陳璐 吳虎勝

摘要：????? 運用無人機集群處置突發(fā)事件是一種高效的處置模式， 為建立由地面到空中、 由平面到立體的綜合治安防控體系， 使用美國國防部體系結構框架DoDAF（Department of Defense Architecture Framework）構建無人機集群應急響應體系模型， 從任務需求出發(fā)建立體系的系統(tǒng)結構、 任務活動、 組織關系、 能力指標等模型， 使用層次分析法AHP（Analytical Hierarchy Process）和模糊綜合評判法， 定性定量相結合對能力需求進行分析， 為無人機集群處置突發(fā)事件作戰(zhàn)的應用需求及論證提供支撐和研究視角。

關鍵詞：???? 無人機集群; DoDAF; 層次分析法; 模糊綜合評判法; 應急響應體系；? 武器裝備

中圖分類號：??? ?TJ760； V279? ??文章編號：??? ?1673-5048（2023）04-0078-07

文獻標識碼：??? A? ? DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0228

0引言

近年來， 隨著大國博弈的持續(xù)升溫， 加之疫情影響導致經(jīng)濟放緩， 社會動蕩因素增多， 局部沖突日益頻繁、 城市爆發(fā)突發(fā)情況風險顯著增加， 如何高效運用武器裝備， 構建發(fā)展快速響應任務處置的裝備需求體系， 提高處置效能， 已成為不可回避的重大課題。 集群（Swarm）是指由實體（Entity）組成的擁有共同目標的群組（Group）， 自組織（Self-Organizing）是集群在獲取或者嘗試獲取該目標時產(chǎn)生的協(xié)調行為［1］。 無人機執(zhí)行3D即枯燥（Dull）、 惡劣（Dirty）、 危險（Dangerous）任務時， 相比有人機具有更大的優(yōu)勢。 受自然界蜂鳥群、 狼群等啟發(fā)， 組成無人機集群， 形成具有無中心、 共識自主性、 自組織性等特點的群體智能機制， 突出數(shù)量、 智能、 應變、 低成本等方面的優(yōu)勢， 將其應用在突發(fā)情況應急響應體系中， 無論是在理論框架還是應用需求都是十分契合的。

美國國防部體系結構框架（DoDAF）是一種規(guī)范化描述體系結構的方法， 適用于體系結構的構建與分析。 DoDAF作為武器裝備需求描述的標準已經(jīng)得到較為廣泛的認可［2］。 但作為一個公共標準， 并沒有針對裝備需求描述提供具體的開發(fā)指導， 其在作戰(zhàn)體系中的應用也較為稀少。 目前， 國內針對無人機集群作戰(zhàn)體系的研究還處于起步階段， 文獻［3］通過DoDAF 視圖對反導作戰(zhàn)進行建模與仿真設計。 文獻［4-5］使用DoDAF對有人機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)進行結構設計。 文獻［6］運用DoDAF方法對空基反導裝備體系結構建模。 雖然建立了一些作戰(zhàn)體系模型， 但缺少對其性能合理性和可行性的分析。

目前國內對無人機集群處置突發(fā)事件體系建設的相關研究較少， 本文以DoDAF為基礎， 從全景視點、 作戰(zhàn)視點、 系統(tǒng)視點出發(fā)， 構建一種以處置突發(fā)情況為中心任務的無人機集群應急響應體系結構模型， 并運用AHP和模糊綜合評判法對相關能力指標進行分析評估， 驗證其指標構建的合理性、 優(yōu)劣性。 以其中的任務處置節(jié)點為例進行評判， 驗證了其有效性。

