無(wú)人機(jī)集群協(xié)同偵察任務(wù)效能評(píng)估方法研究*

齊智敏 張海林 楊鵬飛

（軍事科學(xué)院戰(zhàn)略評(píng)估咨詢中心 北京 100091）

1 引言

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、腦科學(xué)等新興技術(shù)的發(fā)展，智能化戰(zhàn)爭(zhēng)概念和無(wú)人化作戰(zhàn)理念不斷深化，戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)正悄然發(fā)生改變。智能無(wú)人系統(tǒng)不再只是單純的作戰(zhàn)工具，而成為具備自主能力的戰(zhàn)爭(zhēng)主體，將在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。由大量較低成本、功能單一的無(wú)人機(jī)構(gòu)建成高效協(xié)作、自組織、穩(wěn)定的分布式作戰(zhàn)集群，能夠克服單一無(wú)人機(jī)的能力缺陷，有效提高無(wú)人機(jī)的生存能力，豐富無(wú)人機(jī)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法，成為各國(guó)研究無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)運(yùn)用的主要樣式。世界各國(guó)從無(wú)人機(jī)集群裝備研發(fā)、自主組網(wǎng)、集體決策、分布式感知、可靠與彈性通信、分布式計(jì)算與分析等方面，開(kāi)展了大量研發(fā)工作。如美國(guó)通過(guò)國(guó)防高級(jí)研究局（DARPA）等機(jī)構(gòu)相繼展開(kāi)了系列無(wú)人機(jī)集群項(xiàng)目，包括小精靈Gremlins、拒止環(huán)境中的協(xié)同作戰(zhàn)CODE、山鶉Perdix、低成本無(wú)人機(jī)集群技術(shù)LOCUST等［1］。

相對(duì)于無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)相關(guān)裝備與理論的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)集群效能評(píng)估方面的研究相對(duì)滯后。關(guān)于無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)效能方面的研究主要有：文獻(xiàn)［2］使用DoDAF 從體系高度構(gòu)建了無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)指標(biāo)體系，將能力指標(biāo)分為量綱指標(biāo)和概率指標(biāo)，運(yùn)用ADC 法計(jì)算了效能值。文獻(xiàn)［3］定義了效能影響因子模型，得出了攜帶不同任務(wù)載荷無(wú)人機(jī)群的協(xié)同作戰(zhàn)效能計(jì)算模型，并給出了基于啟發(fā)式整數(shù)規(guī)劃的模型求解方法。文獻(xiàn)［4］在ADC 法基礎(chǔ)上加入了作戰(zhàn)保障能力系數(shù)，并采用了定量加定性的評(píng)估方法。文獻(xiàn)［5］運(yùn)用協(xié)同系統(tǒng)綜合指數(shù)模型，形成了一種面向典型任務(wù)的有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同效能評(píng)估方法。

準(zhǔn)確的效能評(píng)估方法和結(jié)論能夠?yàn)闊o(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)理論研究提供支撐，是開(kāi)展各項(xiàng)無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)研究的基礎(chǔ)。論文借鑒武器裝備關(guān)鍵作戰(zhàn)問(wèn)題（COI）效能評(píng)估方法［6］，建立了智能無(wú)人機(jī)集群“作戰(zhàn)任務(wù)-預(yù)期效果-智能無(wú)人機(jī)群能力屬性-智能無(wú)人機(jī)群效能指標(biāo)”映射關(guān)系，探索了一種基于預(yù)期目標(biāo)的智能無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)任務(wù)效能評(píng)估方法。

2 指標(biāo)體系構(gòu)建

本文從無(wú)人機(jī)集群執(zhí)行偵察任務(wù)所需運(yùn)用的基本能力出發(fā)，細(xì)化分解形成能力要素，構(gòu)建了評(píng)估指標(biāo)體系［7～9］。指標(biāo)體系共分為三層：綜合能力層、基礎(chǔ)能力層和要素層。綜合能力層主要分為平臺(tái)基本能力和集群協(xié)同能力兩部分。平臺(tái)基本能力是指單無(wú)人平臺(tái)根據(jù)其性能配置，所具備的獨(dú)立遂行任務(wù)的能力。集群協(xié)同能力，是指多平臺(tái)之間自主協(xié)同，涌現(xiàn)產(chǎn)生的組合能力?；A(chǔ)能力層是指形成綜合能力所需的各分項(xiàng)能力，將平臺(tái)能力劃分為基本性能、環(huán)境適應(yīng)能力、數(shù)據(jù)通信能力、生存能力和偵察能力。要素層，是基本能力細(xì)化分解的可量化的基本構(gòu)成要素。如圖1所示。

