基于灰色層次分析法的有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)效能評(píng)估*

馬九方,楊 森,黃欣鑫

(陸軍工程大學(xué)(石家莊校區(qū)) 無人機(jī)工程系,石家莊 050003)

0 引 言

有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)是戰(zhàn)爭(zhēng)模式轉(zhuǎn)型的聚焦點(diǎn)和新常態(tài),能否對(duì)其進(jìn)行合理準(zhǔn)確的效能評(píng)估對(duì)提升協(xié)同作戰(zhàn)效能至關(guān)重要。無論是在執(zhí)行具體的協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)前還是任務(wù)結(jié)束后,都需要對(duì)有人/無人協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的好壞程度進(jìn)行分析與評(píng)價(jià),為指戰(zhàn)員指揮軍事行動(dòng)提供參考,同時(shí)也能對(duì)未來有人平臺(tái)與無人平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研制提供參考。目前,隨著有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)逐漸成為主要的作戰(zhàn)模式,關(guān)于有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)效能評(píng)估的研究成為熱點(diǎn)。在過去的十幾年中,協(xié)同作戰(zhàn)效能評(píng)估的大部分研究均集中在無人協(xié)同作戰(zhàn)或有人協(xié)同作戰(zhàn)的效能評(píng)估體系設(shè)計(jì)和效能評(píng)估方法兩個(gè)方向,而分析有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)效能,可為提升有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)能力提供支撐。

本文主要圍繞有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)效能評(píng)估進(jìn)行研究,通過設(shè)計(jì)出一套較為全面合理的有人/無人作戰(zhàn)效能評(píng)估體系,并基于灰色層次分析法對(duì)該體系進(jìn)行分析,結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)專家打分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行整理,以論證體系和評(píng)估方法的可行性,進(jìn)而形成一種可靠的有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)效能評(píng)估方法,并通過算例進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 指標(biāo)體系建立原則

對(duì)有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)效能的評(píng)估體系構(gòu)建合理與否直接影響系統(tǒng)效能評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性和完整性,進(jìn)而影響作戰(zhàn)能力的形成。有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)效能的衡量需要考慮很多參數(shù),如衡量協(xié)同作戰(zhàn)持續(xù)控守能力的鏈路抗干擾性、載荷最遠(yuǎn)探測(cè)距離、目標(biāo)跟蹤鎖定能力、飛控操作手能力、指揮員臨場(chǎng)決斷能力等。面對(duì)不能直接測(cè)量或統(tǒng)計(jì)的參數(shù),如飛控手操作能力、指揮員臨場(chǎng)決斷能力等,只能采用評(píng)估的方式。為了能夠科學(xué)地對(duì)不同任務(wù)條件下的有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)進(jìn)行效能評(píng)估,需要構(gòu)建一套完整的有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系。該體系必須能反映協(xié)同作戰(zhàn)特點(diǎn),并具有獨(dú)立性、完整性、層次性、科學(xué)性。在構(gòu)建有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)效能指標(biāo)體系之前,首先應(yīng)分析有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)的特殊性及其特點(diǎn),以及影響系統(tǒng)總體作戰(zhàn)效能的相關(guān)因素。一般地,總體效能的指標(biāo)選取應(yīng)從軍事需求出發(fā),緊貼作戰(zhàn)使命,符合系統(tǒng)分析的原理,逐漸細(xì)化和分解出相應(yīng)的各項(xiàng)具體評(píng)估評(píng)估指標(biāo),并滿足所預(yù)定的設(shè)想要求。

2 指標(biāo)體系構(gòu)建

有人/無人協(xié)同作戰(zhàn),是指在信息化戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下,無人作戰(zhàn)力量與有人作戰(zhàn)力量融合交互、相互協(xié)同進(jìn)行各類攻防行動(dòng)和支援保障行動(dòng)的高效作戰(zhàn)方式。其核心是人的主導(dǎo)作用,依靠人掌控全局態(tài)勢(shì),調(diào)控作戰(zhàn)進(jìn)度;關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)人機(jī)優(yōu)勢(shì)耦合,達(dá)成有人與無人之間的相互賦能、協(xié)同增能;方法是將體系能力解構(gòu)到有人/無人作戰(zhàn)力量之上,借助無人對(duì)有人的保護(hù),大幅提高體系抗毀能力和魯棒性;目的是確保有人作戰(zhàn)力量與無人作戰(zhàn)力量之間的抵補(bǔ)增效,從而充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì),提高整體作戰(zhàn)效能。通過對(duì)不同軍兵種作戰(zhàn)特點(diǎn)的分析,探索遂行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)有人/無人作戰(zhàn)力量協(xié)同偵察、協(xié)同打擊、協(xié)同突擊、協(xié)同電抗、協(xié)同防空、協(xié)同保障的組織方式,為有人/無人作戰(zhàn)力量協(xié)同作戰(zhàn)運(yùn)用提供支撐。基于有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)的作戰(zhàn)任務(wù)和能力需求,構(gòu)建了有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系,如圖1所示。

