基于AHP—熵权法和云模型的航拍无人机风险评价研究

摘 要：航拍无人机在运行中存在诸多不安全因素，为合理评估航拍无人机的运行风险，归纳构建出了航拍无人机运行风险综合评价指标体系，提出了一种基于AHP—熵权法和云模型的综合评价方法，采用了主客观相结合的综合风险评价模型，同时充分发挥了云模型在反映模糊性和不确定性等方面的优势，并采用黄金分割法建立了风险评语集，利用MATLAB得到了综合风险评价云图，实现了对航拍无人机运行风险的综合评价。最后，对DJI大疆创新公司的航拍无人机进行风险评估，结果表明该航拍无人机运行风险处于好的等级，与航拍无人机运行的实际情况相符，具有一定的适用性，可以为航拍无人机安全运行提供理论参考。

关键词：云模型;AHP—熵权法;风险评价

中图分类号：V279.2 文献标识码：A

无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机[1]。其中，航拍无人机以其独特的优势被广泛应用于摄影领域，逐渐成为摄影爱好者所必需的设备之一。随着无人机市场的逐渐扩大，无人机销量也不断提升，2020年我国无人机产品销售额达到360亿元，到2025年无人机产品销售额将会比2020年多一倍。虽然无人机市场发展迅猛，但由于无人机具有易发生失控、应变能力较低等特点，加上对于无人机的安全运行等方面我国还未建立比较系统的法律法规，这导致了大量违规飞行现象的发生。因此，对无人机运行风险评价研究是保证无人机安全运行的前提条件。

目前，众多学者借鉴国内外的研究成果，对无人机运行风险评价进行了深层次的研究。其中，杨林超通过对无人机运行风险评价方法的研究，分析了各个评价方法的优缺点[2]。Roland E.Weibel等利用数学模型对无人机运行风险进行了定量的研究，并确定了风险评价指标体系，制定了较为详细的无人机安全目标[3]。魏法杰等将层次分析法和专家评分法相结合，对无人机运行的安全水平进行评价[4]。高宇等通过计算最低安全评价指数，将层次分析法和灰色关联度相结合，利用整体评价与内部分析相结合的方法对无人机运行进行风险评价[5]。从现有的研究成果中发现，大多数学者的研究只停留在定性或定量方面的研究，所使用的研究方法不具备创新性。为此，本文结合国内外文献，构建出航拍无人机评价指标体系，采用AHP—熵权法确定指标综合权重，并利用云模型对指标进行综合评价，并以云图的形式将评价结果表现出来，最后对大疆创新公司的航拍无人机进行个案研究，客观的评价了航拍无人机运行风险。

一、航拍无人机评价指标的确立

笔者通过参考相关文献，咨询该领域相关专家的建议以及结合航拍无人机自身的运行特点，归纳构建出如表1所示的航拍无人机运行风险评价指标体系，本文以3个一级指标和12个二级指标作为航拍无人机的评价体系。

（一）AHP-熵值法计算组合权重

层次分析法是一种主观评定方法，主要依靠专家的经验丰富程度来进行评定，易受专家的主观偏好影响，而熵权法是一种客观评定方法，易受初始数据的影响，如果初始数据存在一定的误差，那么直接会影响最终评价结果的准确性。因此，AHP—熵权法弥补了单一评价方法的不足，提高了评价结果的精确性。

1.层次分析法（AHP）

层次分析法的主要步骤为：①构造判断矩阵②对判断矩阵进行归一化处理③计算指标权重并进行一致性检验。

2.熵权法确定权重

熵权法的主要步骤为：①构建原始评价矩阵②第i个指标下第j个项目的指标值比重③计算评价指标的熵值④计算第i个指标的熵权。由于层次分析法和熵权法比较常用，鉴于此，本文不在对层次分析法和熵权法进行详细的介绍。

3.AHP—熵权法组合权重计算

（二）云模型理论基础

云模型是李德毅院士根据概率论和模糊数学理论首先提出来的，他是通过特定的结构算法来实现定性概念与其定量数值表示之间转换的一种数学模型，它不仅能够反映随机性和模糊性之间的相关性，而且能够反映自然语言表达的不确定性，从而形成定量和定性的互相映射[6]。

