無人機自主作戰效能評估技術研究綜述

劉樹光, 邵明軍

(空軍工程大學裝備管理與無人機工程學院,西安 710000)

0 引言

無人技術、信息技術、智能技術的迅速發展,驅動智能化裝備逐漸成為軍事領域的重大變革方向,未來戰爭將呈現出無人化和智能化特征[1]。近年來,各國高度重視軍事智能化、無人化的研究探索,無人機作為集各種先進技術于一體的空中作戰平臺,具備感知探測、識別判斷、規劃決策、火力打擊、任務協同的能力,被廣泛應用于各類作戰任務。隨著無人機智能化程度的不斷提高,無人機將具備自主感知、自主決策、自主學習等一系列自主能力,未來基于自主能力的無人機自主作戰樣式將成為作戰運用的新形態。對無人機自主作戰效能進行評估,是研究無人機自主能力與實際作戰相結合的重要手段。通過對無人機自主能力及作戰效能開展試驗評估,及時了解自主能力在作戰條件下的綜合表現,可為無人機裝備體系化作戰運用提供決策支持,為促進無人機裝備自主作戰能力生成提供強力支撐。

為此,本文立足于無人機自主作戰效能評估,從無人機裝備自主性、作戰能力等基本內涵出發,綜述無人機作戰效能評估技術進展,研究當前無人裝備作戰效能評估指標體系及評估方法現狀,展望未來無人機自主作戰效能評估發展趨勢,為推進無人機自主作戰效能評估發展提供技術參考。

1 自主作戰效能評估問題分析

為科學、精準地牽引無人裝備發展,美國從無人裝備自主控制技術論證出發,不斷研究基于無人系統自主性試驗論證評估[2],逐步向基于無人機自主作戰能力試驗評價及效能評估模式[3]發展,相關研究一直處于世界前列。因此,研究無人裝備自主作戰能力不僅是論證無人作戰技術、評估作戰效能的關鍵,也是突破技術封鎖、掌握核心技術、提升無人作戰能力、增強部隊整體作戰實力的迫切需要。

作戰效能通常是指在具體作戰環境中,武器裝備作戰能力在整個戰場態勢下的實際表現,是武器裝備系統及其相關兵力執行作戰任務時所能實現預期目標的度量[4],是裝備、人和環境的綜合作用的結果[5]。研究無人機自主作戰效能首先要理清其中重要概念及研究思路,有助于為下一步展開效能評估奠定理論基礎。

1.1 自主作戰效能相關概念辨析

自主性、自主能力、自主作戰能力、自主作戰效能是研究無人系統自主作戰效能評估中重要的4個概念,不僅是當下分析無人裝備在遂行任務過程中運用無人化、智能化技術進行自主作戰以及效能發揮的關鍵要素,也是反映無人系統自主化程度及作戰實力的重要概念,四者密切聯系又有區別。

1.1.1 自主性與自主能力的關系

美國空軍發布的《自主地平線》[6]報告中對無人系統自主性進行了定義,認為自主性是無人系統在集成智能技術的基礎上,運用傳感器以及復雜程序,在更廣泛的作戰條件和復雜環境下,應對未規劃或未知情況的自治和自我指導的行為。自主能力是無人系統在不受外來干涉的情況下對外界自主做出反應或者決定的能力,是無人系統自身性能以及自主性外化的表現,是無人系統最本質的屬性。兩者都是無人系統自主化性能的重要表述,只是表述形式不同,自主性側重的是描述無人系統自身屬性特征,而自主能力側重的是能夠在工程中逐步實現且可以量化,甚至可以用來比較的屬性[7]。

1.1.2 自主作戰能力與自主作戰效能的關系

自主作戰能力是無人機裝備遂行規定任務達到規定目標所展現的“本領”,是無人機系統依靠自主意識在作戰環境中所發揮出的自主能力,是相對靜態的概念,其能力大小與無人機裝備的自主化程度、戰術技術性能以及使用性能等有關。自主作戰效能是指無人機裝備遂行給定作戰任務能發揮有效作用的程度,是在特定作戰條件下依靠自主作戰能力完成規定作戰任務的度量,是相對動態的概念。自主作戰能力是自主作戰效能的基礎,是完成規定目標所需要的基礎主觀條件;而自主作戰效能是無人機裝備自主作戰能力發揮的終極狀態,反映的是無人機裝備遂行任務的效果,不僅與自主作戰能力有關,還與作戰過程、自主能力的運用、作戰環境以及系統整體有關[4]。

