基于云模型的防空C3I系統(tǒng)效能分析研究

摘 要:在分析防空C3I系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能特點和控制流程的基礎(chǔ)上，按照自頂向下遞階層次法建立了系統(tǒng)效能評估指標體系。通過云理論的運用，提出了一種基于云模型的系統(tǒng)效能評估方法，并結(jié)合實例進行了分析。該方法很好地克服了系統(tǒng)評估過程的模糊性和隨機性，具有較強的客觀性和可信性，對評估過程復(fù)雜且難以定量描述的問題具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞:C3I系統(tǒng); 指標體系; 云模型; 效能評估

中圖分類號:TN919-34; E211文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)21-0046-05

Efficiency Evaluation of Antiair C3I System Based on Cloud Model

ZHANG Xing， HU Jian-wang， FAN Shi-you

(Department of Optics and Electronic Engineering， Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China)

Abstract: Based on the analysis of structural and functional characteristics， and control process of C3I system for aerial defence， an index system of effectiveness evaluation is established by using the step-down hiberarchy method. An efficiency evaluation method of the cloud model by the aid of the cloud theory and is analyzed in combination with an example. This method overcomes the system′s faintness and randomicity in the evaluation process， and has good objectivity and creditability. The method has a certain reference value for complex evaluation process， especially when it′s hard to be described by quantitative value.

Keywords: C3I system; index system; cloud model; efficiency evaluation

0 引 言

C3I系統(tǒng)的效能分析研究對軍隊建設(shè)和國防工業(yè)發(fā)展有著十分積極的意義，可用于新型號研制時的分析比較或現(xiàn)有裝備輔助軍事行動計劃和決策。C3I系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，影響因素眾多，評價方法也多種多樣。分析當前常用的效能分析方法，發(fā)現(xiàn)評估中缺少一個有效且方便的定性與定量相互轉(zhuǎn)換模型。純定量的精確數(shù)學模型，忽略了評估中的不確定性，特別是模糊性和隨機性，它將導(dǎo)致評估結(jié)果缺少明確的物理含義。

云模型可將模糊性和隨機性完全結(jié)合在一起，充分實現(xiàn)精確數(shù)值和定性語言之間的轉(zhuǎn)換，因此，本文考慮采用一種基于李德毅院士提出的定性定量互換模型——云模型的系統(tǒng)效能評估方法。

在評估過程中用云來表示相應(yīng)的權(quán)值和評估值，從而準確地捕獲系統(tǒng)的不確定性和模糊性，確定定性概念的定量數(shù)據(jù)范圍，并可實現(xiàn)精確的數(shù)值表達與恰當定性評語之間的轉(zhuǎn)換。

1 建立防空C3I系統(tǒng)效能評估指標體系[1-3]

1.1 指標體系建立的原則

(1) 完備性:應(yīng)從現(xiàn)代條件下防空作戰(zhàn)對防空C3I系統(tǒng)的作戰(zhàn)需求出發(fā)， 對系統(tǒng)的組成、功能等各項指標進行深入分析，以便能全面反映系統(tǒng)的效能。

(2) 客觀性:指標要能夠真實地反映在作戰(zhàn)需求下防空C3I系統(tǒng)的各項型能、特征和性質(zhì)。

(3) 科學性:由于防空C3I系統(tǒng)效能的影響因素復(fù)雜多樣，應(yīng)分清主次，抓住主要因素，忽略次要因素，使得評價指標體系相對簡單，又不影響對系統(tǒng)評價的實質(zhì)。

1.2 自頂向下遞階層次指標體系建立法

基本思想:將系統(tǒng)由大到小、由頂層至底層按遞階層次逐步細化，每一層都是問題的完全劃分，逐步細劃到得出滿意指標為止，其流程如圖1所示。

圖1 自頂向下遞階層次法

具體步驟為:首先分析防空C3I系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，構(gòu)造出一個分析的結(jié)構(gòu)模型。在這樣的結(jié)構(gòu)模型中，系統(tǒng)分解為被稱作元素的組成部分，然后按其屬性把這些元素分組形成互不相交的層次，上一層次對相鄰下一層次的全部或部分元素起支配作用，這樣就形成了層次間自上而下的逐層支配關(guān)系。通過對系統(tǒng)做盡可能充分的了解和詳盡的分析研究，建立一個有效合理的遞階層次結(jié)構(gòu)，通過反復(fù)的論證調(diào)整，直到得到滿意的指標體系。

