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        預(yù)警衛(wèi)星情報(bào)處理系統(tǒng)效能評(píng)估*

        2019-06-14 09:26:26李文杰閆世強(qiáng)王成良
        火力與指揮控制 2019年4期
        關(guān)鍵詞:備份情報(bào)效能

        李文杰,閆世強(qiáng),江 晶,王成良

        (空軍預(yù)警學(xué)院,武漢 430019)

        0 引言

        情報(bào)處理系統(tǒng)是預(yù)警衛(wèi)星地面站系統(tǒng)的重要組成部分,其任務(wù)是接收預(yù)警衛(wèi)星下傳的紅外圖像情報(bào)數(shù)據(jù),高速完成存儲(chǔ)、處理、分析和顯示等一系列操作,實(shí)時(shí)檢測(cè)和跟蹤初始段彈道導(dǎo)彈目標(biāo)。未來,伴隨著預(yù)警衛(wèi)星的部署規(guī)模增大、單星探測(cè)分辨率增加和紅外波段數(shù)的不斷擴(kuò)展,系統(tǒng)面臨著海量情報(bào)處理的巨大壓力,因此,科學(xué)地評(píng)估預(yù)警衛(wèi)星情報(bào)處理系統(tǒng)的效能,對(duì)于分析預(yù)警衛(wèi)星的探測(cè)能力具有重要意義。

        1 預(yù)警衛(wèi)星情報(bào)處理系統(tǒng)任務(wù)需求

        預(yù)警衛(wèi)星情報(bào)的數(shù)據(jù)流程如圖1所示。預(yù)警衛(wèi)星對(duì)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行全天候監(jiān)視,對(duì)目標(biāo)和背景輻射信息進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè),探測(cè)情報(bào)信息經(jīng)中繼衛(wèi)星或直傳至地面站,情報(bào)處理系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)資源和集群計(jì)算資源,完成目標(biāo)檢測(cè)、發(fā)現(xiàn)、跟蹤和彈道估計(jì)等一系列工作,并將結(jié)果輸出至指控終端[1]。

        預(yù)警衛(wèi)星情報(bào)處理系統(tǒng)由系統(tǒng)應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)資源、集群計(jì)算資源和顯示終端組成,主要任務(wù)包括以下4個(gè)方面:實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星下傳的海量紅外圖像和參數(shù)信息;負(fù)責(zé)進(jìn)行情報(bào)信息的存儲(chǔ)、管理和備份工作;負(fù)責(zé)進(jìn)行情報(bào)處理與分析,實(shí)時(shí)檢測(cè)、發(fā)現(xiàn)和跟蹤彈道導(dǎo)彈等紅外目標(biāo),并對(duì)彈道進(jìn)行估計(jì)[2];組織開展相關(guān)應(yīng)用與研究。

        根據(jù)預(yù)警衛(wèi)星海量情報(bào)處理系統(tǒng)的任務(wù),具體分析完成任務(wù)過程中的各項(xiàng)需求,總結(jié)如下:

        1)系統(tǒng)需要大容量的存儲(chǔ)設(shè)備保存海量的衛(wèi)星情報(bào)數(shù)據(jù),包括數(shù)年間的探測(cè)數(shù)據(jù)以及備份,同時(shí)具備較高的處理速度。

        2)系統(tǒng)需要強(qiáng)大的處理能力以確保情報(bào)處理和分析速度,要求系統(tǒng)具備低延時(shí)、高帶寬、高精度、低誤碼率的特性。

        3)系統(tǒng)具備較高檢測(cè)概率、較低的虛警率,并且能同時(shí)探測(cè)多個(gè)目標(biāo),具備較高的飽和條件和良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

        4)系統(tǒng)應(yīng)具備較好的可擴(kuò)展和高效運(yùn)行能力,以適應(yīng)不斷增大的情報(bào)數(shù)據(jù)量和任務(wù)需求。

        5)系統(tǒng)應(yīng)具備良好的可靠性,具備全天候正常工作和故障時(shí)短時(shí)間恢復(fù)系統(tǒng)功能的能力。

        2 構(gòu)建效能評(píng)估指標(biāo)

        2.1 效能指標(biāo)選取原則

        效能評(píng)估指標(biāo)應(yīng)盡量全面地反映評(píng)估對(duì)象的主要方面,效能評(píng)估指標(biāo)越全面,評(píng)估結(jié)果就越客觀、越合理、但過多的指標(biāo)就會(huì)增加評(píng)估的復(fù)雜度和難度,因此,效能指標(biāo)的選取應(yīng)遵循以下原則[3]:

