王 祥，樊志強(qiáng)，徐 珞

(華北計算技術(shù)研究所,北京 100083)

0 引 言

指控系統(tǒng)由硬件和軟件子系統(tǒng)組成，用于收集來自各種傳感器的信息，處理和顯示信息，指揮和控制各種武器以攻擊威脅目標(biāo)。指控系統(tǒng)通常是大型、復(fù)雜、實時和軟件密集型系統(tǒng)。人們早已認(rèn)識到，體系結(jié)構(gòu)在整個系統(tǒng)的開發(fā)生命周期中具有重要的影響[1]，特別是對于大規(guī)模和復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)，其開發(fā)過程通常涉及多個利益相關(guān)者，各種復(fù)雜活動和多個發(fā)展階段。隨著網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)(NCW)的發(fā)展，指控系統(tǒng)變得愈發(fā)龐大和復(fù)雜，指控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)的整個生命周期中扮演著更為重要的角色。因此，指控系統(tǒng)在架構(gòu)設(shè)計階段的能力評估變得必要和有意義。

在網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的環(huán)境下，信息質(zhì)量和信息優(yōu)勢對于打贏戰(zhàn)爭具有非常重要的作用[2]。因此，信息質(zhì)量/優(yōu)勢通常是衡量指控系統(tǒng)能力的重要指標(biāo)[3]。已有多篇文獻(xiàn)評估C4ISR系統(tǒng)或其子系統(tǒng)的信息質(zhì)量/優(yōu)勢。裘杭萍等[4]、劉東坡等[5]和陳少卿等[6]從不同角度提出了幾種評估C4ISR系統(tǒng)信息質(zhì)量或信息優(yōu)勢的方法，但仍然缺乏從指控系統(tǒng)體系架構(gòu)層面來評估信息質(zhì)量和信息優(yōu)勢的模型方法。楊光等[7]、趙新凱等[8]、趙策等[9]和Greg等[10]分別提出了評估C4ISR系統(tǒng)中數(shù)據(jù)鏈路通信子系統(tǒng)、軍用通信網(wǎng)、通信子系統(tǒng)和戰(zhàn)術(shù)軍用網(wǎng)絡(luò)的信息質(zhì)量和優(yōu)越性的方法。此外，Quan等[11]提供了信息優(yōu)勢評估指標(biāo)，并討論了幾種評估方法。Zhu等[12]和Zhang等[13]分別評估了近空間信息系統(tǒng)和指揮自動化系統(tǒng)的信息優(yōu)勢。Sangheun等[14]分析了戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)的信息交換能力。本文分析現(xiàn)有信息質(zhì)量評估方法，從體系架構(gòu)層面提出一種指控系統(tǒng)的信息質(zhì)量評估方法。首先，提出一個信息質(zhì)量模型，定性地建立架構(gòu)設(shè)計與信息質(zhì)量度量之間的關(guān)系。其次，提供一種框架來進(jìn)行指控系統(tǒng)的架構(gòu)級信息質(zhì)量評估。最后，進(jìn)行實驗來驗證本文提出的方法。通過實驗結(jié)果分析表明，該方法可以幫助設(shè)計人員確定影響指控系統(tǒng)信息質(zhì)量的關(guān)鍵因素，進(jìn)而改進(jìn)架構(gòu)設(shè)計。

1 信息質(zhì)量模型

1.1 信息質(zhì)量的評估

根據(jù)文獻(xiàn)[16]提出的有效性評估的等級視圖，給出如圖1所示的信息質(zhì)量評估標(biāo)準(zhǔn)。在衡量指控有效性(MOCE)的層面，定義了衡量信息質(zhì)量。在衡量績效水平(MOP)時，定義了5項衡量標(biāo)準(zhǔn)：完整性、正確性、通用性，相關(guān)性和共享程度。在維度參數(shù)(DP)層面，本文著重于架構(gòu)層面的信息質(zhì)量評估，定義指控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)。在某些情況下，這些參數(shù)可能會對系統(tǒng)的MOP或MOCE產(chǎn)生顯著影響。例如，系統(tǒng)間信息傳輸?shù)钠骄鴶?shù)是進(jìn)行時間關(guān)鍵型攻擊的重要參數(shù)。在圖1中，值得注意的是相關(guān)性和共享范圍可以被靜態(tài)衡量，而完整性、正確性和通用性需要被動態(tài)衡量，即通過執(zhí)行體系結(jié)構(gòu)(模擬)來測量動態(tài)參數(shù)。這些參數(shù)通?；诩軜?gòu)執(zhí)行期間收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。