1.2 自主作戰效能評估基本內容

隨著無人機智能化和自主控制技術的不斷發展,無人機在信息自主獲取、傳遞、處理、判斷以及平臺、任務載荷的控制能力等方面均取得了顯著進展,并逐步實現與作戰任務的緊密結合,形成了以OODA作戰環等理論為基礎的一系列自主作戰樣式。當前為緊貼無人機自主技術發展變化,精確衡量無人機自主能力在戰場態勢下的實戰運用以及作戰效果,重點對無人機作戰適宜性、自主作戰能力、戰術技術性能以及任務完成效率等展開分析,同時考慮到無人機作戰任務需求,對無人機數量、作戰模式、指揮/操作人員能力水平等效能影響因素進行剖析。由此,構建能夠展現作戰全過程、全要素的綜合指標體系以及探索科學、合理的效能評估方法,實現對無人機作戰效能的可靠評估,應是下一步研究無人機自主作戰效能評估技術的重點內容。

1.3 自主作戰效能評估基本流程

研究無人機自主作戰能力,評估自主作戰效能,不僅是衡量無人機在特定作戰條件下完成預定目標任務的有效途徑,還是確定無人機戰術技術指標和自主作戰運用方式的重要依據。通過試驗評估可以發現裝備在研發和作戰中存在的問題,進而優化、調整、完善無人機系統的性能指標以及戰法運用,最終達到作戰效能評估的目的,提升無人機在戰場上最大效能的發揮。因此,明確作戰效能研究思路和評估流程,對于無人機自主作戰效能評估至關重要。首先,要明確作戰使命、作戰任務,確定評估對象、主體和目的;然后,根據評估對象的自主性特點及評估目的,從頂層設計出發,確定評估總體框架和模型架構;通過分析系統的構成、功能及影響因素,科學、合理地構建效能評估指標體系;最后,確定評估方法、建立評估模型,對無人機自主作戰展開效能評估并進行結果分析驗證。無人機自主作戰效能評估的基本流程如圖1所示。

圖1 無人機自主作戰效能評估基本流程

2 自主作戰效能評估指標體系研究現狀

對無人機自主作戰效能進行評估,關鍵在于所選取的指標對作戰效能評估結果的影響[8]。指標體系作為效能評估的基礎,關系著效能評估結果的科學性和精確性,構建效能指標需要充分考慮作戰任務對無人機系統的性能要求以及效能需求,通過對效能指標進行篩選、分析和判斷,從而形成能夠體現無人機自主作戰特點的結構化指標體系。國內外不少學者以各種無人裝備為研究對象,構建了相對應的作戰效能評估指標體系,可為后續無人機自主作戰效能指標構建提供參考。本文基于任務視角,從武器裝備基礎功能、作戰任務與能力需求、作戰過程與效果3個維度綜述無人裝備效能評估指標體系研究現狀。

2.1 面向武器裝備基礎功能構建評估指標體系

基礎功能性指標主要是根據武器裝備的通用性指標和適宜性指標來構建評估指標體系,即武器裝備能夠安全穩定運行且能夠順利完成任務的基礎性參數指標,包含武器裝備的基本性能、機動性能、生存性能以及裝備的可靠性、維修性、保障性、安全性、環境適用性等。國內外不少研究基于該類指標體系實現了對大量武器裝備的效能評估。例如:文獻[9]充分考慮偵察無人機的機動性、飛機性能以及雷達散射截面和紅外、光、聲等可控測特性以及飛機裝甲、結構材料、飛機總體布置等特性,構造了與設計可靠性、動力系統能力、機動反應能力、隱身能力有關的評估指標,對偵察無人機生存能力進行有效評估;文獻[10]以偵察無人機為研究對象,在充分考慮影響無人機作戰效能的主要因素的基礎上,綜合考慮航程、實用升限、操作水平、環境影響系數、情報獲取能力5個方面,建立了作戰效能評估指標體系;文獻[11]以察打無人機對地攻擊為背景,研究無人機使命任務、作戰流程,構建了無人機可用度、可靠度、作戰能力3個方面的層次化指標體系,并對無人機作戰效能進行了評估;文獻[12]以無人機執行空地作戰任務為研究背景,全面分析效能影響因素,構建了無人機最大任務負載、武器發射架數量、平臺生存能力、導航制導性能以及環境影響系數等方面的評估指標,實現了無人機作戰效能的科學評估。

從研究現狀來看,面向武器裝備基礎功能構建評估指標體系主要以武器裝備在執行作戰任務過程中,實現基本作戰功能為主線進行構建,指標體系包括武器裝備自身性能、機載設備基礎功能等。然而分析現有指標不難發現,指標體系構建僅考慮了系統的固有屬性或特征,而對復雜作戰環境下系統本身受影響程度以及在面對對抗情況下能力的發揮效果考慮較少,整體側重了無人機裝備性能指標的體系構建。