圖1 有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)指標(biāo)體系

有人/無人協(xié)同偵察,需要利用無人作戰(zhàn)力量續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、可探測(cè)性低等優(yōu)勢(shì),在確保自身生存的前提下隱蔽進(jìn)入作戰(zhàn)區(qū)域和目標(biāo)附近對(duì)整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行持續(xù)的偵察,而后對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理,實(shí)現(xiàn)通用態(tài)勢(shì)感知。有人/無人協(xié)同打擊,需要首先使用無人平臺(tái)充當(dāng)誘餌,削弱或破壞敵方防御手段,而后綜合運(yùn)用多種技術(shù)手段對(duì)目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)視,獲取敵方關(guān)鍵目標(biāo)的精確定位,準(zhǔn)確毀傷目標(biāo)。有人/無人協(xié)同突擊,需要行動(dòng)迅速突然,令敵猝不及防,這就需要有人/無人作戰(zhàn)單元具有快速響應(yīng)能力,同時(shí)要能快速獲取周邊戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息,依據(jù)賦予的權(quán)限以及相關(guān)制約條件,自主決策,盡可能地發(fā)揮智能自主能力,減小操作員的負(fù)荷。有人/無人協(xié)同電抗,需要在強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中,對(duì)海量網(wǎng)電作戰(zhàn)目標(biāo)數(shù)據(jù)自動(dòng)分析和深度處理,并對(duì)收集到的頻率進(jìn)行篩選,占據(jù)局部電磁優(yōu)勢(shì)。有人/無人協(xié)同防空,需要綜合運(yùn)用多種預(yù)警探測(cè)手段,實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)探測(cè)、情報(bào)融合、秒級(jí)預(yù)警,并快速判定目標(biāo)屬性威脅等級(jí),對(duì)其進(jìn)行跟蹤、瞄準(zhǔn)、定位。有人/無人協(xié)同保障,需要強(qiáng)調(diào)對(duì)人、裝備、信息和流程等各種資源的合理配置和快速調(diào)度,利用協(xié)同保障優(yōu)勢(shì),使得保障過程貫穿整個(gè)作戰(zhàn)行動(dòng),并在某一保障單元出現(xiàn)損傷后能夠通過其他保障單元或友鄰力量的支援實(shí)現(xiàn)快速維修,確保滿足作戰(zhàn)要求。

根據(jù)以上分析,本文所構(gòu)建的有人/無人協(xié)同效能評(píng)估指標(biāo)體系能夠較為合理地描述有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)能力需求,具有較好的獨(dú)立性、完整性、層次性、科學(xué)性。

3 基于灰色層次分析法的評(píng)估方法

指標(biāo)體系確定后,需構(gòu)建評(píng)估模型對(duì)作戰(zhàn)效能進(jìn)行評(píng)估。能否構(gòu)建一個(gè)合理、全面的模型將直接影響評(píng)估結(jié)果。灰色層次分析法是層次分析法和灰色系統(tǒng)理論相互作用的產(chǎn)物,兼具層次分析法和灰色理論的優(yōu)點(diǎn)[1]。灰色層次分析法通過將問題分解為不同的組成因素,并按照因素間的相互關(guān)聯(lián)影響以及隸屬關(guān)系將因素按不同的層次聚集組合,形成一個(gè)多層次的分析結(jié)構(gòu)模型。同時(shí)引入灰色理論中灰數(shù)和白化權(quán)函數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),從而得到最終評(píng)估結(jié)果。相較于傳統(tǒng)的層次分析法存在對(duì)專家的依賴性過深、主觀性過強(qiáng)等問題,灰色層次分析法可以在結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行定性分析后再進(jìn)行定量分,能夠做出較為準(zhǔn)確的評(píng)估,評(píng)估效果良好。構(gòu)建基于灰色層次分析法的有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)效能評(píng)估方法,利用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重,并用灰色理論做出判斷與評(píng)價(jià)。其中,總效能A表示有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)效能,是一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)Bi(i=1,2,…,6) 所組成的集合;Bi是二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)Ci(i=1,2,…,20)組成的集合。下面介紹有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)效能評(píng)估體系具體實(shí)施步驟。

3.1 確定權(quán)重系數(shù)

首先利用層次分析法來確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。通過構(gòu)造判斷矩陣和計(jì)算特征向量值計(jì)算出各指標(biāo)的權(quán)重,并對(duì)判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn),最終計(jì)算出底層指標(biāo)對(duì)總效能的組合權(quán)重。

3.2 建立評(píng)估矩陣

(1)

3.3 確定評(píng)估灰類

確定評(píng)價(jià)灰類的灰類、等級(jí)數(shù)的灰數(shù)以及灰數(shù)的白化權(quán)函數(shù)通常有3種,如圖2所示。

圖2 灰數(shù)及白化權(quán)函數(shù)

第1種如圖2(a)所示,公式為

(2)

第2種如圖2(b)所示,公式為

(3)

第3種如圖2(c)所示,公式為

(4)

3.4 計(jì)算評(píng)估系數(shù)

(5)

(6)

