黃孝鵬，吳小強(qiáng)，袁桂生，薛春祥

(1. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所， 南京 211153) (2. 海軍裝備研究院 博士后科研工作站， 北京 100161) (3. 海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室， 南京 210003)

?

·總體工程·

基于云模型的海用相控陣?yán)走_(dá)總體技術(shù)評估

黃孝鵬1，2，吳小強(qiáng)3，袁桂生1，薛春祥1

(1. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所， 南京 211153) (2. 海軍裝備研究院 博士后科研工作站， 北京 100161) (3. 海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室， 南京 210003)

首先，通過分析海用相控陣?yán)走_(dá)的技術(shù)發(fā)展，提出其總體技術(shù)的概念、作用意義和發(fā)展趨勢，進(jìn)而闡述了總體技術(shù)評估的實(shí)際意義；然后，綜合考慮海用相控陣?yán)走_(dá)總體技術(shù)評估的指標(biāo)構(gòu)建、參數(shù)獲取與定性表征等環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的模糊因素和隨機(jī)因素，基于以定性概念與定量表征可轉(zhuǎn)換集結(jié)為特征的云模型方法，從指標(biāo)體系構(gòu)建、評估流程及計(jì)算步驟等層面研究了其總體技術(shù)評估的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；最后，用實(shí)例驗(yàn)證了云模型在海用相控陣?yán)走_(dá)總體技術(shù)評估中的適用性。

海用相控陣?yán)走_(dá)；總體技術(shù)評估；云模型

0 引 言

海用雷達(dá)系統(tǒng)作為一種可自主地、全天時(shí)、全天候獲取遠(yuǎn)、中、近程距離目標(biāo)信息的探測裝備，可遂行對海上目標(biāo)的警戒、搜索、跟蹤和識別，引導(dǎo)防御系統(tǒng)和為武器系統(tǒng)提供目指等多種海上作戰(zhàn)任務(wù)，一直得到各軍事強(qiáng)國的重點(diǎn)發(fā)展，其中基于相控陣體制的海用雷達(dá)技術(shù)是海用雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢[1]。

海用相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)是采用電子方法實(shí)現(xiàn)天線波束指向在空間的轉(zhuǎn)動或掃描的海用雷達(dá)技術(shù)，具有天線波束快速掃描、空間定向與空域?yàn)V波、空間功率合成、多波束形成等技術(shù)特點(diǎn)；并具有多功能多任務(wù)、一體化，數(shù)據(jù)率高，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高等主要工作特點(diǎn)[1-2]。目前，各海軍強(qiáng)國高度重視和大力發(fā)展自適應(yīng)技術(shù)，寬帶、超寬帶相控陣技術(shù)，大功率、低成本、新材料相控陣技術(shù)等，并高度重視相控陣總體技術(shù)的研發(fā)。典型裝備有美國的艦載SPY-1系列雷達(dá)，DDG1000艦配系的SPY-3雷達(dá)、“福特”級航母配系的雙波段雷達(dá)，法國的ARABEL和TRISKEL雷達(dá)，俄羅斯的“天空哨兵”、CCB-33雷達(dá)等[3]。

海用相控陣?yán)走_(dá)總體技術(shù)是基于相控陣?yán)走_(dá)原理，采用系統(tǒng)工程、仿真技術(shù)等手段，對海用相控陣?yán)走_(dá)裝備研制過程中總體方案、指標(biāo)體系、性能試驗(yàn)驗(yàn)證等進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的綜合性技術(shù)。它是雷達(dá)系統(tǒng)開展技術(shù)需求分析、技術(shù)方案論證、技術(shù)研制設(shè)計(jì)以及規(guī)范整個(gè)雷達(dá)設(shè)計(jì)研制的基礎(chǔ)，總體技術(shù)設(shè)計(jì)合理與否直接影響系統(tǒng)技術(shù)性能、戰(zhàn)術(shù)功能和作戰(zhàn)效能。海用相控陣?yán)走_(dá)總體技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢主要體現(xiàn)在：(1)技術(shù)體制從三坐標(biāo)向一體化等方向發(fā)展；(2)結(jié)合系統(tǒng)科學(xué)的最新研究進(jìn)展，系統(tǒng)頂層分析與論證技術(shù)向體系工程等方向發(fā)展；(3)總體仿真設(shè)計(jì)技術(shù)緊貼實(shí)戰(zhàn)需求，向基于高層體系結(jié)構(gòu)/數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(HLA/DDS)的高性能、強(qiáng)實(shí)時(shí)、智能化、多粒度、半實(shí)物仿真等方向發(fā)展；(4)性能試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)向仿真和實(shí)兵結(jié)合、面向?qū)崙?zhàn)能力的檢驗(yàn)、接近實(shí)戰(zhàn)的環(huán)境、單設(shè)備和體系結(jié)合等方向發(fā)展。