2.2 面向作戰任務與能力需求構建評估指標體系

由于無人技術的不斷發展,各種多用途、專業化無人裝備被研制,而且被廣泛應用于多種任務活動,不同的任務需求激發裝備不同的作戰效能,展現出不同的作戰能力。因此,面向作戰任務以及能力需求構建指標體系能夠反映作戰任務背景下裝備在各個任務環節、作戰階段自身作戰能力的運用情況。例如:文獻[13]以地面無人作戰裝備執行作戰任務為牽引,綜合權衡影響效能評估的多方面因素,從目標偵察能力、火力打擊能力、機動能力、信息指揮能力、防護能力和非戰斗能力6個方面構建了地面無人作戰裝備作戰效能評估指標體系;文獻[14]以無人機系統自主能力評估為需求,基于OODA作戰環理論,從無人機感知能力、分析能力、決策能力和行為能力4個方面構建了無人機自主能力評價指標模型;文獻[15]以無人機協同作戰為背景,分析無人機協同作戰中的效能影響因素,綜合考慮無人機協同感知能力、協同通信能力、協同策劃能力、協同組隊能力以及協同打擊能力,建立了無人機協同作戰效能評估指標體系與模型;文獻[16]著眼于無人機集群作戰效能評估需求,深入剖析無人機集群各作戰要素內部關系,從協同攻擊能力、自主偵察能力、即時通訊能力、快速規劃能力、自主編隊能力等方面建立了無人機集群作戰效能評估指標體系,并通過案例仿真實現了無人機集群作戰效能的評估;同樣考慮多無人機協同執行作戰任務,文獻[17]建立了不同任務載荷下無人機協同作戰效能評估模型,構建以綜合火力能力和多無人機協同能力兩類指標為基礎的9類作戰能力指標體系,并通過具體作戰實例驗證了指標體系與評估方法的可靠性。

通過分析以上文獻來看,面向作戰任務、能力需求構建評估指標體系主要以裝備執行多樣化作戰任務為牽引,充分展現裝備自身作戰能力為基礎進行構建,指標內容主要依據任務需求,有針對性地對裝備系統各項能力進行分析,構建自上而下的層次化作戰效能指標體系。分析發現,由于戰場態勢的瞬息萬變,裝備作戰效能也會隨之動態變化,僅單獨依靠能力評估很難全面準確對裝備作戰效能進行分析,還應充分考慮裝備在不同作戰環境下的適應性和可靠性,以及與作戰指揮、人員操作等外部因素的協同配合情況,綜合各方面因素理清內部關系,以此來構建與作戰任務、能力需求相適應的效能指標體系。

2.3 面向作戰過程與作戰效果構建評估指標體系

根據戰場中各類裝備系統間對抗情況以及結構關系,分析作戰過程中隨戰場態勢不斷變化且能夠體現作戰能力的指標,比如目標發現率、識別率、命中率、修復率等的作戰過程指標,以及依據作戰任務整體完成情況對裝備進行綜合評估的作戰效果指標[18]。例如,文獻[19]以對地攻擊無人機為研究對象,從作戰體系的角度出發,通過分析無人機的基本特性以及無人機在作戰過程中完成各類任務的情況,提出基于作戰效果、作戰效率、作戰代價3個方面的作戰效能評估指標;考慮到作戰飛機對任務的貢獻情況,文獻[20]將任務成功率指標引入效能評估中,提出了“任務成功空間”概念,以此構建評估指標,并通過比較有人/無人飛機作戰條件下的任務成功率,來量化作戰飛機對作戰體系的貢獻,實現作戰飛機的效能評估;為應對無人機集群攻擊,文獻[21]提出了無人機集群防御系統概念,利用防御成功率指標來衡量集群防御系統的有效性,并通過分析多種因素對無人機防御系統的影響來驗證防御成功率指標的可行性;文獻[22]以無人戰斗機群為研究對象,根據無人戰斗機群戰技術性能、自主化程度,設計戰斗機群作戰方案,提出了基于平均毀傷目標數量、完成作戰任務的期望時間的效能評估指標,并逐級向下分解作戰過程提出無人機搜索發現率、平均攻擊時間、無人戰斗機失效率、無人機識別有價值/無價值目標的概率等性能參數指標,最后實現了無人戰斗機群作戰效能的評估與分析。

