摘 要:在層次分析法的基礎(chǔ)上，運用模糊理論對通信和指揮控制系統(tǒng)效能指標(biāo)進行了定性和定量分析，提出了一套完整的效能評估方法，該方法能夠在作戰(zhàn)中為指揮員決策提供依據(jù)，起到優(yōu)化通信與指揮控制資源的作用。

關(guān)鍵詞:通信與指揮控制系統(tǒng); 效能評估; 層次分析法; 模糊理論

中圖分類號:TN926.4 文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)11-0044-03

Effectiveness Evaluation of Communication and Command Control

System Based on Fuzzy Theory

QI Tao， YANG Hao， XU Yuan， ZHANG Yun-fei

(Chongqing Communication College， Chongqing 400035， China)

Abstract:The qualitative and quantitative analysis for the effectiveness index of communication and command control systems were performed with the fuzzy theory based on AHP. A complete range of effectiveness evaluation method is advanced， which can provide the basis for the commanders，decision in the war and optimize the resource of communication and command control.

Keywords: communication and command control system; effectiveness evaluation; AHP; fuzzy theory

0 引 言

通信與指揮控制系統(tǒng)是由通信系統(tǒng)、指揮自動化系統(tǒng)、預(yù)警探測系統(tǒng)、情報偵察系統(tǒng)、后勤保障系統(tǒng)等組成的一個復(fù)雜系統(tǒng)\\。近年來，隨著信息技術(shù)的進步，其飛速發(fā)展，呈現(xiàn)出性能日益先進，功能逐步強大的趨勢，極大地提高了軍事通信與指揮保障能力。如何對其系統(tǒng)效能進行科學(xué)評估，以優(yōu)化系統(tǒng)資源，提高系統(tǒng)效能已成為廣大通信和網(wǎng)絡(luò)研究人員面臨的一個難題。

系統(tǒng)效能是預(yù)期一個系統(tǒng)能滿足一組特定任務(wù)要求程度的度量，是系統(tǒng)的有效性、可靠性以及能力的函數(shù)，是在規(guī)定的條件下達到規(guī)定的使用目標(biāo)的能力\\。系統(tǒng)完成特定使命的能力是通過系統(tǒng)的一系列功能來實現(xiàn)的，而這一系列功能是通過大量的性能、指標(biāo)來保證的，這些功能、性能、指標(biāo)按一定的層次機構(gòu)與關(guān)聯(lián)關(guān)系有機匯集，構(gòu)成了系統(tǒng)完成特殊使命任務(wù)的評估方法。通信與指揮控制系統(tǒng)由多個功能不同的子系統(tǒng)構(gòu)成，這些子系統(tǒng)的每種能力涉及很多因素，各個能力之間又可能相關(guān)，因此只有建立科學(xué)、客觀的關(guān)系模型和合理的評估指標(biāo)和流程，才能客觀地評價該系統(tǒng)的綜合效能。

1 效能評估的過程

鑒于通信與指揮控制系統(tǒng)本身客體組成的復(fù)雜性及其作戰(zhàn)運用中的諸多主觀因素和不確定性，對照目前多種系統(tǒng)效能評價方法的特點，本文引入層次分析法和模糊理論進行綜合評估。

1.1 層次分析法

層次分析法(AHP)的基本思想是把待評價的事物按層次分析關(guān)系逐層分解成多個層次，每個層次有多個元素組成，構(gòu)成一個有序的遞階層次結(jié)構(gòu)的元素集\\。根據(jù)專家意見，對同一層次并屬于同一個準(zhǔn)則層的所有元素兩兩相互比較其重要性，再構(gòu)造出判斷矩陣，計算每一元素對上一層次各元素以及對總體目標(biāo)的影響和貢獻，求得與遞階層次結(jié)構(gòu)相應(yīng)的權(quán)重集，作為方案選擇和決策的參考依據(jù)。

層次分析法的優(yōu)點是直觀性和簡潔性，既有比較嚴(yán)格的數(shù)學(xué)原理和處理手段，又有比較簡單的外在表現(xiàn)形式，能夠體現(xiàn)經(jīng)驗與理論的統(tǒng)一、定性與定量的統(tǒng)一。層次分析法的核心是量化決策者的經(jīng)驗判斷，從而為決策者提供定量形式的決策依據(jù)，在目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺乏必要數(shù)據(jù)的情況下更為實用。

