無人機集群協(xié)同偵察任務效能評估方法研究*

齊智敏 張海林 楊鵬飛

（軍事科學院戰(zhàn)略評估咨詢中心 北京 100091）

1 引言

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、腦科學等新興技術的發(fā)展，智能化戰(zhàn)爭概念和無人化作戰(zhàn)理念不斷深化，戰(zhàn)爭形態(tài)正悄然發(fā)生改變。智能無人系統(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)爭主體，將在未來戰(zhàn)爭中發(fā)揮至關重要的作用。由大量較低成本、功能單一的無人機構建成高效協(xié)作、自組織、穩(wěn)定的分布式作戰(zhàn)集群，能夠克服單一無人機的能力缺陷，有效提高無人機的生存能力，豐富無人機戰(zhàn)術戰(zhàn)法，成為各國研究無人機作戰(zhàn)運用的主要樣式。世界各國從無人機集群裝備研發(fā)、自主組網(wǎng)、集體決策、分布式感知、可靠與彈性通信、分布式計算與分析等方面，開展了大量研發(fā)工作。如美國通過國防高級研究局（DARPA）等機構相繼展開了系列無人機集群項目，包括小精靈Gremlins、拒止環(huán)境中的協(xié)同作戰(zhàn)CODE、山鶉Perdix、低成本無人機集群技術LOCUST等［1］。

相對于無人機集群作戰(zhàn)相關裝備與理論的快速發(fā)展，無人機集群效能評估方面的研究相對滯后。關于無人機集群作戰(zhàn)效能方面的研究主要有：文獻［2］使用DoDAF 從體系高度構建了無人機協(xié)同作戰(zhàn)指標體系，將能力指標分為量綱指標和概率指標，運用ADC 法計算了效能值。文獻［3］定義了效能影響因子模型，得出了攜帶不同任務載荷無人機群的協(xié)同作戰(zhàn)效能計算模型，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［4］在ADC 法基礎上加入了作戰(zhàn)保障能力系數(shù)，并采用了定量加定性的評估方法。文獻［5］運用協(xié)同系統(tǒng)綜合指數(shù)模型，形成了一種面向典型任務的有人/無人機協(xié)同效能評估方法。

準確的效能評估方法和結論能夠為無人機集群作戰(zhàn)理論研究提供支撐，是開展各項無人機集群作戰(zhàn)研究的基礎。論文借鑒武器裝備關鍵作戰(zhàn)問題（COI）效能評估方法［6］，建立了智能無人機集群“作戰(zhàn)任務-預期效果-智能無人機群能力屬性-智能無人機群效能指標”映射關系，探索了一種基于預期目標的智能無人機集群作戰(zhàn)任務效能評估方法。

2 指標體系構建

本文從無人機集群執(zhí)行偵察任務所需運用的基本能力出發(fā)，細化分解形成能力要素，構建了評估指標體系［7～9］。指標體系共分為三層：綜合能力層、基礎能力層和要素層。綜合能力層主要分為平臺基本能力和集群協(xié)同能力兩部分。平臺基本能力是指單無人平臺根據(jù)其性能配置，所具備的獨立遂行任務的能力。集群協(xié)同能力，是指多平臺之間自主協(xié)同，涌現(xiàn)產(chǎn)生的組合能力。基礎能力層是指形成綜合能力所需的各分項能力，將平臺能力劃分為基本性能、環(huán)境適應能力、數(shù)據(jù)通信能力、生存能力和偵察能力。要素層，是基本能力細化分解的可量化的基本構成要素。如圖1所示。

圖1 智能無人機集群偵察任務效能評估指標體系

3 評估方法研究

無人機集群作戰(zhàn)任務效能與集群組成、載荷配置、協(xié)同水平等因素緊密相關。借鑒武器裝備關鍵作戰(zhàn)問題（COI）效能評估方法，研究提出智能無人機集群作戰(zhàn)任務效能評估分解模型。

智能無人機集群作戰(zhàn)任務效能評估方法用于建立智能無人機集群作戰(zhàn)要素指標與其完成作戰(zhàn)任務的效能之間的關系，評估智能無人機群完成作戰(zhàn)任務、達到預期效果的水平。智能無人機集群作戰(zhàn)任務效能評估分解模型從無人集群的作戰(zhàn)任務出發(fā)，層層分解最終落實到智能無人機集群作戰(zhàn)效能評估指標，然后從評估指標結果自下而上評估其作戰(zhàn)任務效能，實現(xiàn)作戰(zhàn)任務完成程度到智能無人機群體作戰(zhàn)效能評估指標的映射和追溯，分解關系可分為任務層、屬性層、指標層三個層級。模型框架如圖2所示。

圖2 評估模型框架

主要步驟如下：

1）從無人機的作戰(zhàn)任務出發(fā)，通過作戰(zhàn)任務分析，對作戰(zhàn)任務進行層層分解，提出完成作戰(zhàn)任務的關鍵作戰(zhàn)問題，形成任務目標。

2）梳理完成作戰(zhàn)任務的預期效果，從實現(xiàn)作戰(zhàn)目標需達到的預期效果、達到預期效果需要無人機集群具備的能力屬性、衡量能力屬性需要哪些具體指標等角度，逐層將作戰(zhàn)任務能力分解到智能無人機集群作戰(zhàn)效能評估各級指標體系各指標項中。

