李 峰,朱 巍,劉 波

(國防科技大學(xué)信息通信學(xué)院,湖北 武漢 430000)

戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)是構(gòu)成未來聯(lián)合作戰(zhàn)不可或缺的“末端神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”,是戰(zhàn)場信息獲取、指揮控制和信息服務(wù)的傳輸紐帶[1],是信息化條件下“信息主導(dǎo)”、“體系支撐”、“聯(lián)合制勝”的重要武器系統(tǒng)。如何科學(xué)、準(zhǔn)確、有效地對(duì)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能進(jìn)行評(píng)估,已經(jīng)成為戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)研究中的一個(gè)重要課題。

戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估缺乏系統(tǒng)的評(píng)估理論、合理的效能評(píng)估機(jī)制和實(shí)用的評(píng)估支持系統(tǒng),使得戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估存在諸多困難。傳統(tǒng)的評(píng)估模式大多采用基于專家打分[2]、AHP[3]和模糊綜合評(píng)價(jià)[4]等具有很強(qiáng)主觀因素的方式進(jìn)行模型構(gòu)建,由于專家知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和閱歷的不同以及不同專家對(duì)評(píng)估問題認(rèn)知的差異,其所構(gòu)建的模型易受質(zhì)疑且評(píng)估方法往往缺乏一定的合理性和嚴(yán)謹(jǐn)性。

1 戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估特點(diǎn)

戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)由于裝備體系多樣,組織實(shí)施靈活，戰(zhàn)技術(shù)性復(fù)雜,所以擁有復(fù)雜系統(tǒng)所擁有的共性特點(diǎn),即:不確定性[5]、涌現(xiàn)性[6]、非線性等。而戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)作為我軍陸上機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)信息通信系統(tǒng)的重要組成部分,它又擁有“立體組網(wǎng),隨遇接入”、“業(yè)務(wù)綜合、帶寬高效”、“適應(yīng)環(huán)境、抗擾抗毀”、“組織靈活、運(yùn)用方便”、“多重防護(hù)、可信可靠”[7]等特點(diǎn)。針對(duì)這些共性和個(gè)性特點(diǎn),戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估具有模糊性、動(dòng)態(tài)性和綜合性等特點(diǎn)。

1.1 模糊性

由于影響戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能的指標(biāo)類型和數(shù)量較多,且指標(biāo)體系構(gòu)建具有不確定性,各指標(biāo)因素有的可定量描述，有的難以定量描述,甚至有些指標(biāo)連定性描述都比較困難,這些指標(biāo)自身描述的不確定性會(huì)導(dǎo)致效能評(píng)估的模糊性，而且各指標(biāo)參數(shù)數(shù)據(jù)來源具有多源性,更加導(dǎo)致了效能評(píng)估的模糊性。

1.2 動(dòng)態(tài)性

信息化條件下作戰(zhàn)節(jié)奏加快,戰(zhàn)場態(tài)勢(shì)瞬息萬變,對(duì)于戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)靈活組網(wǎng)、抗毀抗擾提出了更高的要求,而網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、裝備運(yùn)用的不斷變化,作戰(zhàn)保障任務(wù)的階段不斷變化,勢(shì)必導(dǎo)致效能評(píng)估存在動(dòng)態(tài)性。

1.3 綜合性

戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估不是各個(gè)子系統(tǒng)或要素通信能力的簡單疊加,而是通過信息力的主導(dǎo)作用和網(wǎng)系融合作用凝聚成的綜合效能,以整體性、非線性的方式呈現(xiàn)。戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估既不是一個(gè)單純的方法問題,也不是一個(gè)簡單的技術(shù)問題,而是涉及范圍廣、影響因素多、復(fù)雜程度高的綜合性問題。

2 戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估模型構(gòu)建

2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估指標(biāo)體系是由影響戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能發(fā)揮的一系列相互聯(lián)系、相互制約的因素所構(gòu)成的有機(jī)整體,是開展戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估的基本依據(jù),其科學(xué)性與否直接影響評(píng)估結(jié)果的合理性和有效性。傳統(tǒng)方法[8-10]一般是從目標(biāo)層、屬性層、方案層3個(gè)層面構(gòu)建效能指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系簡單、快捷,但自適應(yīng)性和反饋機(jī)制較差,不適應(yīng)大型復(fù)雜系統(tǒng)的效能評(píng)估。本文主要采用“通用性”加“特殊性”的評(píng)估框架結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)整體效能綜合評(píng)價(jià),其中,通用性是指一般軍事通信網(wǎng)絡(luò)的普遍性指標(biāo)集,特殊性是指針對(duì)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)軍事特點(diǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)集。為了簡化指標(biāo)數(shù)量和驗(yàn)證指標(biāo)體系的合理性,采用了基于Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)挖掘[11]的方法最大限度地從大量預(yù)測(cè)指標(biāo)中分析挖掘出對(duì)效能評(píng)估具有顯著影響的特性因素集,其指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估指標(biāo)體系