1.2 模糊理論

模糊理論(Fuzzy Theory)是為了解決真實世界中普遍存在的模糊現(xiàn)象而發(fā)展起來的，是基于分類的局部理論，特別適合處理用常規(guī)方法無法明確定義的模糊性問題\\。

由于在評估中單項指標(biāo)取值性質(zhì)往往不同，既有定量指標(biāo)，又有定性指標(biāo)，可比性差，加之戰(zhàn)場環(huán)境極其復(fù)雜，對于不同的用戶需求，同一指標(biāo)即使在相同的數(shù)值范圍內(nèi)，也會產(chǎn)生不同的影響。因此，在這種情況下，就需要利用專家知識，借助模糊理論將評估指標(biāo)進行度量統(tǒng)一。

人們對指標(biāo)的評價往往采用是否達到滿意來描述。這樣，可以把指標(biāo)的評價統(tǒng)一為滿意程度的大小。為簡便起見，并結(jié)合系統(tǒng)綜合評價的實際情況，將滿意度等級映射為性能指標(biāo)等級，并定義為(很好、好、良、中、差)等模糊概念，其模糊向量定義為在合評估體系結(jié)構(gòu)中存在著的不同性質(zhì)指標(biāo)。對不同性質(zhì)的指標(biāo)，應(yīng)采取不同方法獲取指標(biāo)的模糊滿意度。對于定量指標(biāo)，首先需要確定指標(biāo)的模糊隸屬函數(shù)，然后由相關(guān)專家根據(jù)單項指標(biāo)的數(shù)據(jù)變化范圍，計算出系統(tǒng)內(nèi)每個指標(biāo)的模糊向量。對于定性指標(biāo)，很難對其給以定量化，通常采用專家模糊評價法進行處理。

1.3 評估步驟

運用層次分析法和模糊理論，對通信與指揮控制系統(tǒng)的效能評估步驟(見圖5)如下:

(1) 在深入研究用戶對通信與指控系統(tǒng)的作戰(zhàn)應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，確定最主要的評價指標(biāo);

(2) 確立評估指標(biāo)的遞階層次結(jié)構(gòu)，建立通信與指揮控制系統(tǒng)的效能評估指標(biāo)體系;

(3) 用層次分析法計算各指標(biāo)的權(quán)重:首先構(gòu)造指標(biāo)層的兩兩比較判斷矩陣，然后由判斷矩陣計算被比較指標(biāo)的相對權(quán)重，最后進行多級評判計算各層指標(biāo)的組合權(quán)重;

(4) 用模糊數(shù)學(xué)理論測度每一指標(biāo)的隸屬度和模糊向量;

(5) 用多級模糊綜合評價方法對通信與指控系統(tǒng)的綜合效能進行評估。

圖1 效能評估步驟

2 通信與指揮控制系統(tǒng)效能評估的方法

2.1 效能評估指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)模型的建立

系統(tǒng)效能綜合評估體系\\是指評估過程中，由一系列相互關(guān)聯(lián)的本質(zhì)屬性指標(biāo)構(gòu)成的有機整體。評估指標(biāo)體系即評估的標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)容，是評估目的的具體化，確定了具體的評估方向。它描述了通信裝備作戰(zhàn)能力的主要性能參數(shù)，是通信裝備戰(zhàn)術(shù)性能、質(zhì)量和保障特性的綜合權(quán)衡。評估體系結(jié)構(gòu)是指系統(tǒng)綜合效能與效能指標(biāo)和能力指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系。系統(tǒng)效能指標(biāo)主要用于度量裝備或系統(tǒng)在給定條件下實現(xiàn)其總體功能的程度，它是對裝備或系統(tǒng)單項性能——可用性、可靠性與固有能力的綜合\\。

建立性能綜合評估體系結(jié)構(gòu)是對通信與指揮控制系統(tǒng)性能進行評估的前提，針對通信與指揮控制系統(tǒng)的工作特點和系統(tǒng)性能綜合評估的任務(wù)需求，可以建立如圖2所示的性能指標(biāo)綜合評估體系結(jié)構(gòu)。

品質(zhì)因素(B1):指系統(tǒng)硬件的固有屬性、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)以及后續(xù)保障能力\\。包括可靠性、維修性、保障性3個指標(biāo)。

