胡媛媛，武云鵬，丁 玲，宋泉良

（北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006）

0 引言

在信息化武器裝備發(fā)展趨勢下，裝備的試驗(yàn)過程已經(jīng)不再局限于單一功能性能的測試驗(yàn)證，還需要從系統(tǒng)整體出發(fā)，全面、系統(tǒng)、科學(xué)地評(píng)價(jià)信息化武器裝備的整體效能。地面無人裝備是一種典型的集自主感知、路徑規(guī)劃、無線通信、有人無人協(xié)同等于一體的適用于高度信息化地面武器裝備。涉及到傳感器技術(shù)、信息融合技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、人工智能技術(shù)，以及自動(dòng)控制技術(shù)等多學(xué)科多領(lǐng)域的高度信息化集合體。對(duì)地面無人裝備的試驗(yàn)不僅需要在單一靶場單一環(huán)境下進(jìn)行功能性能指標(biāo)的檢驗(yàn)，更需要考量在逼真于裝備應(yīng)用環(huán)境下的水文、氣象、電磁等復(fù)雜環(huán)境下對(duì)無人裝備的系統(tǒng)效能，同時(shí)也要著眼于驗(yàn)證無人裝備在集群作戰(zhàn)，有人無人戰(zhàn)斗等聯(lián)合作戰(zhàn)編組中的體系作戰(zhàn)能力，對(duì)地面無人裝備的互操作性、可靠性、適用性、保障性等進(jìn)行綜合試驗(yàn)研究。

目前，美國國防部已就無人裝備能力概念及其相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等概念圍繞（department of defense architecture framework，DoDAF，美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架）的不斷改進(jìn)，形成了較完整且統(tǒng)一的基礎(chǔ)理論，由于我國目前仍處于地面無人裝備發(fā)展的初級(jí)階段，還沒有就裝備能力特別是環(huán)境感知相關(guān)能力的綜合評(píng)價(jià)方法展開深入研究，本文以美國國防部DoDAF V2.0 多視角框架為基礎(chǔ)，借鑒當(dāng)前有人裝備能力評(píng)價(jià)方法，提出專屬于地面無人裝備的環(huán)境感知能力評(píng)價(jià)方法。

1 地面無人裝備環(huán)境感知能力需求分析

地面無人裝備由于加入了“智能”、“自主”、“遠(yuǎn)程操作”的特征，要求裝備具備自適應(yīng)各種復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境并進(jìn)行偵查監(jiān)視的能力。為了有效地完成無人作戰(zhàn)任務(wù)，提高無人裝備自身的生存能力，地面無人裝備必須具備全方位的感知能力，構(gòu)建戰(zhàn)場機(jī)動(dòng)地圖，方能正確地完成避障自主探索、路徑規(guī)劃等決策，增強(qiáng)態(tài)勢感知能力，有效減輕士兵認(rèn)知負(fù)擔(dān)和工作負(fù)荷。因此，本文將重點(diǎn)研究地面無人裝備中環(huán)境感知能力的綜合評(píng)價(jià)方法。

以作戰(zhàn)應(yīng)用為牽引，提煉地面無人裝備環(huán)境感知相關(guān)能力需求，從單體裝備性能出發(fā)，考慮無人裝備在作戰(zhàn)編組內(nèi)的角色需求，結(jié)合與有人裝備之間的相互配合、相互協(xié)調(diào)、相互補(bǔ)充的關(guān)系，將地面無人環(huán)境感知相關(guān)能力需求與具體的裝備系統(tǒng)/單體功能、性能聯(lián)系起來，建立合理的環(huán)境感知能力試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

1.1 基于DoDAF 視角的環(huán)境感知能力需求獲取

提煉地面無人裝備執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)過程中必須滿足的環(huán)境感知方面的條件和能力，完成從作戰(zhàn)任務(wù)到武器裝備性能功能指標(biāo)的映射。借鑒美國國防部DoDAF V2.0 多視角研究方法，通過分析作戰(zhàn)任務(wù)使命及其實(shí)現(xiàn)過程，分別從作戰(zhàn)視角、能力視角、系統(tǒng)視角分析地面無人裝備的環(huán)境感知相關(guān)能力需求。