        1)最簡(jiǎn)性。即在基本滿足評(píng)估要求和給定作戰(zhàn)任務(wù)需求的基礎(chǔ)上,盡量確立較少的關(guān)鍵指標(biāo)。

        2)可測(cè)性。即盡量選擇容易定量計(jì)算的指標(biāo)和容易準(zhǔn)確確定的關(guān)鍵指標(biāo),這樣既能減少評(píng)估的復(fù)雜性,又可以提高決策的科學(xué)性,降低主觀隨意性。

        3)客觀性。即指標(biāo)能逼真地與被評(píng)估系統(tǒng)發(fā)生聯(lián)系,較真實(shí)地反應(yīng)在作戰(zhàn)需求下被評(píng)估系統(tǒng)的各項(xiàng)性能、特征和性質(zhì)。

        4)完備性。即各指標(biāo)可以比較完整地表現(xiàn)被評(píng)估系統(tǒng)的各項(xiàng)內(nèi)容。

        5)獨(dú)立性。即各指標(biāo)之間應(yīng)盡量相互獨(dú)立,減少指標(biāo)內(nèi)涵之間的重疊度,使得結(jié)果比較切合實(shí)際。

        2.2 構(gòu)建系統(tǒng)效能評(píng)估指標(biāo)體系

        目前,國(guó)內(nèi)對(duì)預(yù)警衛(wèi)星情報(bào)處理系統(tǒng)效能評(píng)估方面的研究還是一項(xiàng)空白,而且未見國(guó)外的相關(guān)報(bào)道,可供參考的資料十分有限??紤]到情報(bào)處理系統(tǒng)既是技術(shù)密集型裝備,又是預(yù)警衛(wèi)星地面站的重要組成部分,因此,評(píng)估指標(biāo)體系既要包括一般的情報(bào)處理系統(tǒng)的評(píng)估指標(biāo),又要突出面向預(yù)警衛(wèi)星反導(dǎo)作戰(zhàn)任務(wù)需求的評(píng)估指標(biāo)。充分考慮其任務(wù)特性,并依據(jù)指標(biāo)體系構(gòu)建原則,構(gòu)建預(yù)警衛(wèi)星情報(bào)處理系統(tǒng)效能評(píng)估指標(biāo)體系,層次上分為效能層、能力層和指標(biāo)層,如圖2所示。

        圖2 預(yù)警衛(wèi)星情報(bào)處理系統(tǒng)效能評(píng)估指標(biāo)體系

        3 系統(tǒng)效能評(píng)估模型

        由預(yù)警衛(wèi)星情報(bào)處理系統(tǒng)評(píng)估指標(biāo)體系可見,系統(tǒng)效能由情報(bào)處理能力、目標(biāo)檢測(cè)能力、資源運(yùn)用能力和系統(tǒng)服務(wù)能力組成,能力層的效能模型由指標(biāo)層的效能模型進(jìn)行具體描述,最終構(gòu)成系統(tǒng)的整體效能。

        3.1 情報(bào)處理能力效能模型

        情報(bào)處理能力是用來表征情報(bào)處理系統(tǒng)處理情報(bào)的能力,由處理容量、處理速率、處理精度3個(gè)指標(biāo)組成。

        3.1.1 處理容量

        處理容量[4]表征情報(bào)處理系統(tǒng)能夠處理的最大情報(bào)數(shù)量,反映了系統(tǒng)同時(shí)檢測(cè)、發(fā)現(xiàn)、跟蹤多批目標(biāo)的能力,用D1表示。D0表示滿足作戰(zhàn)需求的處理容量值。則處理容量效能可由式(1)表示:

        3.1.2 處理速率

        處理速率[5]反映情報(bào)處理系統(tǒng)處理情報(bào)的速度,是體現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)效性的重要指標(biāo),用V1表示情報(bào)處理系統(tǒng)處理速率效能,V0表示滿足作戰(zhàn)任務(wù)需求的處理速率值,則其效能模型可表示為:

        3.1.3 處理精度

        處理精度效能可細(xì)分為方位精度效能C131和時(shí)間精度效能C132,用來表示系統(tǒng)在空間維和時(shí)間維上的精確處理程度,可由M次采樣并與真值進(jìn)行比較后得出,可表示為:

        式中,M 為總采樣次數(shù);a0、am、ea、C131分別為真實(shí)方位、測(cè)量方位、方位測(cè)量誤差、方位精度效能;t0、tm、et、C132分別為真實(shí)時(shí)間、測(cè)量時(shí)間、時(shí)間測(cè)量誤差、時(shí)間精度效能;er0和et0分別表示滿足作戰(zhàn)任務(wù)需求所要達(dá)到的方位測(cè)量誤差和時(shí)間測(cè)量誤差。由此可以得出系統(tǒng)處理精度的效能為:

        3.2 目標(biāo)檢測(cè)能力效能模型

        目標(biāo)檢測(cè)能力用于描述系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并正確識(shí)別彈道導(dǎo)彈目標(biāo)的能力,效能模型具體如下。

        3.2.1 檢測(cè)概率和虛警概率效能模型

        檢測(cè)概率和虛警概率可表示為如下二元判決問題[6]:

        3.2.2 檢測(cè)時(shí)間

        檢測(cè)時(shí)間關(guān)系到系統(tǒng)整體的時(shí)效性,及時(shí)地識(shí)別目標(biāo)可提供足夠預(yù)警時(shí)間,可表示為:

        其中,T1i表示預(yù)警衛(wèi)星第i次測(cè)量時(shí),情報(bào)處理系統(tǒng)接收到情報(bào)的時(shí)刻;T2i表示預(yù)警衛(wèi)星第i次測(cè)量時(shí),處理結(jié)果輸出至指控終端時(shí)刻。經(jīng)過多次采樣測(cè)量,對(duì)所得結(jié)果求平均值,可得到系統(tǒng)的平均時(shí)延ΔT。

        系統(tǒng)時(shí)延效能可用下式表示,其中ΔT0表示滿足系統(tǒng)需求的時(shí)延值。

        3.3 資源運(yùn)用能力效能模型

        依靠單臺(tái)計(jì)算機(jī)很難滿足處理海量情報(bào)的需求[7],因此,當(dāng)前多采用多臺(tái)物理機(jī)組成的分布式并行計(jì)算框架以滿足系統(tǒng)工作需求,但是卻存在系統(tǒng)資源利用率低和負(fù)載不均衡等問題,因此,對(duì)系統(tǒng)的資源運(yùn)用能力進(jìn)行評(píng)估對(duì)提升系統(tǒng)性能具有重要意義。

        3.3.1 系統(tǒng)資源利用率

        系統(tǒng)資源利用率[8]主要體現(xiàn)在內(nèi)存資源利用率和計(jì)算資源利用率兩個(gè)方面,利用率越高說明系統(tǒng)的效能發(fā)揮得越充分,下面利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述。

        假設(shè)2:物理機(jī)mk的資源集合為

        3.3.2 資源負(fù)載均衡度

        隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大,物理機(jī)之間負(fù)載不均衡成為抑制系統(tǒng)性能發(fā)揮的一個(gè)重要因素。系統(tǒng)的負(fù)載均衡度效能可由式(14)表示:

        式中,URn表示單個(gè)物理機(jī)mn中資源R的利用率;表示資源R的不均衡度;表示系統(tǒng)的平均資源R利用率,如式(15)所示。

        負(fù)載不均衡度的值總在0~1之間,值越小說明系統(tǒng)的負(fù)載分布越均衡,系統(tǒng)的整體性能越高。

        3.4 系統(tǒng)服務(wù)能力

        系統(tǒng)服務(wù)能力描述情報(bào)處理系統(tǒng)穩(wěn)定工作、可持續(xù)運(yùn)行的能力,指標(biāo)上利用可擴(kuò)展性、可靠性和容災(zāi)備份進(jìn)行具體描述。

        3.4.1 系統(tǒng)可擴(kuò)展性

        系統(tǒng)可擴(kuò)展性[9]描述系統(tǒng)在增加資源后能否保持原有的處理效率。假設(shè)R和R'分別是系統(tǒng)擴(kuò)展前后的資源量,S(W)和S(W')分別是系統(tǒng)擴(kuò)展前后的加速比,則系統(tǒng)可擴(kuò)展性可表示為:

        可擴(kuò)展性的理想值為1,即擴(kuò)展前后處理效率一致,但是實(shí)際情況下無法達(dá)到這一要求。

        3.4.2 系統(tǒng)可靠性

        情報(bào)處理系統(tǒng)的復(fù)雜性較大,系統(tǒng)的任務(wù)過程通常分成多個(gè)階段進(jìn)行,每個(gè)階段需要多種分系統(tǒng),功能單元配合完成。各個(gè)組成部分的質(zhì)量好壞都會(huì)直接或間接地影響任務(wù)的完成程度。因此,對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評(píng)估十分重要。

        情報(bào)處理系統(tǒng)的可靠性可定義為系統(tǒng)成功完成所有階段任務(wù)的概率,可用式(17)表示[10]。

        式中,Ai表示第i階段的任務(wù)完成狀態(tài),Ai=1表示第i階段任務(wù)未完成,Ai=0表示第i階段任務(wù)完成;Pr{}表示事件發(fā)生概率。

        對(duì)系統(tǒng)可靠性的評(píng)估可采用基于故障樹分析的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法[11],其可以形象、直觀地描述系統(tǒng)中故障事件的內(nèi)在關(guān)系,有利于對(duì)系統(tǒng)的故障模式進(jìn)行梳理,發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié),提高可靠性分析精度。

        3.4.3 容災(zāi)備份

        容災(zāi)備份是為防止設(shè)備損壞、系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失和網(wǎng)絡(luò)中斷影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)正常工作而采取的備份措施。情報(bào)處理系統(tǒng)作為信息密集型系統(tǒng),存在著一定的故障風(fēng)險(xiǎn),因此,容災(zāi)備份能力是情報(bào)處理系統(tǒng)在故障情況下迅速還原功能的重要保證,這里定義容災(zāi)備份能力為系統(tǒng)從故障狀態(tài)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)所需時(shí)間占系統(tǒng)運(yùn)行總時(shí)間的比例。所需時(shí)間比例越小表示容災(zāi)備份能力越強(qiáng),其效能E43可表示為:

        式中,Trepair為故障恢復(fù)時(shí)間;Twork為正常工作時(shí)間。

        特別是對(duì)于雙機(jī)熱備份方式,由于系統(tǒng)故障時(shí)備份系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行接替,Trepair趨近于0,因此,其容災(zāi)備份能力為1。

        3.5 預(yù)警衛(wèi)星情報(bào)處理系統(tǒng)效能綜合評(píng)估模型

        通過構(gòu)建上述能力層和指標(biāo)層的效能模型,系統(tǒng)的效能綜合評(píng)估模型由式(19)表示,其中當(dāng)情報(bào)處理能力和目標(biāo)檢測(cè)能力中的任一指標(biāo)效能為0,則認(rèn)為系統(tǒng)不具備完成任務(wù)的能力,此時(shí)整體效能為0。

        式中,C為系統(tǒng)綜合效能,Ci為能力層效能,wi為能力層權(quán)重,wij為指標(biāo)層效能權(quán)重,Cij為指標(biāo)層效能。權(quán)重值可采用基于主成分分析的方法確定[12]。

        4 算例

        根據(jù)上文構(gòu)建的效能指標(biāo)體系建立效能評(píng)估表,如下頁表1所示。

        表1 預(yù)警衛(wèi)星情報(bào)處理系統(tǒng)評(píng)估表

        表2 效能評(píng)估指標(biāo)權(quán)重集

        再根據(jù)專家采取評(píng)分制原則對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行打分,并對(duì)評(píng)分結(jié)果進(jìn)行主成分分析,最終得到指標(biāo)權(quán)重集,如表2所示。

        由式(19)可得系統(tǒng)綜合效能為:

        5 結(jié)論

        當(dāng)前,預(yù)警衛(wèi)星在彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中的作用日益凸顯,情報(bào)處理系統(tǒng)作為其重要組成部分,正確地評(píng)估其效能對(duì)于裝備的論證、改進(jìn)以及分析預(yù)警衛(wèi)星的探測(cè)能力都具有重要的指導(dǎo)作用。本文針對(duì)當(dāng)前預(yù)警衛(wèi)星情報(bào)處理系統(tǒng)面臨海量情報(bào)信息處理的現(xiàn)狀,通過分析系統(tǒng)的任務(wù)需求,依據(jù)效能評(píng)估指標(biāo)構(gòu)建原則,建立了預(yù)警衛(wèi)星海量情報(bào)處理系統(tǒng)評(píng)估體系,并通過對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行分析和建模,給出了效能綜合評(píng)估模型,為下一步預(yù)警衛(wèi)星的整體評(píng)估工作奠定基礎(chǔ)。

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