基于改進(jìn)雷達(dá)圖法的偵察裝備效能評(píng)估

王念勝, 杜碧輝, 彭維仕, 李 宸,4, 王曉云

(1.武警工程大學(xué)裝備管理與保障學(xué)院, 西安, 710086； 2.武警陜西省總隊(duì)漢中支隊(duì), 陜西漢中, 723000；3.武警陜西省總隊(duì)參謀部情報(bào)處, 西安, 710054；4.武警內(nèi)蒙古自治區(qū)總隊(duì)機(jī)動(dòng)支隊(duì), 呼和浩特, 010050； 5.武警北京總隊(duì)執(zhí)勤第四支隊(duì), 北京, 100000)

偵察裝備是部隊(duì)獲取情報(bào)資源的重要手段，如何評(píng)估偵察裝備的效能，成為軍事領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。

目前，研究偵察裝備效能評(píng)估的方法主要有：灰色理論法、模糊層次分析法、FAHP法、ADC法、灰色云模型法、德爾菲法。文獻(xiàn)[1]針對(duì)偵察裝備系統(tǒng)性能參數(shù)的不確定性，把灰色理論與層次分析法相結(jié)合，運(yùn)用灰色層次分析綜合評(píng)估模型，對(duì)偵察系統(tǒng)的效能進(jìn)行評(píng)估；文獻(xiàn)[2]根據(jù)激光偵察裝備的工作原理,用系統(tǒng)分析的方法,對(duì)系統(tǒng)的可用度向量、可信度矩陣和能力向量進(jìn)行建模,定量評(píng)價(jià)激光偵察裝備綜合系統(tǒng)效能；文獻(xiàn)[3～4]運(yùn)用了模糊綜合評(píng)判法(FAHP)、ADC法和云模型求解法對(duì)預(yù)警機(jī)的偵察效能進(jìn)行評(píng)估；文獻(xiàn)[5]在建立偵察裝備評(píng)估體系的基礎(chǔ)上，利用德爾菲法來確定體系各指標(biāo)的權(quán)重比例，再利用模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算最終的評(píng)估結(jié)果，提出一種基于德爾菲法和模糊綜合評(píng)價(jià)法的偵察裝備運(yùn)用效能評(píng)估方法。綜上可見：層次分析法、模糊綜合評(píng)判法、云模型求解法和德爾菲法均不能直觀的反映偵察裝備總體的效能；文獻(xiàn)[6]提出的雷達(dá)圖扇形面積雖然能解決因指標(biāo)排序不一致導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果不唯一的問題，但是扇形面積構(gòu)成的雷達(dá)圖無法直觀的區(qū)分系統(tǒng)總效能的優(yōu)劣。

為了解決雷達(dá)圖因指標(biāo)排序不一致導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果不唯一的問題，本文提出一種改進(jìn)雷達(dá)圖法，并對(duì)部隊(duì)偵察裝備的效能進(jìn)行評(píng)估。首先，根據(jù)部隊(duì)現(xiàn)役偵察裝備的特點(diǎn)以及在使用過程中發(fā)揮的效能，建立偵察裝備效能評(píng)估指標(biāo)體系；進(jìn)一步，基于線性尺度變換法對(duì)上述偵察裝備效能指標(biāo)進(jìn)行歸一化。其次，利用指數(shù)標(biāo)度法確定偵察裝備效能評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重，以解決其他權(quán)重標(biāo)度法權(quán)重計(jì)算不準(zhǔn)確的問題。然后，基于改進(jìn)雷達(dá)圖法評(píng)估部隊(duì)偵察裝備的效能，以解決評(píng)估指標(biāo)順序不一致導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果不唯一的問題。最后，通過實(shí)例驗(yàn)證所提評(píng)估模型的正確性和合理性。

1 建立偵察裝備效能評(píng)估指標(biāo)體系

1.1 基于性能的偵察裝備效能評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建

以偵察裝備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其技、戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)為依據(jù)，從偵察裝備的產(chǎn)品性能與任務(wù)方向分析其效能，得到偵察裝備效能評(píng)估指標(biāo)體系，見圖1。

圖1 部隊(duì)偵察裝備效能評(píng)估指標(biāo)體系

進(jìn)一步，可將上述指標(biāo)分成兩大類，效益型指標(biāo)vxg和成本型指標(biāo)vcg,如表1所示。

表1 偵察裝備效能評(píng)估指標(biāo)分類

1.2 基于線性尺度變換的偵察裝備效能評(píng)估指標(biāo)歸一化

假設(shè)有m個(gè)待評(píng)偵察裝備E1,E2,…,Em，n個(gè)評(píng)估指標(biāo)Y1,Y，…,Yn，令指標(biāo)的原始矩陣為：

(1)

