羅 賀,秦英祥,王國(guó)強(qiáng),胡笑旋
(1.合肥工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院飛行器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究所,合肥 230009;2.過程優(yōu)化與智能決策教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230009)
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一種無人機(jī)偵察能力評(píng)估模型*
羅賀1,2,秦英祥1,王國(guó)強(qiáng)1,2,胡笑旋1,2
(1.合肥工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院飛行器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究所,合肥230009;2.過程優(yōu)化與智能決策教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥230009)
摘要:在無人機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)的過程中,需要對(duì)攜帶傳感器的無人機(jī)能力進(jìn)行評(píng)估。對(duì)此,從生存性能、偵察性能和穩(wěn)定性能等3個(gè)方面建立無人機(jī)偵察能力的評(píng)估指標(biāo)體系,并提出一種基于熵權(quán)的組合賦權(quán)方法,將主客觀信息進(jìn)行融合,確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重,建立無人機(jī)偵察能力的評(píng)估模型。最后通過實(shí)例對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞:無人機(jī),偵察能力,評(píng)估模型,熵權(quán)
無人駕駛飛機(jī)是一種能攜帶多種設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù),并能重復(fù)使用的無人駕駛航空器,簡(jiǎn)稱無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)。由于其獨(dú)有的低成本、低損耗、零傷亡、可重復(fù)使用等諸多優(yōu)勢(shì),使其在目標(biāo)偵察、地質(zhì)勘測(cè)、應(yīng)急救援等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。
在無人機(jī)執(zhí)行的眾多任務(wù)類型中,偵察任務(wù)是一類利用機(jī)載多傳感器對(duì)特定區(qū)域或特定目標(biāo)獲取情報(bào)的過程。通常地,被偵察目標(biāo)的紅外、光波、聲波、無線電波等物理特性直接決定了所需使用的機(jī)載傳感器類型,可視為偵察任務(wù)的硬條件之一,但是,對(duì)于攜帶傳感器的無人機(jī)來說,其生存能力、機(jī)動(dòng)能力、自主能力以及自身性能等方面的綜合能力在實(shí)際應(yīng)用過程中已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。
對(duì)此,Morgenthal等人討論了無人機(jī)飛行系統(tǒng)的性能和影響無人機(jī)運(yùn)動(dòng)的因素,并根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)記錄研究了所搭載的高精度傳感器對(duì)無人機(jī)偵察性能的影響[3]。Skarlatos等人提出一種狀態(tài)意識(shí)示蹤器,該工具利用一般性狀態(tài)模型和對(duì)無人機(jī)群操控者行為的分析來推斷和評(píng)估無人機(jī)狀態(tài)[4]。李儼等提出了一種新的無人機(jī)系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)估方法,對(duì)某型無人機(jī)部分分系統(tǒng)發(fā)生故障及采取修復(fù)措施后的健康狀態(tài)分別進(jìn)行了評(píng)估[5]。陳建榮等人定量分析和評(píng)估無人機(jī)系統(tǒng)在給定作戰(zhàn)環(huán)境下完成高空電視偵察目標(biāo)任務(wù)的程度,對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)的效能進(jìn)行了分析和評(píng)估建模,實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)系統(tǒng)可用度、可信性、系統(tǒng)能力的計(jì)算,給出了無人機(jī)系統(tǒng)效能的一種基本算法和公式[6]。
然而,影響無人機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)的因素仍然較多,在滿足偵察硬條件的基礎(chǔ)上,如何評(píng)估無人機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)的能力,并選取合適的無人機(jī),是順利完成偵察任務(wù)的基礎(chǔ)保障之一。為此,本文針對(duì)無人機(jī)偵察能力的評(píng)估問題,首先通過指標(biāo)篩選的方式建立無人機(jī)偵察能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,其次提出一種基于熵權(quán)法的指標(biāo)賦權(quán)方法,最后通過實(shí)例分析無人機(jī)偵察能力的評(píng)估過程。
