基于改進ADC法的偵察無人機作戰效能評估

劉登攀, 寇昆湖, 王 超, 鹿珂珂

(海軍航空大學,山東 煙臺 264000)

0 引言

過去,無人機在戰場上主要充當輔助角色,執行戰場支援等作戰任務。隨著新材料、新技術的不斷發展,無人機的發展也日新月異,逐漸升級成為能夠執行偵察監視、打擊、空中加油、通信中繼等作戰任務的新質作戰力量[1]。偵察無人機系統作為戰場上執行偵察監視、情報搜集、目標跟蹤、為武器系統提供目指信息等任務的無人作戰平臺,在近幾年的若干地區沖突中,發揮了越來越重要的作用[2]。作為未來無人化作戰的重要平臺,如何科學評估偵察無人機系統的作戰效能,對于提高作戰任務完成率非常關鍵[3]。因此,亟需一種科學、有效的評估方法對偵察無人機系統進行效能評估。

近年來,針對武器裝備系統的效能評估研究取得了較多成果。文獻[4]基于系統效能分析法(System Effectiveness Analysis,SEA)對反導預警系統進行作戰效能評估,并結合仿真試驗驗證了該模型;文獻[5]結合層次分析法和灰色評估法對裝甲合成營裝備體系作戰效能進行評估,減小了評估過程中的主觀性,使評估結果更加客觀有效;文獻[6-10]基于可用性-可信性-能力(Availability-Dependability-Capability,ADC)法對各類武器的系統效能進行評估,并通過算例驗證了該模型的適用性和準確性。隨著近年來人工智能等學科的不斷發展,基于神經網絡[11-13]、向量機[14-15]等方法也應用到了效能評估中。

通過對現有的典型評估算法進行比較,本文基于ADC法對偵察無人機系統進行作戰效能評估,該方法簡單可靠、邏輯性強,對無人機這種復雜系統進行作戰效能評估具有十分重大的意義[16]。但傳統的ADC法更多適用于無人機本身的系統效能評估,不適合直接用于無人機系統的作戰效能評估。本文充分考慮無人機系統在實際作戰時的人員保障因素和對抗因素,在傳統ADC模型的基礎上,引入保障因子S和戰場環境因子H,提出改進型ADC評估模型。同時,結合層次分析法和模糊綜合評判,對偵察無人機系統作戰效能進行評估,旨在保證作戰效能評估的完整性和嚴謹性。

1 改進ADC模型分析

ADC法是1963年美國工業界武器系統效能咨詢委員會(WSEIAC)在其提出的系統效能定義的基礎上建立的系統效能評估模型[17],其表現形式為

E=A·D·C。

(1)

對于偵察無人機系統來說,E為無人機的綜合效能;A為系統可用性指標,表示無人機系統在執行任務前所處的所有可能狀態;D為系統可靠性指標,表示無人機系統在執行任務期間狀態轉換概率;C為無人機系統的作戰能力指標,表征無人機在某狀態下完成偵察任務的能力。

考慮實際作戰時人員保障指標S和戰場環境指標H,將其融入傳統的ADC模型中進行改進,改進后其表現形式為

E=A·D·C·S·H。

(2)

1.1 偵察無人機系統主要作戰任務及作戰過程分析

偵察無人機主要利用自身攜帶的光電、紅外、雷達等任務載荷對某一戰場的局部范圍執行偵察監視等任務,為指揮員提供及時、準確的戰場情報。

如圖1所示,偵察無人機的主要作戰過程可分為3個階段:1) 戰前準備階段,是指在接收到作戰指揮中心下達的作戰任務后,對偵察無人機系統的上電、檢查、準備、任務規劃、裝訂航線階段;2) 平臺出航階段,是指偵察無人機系統領受作戰任務后向任務區域飛行的階段;3) 執行任務階段,是指偵察無人機系統到達任務區域后利用攜帶的任務載荷對當前區域實施偵察、搜索、識別、上報階段。

圖1 偵察無人機作戰過程

1.2 偵察無人機效能指標體系建立

基于偵察無人機的作戰任務和作戰過程分析,結合改進的ADC模型,通過研究無人機執行偵察任務過程中的指標因素與作戰能力指標之間的作用機理,梳理總結出偵察無人機作戰效能指標體系。構建的偵察無人機作戰效能指標體系劃分為4個層次,如圖2所示。

