劉 彬， 張杰勇， 鐘 赟,2， 孫 鵬

(1.空軍工程大學信息與導航學院，西安, 710077；2.空軍工程大學裝備管理與無人機工程學院，西安, 710051)

隨著信息網(wǎng)絡技術在軍事領域的廣泛應用，軍事信息系統(tǒng)成為影響體系作戰(zhàn)效能的關鍵因素[1]。軍事信息系統(tǒng)作為軍隊戰(zhàn)斗力的“倍增器”、作戰(zhàn)體系要素的“黏合劑”和作戰(zhàn)指揮控制的“神經(jīng)中樞”[2]，是各級指揮所和指揮員開展作戰(zhàn)指揮控制活動的必要手段，對其運行維護水平進行定期定量評估，有利于促進軍事信息系統(tǒng)的建設和發(fā)展。

軍事信息系統(tǒng)評估涉及的對象、內(nèi)容和層次復雜，主要包含指標體系建立、指標權重確定和評估結(jié)果生成等基本步驟。根據(jù)評估方法的不同，軍事信息系統(tǒng)評估包括云模型方法[3]、灰色理論[4]、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡方法[5]、系統(tǒng)動力學方法[6]和區(qū)間方法[7]等。根據(jù)指標權重確定方法的不同，主要包括主觀權重確定法、客觀權重確定法和組合權重確定法。在實際評估問題中，可根據(jù)需要采用相應的權重確定法。

對于軍事信息系統(tǒng)評估工作，存在不同視角下的多樣化研究成果。文獻[8]針對面向服務構(gòu)建軍事信息系統(tǒng)過程中的不同生成方案，從服務組合方案和服務部署方案兩個方面出發(fā)建立指標體系，并按照專家意見一致性集結(jié)和基于指標相對優(yōu)勢關系評估的順序進行高效生成方案評估。文獻[9]從軍事信息系統(tǒng)體系作戰(zhàn)能力角度出發(fā)，建立包含信息基礎支撐能力、要素能力和任務能力在內(nèi)的分層指標體系，基于相應評估方法，提出評估支撐平臺的建設思路，并結(jié)合典型案例驗證提供了對軍事信息系統(tǒng)評估實踐的重要參考。文獻[10]針對軍事信息系統(tǒng)應用層攻擊問題，建立三級評估指標體系，采用雙因子主客觀組合賦權法確定指標權重，并建立具有學習機制和改進能力的模糊隸屬函數(shù)，進而設計包含單一和多種攻擊效能的系統(tǒng)應用層攻擊評估方法。文獻[11]針對指揮信息系統(tǒng)綜合評價問題，采用主觀層次分析法和客觀CRITIC法確定指標權重，并基于接近理想解排序方法進行系統(tǒng)評估排序。文獻[12]針對軍事信息系統(tǒng)運維人才能力評估問題，建立包含基本素質(zhì)維、業(yè)務知識維、崗位技能維和運維行動維的指標體系，構(gòu)建人才能力評估結(jié)構(gòu)方程模型，并進行參數(shù)估計與檢驗，最后給出人才能力評估模型的思考建議。

根據(jù)對上述已有研究成果的分析，提出以下可以進行拓展研究的方面：①當前對于軍事信息系統(tǒng)運維性能進行評估的研究相對較少；②在指標權重的確定過程中，主客觀信息融合方式和程度不夠科學合理；③當前研究大多屬于瞬時評估，未引入時間維影響進行動態(tài)評估。

1 系統(tǒng)運維指標體系及評估模型構(gòu)建

軍事信息系統(tǒng)運維是系統(tǒng)運維人員按照特定的方法手段和規(guī)章流程，對軍事信息系統(tǒng)各類環(huán)境、設備和軟件進行日常維護和綜合管理的活動[13]，對其評估主要包括指標體系和模型構(gòu)建兩個部分。

