丁大弸，溫勝昔，劉劍豪

(1.中國核電工程有限公司，北京 100080；2.北京星際聯(lián)盟科技有限公司，北京 100039；3.空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019)

0 引 言

核電站戰(zhàn)略地位特殊，要害目標(biāo)眾多，人員活動密集，一旦遭破壞，將對我國政治、經(jīng)濟(jì)、民生等方面造成不可承受的重大損失。近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)、人工智能、自主系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，無人機(jī)得到了迅猛發(fā)展，生產(chǎn)成本越來越低，運(yùn)用范圍越來越廣，對核電站等重要目標(biāo)帶來的襲擊、肇事、黑飛等空防安全威脅也越來越嚴(yán)重。因此應(yīng)未雨綢繆，超前謀劃，加快提升核電站等重要目標(biāo)的反無人機(jī)能力，有效處置各類突發(fā)情況，確保核電站空防安全。

1 核電站面臨的無人機(jī)威脅

1.1 民用無人機(jī)違規(guī)肇事威脅

無人機(jī)保有量持續(xù)攀升，違規(guī)進(jìn)入核電站上空的問題頻繁發(fā)生，既影響正常生產(chǎn)、工作秩序，又對核電站安全產(chǎn)生隱患。一是飛行事故不斷增多。受城市環(huán)境、操作人員技術(shù)水平、無人機(jī)自身可靠性等因素影響，無人機(jī)飛行事故難以避免，一旦墜毀到核電站，必將造成地面附帶損傷，甚至引發(fā)核事故。二是黑飛問題屢禁不止。部分無人機(jī)愛好者通過屏蔽定位信號、利用飛控軟件漏洞等方式，破解廠家禁飛區(qū)域設(shè)置，在核電站及周邊使用無人機(jī)，極易發(fā)生失管失控問題，嚴(yán)重危害核電站安全。三是激情犯罪隱患凸顯。少數(shù)利益受損群體及個(gè)人為發(fā)泄不滿情緒，可能使用無人機(jī)對核電站或核設(shè)施實(shí)施惡意破壞，以達(dá)到其打擊報(bào)復(fù)社會的目的。

1.2 軍用無人機(jī)威脅

核電站在軍事安全方面具有特殊地位和重要意義。未來戰(zhàn)爭中，強(qiáng)敵極有可能利用無人機(jī)對核電站進(jìn)行先期打擊或技術(shù)偵察，以達(dá)成戰(zhàn)略威懾的目的。一是滲透偵察。在網(wǎng)電力量支援下，“全球鷹”等偵察無人機(jī)隱蔽穿越防空預(yù)警體系，對核電站及周邊區(qū)域的重要目標(biāo)、重要設(shè)施實(shí)施戰(zhàn)略偵察。二是灌頂打擊。X-37、SR-72等空天無人機(jī)迅速到達(dá)核電站及周邊區(qū)域上空，對核電站的重要設(shè)施、防御力量實(shí)施精確攻擊，癱瘓核電站，實(shí)現(xiàn)區(qū)域電力供給中斷。三是潛入破壞。通過戰(zhàn)前預(yù)置、隱身機(jī)投放等多種方式，向核電站地區(qū)投放大量微小型無人機(jī)，摧毀核電站及周邊的防御力量和基礎(chǔ)民生設(shè)施。

