基于ADC模型優化的海上無人機作戰效能評估

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

隨著科技發展迅速演進的作戰樣式亟需構建有人/無人、艦機協同一體化海上作戰體系,以擴展作戰空間、豐富作戰手段、提高作戰效率、降低作戰風險,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、監視、取證,快速發現、識別、跟蹤監視和打擊目標。通過定性和定量分析對海上無人機作戰效能評估是合理運用無人機以提高其任務執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,對作戰力量在執行任務過程中該裝備發揮有效作用程度的評價和估量,其評估對象不僅包括裝備,還包括作戰過程中影響裝備效能發揮的各種因素[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運用。但ADC模型主要考慮任務執行前的裝備可用性及任務執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因素,忽略了在任務執行前及執行過程中人為因素以及戰場環境因素等動態變化因素的影響,導致其評估結果與實際作戰情況相差較大[5-8]。針對上述問題,對傳統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,結合裝備技戰術指標以及作戰運用因素,經定性和定量分析,重構作戰能力矩陣C,并將改進后的模型用于某型無人機海上作戰效能評估研究。

1 ADC模型及其改進

1.1 ADC模型基本原理

根據系統效能概念內涵,美國工業界武器系統效能咨詢委員會在1963年構建了傳統ADC系統效能評估模型,評價和估計裝備在一定約束條件下完成作戰任務的程度[9-10]。傳統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,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,作戰效能E表示裝備作戰能力相應指標受可用度和可靠度影響后的實際效能;確定系統狀態數后,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,且受到執行任務過程中的人為因素、戰場環境、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、可靠度和作戰能力之間的關系函數對裝備作戰效能進行評估,簡單明了地指出了裝備系統構成、運用可靠性與技戰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,作戰能力矩陣C沒有統一的標準架構。對于海上作戰無人機而言,其系統構成復雜,定量技戰術指標不足,且執行任務過程中受人為因素、戰場環境因素影響較大,很難用常規方法通過對裝備技戰術指標的定量化分析構造作戰能力矩陣C。因此,在梳理典型海上無人機技戰術指標的基礎上,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范化處理,構造作戰能力矩陣C。

在裝備執行任務過程中,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揮,實現人為因素增能,但戰場環境因素也會制約裝備固有能力的有效發揮。因此,基于傳統ADC模型,引入人為因子M和戰場環境因子H,構建能夠全面、綜合反映海上無人機作戰效能的評估模型。重新構建后的作戰效能評估模型為

E=A×D×C×M×(1-H)

(3)

2 海上無人機作戰效能評估指標體系

2.1 效能評估指標體系構建

從海上作戰雙方對抗角度出發,可以將無人機作戰能力劃設為機動能力、防護能力、偵察監視能力、現場取證能力、喊話警告能力、武器打擊能力、電子對抗能力、信息通聯能力,且其作戰能力的有效發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場環境因素中的自然環境因素和對抗環境因素影響,其構建海上無人機作戰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能力影響因素,層層分解得到無人機作戰效能評估指標體系,如圖2所示。其中,構成作戰能力C的8項二級能力指標代表無人機綜合能力,考慮人為因素和戰場環境因素,結合國內外海上作戰、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 海上無人機作戰能力影響因素關系圖

圖2 海上無人機作戰效能評估指標體系

2.2 指標分類及處理

根據圖2效能評估指標體系中三級指標的性質特點,對其進行量化和規范化處理是獲取作戰能力矩陣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范化處理的方法。

1) 根據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,利用經驗知識對定性指標滿意度進行打分賦值,如根據無人機整體結構強度、機動性以及實戰情況等因素,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范化的公式不同,常用的規范化方法是將該指標實際數值與期望值相比。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任務,其規范化公式為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,則規范化結果為2/5=0.4。

3 海上無人機作戰效能模型構建

3.1 可用度A分析

海上無人機可用度A表示其執行任務前的狀態,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。以無人機系統組成為主要依據,考慮執行海上作戰任務所需的相關載荷,可以將無人機系統分為飛行器子系統、地面或艦載控制子系統、發射和回收裝置、任務載荷、數據鏈路等[12],除偵察監視載荷外,其他任一子系統出現故障,則認為無法執行任務。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視載荷,喊話裝置載荷和武器載荷,其中偵察監視載荷中,有任意一個設備工作即可認為能執行偵察監視任務,但其偵察監視能力會相應降低。

分析無人機組成要素及其執行任務過程中的主要行動,構建無人機系統可靠性框圖,如圖3所示。假設各子系統之間相互獨立,互不影響,其狀態變化為獨立隨機事件,通過分析框圖,可以得到無人機系統工作狀態表[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中無人機系統各子系統的序號。對應無人機系統工作狀態表,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表示其執行任務過程中各子系統正常工作且完成相應任務的能力。一般認為無人機系統運行過程中各子系統故障分布時間服從指數分布,則無人機系統執行任務期間其保持正常工作狀態的概率為

Ri=exp(-Ti/MTBFi) (i=1,2,…,9)

(6)

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

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

(7)

