基于AHP—熵權(quán)法和云模型的航拍無(wú)人機(jī)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

摘 要：航拍無(wú)人機(jī)在運(yùn)行中存在諸多不安全因素，為合理評(píng)估航拍無(wú)人機(jī)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，歸納構(gòu)建出了航拍無(wú)人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出了一種基于AHP—熵權(quán)法和云模型的綜合評(píng)價(jià)方法，采用了主客觀相結(jié)合的綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，同時(shí)充分發(fā)揮了云模型在反映模糊性和不確定性等方面的優(yōu)勢(shì)，并采用黃金分割法建立了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語(yǔ)集，利用MATLAB得到了綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)云圖，實(shí)現(xiàn)了對(duì)航拍無(wú)人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)價(jià)。最后，對(duì)DJI大疆創(chuàng)新公司的航拍無(wú)人機(jī)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，結(jié)果表明該航拍無(wú)人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)處于好的等級(jí)，與航拍無(wú)人機(jī)運(yùn)行的實(shí)際情況相符，具有一定的適用性，可以為航拍無(wú)人機(jī)安全運(yùn)行提供理論參考。

關(guān)鍵詞：云模型;AHP—熵權(quán)法;風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

中圖分類(lèi)號(hào)：V279.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

無(wú)人機(jī)是利用無(wú)線(xiàn)電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)[1]。其中，航拍無(wú)人機(jī)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于攝影領(lǐng)域，逐漸成為攝影愛(ài)好者所必需的設(shè)備之一。隨著無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的逐漸擴(kuò)大，無(wú)人機(jī)銷(xiāo)量也不斷提升，2020年我國(guó)無(wú)人機(jī)產(chǎn)品銷(xiāo)售額達(dá)到360億元，到2025年無(wú)人機(jī)產(chǎn)品銷(xiāo)售額將會(huì)比2020年多一倍。雖然無(wú)人機(jī)市場(chǎng)發(fā)展迅猛，但由于無(wú)人機(jī)具有易發(fā)生失控、應(yīng)變能力較低等特點(diǎn)，加上對(duì)于無(wú)人機(jī)的安全運(yùn)行等方面我國(guó)還未建立比較系統(tǒng)的法律法規(guī)，這導(dǎo)致了大量違規(guī)飛行現(xiàn)象的發(fā)生。因此，對(duì)無(wú)人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究是保證無(wú)人機(jī)安全運(yùn)行的前提條件。

目前，眾多學(xué)者借鑒國(guó)內(nèi)外的研究成果，對(duì)無(wú)人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)進(jìn)行了深層次的研究。其中，楊林超通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的研究，分析了各個(gè)評(píng)價(jià)方法的優(yōu)缺點(diǎn)[2]。Roland E.Weibel等利用數(shù)學(xué)模型對(duì)無(wú)人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了定量的研究，并確定了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，制定了較為詳細(xì)的無(wú)人機(jī)安全目標(biāo)[3]。魏法杰等將層次分析法和專(zhuān)家評(píng)分法相結(jié)合，對(duì)無(wú)人機(jī)運(yùn)行的安全水平進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。高宇等通過(guò)計(jì)算最低安全評(píng)價(jià)指數(shù)，將層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)度相結(jié)合，利用整體評(píng)價(jià)與內(nèi)部分析相結(jié)合的方法對(duì)無(wú)人機(jī)運(yùn)行進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[5]。從現(xiàn)有的研究成果中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)者的研究只停留在定性或定量方面的研究，所使用的研究方法不具備創(chuàng)新性。為此，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，構(gòu)建出航拍無(wú)人機(jī)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用AHP—熵權(quán)法確定指標(biāo)綜合權(quán)重，并利用云模型對(duì)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并以云圖的形式將評(píng)價(jià)結(jié)果表現(xiàn)出來(lái)，最后對(duì)大疆創(chuàng)新公司的航拍無(wú)人機(jī)進(jìn)行個(gè)案研究，客觀的評(píng)價(jià)了航拍無(wú)人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

一、航拍無(wú)人機(jī)評(píng)價(jià)指標(biāo)的確立

筆者通過(guò)參考相關(guān)文獻(xiàn)，咨詢(xún)?cè)擃I(lǐng)域相關(guān)專(zhuān)家的建議以及結(jié)合航拍無(wú)人機(jī)自身的運(yùn)行特點(diǎn)，歸納構(gòu)建出如表1所示的航拍無(wú)人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，本文以3個(gè)一級(jí)指標(biāo)和12個(gè)二級(jí)指標(biāo)作為航拍無(wú)人機(jī)的評(píng)價(jià)體系。