無人機(jī)偵察能力評(píng)估是在滿足任務(wù)載荷的情況下,對(duì)執(zhí)行偵察任務(wù)的無人機(jī)能力的客觀評(píng)價(jià)過程,在評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建過程中,結(jié)合國(guó)內(nèi)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與文獻(xiàn)[7-9],遵循全面、客觀、科學(xué)、可行的原則,首先獲得無人機(jī)偵察能力備選指標(biāo)集,再通過專家篩選、相關(guān)性分析等方法對(duì)備選指標(biāo)進(jìn)行篩選,最終確定了20個(gè)無人機(jī)能力評(píng)估指標(biāo),并將其劃分為3類,分別為生存性能指標(biāo)、偵察性能指標(biāo)、穩(wěn)定性能指標(biāo)(如圖1所示)。
圖1無人機(jī)偵察能力評(píng)價(jià)指標(biāo)
1.1生存性能指標(biāo)
無人機(jī)是一種技術(shù)密集型系統(tǒng),在復(fù)雜的地理與氣象條件下,保持無人機(jī)安全存在是其執(zhí)行偵察任務(wù)的基本前提。生存性能下的7個(gè)指標(biāo)具體如下:
(1)巡航高度:無人機(jī)在有效執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)的巡航高度越高,則無人機(jī)在執(zhí)行偵察任務(wù)效率方面具有優(yōu)勢(shì)。
(2)巡航速度:無人機(jī)在執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)選定的適宜于長(zhǎng)時(shí)間或遠(yuǎn)距離飛行的平飛速度稱為巡航速度,即無人機(jī)所裝發(fā)動(dòng)機(jī)每100 km消耗燃油最小情況下的飛行速度。無人機(jī)的巡航速度越快,越有利于提高無人機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)的效率。
(3)抗毀傷能力:在執(zhí)行偵察任務(wù)的過程中,無人機(jī)不僅需要面對(duì)各種自然條件的變化,而且還需要面對(duì)各種突發(fā)事件,良好抗毀傷能力是確保偵察無人機(jī)高效工作的重要前提。
(4)最小轉(zhuǎn)彎半徑:最小轉(zhuǎn)彎半徑在很大程度上表征了無人機(jī)能夠通過狹窄彎曲地帶或繞過不可越過的障礙物的能力,轉(zhuǎn)彎半徑越小,無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性能越好。
(5)最大爬升率:在無人機(jī)飛行過程中,需考慮無人機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)增加的高度,即無人機(jī)的最大爬升率。無人機(jī)在某一高度上,以最大油門狀態(tài),按不同爬升角爬升,所能獲得爬升率的最大值。
(6)最大續(xù)航時(shí)間:無人機(jī)在不進(jìn)行空中加油的情況下,耗盡其自身攜帶的可用燃料所能持續(xù)飛行的時(shí)間,是無人機(jī)最長(zhǎng)的工作時(shí)間。
(7)實(shí)用升限:無人機(jī)上升所達(dá)到的最大高度,其影響著無人機(jī)飛行與偵察的范圍。
1.2偵察性能指標(biāo)
偵察性能是指無人機(jī)執(zhí)行戰(zhàn)場(chǎng)及環(huán)境偵察、監(jiān)視等任務(wù)的能力,無人機(jī)需要在偵察到目標(biāo)后立即做出判斷,對(duì)其進(jìn)行識(shí)別、跟蹤或決策。偵察性能包含以下7個(gè)指標(biāo)。
(1)信息處理與傳輸能力:在執(zhí)行偵察任務(wù)過程中,無人機(jī)內(nèi)部自身信息處理的速度以及無人機(jī)與無人機(jī)之間、無人機(jī)與有人機(jī)之間或無人機(jī)與地面站之間的信息傳輸能力,它決定了無人機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)的質(zhì)量和效果。
(2)抗干擾能力:無人機(jī)及其所攜帶的機(jī)載設(shè)備能夠防止經(jīng)過天線輸入端、設(shè)備的外殼以及沿電源線作用于設(shè)備的電磁干擾的能力。
(3)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)能力:無人機(jī)在待偵察區(qū)域內(nèi)對(duì)可疑目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)與定位的能力。
(4)識(shí)別目標(biāo)能力:無人機(jī)對(duì)可疑目標(biāo)的辨別以及確定的能力,是進(jìn)行目標(biāo)跟蹤或智能決策的前提條件。
(5)偵察高度:無人機(jī)在執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)的有效高度被稱為偵察高度,偵察高度越高,則同一時(shí)刻的探測(cè)范圍越廣,跨越地面障礙物的能力也越強(qiáng)。
(6)巡航時(shí)間:無人機(jī)在有效執(zhí)行偵察任務(wù)的前提下能夠持續(xù)飛行的最長(zhǎng)時(shí)間。
(7)機(jī)載電子設(shè)備可靠性:機(jī)載電子設(shè)備可靠性是無人機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)的前提條件,沒有可靠的設(shè)備將難以完成給定的偵察任務(wù)。
1.3穩(wěn)定性能指標(biāo)