1.1 指標體系構(gòu)建

以某飛行保障軍事信息系統(tǒng)為例，軍事信息系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡運行子系統(tǒng)、安全防護子系統(tǒng)、文電傳輸子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、指揮控制子系統(tǒng)和情報保障子系統(tǒng)。

按照客觀獨立、完備可測的指標體系構(gòu)建原則，確定軍事信息系統(tǒng)運維的“6+20”指標體系。圖1為典型飛行保障軍事信息系統(tǒng)運維性能評估指標體系。

圖1 系統(tǒng)運維性能評估指標體系

其中，網(wǎng)絡運行維、安全防護維、文電傳輸維、視頻監(jiān)控維、指揮控制維和情報保障維為一級指標，網(wǎng)絡運行維包含網(wǎng)絡帶寬、網(wǎng)絡延遲、網(wǎng)絡丟包率、網(wǎng)絡吞吐量和網(wǎng)絡連通率5個二級指標，安全防護維包含日均病毒告警次數(shù)、安全檢查漏報率、安全策略添加率和硬件設備安全性檢測率4個二級指標，文電傳輸維包含文電傳輸時效性和文電傳輸準確率2個二級指標，視頻監(jiān)控維包含視頻區(qū)域覆蓋率、視頻呼點應答率和視頻音頻質(zhì)量3個二級指標，指揮控制維包含系統(tǒng)支撐能力、系統(tǒng)冗余備份能力和軟件容錯能力3個二級指標，情報保障維包含情報完整率、情報時效性和情報精度3個二級指標。對于所有指標，指標類型包括效益型指標和成本型指標兩類，效益型指標越大越好，成本型指標越小越好。

1.2 評估模型構(gòu)建

實際上，軍事信息系統(tǒng)作為長期運行系統(tǒng)，對其進行綜合評估，需要同時考慮系統(tǒng)運行水平和運行穩(wěn)定性兩個方面。與傳統(tǒng)性能評估不同的是，考慮時間維影響的性能評估是通過構(gòu)造評估系統(tǒng)在不同評估時點上運維綜合性能，形成完整時域上的系統(tǒng)運維性能評估結(jié)果。由于考慮時間維影響的性能評估是綜合考慮對象、指標和時間的三維評估問題，故具有一定的復雜性。在指標的初始取值方面，均由系統(tǒng)進行實時采集或階段性數(shù)據(jù)累積計算得到，如網(wǎng)絡帶寬、網(wǎng)絡延遲可以通過網(wǎng)絡分析軟件實時獲得，日均病毒告警次數(shù)、安全檢查漏報率可以通過上級監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)計生成。在得到初始數(shù)據(jù)基礎上，可采用相應的規(guī)范化方法進行處理。對于效益型指標和成本型指標，規(guī)范化方法分別為:

(1)

(2)

式中：x*為規(guī)范化后指標值；xmax為指標最大值；xmin為指標最小值。

首先，對系統(tǒng)運維性能評估的關鍵要素進行定義。令評估系統(tǒng)集合為S={s1,s2,…,sM} ，其中，M為評估系統(tǒng)的數(shù)量；令屬性指標集合為A={a1,a2,…,aN} ，其中，N為屬性指標的數(shù)量；令評估時點集合為T={t1,t2,…,tP} ，其中，P為評估時點的數(shù)量。令系統(tǒng)sm(1≤m≤M) 在時點tp(1≤p≤P) 的第n(1≤n≤N) 個經(jīng)過規(guī)范化處理的屬性指標取值為xmnp，則所有這樣的屬性指標取值構(gòu)成三維數(shù)據(jù)矩陣X。綜合考慮系統(tǒng)運維性能評估的各方面因素，可以建立評估模型為：

(3)

式中：wnp為指標an在評估時點tp的權重，通過主客觀信息綜合給出，用于衡量不同指標對系統(tǒng)運維性能的影響大??；rmn為評估系統(tǒng)sm在指標an上的穩(wěn)定性因子，一般而言，指標的穩(wěn)定性越強，則該指標對系統(tǒng)運維性能的正向影響越大；ωp是評估時點tp的權重，用于衡量不同評估時點對系統(tǒng)運維性能的影響大小。

