智能武器站性能評價指標體系研究

鄭博文，毛保全，鐘孟春，楊雨迎，李元超

(陸軍裝甲兵學院， 北京 100072)

隨著人工智能技術的快速發展，提高武器系統的快速反應能力和實際戰場的貢獻程度成為了高新技術武器裝備發展的方向。特別是在阿富汗、伊拉克等近幾次戰爭中，裝甲部隊已經越來越多的參與到城市作戰當中，智能武器站的發展便成為陸軍城市作戰的迫切需求。目前，國外無人地面平臺上已經可以看到智能武器站的身影，國內雖然開展了智能武器站的相關研究工作，但至今還沒有成型產品。為致力于國內智能武器站的研制和發展，分析和提出了一種智能武器站性能指標體系，來對其進行描述和評價已經十分迫切。本文將從智能武器站的概念和內涵出發，建立一種能夠反映智能武器站功能特點的性能指標體系，為評價智能武器站綜合性能奠定基礎。

1 智能武器站基本概念

武器站[1](Weapon Station)：指不同武器或武器與觀瞄、控制等不同功能模塊的組合配置。武器站根據系統控制方式又可分為遙控式武器站、半自主式武器站和自主式武器站。其中，(半)自主式的系統控制是指系統的感知、決策、協同和移動性的有機結合，無需人為干預，根據非結構化環境中的特定控制策略自我決策并連續執行一系列控制功能以實現預定目標的能力[2]。這種能力產生經歷兩個過程：首先，從感覺到記憶再到思維的過程，稱之為“智慧”；其次，智慧的結果產生了行為和語言，稱之為“能力”，兩者合成為“智能”[3]。

因此，半自主式和自主式這種具有一定自主能力的武器站稱之為“智能武器站”，國外稱之為“無人戰車火力打擊系統”、“無人作戰平臺火力打擊模塊”等。我們將智能武器站定義為具有自主行為能力進行獨立搜索、識別并攻擊目標的可安裝在多種軍用平臺上的相對獨立的模塊化武器系統。其內涵體現在自主性，是在無人干預或人在環遙控為主的情況下，機器利用傳感器和計算機程序與環境交互，完成預期任務的能力，它具有感知和預判能力、記憶和思維能力、學習和自適應能力以及行為決策能力等特點[4]。

2 國外智能武器站研究現狀

智能武器站的發展伴隨自主化水平和程度的不斷深化，它在構成上不斷融入大量先進的、精密的、復雜的信息化設備，在技術上應用了人工智能的敵我識別、跟蹤瞄準、信息聯通、精確打擊、毀傷評估等先進技術，這些特征是遙控武器站所不具備的，特別是隨著人工智能水平的不斷提升與更迭，智能武器站的發展也隨之發生著進化與改變。

2.1 裝備研究現狀

目前，半自主式智能武器站技術是各國大力發展的主要方向，已初步具備一定的作戰能力：一是可以執行多種類型的戰術任務，主要包括偵察、跟蹤、打擊、通信等；二是在已有成熟技術的基礎上進行加裝改制；三是可作為一種載體用于多種核心技術的試驗；四是戰場機動能力和戰場生存能力較強；五是易與無人作戰指揮系統相連接，構成基本的數字化網絡化智能單元。按美國陸軍未來作戰系統(FCS)作出的標度來看[5]，目前，半自主式智能武器站多處于“認可管理模式”的2級水平。

美國是最早研制和裝備智能武器站的國家。其中，典型代表有：“利劍”(Swords)機器人，應用在伊拉克戰爭中。其打擊模塊包括M249型5.56 mm級自動機槍、M240型7.62 mm機槍和巴雷特M82A1型12.7 mm半自動步槍以及40 mm榴彈發射器和多個噴火武器，無線電控制距離達1 km。“派克波特”(Pack Bot)無人戰車，美82空降師在阿富汗反恐戰爭中，首次使用Pack Bot無人戰車在山洞搜查中進行作戰。

