胡 杰，陳化良，劉 亮*，畢哲源，閆國闖

（1.中國兵器工業(yè)試驗(yàn)測試研究院，陜西 華陰 714200；2.西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

0 引言

近年來隨著無人機(jī)技術(shù)、人工智能、3D 打印、通信技術(shù)的突飛猛進(jìn)發(fā)展，以無人機(jī)為代表的智能化集群憑借靈活性高、體系配合能力強(qiáng)、低成本作戰(zhàn)等特點(diǎn)，快速進(jìn)入各國軍事機(jī)構(gòu)的視野并在軍事領(lǐng)域逐步應(yīng)用。無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)是指多架無人機(jī)將各自的作戰(zhàn)資源和空間占位整合，充分利用各自優(yōu)勢協(xié)同完成作戰(zhàn)任務(wù)，是未來戰(zhàn)場上作戰(zhàn)主要的模式。采用蜂群形式進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)，既能發(fā)揮單機(jī)性能，又能相互支援，形成群體作戰(zhàn)能力；同時(shí)蜂群所具有的多機(jī)協(xié)同、多目標(biāo)攻擊能力，可以使每個(gè)單體同時(shí)有效地對多個(gè)目標(biāo)實(shí)施攻擊，提高我方作戰(zhàn)效能、生存率及對敵機(jī)的殺傷概率。在正式執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)之前，需要對作戰(zhàn)實(shí)施方案進(jìn)行整體效能評估，為無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)提供理論指導(dǎo)的同時(shí)為作戰(zhàn)決策者提供作戰(zhàn)方案，進(jìn)而有效提高協(xié)同作戰(zhàn)執(zhí)行任務(wù)的成功率。針對作戰(zhàn)效能評估的方法比較多，主要包括ADC 效能模型法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、層次分析法等方法。其中，ADC 效能模型法適應(yīng)于評估系統(tǒng)單項(xiàng)性能，對于復(fù)雜系統(tǒng)評估計(jì)算過程比較繁瑣；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自組織和自學(xué)習(xí)性較好，但需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行訓(xùn)練，對于新興的蜂群作戰(zhàn)來講，目前仍不成熟；相對于以上兩種方法，層析分析法將系統(tǒng)的效能評估問題進(jìn)行分解組合，形成自上而下的逐層支配的層次關(guān)系，將決策思維過程數(shù)學(xué)化，將繁雜的數(shù)學(xué)問題簡單化，思路清晰，簡單易行，同時(shí)可以利用專家以前積累的經(jīng)驗(yàn)，是目前作戰(zhàn)效能評估的一種簡單、實(shí)用、有效的評估方法。

目前現(xiàn)有的對無人蜂群作戰(zhàn)效能評估的研究成果還相對較少，均不能完整的體現(xiàn)出無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)的特點(diǎn)，所建立的作戰(zhàn)效能評估體系還不夠全面，不夠系統(tǒng)，針對單機(jī)作戰(zhàn)性能考核的多，集群整體作戰(zhàn)效能、作戰(zhàn)指標(biāo)之間的相互關(guān)系以及作戰(zhàn)影響因子權(quán)重研究的相對較少。因此，研究無人機(jī)集群的作戰(zhàn)效能，對未來無人機(jī)的作戰(zhàn)模式和引領(lǐng)未來戰(zhàn)爭形態(tài)有著非常重要的意義。本文通過對無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)特點(diǎn)進(jìn)行深入研究分析，影響無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)效能重點(diǎn)集中在飛行能力、突防能力、探測能力、火力控制、戰(zhàn)場適應(yīng)性等5 個(gè)方面，提出了基于層次分析法的無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)效能評估方法，綜合考慮影響作戰(zhàn)效能的影響，為無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)效能評估提供了一種科學(xué)合理的評估方法。

1 效能評估指標(biāo)體系

無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)主要是利用規(guī)模與互補(bǔ)效應(yīng)，克服單機(jī)個(gè)體不足，實(shí)現(xiàn)集群目標(biāo)最大化，從而達(dá)到1+1＞2 的效果。結(jié)合協(xié)同偵察、協(xié)同打擊、協(xié)同突防、區(qū)域拒止等典型作戰(zhàn)任務(wù)場景，分析單體和組群之間的相互關(guān)聯(lián)，建立以飛行能力、突防能力、探測能力、火控能力以及環(huán)境適應(yīng)性等5 個(gè)指標(biāo)的效能評估指標(biāo)體系。其中，群體以最快速度，搭載不同任務(wù)載荷的飛行能力，是實(shí)現(xiàn)快速作戰(zhàn)任務(wù)部署的基礎(chǔ)；突防能力是單體能否適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境的具體體現(xiàn)；探測性能和火控能力互為依存，只有早發(fā)現(xiàn)、探得準(zhǔn)、瞄得遠(yuǎn)、攜彈量大、彈種多、打得準(zhǔn)才能達(dá)到作戰(zhàn)目的；戰(zhàn)場適應(yīng)性是對集群目標(biāo)適應(yīng)長機(jī)被摧毀、信息中斷等多變的戰(zhàn)場環(huán)境的一種綜合能力考核。