從研究現狀來看,面向作戰過程、作戰效果構建評估指標體系,能夠整體衡量武器裝備的作戰能力,反映整個作戰任務過程中性能指標的變化以及預期目標完成情況,但由于過分關注裝備性能的變化以及作戰貢獻的分析,往往會忽略裝備與其他因素的相互作用,例如環境適宜性、使用適宜性、人機協同程度、敵方攻擊強度等因素都會對作戰效能產生影響。其次,面向作戰過程、作戰效果構建的指標體系還需要與作戰模擬、實際演練相結合,實現對武器裝備在不同作戰場景下的效能評估,以此不斷優化、改進效能評估指標,構建能夠對裝備實際性能和作戰能力客觀、全面評估的指標體系。

3 作戰效能評估方法研究現狀

近些年來,各國在效能評估領域開展了大量的研究工作,建立了適用于不同作戰環境、不同裝備的評估模型,逐步形成了軍事系統工程的方法論體系[23],效能評估技術得到了廣泛的研究。隨著理論研究與實際應用結合得越發深入,產生了多種效能評估方法,這些評估方法被大量應用于各類武器裝備的作戰效能評估,同樣也適用于無人機自主作戰效能評估研究。本章根據評估方法原理的不同,將評估方法分為基于經驗知識的評估方法、基于數學模型的評估方法、基于作戰仿真的評估方法和基于數據驅動的智能評估方法。常用作戰效能評估方法匯總及分析如圖2所示。

圖2 常用作戰效能評估方法匯總及分析

3.1 基于經驗知識的評估方法

經驗知識評估方法,主要是指參考領域專家個人經驗和專業知識的評估方法。通過專家主觀經驗對系統性能影響系統功能的判斷,結合定性分析、定量計算的方式,對系統效能進行評估。常見的方法有專家打分法、層次分析法、模糊綜合評判法、灰色層次評估法等。

層次分析法作為一種將人的主觀認知和客觀實際數據相結合的評估方法[24],可將復雜問題分解為有序遞進的層次結構,然后將每個層次元素借助人的主觀經驗相互比較,確定各元素之間的相對重要性,并在此基礎上求出各層要素對最終目標的組合權重。該方法具有邏輯性強、可信度大、易于理解等特點,目前在武器裝備效能評估研究中被廣泛應用。文獻[25]以多架異構無人機蜂群執行作戰任務為背景,利用層次分析的思路構建了多級作戰效能指標體系,并運用層次分析法對各級指標權重進行分析判斷,最終利用該評估模型對無人機蜂群作戰效能進行了實例驗證和檢驗;針對層次分析法確定指標權重受主觀因素影響較大的問題,文獻[26]采用一種指數標度方法,改進了傳統層次分析法對多層指標權重的計算,并進行一致性檢驗,進而降低了標度的主觀性影響,優化了層次結構元素權重求解,較好地實現了多類型無人機作戰能力的量化評估;在此基礎上,為避免因主觀因素可能帶來判別矩陣比較的結果不符合客觀實際的情況,文獻[27]基于最優傳遞矩陣對層次分析法中判斷矩陣進行優化,同時也省去了傳統方法一致性檢驗環節,提高了無人機能力評估效率;文獻[28]基于高層體系結構,分別從作戰視角和能力視角構建無人機集群的分布式作戰系統,并利用層次分析法建立了無人機集群作戰效能評估數學模型和分析方法,實現了無人機集群作戰能力有效性評估。

模糊綜合評判法是一種以模糊數學為基礎,借助模糊推理的方法對多種屬性的事物或者總體優劣受多種因素影響的事物,做出一個能合理地綜合這些屬性或者因素的總體評判,也是一種利用模糊數學的隸屬度原則將定性評價轉化為定量評價的評判方法。模糊綜合評判法具有結果清晰、系統性強、易于掌握等特點,常被用來解決模糊的、難以量化的問題,適合解決各種非確定性問題。文獻[29]在運用OODA作戰環理論抽象出艦載無人機對海突擊作戰任務剖面的基礎上,通過模糊綜合評判法對艦載無人機作戰能力進行了有效評估;文獻[30]采用模糊綜合評判法與層次分析法相結合的方式,利用層次分析法確定各項指標權重,然后依據模糊綜合評判法構建效能評估模型,實現了無人機智能群攻擊能力的綜合評估,并通過實例驗證了該評估方法的可靠性。

目前,基于經驗知識的評估方法,在武器裝備的效能評估中被廣泛應用,其結構性強、計算較為簡單,能夠有效利用專家經驗及先驗知識,將復雜系統的評價指標層次化、結構化,把不易量化分析的定性指標參數進行定量化處理,為效能評估帶來了便利。但隨著裝備體系作戰規模的擴大,武器系統彼此間協同作戰將成為未來主要作戰樣式,作戰效能指標與作戰能力之間呈現出復雜的非線性關系,單純依靠歷史經驗和主觀判斷很難對系統效能做出合理、準確、客觀的評估,常與其他評估方法相結合實現對復雜系統的科學合理評估。

