基于DEA的战术无人侦察机系统编配效能评估方法*

陈 亮 沈延安 叶 霖

(陆军军官学院研究生管理大队 合肥 230031)



基于DEA的战术无人侦察机系统编配效能评估方法*

陈 亮 沈延安 叶 霖

(陆军军官学院研究生管理大队 合肥 230031)

论文基于目前国内外战术无人侦察机使用情况，分析了战术无人侦察机系统的组成及编配现状，通过构建综合的编配指标体系，引入11个编配投入指标和7个效能产出指标，建立改进的基于标杆管理DEA模型，使用美军“火力侦察兵(RQ-8A)” 无人机作为同级别的行业标杆，对战术无人侦察机系统编配方案的相对有效性和实际有效性进行科学评估，得出现行装备条件下科学合理的编配方式，并查找了目前国内战术无人侦察机系统编配组成上存在的缺陷，提出了优化措施。

编配效能; 综合指标体系; 数据包络分析; 标杆管理; 无人机

Class Number E917

1 引言

在联合作战过程中，获得全面、实时的战场情报，是赢得作战胜利的重要保障。随着作战领域范围扩大，电磁环境日益复杂以及伪装干扰技术的不断提高，传统的侦察手段难以完成战役纵深侦察任务。战术无人侦察机[1～2]是陆军侦察距离较远、功能较强的高技术侦察装备，具有侦察手段多、滞空时间长、突防能力强、信息获取实时直观等特点，目前已在部队得到广泛应用。

无人机系统编配方案是一个复杂的系统性问题，其编配情况[3～4]按敌情、友情、地形、任务及自身诸条件来具体确定，并需要视战场情况适时调整。因此，如何对目前存在的多种无人机系统编配方式进行科学的效能分析和评价，提高无人机系统的侦察效率和生存能力，是目前军队亟待解决的重要课题。

传统的DEA[5]方法只能对封闭环境下同类型部门间的“相对有效性”进行评估，为克服该算法所固有的局限，本文引入标杆管理的思想对DEA算法进行改进，对无人机系统编配效能进行更合理的评估。

2 战术无人侦察机系统编配现状分析

在实际应用中，战术无人侦察机系统通常与火力打击单位进行协同，完成对地面(或水面)打击目标的侦察定位、校正射击、检查射击效果等任务，其编配等级也可根据人员及装备数量分为高级编配、中级编配和低级编配等多套编配方案。

2.1 战术无人侦察机系统组成

统观目前国内外战术无人侦察机系统，其编配组成从功能构成上讲基本相同，主要包括飞行器、航空电子、地面控制站、无线电数据链、任务设备、维修与保障等分系统。 同时，由于地球曲率影响以及无线电设备功率和传输要求等条件的制约，战术无人侦察机系统要想实现长距离任务作业、多节点信息互通，需要运用任务机(ADT)和中继机(ART)两种功能的无人机设备协同作业，共同实现在敌纵深进行侦察校射的任务。

2.2 多套编配方案并存的现状

随着作战环境的日益复杂，不同战斗条件下对于无人机系统的侦察效率、机动性能和生存能力有不同的要求，在实际应用过程中，形成了多种可操作的编配方式，主要体现在：

1) 编制单位。现存的战术无人侦察机系统编制单位主要分为高级编配(营级)、中级编配(连级)和低级编配(排级)，根据不同编配等级，其单位人员编制也从几十人到百余人以上不等。

2) 飞行器及机载任务设备编配数量。侦察方式分为任务机单机作业和任务机、中继机协同作业，各机型编配数量按照无人机系统编制级别从2架到若干架不等，机载任务设备可一机多载，在条件有限的情况下也可多机共用。

3) 指挥通信配置情况。为确保所有飞机参数状态的信号通信传输正常及指挥控制的顺畅，根据不同参战架次需求，设置不同数量的指挥控制车、机动测控车、地面数据终端、机载无线电设备等指挥通信装备。

4) 维修保障配置情况。主要包括不同数量的维修车、运输车、发射车，根据作战需求对技术战地各级准备工作提供物资及技术保障。

3 基于标杆管理的DEA模型

任何一个封闭环境下的部门之间均存在相对优劣，因此，传统的DEA算法存在明显的不足：即当所有评价部门本身的绩效并不是很好的情况下，仍可能得出DEA有效的评价结果，这显然与实际评价目的不符。本文引入标杆管理的思想，通过选取合理的编配指标体系，构建改进的基于优选标杆的DEA模型，对战术无人侦察机系统编配效能进行合理评估。

3.1 综合评价指标体系的建立

DEA方法主要研究决策单元投入产出的相对效率，评价指标选取是否合适是衡量决策单元效率是否有效的关键因素。通过对上文对战术无人侦察机系统组成的介绍，针对其系统编配情况的差异性，构建综合的效能评价指标体系[6]，为战术无人侦察机的相关使用单位合理评估编配效能、制定改进措施提供综合量化依据。

