基于DEA的戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)編配效能評估方法*

陳 亮 沈延安 葉 霖

(陸軍軍官學院研究生管理大隊 合肥 230031)

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基于DEA的戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)編配效能評估方法*

陳 亮 沈延安 葉 霖

(陸軍軍官學院研究生管理大隊 合肥 230031)

論文基于目前國內(nèi)外戰(zhàn)術(shù)無人偵察機使用情況，分析了戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)的組成及編配現(xiàn)狀，通過構(gòu)建綜合的編配指標體系，引入11個編配投入指標和7個效能產(chǎn)出指標，建立改進的基于標桿管理DEA模型，使用美軍“火力偵察兵(RQ-8A)” 無人機作為同級別的行業(yè)標桿，對戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)編配方案的相對有效性和實際有效性進行科學評估，得出現(xiàn)行裝備條件下科學合理的編配方式，并查找了目前國內(nèi)戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)編配組成上存在的缺陷，提出了優(yōu)化措施。

編配效能; 綜合指標體系; 數(shù)據(jù)包絡(luò)分析; 標桿管理; 無人機

Class Number E917

1 引言

在聯(lián)合作戰(zhàn)過程中，獲得全面、實時的戰(zhàn)場情報，是贏得作戰(zhàn)勝利的重要保障。隨著作戰(zhàn)領(lǐng)域范圍擴大，電磁環(huán)境日益復雜以及偽裝干擾技術(shù)的不斷提高，傳統(tǒng)的偵察手段難以完成戰(zhàn)役縱深偵察任務(wù)。戰(zhàn)術(shù)無人偵察機[1～2]是陸軍偵察距離較遠、功能較強的高技術(shù)偵察裝備，具有偵察手段多、滯空時間長、突防能力強、信息獲取實時直觀等特點，目前已在部隊得到廣泛應(yīng)用。

無人機系統(tǒng)編配方案是一個復雜的系統(tǒng)性問題，其編配情況[3～4]按敵情、友情、地形、任務(wù)及自身諸條件來具體確定，并需要視戰(zhàn)場情況適時調(diào)整。因此，如何對目前存在的多種無人機系統(tǒng)編配方式進行科學的效能分析和評價，提高無人機系統(tǒng)的偵察效率和生存能力，是目前軍隊亟待解決的重要課題。

傳統(tǒng)的DEA[5]方法只能對封閉環(huán)境下同類型部門間的“相對有效性”進行評估，為克服該算法所固有的局限，本文引入標桿管理的思想對DEA算法進行改進，對無人機系統(tǒng)編配效能進行更合理的評估。

2 戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)編配現(xiàn)狀分析

在實際應(yīng)用中，戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)通常與火力打擊單位進行協(xié)同，完成對地面(或水面)打擊目標的偵察定位、校正射擊、檢查射擊效果等任務(wù)，其編配等級也可根據(jù)人員及裝備數(shù)量分為高級編配、中級編配和低級編配等多套編配方案。

2.1 戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)組成

統(tǒng)觀目前國內(nèi)外戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)，其編配組成從功能構(gòu)成上講基本相同，主要包括飛行器、航空電子、地面控制站、無線電數(shù)據(jù)鏈、任務(wù)設(shè)備、維修與保障等分系統(tǒng)。 同時，由于地球曲率影響以及無線電設(shè)備功率和傳輸要求等條件的制約，戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)要想實現(xiàn)長距離任務(wù)作業(yè)、多節(jié)點信息互通，需要運用任務(wù)機(ADT)和中繼機(ART)兩種功能的無人機設(shè)備協(xié)同作業(yè)，共同實現(xiàn)在敵縱深進行偵察校射的任務(wù)。

2.2 多套編配方案并存的現(xiàn)狀

隨著作戰(zhàn)環(huán)境的日益復雜，不同戰(zhàn)斗條件下對于無人機系統(tǒng)的偵察效率、機動性能和生存能力有不同的要求，在實際應(yīng)用過程中，形成了多種可操作的編配方式，主要體現(xiàn)在：

1) 編制單位。現(xiàn)存的戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)編制單位主要分為高級編配(營級)、中級編配(連級)和低級編配(排級)，根據(jù)不同編配等級，其單位人員編制也從幾十人到百余人以上不等。

