基于AHP-FCEM的空射無人機集群作戰(zhàn)能力分析

莫宇婧，郝齊，張京亮，張翼

陸軍航空兵學院

直升機空射無人機集群作為未來集群作戰(zhàn)發(fā)展的新方向之一，在提高直升機戰(zhàn)場生存力、增強有人機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)能力等方面具有一定優(yōu)勢。本文運用層次分析法對基于直升機的空射無人機集群主要作戰(zhàn)能力進行分析比對，確定各項能力綜合指標權重，并根據(jù)重要程度對其中各因素進行排序，而后利用模糊綜合評價法對三種集群無人機機型待選方案進行評價分析，結合上述指標權重得出各方案最終評估值，由此選擇出更滿足當前任務需求、適合現(xiàn)有技術水平的無人機適配機型，為未來研究工作奠定理論基礎。

無人機集群以其多功能、低成本及快速部署等突出優(yōu)勢，以及可替代并拓展傳統(tǒng)大型多功能平臺的能力優(yōu)勢，獲得各國軍方的廣泛關注與高度重視，世界各國針對集群的相關理論及技術，相繼開展了一系列研究與試驗。當前，無人機集群的投射大多基于固定翼平臺或地基平臺，且空中投射技術成熟度仍較低，主要表現(xiàn)在：一是場地選擇及投射距離受限；二是實施高效、遠程指揮控制技術難度較大；三是集群與載機飛行速度匹配困難，無法實現(xiàn)貼近作戰(zhàn)。

當前，基于直升機平臺的空射無人機集群（下稱空射集群）研究尚未有更多成果見報。針對集群使用現(xiàn)狀，采用直升機作為空基發(fā)射平臺，空射集群在擴展作戰(zhàn)半徑、提升作戰(zhàn)機動性、提高戰(zhàn)場生存力、增強有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)能力等方面具有一定優(yōu)勢，將有可能成為未來集群作戰(zhàn)發(fā)展的新方向。

圖1 空射無人機集群在提高直升機戰(zhàn)場生存力、增強有人機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)等方面具有優(yōu)勢。

裝備的作戰(zhàn)能力分析是衡量裝備是否滿足相應作戰(zhàn)任務需求的重要環(huán)節(jié)?？罩型渡浼鹤鲬?zhàn)形式是世界各國在信息化作戰(zhàn)背景下發(fā)展無人機力量的重要趨勢，為更好地研究空射集群作戰(zhàn)效能，充分發(fā)揮其作戰(zhàn)優(yōu)勢，形成“1+1＞2”的聚力效應。本文運用層次分析法（Analytic Hierarchy Process,AHP）和模糊綜合評價法（F u z z y Comprehensive Evaluation Method,FCEM）對基于直升機平臺的空射無人機集群作戰(zhàn)能力進行分析，遴選出空射集群機型最優(yōu)適配方案，是提升我國無人機力量建設實力，促進未來空射集群發(fā)展及其作戰(zhàn)效能發(fā)揮的現(xiàn)實需求。

空射集群作戰(zhàn)能力模型構建

在直升機/空射無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)體系中，空射集群為直升機提供掩護和拓展作戰(zhàn)任務，使直升機在高效完成任務的同時，降低人員裝備風險；空射集群以直升機為載機及發(fā)射平臺，在拓展作戰(zhàn)范圍的同時，將遂行協(xié)同偵察、協(xié)同電子對抗、協(xié)同火力打擊等更加多元化的任務。因此，建立空射集群作戰(zhàn)能力指標體系，主要以其作戰(zhàn)任務為依據(jù)，結合空射集群作戰(zhàn)使用方式，最終綜合運用歸類、分解等方法對各指標間的關聯(lián)關系進行分析得出結果。在分析空射集群作戰(zhàn)能力的全過程中，單架集群無人機的作戰(zhàn)能力對直升機的影響是主要因素。

圖2 美國陸軍測試“黑鷹”直升機空射“阿爾提烏斯”-600 無人機。

作戰(zhàn)能力體系構建

通常，裝備執(zhí)行一項任務需由多個不同的作戰(zhàn)能力作為支撐，且不同任務對同一作戰(zhàn)能力的需求也不相同。根據(jù)上述遂行任務，可映射出空射集群的主要作戰(zhàn)能力為：飛行能力、空射能力和任務能力。對其進一步劃分，可細化為續(xù)航時間、實用升限、投射方式、空機重量、任務載荷能力及作戰(zhàn)半徑六個指標，如圖3所示。

圖3 基于直升機的空射集群作戰(zhàn)能力體系。

作戰(zhàn)能力相關概念

根據(jù)上述空射集群作戰(zhàn)能力體系，下面對各項組成因素進行詳細闡述。

（1）飛行能力

飛行能力是指空射集群中單機恢復氣動性能并飛抵至目標區(qū)域執(zhí)行任務的過程中，涉及的相關飛行性能是無人機執(zhí)行一切任務行動的先決條件之一，主要由續(xù)航時間和實用升限兩個指標組成。