1.3 無人機(jī)竊密恐襲威脅

無人機(jī)具有成本低廉、攜帶方便、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，是敵對勢力對核電站地區(qū)滲透破壞的重要手段。一是竊密破壞。使用微小無人機(jī)攜帶攝錄像裝置潛入核電站辦公場所、重要設(shè)施，收集聲像情報(bào)，竊取核機(jī)密，或進(jìn)入隔離設(shè)施蓄意破壞，擾亂秩序。二是引發(fā)騷亂。使用無人機(jī)攜帶反宣材料、生化制劑、爆炸裝置，在核電站地區(qū)特別是核心區(qū)進(jìn)行襲擾破壞，制造恐慌，影響政治穩(wěn)定。三是網(wǎng)絡(luò)攻擊。利用無人機(jī)攜帶無線通訊設(shè)備侵入核電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過向核電站計(jì)算機(jī)植入病毒，癱瘓核電站的控制系統(tǒng)，可對周邊地區(qū)帶來致命性核災(zāi)難。如2003年美Davis-Besse核電站因一名工程師違規(guī)使用虛擬網(wǎng)絡(luò)訪問核電站，導(dǎo)致核電站的計(jì)算機(jī)感染蠕蟲病毒，一個(gè)關(guān)鍵的安全控制系統(tǒng)失效，險(xiǎn)些鑄成大錯(cuò)。威脅等級劃分見圖1。

圖1 核電站區(qū)域無人機(jī)威脅等級示意圖

2 核電站區(qū)域無人機(jī)防御系統(tǒng)構(gòu)想

針對當(dāng)前核電站面臨的無人機(jī)威脅，可以按照整體規(guī)劃、循序漸進(jìn)、協(xié)調(diào)發(fā)展的思路，盡快建立一套體系結(jié)構(gòu)合理、指揮流暢高效、自動化程度高、保障手段齊全完備的一體化聯(lián)合防御系統(tǒng)，提高核電站反無人機(jī)能力。

核電站區(qū)域無人機(jī)防御系統(tǒng)是綜合各類反無人機(jī)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)(詳見表1、表2)，通過資源整合與優(yōu)化配置，在統(tǒng)一技術(shù)框架下，將各類技術(shù)集成為一個(gè)相互補(bǔ)充、協(xié)同配合的整體防御系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“1+1>2”的整體效能。

表1 當(dāng)前主流的探測識別類技術(shù)特點(diǎn)

表2 當(dāng)前主流的反制類技術(shù)特點(diǎn)

該系統(tǒng)分為偵察系統(tǒng)、指揮信息系統(tǒng)和攻擊/防御系統(tǒng)。詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無人機(jī)防御系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2.1 偵察系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由情報(bào)偵察、情報(bào)處理、情報(bào)傳輸?shù)纫貥?gòu)成，集成了各種防御場信息“傳感器”，是獲取整體態(tài)勢、提供情報(bào)支援的主要信息來源，也是展開處置行動的首要環(huán)節(jié)。情報(bào)偵察主要是靈活使用雷達(dá)、無線電、光電偵察等技術(shù)多渠道獲取情報(bào)信息。根據(jù)不同手段的優(yōu)缺點(diǎn)，對偵察資源進(jìn)行科學(xué)籌劃、合理安排和靈活協(xié)同，形成遠(yuǎn)、中、近和高、中、低多層立體的偵察體系。情報(bào)處理主要是輔助偵察行動籌劃和目標(biāo)識別，支持情報(bào)融合、分析、處理。偵察來襲無人機(jī)的覆蓋區(qū)域更大，目標(biāo)數(shù)量更多，情報(bào)處理更復(fù)雜，要求具備多源情報(bào)融合和大數(shù)據(jù)處理能力，并在人工參與、人機(jī)交互等方面具有突出的滿足應(yīng)用能力，充分考慮情報(bào)分析在手段上、人機(jī)結(jié)合上的特殊性。情報(bào)傳輸主要是按上級要求、情報(bào)用戶使用需求、信息共享權(quán)限等使用要素，及時(shí)上傳、共享信息。依托現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)，形成全域覆蓋、全向傳遞的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。