圖1 智能無(wú)人機(jī)集群偵察任務(wù)效能評(píng)估指標(biāo)體系

3 評(píng)估方法研究

無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)任務(wù)效能與集群組成、載荷配置、協(xié)同水平等因素緊密相關(guān)。借鑒武器裝備關(guān)鍵作戰(zhàn)問(wèn)題（COI）效能評(píng)估方法，研究提出智能無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)任務(wù)效能評(píng)估分解模型。

智能無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)任務(wù)效能評(píng)估方法用于建立智能無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)要素指標(biāo)與其完成作戰(zhàn)任務(wù)的效能之間的關(guān)系，評(píng)估智能無(wú)人機(jī)群完成作戰(zhàn)任務(wù)、達(dá)到預(yù)期效果的水平。智能無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)任務(wù)效能評(píng)估分解模型從無(wú)人集群的作戰(zhàn)任務(wù)出發(fā)，層層分解最終落實(shí)到智能無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)，然后從評(píng)估指標(biāo)結(jié)果自下而上評(píng)估其作戰(zhàn)任務(wù)效能，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)任務(wù)完成程度到智能無(wú)人機(jī)群體作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)的映射和追溯，分解關(guān)系可分為任務(wù)層、屬性層、指標(biāo)層三個(gè)層級(jí)。模型框架如圖2所示。

圖2 評(píng)估模型框架

主要步驟如下：

1）從無(wú)人機(jī)的作戰(zhàn)任務(wù)出發(fā)，通過(guò)作戰(zhàn)任務(wù)分析，對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行層層分解，提出完成作戰(zhàn)任務(wù)的關(guān)鍵作戰(zhàn)問(wèn)題，形成任務(wù)目標(biāo)。

2）梳理完成作戰(zhàn)任務(wù)的預(yù)期效果，從實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)目標(biāo)需達(dá)到的預(yù)期效果、達(dá)到預(yù)期效果需要無(wú)人機(jī)集群具備的能力屬性、衡量能力屬性需要哪些具體指標(biāo)等角度，逐層將作戰(zhàn)任務(wù)能力分解到智能無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)效能評(píng)估各級(jí)指標(biāo)體系各指標(biāo)項(xiàng)中。

3）建立“作戰(zhàn)任務(wù)-預(yù)期效果-智能無(wú)人機(jī)集群能力屬性-智能無(wú)人機(jī)集群效能指標(biāo)”的各級(jí)映射關(guān)系，并從評(píng)估結(jié)果聚合形成智能無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)任務(wù)效能評(píng)估結(jié)論。

智能無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)任務(wù)效能分解過(guò)程如圖3所示［10］。

圖3 作戰(zhàn)任務(wù)分解過(guò)程

圖中可以看出作戰(zhàn)任務(wù)分解到智能無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)的基本原理，并建立了分解映射矩陣。即“作戰(zhàn)任務(wù)-期望效果”分解映射矩陣為?！捌谕Ч?能力屬性”分解映射矩陣為?！澳芰傩?效能指標(biāo)”分解映射矩陣為。各映射矩陣滿足如下條件：

式中，ws，wx，wz分別表示分解映射權(quán)重。以“作戰(zhàn)任務(wù)-期望效果”分解映射矩陣為例，式（1）表明當(dāng)期望效果與偵察任務(wù)完全不相關(guān)時(shí)，權(quán)重均為0，當(dāng)期望效果與作戰(zhàn)任務(wù)相關(guān)時(shí)，需根據(jù)相關(guān)的期望效果的數(shù)量分配相應(yīng)的相關(guān)度權(quán)重。評(píng)估中，建議采取專家評(píng)價(jià)法確定指標(biāo)及權(quán)重值。

4 評(píng)估案例分析

偵察任務(wù)效能，用以衡量無(wú)人機(jī)集群的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知、目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、目標(biāo)定位、目標(biāo)識(shí)別等能力。無(wú)人機(jī)在戰(zhàn)場(chǎng)執(zhí)行巡邏監(jiān)視、目標(biāo)搜索、火力引導(dǎo)、效果評(píng)估等相關(guān)作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，均涉及偵察任務(wù)效能［11］。根據(jù)偵察任務(wù)效能評(píng)估指標(biāo)體系所列，偵察任務(wù)能力由基本性能、環(huán)境適應(yīng)能力、數(shù)據(jù)通信能力、生存能力、偵察能力、協(xié)同能力等基礎(chǔ)能力構(gòu)成。

按照智能無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)任務(wù)效能評(píng)估分解模型評(píng)估步驟如下。

