排爆機器人綜合效能模糊評估

王宇凡，郭三學

（武警工程大學裝備工程學院，西安 710086）

排爆機器人綜合效能模糊評估

王宇凡，郭三學

（武警工程大學裝備工程學院，西安 710086）

為綜合評估排爆機器人的裝備效能，通過對排爆機器人作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)任務的系統(tǒng)分析，建立了以排爆能力為主體的綜合評估指標體系。采用層次分析法確定各因素的權重，運用模糊綜合評價的方法對指標的隸屬度進行了計算，并通過算例驗證該模型的具體應用過程。該方法對排爆機器人的應用提供了有效的評估手段。

排爆機器人，效能評估，模糊評價，層次分析法

0 引言

排爆機器人是處置或銷毀爆炸可疑物的專用器材，它在國內外反恐處突活動中有著廣泛的應用。目前，為了應對日趨嚴峻的反恐形勢和反恐斗爭，各國都集中了尖端技術對其進行研究，也開發(fā)了多款不同的產品，如美國在伊拉克戰(zhàn)爭中廣泛使用的Andros系列機器人，英國的Defender系列，國內京金吾公司開發(fā)的JW系列等。武警部隊作為國內反恐維穩(wěn)的主要力量，也在研發(fā)適應國內反恐的排爆機器人WJ-2012。反恐排爆裝備正處在一個關鍵的發(fā)展時期，如何準確評估排爆機器人的綜合效能對部隊排爆裝備研發(fā)、應用有著重要意義。

本文在建立排爆機器人效能評估指標體系的基礎上，通過模糊理論，將定性分析與定量指標結合起來，采用層次分析法，對三款不同的排爆機器人的排爆效能進行綜合比較。該方法簡化了計算過程，得出了有效的效能評估結果，為相關裝備的研發(fā)工作提供了理論依據。

1 效能評價指標體系的構建

排爆機器人是一種涉及機械、通信、自動控制、人工智能、定位導航、計算機等多種學科與技術的新型裝備。其功能構成由若干個功能模塊來進行支撐，這些模塊的性能決定了排爆機器人的綜合性能，即運用功能模塊的性能指標可以對機器人的綜合性能進行評價［2-4］。

為了評價排爆機器人的綜合性能，需要充分考慮排爆機器人的作戰(zhàn)任務與作戰(zhàn)環(huán)境。排爆機器人主要作戰(zhàn)環(huán)境為城區(qū)、建筑物內、交通工具等人群密集的公共場所，其主要任務是代替排爆人員搬運、轉移爆炸可疑物品及其他有害危險品。完成任務所需要的主要能力為能夠快速到達目標所在區(qū)域的機動能力和轉移爆炸物所需的轉移能力。基于以上要求和武警部隊任務的特點，本文從機動性、轉移能力、應用性3個方面建立非致命效應綜合評價指標體系。如圖1所示。

1.1 機動性指標

排爆機器人的機動性是指機器人從一個位置運動到另一個位置的能力，可用快速性、通過性和靈活性等指標來衡量，其中平均速度是定量指標，通過性和靈活性都是綜合性指標，評價時需要進行綜合考慮：

（1）平均速度U11:排爆機器人在規(guī)定的各種環(huán)境和路面上的平均行駛速度，決定了機器人搬運任務目標、抵達目標地域的能力，是機動性指標的重要組成要素。

（2）通過性U12:排爆機器人通過復雜地貌的能力，是排爆機器人執(zhí)行排爆任務的關鍵，包括爬坡能力、越障能力和體積等因素，是機動性指標的核心要素。國內建筑物中，樓梯坡度一般在20°～45°之間，樓梯臺階高度通常為65 mm～150 mm，爬坡、越障能力應以此相關環(huán)境參數作為參考。根據GB/T13059-91《客車乘客座椅尺寸規(guī)格》規(guī)定，客車座椅距車廂地面高約400 mm～450 mm，車廂過道寬約3.5 m。小型客機貨倉截面尺寸根據型號不同由91×114 cm2至120×190 cm2（寬高）不等。

（3）靈活性U13:機器人加速、轉向、制動的能力，是排爆機器人在狹小復雜環(huán)境下順利完成工作的重要保證，能方便控制進退、轉向角度大的應給予高評價。

1.2 轉移能力指標

排爆機器人實現轉移爆炸物功能的主要作戰(zhàn)模塊為排爆機械手，因此，可用機械手的自由度、長度和抓持力對機器人的轉移能力進行評價，此三項指標為排爆機器人排爆效能的核心指標，也是各類型排爆機器人的重要參數，為定量指標。

