物等狹小空間內(nèi)，通過加裝高強度發(fā)射軟管，延伸作戰(zhàn)半徑，提高機動能力。

2）操作維護能力?？諝馀谕ǔＳ沙錃?、儲氣、控制、發(fā)射機構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)明了，使用簡易。通過電能驅(qū)動和差壓裝置控制作用過程，操控簡單。能夠根據(jù)目標距離控制射流方向和強度，調(diào)整方便。在作用中，不太可能導(dǎo)致重要物件損壞和其他不可容忍后果的故障[4]，故障性低，維護性強。

3）綜合集成能力。武器裝備系統(tǒng)的綜合集成，已成為世界各國提高武器裝備效能的重要戰(zhàn)略選擇[1]?？諝馀诩右詢?yōu)化改進，可以用來發(fā)射非致命動能打擊彈，配備專用噴嘴后可用來噴射非致命化學(xué)制劑，持續(xù)噴射時還可以進行滅火作業(yè)，具有較高綜合集成能力。

1.3 人文性

非致命空氣炮在作戰(zhàn)行動中，既要注重對作用目標、作戰(zhàn)人員的影響，還要注重對國際國內(nèi)社會的政治效應(yīng)，因此將公眾接受力、人員損傷率、環(huán)保經(jīng)濟性作為衡量指標。

1）公眾接受力?？諝馀谝钥諝庾鳛閯幽艽驌艚橘|(zhì)，作用時摸不著、嗅不到，只看到煙霧狀氣流團，減損了裝備特有的暴力性，公眾在心理上具有好感，易于接受，有效緩和了公眾敵對態(tài)勢，減免國內(nèi)外敵對勢力的惡意炒作，避免處置行動過激引發(fā)的事態(tài)惡化升級。

2）人員損傷率。人員的損傷通常由作用體直接或間接打擊造成的?？諝馀谠谟行ё饔镁嚯x內(nèi)，目標越近受到?jīng)_擊力越強，能形成敵我間有效物理隔離，減少直接接觸造成的損傷率。射流對投擲物的緩沖中和，能有效耗損投擲物動能，降低投擲物造成的人員損傷。

3）環(huán)保經(jīng)濟性?？諝馀谝宰匀豢諝鉃樽饔媒橘|(zhì)，介質(zhì)體來源充足，采集方便，使用中不會發(fā)生質(zhì)變，能夠?qū)ρb備、基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境的破壞降至最低限，達到零污染。其整體構(gòu)件常見，活動部件較少，生產(chǎn)加工方便，組裝維護簡單，具有最低限經(jīng)濟成本。

2 模糊層次分析法評估模型

模糊層次分析法就是模糊理論與層次分析法相結(jié)合，以問題的層次結(jié)構(gòu)模型為依據(jù)，通過模糊數(shù)學(xué)理論，研究制定出解決該問題的最優(yōu)方案。其首先運用層次分析法（AHP），將問題分解成多個具有相互關(guān)系的不同因素，并按一定的關(guān)系組合成具有遞階型的層次結(jié)構(gòu)模型。然后通過構(gòu)建兩兩比較的重要性判斷矩陣，進行各因素權(quán)重計算和一致性檢驗。最后，運用模糊數(shù)學(xué)理論，對各因素指標進行模糊處理，獲得最底層因素對于最高層的重要性權(quán)值，進而確定最底層的最優(yōu)方案。模糊層次分析法具有模糊性的判斷矩陣和比較簡潔的計算方法，它解決了一般層次分析法劃分標度復(fù)雜、判斷矩陣難以達到一致性的不足，使問題分析更加的精確和透徹[5-6]。

2.1 構(gòu)造判斷矩陣

在某一準則 Ck下，對n個元素中的任意兩個 ai和aj，通過比較可得出哪個元素更重要及重要多少。目前多使用1~9種比例標度，見表2[7]。

表2 1～9種比例標度

若第 i個元素與第 j個元素比較得aij，則元素 j與元素i比較為aji，且aij=1/aji，

對于n個元素來說，得到兩兩判斷矩陣A：

判斷矩陣具有以下性質(zhì)：A=(aij)m×n，其中，aij=1/aji，aij>0，aii=1。

矩陣中的元素不一定具有傳遞性，即未必有aij·ajk=aik成立。當(dāng)該等式成立時，則稱 A為一致性矩陣。

2.2 計算指標權(quán)重

用層次分析法（AHP）進行指標權(quán)重賦權(quán)，隨機一致性指標RI（Random Index）是經(jīng)過隨機抽樣、取值算出的同階隨機性判斷矩陣的具有一致性的一組平均值。對于不同的1-12階矩陣RI的取值見表3[8]。

