基于ADC模型優(yōu)化的海上無人機作戰(zhàn)效能評估

常會振,秦大國,孫盛智,王少成

(1.航天工程大學,北京 101416; 2.武警海警學院,浙江 寧波 315801)

0 引言

隨著科技發(fā)展迅速演進的作戰(zhàn)樣式亟需構建有人/無人、艦機協(xié)同一體化海上作戰(zhàn)體系,以擴展作戰(zhàn)空間、豐富作戰(zhàn)手段、提高作戰(zhàn)效率、降低作戰(zhàn)風險,維護國家主權、安全和海洋權益。海上無人機通過搭載光電平臺、雷達、通信、武器等載荷,對大范圍海域實施偵察、預警、監(jiān)視、取證,快速發(fā)現(xiàn)、識別、跟蹤監(jiān)視和打擊目標。通過定性和定量分析對海上無人機作戰(zhàn)效能評估是合理運用無人機以提高其任務執(zhí)行效率的前提和基礎。裝備效能評估是通過一定的定性和定量評估方法,對作戰(zhàn)力量在執(zhí)行任務過程中該裝備發(fā)揮有效作用程度的評價和估量,其評估對象不僅包括裝備,還包括作戰(zhàn)過程中影響裝備效能發(fā)揮的各種因素[1-4]。在裝備效能評估研究中,由于概念清晰、模型嚴謹、層次分明、指標明確等優(yōu)點,ADC模型得到了廣泛運用,其評估結果被充分運用于裝備研制及作戰(zhàn)運用。但ADC模型主要考慮任務執(zhí)行前的裝備可用性及任務執(zhí)行過程中的裝備可靠性,然后對其固有能力進行效能評估,其效能評估指標體系較為單一,且主要考慮裝備性能這一單一靜態(tài)因素,忽略了在任務執(zhí)行前及執(zhí)行過程中人為因素以及戰(zhàn)場環(huán)境因素等動態(tài)變化因素的影響,導致其評估結果與實際作戰(zhàn)情況相差較大[5-8]。針對上述問題,對傳統(tǒng)ADC模型進行改進和重構,提出涵蓋裝備整體結構的可用度矩陣A和可靠度矩陣D,結合裝備技戰(zhàn)術指標以及作戰(zhàn)運用因素,經(jīng)定性和定量分析,重構作戰(zhàn)能力矩陣C,并將改進后的模型用于某型無人機海上作戰(zhàn)效能評估研究。

1 ADC模型及其改進

1.1 ADC模型基本原理

根據(jù)系統(tǒng)效能概念內涵,美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會在1963年構建了傳統(tǒng)ADC系統(tǒng)效能評估模型,評價和估計裝備在一定約束條件下完成作戰(zhàn)任務的程度[9-10]。傳統(tǒng)ADC模型是可用度A(Availability)、可靠度D(Dependability)和裝備固有能力C(Capability)的函數(shù),其模型為

E=A×D×C

(1)

因此,ADC效能評估模型的計算公式為

(2)

在ADC效能評估模型中,作戰(zhàn)效能E表示裝備作戰(zhàn)能力相應指標受可用度和可靠度影響后的實際效能;確定系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)后,A、D可由解析法獲取;C中的元素主要取決于裝備固有性能,且受到執(zhí)行任務過程中的人為因素、戰(zhàn)場環(huán)境、任務要求等制約。