其中，軍事通信通用性指標(biāo)為:數(shù)據(jù)傳輸、可靠性、抗干擾性和安全性。戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)特殊性指標(biāo)為:態(tài)勢(shì)感知、指揮決策和機(jī)動(dòng)性。

2.2 指標(biāo)權(quán)重處理

指標(biāo)權(quán)重是各指標(biāo)因素對(duì)目標(biāo)客體評(píng)估貢獻(xiàn)的大小,確定指標(biāo)權(quán)重就是對(duì)各評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán),其科學(xué)與否將直接影響評(píng)估結(jié)果的正確性。目前指標(biāo)權(quán)重確定方法有主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法和綜合賦權(quán)法[12-14]。

本文根據(jù)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性采用基于Entropy Method的方法來確定戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)各指標(biāo)的權(quán)重。并在此基礎(chǔ)上,針對(duì)戰(zhàn)場態(tài)勢(shì)和保障任務(wù)的不斷變化,為提升整體評(píng)估系統(tǒng)的魯棒性和精確性,將Dynamic權(quán)值修正方法加入戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估中。

Entropy Method[15]是根據(jù)同一指標(biāo)觀測(cè)值的差異程度來計(jì)算權(quán)重的方法。一般來說,指標(biāo)值的離散程度越大,熵值就越小,說明該指標(biāo)包含的信息量較大,對(duì)評(píng)估對(duì)象的分辨能力強(qiáng)[16]其權(quán)重也就越大。當(dāng)評(píng)估對(duì)象的某項(xiàng)指標(biāo)值完全相同時(shí),熵值達(dá)到最大,這意味著該指標(biāo)無有用信息,可以從指標(biāo)體系中剔除。利用Entropy Method算法和Dynamic權(quán)值修正對(duì)權(quán)重進(jìn)行處理,其方法步驟如下:

第1步:計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的熵值ei,計(jì)算公式如下

(1)

其中,k=1/(lnm),k是一個(gè)與樣本方案數(shù)量m有關(guān)的常數(shù)。yij是經(jīng)過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)參數(shù)集。

第2步:計(jì)算評(píng)估指標(biāo)的差異系數(shù)gi,差異系數(shù)體現(xiàn)的是某項(xiàng)指標(biāo)的信息效用價(jià)值。

gi=1-ei

(2)

第3步:利用熵值法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重,其核心思想是計(jì)算該指標(biāo)的差異系數(shù),差異系數(shù)越大,該指標(biāo)的重要性就越高,其權(quán)重也越大。其權(quán)重計(jì)算公式為

(3)

第4步:戰(zhàn)場態(tài)勢(shì)瞬息萬變,隨著作戰(zhàn)時(shí)節(jié)和作戰(zhàn)階段的改變，戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的某一項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)如果急劇惡化,超出該指標(biāo)的閾值范圍時(shí),那么整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的性能也會(huì)受其影響出現(xiàn)大幅度地下降，甚至造成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)癱瘓。而在對(duì)網(wǎng)絡(luò)效能評(píng)估過程中,可能由于影響其網(wǎng)絡(luò)效能的指標(biāo)因素眾多,當(dāng)某個(gè)指標(biāo)數(shù)值急劇惡化并且超出該指標(biāo)的閾值范圍,而該指標(biāo)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中所占權(quán)重較小且其他影響網(wǎng)絡(luò)效能因素的指標(biāo)仍然在正常范圍內(nèi),得到的評(píng)估結(jié)果很有可能體現(xiàn)不了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的惡化。根據(jù)戰(zhàn)場情況對(duì)各指標(biāo)權(quán)重wi進(jìn)行Dynamic修正。其修正公式為

(4)

其中，wi0表示初始的權(quán)重值,xi表示指標(biāo)評(píng)價(jià)集∈[0,1],1表示指標(biāo)評(píng)價(jià)正常,0表示指標(biāo)評(píng)價(jià)惡化。若單個(gè)指標(biāo)超出該指標(biāo)的閾值范圍[u1,u2],則可判定其指標(biāo)評(píng)價(jià)數(shù)值xi為0；如果單個(gè)指標(biāo)未超出閾值范圍,則可判定其指標(biāo)評(píng)價(jià)數(shù)值xi為1。由式(4)可以看出，當(dāng)某個(gè)指標(biāo)因素的評(píng)價(jià)值趨近于0,而其他指標(biāo)因素評(píng)價(jià)值正常時(shí),該指標(biāo)因素的權(quán)重則趨近于1,而此時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的效能值卻為0,這分析結(jié)果與網(wǎng)絡(luò)上某個(gè)重要影響因素被癱瘓時(shí),網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能整體上也處于癱瘓狀態(tài)的事實(shí)符合。