圖2 偵察無人機作戰效能指標體系

1.3 可用性指標A分析

無人機系統中的每一種設備都有“正常”及“故障”兩種狀態(“故障”狀態下,無人機仍具備執行偵察任務的能力,但作戰效能有所降低,本文設定若一個子系統故障,任務能力削弱20%,2個子系統故障,任務能力削弱40%,3個子系統故障,任務能力削弱80%)。對于偵察無人機系統來說,一般分為飛行器平臺、動力裝置、電氣系統、導航飛控系統、任務載荷系統、地面控制系統、保障設備等,若全面分析各個設備狀態,則偵察無人機系統共有27=128種狀態。為簡化分析,可以分為無人機、地面系統、任務載荷系統3部分。設無人機為子系統1,地面系統為系統2,任務載荷系統為子系統3。根據以上分析,可以將無人機系統的初始狀態劃分如下:

1) 狀態1 子系統1、子系統2、子系統3均正常工作;

2) 狀態2 子系統1正常工作,子系統2正常工作,子系統3故障;

3) 狀態3 子系統1正常工作,子系統3正常工作,子系統2故障;

4) 狀態4 子系統2正常工作,子系統3正常工作,子系統1故障;

5) 狀態5 子系統1正常工作,子系統2故障,子系統3故障;

6) 狀態6 子系統2正常工作,子系統1故障,子系統3故障;

7) 狀態7 子系統3正常工作,子系統1故障,子系統2故障;

8) 狀態8 子系統1、子系統2、子系統3均故障。

上述初始狀態劃分如表1所示。

表1 無人機系統初始狀態

分別用b1、b2、b3表示子系統1正常工作的概率、子系統2正常工作的概率、子系統3正常工作的概率。

無人機可用性指標指無人機系統各設備正常工作概率,可使用飛機平均故障間隔時間(MTBF)和平均故障修復時間(MTTR)近似表示為

(3)

式中:TMTBF,i為無人機各子系統的平均故障間隔時間;TMTTR,i為各子系統平均故障修復時間,具體數值參考MTBF取值。

則無人機系統各個初始狀態的概率可以表示為

(4)

需要開始執行偵察任務時,無人機系統的可用性指標為

A=[a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,a8]。

(5)

1.4 可靠性指標D分析

可靠性指標D表示無人機系統在執行任務期間的狀態轉換概率。

由式(5)知,無人機系統在開始執行任務時有8種可能的狀態,在任務初始階段無人機可能處于任何一種狀態。在理論上無人機在執行任務過程中可能由1種狀態轉化為其他7種狀態,也就是說無人機系統有8種狀態轉化可能,因此可靠性指標D可表示為

(6)

式中,dij為在執行任務過程中,無人機系統由第i狀態轉移到第j狀態的狀態轉移概率,且矩陣各元素之和為1。

無人機系統在任務開始之后,處于故障狀態的設備不能維修,屬于不可修復的裝備系統。因此,如果在任務開始階段無人機的某一子系統處于故障狀態,那么在執行任務過程中該子系統將一直處于故障狀態,不會轉化為正常狀態。

因此可靠性指標D可表示為

(7)

可靠性指標與偵察無人機平均故障間隔時間(MTBF)緊密相關。各子系統故障率λ與MTBF的關系為

(8)

假設無人機各子系統在執行任務過程中的MTBF服從指數分布,則可靠性(該子系統保持正常狀態的概率)可表示為

P=exp(-(T/TMTBF))=exp(-λT)

(9)

式中,T為無人機飛行時間。

設子系統1故障率、可靠性分別為λ1、P1,子系統2故障率、可靠性分別為λ2、P2,子系統3故障率、可靠性分別為λ3、P3,則無人機系統在執行任務過程中由狀態1轉化為其他狀態的概率為

(10)

狀態2轉化為其他狀態的概率為

(11)

狀態3轉化為其他狀態的概率為

(12)

狀態4轉化為其他狀態的概率為

(13)

狀態5轉化為其他狀態的概率為

(14)

狀態6轉化為其他狀態的概率為

(15)

狀態7轉化為其他狀態的概率為

(16)

狀態8轉化為其他狀態的概率為

(17)

1.5 系統作戰能力指標C分析

無人機系統作戰能力指標表示無人機系統在8個不同狀態下的作戰能力,如圖3所示。

圖3 作戰能力指標

偵察無人機系統作戰能力主要由其基本性能、生存能力、快速出動能力以及偵察能力決定,即無人機完成偵察任務需要具備的能力。針對不同類型的指標采用不同的計算方式。

1) 對于定量類指標,其數值進行歸一化處理[18],算式為

(18)

式中:C′為歸一化后的數值;ci為指標當前數值,cmax為該指標可取的最大值;cmin為該指標可取的最小值。

2) 對于生存能力、快速出動能力以及偵察能力等定性類指標,本文結合層次分析法和模糊綜合評判法[19]得到,從而求取不同狀態下的C。具體步驟為:

① 通過專家打分,構造判斷矩陣,確定其對應的權重系數;

② 根據圖3所示的偵察無人機效能評估體系確立模糊評判的因素集U;

③ 建立指標的評語等級論域V并賦值,即V={優,良,中,差}={0.9,0.8,0.6,0.4};

④ 通過專家打分建立單因素評判模糊關系矩陣R;

⑤ 選取合適模糊算子,得到綜合評價結果B;

⑥ 綜合分析得到該能力的最終得分B·V。

1.5.1 基本性能C1

偵察無人機系統基本性能主要由續航能力、巡航速度、實用升限和作戰半徑等量綱類指標決定,各指標權重w1=[w11,w12,w13,w14]由層次分析法計算得到,采用效用函數法進行歸一化計算得到各指標數值,基本性能模型為

(19)

1.5.2 生存能力C2

生存能力主要考慮無人機的隱身性、抗毀性和機動性,各子指標權重w2=[w21,w22,w23]和數值結合層次分析法和模糊綜合評判法得到,采用加權求和確定生存能力模型。

1.5.3 快速出動能力C3

無人機的快速出動能力是指在領受作戰任務后,無人機從系統組裝、上電、檢查、慣導初始對準到無人機起飛執行任務的時間,主要考慮操作人員專業能力和人員訓練水平,同時受到慣導對準能力的制約,(慣導初始對準能力與其性能以及對準方式等密切相關)。各指標權重w3=[w31,w32,w33]由層次分析法計算得到,人員專業能力及人員訓練水平數值采用Delphi專家評估法[20]得到;慣導對準能力通過對其慣導對準時間進行規范化處理得到,通過加權求和確定最終模型

(20)

式中:T為該型無人機的慣導對準時間;Tmax為慣導對準時間可取的最大值;Tmin為可取的最小值。與續航能力、巡航速度等效益型指標不同的是,慣導對準時間屬于成本型指標,因此采用不同的規范化方法。

1.5.4 偵察能力C4

無人機的偵察能力主要考慮全天候偵察能力、發現目標能力、識別目標能力、信息傳輸能力和任務載荷類型,各指標權重w4=[w41,w42,w43,w44,w45]由數值結合層次分析法和模糊綜合評判法得到,其中當偵察無人機同時具有可見光偵察、雷達偵察、光電偵察時,任務載荷類型該項指標得分定為0.9,同時具備雷達偵察和光電偵察時,該項指標得分定為0.8,只具有光電偵察能力時,該項指標得分定為0.7。最后通過加權求和確定偵察能力最終得分。

1.5.5 作戰能力計算

分別確定偵察無人機的基本性能、生存能力、快速出動能力和偵察能力權重,結合前文計算的各指標得分得到最終作戰能力得分。

1.6 保障指標S分析

本文考慮作戰人員的保障因素在偵察無人機作戰效能發揮中的作用。保障指標主要包括作戰保障Szz,裝備保障Szb,后勤保障Shq。作戰保障主要包括偵察情報、通信、機要交通、航空管制等方面的保障;后勤保障主要涉及經費供應、醫療救護以及生活需要等方面的保障;裝備保障主要是指裝備分配、裝備維修等方面進行的保障。各類保障工作主要受人員心理素質、人員訓練水平及人員專業能力的影響。不同的使用人員、不同的使用方式對應著不同的保障水平,進而影響無人機作戰效能發揮。依據圖2已建好的指標體系,利用層次分析法求出作戰保障、裝備保障、后勤保障3個指標及其子指標的權重。利用Delphi專家評估法得到末端指標數值,最后采用加權求和法得到保障能力值。

(21)

式中:wzzi、wzbi、whqi分別為作戰保障、裝備保障和后勤保障中作戰人員心理素質、訓練水平、專業能力所占比重;Si(i=1,2,3)分別表示作戰人員心理素質、訓練水平、專業能力得分;P為專家打分的平均分(0～100),Pmax=100為滿分。wi分別表示各子指標權重。

1.7 作戰環境指標H分析

作戰環境是影響偵察無人機作戰效能的重要因素之一,主要考慮自然環境及電磁環境,包括地形、氣象、水文以及敵方電子干擾等環境條件。各級指標權重由層次分析法計算得到,指標數值通過專家咨詢打分獲得。

