无人机集群协同侦察任务效能评估方法研究_齐智敏.pdf

总第345期1引言随着人工智能、大数据、物联网、脑科学等新兴技术的发展，智能化战争概念和无人化作战理念不断深化，战争形态正悄然发生改变。智能无人系统不再只是单纯的作战工具，而成为具备自主能力的战争主体，将在未来战争中发挥至关重要的作用。由大量较低成本、功能单一的无人机构建成高效协作、自组织、稳定的分布式作战集群，能够克服单一无人机的能力缺陷，有效提高无人机的生存能力，丰富无人机战术战法，成为各国研究无人机作战运用的主要样式。世界各国从无人机集群装备研发、自主组网、集体决策、分布式感知、可靠与弹性通信、分布式计算与分析等方面，开展了大量研发工作。如美国通过国防高级研究局（DARPA）等机构相继展开了系列无人机集群项目，包括小精灵Gremlins、拒止环境中的协同作战CODE、山鹑Perdix、低成本无人机集群技术LOCUST等1。相对于无人机集群作战相关装备与理论的快速发展，无人机集群效能评估方面的研究相对滞后。关于无人机集群作战效能方面的研究主要有：文献 2 使用DoDAF从体系高度构建了无人机协同作战指标体系，将能力指标分为量纲指标和概率指标，运用ADC法计算了效能值。文献 3 定义了效能影响因子模型，得出了携带不同任务载荷无人机群的协同作战效能计算模型，并给出了基于启发式整数规划的模型求解方法。文献 4 在ADC法基础上加入了作战保障能力系数，并采用了定量加定性的评估方法。文献 5 运用协同系统综合指数模型，形成了一种面向典型任务的有人/无人机协收稿日期：2022年9月12日，修回日期：2022年10月27日作者简介：齐智敏，女，博士，助理研究员，研究方向：军事指挥、军事评估。张海林，男，博士，助理研究员，研究方向：军事运筹、作战评估。杨鹏飞，男，博士，助理研究员，研究方向：作战仿真、作战评估。无人机集群协同侦察任务效能评估方法研究齐智敏张海林杨鹏飞（军事科学院战略评估咨询中心北京100091）摘要论文借鉴武器装备关键作战问题（COI）效能评估方法，构建了智能无人机集群侦察任务效能评估指标体系，建立了“作战任务-预期效果-能力属性-效能指标”的逻辑分析链路，形成了从效能指标到作战任务目标之间的关联关系，研究了面向典型作战任务的智能无人机集群效能评估方法。关键词智能；无人机集群；侦察任务；效能；评估中图分类号V279DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2023.03.026Evaluation Method Research on Cooperative ReconnaissanceMission Effectiveness of Intelligent UAV ClusterQI ZhiminZHANG HailinYANG Pengfei（Center for Strategic Evaluation Consulting，Academy of Military Science，Beijing100091）AbstractBy reference effectiveness evaluation methods of key operational problems（C01）of weapon equipment，the efficiency evaluation index system of intelligent UAV cluster reconnaissance mission is constructed，a critical mission-expected effect-ability attribute-efficiency index logic analysis link is established，the relationship between efficiency index and objectivesis formed，the evaluation method of intelligent UAV cluster effectiveness for key combat mission is formed.Key Wordsintelligence，UAV cluster，reconnaissance mission，effectiveness，evaluationClass NumberV279舰 船 电 子 工 程Ship Electronic Engineering总第 345 期2023 年第 3 期Vol.43 No.3124舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期同效能评估方法。准确的效能评估方法和结论能够为无人机集群作战理论研究提供支撑，是开展各项无人机集群作战研究的基础。论文借鉴武器装备关键作战问题（COI）效能评估方法6，建立了智能无人机集群“作战任务-预期效果-智能无人机群能力属性-智能无人机群效能指标”映射关系，探索了一种基于预期目标的智能无人机集群作战任务效能评估方法。2指标体系构建本文从无人机集群执行侦察任务所需运用的基本能力出发，细化分解形成能力要素，构建了评估指标体系79。指标体系共分为三层：综合能力层、基础能力层和要素层。综合能力层主要分为平台基本能力和集群协同能力两部分。