戰(zhàn)場生存能力(B2):指系統(tǒng)應(yīng)對敵方強烈電子進攻和各種火力打擊，維持正常工作的能力。包括抗干擾能力、抗毀生存能力、環(huán)境適應(yīng)能力、機動反應(yīng)能力、安全保密能力5個指標(biāo)。

通信性能(B3):指系統(tǒng)保障作戰(zhàn)地域內(nèi)各級指揮中心以及各分系統(tǒng)快速、保密、可靠傳輸、交換、處理信息的能力。包括信息時延、呼損率、誤碼率、網(wǎng)絡(luò)容量、互聯(lián)互通性和覆蓋范圍6個指標(biāo)。

綜合指揮控制能力(B4):指系統(tǒng)綜合收集和處理本級雷達站、觀察哨、陣地觀察網(wǎng)等和上級或友鄰預(yù)警探測系統(tǒng)傳來的空中情報、技偵情報、氣象情報等信息，指揮機關(guān)依據(jù)軟件系統(tǒng)、指揮控制臺和手工作業(yè)設(shè)備等輔助決策手段進行指揮決策的能力。包括預(yù)警探測、情報偵察、輔助決策和自動化作業(yè)等4個指標(biāo)。

圖2 通信與指揮控制系統(tǒng)性能指標(biāo)綜合評估體系結(jié)構(gòu)

2.2 構(gòu)建比較判斷矩陣

由于通信與指揮控制系統(tǒng)的效能評估指標(biāo)性質(zhì)不盡相同，單位也不同，很難直接進行評估，這里采用評分的辦法比較它們在同一層次下的優(yōu)劣程度，采用專家打分方式，將每層次的各元素進行兩兩比較。為了減少個別專家評分的主觀性，通常邀請多個專家獨立地對評價元素的相對重要程度進行評判，最后取各個評價指標(biāo)中權(quán)值的平均值。具體步驟如下:

(1) 向?qū)＜疫M行問卷調(diào)查，以獲得各個指標(biāo)的相對重要程度。在此專家問卷采用美國運籌學(xué)專家T.L.Saaty提出的標(biāo)度\\，如表1所示。

表1 標(biāo)度的含義

1兩個元素相比，具有同樣的重要性

3兩個元素相比，一個元素比另一個元素稍微重要

5兩個元素相比，一個元素比另一個元素明顯重要

7兩個元素相比，一個元素比另外一個元素強烈重要

9兩個元素相比，一個元素比另外一個元素極端重要

2，4，6，8為以上兩兩判斷之間的中間狀態(tài)所對應(yīng)的標(biāo)度值

倒數(shù)Bij=1/Bji Cij=1/Cji

用Pkij(1≤i，j≤18，1≤k≤N)表示第k個專家評定的第i個評價指標(biāo)相對于第j個評價指標(biāo)的重要程度。令pij=(∏Nk=1pkij)1/N，則pij表示專家組N個專家評定的第i個評價指標(biāo)相對于第j個評價指標(biāo)的重要程度的平均值\\。這個過程能消除權(quán)重確定過程中人為的影響，保證指標(biāo)權(quán)重的有效性和實用性。A-B判斷矩陣和B-C判斷矩陣分別為:

X=(pij)4×4， Y=(pij)18×18

式中:i=1，2，3，4分別對應(yīng)B層的4個指標(biāo)。

(2) 由判斷矩陣計算比較指標(biāo)的相對權(quán)重。

利用Matlab軟件分別計算A-B判斷矩陣X=(pij)4×4和B-C判斷矩陣Y=(pij)18×18的特征向量。記A-B判斷矩陣X=(pij)4×4的特征向量為W1=(w1，w2，w3，w4)，其中w1，w2，w3，w4分別為B層各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。記Bi(i=1，2，3，4)對應(yīng)C層互重要程度矩陣的特征向量為wij(j=1，2，…，18;i=1，2，3，4)，則可得由wij(j=1，2，…，18;i=1，2，3，4)構(gòu)成的特征矩陣W2=(wij)4×18。

(3) 對比較判斷矩陣進行一致性檢驗。

一致性檢驗用來判別比較矩陣的不一致程度，可以用一致性指標(biāo)CI來衡量:

CI=λmax-nn-1

式中:λmax為比較陣的最大特征根;n為比較矩陣的階數(shù)。計算一致性比率CR，CR=CI/RI，RI為隨機一致性指標(biāo)，其指標(biāo)見表2\\。當(dāng)CR<0.1時，可認(rèn)為比較矩陣的一致性是可以被接受的，可將其特征向量作為權(quán)向量。否則，專家需要重新對兩兩比較判斷矩陣的標(biāo)度值進行調(diào)整。