2.2 攻擊/防御系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由軟殺傷手段、硬摧毀手段等要素構(gòu)成，是該系統(tǒng)處置無人機(jī)的重要組成部分，也是關(guān)系處置行動成敗的主要環(huán)節(jié)。軟殺傷手段主要包括無線電干擾設(shè)備、導(dǎo)航干擾設(shè)備、雷達(dá)干擾設(shè)備和光電干擾設(shè)備；硬摧毀手段主要包括激光打擊設(shè)備、高功率微波攻擊設(shè)備、網(wǎng)捕設(shè)備和火力攔截設(shè)備。根據(jù)不同技術(shù)的作用距離、作用對象對來襲的無人機(jī)目標(biāo)靈活實(shí)施干擾、欺騙、摧毀，降低無人機(jī)的信息感知，阻斷無人機(jī)的信息傳輸，摧毀無人機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備。如單架無人機(jī)，優(yōu)先選用導(dǎo)航干擾/欺騙或無線電干擾；無人機(jī)群來襲方向多、數(shù)量大，優(yōu)先選用高功率微波攔截等。各種手段要在指揮體系的統(tǒng)一指揮下，自動進(jìn)行方位跟蹤、數(shù)據(jù)引導(dǎo)、樣式選擇，及時(shí)評估處置信息，確保準(zhǔn)確、高效地完成防御任務(wù)。

2.3 指揮系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理、輔助決策、通信控制等要素構(gòu)成，集指揮、控制、通信、情報(bào)、決策、管理等功能于一體，是融合所屬感知與處置單元的中樞，也是無人機(jī)防御行動的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)處理主要是對多源信息進(jìn)行收集、識別、融合、存儲、回放等處理和管理。輔助決策主要是按要求、規(guī)則，對無人機(jī)進(jìn)行飛行預(yù)估、威脅判定、處置資源使用建議等分析計(jì)算和評估，輔助安防人員在適當(dāng)時(shí)機(jī)進(jìn)行有效處置。通信控制主要是在安防人員下達(dá)處置命令后，通過數(shù)據(jù)解析與引導(dǎo)、云臺自動跟蹤控制、干擾樣式與參數(shù)配置、火力自動瞄準(zhǔn)等自動化控制和命令通信，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)無人機(jī)的自動跟蹤、自動處置、自動記錄、自動評估等功能，也可支持人工處置操作。同時(shí)通信控制還要與外部系統(tǒng)(民航系統(tǒng)等)保持信息交換，實(shí)現(xiàn)信息共享。指揮系統(tǒng)需要依賴云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)處理巨大數(shù)量的信息數(shù)據(jù)，提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的共享態(tài)勢，形成高度融合的一體化聯(lián)合防御力量體系。指揮系統(tǒng)的功能與數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)如圖3所示。

圖3 指揮系統(tǒng)功能與數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)圖

將偵察系統(tǒng)、攻擊防御系統(tǒng)整合在指揮控制系統(tǒng)中，使得安防人員能夠監(jiān)控整體態(tài)勢，選擇處置手段，指揮控制處置過程，實(shí)時(shí)進(jìn)行處置評估，是實(shí)現(xiàn)核電站無人機(jī)防御的關(guān)鍵。

3 核電站區(qū)域無人機(jī)防御系統(tǒng)效能評估

3.1 指標(biāo)評估體系

基于模糊層次分析法，根據(jù)防御系統(tǒng)的手段編成，從偵察、指揮、軟殺傷、硬摧毀4類能力出發(fā)建立指標(biāo)體系，如圖4所示。

圖4 簡化的效能評估指標(biāo)體系

3.2 確定評估體系中各指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)系統(tǒng)特性和各種手段作用原理的不同，雷達(dá)/無線電/光電偵察性能是根據(jù)該手段的探測距離、跟蹤數(shù)量等指標(biāo)進(jìn)行綜合量化確定；情報(bào)傳輸/處理性能是根據(jù)傳輸/處理目標(biāo)最大數(shù)量、最快速度等指標(biāo)綜合量化確定；數(shù)據(jù)處理/輔助決策性能是根據(jù)制定方案的速度、數(shù)量等指標(biāo)綜合量化確定；通信控制性能是根據(jù)指令傳輸?shù)乃俣?、最多控制手段?shù)量等指標(biāo)綜合量化確定；無線電/導(dǎo)航/雷達(dá)/光電干擾性能是根據(jù)最大干擾距離、干擾范圍、有效干擾數(shù)量等指標(biāo)綜合量化確定；激光打擊/高功率微波/網(wǎng)捕/火力打擊是根據(jù)最大打擊距離、有效打擊數(shù)量等指標(biāo)綜合量化確定。