首先选取能够反映战术无人侦察机系统编配投入的五项一级指标：分别为单位编制、无人机编配数量、指挥通信装备配置和战斗保障装备配置；进而对相应的战斗效能一级指标进行表征，即侦察校射能力、飞机投送能力、指挥保障能力、地面站机动能力。并根据各类指标的需要，下设具体的二级指标，构建表1所示的综合评价指标体系。

表1 编配效能综合评估指标体系

3.2 标杆管理思想的引入

标杆管理[7](Benchmarking Management)是美国施乐公司于20世纪70年代末期倡导并推广的一种管理方法。其理论创始人R.C.坎普认为，标杆管理就是通过将产品、服务、实践与某个特定的强大竞争对手或是行业权威相持续比较的流程，以此带动流程优化，实现目标。因此针对行业内部的标杆管理，就是以单位内相同的行为、部门或结构进行比较，以确定通常情形下的最优化行为水准，即优选标杆[8]。

由于优选标杆是现实的、绝对的,因此,将标杆管理与DEA有效结合，不仅可以评估现行的多种战术无人侦察机系统编配方式的相对有效性，进而以外军顶尖水平的行业标杆作为参照进行评估，又能评价其作战编配效能的绝对有效性。体现了“相对与绝对”的辩证思想，从而弥补传统DEA方法的不足。通过综合比较，找出差距，制定改进目标,提高效能水平。

3.3 DEA方法

数据包络分析[9](Date Envelopment Analysis,DEA), 它是由著名运筹学家A.Charnes和W.W.Cooper等提出和创建的,关于运筹学、管理科学和数理经济学交叉研究的一个新的领域，旨在通过数学规划模型评价具有多个输入和多个输出的“部门”或“单位”(称为决策单元,简记为DMU)间的相对效率与效益的科学分析方法。

(1)以n个决策单元(Decision Making Units，DMU)代表现存的n种编配方案，每个DMU有m种编配指标和s种效能指标，且有xj=(x1j,x2j,…,xmj)T>0且yj=(y1j,y2j,…,ymj)T>0。

其组成结构如表2。

表2 输入、输出指标结构组成

这里，xij为DMU-i对第j种编配指标的投入量，分别代表战术无人侦察机系统中参战人员编制数量以及任务机、中继机、机载任务设备、指挥控制车、机动测控车、地面数据终端、机载无线电设备、维修车、运输车、发射车的具体数量指标；yir为DMU-i对第r种效能指标的产出量，依次代表侦察范围、总航程、总航时、飞机投送速率、最大并行通信指挥数量、装备平均维修检测速率、阵地转换速率的具体数量指标。

2) 利用编配指标和效能指标建立DEA的C2R分式规划模型，将单输出输入的有效性度量方法推广到多输出多输入的情况：

(1)

初步的C2R模型在判断DMU的相对有效性时并不直接，因此本文在非Archimedes域上引进了非Archimedes无穷小的概念，建立较为经典的具有非Archimedes无穷小量的C2R对偶输入模型：

(2)

(1)若θ<1,则DMU-jo为DEA无效；

与MCS结果相比，所提出的PPF方法可以提供近似的CDF曲线，且仅需要较少的计算时间。根据研究结果，配电网调度模型对总线电压相位角和线路有功功率的不确定性有显着影响，但对总线电压幅度和线路无功功率的不确定性影响并不大。这是由于配电网调度只处理光伏发电的有功功率变化，与总线电压相位角和线路有功功率有很强的耦合关系。结果还表明，在大多数情况下，配电网调度降低了总线电压相位角和线路有功功率的不确定性。发生这种情况是因为传统发电机的变化总是在配电网调度的基础上平衡光伏发电机的变化。

4 实例分析

4.1 相对有效性评估

基于DEA模型，选取目前战术无人侦察机系统较为典型的9种编配方式进行单位调研和信息采集，通过模拟数据，建立以下9个决策单元：按编配级别依次为低级编配(D1-D3)、中级编配(D4-D7)和高级编配(D8-D9)，根据编配效能评估指标体系，将各类编配方案的11项输入指标和7项输出指标的模拟数据列举如下：

表3 输入指标统计

表4 输出指标统计

由松弛变量S-、S+得出判别公式如下：

θ= (1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000

0.000 0.000 884.582 34.659)T

4.2 基于优选标杆的实际有效性评估

在上述相对有效性分析的基础上，通过调查、访问、网上查阅资料等方法，对国际上相同级别战术无人侦察机的最佳编制指标数据进行收集整理，并对众多编配方案进行信息综合，选取美军同样作为战术无人侦察机的“火力侦察兵(RQ-8A)[10]”及其编配方式作为优选标杆，建立考核实际有效性的标杆决策单元DMU0。

