基于灰色關(guān)聯(lián)分析的無人機(jī)集群作戰(zhàn)能力需求分析

贠棟棟，李五洲

陸軍航空兵學(xué)院

作戰(zhàn)能力需求分析是裝備需求論證的核心環(huán)節(jié)，也是影響裝備質(zhì)量發(fā)展的重要因素。本文采用基于灰色關(guān)聯(lián)分析的方法對無人機(jī)集群系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力需求展開分析，并對無人機(jī)集群系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的重要程度進(jìn)行排序，進(jìn)而為作戰(zhàn)能力需求分析提供可靠的參考依據(jù)。

軍事斗爭形態(tài)對無人機(jī)集群作戰(zhàn)能力提出了更高要求，無人機(jī)集群的作戰(zhàn)任務(wù)正從戰(zhàn)場偵察、通信中繼等支援任務(wù)向察打一體、攻擊等任務(wù)擴(kuò)展。由近年爆發(fā)的幾次局部沖突可知，雖然當(dāng)前無人機(jī)集群尚未達(dá)到高度自主協(xié)同的智能化水平，但在實戰(zhàn)中卻展現(xiàn)出較高的效費(fèi)比和作戰(zhàn)效能。

無人機(jī)集群任務(wù)需求分析

任務(wù)需求是裝備作戰(zhàn)能力的具體表現(xiàn)形式，也是作戰(zhàn)能力需求分析的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。無人機(jī)集群系統(tǒng)的任務(wù)需求是指，為滿足軍事斗爭的需要，無人機(jī)集群系統(tǒng)在作戰(zhàn)中所應(yīng)擔(dān)負(fù)的任務(wù)類型，以及完成作戰(zhàn)任務(wù)所應(yīng)達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)要求。本文從作戰(zhàn)運(yùn)用入手并結(jié)合相關(guān)軍事理論，闡述無人機(jī)集群系統(tǒng)的任務(wù)需求。

無人機(jī)集群作戰(zhàn)運(yùn)用

無人機(jī)集群可由不同機(jī)型的無人機(jī)組成異構(gòu)無人機(jī)集群，也可由相同機(jī)型的無人機(jī)搭載不同功能的任務(wù)載荷組成同構(gòu)無人機(jī)集群。本節(jié)結(jié)合近年的實戰(zhàn)案例和國內(nèi)外無人機(jī)集群項目的研究成果，分析無人機(jī)集群在當(dāng)今信息化、智能化戰(zhàn)爭中的運(yùn)用方式。

1.戰(zhàn)場偵察

相比衛(wèi)星偵察，無人機(jī)集群偵察具有時效性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高等優(yōu)勢，集群內(nèi)的單機(jī)可掛裝可見光照相機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)或微光攝影機(jī)、紅外熱成像儀、雷達(dá)等不同任務(wù)載荷，協(xié)同對敵方主要部署和重點目標(biāo)實施全方位偵察，完成偵察、監(jiān)視和預(yù)警任務(wù)。

2.通信中繼

無人機(jī)集群加裝“機(jī)載通信節(jié)點”等通信中繼設(shè)備，建立強(qiáng)大的冗余通信中繼鏈路，提高裝備的生存能力。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的單個節(jié)點遭到攻擊后，其他節(jié)點能夠快速替補(bǔ)無法工作的通信節(jié)點，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的通信功能。通信中繼無人機(jī)集群可執(zhí)行復(fù)雜地形條件下指揮控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信、攻擊性武器制導(dǎo)信號傳輸?shù)热蝿?wù)。

3.電子干擾

無人機(jī)集群采取佯動戰(zhàn)術(shù)，充當(dāng)誘餌，攜帶電子干擾設(shè)備模擬不同型號、數(shù)量的戰(zhàn)機(jī)，形成虛假戰(zhàn)場目標(biāo)，誘騙敵預(yù)警雷達(dá)或其他防空探測設(shè)備開機(jī)，以截獲雷達(dá)頻率，發(fā)現(xiàn)敵方陣地，反輻射武器進(jìn)而獲得打擊機(jī)會。同時，電子干擾設(shè)備也可直接對敵方無線通信和電子系統(tǒng)進(jìn)行有源干擾，或者集群無人機(jī)直接攜帶箔條、金屬干擾絲等誘餌對敵實施無源干擾。