1）續(xù)航時間

續(xù)航時間是指空射集群保持連續(xù)正常飛行的能力，是衡量其飛行能力的重要指標之一。當前，技術水平在制約無人機續(xù)航時間的提升，且集群中單機性能較弱?？丈浼鹤鲬?zhàn)半徑主要由續(xù)航時間決定，續(xù)航時間長的空射集群可充分利用留空時間，在合理消耗能源的情況下穩(wěn)定飛行，同時擴展作戰(zhàn)半徑，發(fā)揮最大優(yōu)勢實現(xiàn)遠程作戰(zhàn)和可部署性。

2）實用升限

實用升限是指空射集群維持巡航飛行的最大飛行高度，是決定無人機技戰(zhàn)術性能的基礎。擁有較高升限的空射集群可適應更復雜的地理環(huán)境，借助直升機機動飛行的高度，在降低威脅的同時快速突破敵防空體系，深入核心區(qū)域作戰(zhàn)。

（2）空射能力

空射能力是指直升機在空中發(fā)射無人機集群所涉及的相關能力，是空射集群使用的核心功能。擁有較高空射能力的無人機集群，能夠突破現(xiàn)有集群和直升機的任務能力限制，主要由投射方式和最大起飛重量兩個指標組成。

1）投射方式

投射方式是影響空射集群全面提升作戰(zhàn)效能的重要指標之一，是空射能力的核心。目前，大多數(shù)無人機的空中投射方式主要為拋灑投射、武器掛架投射、管式發(fā)射等方式。選擇不同的投射方式，在投射速度、高度及技術難度方面的要求各不相同、各有利弊，如拋灑投射及管式發(fā)射的成本和技術難度較低，武器掛架投射成本較高且一次性投射數(shù)量較少。因此，在選擇投射方式時應結合直升機載機的情況進行具體衡量。

2）最大起飛重量

最大起飛重量是指集群中單體無人機的重量，是影響無人機集群空射能力的重要因素，決定了集群執(zhí)行任務的能力。提前明確最大起飛重量可進一步根據(jù)直升機的載重情況及其它因素確定投射方式，計算出相應的投射高度、速度等相關數(shù)據(jù)，并依據(jù)執(zhí)行任務的具體情況，合理安排搭載集群無人機的數(shù)量及攜帶的任務載荷類型，形成功能搭配。

（3）任務能力

任務能力是指空射集群在遂行協(xié)同偵察、協(xié)同電子對抗、協(xié)同火力打擊等多樣化任務時，搭載不同類型任務載荷完成作戰(zhàn)任務的能力，是決定任務行動是否完成的關鍵，主要由任務載荷重量和作戰(zhàn)半徑兩個指標組成。

1）任務載荷重量

任務載荷重量是指空射集群為完成特定任務攜帶相應任務載荷的重量，任務載荷類型、數(shù)量越多，空射集群的任務能力就越強。因此，根據(jù)未來遂行任務，空射集群任務能力可為我后方人員提供相對可靠的支援保障：一是搭載多元化偵察設備對敵進行全方位、多層次的偵察，為我方提供情報支撐；二是搭載電子對抗任務載荷，對敵威脅源進行持續(xù)穩(wěn)定的干擾壓制，為我方力量開辟安全走廊；三是為單機加裝戰(zhàn)斗部，對相應重點目標實施精準打擊，吸引敵防空火力，提升打擊效能。

2）作戰(zhàn)半徑

作戰(zhàn)半徑是指空射集群遂行作戰(zhàn)任務時，在同一地點能夠往返飛行的最遠距離，集群作戰(zhàn)范圍的大小，是重要的技戰(zhàn)術性能指標之一。同時，在直升機與空射集群之間建立鏈路，確保集群的作戰(zhàn)半徑在通信鏈路有效距離之內，使集群與直升機之間、集群與集群之間進行通暢高效的信息交互、融合及處理，實現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)。

基于AHP的空射集群作戰(zhàn)能力分析

層次分析法是美國運籌學家托馬斯·L·塞蒂（T.L.Saaty）教授在上世紀70年代提出的一種系統(tǒng)分析方法。該方法適用于解決結構數(shù)據(jù)復雜的決策問題，通常分為以下幾個步驟。

（1）建立遞階層次結構

針對現(xiàn)有問題，將其分解為多個不同因素，按屬性及各因素間的相互隸屬關系將整體劃分為不同層次，最終形成遞階層次結構。

（2）構造判斷矩陣

按照劃分，將各層次的組成因素進行兩兩相比，并使用1-9標度法作為各因素相對重要程度的值，得到判斷矩陣A=(aij)n×n，其中n為組成因素的個數(shù)。對各判斷矩陣求解，最終得到權重向量，公式如下。