1無人機集群應急響應體系框架構建

通過打造無人機互聯(lián)互通， 作戰(zhàn)行動智能協(xié)同的應急響應裝備體系， 實現(xiàn)“因勢利導、 因地制宜、 因人而異”的作戰(zhàn)理念， 盡可能實現(xiàn)以最小的代價取得最大的處置戰(zhàn)果。 以無人機集群形成空中主導力量， 與地面力量相結合， 充分利用無人機模塊化、 自動化、 機動性、 集群協(xié)作性等特點， 補齊在處置突發(fā)事件的短板弱項， 實現(xiàn)無人機偵察、 威懾、 宣傳、 非致命驅散、 抓捕于一體的綜合能力。 該系統(tǒng)主要分為偵察預警系統(tǒng)、 指揮控制系統(tǒng)、 任務處置系統(tǒng)、 信息保障系統(tǒng)4個部分。 偵察預警系統(tǒng)確保查明事件的起因、 背景、 規(guī)模， 了解掌握現(xiàn)場相關情況、 社會動態(tài)、 事件發(fā)展趨勢以及危害程度， 為行動提供準確情報。 指揮控制系統(tǒng)確保任務中實現(xiàn)高度集中統(tǒng)一指揮， 保證指揮高效。 任務處置系統(tǒng)則依法采取相應的措施手段， 最低限度用武， 迅速穩(wěn)妥平息事態(tài)。 信息保障系統(tǒng)可不間斷地保障指揮、 協(xié)同和信息傳遞。 具體如圖1所示。

2基于DoDAF的體系結構建模方法

通過以特定作戰(zhàn)任務為背景， 根據(jù)其作戰(zhàn)使命分析作戰(zhàn)任務需求， 進而得到作戰(zhàn)活能與能力映射關系， 從而建立無人機協(xié)同處置突發(fā)事件的體系結構視圖產(chǎn)品和可執(zhí)行模型。 其流程為： 首先通過AV視圖對其進行體系描述。 建立AV-1信息模型， 反映其作戰(zhàn)任務的整體信息， 為結構模型提供整體約束， 然后通過OV視圖對其進行分解建模， 建立OV-1概念圖， 更形象直觀地描述其作戰(zhàn)概念， 通過OV-4描述作戰(zhàn)節(jié)點、 人員、 部門之間的組織結構和指揮關系； 通過OV-5b， OV-6c描述體系的作戰(zhàn)活動流程、 任務狀態(tài)轉換。 建立SV視圖對系統(tǒng)進行分解， 通過SV-4a， 描述其細化的系統(tǒng)功能， 最后得出作戰(zhàn)能力指標。

為實現(xiàn)無人機協(xié)同處置突發(fā)事件體系構建相關模型， 滿足體系需求， 具體建模采用的產(chǎn)品視圖如圖2所示。

（1） 依次建立AV-1， OV-1， 明確體系構建描述。

（2） 建立OV-4， 明確體系組織關系。

（3） 建立OV-5b， OV-6c， 跟蹤其作戰(zhàn)活動和狀態(tài)轉換及其資源交換。

（4） 建立SV-4a， 對其作戰(zhàn)功能進行分解細化。

（5） 建立作戰(zhàn)能力指標， 通過系統(tǒng)功能對其作戰(zhàn)能力進行映射， 得到相應指標。

3無人機集群應急響應體系結構模型

3.1基于全景視角的結構模型

建立AV-1概要信息模型， 是對整個結構框架的總體描述及其信息的總和［7］。 通過具體描述， 清晰地展現(xiàn)決策過程。 AV-1模型描述無人機集群應急響應體系結構的任務背景、 作戰(zhàn)目的、 作戰(zhàn)范圍、 約束條件、 作用效果等， 為后續(xù)設計開發(fā)提供概念支撐。 AV-1全景視圖如圖3所示。

3.2基于作戰(zhàn)視圖的結構建模

根據(jù)相關部門作戰(zhàn)任務需求， 建立高層作戰(zhàn)概念圖OV-1描述使命任務， 掌握作戰(zhàn)系統(tǒng)的各個作戰(zhàn)單元之間的信息交互情況， 對作戰(zhàn)使命有更細化具體的了解， 形成作戰(zhàn)節(jié)點， 如圖4所示。

建立組織關系圖OV-4描述作戰(zhàn)節(jié)點， 組織之間的指揮結構關系。 用來闡明其中各個系統(tǒng)與分系統(tǒng)， 組織與分組織之間存在的各種關系。 無人機集群應急響應體系組織主要由信息保障組織、 偵察預警組織、 任務處置組織、 指揮控制組織構成， 如圖5所示。