（一）AHP-熵值法計(jì)算組合權(quán)重

層次分析法是一種主觀評(píng)定方法，主要依靠專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)豐富程度來(lái)進(jìn)行評(píng)定，易受專(zhuān)家的主觀偏好影響，而熵權(quán)法是一種客觀評(píng)定方法，易受初始數(shù)據(jù)的影響，如果初始數(shù)據(jù)存在一定的誤差，那么直接會(huì)影響最終評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，AHP—熵權(quán)法彌補(bǔ)了單一評(píng)價(jià)方法的不足，提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的精確性。

1.層次分析法（AHP）

層次分析法的主要步驟為：①構(gòu)造判斷矩陣②對(duì)判斷矩陣進(jìn)行歸一化處理③計(jì)算指標(biāo)權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

2.熵權(quán)法確定權(quán)重

熵權(quán)法的主要步驟為：①構(gòu)建原始評(píng)價(jià)矩陣②第i個(gè)指標(biāo)下第j個(gè)項(xiàng)目的指標(biāo)值比重③計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值④計(jì)算第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)。由于層次分析法和熵權(quán)法比較常用，鑒于此，本文不在對(duì)層次分析法和熵權(quán)法進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

3.AHP—熵權(quán)法組合權(quán)重計(jì)算

（二）云模型理論基礎(chǔ)

云模型是李德毅院士根據(jù)概率論和模糊數(shù)學(xué)理論首先提出來(lái)的，他是通過(guò)特定的結(jié)構(gòu)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)定性概念與其定量數(shù)值表示之間轉(zhuǎn)換的一種數(shù)學(xué)模型，它不僅能夠反映隨機(jī)性和模糊性之間的相關(guān)性，而且能夠反映自然語(yǔ)言表達(dá)的不確定性，從而形成定量和定性的互相映射[6]。

云的定義

設(shè)U是定量論域，C是U上的定性概念，若定量值x∈U，且x是定性概念，C的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn)，x對(duì)C的隸屬度μ（x）∈（0，1]，是具有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)U[7]，即：

則x在 U上的分布稱(chēng)為云，每個(gè)x稱(chēng)為一個(gè)云滴，多個(gè)云滴反映定性概念的整體特征。

指標(biāo)體系評(píng)語(yǔ)集的建立

首先將云模型與航拍無(wú)人機(jī)風(fēng)險(xiǎn)特征相結(jié)合，確定各個(gè)指標(biāo)評(píng)語(yǔ)，形成評(píng)語(yǔ)集V={v1，v2，v3，v4，v5}，將評(píng)語(yǔ)集劃分為{很差，差，一般，好，很好}五個(gè)等級(jí)，并利用黃金分割法對(duì)航拍無(wú)人機(jī)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語(yǔ)集進(jìn)行分區(qū)[8]，相鄰評(píng)語(yǔ)等級(jí)的云模型參數(shù)之間的倍數(shù)為0.618，我們以論域[0，1]的中心點(diǎn)0.5為中間評(píng)語(yǔ)等級(jí)，其云模型參數(shù)為Ex3=0.5，He3=0.005。

3.云的數(shù)字特征

云模型所要表達(dá)的概念可以用云的數(shù)字特征來(lái)反映。其中，用云期望Ex，熵En，超熵He共3個(gè)數(shù)字特征來(lái)表示，記為C（Ex，En，He）。

4.隸屬云發(fā)生器

（1）正向云發(fā)生器可完成定性轉(zhuǎn)化到定量。

步驟1：生成以為期望值，為標(biāo)準(zhǔn)差的一個(gè)正態(tài)隨機(jī)數(shù);

步驟2：生成以為期望值，為標(biāo)準(zhǔn)差的一個(gè)正態(tài)隨機(jī)數(shù);

步驟3：令表示定性概念的一次具體量化值，成為一個(gè)云滴;

步驟4：計(jì)算

步驟5：重復(fù)以上四個(gè)步驟，直至生成n個(gè)云滴為止。

（2）逆向云發(fā)生器可完成定量轉(zhuǎn)化到定性。

5.綜合云計(jì)算

（1）一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)云模型的確定

為確定無(wú)人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)下的12個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的云數(shù)字特征和綜合指標(biāo)權(quán)重，應(yīng)用公式（7）得出無(wú)人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)一級(jí)指標(biāo)云數(shù)字特征。

