1、第 14卷 第 4期2023年 8月指挥信息系统与技术Command Information System and TechnologyVol.14 No.4Aug.2023基于模糊综合评价的无人集群系统效能评估刘涛1 于楠2 王方毅1 弯港1（1 南京理工大学瞬态物理重点实验室南京 210094）（2 空中交通管理系统与技术国家重点实验室南京 210023）摘 要：不断变化的空中作战需求对我军无人集群发展提出了更高要求，同时也对无人集群系统效能评估提出了更高要求。为解决无人集群运行效能的评估问题，先采用模糊综合评价方法将主观评估与客观评估进行了结合，再对影响无人集群运行效能的要素进行了分析，
2、最后根据要素的重要性遴选出相应的评价指标，并建立无人集群运行效能评估计算模型。实例分析表明，基于模糊综合评价的无人集群系统效能评估可对无人集群效能进行评价，对促进无人集群优化使用、作战效能提升以及飞行安全保障等具有重要意义。关键词：无人集群；效能评估；模糊综合评价中图分类号：E844 文献标志码：A 文章编号：1674909X(2023)04002006Effectiveness Evaluation of Unmanned Cluster System Based on Fuzzy Comprehensive EvaluationLIU Tao1 YU Nan2 WANG Fangyi1 W
3、AN Gang1（1 Key Laboratory of Transient Physics，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）（2 State Key Laboratory of Air Traffic Management System and Technology，Nanjing 210023，China）Abstract：The changing requirements of air operations put forward the higher requirements for t
4、he development of unmanned cluster in our army，and also put forward the higher requirements for the effectiveness evaluation of unmanned cluster system.In order to solve the evaluation problem of unmanned cluster operation efficiency，the fuzzy comprehensive evaluation method is used to combine subje
5、ctive evaluation and objective evaluation，and then the factors affecting the operational efficiency of unmanned cluster are analyzed.Finally，the corresponding evaluation indicators are selected according to the importance of the factors，and the calculation model of unmanned cluster operation efficie
6、ncy evaluation is established.The instance analysis shows that the unmanned cluster system effectiveness evaluation based on fuzzy comprehensive evaluation can evaluate the unmanned cluster effectiveness，and it is of the great significance on optimizing the use of unmanned cluster，improving operatio
7、n effectiveness and ensuring flight safety.Key words：unmanned cluster；effectiveness evaluation；fuzzy comprehensive evaluation理论与探索doi：10.15908/ki.cist.2023.04.004 基金项目：江苏省基础研究计划（自然科学基金）青年基金（BK20200493）和空中交通管理系统与技术国家重点实验室开放课题（SKLATM202105）资助项目。收稿日期：2022-10-08引用格式：刘涛，于楠，王方毅，等.基于模糊综合评价的无人集群系统效能评估 J.指挥信