基于無人機集群應急響應體系的任務需求， 建立OV-5b作戰(zhàn)活動模型， 通過描述活動間的輸入輸出關系流， 進一步對作戰(zhàn)活動流程進行明確和規(guī)范。 如圖6所示， 以實行驅散活動為背景， 創(chuàng)建活動模型子圖， 指揮中心根據(jù)偵察無人機群組反饋的圖像信息智能決策發(fā)布任務給驅散任務無人機群組， 而后規(guī)劃航線選取目標人群， 選取驅散策略和具體任務群組， 指揮控制群組實施驅散活動。

建立OV-6c事件跟蹤描述， 充分描述其作戰(zhàn)活動及任務的動態(tài)行為， 明確了整個任務流程的時序關系和行為關系。 如圖7所示， 通過對處置突發(fā)事件任務中作戰(zhàn)活動節(jié)點的處置順序來分解動態(tài)行為。 其節(jié)點包括指揮控制、 現(xiàn)場態(tài)勢偵察、 政策宣傳疏導、 實施任務驅散、? 協(xié)同協(xié)助抓捕、 巡邏維持穩(wěn)定。

3.3基于系統(tǒng)視圖的結構建模

在AV視圖和OV視圖基礎上， 建立SV-4a系統(tǒng)功能分解模型。 對任務功能進行分解， 分類細化得到子任務功能。 如圖8所示， 采用層次圖將整個應急響應系統(tǒng)功能分為指揮控制功能、 偵察預警功能、 任務處置功能、 任務評估功能， 并細化分解出子功能， 對各功能進行連接得到數(shù)據(jù)流。

3.4構建作戰(zhàn)能力指標

利用DoDAF的三個視圖對無人機集群應急響應體系進行可視化分析， 將抽象的作戰(zhàn)需求具體化、 流程化［8］。 自頂向下對其進行分解， 得到作戰(zhàn)活動、 作戰(zhàn)功能、 作戰(zhàn)節(jié)點等一系列映射關系。 通過對無人機集群應急響應體系從全局到局部分析， 映射出不同階段活動流程及各分系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)流， 分析出需求的作戰(zhàn)能力， 找到其對應轉換關系， 通過對得出的作戰(zhàn)活動進行能力提取， 轉化為規(guī)范化描述的能力需求。

其能力需求映射如下：

（1） 指揮： 指揮實時暢通， 數(shù)據(jù)信息可靠準確， 確保行動高效統(tǒng)一。

（2） 偵察： 綜合運用多種偵察手段， 對現(xiàn)場實施多維立體高效的偵察， 實現(xiàn)指揮可視化、 感知實時化。

（3） 宣傳： 利用無人機攜帶擴音模塊， 持續(xù)對聚眾人群進行喊話， 達到安撫疏導作用。

（4） 驅散： 利用無人機搭載不同效能非殺傷性武器裝備載荷， 奪控并舉， 對鬧事人群進行驅散， 迅速控制事態(tài)。

（5） 打擊： 根據(jù)事態(tài)惡化情況依法對鬧事分子進行精準打擊， 發(fā)揮突擊打擊優(yōu)勢。

（6） 抓捕： 無人機自動追蹤， 標記鬧事分子， 引導協(xié)同地面力量進行抓捕。

（7） 巡邏： 利用無人機實現(xiàn)全時監(jiān)控， 監(jiān)測異常目標， 防止事件反彈， 如表1所示。

為了能夠將作戰(zhàn)需求與整個系統(tǒng)功能進行更加緊密的聯(lián)系［9］， 進一步結合SV-4a系統(tǒng)功能分解模型對其作戰(zhàn)能力需求再次進行細化分類。 根據(jù)指揮控制、 偵察預警、 任務處置、 任務評估四大功能對能力需求進行映射， 可構建出整個體系的作戰(zhàn)能力指標。 通過映射更加直觀地描述了整個系統(tǒng)的能力分層對應關系， 得出所需的具體能力［10］， 可分為4個一級能力， 11個二級能力， 30個三級能力， 如圖9所示。