1.3 防空C3I系統(tǒng)效能評估指標體系

防空C3I系統(tǒng)的控制流程[4]如圖2所示。

圖2 防空C3I系統(tǒng)控制流程圖

經(jīng)分析可知，系統(tǒng)是通過情報獲取、傳輸、處理、情況判斷、下定決心到命令下達、組織實施等一系列軍事指揮及情報保障、通信保障活動作用于整個作戰(zhàn)環(huán)境的。根據(jù)建立評估指標體系應(yīng)遵循的原則，結(jié)合對系統(tǒng)的分析，按照1.2節(jié)所述方法步驟，得到影響防空C3I系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的因素主要包括信息獲取能力、信息處理能力、信息傳輸能力、指揮控制能力和系統(tǒng)可用程度，防空C3I系統(tǒng)效能指標體系的詳細結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 云理論[5-6]

2.1 云的數(shù)字特征

云是用語言值表示某個定性概念與其定量表示之間的不確定性轉(zhuǎn)換模型，其體現(xiàn)概念亦此亦彼的“軟”邊緣性，反映概念的不確定性，即模糊性和隨機性。云的數(shù)字特征用3個參數(shù)來描述，即期望值Ex(Expected Value)、熵En(Entropy)和超熵He(Hyper Entropy)。其中，期望值Ex是隸屬云的重心位置，也是某個模糊概念的期望值，它反映了相應(yīng)的模糊概念的信息中心值，它是在數(shù)域空間最能夠代表這個定性概念的點。熵En是表征概念模糊度的量度，它反映了在論域中可被這個概念所接受的數(shù)值范圍，熵越大，概念模糊度所接受的數(shù)值范圍也越大，概念相對越模糊。超熵He是熵En的不確定度量，即熵的熵，反映了在數(shù)域空間代表該語言值所有點的不確定度的凝聚性，即云的離散程度。云模型充分表達了定性語言的模糊性和隨機性，具有較大的客觀性。

2.2 云的運算法則

設(shè)有云A1(Ex1，En1，He1)，A2(Ex2，En2，He2)，其算術(shù)運算的結(jié)果為A(Ex，En，He)，則其運算規(guī)則見表1。

圖3 防空C3I系統(tǒng)效能評估指標體系

表1 云的運算規(guī)則

運算種類ExEnHe

+Ex1-Ex2En12+En22He12+He22

-Ex1+Ex2En12+En22En12+En22

×Ex1×Ex2Ex1Ex2En1Ex12+En2Ex22Ex1Ex2He1Ex12+He2Ex22

÷Ex1Ex2Ex1Ex2En1Ex12+En2Ex22Ex1Ex2He1Ex12+He2Ex22

2.3 云發(fā)生器

正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器是云模型的兩個最重要的算法。正向云發(fā)生器實現(xiàn)定性語言值到定量數(shù)值的轉(zhuǎn)換，在已知3個數(shù)字特征的情況下用來生成所需數(shù)量的云滴;逆向云發(fā)生器實現(xiàn)定量數(shù)值到其定性語言值的轉(zhuǎn)換，即從給定的云滴樣本中求出正向云發(fā)生器的3個特征數(shù)字，從而實現(xiàn)對樣本數(shù)據(jù)的定性評價。

正向云發(fā)生器CG(Ex，En，He)的算法如下:

(1) 生成以En為期望值，He為方差的正態(tài)隨機數(shù)En′;

(2) 生成以Ex為期望值，En′為方差的正態(tài)隨機數(shù)x;

(3) 計算y=exp-(x-Ex)22(En′)2;

(4) 使(x，y)成為論域中的一個云滴;

