基于AHP-FCEM的空射无人机集群作战能力分析

莫宇婧，郝齐，张京亮，张翼

陆军航空兵学院

直升机空射无人机集群作为未来集群作战发展的新方向之一，在提高直升机战场生存力、增强有人机/无人机协同作战能力等方面具有一定优势。本文运用层次分析法对基于直升机的空射无人机集群主要作战能力进行分析比对，确定各项能力综合指标权重，并根据重要程度对其中各因素进行排序，而后利用模糊综合评价法对三种集群无人机机型待选方案进行评价分析，结合上述指标权重得出各方案最终评估值，由此选择出更满足当前任务需求、适合现有技术水平的无人机适配机型，为未来研究工作奠定理论基础。

无人机集群以其多功能、低成本及快速部署等突出优势，以及可替代并拓展传统大型多功能平台的能力优势，获得各国军方的广泛关注与高度重视，世界各国针对集群的相关理论及技术，相继开展了一系列研究与试验。当前，无人机集群的投射大多基于固定翼平台或地基平台，且空中投射技术成熟度仍较低，主要表现在：一是场地选择及投射距离受限；二是实施高效、远程指挥控制技术难度较大；三是集群与载机飞行速度匹配困难，无法实现贴近作战。

当前，基于直升机平台的空射无人机集群（下称空射集群）研究尚未有更多成果见报。针对集群使用现状，采用直升机作为空基发射平台，空射集群在扩展作战半径、提升作战机动性、提高战场生存力、增强有人/无人协同作战能力等方面具有一定优势，将有可能成为未来集群作战发展的新方向。

图1 空射无人机集群在提高直升机战场生存力、增强有人机/无人机协同作战等方面具有优势。

装备的作战能力分析是衡量装备是否满足相应作战任务需求的重要环节。空中投射集群作战形式是世界各国在信息化作战背景下发展无人机力量的重要趋势，为更好地研究空射集群作战效能，充分发挥其作战优势，形成“1+1＞2”的聚力效应。本文运用层次分析法（Analytic Hierarchy Process,AHP）和模糊综合评价法（F u z z y Comprehensive Evaluation Method,FCEM）对基于直升机平台的空射无人机集群作战能力进行分析，遴选出空射集群机型最优适配方案，是提升我国无人机力量建设实力，促进未来空射集群发展及其作战效能发挥的现实需求。

空射集群作战能力模型构建

在直升机/空射无人机集群协同作战体系中，空射集群为直升机提供掩护和拓展作战任务，使直升机在高效完成任务的同时，降低人员装备风险；空射集群以直升机为载机及发射平台，在拓展作战范围的同时，将遂行协同侦察、协同电子对抗、协同火力打击等更加多元化的任务。因此，建立空射集群作战能力指标体系，主要以其作战任务为依据，结合空射集群作战使用方式，最终综合运用归类、分解等方法对各指标间的关联关系进行分析得出结果。在分析空射集群作战能力的全过程中，单架集群无人机的作战能力对直升机的影响是主要因素。

图2 美国陆军测试“黑鹰”直升机空射“阿尔提乌斯”-600 无人机。

作战能力体系构建

通常，装备执行一项任务需由多个不同的作战能力作为支撑，且不同任务对同一作战能力的需求也不相同。根据上述遂行任务，可映射出空射集群的主要作战能力为：飞行能力、空射能力和任务能力。对其进一步划分，可细化为续航时间、实用升限、投射方式、空机重量、任务载荷能力及作战半径六个指标，如图3所示。

图3 基于直升机的空射集群作战能力体系。

作战能力相关概念

根据上述空射集群作战能力体系，下面对各项组成因素进行详细阐述。

（1）飞行能力

飞行能力是指空射集群中单机恢复气动性能并飞抵至目标区域执行任务的过程中，涉及的相关飞行性能是无人机执行一切任务行动的先决条件之一，主要由续航时间和实用升限两个指标组成。

