趙玉鵬 吳學智

(1.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)(2.91336部隊 秦皇島 066326)

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艦艇編隊融合通信網效能評估方法研究*

趙玉鵬1，2吳學智1

(1.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)(2.91336部隊 秦皇島 066326)

為更好地了解和發(fā)揮艦艇編隊通信網絡效能，通過對融合通信網的結構和關鍵要素分析，提出了運用網絡層次分析法思想建立效能評估指標體系，綜合指標因素相對權重和分組賦權專家評分進行效能評估的方法。其中相對指標權重和效能評估數(shù)據對艦艇編隊通信網融合發(fā)展和綜合評價具有支持和指導意義。

融合； 通信網； 效能評估

Class Number TP391.9

1 引言

隨著美軍“網絡中心戰(zhàn)”思想的不斷發(fā)展，該思想指導下的軍事設施逐步投入并發(fā)揮作用[1]，通過最近幾次戰(zhàn)爭和非戰(zhàn)爭軍事活動可以清楚地認識到，未來戰(zhàn)爭中作戰(zhàn)效能將越來越依賴網絡效能的發(fā)揮。

艦艇編隊的移動性決定了其艦外通信必須由無線通信網承載。海上艦艇編隊與岸基指揮所、友鄰編隊通信一般使用衛(wèi)星通信系統(tǒng)和短波電臺組網，與編隊內艦艇、飛機通信則使用超短波電臺和數(shù)據鏈[2]。當前，不斷加強通信系統(tǒng)“三互”(互連互通互操作)能力是艦艇編隊通信網絡的主要發(fā)展趨勢之一[3]，短波通信、超短波通信、衛(wèi)星通信融合成一體的信息交換平臺，將大大提升艦艇編隊協(xié)同作戰(zhàn)能力，彰顯信息化條件下融合網絡的信息優(yōu)勢和決策優(yōu)勢，為打贏現(xiàn)代海戰(zhàn)提供有力支持。我軍艦艇編隊通信網在融合方面的研究和建設起步較晚，為更好的了解其能力和不足，服務和推進發(fā)展，對其效能評估的研究也刻不容緩[4]。

2 效能評估

在生產制造活動中，通常追求的是獲得的收效，而在圍繞軍事裝備或系統(tǒng)的活動中稱之為效能，用以體現(xiàn)其所具有的價值或完成某些任務的能力。

對于效能，目前并沒有一個統(tǒng)一的標準定義。美國海軍定義為：“系統(tǒng)能在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內完成規(guī)定任務之程度的指標”或“系統(tǒng)在規(guī)定條件下和在規(guī)定時間內滿足作戰(zhàn)需求的概率”；我國軍用標準GJB451-2005《可靠性維修性和保障性術語》中的定義是：“系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內滿足一組特定任務要求的程度”[5]。

2.1 評估對象

以某艦艇編隊為例，假設該編隊由三艘水面艦艇、兩架艦載直升機編成。艦艇編隊通信網的使命任務是在編隊執(zhí)行海上作戰(zhàn)任務期間，為編隊內的水面艦艇、飛機等作戰(zhàn)平臺，以及與其他編隊、岸基指揮所之間提供指揮和通信聯(lián)絡。并且該艦艇編隊通信網內傳統(tǒng)上的短波通信網、超短波通信網、衛(wèi)星通信網等網系已通過特定多網網關和互聯(lián)控制設備[6]等實現(xiàn)了各層次的融合。網系融合的艦艇編隊通信網(下文簡稱編隊通信網)基本結構示意如圖1，其中實線、虛線、點線分別代表衛(wèi)星、超短波、短波鏈路。

圖1 某編隊通信網絡結構示意圖

2.2 評估要素分析

通信網絡的評估離不開網絡性能的測量，目的是了解網絡運行的狀態(tài)和性能參數(shù)，并依據相關標準開展網絡有效性、可靠性等方面的分析和評估。同時，作為艦艇編隊“神經系統(tǒng)”的通信網在戰(zhàn)爭中時刻面臨著多方面的安全威脅，其生存性、安全保密性也至關重要。

1) 有效性

編隊通信網是承載海上艦艇編隊執(zhí)行任務的話音、報文、數(shù)據等通信業(yè)務的基礎網絡，其性能指標和運行質量將直接影響各項業(yè)務的有效性。同時，能否有效保障各項業(yè)務也是檢驗各項指標是否滿足業(yè)務需求的表征。所以有效性是評估編隊通信網效能基礎性的一環(huán)。

衡量編隊通信網的有效性，主要考查包括帶寬、時延、覆蓋范圍和吞吐量在內的各指標滿足話音、報文、數(shù)據等各業(yè)務需求的情況，反映通信網絡最基本的業(yè)務能力。

2) 可靠性

作為海上的移動軍事通信網，對可靠性的高要求自然不可忽視。在現(xiàn)代軍事對抗中，對制信息權的爭奪尤為激烈，在日益復雜的電磁環(huán)境中，各種偵查、干擾手段不斷發(fā)展進步，所以對通信系統(tǒng)可靠性的要求也日益提高。可靠性指標主要包括誤碼率、信噪比、抗干擾能力等指標。這里的抗干擾能力包括抵抗人為和非人為電磁干擾的能力。