表3 1-12階矩陣的RI取值

計算步驟如下：

1）將判斷矩陣A按列歸一化，得到矩陣wij：

2）將歸一化矩陣各行相加，得到向量A：

2.3 一致性檢驗

通常情況下，一致性比例CR（Consistency Ratio）越小，判斷矩陣的一致性越好。當(dāng)CR≤0.1時，判斷矩陣的一致性是可以被接受的；反之，需要對判斷矩陣的數(shù)值進行修正，直至滿足一致性為止[9]。具體步驟如下：

1）計算最大特征值λmax：

2）計算一致性指標CI：

3）計算一致性比例CR，根據(jù)表3確定隨機一致性指標RI，得出：

當(dāng) CR<0.1，認為判斷矩陣的一致性是可以接受的。

2.4 模糊綜合評判

模糊綜合評判是在考慮多種因素的影響下，運用模糊數(shù)學(xué)工具對事物作出綜合評價[10-11]。

評價集由指標集C、評價集V和評價矩陣R構(gòu)成。

1）指標集 C=[c1,c2,…,ci]，i=1,2,…,9。

2）評價集 V=[v1,v2,…,vk]，i=1,2,3,4,5。

3）單指標ci相對于評價集V的評價矩陣R為：

效能評價步驟為：

1）建立評價集。令五級術(shù)語評價集[v1,v2, v3, v4,v5]各表示[好、較好、一般、較差、差]，轉(zhuǎn)化為百分制對應(yīng)[100,90,75,60,45]，其中[100,90]為“好”，[90,75]為“較好”，[75,60]為“一般”，[60,45]為“較差”，[45,0]為“差”。

2）指標規(guī)范化。對定性與定量指標進行規(guī)范化處理，并由式（1）計算隸屬度。

3）對向量A進行綜合評價：A= W′?R。

4）對作戰(zhàn)效能 E 進行綜合評價：E=V·A=V ·W′?R。

3 作戰(zhàn)效能評估

3.1 構(gòu)建判斷矩陣

將10位武器專家的評價結(jié)果進行整理，得出準則層的比例標度矩陣如下：

3.2 計算指標權(quán)重

3.2.1 準則層指標權(quán)重

由式（1）、（2），得出矩陣向量為：

則準則層權(quán)重wi為：[0.49,0.21,0.30]。因為n=3，由表 3 得 RI=0.52，由式（3）、（4）、（5），得出：λmax=3.070 83，CI=0.035 415，CR=0.006 81。顯然，CR=<0.1，判斷矩陣的一致性是可以接受的。

3.2.2 措施層相對準則層權(quán)重

同理，得出各措施層相對各自準則層權(quán)重指標見表4。由此可知，各判斷矩陣的一致性均可以接受。措施層權(quán)重 W′=Wi·Wij，得出：W′=(0.269 5,0.102 9,0.117 6, 0.040 32, 0.133 14, 0.036 54, 0.116 1, 0.133 2,0.050 7)。

3.3 指標規(guī)范化處理

結(jié)合10位武器專家對空氣炮的評價結(jié)果，由式（2）得到定性指標隸屬度，見表5。

通過采集空氣炮技術(shù)參數(shù)、進行市場調(diào)查，得出定量指標隸屬度參數(shù)，見表6。

從而得到定量指標模糊向量見表7。

3.4 綜合評價

由式（6）、（7）得作戰(zhàn)效能綜合評價 E=V·A=V ·W′?R=82.92。根據(jù)評估得分，警用非致命空氣炮性能評價為“較好”。此結(jié)果反映出警用非致命空氣炮綜合作戰(zhàn)效能較好，具有推廣價值和應(yīng)用前景，為空氣炮優(yōu)化設(shè)計和實戰(zhàn)應(yīng)用提供了參照。

表4 措施層相對準則層權(quán)重

表5 定性指標隸屬度

表6 定量指標隸屬度參數(shù)

表7 定量指標模糊向量

4 結(jié)論

1）基于警用非致命空氣炮工作原理、結(jié)構(gòu)特點、任務(wù)特性，構(gòu)建的以非致命性、適用性、人文性為準則的作戰(zhàn)效能評價指標體系，能客觀準確地反映空氣炮的作戰(zhàn)效能。

2）警用非致命空氣炮評價結(jié)果為較好，反映出該裝備系統(tǒng)具有較好驅(qū)散作戰(zhàn)行動能力。同時，也反映出空氣炮裝置仍有薄弱環(huán)節(jié)，需要通過優(yōu)化升級，不斷提高作戰(zhàn)效能。

3）通過論述，反映出警用非致命空氣炮作為新型驅(qū)散裝備，具有人文、環(huán)保、經(jīng)濟的時代特征，有很好的推廣價值和發(fā)展前景。