從式(3)可以看出，考慮時域穩(wěn)定性的軍事信息系統(tǒng)運維性能評估模型綜合考慮了指標大小、指標權重、評估時點權重和指標穩(wěn)定性4個方面因素影響，實現(xiàn)了對軍事信息系統(tǒng)運維性能從瞬時評估向動態(tài)評估的轉(zhuǎn)變。

對于評估系統(tǒng)sm在指標an上的穩(wěn)定性因子rmn，采用評估系統(tǒng)sm的指標an在不同評估時點取值xmnp的方差值倒數(shù)進行度量，計算公式為

(4)

(5)

2 指標權重及評估時點權重確定

2.1 基于主客觀信息綜合的指標權重確定

考慮主觀信息確定指標權重過程中，首先由專家集合中具有不同權威度的多名專家集體給出各自的指標權重賦值，然后建立相應的主觀指標權重確定模型，最后通過對模型的求解可以得到主觀指標權重。

若專家集合為Z={z1,z2,…,zQ} ，專家zq(1≤q≤Q) 的權威度為φq。假定在評估時點tp，定義專家zq對指標xmnp的指標偏好度ζmnpq由專家給出指標權重值δnpq、專家權威度值φq和指標值xmnp共同決定，即有：

ζmnpq=δnpqφqxmnp

(6)

由于經(jīng)驗知識的差異，不同專家的指標偏好度各不相同。綜合考慮不同專家的指標偏好度，得到指標xmnp的專家平均偏好度ζmnp為：

(7)

根據(jù)主觀信息確定指標權重過程中，主要考慮使得指標xmnp的專家平均偏好度ζmnp及其實際值xmnp兩者之差絕對值的加權值最小，即可建立相應權重確定模型為:

(8)

考慮客觀信息確定指標權重過程中，主要采用基于離差最大化的指標權重確定方法?；舅枷胧侨羲性u估系統(tǒng)在某指標下的取值差異越小，則該指標對系統(tǒng)運維性能的影響程度越小，應賦予較小權重；反之，若所有評估系統(tǒng)在某指標下的取值差異越大，則該指標對系統(tǒng)運維性能的影響程度越大，應賦予較大權重。假定在評估時點tp，定義評估系統(tǒng)sm與其他評估系統(tǒng)sm′在指標an上的離差dmnp為

(9)

(10)

由此，可以建立基于離差最大化的客觀指標權重確定模型為:

(11)

綜合主觀和客觀信息，可以建立基于主客觀信息綜合的指標權重確定模型為式(12)；為求解如式(12)所示的規(guī)劃模型，構(gòu)造拉格朗日函數(shù)Lp(wnp,λ) 為式(13)，根據(jù)取Lp(wnp,λ) 極值條件，分別對wnp和λ進行求導，并令相應導函數(shù)為0，即有式(14)；聯(lián)立式(14)和式(15)，可求得式(16)；對所有wnp進行歸一化處理，可求得式(17)。

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

2.2 基于方差最小化的評估時點權重確定

評估時點權重向量Ω=(ω1,ω2,…,ωP) 的確定是軍事信息系統(tǒng)運維性能評估的關鍵一環(huán)[14]，評估時點權重方法主要包括熵值法、方差法和極小范數(shù)法。本文主要采用方差法確定評估時點權重。

首先，定義評估時點函數(shù)ρ為:

(18)

評估時點函數(shù)ρ具有一定的實際特性，當Ω=(1,0,…,0) 時，ρ=1；當Ω=(0,0,…,1) 時，ρ=0；當Ω=(1/P,1/P,…,1/P) 時，ρ=0.5 。因此，若ρ越接近于1，則遠期評估時點的權重相對越大；若ρ越接近于0，則近期評估時點的權重相對越大；若ρ越接近于0.5，則各評估時點的權重相對較為均衡。