3) 安全保密性

軍事活動永遠離不開的一個課題就是安全保密，歷史上各國由信息安全導致嚴重后果的例子屢見不鮮。在計算機和信息網絡技術大發(fā)展的當代，安全保密面臨的挑戰(zhàn)更加嚴峻，一旦出現(xiàn)問題危害更加嚴重，影響更加深遠，所以安全保密必須作為艦艇編隊通信網效能的關鍵要素來考察。

安全保密主要包括通信保密和網絡安全兩個方面[7]。由于海上艦艇編隊通信依靠無線通信方式，通信信道開放，信息易受到如截獲、檢測等安全威脅，通信保密能力主要體現(xiàn)在信息加密、頻率管控等方面，反映防范信息安全威脅的能力；網絡安全與網絡性能息息相關，一旦網絡安全受到威脅，其性能將可能急劇惡化甚至網絡癱瘓。它主要反映的是信息網絡抵御入侵、病毒代碼等危害的能力，為整個網絡信息安全提供保障。

4) 生存性

編隊通信網面臨的威脅既可能來自電磁空間的對抗，也可能來自硬武器打擊，所以生存性包括抗毀性、冗余度、可維性和互聯(lián)互通等方面的指標?？箽员碚骶W絡節(jié)點在狀態(tài)異?；蛟獾焦舻仍斐墒У那闆r下，通信網絡保持基本功能的能力；保持適當?shù)娜哂喽瓤梢杂行岣呔庩犕ㄐ啪W絡的健壯性、穩(wěn)定性，也是平衡網絡性能與頻帶利用率以及經濟性的一個重要方面；互聯(lián)互通性則表示軍事通信網系之間或與民用網系之間的互聯(lián)互通能力，對于在對抗中形成信息優(yōu)勢具有十分重大的意義。

2.3 評估指標體系構建

按照完備性、客觀性、定性與定量相結合等原則，根據評估要素分析初步構建出艦艇編隊融合通信網效能評估指標體系，如圖2所示。

3 評估方法

根據上文分析，編隊通信網的效能評估是考察一個由眾多指標和因素共同構成的相互聯(lián)系、相互作用的大系統(tǒng)。每一個指標反映了總體效能的一個方面，而要考量整體效能就要將這些指標綜合起來考量，由此就要涉及各項指標因素的權重問題，即各個指標在評估體系中的作用、地位以及重要程度。

圖2 艦艇編隊融合通信網效能評估指標體系

無論科學如何發(fā)展、技術如何進步，作為主體的人的因素永遠都是最關鍵的因素，而且評估體系也已包含了帶寬、時延等客觀定量指標，所以這里選擇一種主觀賦權法來確定各指標因素的權重。

3.1 網絡層次分析法

層次分析法(AHP)以其定性與定量相結合的特點以及系統(tǒng)、靈活、簡潔的優(yōu)點，自提出以來得到了十分廣泛的應用。1996年，美國匹茲堡大學T.L.Satty教授基于復雜系統(tǒng)必須考慮層次內部元素的依存和下層元素對上層元素反饋影響的思考，提出了AHP的延伸版，即網絡層次分析法(Analytic Network Process，ANP)[8]。這種方法將系統(tǒng)內各個元素的關系用類似網絡結構表示，而不再是簡單的、嚴格的層次結構，從而能更準確的描述客觀事物之間的聯(lián)系，是一種更加有效、實用的評估決策方法，故綜合考慮ANP法較AHP的方法更適合本次評估。

3.2 ANP結構與權重計算

ANP結構由兩大部分組成，控制因素層和網絡層?？刂埔蛩貙影▎栴}目標和評估準則，至少要有一個目標并允許沒有評估準則，存在的評估準則要彼此獨立且只受目標元素支配；網絡層是由受控制層支配的元素組成，這里需要考量各元素之間的相互作用和依存關系，而不再是簡單的層次遞進關系，所以這里的層級結構演變?yōu)槿鐖D3所示的ANP結構模型[9]。

圖3 艦艇編隊融合通信網效能評估ANP結構

由于ANP的權重計算是包括矩陣、超矩陣等的一系列非常復雜的計算過程，可以采用將ANP計算程序化的超級決策(Super Decisions)軟件進行評估計算[10]。根據界定好的評估準則，按照比例標度經過專家的判斷，針對目標將元素集之間和元素之間凡是存在依存和反饋關系則逐一比較，構成兩兩對比矩陣。依據上述輸入，軟件可以構造超矩陣、加權超矩陣、極限超矩陣，最終可得到各因素的相對權重：

W=(w1,w2,…,wn)T

3.3 指標值的處理

指標可以分為定性指標和定量指標兩種，并且常表現(xiàn)出不可公度性和矛盾性的特點，因而各指標值不能直接參與綜合計算。定性指標主要通過專家定性評判打分的方法獲得，定量指標可以通過實驗統(tǒng)計、實際測量等方法獲得。