3 戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估模型實(shí)現(xiàn)

3.1 指標(biāo)參數(shù)數(shù)據(jù)采集

指標(biāo)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集是戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估的關(guān)鍵性問題,數(shù)據(jù)來源的真實(shí)性直接影響評(píng)估結(jié)果的合理性和科學(xué)性?？蓪⒅笜?biāo)影響因素參數(shù)分為4種類型對(duì)其數(shù)據(jù)采集,如表1所示。

表1 指標(biāo)參數(shù)類型劃分

第一種為可直接測(cè)量得出或求出的指標(biāo)參數(shù)，如:節(jié)點(diǎn)數(shù)量、誤碼率、信噪比。第二種為通過一定的算法求出的指標(biāo)參數(shù)，如:網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、網(wǎng)絡(luò)容量、抗毀性等。第三種需要進(jìn)行實(shí)裝檢驗(yàn)或者仿真得到的指標(biāo)參數(shù)度量值，如:態(tài)勢(shì)更新時(shí)間、傳輸速率、傳輸時(shí)延等。第四種為只能進(jìn)行定性描述的指標(biāo)，如:機(jī)動(dòng)性、安全性等定性指標(biāo)。這類指標(biāo)可通過特定算法量化。

由于類型1指標(biāo)參數(shù)獲取較為簡單,類型3指標(biāo)參數(shù)采集需要依據(jù)實(shí)裝檢驗(yàn)或者仿真軟件獲取數(shù)據(jù),類型4指標(biāo)參數(shù)數(shù)據(jù)來源需要定性和定量描述,這里不在贅述。下面主要對(duì)類型2指標(biāo)參數(shù)獲取度量的算法進(jìn)行闡述。

1)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍

網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍是指所有通信節(jié)點(diǎn)覆蓋的總面積與作戰(zhàn)區(qū)域總面積的比值,是通信網(wǎng)絡(luò)區(qū)域覆蓋范圍程度的一個(gè)量度。

(5)

其中，P代表網(wǎng)絡(luò)的覆蓋程度;Ai表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)際通信覆蓋面積;N代表通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)量;A表示整個(gè)作戰(zhàn)區(qū)域的面積。

2)網(wǎng)絡(luò)容量

網(wǎng)絡(luò)容量表示網(wǎng)絡(luò)中每條鏈路信道的容量之和。

(6)

3)抗毀性能

抗毀性能表示戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)在突然遭遇敵方火力打擊情況下,部分通信節(jié)點(diǎn)被摧毀且無法搶修時(shí),而整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)依舊可以保持信息通信的能力。

(7)

(8)

其中，Ii表示節(jié)點(diǎn)的重要度,S表示通信網(wǎng)絡(luò)的抗毀度。α代表通信網(wǎng)絡(luò)效率,其值等于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)路徑距離倒數(shù)之和。M表示網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信鏈路數(shù)量。α′和M′代表網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點(diǎn)被打擊破壞后的網(wǎng)絡(luò)效率和鏈路數(shù)量。N代表通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量。依據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)重要度越平均,通信網(wǎng)絡(luò)抗毀傷能力就越強(qiáng)的評(píng)估思路,推理得出:當(dāng)S越小,則通信網(wǎng)絡(luò)的抗毀性能也越高。這也符合為了提高抗毀性能,戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)通常采用柵格化結(jié)構(gòu)的組網(wǎng)模式。

3.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

指標(biāo)參數(shù)的度量按類型可以分為定量型數(shù)據(jù)和定性型數(shù)據(jù)。對(duì)于定量型評(píng)估指標(biāo)參數(shù),采用隸屬度函數(shù)進(jìn)行無量綱和歸一化處理,可得出定量指標(biāo)數(shù)據(jù)集。這類評(píng)估指標(biāo)可以分為效應(yīng)型指標(biāo)、成本型指標(biāo)、居中型指標(biāo)和區(qū)間型指標(biāo)[17]。對(duì)于定性型評(píng)估指標(biāo)參數(shù),可以按照先定性,再分類,最后打分等級(jí)量化的方式進(jìn)行描述,然后對(duì)其量化描述的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理從而得到定性指標(biāo)的量化數(shù)據(jù)集。