1）续航时间

续航时间是指空射集群保持连续正常飞行的能力，是衡量其飞行能力的重要指标之一。当前，技术水平在制约无人机续航时间的提升，且集群中单机性能较弱。空射集群作战半径主要由续航时间决定，续航时间长的空射集群可充分利用留空时间，在合理消耗能源的情况下稳定飞行，同时扩展作战半径，发挥最大优势实现远程作战和可部署性。

2）实用升限

实用升限是指空射集群维持巡航飞行的最大飞行高度，是决定无人机技战术性能的基础。拥有较高升限的空射集群可适应更复杂的地理环境，借助直升机机动飞行的高度，在降低威胁的同时快速突破敌防空体系，深入核心区域作战。

（2）空射能力

空射能力是指直升机在空中发射无人机集群所涉及的相关能力，是空射集群使用的核心功能。拥有较高空射能力的无人机集群，能够突破现有集群和直升机的任务能力限制，主要由投射方式和最大起飞重量两个指标组成。

1）投射方式

投射方式是影响空射集群全面提升作战效能的重要指标之一，是空射能力的核心。目前，大多数无人机的空中投射方式主要为抛洒投射、武器挂架投射、管式发射等方式。选择不同的投射方式，在投射速度、高度及技术难度方面的要求各不相同、各有利弊，如抛洒投射及管式发射的成本和技术难度较低，武器挂架投射成本较高且一次性投射数量较少。因此，在选择投射方式时应结合直升机载机的情况进行具体衡量。

2）最大起飞重量

最大起飞重量是指集群中单体无人机的重量，是影响无人机集群空射能力的重要因素，决定了集群执行任务的能力。提前明确最大起飞重量可进一步根据直升机的载重情况及其它因素确定投射方式，计算出相应的投射高度、速度等相关数据，并依据执行任务的具体情况，合理安排搭载集群无人机的数量及携带的任务载荷类型，形成功能搭配。

（3）任务能力

任务能力是指空射集群在遂行协同侦察、协同电子对抗、协同火力打击等多样化任务时，搭载不同类型任务载荷完成作战任务的能力，是决定任务行动是否完成的关键，主要由任务载荷重量和作战半径两个指标组成。

1）任务载荷重量

任务载荷重量是指空射集群为完成特定任务携带相应任务载荷的重量，任务载荷类型、数量越多，空射集群的任务能力就越强。因此，根据未来遂行任务，空射集群任务能力可为我后方人员提供相对可靠的支援保障：一是搭载多元化侦察设备对敌进行全方位、多层次的侦察，为我方提供情报支撑；二是搭载电子对抗任务载荷，对敌威胁源进行持续稳定的干扰压制，为我方力量开辟安全走廊；三是为单机加装战斗部，对相应重点目标实施精准打击，吸引敌防空火力，提升打击效能。

2）作战半径

作战半径是指空射集群遂行作战任务时，在同一地点能够往返飞行的最远距离，集群作战范围的大小，是重要的技战术性能指标之一。同时，在直升机与空射集群之间建立链路，确保集群的作战半径在通信链路有效距离之内，使集群与直升机之间、集群与集群之间进行通畅高效的信息交互、融合及处理，实现协同作战。

基于AHP的空射集群作战能力分析

层次分析法是美国运筹学家托马斯·L·塞蒂（T.L.Saaty）教授在上世纪70年代提出的一种系统分析方法。该方法适用于解决结构数据复杂的决策问题，通常分为以下几个步骤。

（1）建立递阶层次结构

针对现有问题，将其分解为多个不同因素，按属性及各因素间的相互隶属关系将整体划分为不同层次，最终形成递阶层次结构。

（2）构造判断矩阵

按照划分，将各层次的组成因素进行两两相比，并使用1-9标度法作为各因素相对重要程度的值，得到判断矩阵A=(aij)n×n，其中n为组成因素的个数。对各判断矩阵求解，最终得到权重向量，公式如下。