式中，為各一級(jí)指標(biāo)的數(shù)字特征。

（2）綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)云模型的確定

由于各一級(jí)指標(biāo)之間具有相互關(guān)聯(lián)性，因此根據(jù)一級(jí)指標(biāo)云數(shù)字特征，并利用公式（8）得出綜合云模型。

式中，（Ex，En，He）為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)云模型的數(shù)字特征。

二、實(shí)證案例

（一）研究對(duì)象介紹

DJI大疆創(chuàng)新公司于2006年成立，是全球領(lǐng)先的民用無(wú)人機(jī)制造商之一，其所生產(chǎn)的無(wú)人機(jī)數(shù)量和種類(lèi)都位居全球前列。近年來(lái)，隨著人們生活質(zhì)量的提高，越來(lái)越多人開(kāi)始接觸航拍無(wú)人機(jī)，航拍無(wú)人機(jī)已經(jīng)逐漸融入到人們的生活當(dāng)中。其中，DJI大疆創(chuàng)新公司無(wú)人機(jī)作為無(wú)人機(jī)行業(yè)的領(lǐng)頭羊，其所研發(fā)的航拍無(wú)人機(jī)更具有代表性，隨著國(guó)家法律法規(guī)的健全，無(wú)人機(jī)運(yùn)行的安全性已經(jīng)成為人們所必須考慮的因素之一。

航拍無(wú)人機(jī)運(yùn)行的安全性在一定程度上影響著產(chǎn)品的銷(xiāo)量。為了從整體上了解航拍無(wú)人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的狀況，本文從人員、設(shè)備、環(huán)境等方面綜合評(píng)估了航拍無(wú)人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，并根據(jù)上述所構(gòu)建的層次分析-熵權(quán)法的模型，依據(jù)航拍無(wú)人機(jī)現(xiàn)狀，對(duì)航拍無(wú)人機(jī)進(jìn)行了具體評(píng)價(jià)分析。

（二）指標(biāo)云模型及評(píng)價(jià)云圖

由于本文所選的評(píng)價(jià)指標(biāo)專(zhuān)業(yè)性比較強(qiáng)，所以采取了專(zhuān)家投票的形式對(duì)所選指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，專(zhuān)家由航拍無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)者、航拍無(wú)人機(jī)商家、專(zhuān)業(yè)無(wú)人機(jī)航拍者等組成的20名專(zhuān)家組成，根據(jù)專(zhuān)家打分結(jié)果，結(jié)合AHP—熵權(quán)法的相關(guān)公式，利用逆向云發(fā)生器計(jì)算出二級(jí)指標(biāo)云模型的數(shù)字特征和指標(biāo)權(quán)重，從而確定無(wú)人機(jī)一級(jí)指標(biāo)的云模型，其結(jié)果如表3所示。

（三）結(jié)果分析

根據(jù)一級(jí)指標(biāo)云模型的數(shù)字特征，利用公式（8）計(jì)算出航拍無(wú)人機(jī)綜合評(píng)價(jià)云數(shù)字特征值：Ex=0.7534，En=0.0675，He=0.0137利用MATLAB進(jìn)行正向云發(fā)生器運(yùn)算，得到DJI大疆創(chuàng)新公司航拍無(wú)人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)水平云，并將其與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語(yǔ)集云圖進(jìn)行比較，結(jié)果如下：

其中，紅色曲線(xiàn)代表綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，綠色曲線(xiàn)代表人員因素，藍(lán)色曲線(xiàn)代表設(shè)備因素，黃色曲線(xiàn)代表環(huán)境因素。由圖1可知，云滴主要分布在0.70到0.85之間，并主要集中在0.75附近。根據(jù)上述所規(guī)定的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，DJI大疆創(chuàng)新公司拍無(wú)人機(jī)整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)為“好”，表明該無(wú)人機(jī)整體風(fēng)險(xiǎn)水平較低，并不會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)際運(yùn)行造成較強(qiáng)的干擾，處于可控范圍內(nèi)。其中，熵值En較小，表明該航拍無(wú)人機(jī)評(píng)價(jià)結(jié)果可靠性較高，超熵He較小，表明該航拍無(wú)人機(jī)風(fēng)險(xiǎn)水平穩(wěn)定性較好。

通過(guò)對(duì)圖1中各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)云圖對(duì)比分析，可以清楚的看出DJI大疆創(chuàng)新公司航拍無(wú)人機(jī)三大運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)大小如下：