8、息系统与技术，2023，14（4）：20-25.LIU Tao，YU Nan，WANG Fangyi，et al.Effectiveness evaluation of unmanned cluster system based on fuzzy comprehensive evaluation J.Command Information System and Technology，2023，14（4）：20-25.第 14卷 第 4期刘涛，等：基于模糊综合评价的无人集群系统效能评估0 引言 与传统作战系统相比，无人集群系统具有自主协同、能力涌现和智能对抗等特点1。目前，国内外均针对无人集群系
9、统开展了相关研究。国外，美国近年来集中开展了面向无人集群平台、载荷和算法等方面的研究工作2，并取得了一些成效。国内，对于无人集群研究多集中于自主协同自身的算法、控制和交互等方面，文献 3 分析并构建了军事活动影响下无人集群效能评价模型；文献 4 针对无人集群的军用无人集群航路网络进行了探究，引入航路阻抗公式并将其与 FordFulkerson 算法（一种贪婪算法）进行了结合，精准有效地实现了评估目标，并取得了良好效果。目前，针对无人集群整体效能评估的研究极少，虽然有部分学者在空域飞机碰撞概率5和电磁环境6等局部问题上进行了研究，但无法综合反映无人集群的整体效能，因此从系统角度研究无人集群效能评
10、估技术对提升联合作战效能7具有重要意义。系统效能评估8领域中，当前主流评估方法有层次分析法（AHP）9、灰色综合评价法10、人工神经网络评价法（ANN）11、数据包络分析法（DEA）12和模糊综合评价法（FCE）13等，这些方法在定性与定量、客观与主观等方面均具有各自优缺点。其中，模糊综合评价法1418方便实用，系统性强，可较好地判断不确定性与模糊性，结果清晰可靠，对解决无人集群效能评估具有很强的针对性和可用性。无人集群由于任务自身特点，对专家评价意见依赖性较强，因此本文采用模糊综合评价法对其进行效能评估。本文从系统工程19角度出发，以对作战核心任务达成的支撑能力为核心，分析了相关支撑因素与影
11、响因素，并建立了 2 层无人集群效能评估指标体系。此外，选取模糊综合评价方法评价方法对基于模糊综合评价的无人集群效能评估指标体系进行了验证。1 无人集群效能评估指标体系 1.1 评估准则根据系统效能的一般评估准则20，结合无人集群对完成核心任务的支撑能力，兼顾无人集群关联领域，本文提出了以下无人集群效能评估准则：1）围绕释放空中作战力量战斗力为根本，以完成核心任务支撑能力为重点；2）考虑战术运用的充分程度，尽可能消减战术制定中人为因素的主观影响；3）体现空防保障、预警保障和通信保障等方面的协同功效；4）将已划设的无人集群遭打击后的再生能力以及持续提供有力战场环境的能力纳入评估；5）考虑无人集群
12、对己方各类作战力量的安全性；6）考虑空中作战全周期内对民航方面的干扰、以及民航方面对作战行动的影响。1.2 支撑因素与影响因素无人集群运行效能的高低取决于完成核心任务的支撑因素提供的支撑能力以及其他辅助因素提供的帮助，同时无人集群运行效能又受制于一些限制因素在一定时间段内的干扰。无人集群运行效能的支撑因素的本质是核心任务支撑能力因子，即完成作战任务的能力。核心任务支撑能力因子是一个宏观的集合概念，拆分该因子构成的过程也是拆分空中作战各个环节的过程，因此空中作战的核心环节和力量均应作为核心任务支撑能力因子的组成部分。本文将支撑因素以外的因素称为影响因素，影响因素因其正反作用可细分为辅助因素和限制
13、因素。辅助因素中最重要的是安全性能因素，安全性囊括了空中作战力量进行空中军事行动的各个环节、作战单元和保障单位等组成部分之间的安全考量17，重点考虑避免我方飞行器相撞、防空武器单元误击误伤己方作战航空器等情况发生，从而通过评估产生既能完成核心任务又能尽最大可能减少非战斗减损战斗力的情况。辅助完成核心任务的因素还有鲁棒性因素。鲁棒性指在确保己方作战能力安全的前提下，将无人集群的抗打击能力以及遭受打击后再次提供作战支撑的能力作为辅助因素进行考虑，其目的是考虑作战行动的周期性和持久性，同时指导并加强无人集群保障能力基础建设。此外，辅助因素还涉及可兼容多兵种联合协同作战的兼容性因素。限制因素主要体现在