無人機(jī)在復(fù)雜多樣環(huán)境中執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)需要較高穩(wěn)定性,使無人機(jī)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后迅速回復(fù)到原平衡狀態(tài)的性能。穩(wěn)定性能下指標(biāo)具體包括:
(1)平均無故障時(shí)間:無人機(jī)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持有效功能的一種能力,是相鄰兩次故障之間的平均工作時(shí)間。
(2)平均修復(fù)時(shí)間:當(dāng)無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)由故障狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)的平均時(shí)間。
(3)環(huán)境適應(yīng)能力:在預(yù)計(jì)可能遇到的各種環(huán)境中,無人機(jī)能實(shí)現(xiàn)其所有預(yù)定功能時(shí)不被破壞的能力,是裝備的重要質(zhì)量特性之一。
(4)數(shù)據(jù)鏈路可靠性:數(shù)據(jù)鏈路層傳輸以幀為單位的數(shù)據(jù)包,并采用差錯(cuò)控制與流量控制方法,使有差錯(cuò)的物理線路變成無差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路,數(shù)據(jù)鏈路可靠性反映了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的精確程度。
(5)有效載荷可靠性:有效載荷是指無人機(jī)直接執(zhí)行特定偵察任務(wù)的儀器、設(shè)備或分系統(tǒng),如紅外掃描儀、合成雷達(dá)高度計(jì)等。有效載荷可靠性就是指這些儀器、設(shè)備或分系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過程中的可靠性。
(6)起降控制系統(tǒng)可靠性:起降控制系統(tǒng)可完成無人機(jī)的起飛、著陸、盤旋、航線飛行等功能。其可靠性是執(zhí)行任務(wù)的重要前提。
上述無人機(jī)偵察能力的評(píng)估指標(biāo)體系從生存性能、偵察性能和穩(wěn)定性能3個(gè)維度歸納總結(jié)出20個(gè)評(píng)估指標(biāo),相應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)體系層次框圖如圖2所示。其中,實(shí)線框表示的是定量獲取的指標(biāo)元素,虛線框表示的是定性獲取的指標(biāo)元素。
圖2無人機(jī)偵察能力評(píng)估指標(biāo)的層次框圖
針對(duì)指標(biāo)權(quán)重賦值中的主觀性問題[10-11],本文提出一種基于熵權(quán)的組合賦權(quán)方法,通過將不同指標(biāo)上的專家主觀信息與客觀信息進(jìn)行融合,計(jì)算相鄰指標(biāo)間的客觀熵權(quán)值之比,進(jìn)而得到各指標(biāo)的權(quán)重。具體步驟如下:
步驟1由專家確定指標(biāo)的重要性排序。
步驟2計(jì)算各指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的熵權(quán)值。
設(shè)第k個(gè)待評(píng)估對(duì)象在第i個(gè)準(zhǔn)則第j項(xiàng)指標(biāo)下的數(shù)據(jù)為vijk,特征比重為hijk,則
其中,i=1,2,…,L;j=1,2,…,Mi;k=1,2,…,K。
設(shè)eij為第i個(gè)準(zhǔn)則第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值,則
第i個(gè)準(zhǔn)則第j項(xiàng)指標(biāo)的熵權(quán)值μi,j為:
步驟3計(jì)算相鄰指標(biāo)的重要程度。
設(shè)ri,j-1為第i個(gè)準(zhǔn)則中第j-1項(xiàng)指標(biāo)與第j項(xiàng)指標(biāo)的重要程度
其中,i=1,2,…,L;j=2,…,Mi。
步驟4計(jì)算指標(biāo)對(duì)準(zhǔn)則的權(quán)重。
設(shè)fi,Mi為第i個(gè)準(zhǔn)則下第Mi項(xiàng)(即最后一項(xiàng))指標(biāo)對(duì)準(zhǔn)則i的權(quán)重,則
第i個(gè)準(zhǔn)則下其他Mi-1項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重都可通過其后一項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算。
其中,i=1,2,…,L;j=2,…,Mi。
步驟5計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。
設(shè)μi為第i個(gè)準(zhǔn)則的熵權(quán),則
設(shè)ri-1為相鄰的第i-1個(gè)準(zhǔn)則相對(duì)于第i個(gè)準(zhǔn)則的重要程度,則
設(shè)WL為第L個(gè)(即最后一個(gè))準(zhǔn)則的權(quán)重,則
其他L-1個(gè)準(zhǔn)則的權(quán)重為:
其中,i=2,…,L。
因此,第i個(gè)準(zhǔn)則第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重Wij為:
其中,i=1,2,…,L;j=1,2,…,Mi。
