基于DoDAF的無人機協同作戰效能評估

王 瑛， 史翔宇， 李 超

(空軍工程大學裝備管理與無人機工程學院， 西安， 710051)

無人機協同作戰是指多架無人機將各自的作戰資源和空間占位整合，協同完成作戰任務，是未來戰場上作戰模式主要發展趨勢之一[1]。在執行作戰使命之前，需要對實施方案進行整體效能評估[2-3]，給決策者在方案選取方面提供數據支撐，有效提高協同作戰任務執行的成功率[4]。

DoDAF(Department of Defense Architectural Framework，DoDAF)是用于體系結構開發的頂層框架模型，研究體系結構的框架模型和頂層概念，可為決策者制定方案提供支撐，適用于體系結構的構建與分析[5]。李大喜[6]使用DoDAF視圖產品建立空基反導裝備體系結構可執行模型；高松[7]使用DoDAF針對島礁防空反導作戰構建了島礁防空反導電子對抗裝備體系頂層概念框架。DoDAF在體系結構描述、作戰活動分析等方面是一種有效的工具。

ADC(Availability Dependability Capability，ADC)模型考慮問題全面、數學模型嚴謹，是目前對武器系統實施效能評估有效的評估方法[8]。包悅[9]借鑒Markov過程將ADC模型簡化，實現了對反導導彈戰斗部作戰的效能評估；陳強[10]綜合冪指數法與層次分析法處理能力矩陣，再使用ADC模型實施數據鏈系統作戰效能評估。ADC模型對裝備體系的可用度、可信度、能力綜合分析，適合對復雜系統進行效能評估[11]。

本文以無人機協同作戰為研究對象，采用DoDAF開展對無人機協同作戰結構的分析，得到無人機協同作戰的效能評估能力指標體系，通過ADC模型對無人機協同作戰進行效能評估。最后以典型對地作戰任務進行實例分析，驗證了效能評估方法的可行性和合理性。

1 無人機協同作戰指標體系構建方法

在當今復雜的國際局勢下，提高無人機協同作戰能力有利于我國實施積極防御的軍事戰略。本文基于DoDAF分析無人機協同作戰軍事需求，并構建無人機協同作戰體系。

1.1 基于DoDAF的建模過程

1)作戰任務描述。DoDAF將使命任務轉化為高級作戰概念圖(OV-1)，讓建模人員對作戰使命有一個直觀、具體化的了解。

2)作戰活動描述。將作戰使命分解為包含時序關系的若干子任務，梳理任務與子任務的層層聚合關系。DoDAF中的作戰活動分解視圖(OV-5a)可以有效滿足這些需求。

3)作戰能力描述。為了得到無人機協同作戰的指標體系，需要建立作戰任務和作戰活動之間的映射關系，然后對能力進行分解，得到子能力和相應的能力指標需求，主要涉及DoDAF中作戰活動到系統功能追蹤矩陣(SV-5a)和能力列表(CV-2)。

通過作戰任務—作戰活動—作戰能力的邏輯關系，可以從文字描述的使命任務中分析獲得效能評估體系結構及相關的能力指標需求，見圖1。

圖1 DoDAF建模過程

1.2 無人機協同作戰指標體系構建

1.2.1 作戰想定

若干架無人機在起飛后進入目標區域開始偵查，期間可能受到空空威脅、地空威脅以及電子干擾。無人機探測到作戰目標后實施武力打擊，對目標進行毀傷評估后，判斷目標狀態后，再選擇實施第二輪武力打擊或者返航。

1.2.2 構建協同作戰指標體系

1)對軍事需求進行分析，得到作戰使命，構建高級概念圖。無人機協同作戰的高層作戰概念圖刻畫出作戰過程，見圖2。

2)對無人機協同作戰高級作戰概念圖中各個活動進行分解，生成活動分解視圖見圖3。圖中包含16項作戰活動，具體見表1。

3)分析各項活動所涉及的作戰能力，得到無人機協同作戰活動到能力追蹤矩陣，見表2所示。通過作戰活動到能力追蹤矩陣，可以清晰直觀地表現出作戰活動與協同作戰能的映射關系。

將所需要的能力進一步分析，得到無人機協同作戰效能指標體系，如圖4所示。

圖2 高級作戰概念圖(OV-1)

圖3 作戰活動分解視圖(OV-5a)

表1 作戰活動表

表2 作戰活動到能力追蹤矩陣(SV-5a)