圖1 基于DoDAF 的需求分析方法

作戰(zhàn)視角是根據(jù)無人裝備在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的過程中，分析其可能接收到的作戰(zhàn)使命或任務(wù)，結(jié)合其在作戰(zhàn)編組中的角色，作戰(zhàn)目標(biāo)、以及作戰(zhàn)規(guī)模等因素，細(xì)化其為了完成整體作戰(zhàn)要求而需要執(zhí)行的作戰(zhàn)活動(dòng)。以美軍地面無人裝備為例，根據(jù)重量將地面無人系統(tǒng)分為微型、小型、中型和大型地面無人系統(tǒng)，不同體量的無人裝備使用的場合、在聯(lián)合編組中承擔(dān)的角色、需要完成的任務(wù)自然會(huì)有很大的區(qū)別，因此，需要從裝備特色出發(fā)，從編組任務(wù)出發(fā)進(jìn)行作戰(zhàn)視角的需求分析。

能力視角是將無人裝備執(zhí)行作戰(zhàn)活動(dòng)過程中需要單體具備的能力進(jìn)行抽象。能力視角下分析的內(nèi)容主要包括完成任務(wù)所需的能力結(jié)構(gòu)、支持資源及能力之間的相互作用等內(nèi)容。當(dāng)前我國無人裝備的近期目標(biāo)是利用無人車的耐久力實(shí)現(xiàn)長時(shí)間工作，在復(fù)雜地形或士兵偵察作戰(zhàn)能力受限的情況下，進(jìn)行持續(xù)偵察監(jiān)視，進(jìn)入人無法進(jìn)入的地方，提高生存力，預(yù)留反應(yīng)時(shí)間，利用人工智能減輕士兵的認(rèn)知負(fù)擔(dān)。

系統(tǒng)視角從裝備內(nèi)部出發(fā)，把作戰(zhàn)需求和能力需求落實(shí)到實(shí)體裝備上，從硬件設(shè)備、軟件功能、系統(tǒng)運(yùn)行各個(gè)方面，分析尋找各種可能影響裝備整體效能的內(nèi)部影響因素。目前無人裝備環(huán)境感知能力相關(guān)的內(nèi)部因素主要包括不同感知類型的傳感器設(shè)備，車體姿態(tài)感知設(shè)備及其相應(yīng)的感知融合算法等。

基于DoDAF 多視圖方法，圖2 內(nèi)容展現(xiàn)了地面無人裝備環(huán)境感知能力的提取過程：1）從任務(wù)視角出發(fā)，明確作戰(zhàn)任務(wù)，利用作戰(zhàn)任務(wù)分解作戰(zhàn)活動(dòng)過程，提煉與環(huán)境感知能力相關(guān)的作戰(zhàn)任務(wù)。在當(dāng)前地面無人裝備的研究背景下，作戰(zhàn)任務(wù)主要包括偵察監(jiān)視任務(wù)、通信中繼任務(wù)、毀傷評(píng)估任務(wù)；2）能力視角關(guān)聯(lián)，建立作戰(zhàn)任務(wù)/作戰(zhàn)活動(dòng)與能力之間的映射關(guān)系，形成初步的環(huán)境感知能力需求要素；3）系統(tǒng)視角細(xì)化，需要結(jié)合當(dāng)前地面無人裝備的裝備特色及系統(tǒng)組成，進(jìn)一步將能力擴(kuò)展和細(xì)化，形成完整的環(huán)境感知能力評(píng)價(jià)層次關(guān)系圖。這樣梳理的環(huán)境感知能力需求，具有自上而下的邏輯關(guān)系和層次關(guān)系，將抽象的軍事需求，轉(zhuǎn)化為詳細(xì)裝備作戰(zhàn)能力，映射到具體的裝備試驗(yàn)指標(biāo)中。地面無人裝備環(huán)境感知能力細(xì)化結(jié)果如圖3 所示。