4.有人-無人協(xié)同作戰(zhàn)

無人機(jī)集群在前攻擊，有人機(jī)在后指揮控制，無人機(jī)集群與有人機(jī)協(xié)同完成作戰(zhàn)任務(wù)，可降低作戰(zhàn)成本和風(fēng)險。集群無人機(jī)可作為有人機(jī)的僚機(jī)，憑借機(jī)動性高、智能化協(xié)同控制能力強(qiáng)等優(yōu)勢，執(zhí)行協(xié)同突擊、火力打擊等任務(wù)，保障有人機(jī)和飛行員的安全。

5.物資運(yùn)送

相比于有人機(jī)或地面車輛運(yùn)送物資，無人機(jī)集群在高危戰(zhàn)場環(huán)境中運(yùn)送物資和補(bǔ)給，安全程度更高，時效性更強(qiáng)。根據(jù)物資的數(shù)量和重量，作戰(zhàn)單元可適當(dāng)擴(kuò)大或減小無人機(jī)集群的規(guī)模，實現(xiàn)靈活、高效、精準(zhǔn)的戰(zhàn)場運(yùn)送保障能力。

6.集群攻擊

根據(jù)任務(wù)需要，集目標(biāo)偵察、情報處理和火力打擊等功能于一體的無人機(jī)集群，深入敵方縱深，對關(guān)鍵目標(biāo)或高危目標(biāo)實施多角度、多方式、多波次的集群攻擊。集群攻擊是無人機(jī)集群的高級運(yùn)用方式，要求無人機(jī)集群具備高度自主協(xié)同能力，體現(xiàn)了智能化集群技術(shù)在實戰(zhàn)中的應(yīng)用。

任務(wù)需求描述

通過分析無人機(jī)集群系統(tǒng)的戰(zhàn)場應(yīng)用，結(jié)合作戰(zhàn)概念及作戰(zhàn)行動的定義，本文將無人機(jī)集群的任務(wù)需求描述為：為有效履行新時期軍隊歷史使命，無人機(jī)集群在作戰(zhàn)行動中遂行戰(zhàn)場偵察、通信中繼、電子對抗、目標(biāo)打擊、物資運(yùn)送等任務(wù)，也可與有人直升機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)，完成協(xié)同突擊、集群攻擊等任務(wù)，具體表述詳見表1。

表1 無人機(jī)集群系統(tǒng)的任務(wù)需求。

無人機(jī)集群作戰(zhàn)能力指標(biāo)體系分析

本節(jié)分析作戰(zhàn)任務(wù)與作戰(zhàn)能力的關(guān)聯(lián)程度，對無人機(jī)集群系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力進(jìn)行分類解析，進(jìn)而完成作戰(zhàn)能力指標(biāo)體系構(gòu)建。

作戰(zhàn)任務(wù)與作戰(zhàn)能力的關(guān)聯(lián)程度

根據(jù)無人機(jī)集群系統(tǒng)的功能和組成，無人機(jī)集群作戰(zhàn)能力可分為單機(jī)能力、群體協(xié)同能力和系統(tǒng)通用能力三種類別。其中，單機(jī)能力是指集群內(nèi)單架無人機(jī)所具備的能力，主要包括基本能力，以及生存、數(shù)據(jù)通信、戰(zhàn)場偵察、電子對抗、目標(biāo)打擊等專項能力；群體協(xié)同能力是無人機(jī)集群系統(tǒng)的特性，也是其作戰(zhàn)能力的核心指標(biāo)，反映了群體之間相互配合、協(xié)同感知、判斷、決策和行動的整體能力，是支撐無人機(jī)群體智能涌現(xiàn)的要素集合，反映了群體能力大于單體簡單疊加的能力，主要包括態(tài)勢感知、判斷、決策、通信、協(xié)同控制等能力；系統(tǒng)通用能力是指無人機(jī)集群系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、維修性、保障性、安全性等特性應(yīng)達(dá)到的要求，除不同作戰(zhàn)行動對環(huán)境適應(yīng)性的要求有所不同外，各類作戰(zhàn)行動對可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性等特性的要求一般差別不大。