方差法的具體原理為在給定評估時點函數(shù)ρ情況下，選取一組評估時點權重使得權重方差D(Ω) 最小，具體計算式為:

(19)

可以建立基于方差最小化的評估時點權重確定模型為:

(20)

(21)

根據(jù)r值和s值取值情況，可以將ρ∈(0,1)的取值情況采用析取式形式表征，即有:

(22)

(24)

(25)

(26)

通過滿足式(23)的給定ρ值，就可以通過式(24)～(26)計算最優(yōu)評估時點權重值。

3 仿真算例分析

為驗證相關方法的有效性和可靠性，在CPU核心頻率為2.27 GHz的計算機上，基于MATLAB2021a仿真平臺開展相應仿真驗證工作。

在參數(shù)設置方面，令參與評估的軍事信息系統(tǒng)數(shù)量N=5，令參與決策的專家數(shù)量為Q=3，權威度分別為0.58、0.65和0.83。

在確定評估時點權重時，令評估時點數(shù)量P=5，則根據(jù)式(23)，評估時點函數(shù)值ρ的取值范圍為[0.25,0.75]。若在評估過程中，更加注重近期運維性能，則令ρ取值為一較小值。根據(jù)式(24)～(26)，可計算得到最優(yōu)權重向量為Ω*=(0.12,0.16,0.20,0.24,0.28)，可以看出越是近期評估時點，其權重值越大，符合理論分析的結(jié)果。

表1為各評估時點下各評估系統(tǒng)的典型指標取值情況。表2為各評估系統(tǒng)指標的穩(wěn)定性因子取值情況。表3為各評估時點下指標權重大小。

分別取ρ為不同值，分析評估時點函數(shù)ρ對評估結(jié)果的影響。表4為ρ在不同取值下的評估結(jié)果?？梢钥闯觯敠阎等?.9時，評估結(jié)果分別為15.290 5、11.861 9、10.030、15.245 5和10.533 4，系統(tǒng)運維性能從優(yōu)到劣依次為s1>s4>s2>s5>s3；而在其他取值時，系統(tǒng)運維性能從優(yōu)到劣依次為s4>s1>s2>s5>s3。因此，ρ的取值越趨于1，對系統(tǒng)s1和s4的優(yōu)劣相對關系影響越大。

令ρ=0.4，將本文方法和未考慮穩(wěn)定性方法、文獻[15]方法進行對比，各方法的評估結(jié)果見表5。

表1 關鍵性指標取值情況

表1(續(xù))

表2 關鍵性指標的穩(wěn)定性因子

表3 關鍵性指標的權重大小

表4 不同時點函數(shù)ρ取值評估結(jié)果

表5 不同方法評估結(jié)果

從表5可以看出，考慮穩(wěn)定性方法與文獻[15]方法的排序情況一致，而未考慮穩(wěn)定性方法在s3和s5上與其他兩種方法存在差異。這是因為考慮穩(wěn)定性方法與文獻[15]方法在評估模型中均考慮了指標動態(tài)變化的影響，評估結(jié)果更加全面。

4 結(jié)語

考慮到軍事信息系統(tǒng)運維性能評估是一個多時域連續(xù)問題，本文提出了一種考慮時域穩(wěn)定性的系統(tǒng)運維評估方法。結(jié)合某飛行保障軍事信息系統(tǒng)運維實際，構(gòu)建評估指標體系；在系統(tǒng)運維評估模型中，綜合考慮各評估時點及指標穩(wěn)定性的影響；分別基于主客觀信息綜合和方差最小化思想，通過一定運算法則確定指標權重和評估時點權重；最后，通過仿真算例驗證了方法的有效性和可靠性。本文所提出的運維性能評估方法，可為軍事信息系統(tǒng)以及其他類似系統(tǒng)的運維評估提供一定方法借鑒。