圖4 無人機協同作戰效能指標體系

2 基于ADC的協同作戰效能評估方法

2.1 基于ADC的協同作戰效能評估

無人機協同作戰涉及的效能評估指標主要分為量綱型指標和概率型指標。使用效用函數法對量綱型指標進行處理，概率型指標分為定量和定性2類，使用概率法處理定量指標，使用標度法處理定性目標。再將它們聚合生成能力向量C；對于可靠性指標，使用比例計算法生成可用性向量A，再使用指數法處理指標得到可信度矩陣D，見圖5。

圖5 無人機協同作戰效能模型的建立步驟與方法

2.1.1 可用性模型的建立

A表示開始執行作戰活動時無人機協同編隊可能處于的狀態，是對作戰任務開始時系統狀態的描述。假設某次任務出動n架A型無人機，m架B型無人機，由于作戰環境、偵查范圍、作戰目標個數及防御能力以及無人機最大航行時間等的影響，至少保持k架無人機處于正常狀態才能執行任務。

同種類型的無人機可用度相同，平均故障間隔時間為MTBF，平均修復時間為MTTR，可用度asi[12]為：

(1)

式中：i=1,2,…，n表示無人機的種類。

則系統狀態計算步驟如下：

步驟1記無人機故障數為j(j=0,1,…,n+m)，A型無人機故障數為l，初始j=0,l=0，計算有j架無人機故障時系統的狀態；

步驟2N=n-l,M=m-(j-l)分別表示正常狀態的無人機數量；

步驟3判斷N≥0，M≥0，判斷此種狀態中處于正常狀態的無人機數量是否為正。若是，則這是系統的一種狀態，計算系統處于此種狀態的概率；若否，則這種情況不是系統的狀態，執行步驟4；

步驟4假設A型無人機故障數為l=l+1，判斷此時l是否大于總故障數j。若否，轉到步驟2，計算系統可能處于的狀態；若是，則系統故障數為j的情況已經篩選完畢，執行步驟5；

步驟5假設系統總故障數為j=j+1，判斷j是否大于系統允許的總故障數n+m-k。若是，則轉到步驟2，計算此時系統可能處于的狀態；若否，則系統可能處于的狀態判斷完畢；

步驟6輸出A。

計算流程見圖6。

圖6 可用性向量A的計算步驟

2.1.2 可信度模型的建立

可信度矩陣D表示無人機協同作戰系統狀態改變的概率，假設系統的狀態有n個，每種狀態可以相互轉移，D可表示為：

(2)

dij表示從狀態Si轉移到Sj的概率，若系統是不可修復的，則：

(3)

假設無人機在執行任務過程中出現故障不可修復，t時刻無人機可靠度Ri(t)[12]為：

Ri(t)=e-λit
λi=1/MTBFi

(4)

式中：i=1,2,…,n表示無人機的種類。

對地攻擊型無人機生存力Sur主要影響因素包括[13]：雷達反射截面積(RCS)、電子對抗能力以及無人機的幾何尺寸：

(5)

式中：εe為電子對抗能力系數；RCS(m2)指無人攻擊機迎頭方向雷達反射截面積的均值；In表示紅外隱身能力；ACL指無人機自主化等級；DL為無人機數據鏈能力；Mane為無人機機動能力；S為機翼面積，單位為m2；Lall為無人攻擊機的長度，單位為m。

無人機的可用率Ui為：

Ui(t)=Ri(t)Suri

(6)

假設系統的第1種狀態為所有無人機正常，第2種狀態為n-1架A型無人機正常，m架B型無人機正常，則t時刻系統由狀態1轉化為狀態2的概率d12(t)為：

(7)

其余狀態轉移概率dij均可如此計算，可得：

D=(dij)n×m，i>j時dij=0

(8)

2.1.3 能力模型的建立

無人機協同作戰能力向量為：

C=[c1c2…ci…cn]T

(9)

式中：ci表示系統處于狀態i時完成任務的概率。

從2.1節可知，對于量綱類能力指標，如攻擊能力、有效系統容量等，使用尺度標度法進行處理。尺度標度法使用靈活，對單系統或方案評價時有很好的效果。首先，設計一個標尺，如優(0.8～1.0)，良(0.65～0.8)，中(0.55～0.65)，差(0.3～0.55)，然后使用專家評價法對性能指標打分，最終得到量化均值cli(i=1,2,…,n)。