圖1 信息質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

本文使用ICom、ICor、ICur、IRel、ISE來表示完整性、正確性、通用性、相關(guān)性和共享范圍。

完整性是整個目標(biāo)中感知目標(biāo)的百分比。完整性是時間的函數(shù)，其定義如下：

(1)

正確性是想定目標(biāo)和實際目標(biāo)一致的程度。像完整性一樣，正確性也是時間的函數(shù)。假設(shè)有N個感知目標(biāo)，每個目標(biāo)有M個信息項(如速度和位置)，用Gi(t)和Pi(t)分別表示第t個目標(biāo)在t時刻的實際特征和感知特征，Gi(t)和Pi(t)分別定義為：

Gi(t)=[gij(t)], i∈{1,2,…,n}, j∈{1,2,…,m}

(2)

Pi(t)=[pij(t)], i∈{1,2,…,n}, j∈{1,2,…,m}

(3)

因此，t時刻第i個目標(biāo)的第j個信息項的誤差定義為：

ERij(t)=|pij(t)-gij(t)|

(4)

時間t處的第i個目標(biāo)的正確性可以定義為：

(5)

其中，SERij是ERij的標(biāo)準(zhǔn)化。然后在時間t的平均正確性被定義為：

(6)

通用性是從檢測到目標(biāo)的時間到將目標(biāo)帶到用戶的時間的延遲。通用性定義為：

(7)

相關(guān)性是與手頭任務(wù)相關(guān)的意識目標(biāo)的比例。假設(shè)有n個感知目標(biāo)和k個任務(wù)，相關(guān)性定義為：

(8)

(9)

1.2 權(quán)重分配的措施

1.3 測量器的合成

為了評估信息質(zhì)量，需要綜合第1.1節(jié)中定義的5個度量，以及專家對它們的偏好(即5個度量的權(quán)重)。本文選擇多屬性決策理論的邊際替代方法[15]來綜合5項指標(biāo)。此外，柯布-道格拉斯偏好的無差異曲線是為邊際替代法選取的?？虏?道格拉斯偏好的效用函數(shù)被用來獲得5項指標(biāo)的綜合價值。公式(1)是柯布-道格拉斯偏好的函數(shù)原型。圖2顯示了3條無差異曲線，X和Y可以被看作2個度量。a和b是用戶對度量的偏好。U是綜合價值，相同曲線中的不同點是相同的，所以它被命名為無差異曲線。從圖2中可以看出，如果Y減小，U的增加不變。圖中的箭頭表示U的增加方向。曲線U3上的值比曲線U2或U1上的值好。參數(shù)a和b反映用戶對度量的偏好。

圖2 柯布-道格拉斯偏好的無差異曲線實例

基于柯布-道格拉斯偏好的函數(shù)原型(即公式(1))，可以使用公式(2)合成5個度量。值得注意的是，在合成它們之前，需要分別使用公式(3)和公式(4)對標(biāo)準(zhǔn)的有效性類型和成本類型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

2 架構(gòu)級信息質(zhì)量評估框架

為了系統(tǒng)地評估和分析架構(gòu)級指控系統(tǒng)的信息質(zhì)量，本文提供了一個框架，包括架構(gòu)設(shè)計、仿真、評估和分析(DSEA)，如圖3所示。

圖3 DSEA框架

首先，需要設(shè)計和描述指控系統(tǒng)的架構(gòu)。值得注意的是，只有與信息質(zhì)量(IQ)相關(guān)的架構(gòu)部分是必需的?？梢允褂貌煌捏w系結(jié)構(gòu)建模方法或ADL來描述體系結(jié)構(gòu)。本文建議使用標(biāo)準(zhǔn)建模方法或語言來描述架構(gòu)，例如DoDAF[17]和UML[18]。相關(guān)性和共享程度的措施需要在這一步中加以完善。

其次，利用所描述的指控系統(tǒng)架構(gòu)，需要選擇或開發(fā)仿真平臺以在特定情況下執(zhí)行所描述的架構(gòu)。在執(zhí)行之前，通常需要將體系結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換為可以由選定或開發(fā)的仿真平臺執(zhí)行的仿真模型。在這一步中，需要確定模擬過程中需要收集的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)仿真平臺指定完整性、正確性和通用性的度量。