俄羅斯以實戰推動智能武器站的快速發展。2015年，在敘利亞武裝斗爭中一戰成名的“平臺-M”、“天王星”系列無人戰車，在強攻伊斯蘭極端勢力據點的戰斗中被宣稱是世界上第一場以武器機器人為主的攻堅戰。其火力打擊模塊主要包括視覺系統和武器系統。武器系統配備有機槍、機關炮、反坦克導彈、攻擊隱蔽火力點和輕型裝甲目標火箭彈及防空導彈，在自動和半自動控制模式下自動瞄準、跟蹤和攻擊目標。視覺系統配置一具光電觀瞄裝置，裝備的光電和雷達偵查系統可為精確武器提供激光火雷達制導，同時在夜間不借助探視工具的情況下執行作戰任務[6]。

德國創新將智能化導彈應用于智能武器站的設計。2018年歐洲薩特利防務展上，用于反坦克無人戰車任務負載的智能武器站為750 kg。它配備1挺7.62 mm機槍、攜帶2枚待發狀態的MMP導彈，并配有用于尋獲目標的晝/夜傳感器。其中導彈有3種工作模式，發射后不管、人在環控制、車載超視距打擊，光纖數據鏈實現了人在環的控制模式[7]。

2.2 技術研究現狀

通過對智能武器站國內外裝備的發展現狀分析，智能武器站技術特點梳理如下。

2.2.1基本結構特征

基本結構特征如下：

1) 總體結構設計。基本采用模塊化設計理念、開放式設計結構，不僅能夠安裝多種武器類型，還能夠加裝不同的傳感器組。

2) 火力打擊系統。主要包括多口徑機槍、榴彈發射器、煙幕彈和智能反裝甲導彈。其中，導彈采用發射后不管、人在環控制、車載超視距打擊3種工作模式，通過光纖數據鏈實現人在環的控制模式。

3) 目標自動識別系統。主要配備有全天候使用功能的視頻攝像機、激光報警系統、激光火雷達探測器、夜間作戰圖像增強和制冷式雙視場熱像儀等。通過最新觀瞄技術，自動識別遠距離目標，并進行跟蹤、瞄準，通過數據傳輸后方人員進行火力打擊，是智能武器站智能化最直接的體現功能之一。

4) 火力控制系統。實現行進間的動態穩定射擊功能，主要采用三軸穩定設計技術、減震穩定系統技術等，有效打擊運動目標。實現武器自動瞄準射擊功能，通過彈道計算機技術、分離式瞄準線系統技術等，自動把武器調整到合適的射角后在自動和半自動控制模式下跟蹤并攻擊目標。

5) 遠程無線傳輸控制系統。無線電控制距離達1～2 km。

2.2.2基本技術特點

基本技術特點有：

1) 半自主模式。以人在環控制回路的半自主式控制模式。

2) 模塊化組件。結構重量輕，高度低，便于集成。

3) 多功能設計。具有自動補彈功能；具備部分自動裝表修正功能；高性能火控系統以完成彈道的修正補償。

4) 智能化技術。目標自動識別、捕捉、跟蹤與瞄準，將態勢感知信息傳輸后方，待確認后自動精確打擊；初步具備毀傷評估等功能。

5) 遠程化傳輸。具備較強的光纖網絡傳輸和數頻信號處理能力，傳輸距離長，抗干擾性強，戰斗人員安全性高。

6) 實時化自檢。對設備的運行狀態進行實時的故障診斷與定位。

2.3 存在的不足

國外武器站正逐漸擴展武器配置范圍和功能模塊，將晝/夜目標自動搜索、識別與跟蹤，武器平臺穩定、毀傷評估、精確打擊和自適應等現代智能化技術整合融進武器系統。國內研究起步較晚，現正研制的無人作戰系統大多都是以操控系統為基礎，相對于無人平臺的火力打擊模塊深入較少，相對于國外無人戰車的發展研究起步較晚，相關智能化技術需要不斷深入融合。