對于定量型概率類能力指標，使用概率計算法進行處理。如無人機機動能力EJD，是無人機執行對地攻擊任務的重要組成部分，影響無人機機動能力的因素主有最大使用過載nymax、最大盤旋過載nycir以及最大單位剩余功率sep[13]：

(10)

對于定性型概率類指標，使用求和聚合法進行處理。如無人機自主決策能力Ctr，無人機自身傳感器將周圍態勢感知的情況傳給無人機計算機，并根據無人機的智能化系統做出行動指令。態勢感知能力Ts和智能化水平Zn是影響自主決策能力的關鍵指標，確定相應的權重ω1,ω2，計算公式如下：

Ctr=ω1Ts+ω2Zn

(11)

對于歸一量化后的各項能力指標，使用求和聚合法先求出系統的各項協同能力，再整合得到系統處于狀態i時的綜合能力ci，分析系統處于不同狀態下的綜合能力，即可得到無人機協同作戰能力向量C。

3 實例分析

假設此次任務共出動A、B 2種察打一體無人機共4架，且任務執行過程中至少保持3架無人機處于正常狀態，任務持續時間1 h，且任務執行過程中無人機故障不可修復，則有如下方案：①1架A類無人機，3架B類無人機；②2架A類無人機，2架B類無人機；③3架A類無人機，1架B類無人機；④4架A類無人機；⑤4架B類無人機。

A、B無人機的性能指標見表3，下面計算方案①的作戰效能。

表3 無人機性能指標

3.1 可用性向量A的計算

執行任務的4架無人機屬于并聯關系，要保證至少3架無人機處于正常，系統有4種狀態，如表4所示。

表4 無人機協同作戰系統狀態表

由表3中A、B型無人機的MTBF與MTTR可計算as1,as2，使用2.1.1節流程步驟中的計算A，可得：

A=[0.929, 0.056, 0.013, 0.002]

(12)

3.2 可信度矩陣D的計算

(13)

式中：U1,U2分別為無人機A與無人機B的可用率；

(14)

由公式(11)與公式(12)得：

(15)

3.3 能力向量C計算

為簡化計算過程，在案例中對能力向量的計算只考慮能力的有無。

1)計算量綱類性能指標

使用尺度標度法，計算SAR雷達探測能力、可見光/紅外探測能力、電子偵查能力、攻擊能力所對應的量化值Cli(i=1,2,3,4)，計算結果見表5。

2)計算概率性指標

使用2.1.3中的計算模型，確定信息接收能力、信息處理能力、信息共享能力、協同任務規劃、協同控制能力、自主決策能力、協同機動能力、電子對抗能力、飛行性能、戰術編隊、生存力Cgi(i=1,2,…,11)，如表6所示。

3)計算系統能力向量

由專家調查法確定各項能力指標的權重見表7。

計算無人機協同作戰的能力，得：

C=[c1c2c3c4]T=[0.7960.7830.7210]T

(16)

表5 無人機協同作戰量綱指標的計算

表6 無人機協同作戰概率指標的計算

表7 無人機協同作戰能力指標權重

3.4 可用性向量的計算

執結合前面的計算結果，可得在給定任務下第一種方案的無人機協同作戰效能為：

(17)

同理可計算出其他4種方案的作戰效能，計算結果如表8所示。

表8 多種無人機協同作戰配置方案下的效能值

由表8分析可得，方案4與方案5效能較低，它們只選用了一種類型的無人機。2種無人機能力各有側重，A型無人機偵查能力比B型無人機強，但是在作戰能力方面相對較弱。因此，這2種方案整體上分別在作戰和偵查方面有所不足，所計算出的無人機協同作戰效能偏低。方案1～3均選用了不同類型的無人機，整體效能有所提高，其中方案1效能最高。這表明在此次任務中，選擇1架A型無人機和3架B型無人機可以獲得最高的作戰效能。本文所提出的效能評估方法，可以在數據層面為決策者提供最合適的方案，在無人機協同作戰方面有重要的應用參考價值。

4 結論

針對無人機協同作戰效能評估問題，本文基于DoDAF體系結構模型對無人機協同作戰進行建模分析，根據作戰任務構建視圖，得到無人機協同作戰指標體系，并使用ADC模型對無人機協同作戰進行效能評估。結合案例分析，對察打一體無人機對地作戰任務下不同方案進行效能評估，仿真分析結果證明了本文提出的無人機協同作戰效能評估方法的有效性。