圖2 環(huán)境感知能力需求獲取

圖3 地面無人裝備環(huán)境感知能力細(xì)化

2 基于RIMER 方法的環(huán)境感知能力綜合評(píng)價(jià)方法

2.1 RIMER 方法簡介

在當(dāng)前地面無人裝備激烈的競爭形勢下，為了快速了解不同參研方在同類無人裝備競爭中環(huán)境感知能力方面的實(shí)際水平，急需一種綜合性的試驗(yàn)考核方法。通過對(duì)環(huán)境感知能力的需求獲取表明，各項(xiàng)環(huán)境感知能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)類型復(fù)雜（包含數(shù)值型、布爾型、語言描述型等），且指標(biāo)的不確定程度也不盡相同。本文提出基于RIMER 方法（Rulebased Inference Methodology using the Evidential Reasoning，基于證據(jù)推理算法的信度規(guī)則庫推理方法）的環(huán)境感知能力綜合評(píng)價(jià)方法，能夠在具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合有說服力且合理的主觀評(píng)價(jià)，更加全面地評(píng)價(jià)裝備環(huán)境感知性能。

RIMER 方法由曼徹斯特大學(xué)楊建波教授提出，該方法在D-S 證據(jù)理論的基礎(chǔ)上，綜合多屬性決策理論、模糊理論和If-then 專家系統(tǒng)等理論的優(yōu)點(diǎn)，具備對(duì)模糊數(shù)據(jù)、主觀數(shù)據(jù)、概率型數(shù)據(jù)及無知信息等進(jìn)行建模和分析的能力。尤其在處理不確定性數(shù)據(jù)上有較大的優(yōu)勢。

RIMER 評(píng)估方法通過構(gòu)建信度規(guī)則庫、輸入數(shù)據(jù)規(guī)則激活度計(jì)算、證據(jù)推理規(guī)則合成3 個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)。

2.2 信度規(guī)則庫構(gòu)建

2.2.1 層次化信度規(guī)則庫構(gòu)建

RIMER 方法的核心是構(gòu)造能力對(duì)應(yīng)的信度規(guī)則庫，建立裝備從設(shè)備級(jí)的技術(shù)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)到整體作戰(zhàn)能力的信度規(guī)則約束，將系統(tǒng)視角下的指標(biāo)性能-單項(xiàng)能力的映射評(píng)價(jià)-頂層綜合能力聯(lián)系起來，并將裝備試驗(yàn)過程涉及到的專家知識(shí)、歷史經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來。

層次化的能力需求應(yīng)對(duì)應(yīng)層次化的評(píng)價(jià)過程，本文為地面無人裝備環(huán)境感知能力評(píng)價(jià)建立基于RIMER 方法遞進(jìn)式的信度規(guī)則庫，如圖4 所示。

圖4 遞進(jìn)式能力信度規(guī)則庫

由此獲得地面無人裝備環(huán)境感知信度規(guī)則庫層次對(duì)應(yīng)表，如下頁表1 所示。

表1 環(huán)境感知能力信度規(guī)則遞進(jìn)關(guān)系

2.2.2 信度規(guī)則庫結(jié)構(gòu)說明

能力評(píng)估信度規(guī)則庫可以表示為=＜，，，＞。其中，={，，…，C}表示各項(xiàng)能力的集合，={，，…，A}表示規(guī)則庫與各項(xiàng)能力對(duì)應(yīng)的取值集合，其中，A={A，A，…，A}表示能力A對(duì)應(yīng)的能力指標(biāo)的集合。={，，…，R}是所有評(píng)價(jià)結(jié)果的結(jié)合，表示前提條件和評(píng)價(jià)結(jié)果的映射函數(shù)。

信度規(guī)則庫中每一條信度規(guī)則描述如下：

RIMER 系統(tǒng)本質(zhì)上也是一個(gè)產(chǎn)生式的專家系統(tǒng)，在每條規(guī)則中需要通過專家經(jīng)驗(yàn)等確定每一個(gè)前提條件的相對(duì)權(quán)重為δ，以及每一條規(guī)則在規(guī)則信度庫中的相對(duì)權(quán)重θ。

對(duì)應(yīng)到環(huán)境感知能力中，以對(duì)地偵察能力為例，該能力由＜對(duì)地偵察距離性能1＞，＜對(duì)地偵察精度性能2＞，＜對(duì)地偵察可持續(xù)時(shí)間3＞，＜對(duì)地偵察覆蓋率4＞共同決定，其中一條信度規(guī)則可表達(dá)為：If＜對(duì)地偵察距離＞5 km＞Λ＜對(duì)地偵察精度＜10 m＞Λ＜對(duì)地偵察可持續(xù)時(shí)間＞24 h＞Λ＜對(duì)地偵察覆蓋率＞95%＞