2) 飛行器及機載任務(wù)設(shè)備編配數(shù)量。偵察方式分為任務(wù)機單機作業(yè)和任務(wù)機、中繼機協(xié)同作業(yè)，各機型編配數(shù)量按照無人機系統(tǒng)編制級別從2架到若干架不等，機載任務(wù)設(shè)備可一機多載，在條件有限的情況下也可多機共用。

3) 指揮通信配置情況。為確保所有飛機參數(shù)狀態(tài)的信號通信傳輸正常及指揮控制的順暢，根據(jù)不同參戰(zhàn)架次需求，設(shè)置不同數(shù)量的指揮控制車、機動測控車、地面數(shù)據(jù)終端、機載無線電設(shè)備等指揮通信裝備。

4) 維修保障配置情況。主要包括不同數(shù)量的維修車、運輸車、發(fā)射車，根據(jù)作戰(zhàn)需求對技術(shù)戰(zhàn)地各級準備工作提供物資及技術(shù)保障。

3 基于標桿管理的DEA模型

任何一個封閉環(huán)境下的部門之間均存在相對優(yōu)劣，因此，傳統(tǒng)的DEA算法存在明顯的不足：即當所有評價部門本身的績效并不是很好的情況下，仍可能得出DEA有效的評價結(jié)果，這顯然與實際評價目的不符。本文引入標桿管理的思想，通過選取合理的編配指標體系，構(gòu)建改進的基于優(yōu)選標桿的DEA模型，對戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)編配效能進行合理評估。

3.1 綜合評價指標體系的建立

DEA方法主要研究決策單元投入產(chǎn)出的相對效率，評價指標選取是否合適是衡量決策單元效率是否有效的關(guān)鍵因素。通過對上文對戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)組成的介紹，針對其系統(tǒng)編配情況的差異性，構(gòu)建綜合的效能評價指標體系[6]，為戰(zhàn)術(shù)無人偵察機的相關(guān)使用單位合理評估編配效能、制定改進措施提供綜合量化依據(jù)。

首先選取能夠反映戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)編配投入的五項一級指標：分別為單位編制、無人機編配數(shù)量、指揮通信裝備配置和戰(zhàn)斗保障裝備配置；進而對相應(yīng)的戰(zhàn)斗效能一級指標進行表征，即偵察校射能力、飛機投送能力、指揮保障能力、地面站機動能力。并根據(jù)各類指標的需要，下設(shè)具體的二級指標，構(gòu)建表1所示的綜合評價指標體系。

表1 編配效能綜合評估指標體系

3.2 標桿管理思想的引入

標桿管理[7](Benchmarking Management)是美國施樂公司于20世紀70年代末期倡導并推廣的一種管理方法。其理論創(chuàng)始人R.C.坎普認為，標桿管理就是通過將產(chǎn)品、服務(wù)、實踐與某個特定的強大競爭對手或是行業(yè)權(quán)威相持續(xù)比較的流程，以此帶動流程優(yōu)化，實現(xiàn)目標。因此針對行業(yè)內(nèi)部的標桿管理，就是以單位內(nèi)相同的行為、部門或結(jié)構(gòu)進行比較，以確定通常情形下的最優(yōu)化行為水準，即優(yōu)選標桿[8]。

由于優(yōu)選標桿是現(xiàn)實的、絕對的,因此,將標桿管理與DEA有效結(jié)合，不僅可以評估現(xiàn)行的多種戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)編配方式的相對有效性，進而以外軍頂尖水平的行業(yè)標桿作為參照進行評估，又能評價其作戰(zhàn)編配效能的絕對有效性。體現(xiàn)了“相對與絕對”的辯證思想，從而彌補傳統(tǒng)DEA方法的不足。通過綜合比較，找出差距，制定改進目標,提高效能水平。

3.3 DEA方法

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析[9](Date Envelopment Analysis,DEA), 它是由著名運籌學家A.Charnes和W.W.Cooper等提出和創(chuàng)建的,關(guān)于運籌學、管理科學和數(shù)理經(jīng)濟學交叉研究的一個新的領(lǐng)域，旨在通過數(shù)學規(guī)劃模型評價具有多個輸入和多個輸出的“部門”或“單位”(稱為決策單元,簡記為DMU)間的相對效率與效益的科學分析方法。

(1)以n個決策單元(Decision Making Units，DMU)代表現(xiàn)存的n種編配方案，每個DMU有m種編配指標和s種效能指標，且有xj=(x1j,x2j,…,xmj)T>0且yj=(y1j,y2j,…,ymj)T>0。