14、民航以及社会影响对无人集群效能的限制作用等方面。当前，民航业和通用航空高速发展，军事行动多数情况下是在不影响民用航空和通用航空的前提下隐秘进行的，甚至有时在两者的掩护下进行空中军事行动，因此既要考虑民航和通用航空的飞行规定等对无人集群的限制，又要规避军事行动对民航和通用航空安全的影响。21指挥信息系统与技术2023年 8月1.3 评估指标体系根据无人集群效能评估准则，结合影响效能的各个因素，从核心任务支撑能力、安全性、鲁棒性、兼容性和对非作战单位影响 5个方面，建立了 2层无人集群效能评估指标体系，如图 1所示。无人集群效能评估指标体系按照层级分为一级和二级 2 层指标，通过全面完善二级指标涉
15、及的领域，更好地支撑了一级指标的整体性和饱满度，使得两级指标结构性更强且更完整。同时，从确立的18个指标来看，该指标体系囊括了空中作战有关的全过程、全环节和全要素，同时突出了完成核心任务能力的地位。1.3.1 核心任务支撑能力核心任务支撑能力指整个无人集群体系在同一个核心作战目标牵引下，各个具体子空域执行作战任务并完成作战目标的支撑能力。典型的无人集群涉及的作战保障功能包括预警保障能力、通信保障能力、防空保障能力、电子战支援能力和情报支援能力 5个子评估指标21。1）预警保障能力：包括探测、识别、跟踪定位、预报、信息传输和生存抗毁等能力。其中，探测能力主要通过探测的全覆盖率、重点区域覆盖率、最
16、大探测距离、探测概率以及虚警概率来衡量；识别能力通过识别概率和识别时间来衡量；跟踪定位能力通过方向角、俯仰角和偏航角的跟踪精度，连续跟踪时间以及定位精度来衡量；预报能力指目标关键点估计精度；信息传输能力包含传输时延、误码率和传输速率；生存抗毁能力通过预警集群装备机动能力以及防护能力来衡量。2）通信保障能力：包括基本通信能力、抗毁抗干扰能力和通信系统执行能力。其中，基本通信能力包含通信覆盖空域面积、传输速率、话务质量、平均误码率、信道电路数及其故障率；抗毁抗干扰能力包括应急组网能力、信道抗干扰能力、网络冗余度和通信手段；通信系统执行能力包括通信系统稳定性和机动性。3）防空保障能力：包括侦察预警、
17、指挥控制和火力打击等能力。其中，侦察预警能力包含对空预警探测能力、对低空超低空预警探测和对特殊目标预警探测能力；指挥控制能力通过情报处理能力、辅助决策能力、通信联络能力和指挥员基本素质来衡量；火力打击能力包含区域防空导弹性能、点防御导弹性能和无人机武器系统性能。4）电子战支援能力：指利用电子设备和技术来干扰、保护和支援军事行动的能力。其中心任务是对敌方电磁信息进行搜索、侦察和标定，并迅速分析这些信息性质，从而为己方实施对抗措施和电子反对抗措施提供依据，主要包括电子侦察能力、电子对抗能力、电子防护能力和电子攻击支援能力。5）情报支援能力：包括情报的使用效能、保障效能和态势感知效能。其中，使用效能
18、包含情报辅助决策周期、情报实现满足率、情报验证能力和情报共享能力；保障效能包含传感器探测能力、抗电磁干扰能力以及数据传输与处理能力；态势感知效能包含发现重要目标的概率、目标类型和位置识别概率、装备配置识别率以及战场环境掌握度。1.3.2 安全性指标安全性指标指在预设空域系统条件下，飞机之间、地面火力与飞机之间的直接或间接的伤害风险，该指标通过空域的时空位置关系确定，包括空域冲突、空中相撞风险、误击误伤风险和应急救援能力4项指标。1）空域冲突：指无人集群的飞行器之间、武器导弹之间或飞行器与障碍物之间的距离小于规定距离的情况，主要通过冲突空域范围、冲突时间和冲突概率来衡量。2）空中相撞风险：包括无
19、人集群飞行器与集群内其他飞行器相撞风险以及飞行器与障碍物相撞风险。主要通过偶然撞击概率、敌袭相撞概率和相撞影响范围来衡量。3）误击误伤风险：指我方无人集群火力打击己图 1 无人集群效能评估体系22第 14卷 第 4期刘涛，等：基于模糊综合评价的无人集群系统效能评估方目标或破坏己方重要设施的风险，主要通过情报准确率、探测识别准确率、数据传输延误率和信息实时共享能力来衡量。4）应急救援能力：包括无人集群系统的应急救援信息保障、应急救援组织保障和应急救援人员物质保障。其中，应急救援信息保障主要是信息共享技术水平以及通信联络的及时性与有效性；应急救援组织保障主要是无人集群组织机构的健全性、指挥的合理性
20、以及应急预案的全面性与灵活性；应急救援人员物质保障主要是指战员应急设施操作熟练度、应急设备配备的规范性、应急物资的储备与调配情况以及应急救援物资的补给能力。1.3.3 鲁棒性指标鲁棒性指标指空域系统及其用户单元遭遇敌方打击破坏后重新塑造态势和保持持续作战的能力，包括空中单元再补充、持续作战和空域调整使用3个二级作战能力。1）空中单元再补充能力：包括无人集群空中补充弹药和补给油料的能力以及作战无人机的留空时间，涉及弹药存储量、油料存储量、无人机留空时间和补给安全距离等。2）持续作战能力：衡量标准是无人集群系统持续作战时间和作战的区域范围。3）空域调整使用能力：用于提高无人集群的作战空间使用效率，