表2 隨機一致性指標(biāo)

階數(shù)123456789

RI000.580.901.121.241.321.411.45

(4) 計算各層指標(biāo)的組合權(quán)重向量

在得到W1和W2以后，可計算出通信與指揮控制系統(tǒng)各評估指標(biāo)的權(quán)重向量為:

WZ=W1#8226;W2=(WZ1，WZ2，…，WZ18)

式中:WZi (i=1，2，…，18)分別對應(yīng)最底層各元素的綜合權(quán)重系數(shù)。

2.3 單因素評判矩陣

把滿意度映射為性能指標(biāo)等級并定義為:

E=(e1，e2，e3，e4，e5)=(很好，好，良，中，差)，則可得到各元素指標(biāo)屬于哪一類的隸屬度，設(shè)ril為專家組，對第i個指標(biāo)給出第j種評判的比例(即元素指標(biāo)屬于el的隸屬度，i=1，2，…，18;l=1，2，3，4，5)，則有∑5l=1ril=1，(i=1，2，…，18;l=1，2，3，4，5)這樣可得到單因素評判矩陣，記為R，即R=(ril)18×5。

2.4 進行綜合模糊評價

經(jīng)過上一步計算可得到通信與指揮控制系統(tǒng)效能綜合評價的18個指標(biāo)中單因素評價矩陣R，又知權(quán)重向量WZ，則可以得到綜合因素評判等級的加權(quán)向量，記為RZ=(RZ1，RZ2，RZ3，RZ4，RZ5)，則有RZ=WZ#8226;R。式中#8226;表示模糊算子，在本文中采用(#8226;，⊕)模型，即先進行普通乘法運算，再進行環(huán)和運算\\。

2.5 通信與指揮控制系統(tǒng)效能綜合評價

根據(jù)最大隸屬度法則，選擇備選集RZ中隸屬度最大的一項，即對應(yīng)于性能綜合評價指標(biāo)的等級，如表3所示。

表3 綜合評價指標(biāo)等級表

隸屬度RZ1RZ2RZ3RZ4RZ5

性能指標(biāo)等級很好好良中差

3 結(jié) 語

在層次分析法的基礎(chǔ)上，將模糊理論應(yīng)用于通信與指揮控制系統(tǒng)效能的綜合評估中，其主要目的是為了更客觀、更確切地反映所研究的問題，從而實現(xiàn)系統(tǒng)性能的最優(yōu)化設(shè)計。雖然實際分析過程中可能有一定的局限性，在對各個指標(biāo)進行專家打分時沒有對網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量、網(wǎng)內(nèi)用戶數(shù)量、系統(tǒng)編組方式等對各項指標(biāo)沒有進行定量分析，但是此種評估的思路無疑是合理和科學(xué)的，同時也為其他通信系統(tǒng)的優(yōu)化評估提供了一定的參考依據(jù)。

參考文獻

[1]朱和平.21世紀(jì)綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)\\.北京:軍事科學(xué)出版社，2003.

[2]郭齊勝，羅曉明，董志明，等.裝備作戰(zhàn)仿真概論\\.北京:國防工業(yè)出版社，2007.

[3]戴鋒，邵金宏，王力.軍事運籌學(xué)概論\\.北京:軍事譯文出版社，2002.

[4]楊軍.基于模糊理論的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)綜合效能評估研究\\.宇航學(xué)報，2004，25(2):147-151，194.

[5]陳浩光，李云芝.武器系統(tǒng)效能評估與評估創(chuàng)新\\.裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2004(8):1-3.

[6]趙超，文傳源.作戰(zhàn)系統(tǒng)綜合效能評估方法探索\\.電光與控制，2001(1):63-65.

[7]王國玉，肖順平，汪連棟.電子系統(tǒng)建模仿真與評估\\.長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1999.

[8]何家琪，楊浩.軍事通信裝備學(xué)概論\\.北京:解放軍出版社，2003.

[9]甘應(yīng)愛，田豐，李維錚，等.運籌學(xué)\\.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

[10]ROSS TIMOTHY.模糊邏輯及其工程應(yīng)用\\.錢同惠，沈其聰，葛曉濱，等譯.北京:電子工業(yè)出版社，2000.