3 智能武器站基本構成及功能特點分析

智能武器站的組成結構不同，反映的功能特點也不同，其中每一類、每一個指標本身具有不同的性質，指標與指標之間又相互聯系，可以多方面綜合反映評價的內容。因此，評價指標的選取是評價過程中極為重要的一個環節，是進行評價的必要前提，是構建評價指標體系的基礎。不同的評價指標體系，可能會導致不同的評價結果。因此，指標選取的科學合理與否至關重要。

為區分智能武器站與其他武器系統的區別，本文重點闡述智能武器站在系統組成與功能上的特點，以便在構成智能武器站性能評價指標體系時，能夠更好地把握其內涵本質，建立更具有針對性的智能武器站性能評估體系。

3.1 基本組成

從國外裝備的研究現狀可知，智能武器站主要由火力及槍塔單元、觀瞄單元、信息與控制單元、火力發射控制單元、目標自動識別與智能輔助決策單元、無線數傳單元、遠程遙控終端及其他設備等組成。智能武器站系統組成如圖1。

圖1 智能武器站系統組成框圖

3.2 功能特點

功能特點如下：

1) 具備遠距離自主觀察、瞄準、射擊的功能；

2) 具備復雜戰場環境下目標自動探測、定位、跟蹤、鑒別和處理目標的能力；

3) 具備智能化與射擊安全控制功能；

4) 具有自主式和遙控式打擊作戰方式，可實時響應人工平臺的指揮；

5) 具備動態精確打擊、行進間射擊和對空自衛射擊能力；

6) 具備機槍、榴彈和導彈等武器集成功能;

7) 具備信息聯通能力，具備有人和無人相結合、地面和空中相結合、遠程和近戰相結合的通信能力，具有高寬帶、遠距離、低延時、強抗毀、易維護、可自毀通信能力；

8) 具備基本故障自診斷功能，快速查找故障源；

9) 具備整車集成功能，具備與無人車輛系統的融合及信息擴展功能，可融入數字化戰場；

10) 可人工/自動裝訂距離、氣象等彈道修正參數，具有射表外部寫入功能。

4 智能武器站性能評價指標體系的構建

智能武器站由于自身結構的復雜性和操作運行過程中的多樣性，其性能評價指標由多項指標聚合而成，由于指標數量繁多，在構建科學、合理的指標評價體系時，應當重點考慮兩個方面的問題：一是篩選的指標要緊密圍繞評估對象，不能過分追求體系完整而影響科學性；二是篩選的指標要真實客觀反映智能武器站的各項能力，盡可能減少指標選擇的主觀性而影響準確性。因此，指標篩選應當把握客觀性、完備性、獨立性、簡練性、可操作性的原則。指標篩選的思路，要吸收前人研究成果中優良指標，同時，要根據評價對象的結構及功能特性，提出反映其本質內涵的指標，以便科學、公正地進行評價工作。因此，本文采取了理論分析法、頻度分析法、專家打分法、綜合回歸法、廣義方差極小法等5種方法進行指標的篩選。智能武器站性能評價指標篩選確定的方法途徑如圖2所示。

圖2 智能武器站性能評價指標篩選確定的方法途徑框圖

為了進一步提高智能武器站性能評價指標體系的科學性、合理性與可行性，確保評估得到的結果能夠更加真實地反映智能武器站實際性能情況，根據對智能武器站性能評價指標體系的分解，分別制作總體性能指標集、分系統性能指標集的調查問卷，選定咨詢相關科研人員與武器系統技術論證人員各10人參加了調查填表，請專家對擬制的指標草案進行判斷。最終，建立了以總體層、系統層、狀態層和變量層為主要框架的智能武器站性能評價指標體系，如圖3所示(因篇幅有限，指標數量較大，僅列出三級指標)。智能武器站的性能評價指標體系符合科學性與客觀性原則，可以進行并運用到下一步的評估工作。

圖3 智能武器站性能評價指標體系框圖

5 智能武器站性能評價指標的內涵與度量

5.1 總體性能指標

智能武器站總體性能指標是最基本、最直觀反映該武器系統的性能指標，能夠基本表現智能武器站的輪廓特征。總體性能指標是直觀表征系統總體性能最基本的指標參數。主要包括：武器類型、彈種、彈藥基數、射界、有效射程、戰斗全重、毀傷概率等。