海用相控陣?yán)走_(dá)的總體技術(shù)評估體系構(gòu)建是其研制過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，通過總體技術(shù)評估，尋找整個(gè)總體技術(shù)鏈條中的關(guān)鍵、薄弱環(huán)節(jié)以挖掘制約系統(tǒng)技術(shù)性能、戰(zhàn)術(shù)功能和作戰(zhàn)效能的要素，有利于提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用水平。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，海用相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)研究主要集中在綜合射頻、T/R、資源調(diào)度、信息處理等關(guān)鍵技術(shù)層面[2]，針對海用相控陣?yán)走_(dá)總體技術(shù)評估開展的相關(guān)研究較少，關(guān)注程度不夠。因此，開展海用相控陣?yán)走_(dá)總體技術(shù)評估具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

目前的評估理論和方法通?？煞譃槎ㄐ?、定量評估及定性定量相結(jié)合等類型。不同的評估方法有不同的適用邊界。綜合考慮海用相控陣?yán)走_(dá)總體技術(shù)評估的指標(biāo)構(gòu)建、參數(shù)獲取、定性表征等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的模糊因素和隨機(jī)因素，本文采用云模型方法評估海用相控陣?yán)走_(dá)總體技術(shù)，較好地實(shí)現(xiàn)了定性概念與定量表示間的相互轉(zhuǎn)換集結(jié)，并較大限度地挖掘了不確定信息，具有科學(xué)性和可操作性，方法特征和問題特征比較適配。

1 云模型相關(guān)概念

因現(xiàn)有理論在描述自然實(shí)踐中的隨機(jī)性、模糊性等不確定性特征不足，我國著名學(xué)者李德毅院士提出了云理論[4]。云是用自然語言值表示的某個(gè)定性概念與其定量表征之間的不確定轉(zhuǎn)換集結(jié)模型，給出了定量表示能夠表征定性概念的確定程度[5]。云模型法綜合考慮了信息的模糊性與隨機(jī)性，為定性定量轉(zhuǎn)換集結(jié)的信息處理方法和具有不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)建模、控制、優(yōu)化決策及評估等提供有效技術(shù)支撐。

定義1 云和云滴。設(shè)U={x}是一個(gè)用數(shù)值表示的定量論域，T是U域上的定性概念，若定量值x∈[0,1]對T的隸屬度μT(x)稱是有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)，即μ：U→[0,1]，?x∈U，x→μ(x)，則x在論域U上的分布稱為云，記為C(x)。每一個(gè)x稱為一個(gè)云滴。若概念對應(yīng)的論域?yàn)閚維空間，則可拓展至n維云。

定義2 云的數(shù)字特征。云模型的數(shù)字特征反映了定性概念的定量特征。通過期望 (Expected Value)、熵 (Entropy)和超熵He(Hyper Entropy)三個(gè)數(shù)值來構(gòu)造云的特征向量，以表征定性概念的整體特性，具體計(jì)算方法見文獻(xiàn)[4-7]。以下的研究主要是從一維正態(tài)云模型的角度出發(fā)展開的。

定義3 云發(fā)生器。通過正向發(fā)生器(Forward Cloud Generator)和逆向云發(fā)生器(Backward Cloud Generator)分別實(shí)現(xiàn)概念空間到數(shù)值空間，以及定量值到定性概念的轉(zhuǎn)換。

定義4 云重心。云重心可表示為T=a×b，其中a、b分別表示位置、高度。期望值Ex反映了相應(yīng)模糊概念的信息中心值，即云重心的位置。期望值相同的云可通過比較云重心高度來區(qū)分其重要性。一般情況下，云重心的高度取常值0.371，其變化情況可反映出系統(tǒng)狀態(tài)信息的變化態(tài)勢。

2 指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)系統(tǒng)工程相關(guān)理論，指標(biāo)體系構(gòu)建應(yīng)遵循完備性、客觀性、一致性、敏感性、可鑒別性、可測性等原則，研究海用相控陣?yán)走_(dá)總體技術(shù)評估，主要從總體技術(shù)論證與分析水平、總體技術(shù)研發(fā)與管理水平、總體技術(shù)驗(yàn)證水平等視域出發(fā)。其中，總體技術(shù)論證與分析水平是指對雷達(dá)功能進(jìn)行仿真以研究系統(tǒng)論證分析與設(shè)計(jì)過程中的系統(tǒng)指標(biāo)、技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑、信息處理流程和信息共享機(jī)制等問題的技術(shù)；總體技術(shù)管理與研發(fā)水平通過采用雷達(dá)總體仿真技術(shù)對雷達(dá)功能進(jìn)行仿真，為系統(tǒng)的開發(fā)、設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐，以確保系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)優(yōu)化、正確，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)指標(biāo)的合理分配以及對方案和設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化選擇，達(dá)到(最)優(yōu)化設(shè)計(jì)；性能試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)是指應(yīng)用系統(tǒng)工程方法，將實(shí)兵試驗(yàn)與仿真技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，研究試驗(yàn)和評估方法，構(gòu)建試驗(yàn)和測試環(huán)境，評估雷達(dá)系統(tǒng)(或單裝備)功能和性能的技術(shù)。通過合理的試驗(yàn)測試，評估被試系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并為系統(tǒng)或裝備實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用以及后續(xù)裝備的發(fā)展提供規(guī)劃指導(dǎo)和發(fā)展建議。