平台基本能力是指单无人平台根据其性能配置，所具备的独立遂行任务的能力。集群协同能力，是指多平台之间自主协同，涌现产生的组合能力。基础能力层是指形成综合能力所需的各分项能力，将平台能力划分为基本性能、环境适应能力、数据通信能力、生存能力和侦察能力。要素层，是基本能力细化分解的可量化的基本构成要素。如图1所示。图1智能无人机集群侦察任务效能评估指标体系3评估方法研究无人机集群作战任务效能与集群组成、载荷配置、协同水平等因素紧密相关。借鉴武器装备关键作战问题（COI）效能评估方法，研究提出智能无人机集群作战任务效能评估分解模型。智能无人机集群作战任务效能评估方法用于建立智能无人机集群作战要素指标与其完成作战任务的效能之间的关系，评估智能无人机群完成作战任务、达到预期效果的水平。智能无人机集群作战任务效能评估分解模型从无人集群的作战任务出发，层层分解最终落实到智能无人机集群作战效能评估指标，然后从评估指标结果自下而上评估其作战任务效能，实现作战任务完成程度到智能无人机群体作战效能评估指标的映射和追溯，分解关系可分为任务层、属性层、指标层三个层级。模型框架如图2所示。图2评估模型框架主要步骤如下：1）从无人机的作战任务出发，通过作战任务分析，对作战任务进行层层分解，提出完成作战任务的关键作战问题，形成任务目标。2）梳理完成作战任务的预期效果，从实现作战目标需达到的预期效果、达到预期效果需要无人机集群具备的能力属性、衡量能力属性需要哪些具体125总第345期指标等角度，逐层将作战任务能力分解到智能无人机集群作战效能评估各级指标体系各指标项中。3）建立“作战任务-预期效果-智能无人机集群能力属性-智能无人机集群效能指标”的各级映射关系，并从评估结果聚合形成智能无人机集群作战任务效能评估结论。智能无人机集群作战任务效能分解过程如图3所示10。图3作战任务分解过程图中可以看出作战任务分解到智能无人机集群作战效能评估指标的基本原理，并建立了分解映射矩阵。即“作战任务-期望效果”分解映射矩阵为S=wsijmn。“期望效果-能力属性”分解映射矩阵为X=wxijnf。“能力属性-效能指标”分解映射矩阵为Z=wzijfk。各映射矩阵满足如下条件：j=1nwsij=0或1，i=1,2,mj=1fwxij=0或1，i=1,2,nj=1kwzij=0或1，i=1,2,f（1）式中，ws,wx,wz分别表示分解映射权重。以“作战任务-期望效果”分解映射矩阵为例，式（1）表明当期望效果与侦察任务完全不相关时，权重均为0，当期望效果与作战任务相关时，需根据相关的期望效果的数量分配相应的相关度权重。评估中，建议采取专家评价法确定指标及权重值。4评估案例分析侦察任务效能，用以衡量无人机集群的战场态势感知、目标发现、目标定位、目标识别等能力。无人机在战场执行巡逻监视、目标搜索、火力引导、效果评估等相关作战任务时，均涉及侦察任务效能11。根据侦察任务效能评估指标体系所列，侦察任务能力由基本性能、环境适应能力、数据通信能力、生存能力、侦察能力、协同能力等基础能力构成。按照智能无人机集群作战任务效能评估分解模型评估步骤如下。4.1构建“作战任务-预期效果”映射矩阵首先是构建“作战任务-预期效果”映射矩阵，构建过程应从作战角度充分考虑完成该任务想要达到的预期效果，并考虑预期效果与作战任务目标的一致性。构建的关键是获取正确的关联信息，该过程可以通过专家或权威信息获取。构建原则：预期效果数量大于或等于作战任务目标数量，每个作战任务的目标都至少可以对应一个预期效果，每个预期效果都至少可以对应一个作战任务目标。1）通过专家咨询或权威文献收集群体侦察的任务目标和预期效果。侦察任务目标：确保自身安全、迅速完成侦察任务，获取侦察情报。侦察预期效果：避免被敌侦察装备发现、科学规划侦察航线、精准定位目标位置、正确分析目标性质。2）通过层次分析法获取映射矩阵权重。得到群体侦察任务“作战任务-预期效果”映射矩阵，如表1所示。齐智敏等：无人机集群协同侦察任务效能评估方法研究126舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期得到映射矩阵如下：S=|0.50.5000.30.50.10.100.20.40.44.2构建“预期效果-能力属性”映射矩阵按照相似的思路进一步对期望效果和智能无人机集群能力属性进行分解映射。智能无人机群能力属性描述为了达到预期效果，智能无人机群应具有的定性或定量的属性，主要是无人机群的行为和能力描述。例如：目标侦察的实时性和准确性等。构建分解映射矩阵原则：每个预期效果至少有一个能力属性与之对应。构建步骤如下：1）通过专家咨询列举与完成作战任务相关的智能无人机集群作战能力属性。2）通过层次分析法获取映射矩阵权重。得到群体侦察任务“预期效果-能力属性”映射矩阵。映射关系如表2所示。得到映射矩阵如下：X=|0.2 0.1 0.1 000.2 0 0.1 0.1 0.1 0.10.2 0.1 0.1 0000 0.2 0.2 0.1 0.10.1 0 0.1 0 0.400 0.3 0.1 000.1 0 0.1 0 0.400 0.1 0.3 004.3构建“能力属性-效能指标”映射矩阵智能无人机群效能指标，用来定量或定性衡量智能无人机群属性。在建立映射矩阵时适当对指标体系进行裁剪，保留与作战任务相关的指标项 12。