Then{（級(jí)優(yōu)，1），（優(yōu)，0），（中，0），（弱，0）}

2.3 輸入指標(biāo)規(guī)則激活度計(jì)算

2.3.1 輸入能力規(guī)則匹配度計(jì)算

在實(shí)際試驗(yàn)過程中，能力評(píng)估的輸入應(yīng)為裝備通過試驗(yàn)、調(diào)研、專家打分等過程獲得的裝備性能指標(biāo)及各項(xiàng)能力評(píng)價(jià)結(jié)果。需要將這些數(shù)據(jù)通過規(guī)則匹配度計(jì)算獲得該輸入對(duì)當(dāng)前信度規(guī)則庫中相關(guān)規(guī)則的匹配程度。

將輸入數(shù)據(jù)表示為{（，），（，），（x，ε）}，其中，x表示能力或能力指標(biāo)的輸入值，ε表示該輸入的不確定性。其規(guī)則匹配度（x，ε）計(jì)算如下：

對(duì)于某項(xiàng)輸入（x，ε），α表示與之相關(guān)的信度規(guī)則前提條件的第個(gè)取值A的綜合匹配度。（x，A）為匹配函數(shù)，其計(jì)算方式規(guī)則前提中指標(biāo)類型的不同而不同，針對(duì)環(huán)境感知能力評(píng)價(jià)過程中各項(xiàng)能力指標(biāo)及子能力的規(guī)則前提假設(shè)分析，主要涉及到離散序列和定性分析兩種類型，分別對(duì)其計(jì)算方法說明如下：

1）規(guī)則前提條件為離散序列

信度規(guī)則庫中能力c的取值A為{A，A，…，A}，且序列單調(diào)遞增，匹配函數(shù)為：

例如：對(duì)地偵察能力中對(duì)空偵察距離1 取值范圍為{1 000，3 000，5 000}，（單位：m）。實(shí)際輸入值為（4 000，1），則匹配值（4 000，1 000）=0，（4 000，3 000）=0.5，（4 000，5 000=0.5）。

2）規(guī)則前提為定性等級(jí)數(shù)據(jù)

若規(guī)則評(píng)價(jià)等級(jí)=輸入能力評(píng)價(jià)等級(jí)，則可直接進(jìn)行一一映射。如果≠，則依照專家經(jīng)驗(yàn)將輸入能力等級(jí)H’以信度λ等級(jí)等價(jià)于H，0≤λ≤1。

例如：場景語義理解能力中對(duì)山地環(huán)境語義理解能力取值包括{強(qiáng)，中，弱}，輸入數(shù)據(jù)為：（（好，0.2），（中，0.8），（差，0），（無，0）），設(shè)置專家信度為［0.1，0.9，0，0］，則通過計(jì)算其規(guī)則匹配度為（（強(qiáng)，0.1），（中，0.9），（弱，0））。

2.3.2 輸入能力信度規(guī)則綜合匹配度計(jì)算

轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)對(duì)第條規(guī)則歸一化后的激活程度的算式為：

其中，θ為第條規(guī)則的相對(duì)權(quán)重，α為輸入匹配第條規(guī)則的綜合匹配度。

2.3.3 激活規(guī)則合成

在完成輸入能力對(duì)單一規(guī)則的激活度計(jì)算后，需要將所有由輸入能力激活的規(guī)則進(jìn)行合成，由該層級(jí)的規(guī)則前提綜合獲得下一層級(jí)的能力評(píng)價(jià)結(jié)果。這一過程通過證據(jù)推理方法實(shí)現(xiàn)。

由上述過程即可實(shí)現(xiàn)完整的能力評(píng)價(jià)過程。

3 結(jié)論

本文研究的環(huán)境感知能力評(píng)價(jià)方法，從作戰(zhàn)需求出發(fā)，將地面無人系統(tǒng)環(huán)境感知能力進(jìn)行細(xì)化和分解，并映射到具體的裝備性能上，然后將試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果、專家經(jīng)驗(yàn)和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則納入統(tǒng)一的能力評(píng)價(jià)體系，能夠在全面評(píng)估的同時(shí)，將不確定性數(shù)據(jù)帶來的推理結(jié)論的不確定度進(jìn)行綜合考量，是一種全面、合理、有效的能力綜合評(píng)價(jià)方法，能夠推廣到其他的能力評(píng)級(jí)或系統(tǒng)整體效能評(píng)估過程。