3.2 基于數學模型的評估方法

基于數學模型的評估方法,其原理是以數學模型為基礎,依據評估對象的性能、結構、任務、環境等因素構建效能指標,并分析效能指標與影響因素之間的內在聯系,建立起能夠體現兩者之間相互關系的函數表達式。典型的方法有系統效能分析(System Effectiveness Analysis,SEA)法、信息熵評估法、ADC評估法、蘭徹斯特方程法、結構化方程[31]等。

1) SEA法作為一種動態、客觀分析武器系統效能的方法,是通過將武器系統置于作戰環境中,將描述系統、任務、環境參數的函數作為屬性,相互獨立地確定系統屬性空間和使命屬性空間,并對系統運行軌跡與使命所要求的軌跡進行比較[32],進而得到系統動態的效能值。文獻[33]采用SEA法,依據水下無人航行器系統在特定戰術背景下的作戰特點,構建了偵察效能評估指標體系和系統映射、使命映射的數學模型,并結合具體實例對水下無人航行器進行了效能評估。

2) 信息熵評估法是一種基于信息論的數學建模的方法,常用來評估系統的復雜性以及系統中各個部分之間的相互關系,其核心是通過度量概率分布中的平均信息量來描述系統的不確定性。該方法從不確定性角度開展作戰效能評估,充分考慮了作戰過程中的隨機性與不確定性[34],適用于多指標體系的綜合評估。文獻[35]為了準確、合理地確定指標權重,采用信息熵的思想對評估指標的權重進行了修正,使指標權重的確定更加兼顧主觀偏好和客觀屬性;在選取作戰因素時,為防止缺少對未知因素的考慮而造成評估結果可信度較低的情況出現,文獻[36]基于熵函數的性質,對作戰節點影響因素的隸屬度進行重新定義,并充分考慮未知因素對于作戰節點效能的影響,對信息熵評估模型進行了改進,最終對其在裝備體系作戰效能評估中的適應性進行了評估;文獻[37]在充分考慮作戰裝備之間協同、集成等因素的基礎上,基于信息熵評估法和OODA作戰環,對作戰系統中的作戰節點進行建模,并利用信息熵法對作戰邊的能力和作戰環效能進行計算,實現了對動態對抗條件下的裝備作戰效能評估。

3)ADC評估方法是美國工業武器效能咨詢委員會提出的一種效能指標計算模型。主要通過武器系統的三大要素即有效性A、可靠性D、能力C來描述武器裝備的系統效能,通過判斷武器系統執行任務時的初始狀態概率、執行任務期間所處狀態的概率、任務期間不同狀態下系統能完成任務的概率[38],來實現對武器裝備的效能評估,具有結構簡單、易于擴展等特點。目前,ADC評估方法在武器裝備效能評估方面的應用較為成熟,成果較多。文獻[39]以反輻射無人機對海上移動目標作戰效能為評估背景,采用層次分析法完善能力指標,運用ADC評估模型對多架無人機作戰效能進行了評估;為解決評估指標不全面的問題,文獻[40]引入了作戰保障能力系數,對傳統ADC評估模型進行改進,實現了艦載無人機編隊協同對海突擊作戰效能評估;文獻[41]以無人機編隊對地突防為研究背景,從目標發現、雷達散射截面積和目標殺傷3個方面建立了多無人機協同編隊突防效能模型,并采用ADC評估方法,對多無人機編隊協同突防能力進行了評估。

綜上所述,基于數學模型的評估方法在武器系統效能評估應用時,能夠為評估提供現成的、比較成熟的模型公式和評估框架,具有思路清晰、結構簡單、應用便捷等特點,在特定場景下可為快速實現效能評估提供便利。但在面對復雜系統間對抗場景時,原有的數學模型考慮因素、指標較為單一,不足以全面、準確地展現系統性能、屬性、作戰效果,給后續武器裝備的效能評估帶來了挑戰。

3.3 基于作戰仿真的評估方法

基于作戰仿真的評估方法主要是指根據武器系統的特點、作戰任務要求,通過模擬作戰環境和作戰過程,建立武器系統的作戰仿真模型,并根據仿真數據對武器系統作戰效能進行評估的一種方法。常見的方法有系統動力學(System Dynamics,SD)法、蒙特卡羅法、計算機作戰模擬法等。