（3）一致性检验

计算各矩阵的最大特征值λmax，得到一致性指标CI，并根据随机一致性指标RI进行一致性检验，公式如下。

（4）计算综合权重

针对各层权重向量算出各个因素的综合权重，并根据重要程度进行排序。

递阶层次结构建立

根据上述步骤，通过梳理空射集群的作战能力，可将其划分为目标层、准则层和指标层三个层次。其中，目标层为空射集群的作战能力，记为A；准则层记为B，包括飞行能力B1、空射能力B2和任务能力B3；指标层记为C，包括续航时间C1、实用升限C2、投射方式C3、最大起飞重量C4、任务载荷重量C5和作战半径C6。空射集群作战能力递阶层次结构如图4所示。

图4 空射无人机集群作战能力递阶层次结构图。

判断矩阵构造

根据上述递阶层次结构，引入1-9的比例标度进行表述。设需要两两比较的元素有n个，可通过对比隶属于同层中某个因素的第i个元素和第j个元素相互间的重要程度，得到判断矩阵。另外，若有，则存在，1-9标度法对应值如表1所示。

表1 1-9 标度法对应表。

因此，根据相关专业人员对目标层、准则层及指标层的评估，分别对各层构造判断矩阵，根据公式(1)至公式(6)依次求出各项因素权重及最大特征值，并进行一致性检验，详见表2至表6。

表2 判断矩阵A-B 与一致性检验。

表6 判断矩阵随机一致性指标值RI。

表3 判断矩阵B1-C 与一致性检验。

表4 判断矩阵B2-C 与一致性检验。

表5 判断矩阵B3-C 与一致性检验。

综合权重计算

由上述计算结果可得各因素综合权重，即基于直升机平台的空射无人机集群作战能力A-C层综合权重矩阵W=(0.10 5,0.035,0.241,0.049,0.428,0.142)。对上述各因素进行排序，则准则层为任务能力＞空射能力＞飞行能力，指标层为任务载荷重量＞投射方式＞作战半径＞续航时间＞最大起飞重量＞实用升限，如表7所示。

表7 各因素综合权重。

基于FCEM的机型备选方案分析

模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评价方法，通常用于对一些不容易定量分析的数据进行定量化评价，再根据指标权重对待选方案实施综合评判，并基于评判所得结果进行排序，最终遴选出最优方案。

在机载集群中，直升机作为载机至少需一次性搭载10～15架折叠式无人机。根据空射集群作战能力重要程度排序，现有三种无人机机型方案可选。在6名业内专家建议下，采用FCEM方法建立空射集群模糊评价数学模型，由以下要素构成。

（1）评价对象因素集

（2）评判因素集

（3）单因素评价矩阵

机型备选方案及调查结果如表8至表11所示。

表8 集群无人机机型备选方案。

表11 集群无人机机型备选方案三评价表。

根据因素权重集W，结合专家打分所得因素评价矩阵R对三种方案进行综合评价计算，可得模糊综合评价结果B=W·R，则：

同理，可得B2=(0.34,0.58,0.80,0),B3=(0.41,0.33,0.22,0.04)，根据权重分数赋值对最终评价结果进行加权计算，得出各方案最终评估值，即：

本文利用AHP-FCEM法初步对基于直升机的空射集群作战能力进行模型构建及分析评估，在三种无人机待选方案中，最终选择以管式发射、最大起飞重量为25kg的小型无人机作为适配机型。采用该空射无人机集群方案，一方面集群本身具有更为优良的综合作战能力，能较好满足当前任务需求；另一方面，机型方案所采用的关键技术也更适合现有技术的发展，效费比较高。同时，现有分析过程仍存在部分考虑不够深入的问题，在后续研究中，将进一步改进作战能力选取覆盖范围，完善专家打分方法，深入考虑不同专家的权威性和专家权重的分配，采取更为科学的方法对上述问题开展进一步分析验证，从而为后续装备发展提供更为有效的建议和指导。

表9 集群无人机机型备选方案一评价表

表10 集群无人机机型备选方案二评价表。