21、涉及无人集群系统飞行器的高度、飞行速度和直飞方式，以及飞行区域最大载荷及其优化利用等。1.3.4 支持多目标打击能力兼容性指标指同一无人集群系统能够支持的打击目标数量、作战任务样式以及与陆战场、海战场的协同作战能力，包括支持多目标打击能力、支持多样式作战能力和支持多维度作战能力 3个二级指标。1）支持多目标打击能力：包括攻击和防御 2 类能力。其中，攻击能力强调火力密度、打击精度、毁伤程度和弹药基数等；防御能力主要指机动性能、隐蔽性能和抗毁伤性等。2）支持多样式作战能力：是对空天多种作战样式的兼容性，包括空天一体化信息作战、反卫星作战和反导弹作战等空中作战样式。3）支持多维度作战能力：侧重于其
22、他陆海空天战斗集群的协同作战与联合作战能力以及后勤保障能力。1.3.5 对非作战单位的影响对非作战单位的影响指标指无人集群系统划设后可能对非作战单位产生的影响，例如对民航运行的影响，以及战争过程中可能对平民和重要的政治、经济和宗教目标产生的威胁等。该项指标包含对民航的影响、对地面平民的威胁以及对重要目标的威胁 3个二级指标。1）对民航的影响：指对民航供给、需求、成本和收益等方面的影响。2）对地面平民的威胁：包括误伤风险、隐私侵犯、数据安全风险和碰撞风险。3）对重要目标的威胁：体现在爆发无人集群作战时，我方或敌方火力摧毁重要目标的概率以及重要的隐蔽能力与防御能力。2 评估模型 本文采用模糊综合评
23、价法对无人集群系统效能进行评估，由于二级指标过多，采用主观赋权法确定各指标权重缺乏合理性，故本文采用了层次分析法9来确定二级指标的权重。2.1 指标集将多个评价指标分为m类，即分为m个子集，评价指标集为V=V1，V2，Vm，其中，Vi为第i个子集，i=1，2，m。每个子集由n个因素组成，即Vi=Vi1，Vi2，Vin，其中，Vij为评价指标中第i个子集中第j类因素，j=1，2，n。2.2 评价集和权重集构建选择评价集U=u1，u2，u5=好，较好，中，差，较差，共 5个等级，两级评价均需根据指标的重要性确定相应的评价权重。通过专家对评价指标的重要性进行打分并随机抽样，得到以下判断矩阵：Ai=a
24、i1/ai1ai1/ai2ai1/aijai2/ai1ai2/ai2ai2/aijaij/ai1aij/ai2aij/aij（1）其中，aij为专家对指标Vij的重要性评分。利用 19标度法22对上述矩阵元素进行两两比较，并采用和法进行计算，从而得到各个评价因素的权重向量Wi。19标度对应表如表 1所示。表 119标度对应表项目i因素和 j因素相比标度aij1同等重要3稍微重要5较强重要7非常重要9绝对重要2，4，6，8处于上述 2个判断之间23指挥信息系统与技术2023年 8月根据判断矩阵的特征值信息，利用下式计算一致性指标CI：CI=(max-n)/(n-1)（2）其中，max为判断矩阵的
25、最大特征值；n为判断矩阵的阶数。层次分析法中，通过分析一致性比率CR来评估判断矩阵的一致性程度，公式如下：CR=CI/RI（3）其中，RI为平均随机一致性指标，是根据统计规律得到的一组判断一致性的参考值，可通过表 2 进行查询。通过判断CR是否小于 0.1来判断矩阵 A是否满足一致性要求，最终得到评价指标的权重并确定判断矩阵。2.3 二级模糊综合评价首先对Vi进行二级模糊综合评价，评价指标隶属于评价集U的隶属度为rij(i，j=1，2，5)，则二级模糊综合评价矩阵为：Ri=ri11ri12ri15ri21ri22ri25ri51ri52ri55（4）二级评价指标评价结果为：Bi=WiRi（5）
26、其中，Wi为各因素的权重向量。2.4 一级模糊综合评价整合二级模糊综合评价结果，并将其作为一级模糊综合评价的单因素。评价矩阵为：R=(B1，B2，B3，B4，B5)T（6）一级指标的模糊综合评价结果为：B=WR（7）其中，W为各权重向量组成的一级指标权重集。2.5 综合评价值计算得到一级评价结果后，按设定的一级指标得分计算综合评价值，最后给出无人集群系统效能的评价结论。3 应用分析 3.1“灰山鹑”（Perdix）无人集群项目2016年，美国战略能力办公室实施了“灰山鹑”无人集群项目23，采用有人战斗机投放智能无人机群代替空射诱饵，执行诱导欺骗和潜入侦察等任务。“灰山鹑”无人集群项目示意图如图
27、 2所示。2016年10 月，美军完成了由 3 架 F/A18 战斗机空中投放103架“灰山鹑”无人机的演示验证，该无人集群系统除了基本的战斗性能外还展现了一些高级行为，如群体决策、自适应编队以及集群自愈性等。3.2 应用分析本文以“灰山鹑”无人集群项目为例，运用基于模糊综合评价的无人集群系统效能评估体系对该无人集群系统效能进行了评估。相关领域专家对该无人集群系统效能的 18项单项指标按照好、较好、中、差和较差的标准进行评价，本文随机抽取了 10位专家的平均评价结果，如表 3所示。表 2平均随机一致性指标项目RIn102030.5840.9051.1261.2471.32图 2“灰山鹑”无人集