云的定义

设U是定量论域，C是U上的定性概念，若定量值x∈U，且x是定性概念，C的一次随机实现，x对C的隶属度μ（x）∈（0，1]，是具有稳定倾向的随机数U[7]，即：

则x在 U上的分布称为云，每个x称为一个云滴，多个云滴反映定性概念的整体特征。

指标体系评语集的建立

首先将云模型与航拍无人机风险特征相结合，确定各个指标评语，形成评语集V={v1，v2，v3，v4，v5}，将评语集划分为{很差，差，一般，好，很好}五个等级，并利用黄金分割法对航拍无人机风险评语集进行分区[8]，相邻评语等级的云模型参数之间的倍数为0.618，我们以论域[0，1]的中心点0.5为中间评语等级，其云模型参数为Ex3=0.5，He3=0.005。

3.云的数字特征

云模型所要表达的概念可以用云的数字特征来反映。其中，用云期望Ex，熵En，超熵He共3个数字特征来表示，记为C（Ex，En，He）。

4.隶属云发生器

（1）正向云发生器可完成定性转化到定量。

步骤1：生成以为期望值，为标准差的一个正态随机数;

步骤2：生成以为期望值，为标准差的一个正态随机数;

步骤3：令表示定性概念的一次具体量化值，成为一个云滴;

步骤4：计算

步骤5：重复以上四个步骤，直至生成n个云滴为止。

（2）逆向云发生器可完成定量转化到定性。

5.綜合云计算

（1）一级评价指标云模型的确定

为确定无人机运行风险二级评价指标下的12个风险评价指标的云数字特征和综合指标权重，应用公式（7）得出无人机运行风险一级指标云数字特征。

式中，为各一级指标的数字特征。

（2）综合评价指标云模型的确定

由于各一级指标之间具有相互关联性，因此根据一级指标云数字特征，并利用公式（8）得出综合云模型。

式中，（Ex，En，He）为综合评价指标云模型的数字特征。

二、实证案例

（一）研究对象介绍

DJI大疆创新公司于2006年成立，是全球领先的民用无人机制造商之一，其所生产的无人机数量和种类都位居全球前列。近年来，随着人们生活质量的提高，越来越多人开始接触航拍无人机，航拍无人机已经逐渐融入到人们的生活当中。其中，DJI大疆创新公司无人机作为无人机行业的领头羊，其所研发的航拍无人机更具有代表性，随着国家法律法规的健全，无人机运行的安全性已经成为人们所必须考虑的因素之一。

航拍无人机运行的安全性在一定程度上影响着产品的销量。为了从整体上了解航拍无人机运行风险的状况，本文从人员、设备、环境等方面综合评估了航拍无人机运行风险，并根据上述所构建的层次分析-熵权法的模型，依据航拍无人机现状，对航拍无人机进行了具体评价分析。

（二）指标云模型及评价云图

由于本文所选的评价指标专业性比较强，所以采取了专家投票的形式对所选指标进行评价，专家由航拍无人机设计者、航拍无人机商家、专业无人机航拍者等组成的20名专家组成，根据专家打分结果，结合AHP—熵权法的相关公式，利用逆向云发生器计算出二级指标云模型的数字特征和指标权重，从而确定无人机一级指标的云模型，其结果如表3所示。

（三）结果分析

根据一级指标云模型的数字特征，利用公式（8）计算出航拍无人机综合评价云数字特征值：Ex=0.7534，En=0.0675，He=0.0137利用MATLAB进行正向云发生器运算，得到DJI大疆创新公司航拍无人机运行风险水平云，并将其与风险评语集云图进行比较，结果如下：

其中，红色曲线代表综合风险评价，绿色曲线代表人员因素，蓝色曲线代表设备因素，黄色曲线代表环境因素。由图1可知，云滴主要分布在0.70到0.85之间，并主要集中在0.75附近。根据上述所规定的评价准则，DJI大疆创新公司拍无人机整体风险评价等级为“好”，表明该无人机整体风险水平较低，并不会对无人机实际运行造成较强的干扰，处于可控范围内。其中，熵值En较小，表明该航拍无人机评价结果可靠性较高，超熵He较小，表明该航拍无人机风险水平稳定性较好。