3.2.1 三角模糊數(shù)的計(jì)算方法

(1)

(2)

(3) 設(shè)判斷矩陣：

(3)

(4)

(5)

(6)

3.2.2 權(quán)重向量計(jì)算

根據(jù)上述三角模糊數(shù)計(jì)算方法，首先計(jì)算能力層對系統(tǒng)效能層的權(quán)重向量：

(1) 建立能力層的三角模糊數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣：

(2) 計(jì)算期望值矩陣、正反判斷矩陣：

最大實(shí)特征根=4.063 5。

(3) 對正反判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

=(-)(-1)=(40635-4)

(4-1)=0021 2

=09

==0023 5<01

因此矩陣滿足一致性檢驗(yàn)。

(4) 計(jì)算該矩陣的模糊評價(jià)值、期望值：

(5) 對期望值矩陣歸一化處理，可得能力層權(quán)重向量：

=(0324 8,0175 2,0285 8,0137 0)

(6) 同理可求出性能層的權(quán)重向量分別為：

=(0219 3,0238 8,0222 0，0208 8,0216 0)

=(0346 9,0250 1,0400 1)

=(0287 4,0362 2,0212 6,0137 8)

=(0362 2,0285 4,0213 6,0136 9)

各性能層指標(biāo)關(guān)于系統(tǒng)效能層的最終權(quán)重為：=(0058 9,0093 8,0072 1,0096 3,0078 9,0082 1,0103 5,0060 8,0039 4,0042 6,0056 3,0038 1,0078 9,0082 1,0043 5,0060 8)

系統(tǒng)會根據(jù)每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，合理、靈活使用技術(shù)手段，選擇最優(yōu)方案，高效防御無人機(jī)。

3.2.3 軟件實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證算法的可行性和有效性，進(jìn)行了算例分析。情況是敵方6架大疆“精靈4A”無人機(jī)群，從多個(gè)方向?qū)ξ液穗娬緟^(qū)域進(jìn)行集群攻擊，我方隨機(jī)選擇2種方案應(yīng)對，如表3所示。

表3 2種不同的防御方案

將各指標(biāo)進(jìn)行量化取值，并根據(jù)：

進(jìn)行規(guī)范化處理。

表4 2種防御方案的評估指標(biāo)值

再根據(jù)性能層關(guān)于系統(tǒng)效能層的最終權(quán)重，可得出方案1的防御性能值為0.724 9，方案2的防御性能值為0.659 8，由此看出方案1的防御效果要好于方案2，與實(shí)兵驗(yàn)證結(jié)果一致。

利用計(jì)算機(jī)編程語言實(shí)現(xiàn)模糊理論的評價(jià)過程，將上述復(fù)雜的計(jì)算過程程序化、簡便化，提高指揮效率和攔截的成功率。軟件驗(yàn)證結(jié)果見圖5～圖7。

圖5 部分無人機(jī)防御試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 無人機(jī)防御指揮控制系統(tǒng)偵察定位圖

圖7 無人機(jī)防御指揮控制系統(tǒng)指揮攔截圖

4 結(jié)束語

核電站作為重要的保衛(wèi)目標(biāo)，如何防御無人機(jī)的威脅已經(jīng)引起了各國的重視。因此研發(fā)高效的防御系統(tǒng)，采取靈活的應(yīng)對策略顯得異常重要。本文從偵察、指揮、打擊3個(gè)方面構(gòu)建了體系防御系統(tǒng)，并以模糊理論為基礎(chǔ)，結(jié)合層次分析法對該系統(tǒng)進(jìn)行了效能評估。通過多次試驗(yàn)，研發(fā)了將各種手段靈活搭配的指控系統(tǒng)，驗(yàn)證了此方法的可行性，為后續(xù)更加深入的研究奠定了基礎(chǔ)。