排爆机器人综合效能模糊评估

王宇凡，郭三学

（武警工程大学装备工程学院，西安 710086）

排爆机器人综合效能模糊评估

王宇凡，郭三学

（武警工程大学装备工程学院，西安 710086）

为综合评估排爆机器人的装备效能，通过对排爆机器人作战环境和作战任务的系统分析，建立了以排爆能力为主体的综合评估指标体系。采用层次分析法确定各因素的权重，运用模糊综合评价的方法对指标的隶属度进行了计算，并通过算例验证该模型的具体应用过程。该方法对排爆机器人的应用提供了有效的评估手段。

排爆机器人，效能评估，模糊评价，层次分析法

0 引言

排爆机器人是处置或销毁爆炸可疑物的专用器材，它在国内外反恐处突活动中有着广泛的应用。目前，为了应对日趋严峻的反恐形势和反恐斗争，各国都集中了尖端技术对其进行研究，也开发了多款不同的产品，如美国在伊拉克战争中广泛使用的Andros系列机器人，英国的Defender系列，国内京金吾公司开发的JW系列等。武警部队作为国内反恐维稳的主要力量，也在研发适应国内反恐的排爆机器人WJ-2012。反恐排爆装备正处在一个关键的发展时期，如何准确评估排爆机器人的综合效能对部队排爆装备研发、应用有着重要意义。

本文在建立排爆机器人效能评估指标体系的基础上，通过模糊理论，将定性分析与定量指标结合起来，采用层次分析法，对三款不同的排爆机器人的排爆效能进行综合比较。该方法简化了计算过程，得出了有效的效能评估结果，为相关装备的研发工作提供了理论依据。

1 效能评价指标体系的构建

排爆机器人是一种涉及机械、通信、自动控制、人工智能、定位导航、计算机等多种学科与技术的新型装备。其功能构成由若干个功能模块来进行支撑，这些模块的性能决定了排爆机器人的综合性能，即运用功能模块的性能指标可以对机器人的综合性能进行评价［2-4］。

为了评价排爆机器人的综合性能，需要充分考虑排爆机器人的作战任务与作战环境。排爆机器人主要作战环境为城区、建筑物内、交通工具等人群密集的公共场所，其主要任务是代替排爆人员搬运、转移爆炸可疑物品及其他有害危险品。完成任务所需要的主要能力为能够快速到达目标所在区域的机动能力和转移爆炸物所需的转移能力。基于以上要求和武警部队任务的特点，本文从机动性、转移能力、应用性3个方面建立非致命效应综合评价指标体系。如图1所示。

1.1 机动性指标

排爆机器人的机动性是指机器人从一个位置运动到另一个位置的能力，可用快速性、通过性和灵活性等指标来衡量，其中平均速度是定量指标，通过性和灵活性都是综合性指标，评价时需要进行综合考虑：

（1）平均速度U11:排爆机器人在规定的各种环境和路面上的平均行驶速度，决定了机器人搬运任务目标、抵达目标地域的能力，是机动性指标的重要组成要素。

（2）通过性U12:排爆机器人通过复杂地貌的能力，是排爆机器人执行排爆任务的关键，包括爬坡能力、越障能力和体积等因素，是机动性指标的核心要素。国内建筑物中，楼梯坡度一般在20°～45°之间，楼梯台阶高度通常为65 mm～150 mm，爬坡、越障能力应以此相关环境参数作为参考。根据GB/T13059-91《客车乘客座椅尺寸规格》规定，客车座椅距车厢地面高约400 mm～450 mm，车厢过道宽约3.5 m。小型客机货仓截面尺寸根据型号不同由91×114 cm2至120×190 cm2（宽高）不等。

（3）灵活性U13:机器人加速、转向、制动的能力，是排爆机器人在狭小复杂环境下顺利完成工作的重要保证，能方便控制进退、转向角度大的应给予高评价。

1.2 转移能力指标

排爆机器人实现转移爆炸物功能的主要作战模块为排爆机械手，因此，可用机械手的自由度、长度和抓持力对机器人的转移能力进行评价，此三项指标为排爆机器人排爆效能的核心指标，也是各类型排爆机器人的重要参数，为定量指标。

（1）机械臂自由度U21：即机械臂可以活动的关节数和关节活动幅度，自由度越大，机械臂运动越灵活，评价越高。

（2）机械臂长度U22：排爆机器人的重要性能参数，机械臂的长度直接关系到某些特殊位置的爆炸物是否可以转移，如车底、货仓等，因此，该值越大越好。

（3）抓持力U23：排爆机器人转移爆炸物的根本保障，决定了机器人所能转移的任务目标，此值越大越好。

1.3 应用性指标

机器人在实战中，应操作方便，防护性强，性价比优越，所以本文从使用性、经济性和防护性能3方面因素对应用性指标进行评价。

（1）使用性U31：排爆机器人是否便于携带、操作的难易程度，操作简便，易于携带则应给予高评价。

（2）经济性U32：体现排爆机器人的价格因素，由专家根据排爆机器人的市面报价给予评价，价格低廉的评价高。

（3）防护性能U33：即排爆机器人防护各类爆炸物爆炸的能力，此项因素直接关系到机器人的排爆效能，防护性能越好，评价越高。

2 效能评估

根据模糊综合评价法和效能评价指标体系［5-8］，本文选取目前国际上运用最广泛的Andros F6A、国家科技部“863”计划的新锐产品JW-902和武警部队正在研发中的WJ-2012作为评估对象。