1.2 ADC模型改進分析

ADC模型通過構建裝備可用度、可靠度和作戰(zhàn)能力之間的關系函數(shù)對裝備作戰(zhàn)效能進行評估,簡單明了地指出了裝備系統(tǒng)構成、運用可靠性與技戰(zhàn)術指標之間的內在關系,能夠用于大部分武器裝備的效能評估。但ADC模型的應用具有一定的局限性,要求模型中每一項均具有明確的解析式,且對能力指標表達約束性不足,作戰(zhàn)能力矩陣C沒有統(tǒng)一的標準架構。對于海上作戰(zhàn)無人機而言,其系統(tǒng)構成復雜,定量技戰(zhàn)術指標不足,且執(zhí)行任務過程中受人為因素、戰(zhàn)場環(huán)境因素影響較大,很難用常規(guī)方法通過對裝備技戰(zhàn)術指標的定量化分析構造作戰(zhàn)能力矩陣C。因此,在梳理典型海上無人機技戰(zhàn)術指標的基礎上,利用層次分析法確定各指標權重,并對各指標進行量化和規(guī)范化處理,構造作戰(zhàn)能力矩陣C。

在裝備執(zhí)行任務過程中,合理的指揮控制、正確的裝備操作和完善的技術保障能促進裝備固有能力的高效發(fā)揮,實現(xiàn)人為因素增能,但戰(zhàn)場環(huán)境因素也會制約裝備固有能力的有效發(fā)揮。因此,基于傳統(tǒng)ADC模型,引入人為因子M和戰(zhàn)場環(huán)境因子H,構建能夠全面、綜合反映海上無人機作戰(zhàn)效能的評估模型。重新構建后的作戰(zhàn)效能評估模型為

E=A×D×C×M×(1-H)

(3)

2 海上無人機作戰(zhàn)效能評估指標體系

2.1 效能評估指標體系構建

從海上作戰(zhàn)雙方對抗角度出發(fā),可以將無人機作戰(zhàn)能力劃設為機動能力、防護能力、偵察監(jiān)視能力、現(xiàn)場取證能力、喊話警告能力、武器打擊能力、電子對抗能力、信息通聯(lián)能力,且其作戰(zhàn)能力的有效發(fā)揮受到人為因素中指揮控制能力、裝備操作能力和技術保障能力以及戰(zhàn)場環(huán)境因素中的自然環(huán)境因素和對抗環(huán)境因素影響,其構建海上無人機作戰(zhàn)能力影響因素關系圖,如圖1所示?？紤]裝備可用性和可靠性的制約,深入分析無人機作戰(zhàn)能力影響因素,層層分解得到無人機作戰(zhàn)效能評估指標體系,如圖2所示。其中,構成作戰(zhàn)能力C的8項二級能力指標代表無人機綜合能力,考慮人為因素和戰(zhàn)場環(huán)境因素,結合國內外海上作戰(zhàn)、訓練實踐及無人機能力構成對其進行分解,可得到40項三級單項效能指標。

圖1 海上無人機作戰(zhàn)能力影響因素關系圖

圖2 海上無人機作戰(zhàn)效能評估指標體系

2.2 指標分類及處理

根據(jù)圖2效能評估指標體系中三級指標的性質特點,對其進行量化和規(guī)范化處理是獲取作戰(zhàn)能力矩陣C的前提。本文中參考文獻[11],以各項三級指標能否量化以及被期望程度等標準對其進行分類,并提出進行量化和規(guī)范化處理的方法。

1) 根據(jù)指標能否量化進行分類。能夠量化的指標為定量指標,如巡航高度、巡航速度、最大航程等指標;不能被量化的指標為定性指標,如抗摧毀能力、電子干擾能力、任務規(guī)劃能力等。定性指標需要采取一定的方法進行量化后,才能被效能評估模型使用。為滿足ADC模型的解析表達,需對定性指標進行量化處理,通常采用專家打分法,利用經(jīng)驗知識對定性指標滿意度進行打分賦值,如根據(jù)無人機整體結構強度、機動性以及實戰(zhàn)情況等因素,將無人機抗摧毀能力量化為0.8,即為該指標在ADC模型的輸入值。