然后，根據(jù)第1章提出的信息質(zhì)量模型，根據(jù)模擬結(jié)果和相關(guān)的權(quán)重分配計算出系統(tǒng)的信息質(zhì)量。

最后，通過分析評估的結(jié)果，找出影響信息質(zhì)量的關(guān)鍵因素做出設(shè)計決策，并為下一步的架構(gòu)改進(jìn)提供可靠方案。

3 實驗和分析

為了驗證提出的信息質(zhì)量模型，本文進(jìn)行了一個實驗，其中包括3個部分：1)實驗的規(guī)劃和設(shè)計，介紹了選定的指控系統(tǒng)和場景；2)實驗執(zhí)行，分為體系結(jié)構(gòu)描述、模型轉(zhuǎn)換和模擬執(zhí)行；3)實驗結(jié)果分析。

3.1 實驗規(guī)劃和設(shè)計

本實驗選擇了2個具有不同架構(gòu)設(shè)計的指控系統(tǒng)來評估其信息質(zhì)量。更具體地說，這2個系統(tǒng)在其架構(gòu)設(shè)計中分別使用中心協(xié)作模式和傳感器到射手協(xié)作(縮寫為S2S協(xié)作)模式。在這個實驗中，設(shè)計了一個引導(dǎo)導(dǎo)彈的情景。在中心協(xié)作模式下，當(dāng)傳感器(例如雷達(dá))檢測到威脅目標(biāo)(例如敵方導(dǎo)彈)時，它們將信息發(fā)送到指揮和控制崗位。然后指揮和控制崗位作出決定并分配武器系統(tǒng)(如攔截導(dǎo)彈現(xiàn)場)。

攔截敵方導(dǎo)彈，如圖4(a)所示。與中心協(xié)作模式不同，傳感器可以直接在傳感器到射手協(xié)作模型中向武器系統(tǒng)發(fā)送信息。根據(jù)這些信息，武器的控制系統(tǒng)可以獨立確定如何攔截敵方導(dǎo)彈，如圖4(b)所示。

(a) 中心輔助模型 (b) S2S輔助模型圖4 2種導(dǎo)彈攔截系統(tǒng)輔助模型

在這種情況下，有一個敵方導(dǎo)彈，3個傳感器(即衛(wèi)星、長距離雷達(dá)和短距離雷達(dá))，一個指揮和控制站以及一個攔截導(dǎo)彈場。實驗在2個條件下進(jìn)行：無干擾和電子干擾。在電子干擾的情況下，添加了一個干擾源。

3.2 執(zhí)行

3.2.1 體系結(jié)構(gòu)描述

在本實驗開始時，描述了2個系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。首先，對系統(tǒng)設(shè)計文件進(jìn)行了研究。其次，對應(yīng)DSEA框架的設(shè)計階段，在設(shè)計文檔中捕獲了體系結(jié)構(gòu)元素，并使用IBM RSA建模工具[19]將它們描述為DoDAF模型。表1中列出了體系結(jié)構(gòu)描述的特征。

表1 體系結(jié)構(gòu)特征描述

3.2.2 模型轉(zhuǎn)換和模擬執(zhí)行

對應(yīng)DSEA框架的模擬階段，通過模擬體系結(jié)構(gòu)模型，在實驗中集成OPNET[20]和Simulink建立了一個仿真平臺[21]，進(jìn)而將體系結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換為仿真模型。根據(jù)筆者以前的工作[22]中定義的規(guī)則，將3.2.1節(jié)的體系結(jié)構(gòu)模型自動轉(zhuǎn)換為可直接輸入到已建模擬平臺的模型。如3.1節(jié)所述，整個模擬分為2組(即無干擾和干擾)。在每組中，執(zhí)行30次模擬。

3.3 實驗結(jié)果和分析

3.3.1 結(jié)果收集

對應(yīng)DSEA框架的評估階段，在每次模擬之后，計算ICom、ICor和ICur。在這個實驗中，由于只有一個敵方導(dǎo)彈，ICom是通過對3個傳感器(即衛(wèi)星、長波雷達(dá)和短波雷達(dá))的探測速率進(jìn)行平均來計算的。對于ICor，只計算了一個信息項“敵方導(dǎo)彈的距離精度”，這是3個傳感器報告的距離精度的平均值。