為了方便，采用線性尺度變換法進(jìn)行規(guī)范化，對(duì)于效益型指標(biāo)有：

(2)

同理，對(duì)于成本型指標(biāo)有：

(3)

(4)

2 偵察裝備效能評(píng)估指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

2.1 基于指數(shù)標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣

由文獻(xiàn)[7]可知：指數(shù)標(biāo)度法與1～9標(biāo)度法相比，能夠真正反映思維一致性程度，精確度更高。因此，我們采用指數(shù)標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣：

(5)

式中:a為常數(shù),cpq表示Yp對(duì)于Yq的相對(duì)重要性。

2.2 求解判斷矩陣最大特征值

1)對(duì)式(5)中矩陣的列求和：

(6)

2)對(duì)tq進(jìn)行歸一化：

(7)

得指標(biāo)權(quán)重向量：

(8)

3)計(jì)算矩陣C的最大特征值λmax：

(9)

dkk由下式計(jì)算得到：

(10)

2.3 進(jìn)行一致性檢驗(yàn)

對(duì)判斷矩陣C進(jìn)行一致性檢驗(yàn)(RC)，即：

(11)

當(dāng)RC<0.1，認(rèn)為C的一致性可以接受，否則，要對(duì)常數(shù)a進(jìn)行調(diào)整。

3 基于改進(jìn)雷達(dá)圖法評(píng)估偵察裝備效能

3.1 繪制偵察裝備雷達(dá)圖

根據(jù)式(4)和式(8)可得偵察裝備效能評(píng)估指標(biāo)的歸一化值和權(quán)重，則按照以下步驟繪制偵察裝備的雷達(dá)圖。

Setp1以O(shè)為圓心，繪圓。根據(jù)評(píng)估指標(biāo)的數(shù)量，用數(shù)軸將圓分為n份，每份的夾角為αij=2πg(shù)j，gj表示第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值，則該夾角的大小可反應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重。

Setp3用直線連接各個(gè)相鄰指標(biāo)，得到不規(guī)則多邊形，即為偵察裝備效能評(píng)估雷達(dá)圖，如圖2所示。

圖2 某款偵察裝備效能評(píng)估雷達(dá)圖

3.2 偵察裝備雷達(dá)圖特征提取

傳統(tǒng)的雷達(dá)圖因指標(biāo)的排列順序不同，構(gòu)成的雷達(dá)圖也不同。因此，我們對(duì)m款偵察裝備第i個(gè)待評(píng)裝備的n個(gè)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行全排列，全排列矩陣為：

(12)

(13)

(14)

(15)

根據(jù)式(15)進(jìn)一步可得雷達(dá)圖偏心率，即：重心G與圓心O的距離，

(16)

(17)

(18)

(19)

3.3 構(gòu)造偵察裝備系統(tǒng)總體效能評(píng)價(jià)模型

綜合考慮偵察裝備各單項(xiàng)指標(biāo)效能的總和以及各單項(xiàng)指標(biāo)的均衡程度，構(gòu)造系統(tǒng)總體效能評(píng)價(jià)模型如下：

(20)

上述問題也就轉(zhuǎn)化成了一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化的問題，多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)的方法有很多，本文采用加權(quán)法和加權(quán)乘積法。

利用加權(quán)法可得：

(21)

式中：ω1、ω2、ω3為對(duì)應(yīng)的權(quán)重，滿足ω1+ω2+ω3=1，一般由評(píng)估者根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定。式(22)表示各單項(xiàng)指標(biāo)的均衡程度，該數(shù)值越大，表示裝備的各單項(xiàng)指標(biāo)越均衡。

(22)

同理，利用幾何平均法可得：

(23)

因此，本文利用式(21)和式(23)評(píng)估偵察裝備的總體效能。

4 實(shí)例驗(yàn)證

本文分別選取三型常用的偵察裝備：A型軟管窺鏡、B型軟管窺鏡、C型軟管窺鏡，其中三型偵察裝備的技術(shù)指標(biāo)見表2。

根據(jù)式(2)和式(3)，對(duì)表2中的數(shù)值進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果見表3。

表2 三型偵察裝備的技術(shù)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)

表3 三型偵察裝備三級(jí)指標(biāo)規(guī)范化值

為了解決Matlab軟件計(jì)算矩陣發(fā)生數(shù)據(jù)爆炸的問題，我們按照式(24)計(jì)算二級(jí)指標(biāo)的數(shù)值見表4。

表4 三型偵察裝備的二級(jí)指標(biāo)數(shù)值

(24)

根據(jù)式(25)對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理見表5。

表5 三型偵察裝備的二級(jí)指標(biāo)規(guī)范化值

(25)