通过对图1中各风险评价指标云图对比分析，可以清楚的看出DJI大疆创新公司航拍无人机三大运行风险评价指标大小如下：

（1）从期望值Ex角度来分析，该航拍无人机三个一级评价指标风险评价等级大小排序为：环境因素u3>设备因素u2>人员因素u1，这表明人员因素风险评价等级相对较差，需重点关注。

（2）从熵值En角度来分析，该航拍无人机三个一级评价指标风险评价值跨度排序为：人员因素u1>设备因素u2>环境因素u3，这表明人员因素风险评价值跨度相对较大，不确定性较大。

（3）从超熵He角度来分析，该航拍无人机三个一级评价指标云的厚度排序为：人员因素u1>环境因素u3>设备因素u2，这表明人员因素风险水平的稳定性相对较差，需要持续关注。

从整体上看，熵值En较小，表明该航拍无人机的评价结果可靠性较高，超熵值He较小，表明该航拍无人机风险水平稳定性较好，评价云图的云滴较为集中，评价较为准确。

三、结语与建议

人员因素、设备因素、环境因素是航拍无人机安全运行的主要风险源，提高这三个因素的抗风险能力是保证无人机安全运行的主要途径。虽然有些风险评价等级较高，但也会诱发不安全事件的发生。根据系统工程学的相关理念，航拍无人机不安全事件的发生是各种因素相互作用的结果，并不能归结于某一种因素。为提高航拍无人机运行安全，本文综合考虑各种因素，提出以下建议供参考：

（1）对于人员方面，提高无人机操作者的技能培训是十分有必要的。对于飞行高度接近或超过民用航空的无人机操作者，由无人机协会或交通部门制定考核标准，并组织相应的考试，对专业性强，操作要求高的无人机操作员实行持证飞行，如果发现持证者有违规行为可以扣留或者吊销其资格证。

（2）对于设备方面，通过优化民用无人机的操作系统，限制住其任性自由的羽翼，防止民用无人机的越界飞行。通过设置安全模式，对无人机飞行高度加以限制，在操作不当的情况下，无人机也不会迅速从空中坠落，而是根据系统指示缓慢降落，大幅度降低不安全事件的发生。同时，要定期对民用无人机进行体检，养成起飞前检查，落地后保养的习惯，确保设备能够安全运行，从而避免不安全事件的发生。

（3）对于环境方面，国家要加大对空域的管控力度，划分好可飞行区域，对于禁飞区域做好标识，确保操作者能够及时察觉。同时，公安机关应当建立管控民用无人机的专门执法力量，培养执法人员掌握多种无人机迫降方式，大力打击“黑飞”行为，并对违规飞行给予相应的治安处罚。

参考文献

[1]卢俊文，王倩营.无人机演变与发展研究综述[J].飞航导弹，2017（11）：45-46.

[2]杨林超.无人机飞行安全风险评价研究[J].科技风，2018（20）：20-22.

[3]AIAA.Safety Considerations for Operation of Different Classes of UAVs in the NAS[J].Aiaa，2004.

[4]魏法杰，卢珊，张羽.某实际型号无人机试飞风险评估案例[J].中国管理科学，2014，22（S1）：204-210.

[5]高宇，孙克红，郭立超，等.航测无人机作业安全评价[J].测绘科学，2018，43（02）：135-138.

[6]吴贤国，张文静，张立茂，等.相依性条件下滨海软土隧道盾构施工渗漏水风险评价[J].铁道标准设计，2019，63（01）：103-106.

[7]李德毅，孟海军，史雪梅.隶属云和隶属云发生器[J].计算机研究和发展，1995，32（6）：21-23.

[8]李琪，徐裕生，张志杰.黄金分割法在水处理实验中的應用[J].中国农村水利水电，1999（12）：13-15.

作者简介：

张绍磊（1997-），男，汉族，河南焦作人，福建师范大学经济学院，管理科学与工程专业，硕士生在读，主要研究方向：物流与供应链管理。