1) 武器類型。這里指智能武器站配備的武器類型。主要有：5.8 mm機槍或7.62 mm機槍；12.7 mm機槍或14.5 mm機槍和35 mm或40 mm自動榴彈發射器；30 mm自動炮、反坦克導彈等。

2) 彈種。武器站的類型不同，配備的彈種也不盡相同。主要彈種有：5.8 mm、7.62 mm、12.7 mm或14.5 mm機槍彈；35 mm或40 mm榴彈；30 mm穿甲彈或榴彈；反坦克導彈。

3) 射界。車載武器高低俯仰和水平旋轉(方向)的最大允許范圍就是射界(°)，包括水平射界和高低射界[8]。水平射界是指武器在水平方向上能機動的范圍；高低射界是指武器在高低方向能夠機動的范圍，包括最大仰角和最大俯角。方向射界現在基本都達到了360°旋轉，國外地面無人作戰平臺火力打擊模塊的高低射界指標達到了-10°～+60°。

4) 戰斗全重。不同的武器站類型，戰斗全重不同，它直接影響到武器系統的輕量化水平。

5) 有效射程。在測試場條件下，有效射程是指在規定的目標和射擊條件下，使目標殺傷概率P≥90%的最大射擊距離。在實戰條件下，有效射程是指該武器對常見目標，戰斗條件下射擊時，使目標殺傷概率P≥65%的最大射擊距離。

6) 毀傷概率[9]。現在廣泛應用的是指數毀傷概率，這里將指數毀傷概率簡稱為毀傷概率。在計算中，假設命中目標的武器彈藥沒有損傷積累效應，并且每次命中后毀傷目標的事件彼此獨立，也就是說，每個目標擊中目標的概率相等，并具有以下公式：

P(k)≈1-e-kω

(1)

式(1)中:P(k)為毀傷概率；k為目標被命中的彈數；ω為毀傷目標所需的平均命中彈數。

應該指出的是，指數毀傷概率是建立在無損傷積累基礎上的，而且當k取有限值時，都有P(k)<1，但實際中的目標多少總有些毀傷積累作用，在命中的彈足夠多時，總會將目標毀傷，在這方面指數毀傷概率與事實有不太符合的地方。然而，由于指數毀傷概率在計算射擊效率指標時方便準確，因此被廣泛應用。

5.2 主要分系統性能指標

智能武器站各分系統是反映其綜合能力的關鍵單元，它決定了智能武器站系統性能的優劣。分系統主要包括：火力打擊系統性能指標、觀瞄系統性能指標、火控系統性能指標、信息與控制系統性能指標、目標識別與智能決策系統性能指標、無線傳輸系統性能指標等。這里重點描述應用智能化技術的目標自動檢測與識別、火力控制、智能輔助決策、遠程抗干擾無線傳輸等單元的性能指標。

5.2.1目標自動檢測與識別單元

目標的檢測、識別與跟蹤是武器站智能化的一個重要特征，它用于接收觀瞄單元的電視/紅外/激光目標圖像信息，從目標視角中提取目標的角偏差量，并將目標角偏差量發送至觀瞄單元用于自動跟蹤[10]，在進行目標檢測的同時，完成目標類型的識別處理，并將識別結果發送至目標威脅評估構件、圖文疊加處理構件、智能輔助決策構件，是智能武器站全程工作運轉的重要一環。

1) 探測概率。探測器檢測到的目標的概率測量值是目標偽裝效果的定量評價指標[11]。這里指智能武器站以圖像形式，從背景和系統噪聲中正確地將目標分辨出來的概率。探測概率與探測靈敏度、探測距離、探測時間、大氣透明度、照明條件、目標與背景特點和偽裝的精良程度有關[12]。通常描述為某條件下探測距離的函數。