其組成結(jié)構(gòu)如表2。

表2 輸入、輸出指標結(jié)構(gòu)組成

這里，xij為DMU-i對第j種編配指標的投入量，分別代表戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)中參戰(zhàn)人員編制數(shù)量以及任務(wù)機、中繼機、機載任務(wù)設(shè)備、指揮控制車、機動測控車、地面數(shù)據(jù)終端、機載無線電設(shè)備、維修車、運輸車、發(fā)射車的具體數(shù)量指標；yir為DMU-i對第r種效能指標的產(chǎn)出量，依次代表偵察范圍、總航程、總航時、飛機投送速率、最大并行通信指揮數(shù)量、裝備平均維修檢測速率、陣地轉(zhuǎn)換速率的具體數(shù)量指標。

2) 利用編配指標和效能指標建立DEA的C2R分式規(guī)劃模型，將單輸出輸入的有效性度量方法推廣到多輸出多輸入的情況：

(1)

初步的C2R模型在判斷DMU的相對有效性時并不直接，因此本文在非Archimedes域上引進了非Archimedes無窮小的概念，建立較為經(jīng)典的具有非Archimedes無窮小量的C2R對偶輸入模型：

(2)

(1)若θ<1,則DMU-jo為DEA無效；

與MCS結(jié)果相比，所提出的PPF方法可以提供近似的CDF曲線，且僅需要較少的計算時間。根據(jù)研究結(jié)果，配電網(wǎng)調(diào)度模型對總線電壓相位角和線路有功功率的不確定性有顯著影響，但對總線電壓幅度和線路無功功率的不確定性影響并不大。這是由于配電網(wǎng)調(diào)度只處理光伏發(fā)電的有功功率變化，與總線電壓相位角和線路有功功率有很強的耦合關(guān)系。結(jié)果還表明，在大多數(shù)情況下，配電網(wǎng)調(diào)度降低了總線電壓相位角和線路有功功率的不確定性。發(fā)生這種情況是因為傳統(tǒng)發(fā)電機的變化總是在配電網(wǎng)調(diào)度的基礎(chǔ)上平衡光伏發(fā)電機的變化。

4 實例分析

4.1 相對有效性評估

基于DEA模型，選取目前戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)較為典型的9種編配方式進行單位調(diào)研和信息采集，通過模擬數(shù)據(jù)，建立以下9個決策單元：按編配級別依次為低級編配(D1-D3)、中級編配(D4-D7)和高級編配(D8-D9)，根據(jù)編配效能評估指標體系，將各類編配方案的11項輸入指標和7項輸出指標的模擬數(shù)據(jù)列舉如下：

表3 輸入指標統(tǒng)計

表4 輸出指標統(tǒng)計

由松弛變量S-、S+得出判別公式如下：

θ= (1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000

0.000 0.000 884.582 34.659)T

4.2 基于優(yōu)選標桿的實際有效性評估

在上述相對有效性分析的基礎(chǔ)上，通過調(diào)查、訪問、網(wǎng)上查閱資料等方法，對國際上相同級別戰(zhàn)術(shù)無人偵察機的最佳編制指標數(shù)據(jù)進行收集整理，并對眾多編配方案進行信息綜合，選取美軍同樣作為戰(zhàn)術(shù)無人偵察機的“火力偵察兵(RQ-8A)[10]”及其編配方式作為優(yōu)選標桿，建立考核實際有效性的標桿決策單元DMU0。

火力偵察兵(RQ-8A)是美國海軍陸戰(zhàn)隊研制并裝配的艦載垂直起降戰(zhàn)術(shù)無人偵察機，主要執(zhí)行偵察和引導目標精確打擊的作戰(zhàn)任務(wù)，具有配置簡單、機動性強等特點，并在指揮通信結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了指揮控制、機動測控、數(shù)據(jù)終端的功能一體化，其編配、效能指標分別如下：

將標桿決策單元DMU0與DMU-1至DMU-8重新組合，再次進行DEA判別，驗證各決策單元編配方案是否具有實際有效性，得出如下結(jié)果：

表5 RQ-8A標桿決策單元指標數(shù)據(jù)