以示例形式给出映射关系和映射矩阵如表3所示。得到映射矩阵如下：表1集群侦察任务“作战任务-预期效果”映射关系作战任务目标目标1：确保自身安全目标2：迅速完成侦察任务目标3：获取侦察情报预期效果效果1不被敌方侦察设备发现0.50.30效果2科学规划侦察航线0.50.50.2效果3精准定位目标位置00.10.4效果4正确分析目标性质00.10.4预期效果效果1：不被敌方侦察设备发现效果2：科学规划侦察航线效果3：精准定位目标位置效果4：正确分析目标性质能力属性平台基本性能0.20.20.10.1平台环境适应0.10.100平台数据通信0.10.10.10.1平台生存0000侦 察能力000.40.4平台电子对抗0.2000平台打击0000群体态势感知0.10.20.30.1群体判断决策0.10.20.10.3通信支撑0.10.100协同控制0.10.100表2“预期效果-能力属性”映射关系能力属性基本性能环境适应数据通信生存侦察电子对抗打击群体态势感知群体判断决策群体通信支撑群体协同控制效能指标实用升限0.40.400.2000.10000隐身性0.40.400.600.30.10000发现目标能力00000.30.300.1000识别目标能力00000.30.200.20.100定位目标能力0.10000.300.20.10.100信息融合能力000.5000.10.10.40.400.3航路规划能力00.100.10.100.20000.1目标分配能力0000000.200.300.1网络支撑质量0.10.10.50.100.10.10.20.110.5表3“能力属性-效能指标”映射关系（下转第182页）127总第345期11薛慧如，马秀荣，单云龙.基于OFDR光纤振动传感器解调算法的研究及改进 J.光通信技术，2019，43（6）：9-12.12林雅坤，洪明森，隋丹丹，等.柔性光纤压力传感器的制备工艺与参数研究J.电子器件，2022，45（05）：1061-1065.13Shao C，Yin G，Lv L，et al.OFDR with local spectrum matching method for optical fiber shape sensing J.Annales de lI.H.P，2019，12（8）：1-4.14隋丹丹，张会新，张利平，等.柔性光纤压力传感器的增敏结构设计J.仪表技术与传感器，2021（3）：19-22，53.Z=|0.40.4000.10000.10.40.400000.100.1000000.5000.50.20.600000.100.1000.30.30.300.10000.30.30.200.1000.10.10.1000.20.10.20.20.1000.10.20.10.4000.20000.10.10.400.30.1000000001000000.30.10.10.5至此，我们可以通过映射矩阵Z,X,S，并通过指标项的评估结果，反向追溯得到作战任务能力评估结果。若无人机平台和群协同指标项评估结果（采取10分制）为P=9 7 8 8 5 2 8 4 6T，则可以得出智能无人机集群侦察任务三个关注任务目标的计算结果为RT31=S34X411Z119P915结语通过构建“作战任务-预期效果-能力属性-效能指标”的逻辑分析链路，理清无人机集群执行作战任务时，“需要达到的目标”、“需要具备的能力”及“具体的效能指标”之间的关系，构建从指标到任务的评估模型，进而改变以往脱离任务评效能的问题，实现基于任务的效能评估理论方法，提升无人机集群作战效能评估的针对性和科学性。参 考 文 献1韩月明，方丹，张红艳，等.智能无人机集群协同作战效能评估综述 J.飞航导弹，2020（8）：51-56.2王瑛，史翔宇，李超.基于DoDAF的无人机协同作战效能评估 J.空军工程大学学报，2020，21（6）：66-72.3李坎.对地攻击型无人机群协同作战效能分析 J.指挥控制与仿真，2017，39（6）：63-68.4潘长鹏，韩玉龙，庄益夫.舰载无人机编队协同对海突击作战效能评估指标体系研究 J.空军工程大学学报，2019（2）：25-32.5尹昊，侯婷婷，李东光.面向典型任务的有人/无人机协同效能评估 J.无人系统技术，2021，4（1）：62-70.6李超，任晓斌.面向任务的军机作战有效性试飞设计与评估 J.计算机测量与控制，2019，27（6）：267-32.7杨昌发，任勇，冷智辉，等.航空集群系统空对地作战效能涌现方法研究 J.火力与指挥控制，2021，46（6）：47-51.8黄吉传，周德云.无人机协同作战效能评估指标体系设计与分析 J.西安工业大学学报，2020，40（1）：38-92.9张永利，孙治水，周荣坤.基于AHP-模糊综合评判法的有人机/无人机协同作战效能评估 J.舰船电子对抗，2015，38（6）：80-92.10朱宝鎏，朱荣昌，熊笑非.作战飞机效能评估 M.北京：航空工业出版社，1993.11张旺，申洋，陈伟.无人机多侦察载荷协同侦察效能评估 J.电光与控制，2014，21（3）：1-4.12齐智敏，张海林，伊山，等.智能无人机群作战效能评估指标体系研究 J.舰船电子工程，2021，41（9）：1-5.（上接第127页）张会新等：基于PDMS海绵介质的柔性光纤压力传感器制备及性能研究182