1)定量指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理

①效益型指標(biāo)是指評(píng)估值越大越好的指標(biāo),其處理方法為

(9)

②成本型指標(biāo)是指評(píng)估值越小越好的指標(biāo),其處理方法為

(10)

③居中型指標(biāo)是指評(píng)估值越靠近中心越好的指標(biāo),其處理方法為

(11)

④區(qū)間型指標(biāo)是指評(píng)估值落在某一固定區(qū)間內(nèi)為最佳的指標(biāo),其處理方法為

(12)

2)定性指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理

(13)

(14)

(15)

3.3 評(píng)估模型的程序?qū)崿F(xiàn)

基于上述模型構(gòu)建思想,建立戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估分析系統(tǒng)。其系統(tǒng)流程為：

STEP1:針對(duì)構(gòu)建的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估指標(biāo)體系和指標(biāo)參數(shù)度量的數(shù)據(jù)采集構(gòu)造原始數(shù)據(jù)矩陣。設(shè)有m個(gè)評(píng)估方案,n個(gè)評(píng)估指標(biāo),構(gòu)造評(píng)估指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)X=[xij]m*n,其中xij表示第i個(gè)方案的第j項(xiàng)指標(biāo)。

STEP2: 構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y=[yij]m*n,其中yij就是依據(jù)本文標(biāo)準(zhǔn)化處理的數(shù)據(jù)。

STEP3:計(jì)算每個(gè)評(píng)估指標(biāo)的熵值ei。

STEP4:根據(jù)熵值ei獲取每個(gè)評(píng)估指標(biāo)的差異系數(shù)gi。

STEP5:利用每個(gè)指標(biāo)的差異系數(shù)gi計(jì)算得到指標(biāo)權(quán)重集wi。

STEP6:根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢(shì)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化,對(duì)指標(biāo)權(quán)重集wi進(jìn)行Dynamic修正。

系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估模型的程序?qū)崿F(xiàn)流程

4 仿真驗(yàn)證

依據(jù)本文建立的模型,利用Matlab對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。首先根據(jù)建立的指標(biāo)體系和指標(biāo)參數(shù)數(shù)據(jù)采集的方法,構(gòu)建戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)指標(biāo)參數(shù)訓(xùn)練集,依據(jù)Entropy Method算法和優(yōu)化的Dynamic Entropy Method算法分別獲取戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估指標(biāo)權(quán)重集。利用評(píng)估模型的實(shí)現(xiàn),比較 Entropy Method和 Dynamic Entropy Method的2種算法在戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估中的實(shí)際效能函數(shù)值。仿真結(jié)果如圖3、4所示。

從圖3和圖4的仿真結(jié)果來看,優(yōu)化過的Dynamic Entropy Method算法更貼切戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估的特點(diǎn)。上述兩種結(jié)果表明由于受戰(zhàn)場態(tài)勢(shì)不斷變化的影響,其評(píng)估指標(biāo)度量值隨著作戰(zhàn)時(shí)節(jié)不斷變化,其評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重和網(wǎng)絡(luò)效能值也呈現(xiàn)非線性變化。對(duì)于戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能進(jìn)行評(píng)估是一個(gè)多尺度、多指標(biāo)、動(dòng)態(tài)的復(fù)雜過程,戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能在一定程度上是個(gè)多目標(biāo)決策的過程,單目標(biāo)和單時(shí)節(jié)的評(píng)估都不能對(duì)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能進(jìn)行客觀準(zhǔn)確評(píng)估,只有對(duì)整個(gè)戰(zhàn)場態(tài)勢(shì)進(jìn)行全方位、全時(shí)節(jié)的客觀評(píng)估才能夠更加全面準(zhǔn)確地反映整個(gè)網(wǎng)絡(luò)效能,這也是本文基于Dynamic Entropy Method的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)效能評(píng)估的優(yōu)勢(shì)所在。

圖3 Entropy Method算法中指標(biāo)參數(shù)、權(quán)重與網(wǎng)絡(luò)效能的關(guān)系

圖4 Dynamic Entropy Method算法中指標(biāo)參數(shù)、權(quán)重與網(wǎng)絡(luò)效能的關(guān)系

5 結(jié)束語

本文圍繞戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估這一目標(biāo),深入分析了戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估的特點(diǎn),構(gòu)建了戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估指標(biāo)體系。根據(jù)不斷變化的戰(zhàn)場態(tài)勢(shì)對(duì)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估帶來的挑戰(zhàn),提出了一種基于Dynamic Entropy Method算法,并構(gòu)建了戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)效能評(píng)估模型,最后對(duì)其模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)證明該方法的有效性和合理性。