1) SD法是一種系統分析方法,是由美國麻省理工學院的FORRESTER教授在20世紀60年代提出的。該方法將系統作為一個動態系統來研究,其本質是用控制論和微積分等數學方法對系統的行為進行建模和仿真分析。系統動力學方法是一種綜合性強、應用范圍廣泛的分析方法,在實踐中具有廣泛的應用前景。文獻[42]基于系統動力學模型對無人機集群作戰效能展開評估,將作戰過程武器劃分為多個子系統,并對多個子系統進行建模,構建系統動力學模型,最后以無人機生存率和任務完成度為評估指標,對無人機集群展開效能評估;文獻[43]基于系統動力學理論,構建了以反饋環為核心要素的網絡信息系統作戰效能評估的動態模型,并以聯合反擊作戰為例,實現了對作戰效能、系統貢獻率和系統靈敏度的仿真分析。系統動力學評估方法能夠對系統的結構和功能進行模擬,但還存在一定的局限性,模型的建立和仿真需要大量的數據支持以及較高的技術水平,同時還需要考慮到實際作戰環境的不確定性和變化性。因此,在實際應用過程中需要進一步完善和驗證,加強與實際作戰環境的結合,提高其可操作性和實用性。

2) 蒙特卡羅法又稱為隨機模擬法或統計模擬法,屬于計算數學的一個分支,其實質是按一定概率分布產生隨機數的方法來模擬實際中可能出現的隨機現象,通過利用計算機軟件進行大規模仿真實驗,得到模擬的實驗數據,在此實驗的基礎上進行分析判斷,得到實際問題中可能出現的規律或求解方法。文獻[44]中采用蒙特卡羅法對裝備假目標防空作戰進行作戰仿真模擬,通過模擬不同裝備數量、多次打擊次數等作戰過程中的多種隨機因素,對假目標防空作戰過程進行仿真,通過仿真數據對假目標防空作戰效能進行分析計算,為決策者使用假目標戰術提供數據支持;文獻[45]利用蒙特卡羅法對無人機飛行沖突過程進行大規模仿真,并通過仿真計算沖突解脫效率,為無人機飛行沖突解脫進行安全評估。蒙特卡羅法的局限性在于建立數學模型要求較高,需要合理地選擇模型參數,參數的選擇往往會影響模型的準確性和仿真的效率,否則會造成仿真結果出現偏差或者計算效率低下等問題。

3) 除了以上幾種常用的模擬仿真方法以外,在武器系統的效能評估中還有一些比較復雜且被廣泛使用的方法。例如文獻[46]基于DoDAF結構建立了無人協同作戰體系框架,并對無人機協同作戰進行建模分析,根據作戰任務構建視圖以及指標體系,使用ADC模型實現無人機協同作戰效能評估;文獻[47]基于高層體系結構(HLA)的分布式交互仿真技術,設計空空導彈武器系統作戰效能仿真評估系統,并采用仿真評估系統對空空導彈作戰效能進行評估;文獻[48]基于Agent的建模與仿真技術,分析飛機對綜合防空系統進行突防、打擊高價值目標的任務效能,實現了對飛機參數的優化設計。

從研究現狀看,基于作戰仿真的效能評估方法能夠真實、全面地對復雜作戰系統的各個組成部分進行綜合分析,能夠結合實際作戰方案、作戰環境、作戰流程建立作戰仿真模型,并通過對仿真數據處理計算得出整個作戰系統的效能評估值。該方法的優點是能夠比較真實地動態反映實際情況,具有較高的可信度;不足之處在于,構建貼合作戰實際的仿真模型,需要大量詳細的作戰數據支持,而且模擬仿真的實現過程比較復雜,建設周期也相對較長,對專業領域知識和技術要求較高。

3.4 基于數據驅動的智能評估方法

基于數據驅動的智能評估方法是基于大數據和智能技術的一種評估方法,通過收集大量的試驗數據并對其處理和學習,建立輸入指標和輸出結果之間的非線性關系,并通過已訓練的模型預測判斷出最終的評估結果,從而實現評估過程的自動化、高效化。在武器裝備的效能評估中比較常見的方法有人工神經網絡法、支持向量機(SVM)法、貝葉斯網絡法等。

1) 人工神經網絡法是一種模擬人腦神經系統結構和功能的運算模型,能夠通過學習訓練、自適應地處理復雜的非線性關系。它由大量的人工神經元和它們之間的連接構成,神經元之間通過連接傳遞信息,完成對輸入信息的處理和輸出結果的預測,具有自學習、自適應、容錯性強等特點,在無人裝備作戰效能預測分析方面有著廣泛應用。文獻[49]采用BP神經網絡構建了適用于無人防空作戰效能評估的預測模型,并基于遺傳算法對評估模型初始權值和閾值進行了尋優,實現了對無人防空裝備作戰效能的高效評估;文獻[50]構建了基于SOM自組織網絡的評估模型,實現了多參數信息融合的飛機作戰效能評估;文獻[51]采用小波神經網絡構造電子戰無人機作戰效能評估模型,并利用遺傳算法對小波神經網絡初始連接權值和伸縮平移尺度進行全局尋優,使優化后的作戰效能評估模型精度更高。