4構建無人機集群應急響應體系能力需求分析模型

通過DoDAF建模得到無人機集群應急響應體系的作戰(zhàn)能力指標。 為了全面評判其作戰(zhàn)需求， 建立能力評判模型， 通過層次分析法（AHP）對指標進行權重分析， 采用模糊綜合評判法進行評判， 不斷調整優(yōu)化性能指標， 可達到提升體系能力水平、 彌補體系能力短板、 縮小體系能力差距的效果； 從聯(lián)合作戰(zhàn)任務角度出發(fā)， 可達到提高完成作戰(zhàn)任務程度、 降低作戰(zhàn)損失和消耗的效果。

4.1評判指標結構建模

層次分析法作為目前非常成熟的權重計算法， 應用非常廣泛［11］。 對n個因素A1，? A2，? A3，? …，? An， 通過九級標度法建立兩兩比較矩陣， 按照1～9的標度進行評價， 如表2所示。

通過打分， 得出n×n階的判斷矩陣A=（aij）；

4.2模糊綜合評判法

因無人機集群作戰(zhàn)效能不是依靠簡單的單項指標加和， 其指標需要考慮多個因素所產(chǎn)生的影響［12］， 其復雜的涌現(xiàn)性依靠傳統(tǒng)的評估手段是無法滿足需求的， 所以要利用模糊綜合評判法在定性分析各因素的基礎上， 定量地對其指標體系進行科學有效的綜合分析， 構成合理的裝備體系， 為決策優(yōu)化提供支撐［13］。

首先建立各指標評語集， 劃分4個等級（優(yōu)， 良， 一般， 差）， 對應分數(shù)集合為{100， 80， 60， 40}。 其次建立因素集， U={u1， u2， …， ui}， i=1， 2， …， n， 建立評判集V={v1， v2， …， vj}， j=1， 2， …， n。

進行單因素評判Ri， 確定權重及隸屬度向量， 得到評判模糊矩陣R

為均衡各個因素的影響程度， 使用加權平均型計算

4.3實例分析

以無人機集群的任務處置能力為例進行評判。

4.3.1模型建立

為了實現(xiàn)理論與實踐的融通， 通過不斷地迭代演化建立了對應的作戰(zhàn)能力指標［14］。 根據(jù)得出的作戰(zhàn)能力指標， 建立無人機集群應急響應體系的任務處置系統(tǒng)評判模型。 以任務處置能力指標為決策目標層， 由于其復雜性和特殊性， 從任務節(jié)點出發(fā)， 建立兩層準則層。 第一層指標分為宣傳疏導能力、 驅散能力、 抓捕能力。

第二層指標細化如下：

（1）宣傳疏導能力指標

包括信息傳播能力（實現(xiàn)喊話驅散、 警告、 談判、 通知的能力， 確保傳播度）和定位規(guī)劃能力（精準定位、 識別目標， 確保行動準確度）。

（2）驅散能力指標

包括載荷效能能力、 攻擊能力（攜帶載荷的精確打擊能力， 對目標實施有效的打擊）、 生存能力（無人機集群的自愈能力， 確?，F(xiàn)場生存， 不影響任務進行）、 機動能力（快速進行任務部署， 提高現(xiàn)場處置能力）、 戰(zhàn)術編組能力（無人機集群相互配合， 合理分配攻防資源， 提高戰(zhàn)術效能能力）。

（3）抓捕能力指標

包括標識追蹤能力（對異常目標進行標識， 進行精確跟蹤并取證的能力）、 抓捕可靠能力（利用無人機集群發(fā)射捕捉網(wǎng)、 黏膠彈等對其實施精確打擊抓捕能力）、 抗毀能力（規(guī)避敵方的打擊， 確保行動安全）。 系統(tǒng)評判模型如圖10所示。