3.5 計(jì)算評(píng)估權(quán)向量和權(quán)矩陣

(7)

K=1,2,…,k,則灰色評(píng)估權(quán)行向量

(8)

J=1,2,…,j,則灰色評(píng)估權(quán)列向量

(9)

(10)

3.6 評(píng)估不同指標(biāo)

通過R(A)求出

(11)

計(jì)算出評(píng)估指標(biāo)的權(quán)向量

(12)

3.7 綜合評(píng)估

綜合所有指標(biāo),對(duì)方案進(jìn)行排序。計(jì)算

(13)

式中:Bk表示不同灰類的權(quán)系數(shù);RJK表示方案被評(píng)為不同灰類的總評(píng)估權(quán)。

3.8 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

徑向基函數(shù)(Radial Basis Function,RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在函數(shù)逼近方面有其特有優(yōu)點(diǎn)。RBF是一類局部分布的對(duì)中心點(diǎn)徑向?qū)ΨQ衰減的非負(fù)非線性函數(shù),將RBF應(yīng)用于構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)函數(shù)從而構(gòu)成了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

圖3給出了一個(gè)單輸出的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),其輸入-輸出映射關(guān)系可以表示為

圖3 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

(14)

式中:x為輸入向量;φ(·)為徑向基函數(shù);ci為第i個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)徑向基函數(shù)的中心;σi為該徑向基函數(shù)的寬度;wi為該節(jié)點(diǎn)與輸出節(jié)點(diǎn)的連接權(quán)值;Nh為隱層節(jié)點(diǎn)的數(shù)量;w0為偏置值。

4 算例分析

在某想定的作戰(zhàn)背景下,選擇I型有人機(jī)和II型無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)到指定地域執(zhí)行任務(wù)。分別選取方案1(2架有人機(jī)協(xié)同(2I))、方案2(2架無人機(jī)協(xié)同(2II))、方案3(1架有人機(jī)協(xié)同1架無人機(jī)(1I、1II))共計(jì)3個(gè)任務(wù)方案。

4.1 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

由50位專家依據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合任務(wù)特點(diǎn)對(duì)層次指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估打分,對(duì)完成任務(wù)影響較大的評(píng)估指標(biāo)打高分,較低的打低分,而后求出相對(duì)應(yīng)的判斷矩陣A,B1,B2,B3,B4,B5,B6:

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

通過層次分析法計(jì)算出各指標(biāo)權(quán)重,結(jié)合RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行擬合,其中40組樣本作為測(cè)試集,10組樣本作為測(cè)試集。訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)對(duì)樣本的擬合效果良好,最終結(jié)果如表1所示。

表1 各指標(biāo)權(quán)重

4.2 計(jì)算綜合效能

通過計(jì)算,3個(gè)任務(wù)方案的總體作戰(zhàn)效能結(jié)果如圖4所示。

圖4 總體作戰(zhàn)效能

4.3 協(xié)同作戰(zhàn)效能分析

通過計(jì)算可知,考慮不同任務(wù)目的時(shí),可根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)效能不同進(jìn)行選擇:以情報(bào)偵察為目的可以選擇方案2,因?yàn)槠鋮f(xié)同偵察效能為0.072,大于方案1對(duì)應(yīng)的協(xié)同偵察效能0.059和方案3對(duì)應(yīng)的協(xié)同偵察效能0.071;以協(xié)同打擊為目的可以選擇方案3,因?yàn)槠鋮f(xié)同打擊效能為0.157,大于方案1對(duì)應(yīng)的協(xié)同打擊效能0.146和方案2對(duì)應(yīng)的協(xié)同打擊效能0.156。若考慮總效能,則方案3的總效能為0.43高于方案1對(duì)應(yīng)的0.40和方案2對(duì)應(yīng)的0.42,因此方案3為最優(yōu)出擊方案。

5 結(jié)束語

本文利用灰色層次分析法建立了評(píng)估模型,結(jié)合RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,對(duì)不同編隊(duì)方式的有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)效能進(jìn)行了評(píng)估。算例分析結(jié)果表明,基于灰色層次分析法的評(píng)估模型合理有效,對(duì)有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)效能評(píng)估具有一定的參考價(jià)值?；诨疑珜哟畏治龇ǖ挠腥?無人協(xié)同作戰(zhàn)效能評(píng)估方法,是對(duì)有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)效能評(píng)估方法的有益補(bǔ)充和完善,可以為提升部隊(duì)有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)能力提供支撐。

需要指出的是,該算法也有一定的局限性:首先是考慮因素的權(quán)值是主觀的,對(duì)專家經(jīng)驗(yàn)的依賴性較大;其次是需要計(jì)算矩陣,當(dāng)考慮因素較多、方案選擇較多時(shí)計(jì)算量偏大;再次是該算法的評(píng)估精度不高。在未來的研究中需要緊密結(jié)合戰(zhàn)爭(zhēng)模式變化,選擇具有較強(qiáng)推理能力,可對(duì)不確定性信息進(jìn)行推理,減少專家打分的主觀性的評(píng)估模型。