3.3.2 分析和討論

對應(yīng)DSEA框架的分析階段，通過實驗平均結(jié)果，比較了中心協(xié)作模式和S2S協(xié)作模式的ICom、ICor和ICur，分別如圖5～圖7所示。從圖5～圖7可以看出，在不干擾的情況下，這2種模式的完整性(ICom)和正確性(ICor)幾乎相同，而對于及時性(ICur)，S2S協(xié)作模式優(yōu)于中心協(xié)作模式，因為傳感器可以在S2S協(xié)作模式下直接向武器發(fā)送信息。在干擾的情況下，從圖5～圖7可以看出，ICom、ICor和ICur在中心協(xié)作模式和S2S協(xié)作模式下都變得更差。尤其是，S2S協(xié)作模式下的ICom比中心協(xié)作下的ICom減少得多，如圖5所示。

圖5 中心協(xié)作模式與S2S協(xié)作模式完整性的比較

圖6 中心協(xié)作模式與S2S協(xié)作模式正確性的比較

圖7 中心協(xié)作模式與S2S協(xié)作模式通用性的比較

為了計算信息質(zhì)量，首先導(dǎo)出來自參與專家的5個度量的權(quán)重，如表2所示。

表2 5種標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重

其次，通過分析這2個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(在3.1節(jié)中描述)來計算相關(guān)性(IRel)和共享程度(ISE)。最后，信息質(zhì)量是基于1.3節(jié)提出的方法計算的，如表3所列。

表3 信息質(zhì)量評估結(jié)果

從表3的ICur欄中可以看出，S2S協(xié)作模式的性能要優(yōu)于中心協(xié)作模式，無論是在不干擾條件下，還是在干擾條件下。通過對表1中描述的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析，可以看到S2S協(xié)作模式下節(jié)點/系統(tǒng)之間交互較少的事實節(jié)省了傳輸時間并導(dǎo)致高通用性。例如，在OV-5和SV-10c中，S2S協(xié)作模式下的活動/系統(tǒng)和流量/事件明顯少于中心協(xié)作模式下的活動/系統(tǒng)和流量/事件。換句話說，目標(biāo)信息在中心協(xié)作模式下通過更長的路徑和更多的系統(tǒng)進(jìn)行傳輸和處理，從而導(dǎo)致低通用性。對于度量完整性(ICom)和正確性(ICor)，通過分析描述的架構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這2個度量主要受檢測和識別目標(biāo)能力的影響。根據(jù)3.1節(jié)介紹的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，只有指揮控制站配備了多傳感器信息融合系統(tǒng)。在中心協(xié)作模式下，由不同傳感器采集到的所有情報信息匯聚到指揮控制站后，被用于計算目標(biāo)位置。通過信息融合和修改，這種模式可以顯著提高干擾條件下的完整性和正確性。相反，在S2S協(xié)作模式下，武器系統(tǒng)高度依賴單個傳感器(即短波雷達(dá))來獲得目標(biāo)位置。因此，對傳感器的干擾會嚴(yán)重降低武器系統(tǒng)的信息質(zhì)量，甚至導(dǎo)致其失去目標(biāo)。

評估指控系統(tǒng)體系架構(gòu)的信息質(zhì)量，旨在為指控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的改進(jìn)和決策提供建議?；谝陨戏治龊捅?中的結(jié)果，可以得出結(jié)論：使用S2S協(xié)作模式可以在不干擾的情況下提供更高的信息質(zhì)量，而使用中心協(xié)作模式可以在干擾的情況下提供更高的信息質(zhì)量。該評估結(jié)論得到了有關(guān)專家的證實。

4 結(jié)束語

指控系統(tǒng)是大型、復(fù)雜、實時和軟件密集型系統(tǒng)。隨著指控系統(tǒng)變得更大更復(fù)雜，架構(gòu)在系統(tǒng)的整個生命周期中扮演更重要的角色。信息質(zhì)量通常是衡量指控系統(tǒng)有效性的重要指標(biāo)。然而，在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，缺乏一種基于體系結(jié)構(gòu)設(shè)計來評估指控系統(tǒng)信息質(zhì)量的方法。因此，本文提出了一種架構(gòu)級信息質(zhì)量評估方法，包括信息質(zhì)量度量和度量權(quán)重分配和綜合方法。此外，還提供了一種框架來系統(tǒng)地進(jìn)行架構(gòu)級指控系統(tǒng)的信息質(zhì)量評估。利用本文提出的信息質(zhì)量模型，可以基于指控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)模型有效地評估信息質(zhì)量。在接下來的工作中，筆者打算通過發(fā)射多個敵方目標(biāo)來擴(kuò)展實驗，并將提出的方法應(yīng)用于更多案例。