基于模糊層次分析法的無人機運輸效能評估

袁子怡，曾 勇

（武警后勤學院，天津 300309）

0 引言

隨著現代科技水平的提高，無人機在運輸方面具有速度快、適應性強、定位準、人力少、調整靈活等特點，特別是在蜂群式補給、傷病員后送、運輸編隊防護[1]等方面應用廣泛，使得世界各國爭相快速發展無人機技術。因此，研究無人機運輸效能對整個物流體系具有重要作用。

1 無人機運輸效能評估指標體系

1.1 評估思路和步驟

效能評估常用的方法有德爾菲法、層次分析法（AHP）、模糊綜合評判法、灰色白化權函數法、主成分分析法（PCA）、正負理想法、ADC 法等[2]，其中德爾菲法、層次分析法主觀性較強，過于依賴專家的意見，而主成分分析法和正負理想法使用范圍較小，ADC法計算量大且復雜。本文綜合各種方法的優缺點，將模糊評價法與層次分析法相結合，解決了專家意見的模糊性和主觀性較強的缺點。評估思路：首先，根據專家經驗以及相關資料，利用層次分析法構建三級評價指標體系；其次，利用模糊評價法中的三角模糊函數，將其中的定性評價轉化為定量評價，從而解決難以量化且模糊的問題，降低主觀性帶來的影響，從而確定各指標的權重，并對其進行去模糊化和標準化處理；最后，請專家對四款多旋翼無人機的各項指標進行打分，輸出綜合評估得分，并根據此分數進行比較分析。無人機保障效能評估主要包括構建效能評價指標體系、確定指標權重、專家打分以及輸出綜合評估結果等4個步驟，如圖1所示。

圖1 無人機保障效能評估流程圖

1.2 無人機運輸效能評價指標

根據運輸任務需求以及多方面影響因素，結合無人機保障的自身特點，從機體性能、導航能力、保障能力、生存能力、環境適應能力、任務執行能力六個方面[3]構建評價指標體系。其中，考慮到無人機本身的起降能力、飛行速度、續航時間、使用壽命、最大航程因型號、廠家的不同會有所差別，在一定程度上會對其他能力產生影響，進而影響運輸效率，因此，將其作為機體性能的二級指標。導航能力是無人機所需具備的最基本的能力，是完成所有任務的前提和基礎，包括目標定位、自主導航、自動規劃等能力，目標定位的精確性、導航性能的準確性及航線規劃的合理性，均有利于提高物資運輸效率。保障能力主要考慮無人機的載重能力、載物容積以及裝卸能力等。同理，可得到其他一級指標的二級指標，最終得到的無人機運輸效能評價指標體系如圖2所示。該指標體系共分為3層，按照從上往下、從左往右的順序對每個指標進行編號。

圖2 無人機保障效能評價指標體系

1.3 計算運輸效能指標權重

無人機保障效能的指標體系包含定性指標和定量指標，由于很難用確定的值來表示定性指標的重要性程度，且模糊性較強，對專家的意見依賴性較強。本文將三角模糊理論與層次分析法相結合，即三角模糊層次分析法[4]，邀請專家對同一層次的指標相對于上層指標的重要性程度進行評估，以三角模糊數的形式來表示，經過一系列步驟確定最終的指標權重。具體計算方法如下：

（1）構建模糊評價矩陣。設指標體系中第T層的第K個指標為XTK，以XTK為參考指標，與XTK相關聯的第T+1 層的n個指標可表示為XT+1,1，XT+1,2，XT+1,3，…XT+1,n。邀請3 位相關專家，對T+1 層的任意兩個指標進行重要性程度比較，并采用薩迪標度法進行標度。

邀請3位專家根據重要性標度對各指標給出相應的重要性評語，并用三角模糊數來表示專家評語的重要性程度，構建無人機運輸效能評價指標體系各個層次的評價矩陣，見表1。

表1 指標{C1,C2,C3,C4,C5,C6} 相對于上一層指標O的評價矩陣

（2）一致性檢驗。模糊評價矩陣是根據專家經驗所得，可能會因為主觀因素導致矩陣存在不一致的結論，即可能出現A＞B,B＞C,C＞A 的情況。在模糊評價矩陣中，由于lij和uij的值都在mij附近，且mij是模糊評價矩陣中最重要的值，它的隸屬度最大，所以只需檢驗MTK'=的一致性即可。

①計算模糊評價矩陣的最大特征根λmax。

②計算每個最大特征根的一致性指標CI：

③計算矩陣的檢驗系數CR：

④判斷一致性檢驗是否通過。若計算所CR<0.1，表示滿足一致性條件，若CR>0.1，就需要對矩陣進行調整，直至滿足一致性條件為止。

通過計算發現O、C1、C2、C3、C4、C5、C6的一致性檢驗系數CR均小于0.1，由此判斷矩陣滿足一致性條件，通過檢驗。

（3）計算各指標初始權重。首先對模糊評價矩陣進行模糊數整合，然后確定各指標相對于上一層指標的初始權重，公式如下：

①模糊數整合,結果見表2。

表2 指標{C1,C2,C3,C4,C5,C6} 相對于指標O 的模糊數整合

②確定初始權重，見表3。

表3 各指標相對于上一層指標的初始權重表

根據指標體系中的層次關系，求出各級指標相對于目標層O的權重，即絕對權重，如下：

2 四款多旋翼無人機保障效能比較評估

2.1 確定評價因素及評價集

本文評估對象主要為某科技公司生產的A、B、C、D四款多旋翼無人機。指標體系中的各指標作為模糊綜合評價的因素集，針對本文問題，對各指標設定評價集V：{很好，好，一般，差，很差}，對應的評分集為Z={1，0.8，0.6，0.4，0.2}。

2.2 構建無人機模糊關系矩陣

無人機精確保障評價指標體系包括6 個一級指標，每個一級指標均包括數個二級指標，因此需要構建6個模糊關系矩陣R。本文假設專家已根據圖2的評價指標體系對四款無人機進行了評分，得到了模糊關系矩陣，本文以A款無人機為例，其余三款無人機計算方法類似。

其中矩陣中數字表示專家對各指標的評價在評分集中所占比重，例如，(0.2,0.4,0.3,0.1,0)表示有20%的專家認為P1指標很好，40%的專家認為好，30%的專家認為一般，10%的專家認為差，0%的專家認為很差，以此類推。

2.3 計算模糊綜合評判得分

由權重向量Ai和模糊關系矩陣Ri，計算評價向量Bi=Ai*Ri(i=1,2,...,6），進而得到目標層的模糊關系矩陣R0。

A款多旋翼無人機的目標層模糊關系矩陣R0為：

進而求得評價向量：

利用Bi*評分集ZT分別求得A、B、C、D 四款多旋翼無人機的最終綜合得分及各一級指標的具體得分，見表4。

表4 四款多旋翼無人機得分

由表4 可知：綜合效能A＞B＞C＞D，機體性能B＞C＞D＞A，導航能力A＞B＞C＞D，保障能力A＞B＞C＞D，生存能力A＞B=C＞D，環境適應能力A=B=C=D，任務執行能力A＞B＞D＞C。綜合而言，A型無人機更適合物資運輸任務。

3 結語

無人機是未來無人智能化物流的主要手段，無人機運輸效能在一定程度上決定著物流效率。本文針對無人機運輸的特點與影響因素，在建立無人機運輸效能評價指標體系的基礎上，應用模糊層次分析法確定各層級指標權重，最終用模糊綜合評價法對四款無人機的運輸效能進行評分，為今后研究無人機運輸效能提供參考依據。