2) 根據(jù)指標被期望程度進行分類,可以被分為效益型指標和成本型指標。效益型指標值越大越好,如續(xù)航時間、偵察探測距離、喊話距離等;成本型指標值越小越好,如目標機動能力、無人機被偵察性等。效益型指標和成本型指標進行規(guī)范化的公式不同,常用的規(guī)范化方法是將該指標實際數(shù)值與期望值相比。對于效益型指標,比如某型無人機偵察探測距離50 km,但一般認為探測距離在100 km才能較好地遂行海上作戰(zhàn)任務,其規(guī)范化公式為50/100=0.5。對于成本型指標,比如某型無人機雷達散射截面積(RCS)值為5,期望值為2,則規(guī)范化結果為2/5=0.4。

3 海上無人機作戰(zhàn)效能模型構建

3.1 可用度A分析

海上無人機可用度A表示其執(zhí)行任務前的狀態(tài),度量其可承擔任務的程度。在分析無人機可用度時,要首先明確其組成結構及各結構工作狀態(tài)。以無人機系統(tǒng)組成為主要依據(jù),考慮執(zhí)行海上作戰(zhàn)任務所需的相關載荷,可以將無人機系統(tǒng)分為飛行器子系統(tǒng)、地面或艦載控制子系統(tǒng)、發(fā)射和回收裝置、任務載荷、數(shù)據(jù)鏈路等[12],除偵察監(jiān)視載荷外,其他任一子系統(tǒng)出現(xiàn)故障,則認為無法執(zhí)行任務。任務載荷一般包括光電平臺、合成孔徑雷達和激光雷達等偵察監(jiān)視載荷,喊話裝置載荷和武器載荷,其中偵察監(jiān)視載荷中,有任意一個設備工作即可認為能執(zhí)行偵察監(jiān)視任務,但其偵察監(jiān)視能力會相應降低。

分析無人機組成要素及其執(zhí)行任務過程中的主要行動,構建無人機系統(tǒng)可靠性框圖,如圖3所示。假設各子系統(tǒng)之間相互獨立,互不影響,其狀態(tài)變化為獨立隨機事件,通過分析框圖,可以得到無人機系統(tǒng)工作狀態(tài)表[13],如表1所示。

海上無人機可用度A可用平均故障間隔時間(MTBF)與平均故障間隔時間和平均故障修復時間(MTTR)之和的比值表示。Ai、MTBFi、MTTRi分別表示圖3中各子系統(tǒng)可用度、平均故障間隔時間、平均故障修復時間,則:

(4)

其中,i為圖3中無人機系統(tǒng)各子系統(tǒng)的序號。對應無人機系統(tǒng)工作狀態(tài)表,可得其可用度向量:

A=(a1,a2,…,a8)

(5)

在式(5)中:

3.2 可靠度D分析

海上無人機可靠度D表示其執(zhí)行任務過程中各子系統(tǒng)正常工作且完成相應任務的能力。一般認為無人機系統(tǒng)運行過程中各子系統(tǒng)故障分布時間服從指數(shù)分布,則無人機系統(tǒng)執(zhí)行任務期間其保持正常工作狀態(tài)的概率為

Ri=exp(-Ti/MTBFi) (i=1,2,…,9)

(6)

式中:Ri表示無人機各子系統(tǒng)可靠度概率;Ti表示執(zhí)行任務時間; 1/MTBFi表示各子系統(tǒng)故障率。

dij(i,j=1,2,…,8)表示無人機在執(zhí)行任務過程中從ai工作狀態(tài)轉換為aj工作狀態(tài)的概率。比如,d11表示無人機從開始執(zhí)行任務到任務結束所有子系統(tǒng)均保持正常工作的概率:

(7)

執(zhí)行任務過程中,無人機各子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時具有不可修復性,因此,各子系統(tǒng)不能由故障狀態(tài)轉為正常工作狀態(tài),則可靠度矩陣為上三角矩陣。根據(jù)式(6)、式(7)可得可靠度矩陣D為