針對(duì)無人機(jī)所需執(zhí)行的偵察任務(wù),假設(shè)各無人機(jī)所攜帶的機(jī)載設(shè)備及傳感器等均能夠滿足偵察任務(wù)的需求。在此情形下,對(duì)7種機(jī)型的無人機(jī)偵察能力進(jìn)行評(píng)估和排序,以確定最佳機(jī)型。(各機(jī)型的具體數(shù)據(jù)如表1所示)。以下給出利用本文所述方法進(jìn)行無人機(jī)能力評(píng)估的過程。
步驟1:根據(jù)本文所建立的指標(biāo)體系,由專家確定指標(biāo)的重要性排序。
表1無人機(jī)能力評(píng)估指標(biāo)及7種機(jī)型無人機(jī)數(shù)據(jù)表
(1)準(zhǔn)則層中各準(zhǔn)則的重要性程度從大到小的排序結(jié)果為B1>B2>B3;
(2)生存性能下各指標(biāo)的重要性程度從大到小排序結(jié)果為C12>C16>C11>C17>C13>C14>C15。
(3)偵察性能下各指標(biāo)的重要性程度從大到小排序結(jié)果為C23>C24>C21>C26>C22>C27>C25。
(4)穩(wěn)定性能下各指標(biāo)的重要性程度從大到小排序結(jié)果為C31>C32>C33>C34>C35>C36。
步驟2:確定各指標(biāo)的熵權(quán)值。
以計(jì)算生存性能準(zhǔn)則下的各指標(biāo)熵權(quán)值為例。7種無人機(jī)在生存性能準(zhǔn)則的巡航速度指標(biāo)下的數(shù)據(jù)向量v11k為:
v11k=(2333,1667,2000,3500,2133,2500,3000)T
其中,k=1,2,…,7。
利用式(1)得到巡航速度指標(biāo)的特征比重向量h11k為:
h11k=(0.136 2,0.097 3,0.116 7,0.204 3,0.124 5,0.145 9,0.175 1)T
其中,k=1,2,…,7。
利用式(2)得到巡航速度指標(biāo)的熵值e11為0.986 0;再利用式(3)計(jì)算得到巡航速度指標(biāo)的熵權(quán)值μ11為0.102 6。同理,可得所有7個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)值向量μ1j為:
μ1j=(0.102 6,0.087 6,0.062 2,0.038 5,0.024 4,0.075 6,0.134 9)T
其中,j=1,2,…,7。
步驟3:確定相鄰指標(biāo)的重要性之比。
由于μ11>μ12,利用式(4)計(jì)算r11為1.171 3;同理,得到相鄰指標(biāo)間的重要程度向量r1,j-1為:
r1,j-1=(1.171 3,1.408 3,1.613 8,1.582 2,1,1)T
其中,j=2,3,…,7。
步驟4計(jì)算指標(biāo)對(duì)準(zhǔn)則的權(quán)重。
利用式(5)計(jì)算生存性能準(zhǔn)則下最后一項(xiàng)指標(biāo)(第7項(xiàng))相對(duì)于該準(zhǔn)則的權(quán)重f17為0.066 9,再利用式(6)計(jì)算出第6項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)于該準(zhǔn)則的權(quán)重f16為0.066 9。
同理,計(jì)算得到權(quán)重向量fij為:
fij=(0.281 9,0.240 6,0.170 9,0.105 9,0.066 9,0.066 9,0.066 9)T
其中,i=1;j=1,2,…,7。
步驟5計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。
利用式(7)~式(10)得權(quán)重向量Wi為:
Wi=(0.525 8,0.298 6,0.175 6),i=1,2,3。
重復(fù)上述步驟2~步驟5,可得其他指標(biāo)相對(duì)于準(zhǔn)則的權(quán)重。最終結(jié)果如表2所示。
表2無人機(jī)指標(biāo)權(quán)重表
利用式(11)對(duì)表2中準(zhǔn)則權(quán)重和相對(duì)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算,得到各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重向量為:
W=(0.148 2,0.126 5,0.089 9,0.055 7,0.035 2,0.035 2,0.035 2;0.056 0,0.046 3,0.044 4,0.044 4,0.042 2,0.033 3,0.031 9;0.046 3,0.036 8,0.033 3,0.025 6,0.019 1,0.014 5)T。
因此,指標(biāo)體系中各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重從大到小依次為:C12,C16,C11,C17,C23,C24,C31,C21,C26,C22,C32,C13,C14,C15,C27,C33,C25,C34,C35,C36。
上述采用基于熵權(quán)的組合賦權(quán)方法將多種型號(hào)無人機(jī)的數(shù)據(jù)與專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)相結(jié)合,通過熵權(quán)獲取相鄰指標(biāo)間的重要程度,指標(biāo)權(quán)重的分配符合實(shí)際情況下的無人機(jī)偵察能力評(píng)估中優(yōu)先考慮的范圍。
步驟6根據(jù)無人機(jī)數(shù)據(jù)及各指標(biāo)所賦權(quán)重,計(jì)算各機(jī)型無人機(jī)的得分值,并確定其排名。
(1)將表2數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化,如巡航速度標(biāo)準(zhǔn)化后的向量值M1j為:
M1j=(0.3633,0,0.1817,1,0.2542,0.4544,0.7272)
其中,j=,2,…,7。
第1種型號(hào)無人機(jī)RQ數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的向量值Mi1為:
Mi1=(0.363 3,0.333 3,0.562 5,0.011 8,0.592 6,0.282 1,1,0.710 5,0.771 4,0.842 1,0.333 3,0.432 4,0.657 1,0.333 3,0.222 2,1,0.562 5,0.296 3,0.458 3,0)T
其中,i= 1,2,…,20。
無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)與各指標(biāo)權(quán)重乘積即為該機(jī)型無人機(jī)的得分值V1,即:
其中,i= 1,2,…,20。
同理可得7種機(jī)型無人機(jī)的得分值向量Vj為:
Vj=(0.473 9,0.488 1,0.582 1,0.560 2,0.320 9,0.499 9,0.672 1)T
其中,j= 1,2,…,7。
從而可得排序:
HE>PR>SA>SI>GN>RQ>HU
根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,HE無人機(jī)在上述7種機(jī)型中的偵察能力最強(qiáng),這是因?yàn)樗谘埠剿俣取⒆畲罄m(xù)航時(shí)間、巡航高度等重要偵察能力評(píng)估指標(biāo)方面強(qiáng)于其他機(jī)型。因此,該機(jī)型的能力評(píng)估結(jié)果最強(qiáng),可優(yōu)先選擇它來執(zhí)行偵察任務(wù)。
針對(duì)無人機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)前的能力評(píng)估問題,從生存性能、偵察性能和穩(wěn)定性能等3個(gè)方面,構(gòu)建了一種無人機(jī)偵察能力評(píng)估模型,并提出了一種基于熵權(quán)的組合賦權(quán)方法以消除專家主觀意見量化的不合理性。最后,針對(duì)7種機(jī)型的無人機(jī)能力進(jìn)行了評(píng)估與排序,體現(xiàn)了偵察能力評(píng)估過程的客觀性,并能夠有效綜合專家主觀意見。
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A Model for Evaluating Reconnaissance Capability of a Single UAV
LUO He1,2,QIN Ying-xiang1,WANG Guo-qiang1,2,HU Xiao-xuan1,2
(1. Institute of Aircraft Network Systems,School of Management Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;
2.Key Laboratory of the Ministry of Education on Process Optimization & Intelligent Decision Making,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)
Abstract:In the process of UAV’s reconnaissance missions,the problem of capability assessment for Unmanned Aerial Vehicles(UAV)with sensors should be studied. A reconnaissance capability assessment index system of UAV is firstly suggested from three aspects which include live performance,reconnaissance performance and stable performance. Then a new combination weighting method based on entropy weight is also given to fuse both subjective information and objective information. And a model for evaluating reconnaissance capability of a single UAV is established after the weight confirming of each index. Finally,the model is validated through an example.
Key words:unmanned aerial vehicle,reconnaissance capability,assessment model,entropy weight
作者簡(jiǎn)介:羅賀(1982-),男,安徽霍邱人,副研究員,碩士生導(dǎo)師。研究方向:智能決策,效能評(píng)估。
*基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(710401048);安徽省自然科學(xué)基金(1508085MG140);中航工業(yè)產(chǎn)學(xué)研專項(xiàng)項(xiàng)目(CXY2011HFGD20)
收稿日期:2015-01-27
文章編號(hào):1002-0640(2016)02-0007-06
中圖分類號(hào):V249.1,N945.16
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
修回日期:2015-03-05