（3）一致性檢驗

計算各矩陣的最大特征值λmax，得到一致性指標CI，并根據(jù)隨機一致性指標RI進行一致性檢驗，公式如下。

（4）計算綜合權重

針對各層權重向量算出各個因素的綜合權重，并根據(jù)重要程度進行排序。

遞階層次結構建立

根據(jù)上述步驟，通過梳理空射集群的作戰(zhàn)能力，可將其劃分為目標層、準則層和指標層三個層次。其中，目標層為空射集群的作戰(zhàn)能力，記為A；準則層記為B，包括飛行能力B1、空射能力B2和任務能力B3；指標層記為C，包括續(xù)航時間C1、實用升限C2、投射方式C3、最大起飛重量C4、任務載荷重量C5和作戰(zhàn)半徑C6。空射集群作戰(zhàn)能力遞階層次結構如圖4所示。

圖4 空射無人機集群作戰(zhàn)能力遞階層次結構圖。

判斷矩陣構造

根據(jù)上述遞階層次結構，引入1-9的比例標度進行表述。設需要兩兩比較的元素有n個，可通過對比隸屬于同層中某個因素的第i個元素和第j個元素相互間的重要程度，得到判斷矩陣。另外，若有，則存在，1-9標度法對應值如表1所示。

表1 1-9 標度法對應表。

因此，根據(jù)相關專業(yè)人員對目標層、準則層及指標層的評估，分別對各層構造判斷矩陣，根據(jù)公式(1)至公式(6)依次求出各項因素權重及最大特征值，并進行一致性檢驗，詳見表2至表6。

表2 判斷矩陣A-B 與一致性檢驗。

表6 判斷矩陣隨機一致性指標值RI。

表3 判斷矩陣B1-C 與一致性檢驗。

表4 判斷矩陣B2-C 與一致性檢驗。

表5 判斷矩陣B3-C 與一致性檢驗。

綜合權重計算

由上述計算結果可得各因素綜合權重，即基于直升機平臺的空射無人機集群作戰(zhàn)能力A-C層綜合權重矩陣W=(0.10 5,0.035,0.241,0.049,0.428,0.142)。對上述各因素進行排序，則準則層為任務能力＞空射能力＞飛行能力，指標層為任務載荷重量＞投射方式＞作戰(zhàn)半徑＞續(xù)航時間＞最大起飛重量＞實用升限，如表7所示。

表7 各因素綜合權重。

基于FCEM的機型備選方案分析

模糊綜合評價法是一種基于模糊數(shù)學的綜合評價方法，通常用于對一些不容易定量分析的數(shù)據(jù)進行定量化評價，再根據(jù)指標權重對待選方案實施綜合評判，并基于評判所得結果進行排序，最終遴選出最優(yōu)方案。

在機載集群中，直升機作為載機至少需一次性搭載10～15架折疊式無人機。根據(jù)空射集群作戰(zhàn)能力重要程度排序，現(xiàn)有三種無人機機型方案可選。在6名業(yè)內專家建議下，采用FCEM方法建立空射集群模糊評價數(shù)學模型，由以下要素構成。

（1）評價對象因素集

（2）評判因素集

（3）單因素評價矩陣

機型備選方案及調查結果如表8至表11所示。

表8 集群無人機機型備選方案。

表11 集群無人機機型備選方案三評價表。

根據(jù)因素權重集W，結合專家打分所得因素評價矩陣R對三種方案進行綜合評價計算，可得模糊綜合評價結果B=W·R，則：

同理，可得B2=(0.34,0.58,0.80,0),B3=(0.41,0.33,0.22,0.04)，根據(jù)權重分數(shù)賦值對最終評價結果進行加權計算，得出各方案最終評估值，即：

本文利用AHP-FCEM法初步對基于直升機的空射集群作戰(zhàn)能力進行模型構建及分析評估，在三種無人機待選方案中，最終選擇以管式發(fā)射、最大起飛重量為25kg的小型無人機作為適配機型。采用該空射無人機集群方案，一方面集群本身具有更為優(yōu)良的綜合作戰(zhàn)能力，能較好滿足當前任務需求；另一方面，機型方案所采用的關鍵技術也更適合現(xiàn)有技術的發(fā)展，效費比較高。同時，現(xiàn)有分析過程仍存在部分考慮不夠深入的問題，在后續(xù)研究中，將進一步改進作戰(zhàn)能力選取覆蓋范圍，完善專家打分方法，深入考慮不同專家的權威性和專家權重的分配，采取更為科學的方法對上述問題開展進一步分析驗證，從而為后續(xù)裝備發(fā)展提供更為有效的建議和指導。

表9 集群無人機機型備選方案一評價表

表10 集群無人機機型備選方案二評價表。