2) SVM法是VAPNIK于1995年提出的一種統計學習方法,其基本思想是將輸入空間的樣本通過非線性映射傳遞到高維特征空間,并且在這個高維特征空間下進行線性函數擬合[52],進而實現武器裝備的作戰效能評估功能。與其他評估方法相比,SVM法具有可適應有限樣本的優點,并且可以有效解決維數問題和決策速度的問題[17],避免局部極值情況的出現。文獻[10]采用SVM法作為元模型進行無人機作戰效能智能評估,并利用粒子群算法對元模型進行尋找最優懲罰參數和核函數參數,優化評估模型實現對偵察無人機作戰效能的準確、有效評估;文獻[53]引入混沌粒子群算法構建了基于混沌粒子群-支持向量機的作戰效能評估模型,實現了對電子戰無人機作戰效能的高效評估優化。

3) 貝葉斯網絡法是一種基于概率圖模型的知識表示和推理方法,使用一個有向無環圖表示變量之間的依賴關系,并使用條件概率表示每個變量的概率分布。在效能評估中可以用于建立模型、分析和預測系統性能,通過對系統輸入輸出數據進行統計分析,推導出系統各個參數之間的概率關系,并通過概率推斷方法進行效能評估。鑒于其具有良好的推理和預測能力,被越來越多地應用于武器系統作戰效能評估領域。文獻[54]建立了基于灰色模糊理論和貝葉斯網絡融合的作戰效能評估模型,有效克服了貝葉斯網絡在處理不確定性因素上的不足,實現了無人機編隊突防作戰效能的評估;文獻[55]引入評分搜索算法和MLE估計法優化貝葉斯網絡結構、參數,構建了基于貝葉斯網絡的推理模型,并通過該模型實現了無人機編隊作戰效能的評估。

綜上所述,基于數據驅動的智能評估方法,理論比較成熟,建模過程相對簡單,對數據量龐大、復雜程度高的作戰體系具有很好的預測評估效果。通過大量的歷史數據對模型進行訓練,并將訓練好的模型應用于效能評估預測,極大地提高了評估效率,節省了評估時間,有助于優化作戰決策和指揮管理。同時,利用該類方法還可以有效避免傳統方法帶來的權值分配問題,從而使得系統效能評估更加科學、客觀。然而,該類方法也存在一些不足之處,由于評估模型數據需求量較多,所使用的數據難免會出現缺失、不完整或者錯誤等情況,這會對評估結果產生一定的影響。因此,在使用評估模型時,需要選擇合適的方法或者算法對數據進行充分的預處理和清洗,以確保評估結果的準確性和可靠性。

4 存在問題及發展趨勢

4.1 當前研究存在的主要問題

通過分析現有無人裝備作戰效能評估指標體系和國內外武器裝備效能評估方法研究現狀,結合當前國內無人裝備自主控制技術的發展狀況,開展無人機自主作戰效能評估研究分析,運用現有效能評估技術需要重點解決以下幾個問題。

1) 評估指標體系構建的全面性。要全面描述、展現無人機在作戰過程中自主能力的表現情況,就必須首先建立全面的效能評估指標體系。當前無人機作戰效能指標體系的構建對無人機的自主化程度考慮較少,僅僅依靠無人機系統性能來設計作戰評價指標,沒有充分考慮無人機自主性在作戰中的影響,實際作戰過程中無人機的自主能力并不等同于系統的固有能力,自主能力會受到系統性能的制約,也會受到環境因素以及自身邏輯的影響,構建作戰效能指標時要結合自主能力實際作用情況綜合考慮。其次,在構建評價指標時,往往針對作戰過程中出現的對抗情況以及敵方所采用的作戰力量、作戰方式考慮較少,只側重了己方裝備的自身性能及綜合表現,缺乏構建能夠體現敵我雙方攻防對抗情況的評價指標。當然,構建指標體系也不能片面追求指標體系的全面性而忽略了評估的主要目標,要在充分的理論指導和論證研究的基礎上對評估指標進行合理判斷、篩選、優化,避免造成指標體系與實際情況脫節、評價結果失真等情況。