4.1 構(gòu)建“作戰(zhàn)任務(wù)-預(yù)期效果”映射矩陣

首先是構(gòu)建“作戰(zhàn)任務(wù)-預(yù)期效果”映射矩陣，構(gòu)建過(guò)程應(yīng)從作戰(zhàn)角度充分考慮完成該任務(wù)想要達(dá)到的預(yù)期效果，并考慮預(yù)期效果與作戰(zhàn)任務(wù)目標(biāo)的一致性。構(gòu)建的關(guān)鍵是獲取正確的關(guān)聯(lián)信息，該過(guò)程可以通過(guò)專家或權(quán)威信息獲取。

構(gòu)建原則：預(yù)期效果數(shù)量大于或等于作戰(zhàn)任務(wù)目標(biāo)數(shù)量，每個(gè)作戰(zhàn)任務(wù)的目標(biāo)都至少可以對(duì)應(yīng)一個(gè)預(yù)期效果，每個(gè)預(yù)期效果都至少可以對(duì)應(yīng)一個(gè)作戰(zhàn)任務(wù)目標(biāo)。

1）通過(guò)專家咨詢或權(quán)威文獻(xiàn)收集群體偵察的任務(wù)目標(biāo)和預(yù)期效果。

偵察任務(wù)目標(biāo)：確保自身安全、迅速完成偵察任務(wù)，獲取偵察情報(bào)。偵察預(yù)期效果：避免被敵偵察裝備發(fā)現(xiàn)、科學(xué)規(guī)劃偵察航線、精準(zhǔn)定位目標(biāo)位置、正確分析目標(biāo)性質(zhì)。

2）通過(guò)層次分析法獲取映射矩陣權(quán)重。得到群體偵察任務(wù)“作戰(zhàn)任務(wù)-預(yù)期效果”映射矩陣，如表1所示。

表1 集群偵察任務(wù)“作戰(zhàn)任務(wù)-預(yù)期效果”映射關(guān)系

得到映射矩陣如下：

4.2 構(gòu)建“預(yù)期效果-能力屬性”映射矩陣

按照相似的思路進(jìn)一步對(duì)期望效果和智能無(wú)人機(jī)集群能力屬性進(jìn)行分解映射。智能無(wú)人機(jī)群能力屬性描述為了達(dá)到預(yù)期效果，智能無(wú)人機(jī)群應(yīng)具有的定性或定量的屬性，主要是無(wú)人機(jī)群的行為和能力描述。例如：目標(biāo)偵察的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性等。

構(gòu)建分解映射矩陣原則：每個(gè)預(yù)期效果至少有一個(gè)能力屬性與之對(duì)應(yīng)。構(gòu)建步驟如下：

1）通過(guò)專家咨詢列舉與完成作戰(zhàn)任務(wù)相關(guān)的智能無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)能力屬性。

2）通過(guò)層次分析法獲取映射矩陣權(quán)重。得到群體偵察任務(wù)“預(yù)期效果-能力屬性”映射矩陣。

映射關(guān)系如表2所示。

表2 “預(yù)期效果-能力屬性”映射關(guān)系

得到映射矩陣如下：

4.3 構(gòu)建“能力屬性-效能指標(biāo)”映射矩陣

智能無(wú)人機(jī)群效能指標(biāo)，用來(lái)定量或定性衡量智能無(wú)人機(jī)群屬性。在建立映射矩陣時(shí)適當(dāng)對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行裁剪，保留與作戰(zhàn)任務(wù)相關(guān)的指標(biāo)項(xiàng)［12］。以示例形式給出映射關(guān)系和映射矩陣如表3所示。

表3 “能力屬性-效能指標(biāo)”映射關(guān)系

得到映射矩陣如下：

至此，我們可以通過(guò)映射矩陣Z，X，S，并通過(guò)指標(biāo)項(xiàng)的評(píng)估結(jié)果，反向追溯得到作戰(zhàn)任務(wù)能力評(píng)估結(jié)果。若無(wú)人機(jī)平臺(tái)和群協(xié)同指標(biāo)項(xiàng)評(píng)估結(jié)果（采取10分制）為P=[9 7 8 8 5 2 8 4 6]T，則可以得出智能無(wú)人機(jī)集群偵察任務(wù)三個(gè)關(guān)注任務(wù)目標(biāo)的計(jì)算結(jié)果為

[RT]3×1=S3×4X4×11Z11×9P9×1

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)構(gòu)建“作戰(zhàn)任務(wù)-預(yù)期效果-能力屬性-效能指標(biāo)”的邏輯分析鏈路，理清無(wú)人機(jī)集群執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，“需要達(dá)到的目標(biāo)”、“需要具備的能力”及“具體的效能指標(biāo)”之間的關(guān)系，構(gòu)建從指標(biāo)到任務(wù)的評(píng)估模型，進(jìn)而改變以往脫離任務(wù)評(píng)效能的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)基于任務(wù)的效能評(píng)估理論方法，提升無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)效能評(píng)估的針對(duì)性和科學(xué)性。