2.1 设定评语集

将评语集定为V={V1，V2，V3，V4，V5}={很好，较好，一般，较差，差}。采用百分制打分，评语所对应分数区间为：很好［90，100］；较好［70，90）；一般［40，70）；较差［20，40）；差［0，20）。隶属区间与区间分值之间的对应关系为：

2.2 确定指标权重集

因为排爆机器人效能指标的复杂性，使得部分权重无法直接通过定量比较获得。本文采用层次分析法确定权重，采用1～9标度法，通过专家论证，将两两指标之间互相比较构成判断矩阵。

层次分析法常用的近似计算方法有方根法、和法和最小二乘法等，本文采用较为简便的和法，计算建立的判断矩阵A的最大特征根及所对应的特征向量Wi，步骤如下：

（1）将矩阵的每一列向量归一化：

（2）对Wij按行求和并归一化：

计算结果如表2所示。

2.3 指标的无量纲化和评价矩阵的构建

在排爆机器人的效能评估过程中，由于各项指标量纲不同，机器人性能参数也没有一致的规范，需要进行无量纲化和归一化。本文利用模糊数学中的隶属度来解决该问题。

对于某个定性指标uij，假设有n个专家参照评判等级打分，如果有l位专家给其评为某等级vk则它对的隶属度为：rij，k=l/n。

对于定量化指标，本文引入计算方便的梯形模糊数，根据其具体变化方式，采用不同的隶属函数图形，例如，图2是越大越好型隶属函数图形，其隶属函数式为式（4）～式（6）［9］。

以抓持力指标U23为例，由专家给出隶属度参数 为 a1=3，b1=5，a2=8，b2=10，a3=12，b3=16，a4=18，b4=22，Andros F6A该项指标值为25 kg，其对应模糊向量为（1，0，0，0，0），JW-902（0，0.75，0.25，0，0），WJ-2012（0.5，0.5，0，0，0）。

同理，不同类型的隶属度可以通过改变评判等级位置和参数ai，bi得到，参数由专家组根据经验给出。

2.4 对各级依次进行评价，得到评估结果向量

将上述结果进行统计，建立判断矩阵Ri=（rij）m×n，得出Andros F6A各准则层指标Ui对应的判断矩阵如下：

Andros F6A目标层指标U的判断向量为：

同理可得，JW-902、WJ-2012的判断向量分别为：

2.5 引入分数集，确定评估等级

通过引入评语集，将上一步得出的结果转化为百分制分数，通过公式

得到3款机器人的评估结果分别为：Z1=88.05，Z2=82.25，Z3=86.50。将得出的结果按从大到小的顺序进行排列，容易看出Z1>Z3>Z2，即3款机器人中Andros F6A的排爆效能最好，WJ-2012的次之。说明了WJ-2012在排爆综合性能方面与国外先进产品相比还有差距，在产品设计中应进一步加强转移能力。

3 结束语

本文建立了以抓持能力为核心指标的效能体系，采用层次分析法，对排爆机器人的效能进行了评估；对国内外共3种机器人的排爆效能进行了综合评估，肯定了在研WJ-2012型排爆机器人的排爆性能；证明了该方法在类同的排爆机器人领域有很强的实用性；得出的结果贴近实际情况。

［1］张杰，唐宏，苏凯.效能评估方法研究［M］.北京:国防工业出版社，2009.

［2］苏治宝，王宏明，杨甜甜，等.地面无人作战平台性能评价指标体系［J］.火力与指挥控制，2012，37（3）:154-157.

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［5］程浚，陈岗，周继权.基于模糊层次分析法的侦察方案效能评估［J］.指挥信息系统与技术，2013，4（4）:47-59.

［6］毕文豪，张安，王安丽.基于模糊综合评价的光电对抗装备效能评估［J］.火力与指挥控制，2013，38（4）:60-63.

［7］张庆新，冯盼学，柳波.模糊层次分析法在开挖爆破影响因素分析及方案优选中的应用［J］.工程爆破，2012，18（2）:50-53.

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［9］谢季坚.模糊数学［M］.武汉:华中科技大学出版社，2006.

Fuzzy Efficiency Evaluation of Synthetic Effect of Explosive Ordnance Disposal Robot

WANG Yu-fan1，GUO San-xue2
（School of Equipment Engineering，Engineering University of CAPF，Xi’an 710086，China）

In order to evaluate the efficacy of explosive ordnance disposal robot，according to the mission and surrounding，the evaluation index system base on disposal ability are established．Method of evaluation is inquired，by using of AHP to confirm the power of every possible element，a fuzzy Synthetic evaluation to differentiate the subjection degree of quantification indexes and quality indexes．The models application process is demonstrated through an example．The method can provide a reliable way to evaluate the efficacy of other weapon systems.

explosive ordnance disposal robot，efficiency evaluation，fuzzy evaluation，analytic hierarchy

TJ630

A

1002-0640（2015）10-0143-04

2014-07-05

2014-09-28

王宇凡（1993- ），男，广东陆丰人，硕士。研究方向：非致命武器。