3）建立“作戰(zhàn)任務-預期效果-智能無人機集群能力屬性-智能無人機集群效能指標”的各級映射關系，并從評估結果聚合形成智能無人機集群作戰(zhàn)任務效能評估結論。

智能無人機集群作戰(zhàn)任務效能分解過程如圖3所示［10］。

圖3 作戰(zhàn)任務分解過程

圖中可以看出作戰(zhàn)任務分解到智能無人機集群作戰(zhàn)效能評估指標的基本原理，并建立了分解映射矩陣。即“作戰(zhàn)任務-期望效果”分解映射矩陣為。“期望效果-能力屬性”分解映射矩陣為。“能力屬性-效能指標”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重。以“作戰(zhàn)任務-期望效果”分解映射矩陣為例，式（1）表明當期望效果與偵察任務完全不相關時，權重均為0，當期望效果與作戰(zhàn)任務相關時，需根據(jù)相關的期望效果的數(shù)量分配相應的相關度權重。評估中，建議采取專家評價法確定指標及權重值。

4 評估案例分析

偵察任務效能，用以衡量無人機集群的戰(zhàn)場態(tài)勢感知、目標發(fā)現(xiàn)、目標定位、目標識別等能力。無人機在戰(zhàn)場執(zhí)行巡邏監(jiān)視、目標搜索、火力引導、效果評估等相關作戰(zhàn)任務時，均涉及偵察任務效能［11］。根據(jù)偵察任務效能評估指標體系所列，偵察任務能力由基本性能、環(huán)境適應能力、數(shù)據(jù)通信能力、生存能力、偵察能力、協(xié)同能力等基礎能力構成。

按照智能無人機集群作戰(zhàn)任務效能評估分解模型評估步驟如下。

4.1 構建“作戰(zhàn)任務-預期效果”映射矩陣

首先是構建“作戰(zhàn)任務-預期效果”映射矩陣，構建過程應從作戰(zhàn)角度充分考慮完成該任務想要達到的預期效果，并考慮預期效果與作戰(zhàn)任務目標的一致性。構建的關鍵是獲取正確的關聯(lián)信息，該過程可以通過專家或權威信息獲取。

構建原則：預期效果數(shù)量大于或等于作戰(zhàn)任務目標數(shù)量，每個作戰(zhàn)任務的目標都至少可以對應一個預期效果，每個預期效果都至少可以對應一個作戰(zhàn)任務目標。

1）通過專家咨詢或權威文獻收集群體偵察的任務目標和預期效果。

偵察任務目標：確保自身安全、迅速完成偵察任務，獲取偵察情報。偵察預期效果：避免被敵偵察裝備發(fā)現(xiàn)、科學規(guī)劃偵察航線、精準定位目標位置、正確分析目標性質(zhì)。

2）通過層次分析法獲取映射矩陣權重。得到群體偵察任務“作戰(zhàn)任務-預期效果”映射矩陣，如表1所示。

表1 集群偵察任務“作戰(zhàn)任務-預期效果”映射關系

得到映射矩陣如下：

4.2 構建“預期效果-能力屬性”映射矩陣

按照相似的思路進一步對期望效果和智能無人機集群能力屬性進行分解映射。智能無人機群能力屬性描述為了達到預期效果，智能無人機群應具有的定性或定量的屬性，主要是無人機群的行為和能力描述。例如：目標偵察的實時性和準確性等。

構建分解映射矩陣原則：每個預期效果至少有一個能力屬性與之對應。構建步驟如下：

1）通過專家咨詢列舉與完成作戰(zhàn)任務相關的智能無人機集群作戰(zhàn)能力屬性。

2）通過層次分析法獲取映射矩陣權重。得到群體偵察任務“預期效果-能力屬性”映射矩陣。

映射關系如表2所示。

表2 “預期效果-能力屬性”映射關系

得到映射矩陣如下：

4.3 構建“能力屬性-效能指標”映射矩陣

智能無人機群效能指標，用來定量或定性衡量智能無人機群屬性。在建立映射矩陣時適當對指標體系進行裁剪，保留與作戰(zhàn)任務相關的指標項［12］。以示例形式給出映射關系和映射矩陣如表3所示。

表3 “能力屬性-效能指標”映射關系

得到映射矩陣如下：

至此，我們可以通過映射矩陣Z，X，S，并通過指標項的評估結果，反向追溯得到作戰(zhàn)任務能力評估結果。若無人機平臺和群協(xié)同指標項評估結果（采取10分制）為P=[9 7 8 8 5 2 8 4 6]T，則可以得出智能無人機集群偵察任務三個關注任務目標的計算結果為

[RT]3×1=S3×4X4×11Z11×9P9×1

5 結語

通過構建“作戰(zhàn)任務-預期效果-能力屬性-效能指標”的邏輯分析鏈路，理清無人機集群執(zhí)行作戰(zhàn)任務時，“需要達到的目標”、“需要具備的能力”及“具體的效能指標”之間的關系，構建從指標到任務的評估模型，進而改變以往脫離任務評效能的問題，實現(xiàn)基于任務的效能評估理論方法，提升無人機集群作戰(zhàn)效能評估的針對性和科學性。