2) 鑒別概率。鑒別概率反應的是智能武器站正確決定準確目標特性的概率，主要通過目標分割和目標分割后輪廓精確度來測算。其中，目標分割主要是從圖像中分離和提取要請求的區域。目標分割輪廓的精確度是將圖像掩膜看成一系列閉合輪廓的集合，并基于輪廓的F度量，即輪廓精確度是對基于輪廓的準確率和召回率的計算F度量為:

(2)

3) 識別準確率。識別準確率反應了智能武器站正確識別目標類別的概率。智能武器站目標識別利用自身武器平臺傳感器對接收到的單傳感器識別信息建立為證據推理焦元，并據此進行目標的綜合和識別。

5.2.2智能輔助決策單元性能評價指標

目標對智能武器站的威脅程度主要取決于目標打擊能力和打擊意圖。目標打擊能力由諸如目標本身固有火力性能及某一時刻目標的射擊距離等參數決定。目標打擊意圖是指目標實施打擊行動的可能性，并根據目標移動進行判斷。選取目標類型、相對距離、相對速度、打擊角度、決策時間和毀傷評估等6個指標構建智能輔助決策評價指標體系。前面已經對目標類型指標進行了說明，這里重點分析后5個指標。

1) 相對距離。在實戰中，我方與敵方之間的相對距離是判斷威脅程度的基本指標。在智能決策中，它可定義為某一時刻我方與敵方之間距離與敵方武器的有效射程之比。比率越小，目標戰斗力充分，威脅就越大；反之威脅越小[13]。相對距離在智能決策中威脅判斷的表達式為：

(3)

式(3)中:x為相對距離；x1為敵方武器有效射程。

2) 相對速度。指在單位時間內我方與敵方的相對位移。在相同條件下，我方與敵方的相對速度越大，擊中概率越低，威脅越小[13]。

(4)

式(4)中:設我方速度為v1；敵方目標速度為v2；相對速度vm=|v1-v2|。

3) 打擊角度。指敵我連線與車身縱向軸線的夾角，反映我方車身側面對敵方目標的暴露程度。在相同條件下，攻擊角度與目標威脅呈正比。攻擊角度越大，目標威脅越大。攻擊角度對左右方向的威脅程度具有相同的影響[13]。

(5)

4) 決策時間。不同火力打擊決策系統工作流程也不完全相同，分別通過對3種火力打擊方式(機槍、榴彈、導彈)的火力打擊決策時間進行估算。火力打擊決策的時間定義為：從系統判定威脅目標開始到完成對戰場態勢的理解，并提供遠程操作人員作出判斷為止的耗時。

5) 毀傷程度。毀傷評估是在對軍事目標或區域進行火力攻擊后通過某種偵察手段獲取目標攻擊后的信息，使用合理的數學模型和經驗公式，量化攻擊后目標的毀傷程度計算和判定，以確定目標是否已實現，是否還需組織下一輪打擊的過程[14]。

基于目標外圍的幾何形狀和基于內在的紋理參數的組合評估方法[15]，可以依據毀傷程度量化為4個級別：

a) 輕度毀傷：目標幾何和紋理特征變化不大，目標被認為基本上不受影響；毀傷程度≤20%(紋理變化率≤10%，毀傷前后相似度≥60%)

b) 中度毀傷：目標幾何特征變化較大，紋理變化很小，目標受到輕微攻擊，但內部結構受到很大影響；毀傷程度20%～40%(紋理變化率20%～30%，毀傷前后相似度40%～60%)；

c) 重度毀傷：目標紋理特征變化很大，幾何特征變化一般，判定雖然外形維持原狀，但內部受損較嚴重；毀傷程度40%～60%(紋理變化率30%～40%，毀傷前后相似度30%～40%)；

d) 報廢毀傷：目標幾何、紋理特征均受損嚴重，定性報廢。毀傷程度≥60%。(紋理變化率≥40%，毀傷前后相似度≤40%)。

5.2.3火控系統性能評價指標

火力發射控制單元為智能武器站的發射控制驅動響應單元，主要控制武器系統的各種擊發機構，實現半自主擊發控制。

1) 系統反應時間。系統反應時間定義為：從系統發現目標開始到允許射擊為止的耗時。對于不同火力打擊方式的系統工作流程也不完全相同，分別通過對不同種類火力打擊方式(如機槍、榴彈、導彈等)的系統反應時間進行估算。