由于作戰(zhàn)任務(wù)與作戰(zhàn)能力并非一一對應(yīng)，同一作戰(zhàn)任務(wù)可能須要多種作戰(zhàn)能力的支持，且支持程度不同。因此，標(biāo)志性能力（A）、關(guān)鍵性能力（B）、一般性能力（C）和無關(guān)性能力（O）可描述作戰(zhàn)能力對作戰(zhàn)任務(wù)的支持程度。無人機(jī)集群系統(tǒng)作戰(zhàn)任務(wù)與作戰(zhàn)能力的關(guān)聯(lián)程度如表2所述。

表2 無人機(jī)集群系統(tǒng)作戰(zhàn)任務(wù)與作戰(zhàn)能力的關(guān)聯(lián)程度。

作戰(zhàn)能力指標(biāo)體系構(gòu)建

裝備作戰(zhàn)能力指標(biāo)體系必須全面、系統(tǒng)地反映裝備作戰(zhàn)能力的所有要素。因此，體系構(gòu)建過程一定要遵循系統(tǒng)性、科學(xué)性、導(dǎo)向性以及定性與定量相結(jié)合的原則。

單機(jī)能力、群體協(xié)同能力、系統(tǒng)通用能力可定性為無人機(jī)集群系統(tǒng)的一級能力。根據(jù)一級能力的功能與特點，單機(jī)能力可分解為基本能力、生存能力等六種二級能力；群體協(xié)同能力分解為態(tài)勢感知、判斷決策等四種二級能力；系統(tǒng)通用能力可直接定性為二級能力，并可分解為環(huán)境適應(yīng)性、可靠性等六種特性；而后，上述二級能力進(jìn)一步分解為若干三級能力。由此構(gòu)建無人機(jī)集群系統(tǒng)作戰(zhàn)能力指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 無人機(jī)集群系統(tǒng)作戰(zhàn)能力指標(biāo)體系架構(gòu)圖。

作戰(zhàn)能力需求重要度分析

裝備作戰(zhàn)能力需求的重要度分析是指結(jié)合專家和任務(wù)分隊指揮員的建議及客戶需求，對裝備作戰(zhàn)能力需求的重要程度進(jìn)行量化排序。作戰(zhàn)能力重要度分析可為裝備作戰(zhàn)能力需求分析提供重要的參考依據(jù)。本文采用基于灰色關(guān)聯(lián)分析的質(zhì)量功能配置（Quatity Function Deployment，QFD）方法，簡稱GQFD(Grey QFD)法，對無人機(jī)集群系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的重要度進(jìn)行排序。

GQFD法是國內(nèi)相關(guān)研究團(tuán)隊結(jié)合灰色系統(tǒng)理論，對傳統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量功能配置方法（QFD方法）進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。針對QFD方法確定顧客需求的重要度存在主觀性強(qiáng)、準(zhǔn)確性差的缺點，GQFD法利用灰色關(guān)聯(lián)分析，并根據(jù)作戰(zhàn)行動序列與作戰(zhàn)能力序列的灰色關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果，構(gòu)建灰色關(guān)聯(lián)矩陣，然后利用優(yōu)勢分析得到作戰(zhàn)行動需求的重要度，建立QFD質(zhì)量屋，計算出裝備作戰(zhàn)能力需求的重要度，最后對重要度進(jìn)行排序。全過程對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以作戰(zhàn)行動需求為牽引，定性分析轉(zhuǎn)為定量分析，較好地排除人為因素的影響，結(jié)果更加客觀、精確，提高了整體可信度?；贕QFD法的分析過程詳見圖2。

圖2 基于GQFD法的分析流程圖。

任務(wù)需求和能力需求確定

根據(jù)無人機(jī)集群系統(tǒng)作戰(zhàn)任務(wù)需求和作戰(zhàn)能力需求分析，本文構(gòu)建的無人機(jī)集群系統(tǒng)作戰(zhàn)任務(wù)需求序列為：