因此，本文設(shè)計(jì)了技術(shù)需求分析準(zhǔn)確性、技術(shù)體制選擇合理性、技術(shù)架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)性、技術(shù)方案選擇合理性等指標(biāo)體系，如圖1所示。當(dāng)然，指標(biāo)體系設(shè)計(jì)可根據(jù)具體需求進(jìn)行自適應(yīng)擴(kuò)展、改進(jìn)或裁剪。

3 評估流程和計(jì)算步驟

3.1 評估流程

在具體的評估過程中，海用相控陣?yán)走_(dá)總體技術(shù)評估步驟如下：

步驟1 評估開始，根據(jù)總體技術(shù)評估的任務(wù)需求，在海用雷達(dá)相控陣總體技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，明確評估目標(biāo)和選擇評估準(zhǔn)則；

步驟2 選用適配的評估方法；

步驟3 依據(jù)需求，構(gòu)建評估指標(biāo)體系；

步驟4 建立評估模型；

步驟5 確定評估參數(shù)；

步驟6 分析評估結(jié)果，提出有價(jià)值的建議，否則轉(zhuǎn)步驟1。

海用相控陣?yán)走_(dá)總體技術(shù)評估流程，如圖2所示。

選擇合適的海用相控陣?yán)走_(dá)總體技術(shù)評估準(zhǔn)則，是評估的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到評估的科學(xué)性和合理可行性，可遵循整體性、目的性、層次性和控制反饋性等原則，本文選取通用準(zhǔn)則。

3.2 模型計(jì)算步驟

總體技術(shù)評估方法主要要素有指標(biāo)集U、權(quán)重因子集W和評語集V，其中W和V的元素是隸屬云，并不完全是精確值?；谠颇Ｐ偷脑u估步驟如下[8-12]：

步驟1 求各指標(biāo)的云模型表征

提取某指標(biāo)下n組數(shù)據(jù)構(gòu)建矩陣，可用一個(gè)云模型表征n個(gè)精確數(shù)值指標(biāo)，則

Ex=(Ex1+Ex2+…+Exn)/n

(1)

En= (max(Ex1,Ex2,…,Exn)-

min(Ex1,Ex2,…,Exn))/6

(2)

若針對某語言值型指標(biāo)，可用一維綜合云來表征n個(gè)語言值(云模型)指標(biāo)，則

Ex= (Ex1En1+Ex2En2+…+ExnEnn)/

(En1+En2+…+Enn)

(3)

En=En1+En2+…+Enn

(4)

式中：當(dāng)指標(biāo)為精確數(shù)值型時(shí)，Ex1～Exn為各指標(biāo)量的值；當(dāng)指標(biāo)為語言值型時(shí)，Ex1～Exn和En1～Enn分別為各指標(biāo)云模型的期望和熵。

步驟2 求P維綜合云的重心向量

步驟3 確定各指標(biāo)的權(quán)重

權(quán)重的確定方法有很多，如AHP法、環(huán)比法、FD法、區(qū)間估計(jì)法、Delphi法等，上述方法各有適用范圍。經(jīng)深入分析海用相控陣?yán)走_(dá)總體技術(shù)評價(jià)指標(biāo)存在義項(xiàng)交叉、重疊等復(fù)雜特征，本文擬采取以下方法計(jì)算

(5)

式中：n為指標(biāo)數(shù)；i為排隊(duì)等級。再將Wi歸一化可得權(quán)重向量W*。

步驟4 計(jì)算加權(quán)偏離度θ

(6)

歸一化后，表征系統(tǒng)狀態(tài)的綜合云重心向量為有大小、方向、無量綱的值。然后計(jì)算加權(quán)偏離度θ(0≤θ≤1)

(7)

步驟5 用云模型實(shí)現(xiàn)評測的評語集

采用由11個(gè)評語所組成的評語集

V=(V1,V2,…,Vp)=(Vi|i=1,2,…,11)

(8)

將11個(gè)評語集置于連續(xù)的語言值標(biāo)尺上，且每個(gè)評語集都用云模型來實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建基于定性評測的云發(fā)生器，如圖3所示。將系統(tǒng)的理想狀態(tài)視為極好，值越小就表示系統(tǒng)的狀態(tài)與理想狀態(tài)越接近。