定性指標采取專家咨詢的方式，利用量化標尺量化法，請受咨詢專家根據自己的知識和經驗對定性指標做出判斷。心理學家試驗表明，普通人對不同物體進行判別時能夠正確區(qū)別的等級在5到9級之間。這里采用9個量化級別，把定性評判語言值通過一個量化標尺映射為定量值，如表1所示。0和1這樣的極端值在現(xiàn)實評判中通常不考慮。

表1 定性指標量化標尺

另外，若評估專家來自不同方面或不同領域，給出的評判對能夠得到準確的評估結果的貢獻也不盡相同，因此其評判分值在效能評估中的權重也應該不同。這里可根據專業(yè)領域、專業(yè)地位、從業(yè)經驗、知識水平以及在本次評估中的可靠程度(判決矩陣離散程度)等，分為若干組并適當賦予不同權重，最后通過加權平均法取得指標。若各專家重要性等同則采取等權方式處理。

在定量指標的處理上，主要解決無公度和對抗性不同的問題。無公度即各指標量綱不同不便于比較；對抗性不同是指有些指標越大越優(yōu)，有些指標則越小越優(yōu)，或者在某一區(qū)間內為優(yōu)等。定量指標的規(guī)范化主要通過一定的數(shù)學變換(如極差變換法等)把指標值變換為可以共同綜合處理的量化值，一般變換到[0,1]范圍內。

3.4 評價結果的計算

在獲得了各個指標的相對權重和最終評價值后，通過兩者乘積可計算出最終評價分值，該分值的語言評判等級可參照表1的量化標尺，若多種方案評估則分值最大者為最優(yōu)。

最終效能值計算：

E=(w1,w2,…,wn)(v1,v2,…,vn)T,i∈(1,n)

wi為指標i的綜合權重，vi為指標i的綜合評分。

3.5 評估的應用

通過分析研究評估過程中得到各因素和指標的綜合權重，可以很直觀地了解整個通信網內各因素和指標對整體效能的作用和影響，對更好的發(fā)揮編隊通信網絡效能具有指導意義；同時，綜合權重關系和各指標值運算得到的效能評估值和結論，可用于效能評估驗證和多方案決策的輔助評判。

4 結語

艦艇編隊融合通信網相對傳統(tǒng)通信網結構更加復雜，功能更加多元，應用更加廣泛，各因素關聯(lián)也更加緊密，采用網絡層次分析法充分考慮評估要素的依存和下層對上層反饋的影響，能夠更準確的描述客觀因素之間的聯(lián)系，效能評估體系更加科學和全面。通過運算可以得到內部各因素相對權重排序，對整體效能提升具有一定指導意義。同時，最終的效能值和評判結論也可以為方案驗證和評估決策提供參考和數(shù)據支持。

[1] 李達.美海軍部隊網發(fā)展及啟示[J].信息通信,2015,147:119-120.

[2] 張寶宇,郝威,陳迪.艦艇編隊遠程通信保障系統(tǒng)研究[J].艦船電子工程,2013,33(1):14-15.

[3] 陳峰.美軍航母編隊通信網絡發(fā)展研究[J].現(xiàn)代電子技術,2013,36(21):27-30.

[4] 梁文偉.基于自組網的戰(zhàn)術通信網的互聯(lián)技術[D].廣州:華南理工大學,2012:17-20.

[5] 張杰,唐宏,蘇凱,等.效能評估方法研究[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009:1-9.

[6] 閻瑾,美軍戰(zhàn)術互聯(lián)網體系架構研究[J].通信技術,2011,44(9):105-107.

[7] 楊柳,張寧.衛(wèi)星話音通信網運行質量指標體系研究與評估[J].通信技術,2014,47(3):286-289.

[8] 蔡嘯，谷曉鵬，周應芳，等.基于ANP的電子對抗作戰(zhàn)能力評估方法研究[J].通信技術,2013,46(10):45-49.

[9] 馬亞龍,邵秋峰,孫明,等.評估理論和方法及其軍事應用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2013:49-53.

[10] 胡琦,嚴建鋼,陳琪,等. 基于ANP和Super Decision的通信鏈路威脅評估排序[J].海軍航空工程學院學報,2009,24(2):233-236.

Effectiveness Evaluation Method of Integrated Communication Network for Warship Formation

ZHAO Yupeng1，2WU Xuezhi1

(1.College of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033)(2.No.91336 Troops of PLA，Qinhuangdao 066326)

In order to learn more about integrated communication network for warship formation and make it play a more important role, a kind of effectiveness evaluation index system based on analytic network process is created by analyzing network structure and key factors. It has thought over relative weights of index factors and grouping weights of evaluation specialists. The relative weights of index factors and resulting data of effectiveness evaluation could play a supporting and instructional role in developing of communication network for warship formation.

integration, communication network, effectiveness evaluation

2016年5月13日,

2016年6月19日

趙玉鵬，男，碩士研究生，研究方向：軍事通信網組網與管理。吳學智，男，副教授，研究方向：信息網絡技術，軍事通信網絡。

TP391.9

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.015