3.3 作戰(zhàn)能力C分析

海上無人機作戰(zhàn)能力矩陣C表示其在不同狀態(tài)下,完成任務的能力度量,反映系統(tǒng)性能與實戰(zhàn)能力要求之間的符合程度。作戰(zhàn)能力矩陣C沒有固定的建模方法,參考文獻[11]和[14],結合圖2效能評估指標體系,考慮在8種工作狀態(tài)下各子系統(tǒng)性能指標作用程度不同,根據(jù)無人機作戰(zhàn)能力指標下各三級指標特點,對其指標數(shù)據(jù)進行量化或規(guī)范化處理,獲得8種工作狀態(tài)下各三級指標無量綱數(shù)值,并利用層次分析法,確定各三級指標權重,經(jīng)計算可獲取各二級指標在8種工作狀態(tài)下的無量綱值,從而構建作戰(zhàn)能力矩陣C。

各種工作狀態(tài)下無人機作戰(zhàn)能力為

Ci=(λ1,…,λ8)×(P1,…,P)T

(9)

式(9)中:λi為第Ci指標的權重;Pi為第Ci指標的無量綱值。由此,可得作戰(zhàn)能力向量C為

C=(C1,C2,…,C8)T

(10)

式(10)中:C1為無人機無故障狀態(tài)時的作戰(zhàn)能力;C2為無人機“⑤故障,其他正?！睜顟B(tài)時的作戰(zhàn)能力;C8為無人機“①②③④⑧⑨至少一個故障或⑤⑥⑦故障”狀態(tài)時的作戰(zhàn)能力,即C8=0。

3.4 人為因子W及戰(zhàn)場環(huán)境因子H分析

海上無人機執(zhí)行任務過程中,指揮員及操作人員的指揮控制能力、裝備操作能力及技術保障能力影響其作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。根據(jù)圖2作戰(zhàn)效能評估指標體系,利用層次分析法求出指揮控制、裝備操作及技術保障各二級指標及其三級指標權重,通過專項考核、平日訓練評定或專家打分法等方式獲取各三級指標的數(shù)值,最后通過加權求和得到人為因子值。計算模型為

(11)

式中:tj是人為因子中各二級指標權重;tij為各三級指標權重;rij為各三級指標數(shù)值,取值范圍為0～1。

與人為因子W模型構建過程相似,根據(jù)圖2作戰(zhàn)效能評估指標體系,利用層次分析法獲取戰(zhàn)場環(huán)境因子各級指標權重。其中,三級指標值可以通過專家打分法的方式獲得,取值范圍0～1。計算模型為

(12)

4 實例分析

以某型無人機為研究對象,使用優(yōu)化后的ADC模型對其執(zhí)行海上作戰(zhàn)任務效能進行評估。執(zhí)行任務過程中,該型無人機在實戰(zhàn)環(huán)境中完成對戰(zhàn)場目標的現(xiàn)場處置任務,該任務具有以下特點:一是指揮控制及無人機操作人員具有豐富的實戰(zhàn)經(jīng)驗,其指揮控制能力及操作和保障能力處于適中狀態(tài);二是戰(zhàn)場目標電子干擾能力較弱,但其機動能力較強;三是自然環(huán)境和對抗環(huán)境復雜。

4.1 可用度A和可靠度D計算

根據(jù)平日實踐經(jīng)驗及訓練情況,該型無人機各子系統(tǒng)平均故障時間和平均故障修復時間數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 海上無人機子系統(tǒng)可用性數(shù)據(jù)

根據(jù)式(4),可求出各子系統(tǒng)可用度:

A1=0.961 5,A2=0.989 1,A3=0.991 7,A4=0.990 1,

A5=0.986 8,A6=0.995 0,A7=0.997 4,A8=0.999 0,

A9=0.990 1。

根據(jù)式(5),計算可得出海上無人機可用度矩陣A:

假設該型無人機每次出航時,發(fā)射和回收裝置執(zhí)行任務時間是0.5 h,喊話裝置執(zhí)行任務時間是2 h,武器執(zhí)行任務時間是0.5 h,其余子系統(tǒng)執(zhí)行任務時間為4 h,即T=4,根據(jù)式(6)計算可得無人機各子系統(tǒng)可靠度R:

R1=0.973 9,R2=0.960 8,R3=0.991 7,R4=0.986 8,

R5=0.973 9,R6=0.980 2,R7=0.979 2,R8=0.996 0,

R9=0.995 0。

根據(jù)式(7)、式(8),經(jīng)計算可得海上無人機可靠度矩陣D:

4.2 作戰(zhàn)能力C計算

以該型無人機性能參數(shù)作為作戰(zhàn)能力分析的基礎,考慮戰(zhàn)場環(huán)境和人為因素對任務完成度的影響,使用層次分析法計算各級指標權重,使用專家打分法對定性指標進行賦值,經(jīng)計算可得作戰(zhàn)能力矩陣C。某型海上無人機性能指標如表4所示。

使用層次分析法確定8類二級指標權重系數(shù)[15]。通過專家咨詢判斷各類二級指標相對重要性,以數(shù)字1～9表示其重要程度,其判斷結果以數(shù)值形式表示,構造判斷矩陣,如表5所示。

表5 確定二級指標權重的判斷矩陣

專家對各二級指標之間重要性進行的判斷存在一定的主觀性,考慮客觀事物的復雜性,需要對判斷結果合理性進行檢驗,即檢驗判斷矩陣一致性,計算其一致性指標CI,其計算公式為

(11)

其中,λmax是判斷矩陣最大特征值,n為判斷矩陣階數(shù),n=8。

表5中判斷矩陣一致性比例為0.056 3,則其一致性檢驗通過,求出最大特征值對應的特征向量vec:

對特征向量進行歸一化處理,可得各二級指標權重系數(shù)wight:

使用同樣的方法經(jīng)計算可得作戰(zhàn)能力下各三級指標權重系數(shù)。

在各種工作狀態(tài)下,海上無人機作戰(zhàn)能力三級指標涉及大量定性和定量指標,區(qū)分成本型指標和效益型指標,根據(jù)專家意見和國內外相關作戰(zhàn)和訓練經(jīng)驗,對其進行量化和規(guī)范化獲得無量綱指標數(shù)值,表6所示即為無人機無故障工作狀態(tài)下各三級指標無量綱數(shù)值。

表6 無故障狀態(tài)下各三級指標無量綱數(shù)值

表6中,偵察監(jiān)視載荷類型無量綱數(shù)值中,當光電平臺、SAR、激光雷達狀態(tài)完好時,參考專家意見和實踐經(jīng)驗,將該值定為0.9,偵察探測距離不降低;任意2種載荷狀態(tài)完好,該值為0.7,偵察探測距離能力降低20%;任一種載荷狀態(tài)完好,該值為0.65,偵察探測距離能力降低30%。

綜合上述研究,根據(jù)各子系統(tǒng)之間關系,可得海上無人機各工作狀態(tài)下的作戰(zhàn)能力各級指標權重及無量綱數(shù)值,如表7所示。

表7 各工作狀態(tài)下各級指標權重及無量綱數(shù)值

其中,現(xiàn)場取證能力來源于光電平臺,當光電平臺故障時,可以認為現(xiàn)場取證能力為0。

由式(9)、(10)可得作戰(zhàn)能力矩陣C為

4.3 人為因子W計算

根據(jù)專家咨詢及海上實踐經(jīng)驗,利用層次分析法,能夠得到人為因子中二級指標和三級指標權重,并通過專項考核或平日訓練評定及專家打分法獲取各三級指標數(shù)值,如表8所示。

表8 人為因子各級指標權重、數(shù)值

由式(11)可知,W=0.911 7。

4.4 戰(zhàn)場環(huán)境因子H計算

根據(jù)專家咨詢及國內外海上作戰(zhàn)、訓練實踐經(jīng)驗,利用層次分析法,得到戰(zhàn)場環(huán)境因子中二級指標和三級指標權重,并通過國內外相關實踐和專家打分法獲取各三級指標數(shù)值,如表9所示。