（1）從期望值Ex角度來(lái)分析，該航拍無(wú)人機(jī)三個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)大小排序?yàn)椋涵h(huán)境因素u3>設(shè)備因素u2>人員因素u1，這表明人員因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)相對(duì)較差，需重點(diǎn)關(guān)注。

（2）從熵值En角度來(lái)分析，該航拍無(wú)人機(jī)三個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)值跨度排序?yàn)椋喝藛T因素u1>設(shè)備因素u2>環(huán)境因素u3，這表明人員因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)值跨度相對(duì)較大，不確定性較大。

（3）從超熵He角度來(lái)分析，該航拍無(wú)人機(jī)三個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)云的厚度排序?yàn)椋喝藛T因素u1>環(huán)境因素u3>設(shè)備因素u2，這表明人員因素風(fēng)險(xiǎn)水平的穩(wěn)定性相對(duì)較差，需要持續(xù)關(guān)注。

從整體上看，熵值En較小，表明該航拍無(wú)人機(jī)的評(píng)價(jià)結(jié)果可靠性較高，超熵值He較小，表明該航拍無(wú)人機(jī)風(fēng)險(xiǎn)水平穩(wěn)定性較好，評(píng)價(jià)云圖的云滴較為集中，評(píng)價(jià)較為準(zhǔn)確。

三、結(jié)語(yǔ)與建議

人員因素、設(shè)備因素、環(huán)境因素是航拍無(wú)人機(jī)安全運(yùn)行的主要風(fēng)險(xiǎn)源，提高這三個(gè)因素的抗風(fēng)險(xiǎn)能力是保證無(wú)人機(jī)安全運(yùn)行的主要途徑。雖然有些風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)較高，但也會(huì)誘發(fā)不安全事件的發(fā)生。根據(jù)系統(tǒng)工程學(xué)的相關(guān)理念，航拍無(wú)人機(jī)不安全事件的發(fā)生是各種因素相互作用的結(jié)果，并不能歸結(jié)于某一種因素。為提高航拍無(wú)人機(jī)運(yùn)行安全，本文綜合考慮各種因素，提出以下建議供參考：

（1）對(duì)于人員方面，提高無(wú)人機(jī)操作者的技能培訓(xùn)是十分有必要的。對(duì)于飛行高度接近或超過(guò)民用航空的無(wú)人機(jī)操作者，由無(wú)人機(jī)協(xié)會(huì)或交通部門(mén)制定考核標(biāo)準(zhǔn)，并組織相應(yīng)的考試，對(duì)專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，操作要求高的無(wú)人機(jī)操作員實(shí)行持證飛行，如果發(fā)現(xiàn)持證者有違規(guī)行為可以扣留或者吊銷(xiāo)其資格證。

（2）對(duì)于設(shè)備方面，通過(guò)優(yōu)化民用無(wú)人機(jī)的操作系統(tǒng)，限制住其任性自由的羽翼，防止民用無(wú)人機(jī)的越界飛行。通過(guò)設(shè)置安全模式，對(duì)無(wú)人機(jī)飛行高度加以限制，在操作不當(dāng)?shù)那闆r下，無(wú)人機(jī)也不會(huì)迅速?gòu)目罩袎嬄?，而是根?jù)系統(tǒng)指示緩慢降落，大幅度降低不安全事件的發(fā)生。同時(shí)，要定期對(duì)民用無(wú)人機(jī)進(jìn)行體檢，養(yǎng)成起飛前檢查，落地后保養(yǎng)的習(xí)慣，確保設(shè)備能夠安全運(yùn)行，從而避免不安全事件的發(fā)生。

（3）對(duì)于環(huán)境方面，國(guó)家要加大對(duì)空域的管控力度，劃分好可飛行區(qū)域，對(duì)于禁飛區(qū)域做好標(biāo)識(shí)，確保操作者能夠及時(shí)察覺(jué)。同時(shí)，公安機(jī)關(guān)應(yīng)當(dāng)建立管控民用無(wú)人機(jī)的專(zhuān)門(mén)執(zhí)法力量，培養(yǎng)執(zhí)法人員掌握多種無(wú)人機(jī)迫降方式，大力打擊“黑飛”行為，并對(duì)違規(guī)飛行給予相應(yīng)的治安處罰。

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作者簡(jiǎn)介：

張紹磊（1997-），男，漢族，河南焦作人，福建師范大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，管理科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)，碩士生在讀，主要研究方向：物流與供應(yīng)鏈管理。