（1）機械臂自由度U21：即機械臂可以活動的關節(jié)數和關節(jié)活動幅度，自由度越大，機械臂運動越靈活，評價越高。

（2）機械臂長度U22：排爆機器人的重要性能參數，機械臂的長度直接關系到某些特殊位置的爆炸物是否可以轉移，如車底、貨倉等，因此，該值越大越好。

（3）抓持力U23：排爆機器人轉移爆炸物的根本保障，決定了機器人所能轉移的任務目標，此值越大越好。

1.3 應用性指標

機器人在實戰(zhàn)中，應操作方便，防護性強，性價比優(yōu)越，所以本文從使用性、經濟性和防護性能3方面因素對應用性指標進行評價。

（1）使用性U31：排爆機器人是否便于攜帶、操作的難易程度，操作簡便，易于攜帶則應給予高評價。

（2）經濟性U32：體現排爆機器人的價格因素，由專家根據排爆機器人的市面報價給予評價，價格低廉的評價高。

（3）防護性能U33：即排爆機器人防護各類爆炸物爆炸的能力，此項因素直接關系到機器人的排爆效能，防護性能越好，評價越高。

2 效能評估

根據模糊綜合評價法和效能評價指標體系［5-8］，本文選取目前國際上運用最廣泛的Andros F6A、國家科技部“863”計劃的新銳產品JW-902和武警部隊正在研發(fā)中的WJ-2012作為評估對象。

2.1 設定評語集

將評語集定為V={V1，V2，V3，V4，V5}={很好，較好，一般，較差，差}。采用百分制打分，評語所對應分數區(qū)間為：很好［90，100］；較好［70，90）；一般［40，70）；較差［20，40）；差［0，20）。隸屬區(qū)間與區(qū)間分值之間的對應關系為：

2.2 確定指標權重集

因為排爆機器人效能指標的復雜性，使得部分權重無法直接通過定量比較獲得。本文采用層次分析法確定權重，采用1～9標度法，通過專家論證，將兩兩指標之間互相比較構成判斷矩陣。

層次分析法常用的近似計算方法有方根法、和法和最小二乘法等，本文采用較為簡便的和法，計算建立的判斷矩陣A的最大特征根及所對應的特征向量Wi，步驟如下：

（1）將矩陣的每一列向量歸一化：

（2）對Wij按行求和并歸一化：

計算結果如表2所示。

2.3 指標的無量綱化和評價矩陣的構建

在排爆機器人的效能評估過程中，由于各項指標量綱不同，機器人性能參數也沒有一致的規(guī)范，需要進行無量綱化和歸一化。本文利用模糊數學中的隸屬度來解決該問題。

對于某個定性指標uij，假設有n個專家參照評判等級打分，如果有l(wèi)位專家給其評為某等級vk則它對的隸屬度為：rij，k=l/n。

對于定量化指標，本文引入計算方便的梯形模糊數，根據其具體變化方式，采用不同的隸屬函數圖形，例如，圖2是越大越好型隸屬函數圖形，其隸屬函數式為式（4）～式（6）［9］。

以抓持力指標U23為例，由專家給出隸屬度參數 為 a1=3，b1=5，a2=8，b2=10，a3=12，b3=16，a4=18，b4=22，Andros F6A該項指標值為25 kg，其對應模糊向量為（1，0，0，0，0），JW-902（0，0.75，0.25，0，0），WJ-2012（0.5，0.5，0，0，0）。

同理，不同類型的隸屬度可以通過改變評判等級位置和參數ai，bi得到，參數由專家組根據經驗給出。

2.4 對各級依次進行評價，得到評估結果向量

將上述結果進行統(tǒng)計，建立判斷矩陣Ri=（rij）m×n，得出Andros F6A各準則層指標Ui對應的判斷矩陣如下：

Andros F6A目標層指標U的判斷向量為：

同理可得，JW-902、WJ-2012的判斷向量分別為：

2.5 引入分數集，確定評估等級

通過引入評語集，將上一步得出的結果轉化為百分制分數，通過公式

得到3款機器人的評估結果分別為：Z1=88.05，Z2=82.25，Z3=86.50。將得出的結果按從大到小的順序進行排列，容易看出Z1>Z3>Z2，即3款機器人中Andros F6A的排爆效能最好，WJ-2012的次之。說明了WJ-2012在排爆綜合性能方面與國外先進產品相比還有差距，在產品設計中應進一步加強轉移能力。

3 結束語

本文建立了以抓持能力為核心指標的效能體系，采用層次分析法，對排爆機器人的效能進行了評估；對國內外共3種機器人的排爆效能進行了綜合評估，肯定了在研WJ-2012型排爆機器人的排爆性能；證明了該方法在類同的排爆機器人領域有很強的實用性；得出的結果貼近實際情況。

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Fuzzy Efficiency Evaluation of Synthetic Effect of Explosive Ordnance Disposal Robot

WANG Yu-fan1，GUO San-xue2
（School of Equipment Engineering，Engineering University of CAPF，Xi’an 710086，China）

In order to evaluate the efficacy of explosive ordnance disposal robot，according to the mission and surrounding，the evaluation index system base on disposal ability are established．Method of evaluation is inquired，by using of AHP to confirm the power of every possible element，a fuzzy Synthetic evaluation to differentiate the subjection degree of quantification indexes and quality indexes．The models application process is demonstrated through an example．The method can provide a reliable way to evaluate the efficacy of other weapon systems.

explosive ordnance disposal robot，efficiency evaluation，fuzzy evaluation，analytic hierarchy

TJ630

A

1002-0640（2015）10-0143-04

2014-07-05

2014-09-28

王宇凡（1993- ），男，廣東陸豐人，碩士。研究方向：非致命武器。