2) 彈道解算精度。指完成機槍、榴彈的彈道射擊諸元的計算[16]。彈道解算利用傾角傳感器的姿態信息將目標位置信息轉換到水平直角坐標系，進行航跡濾波處理獲取目標相對運動參數估計，再利用射表和彈道修正量計算出水平坐標系的命中點，再根據該命中點坐標和姿態信息計算輸出槍塔球坐標系的機槍/榴彈射擊諸元。

3) 自動調槍精度。系統在伺服控制下跟隨階躍信號響應的誤差即為調槍精度。包括：諸元解算精度和槍塔、槍身轉動精度。

4) 自動調槍速度。通過系統階躍響應可以計算出系統的在單位時間內調轉槍口的角度，即為調槍速度。

5) 射擊控制安全性。射擊控制主要用于完成機槍/榴彈/導彈等武器的射擊安全控制，需要綜合判斷“禁射區域外”、“隨動無超差”、“火力射程內”、“彈道軌跡無遮擋”等射擊安全聯鎖條件均滿足時，才輸出機槍/榴彈允許射擊提示。對于導彈，在發射前需完成導彈的信息交互，在武器平臺調整到位后，才輸出允許導彈發射信號。智能判斷射擊安全聯鎖條件均滿足時，向遠程終端輸出“允許射擊提示”，人工“確認”射擊后，向火力發射控制箱輸出允許射擊信號。

5.2.4無線數據傳輸單元性能指標

無線數據傳輸作為智能武器站與遠程終端之間的數據通訊，以實現兩者之間遙控指令信息和寬帶遙測信息(圖像)的無線抗干擾傳輸。

1) 通信距離。自由空間傳播是指電波在具有無限真空的天線周圍傳播，這是理想的傳播條件[17]。當電波在自由空間傳播時，其能量既不被障礙物所吸收也不被反射或散射。

2) 信道帶寬。信道包括模擬信道和數字信道。在模擬信道，帶寬可按公式計算；數字信道的帶寬為信道能夠達到的最大數據速率，模擬信道和數字信道之間可通過香農定理來實現相互轉換。

a) 模擬信道帶寬。模擬信道的帶寬w=f2-f1，其中f1是信道能夠通過的最低頻率，f2是信道可以通過的最高頻率，這兩者都是由信道的物理特性決定的。

b) 數字信道帶寬。數字信道是一種離散信道，只能傳輸離散值的數字信號。Shannon的研究表明，噪聲極限數據速率可以通過以下公式計算[18]：

(6)

式(6)中:w為信道帶寬；s為信號的平均功率；n為噪聲的平均功率；s/n為信噪比。

3) 時延。時延是指將消息或數據包從網絡的一端傳送到另一個端所需要的時間，即：時延=傳輸時延+傳播時延+處理時延+排隊時延。通常，傳輸時延與傳播時延是我們主要考慮的性能指標。對于報文長度較大的情況，傳輸時延是關鍵指標；當消息長度很小時，傳播時延是一個關鍵指標。

a)傳輸時延:指的是站點在發送數據幀之前開始發送數據幀所花費的時間(或者站點接受數據幀的整個時間)。

b)傳播時延：指的是發送方開始向接收方發送數據以接收到數據所需的總時間，這與傳輸距離有關。

6 結論

本文提出了智能武器站性能評價指標體系，分析了指標的內涵。智能武器站作為新型武器系統，折射出了智能時代、信息戰爭、信息化戰場的豐富內涵；不僅是技術層面的問題，也能體現出軍事思想、戰略戰術、勤務保障等多方面深層次的問題。因此，應當在智能技術快速發展的同時，對智能武器站的評價性能指標超前研究，并深入分析系統體系結構特點和新技術的應用潛力，建立智能武器站的理論體系，對武器站的發展論證、設計理論、體系結構起到理論借鑒的作用。