2) 評估方法運用的局限性。通過分析現有評估方法可知,效能評估雖然取得了較大的發展,但各種效能評估方法僅能夠在特定的場景下取得較好的結果,針對實際應用,各類方法表現出不同的適應性?；诮涷炛R的評估方法,主要依靠專家認知對系統進行主觀評測,其評估的精確性和適用性易受到制約;數學模型雖然使用起來簡單,但受制于模型框架的約束,難以考慮動態對抗因素對效能的影響;模擬仿真法能夠真實模擬實戰環境,理清作戰要素之間的關系,在數據充足的情況下能夠實現作戰效能的評估;基于數據驅動的智能評估方法,建模方法較為成熟,能夠自動實現權重調整,但容易受到所選訓練數據的影響。隨著武器裝備的智能化、作戰規模的體系化,評估工作面臨的要素眾多、交互復雜,無論采用基于經驗知識、數學模型,還是模擬仿真等評估方法,都難以以單一的方法對武器系統作戰效能進行評估。因此,在綜合考慮評估方法的實用性、合理性的前提下,結合各類評估方法的優勢,將多種方法有針對性地創新、融合、集成、完善,使其能夠更好地適用于當前評估對象,這樣將有助于克服單一方法的局限性,提高整體效能評估的科學性和準確性。

4.2 發展趨勢

針對無人裝備作戰效能研究現狀以及存在的不足之處,結合智能化、無人化技術的發展趨勢,瞄準未來無人機自主作戰使用需求,參照目前無人裝備效能評估現狀,對無人機自主作戰效能評估未來發展趨勢加以預測。

1) 更加注重創新無人機自主作戰效能評估指標體系的設計與評估方法研究。隨著無人機自主能力的不斷發展和多樣化的任務需求,未來無人機系統各項能力指標將會變得異常復雜,傳統方法難以全面描述無人機系統性能屬性以及作戰行動的多重目的。為全面分析、評估無人機作戰效能,需要加大對效能指標體系的探索與創新,切實從遂行作戰任務實際出發,研究指標體系構建模式,按照層次化、網絡化結構思路設計評估指標框架,構建具有系統性、針對性、完備性和獨立性特點的效能指標體系,以保證無人機作戰效能評估結果的全面性和客觀性。同時,在已有評估方法的基礎上,結合先進的技術手段,如大數據[56]、人工智能、多學科融合等技術創新評估方法,將其融入作戰效能評估體系中,進一步提升評估效率和精準度,為實現無人機自主作戰效能評估提供更加有力的支撐。

2) 更加強化實戰背景下的無人機自主作戰效能研究。分析研究當前的武器裝備的作戰效能,大多還是基于裝備性能及固有能力來對系統進行評估,處于靜態評估階段。未來作戰效能的評估,將會更加貼近實戰背景,既注重實戰環境下無人機裝備性能的分析,還要對戰場環境適應性以及自主作戰能力進行深入探索,掌握戰場環境下無人機作戰的實時性、動態性特點,并結合實戰任務需求、戰斗環境、作戰對象等因素,綜合評判無人機攻防對抗狀態下的自主作戰能力。同時,運用先進技術手段對信息數據進行采集,完善無人機各類作戰場景下的實戰對抗數據,構建貼近實戰背景的動態仿真評估模型,以實現無人機自主作戰全流程、全要素效能分析評估。

3) 更加趨向無人機自主作戰體系效能評估。隨著新軍事變革不斷推進,未來戰爭將會呈現出作戰力量合成化、作戰形態立體化、作戰規模體系化等變化趨勢,無人機也將會由單機、多機自主作戰逐漸向多異型機、多智能裝備、多作戰單元協同作戰形式演變,無人機依靠自主通信、信息融合、協同感知、協同攻擊等能力構建起裝備與裝備之間、裝備與體系之間交互連接的協同模式,實現作戰信息共享、作戰任務分配、作戰指令執行等功能。伴隨著體系作戰的多裝備動態對抗、結構演化、狀態混沌、效能涌現等特點的出現,依靠傳統客觀性、獨立性、敏感性構建的指標體系已經不能滿足體系效能評估的需求。因此,無人機自主作戰體系效能的評估不再局限于考慮自身能力的評價,還應充分考慮對整個作戰體系作戰能力的貢獻,將無人機作戰單元放在整個作戰體系構成的復雜網絡之中來考慮,要緊貼體系對抗過程中的動態變化情況,及時調整適應各種環境的變化帶來的影響,選取適合的指標和評估方法,實現對無人機作戰體系的效能評估。

5 結束語

無人機自主作戰效能評估是提升無人機自主作戰理論論證、智能化技術水平以及自主作戰效能的關鍵和基礎。本文以無人機自主作戰為研究背景,分析了無人機自主作戰效能評估的基本流程,重點對無人裝備作戰效能評估指標體系和評估方法的研究現狀進行了分類綜述,針對當前研究存在的問題進行梳理并對未來發展趨勢進行了探討。研究成果可為相關人員開展無人裝備作戰效能評估提供技術參考,對于后續無人機自主作戰效能評估研究具有一定的指導意義。