圖3 定性評測的云發(fā)生器

針對總體技術(shù)評價(jià)，將求得的θ值輸入評測云發(fā)生器中，即輸出評語值，而此期望值對應(yīng)的定性表述可由專家或用戶另外給出。同時(shí)評估指標(biāo)參數(shù)獲取方式一是通過專家組評審獲得語言值信息；二是通過試驗(yàn)和仿真測試獲得。

4 實(shí)例

采用圖1給出的指標(biāo)體系，結(jié)合云模型的計(jì)算步驟，針對海用相控陣?yán)走_(dá)總體技術(shù)評估需求，指標(biāo)參數(shù)獲取主要采取專家組評審法，將語言定性信息(極好、非常好、很好、較好、好、一般、差、較差、很差、非常差、無)量化為(10，9，8，7，6，5，4，3，2，1，0)，如“很好、較好”對應(yīng)的值分別為8、7，分析計(jì)算結(jié)果如下：

(1)給出總體技術(shù)論證與分析水平的評估矩陣

期望值為[10 10 10 10]、排隊(duì)等級為[1 2 1 2]，計(jì)算可得云模型結(jié)果為

C1= [(8.20,0.33,0.17) (8.40,0.17,0.17)

(8.60,0.17,0.17) (9.00,0,0.17)]

(9)

(2)給出總體技術(shù)研發(fā)與管理水平的評估矩陣

期望值為[10 10 10 10]、排隊(duì)等級為[1 2 1 2]，計(jì)算可得云模型結(jié)果

C2= [(9.00,0.33,0.10) (9.4,0.17,0.10)

(9.20,0.33,0.10) (8.60,0.33,0.10)]

(10)

(3)給出總體技術(shù)驗(yàn)證水平的評估矩陣

期望值為[10 10 10 10]、排隊(duì)等級為[1 2 1 2]，計(jì)算可得云模型結(jié)果

C3= [(8.60,0.17,0.16) (8.80,0.17,0.16)

(8.60,0.17,0.16) (8.40,0.17,0.16)]

(11)

因分偏離度θ1=0.17，θ2=0.10，θ3=0.16，對照定性評測云發(fā)生器，分別激活“非常好”和“很好”等云對象，總體技術(shù)論證和分析水平介于“非常好”和“很好”間，傾向于“很好”；總體技術(shù)研發(fā)和管理水平介于“非常好”和“很好”間，傾向于“非常好”；總體技術(shù)驗(yàn)證水平介于“非常好”和“很好”間，傾向于“很好”。

針對分偏離度向量D=[0.17 0.1 0.16]，排隊(duì)等級[1 2 2]，云模型計(jì)算結(jié)果：0.147 6。對照定性評測云發(fā)生器，海用相控陣?yán)走_(dá)總體技術(shù)介于“非常好”和“很好”間，傾向于“非常好”，該語言評判值，較符合人的認(rèn)知方式和語言表述習(xí)慣，具有直觀性。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合海用相控陣?yán)走_(dá)總體技術(shù)的內(nèi)涵與特征，考慮海用相控陣?yán)走_(dá)總體技術(shù)評估過程中出現(xiàn)的模糊因素和隨機(jī)因素，采用云模型進(jìn)行海用相控陣?yán)走_(dá)總體技術(shù)評估，并通過案例驗(yàn)證了本方法的適用性，但仍有很多理論和實(shí)踐問題值得進(jìn)一步深入研究，如評估過程中產(chǎn)生的不確定性分析以及指標(biāo)參數(shù)的靈敏度分析等。

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黃孝鵬 男，1981年生，博士，高級工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)總體技術(shù)與仿真、系統(tǒng)工程等。

Evaluation of Overall Technology of Marine Phased Array Radar based on Colud Model

HUANG Xiaopeng1,2，WU Xiaoqiang3，YUAN Guisheng1，XUE Chunxiang1

(1. No.724 Research Institute of CSIC,, Nanjing 211153, China) (2. Postdoctoral Research Station, Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China) (3. Military Representatives Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003, China)

According to the development of the technologies of the marine phased array radar, the connotation, functions, significance and development trend of the overall technology are given, and the pratical significance of evaluation system is also discussed. Then, considering the fuzzy and random factors generated in the evaluation steps of index construction, parameter acquistion, qualitative representation into consideration, some key points of the evaluation of the overall technology of the marine phased array radar are studied in terms of the construction of the index system, evaluation flow, calculation steps based on the cloud model. The cloud model is characteristic of qualitative concept and quantitative expression featured as transformable aggregation. Finally, the model is verified to be applicable through an example.

marine phased array radar; evaluation of overall technology; cloud model

黃孝鵬 Email：hxiaopengnju@126.com

2015-04-27

2015-07-21

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.09.001

TN959

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1004-7859(2015)09-0001-04