2 算例驗證

為驗證該模型的有效性,應用上述改進ADC模型進行仿真實驗驗證。

2.1 可用性指標A計算

假定該無人機及各子系統的平均故障間隔時間、平均故障修復時間如表2所示。

表2 平均故障間隔時間和平均故障修復時間

由表2中數據及式(3)、式(4)可計算出無人機系統的可用性指標

A=[0.8699 0.0580 0.0290 0.0373 0.0019 0.0025 0.0012 0.0002]。

2.2 可靠性指標D計算

假定該無人機每次出航執行任務的時間為10 h,即T=10,則由式(8)～(17)可得無人機各子系統在執行任務過程中可靠度向量

D=

(22)

2.3 作戰能力指標C計算

2.3.1 基本性能計算

1) 用層次分析法確定各指標權重。

作戰能力指標判斷矩陣如表3所示。

表3 判斷矩陣

根據表3判斷矩陣解得權重系數為w1=[0.3564,0.1242,0.3257,0.1936],一致性比率CR=0.0293<0.1,一致性檢驗通過。

2) 歸一化處理指標數值。

利用式(18)對量綱指標進行歸一化處理,結果如表4所示。

表4 基本性能指標歸一化處理

3) 加權求和確定基本性能得分。

結合權重系數及歸一化后的數值,得到基本性能得分為0.377。

2.3.2 生存能力計算

1) 層次分析法確定各指標權重。

此處步驟不再贅述,得到的生存能力末端指標的權重系數為w2=[0.5584,0.1220,0.3196],CR<0.1,滿足一致性要求。

2) 模糊綜合評判確定各指標數值。

通過邀請專家打分評判,得到生存能力評判數據如表5所示。

表5 生存能力指標評判數據

模糊綜合評價結果B=w2R=[0.1543,0.5575,0.2001,0.0881]。

3) 加權求和確定生存能力得分。

最終得到該無人機生存能力得分為C2=B·V=0.7373。

2.3.3 快速出動能力計算

首先,利用層次分析法確定各指標權重系數為w3=[0.4,0.4,0.2],利用專家評估法得到人員專業能力和人員訓練水平得分為[0.85,0.90],利用該無人機的慣導對準時間和式(20),得到該無人機的慣導對準能力值為0.4,加權求和得到快速出動能力最終得分為0.78。

2.3.4 偵察能力計算

首先通過AHP確定偵察能力末端指標權重系數為w4=[0.0972,0.4185,0.2625,0.1600,0.0618],根據前文所述,該無人機任務載荷類型指標得分為0.8,其他4個末端指標數值由模糊綜合評判得到,則最終偵察能力得分為0.8018。

2.3.5 作戰能力計算

通過層次分析法確定第一級指標權重W=[0.1278,0.2391,0.0930,0.5401],CR=0.05<0.1,滿足一致性要求。

結合前文計算出的基本性能得分C1、生存能力得分C2、快速出動能力得分C3和偵察能力得分C4,通過加權求和得到分系統全部正常情況下的作戰能力為0.7301。

根據1.5節分析,可得到不同狀態下的無人機系統作戰能力指標為C=[0.7301,0.5841,0.5841,0.5841,0.4417,0.4417,0.4417,0.1460]。

2.4 保障指標S計算

2.5 作戰環境系數H計算

作戰環境系數計算與2.4節保障系數計算類似,在此不再贅述計算步驟,直接給出計算結果。通過Delphi專家打分得到地形、氣象、水文自然環境得分為[0.65,0.85,0.55],自然電磁現象和人為電磁發射等電磁環境得分為[0.85,0.90],自然環境各級權重通過AHP得到wzr=[0.1349,0.7838,0.0813],電磁環境各級權重為wdc=[0.42,0.58],作戰環境各級權重為whj=[0.35,0.65],CR值均小于0.1,滿足一致性檢驗。

通過加權求和確定最終作戰環境得分為0.8509。

2.6 效能計算

綜合以上分析,無人機的綜合效能E=A·D·C·S·H=0.4601,若不考慮人員保障因素和作戰環境因素則獲得的作戰效能得分為0.63。從最終的效能結果來看,改進后的ADC法在綜合考慮保障因素和作戰環境因素后,得到的偵察無人機系統的作戰效能相比傳統的ADC法較低。這是因為改進后ADC法將偵察無人機系統置于較為真實的戰場環境,并考慮到人為因素對作戰效能的影響,更加貼近實戰。

3 結論

本文根據偵察無人機的實際作戰任務和作戰過程,對傳統的ADC模型加以拓展改進,并在指標分析中綜合利用層次分析法和模糊綜合評判法,計算邏輯清晰,最后通過算例驗證了該方法的有效性。

本文所提出的改進型ADC法,能夠得到比較科學的判據,能夠有效地對偵察無人機系統作戰效能進行科學評估,能夠為后續其他武器系統效能評估提供有益參考,具有較好的應用價值。