表9 戰(zhàn)場環(huán)境因子各級指標權重、數(shù)值

由式(12)可知,H=0.159 7。

4.5 作戰(zhàn)效能E計算

根據(jù)上述計算得到可用度矩陣A、可靠度矩陣D、作戰(zhàn)能力矩陣C和人為因子W和戰(zhàn)場環(huán)境因子H,由式(3)可知,某型無人機遂行海上作戰(zhàn)任務效能E為

E=A×D×C×M×(1-H)=0.431 2

如果不考慮人為因素和戰(zhàn)場環(huán)境因素,則該型無人機遂行海上作戰(zhàn)任務效能E1為

E1=A×D×C=0.589 9

顯然,E1>E。但E1的計算結果只考慮了無人機系統(tǒng)性能的影響,沒有考慮人為因素和戰(zhàn)場環(huán)境因素等動態(tài)因素的影響,因此,與考慮人為因素和戰(zhàn)場環(huán)境因素后得到的作戰(zhàn)效能E相比,其考慮因素不全面,不能有效反應無人機的真實作戰(zhàn)效能。從作戰(zhàn)效能計算結果可知,人為因素和戰(zhàn)場環(huán)境因素對無人機作戰(zhàn)效能影響較大,因此,研究提高指揮員的任務規(guī)劃和指揮協(xié)同能力、無人機操控人員的裝備操作及技術保障水平,降低自然環(huán)境和戰(zhàn)場對抗環(huán)境的影響,提高無人機的環(huán)境適應能力和對抗能力,將能大幅增加海上無人機作戰(zhàn)效能,提高其任務完成度。

5 結論

從海上對抗實踐的角度出發(fā),綜合影響無人機作戰(zhàn)效能充分發(fā)揮的各種因素,對傳統(tǒng)ADC模型進行了分析和優(yōu)化,構建了改進后的ADC模型,并進行了實例驗證。

1) 從海上對抗角度出發(fā),從無人機可用性、可靠性、作戰(zhàn)能力、人為因素和戰(zhàn)場環(huán)境因素等方面分析影響無人機作戰(zhàn)效能的相關因素,層層分解,構建了更全面的海上無人機效能評估指標體系,更貼近海上作戰(zhàn)裝備運用實際情況。

2) 從定量和定性2個方面對作戰(zhàn)能力下的三級指標進行分類,并根據(jù)各三級指標特點,對其進行量化或規(guī)范化處理,獲取其無量綱數(shù)值,構建作戰(zhàn)能力矩陣C,提高了對無人機作戰(zhàn)能力度量的準確度。

3) 針對傳統(tǒng)ADC模型中只考慮靜態(tài)因素、忽略動態(tài)因素的不足,引入人為因素和戰(zhàn)場環(huán)境因素,對傳統(tǒng)ADC模型進行了拓展和改進優(yōu)化,提高了效能評估的客觀性、完整性和嚴謹性,較好地彌補了傳統(tǒng)ADC模型的局限性。使評估結果更為客觀可信。

使用構建的海上無人機效能評估指標體系和改進優(yōu)化后的ADC模型對某型無人機執(zhí)行海上作戰(zhàn)任務的效能進行評估,相比傳統(tǒng)ADC模型評估結果,其效能值較小,但評估結果更為客觀可信。改進優(yōu)化后的ADC模型中,人為因素和戰(zhàn)場環(huán)境因素下的三級指標值需結合海上作戰(zhàn)實踐和專家打分法獲取,主觀性較大,存在一定的不合理性,后續(xù)可以進一步研究,提高其合理性和可信性。改進優(yōu)化后的ADC模型還能為其他海上作戰(zhàn)裝備效能評估提供參考借鑒。