火力侦察兵(RQ-8A)是美国海军陆战队研制并装配的舰载垂直起降战术无人侦察机，主要执行侦察和引导目标精确打击的作战任务，具有配置简单、机动性强等特点，并在指挥通信结构上实现了指挥控制、机动测控、数据终端的功能一体化，其编配、效能指标分别如下：

将标杆决策单元DMU0与DMU-1至DMU-8重新组合，再次进行DEA判别，验证各决策单元编配方案是否具有实际有效性，得出如下结果：

表5 RQ-8A标杆决策单元指标数据

得出判别结果如下：

θ=(1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000)T

由结果可知，通过优选标杆的DEA实际有效性检验，除标杆单元DMU0以外，只有DMU-4、DMU-5、DMU-6、DMU-7四个编配方案仍为DEA有效，而其余编配方案DMU-1、DMU-2、DMU-3则变为弱DEA有效。说明在实际运用中，对比行业内先进的同类型无人机系统编配，排级的战术无人侦察机系统低级编配的战斗效能不高，飞机和指挥通信装备配置、战斗保障装备配置没有得到充分利用，因而实际作战情况下一般不予采取。

综上，通过对DMU-4、DMU-5、DMU-6、DMU-7四组高效能编配方式进行归纳分析，初步得出现有条件下战术无人侦察机系统最优效能编配方案的一般形式。

表6 战术无人侦察机系统最优编配形式

4.3 结果分析与改善措施

通过基于标杆管理的DEA综合有效性检验，对各决策单元的配置结构进行细致分析，可以得出如下结论：

1) 战术无人侦察机系统低级编配虽然灵活机动，但过于零散，不能发挥人员装备资源应有的效能。由于战术无人侦察机的系统组成相对固定，为了使指挥通信链路通畅，低级的战术无人侦察机系统编配同样需要整套的地面保障设施，这将会造成部分装备和人员闲置和资源浪费，不能发挥无人机装备的最大作战效能。

2) 战术无人侦察机系统高级编配的人员装备最多，侦察效能最大，但考虑战术无人侦察机系统侦察方式的特殊性，理论上3～4架战术无人侦察机即可完成对敌军全纵深侦察校射任务，继续增加飞机架次，只能增加交叉侦察区域的面积(如图1所示)，对侦察精度也没有明显提高。

图1 战术无人侦察机侦察校射示意图

3) 战术无人侦察机系统中级编配在飞机和地面站指挥通信保障设备的编配上更符合实际作战需要，不仅在我军多种战术无人侦察机系统编配方式中效率较高，也满足国际标杆水平下的实际有效性，是现行无人机装备条件下较为合适的编配方式。

4) 针对编配组成上存在的缺陷制定调整方向。目前，军用战术无人侦察机系统普遍存在不足，在指挥通信过程中各站点数量冗余、功能单一、系统依赖性强，需要增加指挥通信代替站点，并尽快完善地面站多功能一体化建设；同时，在实际战场编配时，要做好任务规划，保证飞机与保障设备的数量相适应、侦察方式与投送时机相适应。

5 结语

军用战术无人侦察机系统编配方案的不足，是制约无人机装备在战场情报收集和目标校射等方面效能提高的重要因素，通过选取综合的编配指标和效能指标，建立改进的基于标杆管理的DEA模型，对军用战术无人侦察机系统编配方案的相对有效性和实际有效性进行科学评估，总结其存在的不足，评估结果符合客观实际。进而对目前战术无人侦察机系统编配组成上存在的缺陷进行分析，提出改善措施，为科学评价作战单位编配、促进效能提升提供了一种可行的方法。

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Formation Efficiency Evaluating for Tactical UAV System Based on Benchmarking Management and DEA Methods

CHEN Liang SHEN Yan’an YE Lin

(Postgraduate Management Team, Army Officer Academy, Hefei 230031)

This paper analyzes the constitution and formation of the universal tactical unmanned aerial vehicles(UAV) system in our army according to the international circumstance of UAV. By selecting comprehensive formation indexes, which contain 11 formation indexes and 7 performance indexes, it builds up an advanced DEA model based on benchmarking management,and takes the UAV which named “RQ-8A” from the military of USA as the benchmarking unit, to analyze and evaluate the relative efficiency and practical efficiency of various formation methods of our army’s UAV system, then it provides the most rational formation method with the equipment in operation. Furthermore, it analyzes the shortcoming of the formation of our army’s UAV crew, and further summarizes some optimization measures.

formation efficiency, comprehensive indexes system, date envelopment analysis, benchmarking management, unmanned aerial vehicle

2016年5月10日,

2016年6月24日

陈亮，男，硕士研究生，研究方向：装备管理工程。

E917

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.11.019