根據(jù)表5繪制三型偵察裝備雷達(dá)圖及指標(biāo)全排列的雷達(dá)圖。見圖3～圖6。

圖3 三型偵察裝備(軟管窺鏡)雷達(dá)圖

圖4 A型軟管窺鏡指標(biāo)全排列的雷達(dá)圖

圖5 B型軟管窺鏡指標(biāo)全排列的雷達(dá)圖

圖6 C型軟管窺鏡指標(biāo)全排列的雷達(dá)圖

為評(píng)估三型偵察裝備的總體效能，將表5中的數(shù)據(jù)代入式(17)，計(jì)算各雷達(dá)圖的平均面積，可得：

(26)

由此可見：

即三型偵察裝備各單項(xiàng)指標(biāo)的效能總和：

A型>B型>C型

同理，為評(píng)估三型偵察裝備各單項(xiàng)指標(biāo)的均衡程度，將表5中的數(shù)據(jù)代入式(18)和(19)，計(jì)算各雷達(dá)圖的平均周長(zhǎng)和平均偏心率，可得：

(27)

其中，

(28)

如圖7所示：A型軟管窺鏡指標(biāo)全排列的雷達(dá)圖重心分布比較集中，“o”為各雷達(dá)圖的重心，“*”為所有雷達(dá)圖的平均重心。

圖7 A型軟管窺鏡雷達(dá)圖重心分布圖

(29)

其中，

(30)

如圖8所示，B型軟管窺鏡指標(biāo)全排列的雷達(dá)圖重心分布相對(duì)集中，“o”為各雷達(dá)圖的重心，“*”為所有雷達(dá)圖的平均重心。

圖8 B型軟管窺鏡雷達(dá)圖重心分布圖

(31)

其中，

(32)

如圖9所示，C型軟管窺鏡指標(biāo)全排列的雷達(dá)圖重心分布比較分散，“o”為各雷達(dá)圖的重心，“*”為所有雷達(dá)圖的平均重心。

圖9 C型軟管窺鏡雷達(dá)圖重心分布圖

從上述圖7～圖9可以很直觀的看到A型軟管窺鏡雷達(dá)圖重心的離散程度最小,并且沒有太多的異常值，C型軟管窺鏡雷達(dá)圖重心的離散程度最大,并且異常值也較多。

由式(22)數(shù)據(jù)分析可得：

(33)

即三型偵察裝備各單項(xiàng)指標(biāo)的均衡程度：

A型>B型>C型

進(jìn)一步將式(26)、(27)、(29)、(31)代入式(23)計(jì)算三型偵察裝備的總體效能可得：

(34)

當(dāng)然，如果取ω1=ω2=ω3=1/3時(shí)，將式(26)、(27)、(29)、(31)代入式(21)可得：

(35)

因此，綜合分析式(34)和式(35)，可得：

(36)

即：

A型>B型>C型

(37)

其中X>Y表示系統(tǒng)X的系統(tǒng)綜合效能優(yōu)于系統(tǒng)Y的系統(tǒng)綜合效能。

由式(37)可知，A型軟管窺鏡的系統(tǒng)綜合效能最好。進(jìn)一步可得部隊(duì)在利用軟管窺鏡執(zhí)行反恐偵察任務(wù)時(shí)，目標(biāo)情報(bào)獲取能力、情報(bào)信息處理能力、情報(bào)信息傳輸能力是該裝備效能發(fā)揮的主要因素。因此，提高軟管窺鏡的偵察效能需要從以下三方面入手：

1)提高裝備的目標(biāo)探測(cè)距離，尤其是夜間紅外探測(cè)距離。

2)提高前端的傳感器配置，尤其是提高攝像頭像素和圖像采集分辨率。

3)提高偵察裝備的傳輸性能，例如加載5G和微波傳輸功能，進(jìn)一步提高裝備的通信組網(wǎng)能力。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于改進(jìn)雷達(dá)圖法的部隊(duì)偵察裝備效能評(píng)估方法。

1)從目標(biāo)情報(bào)獲取能力、情報(bào)信息處理能力、情報(bào)信息傳輸能力、環(huán)境生存能力、綜合保障能力5個(gè)方面建立了部隊(duì)偵察裝備效能評(píng)估的指標(biāo)體系，進(jìn)一步利用線性尺度變換法對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行了歸一化，為后續(xù)計(jì)算部隊(duì)偵察裝備效能評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重提供指標(biāo)數(shù)據(jù)。

2)提出基于指數(shù)標(biāo)度法的部隊(duì)偵察裝備效能評(píng)估指標(biāo)權(quán)重計(jì)算方法，解決了其他標(biāo)度法權(quán)重計(jì)算不準(zhǔn)確的問題。

3)通過提取雷達(dá)圖的平均面積、平均周長(zhǎng)和平均偏心率特征，構(gòu)建部隊(duì)偵察裝備效能評(píng)估模型，解決了評(píng)估指標(biāo)順序不一致導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果不唯一的問題。