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

3.3 作戰能力C分析

海上無人機作戰能力矩陣C表示其在不同狀態下,完成任務的能力度量,反映系統性能與實戰能力要求之間的符合程度。作戰能力矩陣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種工作狀態下各子系統性能指標作用程度不同,根據無人機作戰能力指標下各三級指標特點,對其指標數據進行量化或規范化處理,獲得8種工作狀態下各三級指標無量綱數值,并利用層次分析法,確定各三級指標權重,經計算可獲取各二級指標在8種工作狀態下的無量綱值,從而構建作戰能力矩陣C。

各種工作狀態下無人機作戰能力為

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時的作戰能力;C2為無人機“⑤故障,其他正?！睜顟B時的作戰能力;C8為無人機“①②③④⑧⑨至少一個故障或⑤⑥⑦故障”狀態時的作戰能力,即C8=0。

3.4 人為因子W及戰場環境因子H分析

海上無人機執行任務過程中,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效能的發揮。根據圖2作戰效能評估指標體系,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為各三級指標數值,取值范圍為0～1。

與人為因子W模型構建過程相似,根據圖2作戰效能評估指標體系,利用層次分析法獲取戰場環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,使用優化后的ADC模型對其執行海上作戰任務效能進行評估。執行任務過程中,該型無人機在實戰環境中完成對戰場目標的現場處置任務,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經驗,其指揮控制能力及操作和保障能力處于適中狀態;二是戰場目標電子干擾能力較弱,但其機動能力較強;三是自然環境和對抗環境復雜。

4.1 可用度A和可靠度D計算

根據平日實踐經驗及訓練情況,該型無人機各子系統平均故障時間和平均故障修復時間數據如表2所示。

表2 海上無人機子系統可用性數據

根據式(4),可求出各子系統可用度:

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,發射和回收裝置執行任務時間是0.5 h,喊話裝置執行任務時間是2 h,武器執行任務時間是0.5 h,其余子系統執行任務時間為4 h,即T=4,根據式(6)計算可得無人機各子系統可靠度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。

根據式(7)、式(8),經計算可得海上無人機可靠度矩陣D:

4.2 作戰能力C計算

以該型無人機性能參數作為作戰能力分析的基礎,考慮戰場環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,經計算可得作戰能力矩陣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[15]。通過專家咨詢判斷各類二級指標相對重要性,以數字1～9表示其重要程度,其判斷結果以數值形式表示,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,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wight:

使用同樣的方法經計算可得作戰能力下各三級指標權重系數。

在各種工作狀態下,海上無人機作戰能力三級指標涉及大量定性和定量指標,區分成本型指標和效益型指標,根據專家意見和國內外相關作戰和訓練經驗,對其進行量化和規范化獲得無量綱指標數值,表6所示即為無人機無故障工作狀態下各三級指標無量綱數值。

表6 無故障狀態下各三級指標無量綱數值

表6中,偵察監視載荷類型無量綱數值中,當光電平臺、SAR、激光雷達狀態完好時,參考專家意見和實踐經驗,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,根據各子系統之間關系,可得海上無人機各工作狀態下的作戰能力各級指標權重及無量綱數值,如表7所示。

表7 各工作狀態下各級指標權重及無量綱數值

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

由式(9)、(10)可得作戰能力矩陣C為

4.3 人為因子W計算

根據專家咨詢及海上實踐經驗,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值,如表8所示。

表8 人為因子各級指標權重、數值

由式(11)可知,W=0.911 7。

4.4 戰場環境因子H計算

根據專家咨詢及國內外海上作戰、訓練實踐經驗,利用層次分析法,得到戰場環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值,如表9所示。

表9 戰場環境因子各級指標權重、數值

由式(12)可知,H=0.159 7。

4.5 作戰效能E計算

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

E=A×D×C×M×(1-H)=0.431 2

如果不考慮人為因素和戰場環境因素,則該型無人機遂行海上作戰任務效能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性能的影響,沒有考慮人為因素和戰場環境因素等動態因素的影響,因此,與考慮人為因素和戰場環境因素后得到的作戰效能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效能。從作戰效能計算結果可知,人為因素和戰場環境因素對無人機作戰效能影響較大,因此,研究提高指揮員的任務規劃和指揮協同能力、無人機操控人員的裝備操作及技術保障水平,降低自然環境和戰場對抗環境的影響,提高無人機的環境適應能力和對抗能力,將能大幅增加海上無人機作戰效能,提高其任務完成度。

5 結論

從海上對抗實踐的角度出發,綜合影響無人機作戰效能充分發揮的各種因素,對傳統ADC模型進行了分析和優化,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,從無人機可用性、可靠性、作戰能力、人為因素和戰場環境因素等方面分析影響無人機作戰效能的相關因素,層層分解,構建了更全面的海上無人機效能評估指標體系,更貼近海上作戰裝備運用實際情況。

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

3) 針對傳統ADC模型中只考慮靜態因素、忽略動態因素的不足,引入人為因素和戰場環境因素,對傳統ADC模型進行了拓展和改進優化,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化后的ADC模型對某型無人機執行海上作戰任務的效能進行評估,相比傳統ADC模型評估結果,其效能值較小,但評估結果更為客觀可信。改進優化后的ADC模型中,人為因素和戰場環境因素下的三級指標值需結合海上作戰實踐和專家打分法獲取,主觀性較大,存在一定的不合理性,后續可以進一步研究,提高其合理性和可信性。改進優化后的ADC模型還能為其他海上作戰裝備效能評估提供參考借鑒。