一種無人機(jī)偵察能力評(píng)估模型*

羅　賀，秦英祥，王國強(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)

0　引言

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。

1　無人機(jī)偵察能力評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建

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

2　基于熵權(quán)的組合賦權(quán)方法

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。

3　實(shí)例分析

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?、最大續(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)。

4　結(jié)論

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