對于無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)效能，綜合考慮其單機(jī)自身性能以及整體聯(lián)合作戰(zhàn)能力，構(gòu)建以飛行能力、突防能力、探測能力、火控能力以及環(huán)境適應(yīng)性等5個(gè)方面為主要考核指標(biāo)的效能評估體系。其中，飛行能力包括：速度、升限、作戰(zhàn)半徑、續(xù)航時(shí)間、任務(wù)載荷等5 個(gè)核心指標(biāo)；突防能力包括：隱身性能、突防戰(zhàn)術(shù)、超低空飛行能力、高空飛行能力、干擾載荷能力等5 個(gè)核心指標(biāo)；探測能力包括：定位精度、目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率、探測范圍、全天候能力等4 個(gè)核心指標(biāo)；火控能力包括：火力多樣性、命中概率、打擊精度、載彈量等4 個(gè)核心指標(biāo)；戰(zhàn)場適應(yīng)性包括：戰(zhàn)場存活率、去中心化程度、編隊(duì)重構(gòu)能力等3 個(gè)核心指標(biāo)。通過以上分析，利用對非定量事件做定量分析的層次分析法，來構(gòu)建無人蜂群作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系，具體分為目標(biāo)層-準(zhǔn)則層-子準(zhǔn)則層的層次結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系圖

2 效能評估模型

2.1 無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)總體效能

根據(jù)層次分析法，無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)總體效能評

2.2 蜂群飛行能力評估模型

2.3 蜂群突防能力評估模型

建立單架無人機(jī)的突防能力指標(biāo)評估模型如式（5）：

2.4 蜂群探測性能評估模型

2.5 蜂群火控能力評估模型

2.6 蜂群戰(zhàn)場適應(yīng)性評估模型

2.7 效能評估模型權(quán)重系數(shù)確定

根據(jù)層次分析法中的1-9 尺度和專家經(jīng)驗(yàn)，建立準(zhǔn)則層5 個(gè)因素的成對比較矩陣P。其中，P表示飛行能力；P表示突防能力；P表示探測能力；P表示火力控制能力；P表示戰(zhàn)場適應(yīng)性。則可以得到判斷矩陣P 如下：

3 數(shù)值計(jì)算方法

3.1 飛行測試

本項(xiàng)目采用3 種成熟機(jī)型構(gòu)建無人機(jī)編隊(duì)，A為典型四旋翼無人機(jī)，只攜帶偵察載荷，僅能實(shí)現(xiàn)單一的偵察。該類型無人機(jī)以大疆精靈4 為代表；B為電動(dòng)垂直起降固定翼，可同時(shí)攜帶偵察載荷和火力打擊單元，兼顧偵察和打擊能力。該類型無人機(jī)以傲世候鳥無人機(jī)（X-swift）為代表；C 為油動(dòng)固定翼無人機(jī)，只攜帶火力打擊單元，以快速打擊為終極目的。該類型無人機(jī)以大白科技DB-2 無人機(jī)為代表，具體機(jī)型參數(shù)如表1 所示。

表1 典型機(jī)型

由3 種不同類型無人機(jī)構(gòu)成5 機(jī)編隊(duì)，來實(shí)現(xiàn)特定綜合場景作戰(zhàn)任務(wù)。該項(xiàng)目未考慮單一機(jī)型組群的極端情況，每種方案均包含所有機(jī)型，具體無人機(jī)編隊(duì)配置方案有以下5 種，如表2 所示。

表2 無人機(jī)編隊(duì)方案

經(jīng)過實(shí)際飛行測試作戰(zhàn)效果優(yōu)劣排名如下：方案3＞方案2＞方案4＞方案1＞方案5。

3.2 作戰(zhàn)效能驗(yàn)證

根據(jù)以上無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)的編隊(duì)設(shè)計(jì)方案，采用上述效能評估模型，利用層次分析法，對每種機(jī)型的21 項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果如下頁表3 所示。

表3 無人機(jī)性能指標(biāo)

編隊(duì)設(shè)計(jì) 方案1 方案2 方案3方案4方案5作戰(zhàn)性能 1.494 3 1.513 6 1.532 9 1.509 5 1.486 0

將3 種機(jī)型的21 項(xiàng)作戰(zhàn)性能指標(biāo)結(jié)合無人機(jī)編隊(duì)方案，利用無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)總體效能評估指標(biāo)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，得出：方案3＞方案2＞方案4＞方案1＞方案5，具體分值如表4 所示。

以上結(jié)果表明AHP 多層次分析法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際飛行一致，該評估模型能夠滿足異構(gòu)無人機(jī)蜂群的作戰(zhàn)效能評估。具體分析如下：

方案1 和方案5 效能較低，主要由于機(jī)型配置不合理，導(dǎo)致整體效能偏低。方案1 偵察能力強(qiáng)但打擊能力弱，方案5 相反打擊能力強(qiáng)而偵察能力弱，可適用于比較極端的單一場景。方案2、3、4 中機(jī)型分配較為均衡，其作戰(zhàn)效能屬于較高層級。說明3 種方案的適應(yīng)性較強(qiáng)。放到本次考核場景中，由于貼近實(shí)戰(zhàn)化，目標(biāo)隱蔽性強(qiáng)，難于偵察，數(shù)量適中。方案3 能獲得最大效能，表明在異構(gòu)編隊(duì)配置中，方案3 的整體偵察和打擊能力較均衡，更符合需求。

4 結(jié)論

1）無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)作為一種改變未來戰(zhàn)爭形態(tài)的作戰(zhàn)形式，研究蜂群作戰(zhàn)效能評估方法具有重大而深遠(yuǎn)的意義。

2）本文研究提出的作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系，能反映現(xiàn)階段無人蜂群作戰(zhàn)效能的因素和特征，基于層次分析法給出的評估方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性，不僅能夠?yàn)闊o人機(jī)蜂群作戰(zhàn)提供理論基礎(chǔ)，而且能為作戰(zhàn)決策者提供作戰(zhàn)配置方案。

3）本文建立的效能評估模型以及參數(shù)的設(shè)置還有待結(jié)合實(shí)戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)一步的驗(yàn)證和完善，從而使評估算法更客觀、真實(shí)反映無人蜂群作戰(zhàn)效能。