28、群项目表 3专家抽样表指标预警保障能力通信保障能力防空保障能力电子战支援能力情报支援能力空域冲突空中相撞风险误击误伤风险应急救援能力空中单元再补充能力持续作战能力空域调整使用能力支持多目标打击能力支持多样式作战能力支持多维度作战能力对民航的影响对地面平民的威胁对重要目标的威胁平均评价结果好324322543324561231较好231231124341113112中122222211212211212差211221111111113123较差21211412112211243224第 14卷 第 4期刘涛，等：基于模糊综合评价的无人集群系统效能评估由式（2）得到对应的单因素评价矩阵如下：R1=
29、0.30.20.10.20.20.20.30.20.10.10.40.10.20.10.20.30.20.20.20.10.20.30.20.20.1（8）R2=0.20.10.20.10.40.50.10.20.10.10.40.20.10.10.20.30.40.10.10.1（9）R3=0.30.30.20.10.10.20.40.10.10.20.40.10.20.10.2（10）R4=0.50.10.20.10.10.60.10.10.10.10.10.30.10.30.2（11）R5=0.20.10.20.10.40.30.10.10.20.30.10.20.20.30.2（12）
30、利用 19标度法评价一级指标和二级指标中的每一个元素的重要性，并统计多位专家的评价结果。经检验，判断矩阵满足一致性检验要求。一级指标的重要性判断矩阵如下：A=143321/411231/311111/31/21121/21/311/21（13）通过计算得到以下二级指标权向量矩阵：W1=(0.285，0.228，0.182，0.143，0.157)（14）W2=(0.396，0.239，0.194，0.171)（15）W3=(0.234，0.579，0.187)（16）W4=(0.549，0.211，0.241)（17）W5=(0.407，0.329，0.264)（18）R=0.278 0.21
31、9 0.170 0.157 0.146 0.327 0.170 0.163 0.100 0.238 0.260 0.320 0.142 0.100 0.176 0.425 0.148 0.155 0.148 0.124 0.206 0.126 0.167 0.185 0.314（19）W=(0.410，0.198，0.131，0.141，0.115)（20）根据上述评价矩阵 R 和权重向量 W，得到综合评价 B如下：B=WR=0.298 0.202 0.162 0.140 0.184（21）假设一级指标对应的得分为 100、80、60、50 和10，则该无人集群系统的综合评价得分为：G=100
32、r1+80r2+60r3+50r4+10r5=71.977（22）其中，ri为得到的B的各项评分比重，i=1，2，5。由上式可知，“灰山鹑”无人集群系统的综合得分为71.977。分析一级指标所占评估比例可见，对于核心任务支撑能力占比最大，近 30%，安全性位居其次，近20%，兼容性最差，仅为 14%。上述占比体现了军事背景下无人集群系统是以战斗力为核心，以安全性为要点的，而对于兼容性则要求较低，这正符合了现代战争的战场实际。4 结束语 本文提出了一种囊括了空中作战有关的全过程、全环节和全要素的无人集群性能评估指标体系，并基于模糊综合评价方法对无人集群系统效能进行评价。对美军“灰山鹑”无人集群项
33、目评估可见，基于模糊综合评价的无人集群系统效能评估体系模型能够客观地对无人集群系统效能进行评估，评估体系有效可行。参考文献(References)：1梁晓龙，侯岳奇，胡利平，等.无人集群试验评估研究现状分析及理论方法 J.南京航空航天大学学报，2020，52（6）：846-854.2周宇，杨俊岭.美军无人自主系统试验鉴定挑战、做法及启示 EB/OL.（2017-03-27）2022-09-09.https：/ 93209 部队.基于空域网格的飞机安全包络计算碰撞风险概率的方法与流程：CN 202111573101.4 P.2022-04-06.6黄栋梁，向亚子.民用航空地面无线电设备电磁环境保
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