4.3.2AHP計算權重

使用層次分析法， 根據(jù)實際任務情況， 結合專家打分法， 對無人機集群的任務處置系統(tǒng)指標的相對重要性進行比較， 對其性能進行定量分析［15］， 如表3～6所示。

體系U的權重W由計算可得。 λmax=3.029 1， CI= 0.014 5， IR=0.52，? CR=0.027 9。 從結果可知CR＜0.1， 其一致性可接受， 權重W =［0.081 1，? 0.576 9，? 0.342 0］T。

體系U1的權重W 1由計算可得。 λmax=2， CR=0。 從結果可知CR＜0.1， 其一致性可接受， 權重W1=［0.750 0， 0.250 0］T。

體系U2的權重W 2由計算可得。 λmax=5.246 4， CI= 0.061 6， IR=1.12， CR= 0.055 0。 從結果可知CR＜0.1， 其一致性可接受， 權重W2=［0.038 9，? 0.502 1，? 0.256 0，? 0.125 9， 0.077 1］T。

體系U3的權重W 3由計算可得。 λmax=3.009 2， CI= 0.004 6， IR=0.52， CR=0.008 8。 從結果可知CR＜0.1， 其一致性可接受， 權重W3=［0.192 9， 0.701 0， 0.106 1］T。

4.3.3模糊綜合評判

將計算出體系的作戰(zhàn)能力指標權重分為兩個層級， 第一層有3個指標， 第二層有10個指標， 由專家對其打分， 如表7所示。

計算U1模糊評價Bi（i=1， 2， 3）：

歸一化后， B1=［0.30.3250.20.175］，B2=［0.361 81 0.375 81 0.149 79 0.112 59］；?B3=［0.329 90.20.289 390.180 71］。

由此可得，? 無人機集群應急響應體系作戰(zhàn)任務處置系統(tǒng)在宣傳疏導能力、 驅散能力、 抓捕能力3項指標的一級判斷矩陣為B=［B1B2B3］， 經(jīng)加權法可得

A=WB=［0.345 90.311 60.201 60.140 9］。

對于無人機集群應急響應體系任務處置系統(tǒng)的能力構建， 35%的專家認為優(yōu)， 31%的專家認為良， 20%的專家認為一般， 14%的專家認為差。

分數(shù)集為C=［100， 80， 60， 40］T， 將其結果與評分集進行加權得分為

S=WBCT=ACT=［0.345 9， 0.311 6， 0.2016， 0.140 9］［100， 80， 60， 40］T=77.247 6。

同理可得： S1=B1·CT= 75.000； S2=B2·CT=79.736 8； S3=B3·CT=73.581 8。

由此可得， 無人機集群應急響應體系任務處置系統(tǒng)的構建較為合理， 任務的驅散能力構建相對較好， 抓捕能力的構建稍弱， 但其整體構建距離最優(yōu)選方案還有一定調整的空間。 其他系統(tǒng)的能力構建綜合評判按照上述方法可依次得出。 綜合結果不斷調整， 優(yōu)化改進指標建設， 從而得出更優(yōu)的體系構建。

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Design of Emergency Response Architecture of Unmanned Aerial Vehicle Swarm Based on DoDAF

Chen Lu*，? Wu Husheng

（Engineering University of PAP，? Xian 710086，? China）

[HT]Abstract： Using Unmanned Aerial Vehicle（UAV） swarm to deal with emergencies is an efficient handling mode. In order to establish a comprehensive security prevention and control system from the ground to the air，? from the plane to the threedimensional，? the UAV swarm emergency response system model for emergencies is built by using the Department of Defense Architecture Framework（DoDAF），? and the system structure，? task activities，? organizational relationships，? ability indicators and other models of the system are established based on the? task requirements. With AHP（Analytic Hierarchy Process）and fuzzy synthetic evaluation method，? the capability requirements are analyzes combining qualitative and quantitative methods. The analysis provides support and research perspectives for the application requirements and demonstration for UAV emergency warfare.

Key words： ?UAV swarm; DoDAF; analytic hierarchy process（AHP）; fuzzy synthetic evaluation; emergency response architecture; weapon equipment