Xi={xi(1),xi(2),…,xi(n),i =1,2,…,5}

作戰(zhàn)能力需求序列為：

Yj={yj(1),yj(2),…,yj(n),j=1,2,…,11}

作戰(zhàn)任務(wù)需求及作戰(zhàn)能力需求的分類如表3所述。

表3 無人機(jī)集群系統(tǒng)作戰(zhàn)任務(wù)需求及作戰(zhàn)能力需求分類表。

基于GQFD法的需求分析

本案例邀請16名專家和任務(wù)分隊指揮員，按照無人機(jī)集群系統(tǒng)的5項作戰(zhàn)任務(wù)需求及11項作戰(zhàn)能力需求的重要程度，采用1 ～9級標(biāo)度法對任務(wù)需求和作戰(zhàn)能力需求進(jìn)行打分，分值1～9依次代表重要度等級，其中1為不重要，9為非常重要。具體分值統(tǒng)計如表4所述。

表4 無人機(jī)集群系統(tǒng)作戰(zhàn)任務(wù)需求及作戰(zhàn)能力需求評分統(tǒng)計表。

表4中的數(shù)據(jù)經(jīng)整理可得：

用εij、γij、ρij分別表示任務(wù)需求序列Xi與作戰(zhàn)能力需求序列Yj的灰色絕對關(guān)聯(lián)度、 灰色相對關(guān)聯(lián)度以及灰色綜合關(guān)聯(lián)度，計算公式如下所述。

1.灰色絕對關(guān)聯(lián)度計算

由式(1)～(9)可計算出無人機(jī)集群系統(tǒng)任務(wù)需求與作戰(zhàn)能力需求的灰色綜合關(guān)聯(lián)矩陣：

4.作戰(zhàn)任務(wù)需求重要度的絕對權(quán)值計算

5.作戰(zhàn)能力需求的重要度計算

本節(jié)構(gòu)建作戰(zhàn)能力需求的質(zhì)量屋，將Xi的絕對權(quán)值λi及灰色綜合關(guān)聯(lián)矩陣Ψ代入質(zhì)量屋，而后按照傳統(tǒng)QFD法進(jìn)行質(zhì)量功能展開，得到無人機(jī)集群系統(tǒng)作戰(zhàn)能力需求Yi的重要度及排序關(guān)系，詳見表5。

由 表5可知，Y8＞Y2＞Y3=Y4＞Y5＞Y9＞Y10＞Y6＞Y7＞Y11＞Y1，說明無人機(jī)集群系統(tǒng)作戰(zhàn)能力需求的重要程度依次為判斷決策能力、生存能力、數(shù)據(jù)通信能力、目標(biāo)偵察能力、電子對抗能力、通信中繼能力、協(xié)同控制能力、目標(biāo)打擊能力、態(tài)勢感知能力、通用能力、基本能力。

表5 無人機(jī)集群系統(tǒng)作戰(zhàn)能力需求的重要度及其排序表。

本節(jié)構(gòu)建作戰(zhàn)任務(wù)需求與作戰(zhàn)能力需求的質(zhì)量屋，對作戰(zhàn)能力需求的重要程度進(jìn)行排序，完成了無人機(jī)集群系統(tǒng)作戰(zhàn)任務(wù)需求與作戰(zhàn)能力需求關(guān)聯(lián)程度的定性分析及定量描述，為無人機(jī)集群系統(tǒng)作戰(zhàn)能力需求分析提供可靠的參考依據(jù)。

總結(jié)

本文采用基于灰色關(guān)聯(lián)分析的質(zhì)量功能配置方法對無人機(jī)集群系統(tǒng)作戰(zhàn)能力需求進(jìn)行分析，在一定程度上克服了傳統(tǒng)QFD方法存在的主觀性強(qiáng)、準(zhǔn)確性差的缺陷。本文僅對無人機(jī)集群系統(tǒng)作戰(zhàn)能力需求的部分內(nèi)容和分析流程進(jìn)行簡要闡述，涉及任務(wù)需求分析、作戰(zhàn)任務(wù)與作戰(zhàn)能力的關(guān)聯(lián)程度分析、作戰(zhàn)能力指標(biāo)體系構(gòu)建等內(nèi)容，仍須要利用大量文獻(xiàn)資料和試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究，以全面客觀地滿足裝備作戰(zhàn)能力需求分析的實踐要求。