得出判別結(jié)果如下：

θ=(1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000)T

由結(jié)果可知，通過優(yōu)選標桿的DEA實際有效性檢驗，除標桿單元DMU0以外，只有DMU-4、DMU-5、DMU-6、DMU-7四個編配方案仍為DEA有效，而其余編配方案DMU-1、DMU-2、DMU-3則變?yōu)槿鮀EA有效。說明在實際運用中，對比行業(yè)內(nèi)先進的同類型無人機系統(tǒng)編配，排級的戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)低級編配的戰(zhàn)斗效能不高，飛機和指揮通信裝備配置、戰(zhàn)斗保障裝備配置沒有得到充分利用，因而實際作戰(zhàn)情況下一般不予采取。

綜上，通過對DMU-4、DMU-5、DMU-6、DMU-7四組高效能編配方式進行歸納分析，初步得出現(xiàn)有條件下戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)最優(yōu)效能編配方案的一般形式。

表6 戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)最優(yōu)編配形式

4.3 結(jié)果分析與改善措施

通過基于標桿管理的DEA綜合有效性檢驗，對各決策單元的配置結(jié)構(gòu)進行細致分析，可以得出如下結(jié)論：

1) 戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)低級編配雖然靈活機動，但過于零散，不能發(fā)揮人員裝備資源應(yīng)有的效能。由于戰(zhàn)術(shù)無人偵察機的系統(tǒng)組成相對固定，為了使指揮通信鏈路通暢，低級的戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)編配同樣需要整套的地面保障設(shè)施，這將會造成部分裝備和人員閑置和資源浪費，不能發(fā)揮無人機裝備的最大作戰(zhàn)效能。

2) 戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)高級編配的人員裝備最多，偵察效能最大，但考慮戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)偵察方式的特殊性，理論上3～4架戰(zhàn)術(shù)無人偵察機即可完成對敵軍全縱深偵察校射任務(wù)，繼續(xù)增加飛機架次，只能增加交叉?zhèn)刹靺^(qū)域的面積(如圖1所示)，對偵察精度也沒有明顯提高。

圖1 戰(zhàn)術(shù)無人偵察機偵察校射示意圖

3) 戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)中級編配在飛機和地面站指揮通信保障設(shè)備的編配上更符合實際作戰(zhàn)需要，不僅在我軍多種戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)編配方式中效率較高，也滿足國際標桿水平下的實際有效性，是現(xiàn)行無人機裝備條件下較為合適的編配方式。

4) 針對編配組成上存在的缺陷制定調(diào)整方向。目前，軍用戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)普遍存在不足，在指揮通信過程中各站點數(shù)量冗余、功能單一、系統(tǒng)依賴性強，需要增加指揮通信代替站點，并盡快完善地面站多功能一體化建設(shè)；同時，在實際戰(zhàn)場編配時，要做好任務(wù)規(guī)劃，保證飛機與保障設(shè)備的數(shù)量相適應(yīng)、偵察方式與投送時機相適應(yīng)。

5 結(jié)語

軍用戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)編配方案的不足，是制約無人機裝備在戰(zhàn)場情報收集和目標校射等方面效能提高的重要因素，通過選取綜合的編配指標和效能指標，建立改進的基于標桿管理的DEA模型，對軍用戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)編配方案的相對有效性和實際有效性進行科學評估，總結(jié)其存在的不足，評估結(jié)果符合客觀實際。進而對目前戰(zhàn)術(shù)無人偵察機系統(tǒng)編配組成上存在的缺陷進行分析，提出改善措施，為科學評價作戰(zhàn)單位編配、促進效能提升提供了一種可行的方法。

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Formation Efficiency Evaluating for Tactical UAV System Based on Benchmarking Management and DEA Methods

CHEN Liang SHEN Yan’an YE Lin

(Postgraduate Management Team, Army Officer Academy, Hefei 230031)

This paper analyzes the constitution and formation of the universal tactical unmanned aerial vehicles(UAV) system in our army according to the international circumstance of UAV. By selecting comprehensive formation indexes, which contain 11 formation indexes and 7 performance indexes, it builds up an advanced DEA model based on benchmarking management,and takes the UAV which named “RQ-8A” from the military of USA as the benchmarking unit, to analyze and evaluate the relative efficiency and practical efficiency of various formation methods of our army’s UAV system, then it provides the most rational formation method with the equipment in operation. Furthermore, it analyzes the shortcoming of the formation of our army’s UAV crew, and further summarizes some optimization measures.

formation efficiency, comprehensive indexes system, date envelopment analysis, benchmarking management, unmanned aerial vehicle

2016年5月10日,

2016年6月24日

陳亮，男，碩士研究生，研究方向：裝備管理工程。

E917

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.11.019