(5) 重復(fù)步驟(1)~(4)直至要求數(shù)目的云滴產(chǎn)生。

逆向云發(fā)生器CG-1(Ex，En，He)的算法如下:

(1) Ex=mean(xi);

(2) En=stedv(xi);

(3) Eni′=-(xi-Ex)22ln μi，He=stedv(Eni′)。

其中，云滴樣本為(xi，μi)，產(chǎn)生的云描述為(Ex，En，He)，mean()，stedv()分別為求均值和標準差的函數(shù)。

3 基于云模型的系統(tǒng)效能評估方法[7-10]

基于云模型的系統(tǒng)效能評估方法，本質(zhì)是運用云模型刻畫定性指標，根據(jù)系統(tǒng)指標分層結(jié)構(gòu)，綜合評估系統(tǒng)的效能，從而克服一般方法在表征隨機性方面的不足，得到較為客觀可信的評估結(jié)果。

該方法有3個要素:指標集U、權(quán)重因子集W和評價集V，其中，W和V的元素是隸屬云，并不全是精確值。

評估指標體系為多級層次樹結(jié)構(gòu)，每一層都有隸屬于本層的指標集、權(quán)重因子集和評價集。只有同一層的指標間才具有可操作性和可比性，從低層次向高層次進行結(jié)果傳遞。根據(jù)需要從系統(tǒng)指標的第n層開始，運用云評估法進行評估，并將評估結(jié)果傳遞給第n-1層，再依次進行評估，直至得到需要評價的那一層指標的評估結(jié)果。

具體評估步驟如下:

(1) 確定指標集U和權(quán)重因子集W。根據(jù)指標體系，確定指標集U;采用Delphi專家咨詢的方法，為各層指標確定采用語言值描述的權(quán)重因子，如“極重要”、“一般重要”、“不重要”等，并對咨詢結(jié)果擬合成一個云。

對存在雙邊約束[Cmin，Cmax]的語言值，如“一般重要”，其對應(yīng)滿意度的取值既有上限又有下限，可用期望值為約束條件的中值，采用作用區(qū)域為雙邊約束區(qū)域的云來近似這個評語，云參數(shù)計算采用以下公式:

Ex=(Cmin+Cmax)/2

En=(Cmax-Cmin)/6

He=k

(1)

式中:k為常數(shù)，可根據(jù)評語本身的模糊程度來具體調(diào)整。

對于只有單邊約束Cmin或Cmax的語言值，如“極重要”、“不重要”，其對應(yīng)的滿意度的取值范圍只有下限或上限，可先確定其缺省邊界參數(shù)或缺省期望值，如語言值“極重要”的缺省期望值為1，然后參照式(1)計算云參數(shù)，用半升半降云來描述。

(2) 進行指標值的歸一化處理。由于物理屬性的不同，指標一般可分為定性指標和定量指標。定性指標可直接用一個云表示，定量指標要先歸一化再用云表示。

(3) 確定評價集V。采用n個評語組成第l層第i個指標的評價集Vli=(Vli1，Vli2，…，Vlin)。將n個評語置于連續(xù)的語言值標尺上，每個評語值都用正態(tài)隸屬云來實現(xiàn)，由此可以構(gòu)成一個定性評測云發(fā)生器。其中，底層指標評價集由數(shù)據(jù)處理結(jié)果或?qū)＜医o出，其他則由相應(yīng)算法計算得到。

(4) 確定指標的組合權(quán)重。設(shè)第i層指標與第i+1層指標的關(guān)系矩陣為:

Ri=r11r12…r1m

r21r22…r2m



rk1rk2…rkm

式中:k為第i層的指標數(shù);m為第i+1層的指標數(shù)。當?shù)趇層的指標s與第i+1層的指標t存在隸屬關(guān)系時，rst為(1，0，0)，否則為(0，0，0)。設(shè)第i層的組合權(quán)重因子集為

W′i，第i+1層的權(quán)重因子集為Wi+1，Wi+1與Ri一樣為k×m矩陣，wst不為0(表示第i+1層t指標是第i層s指標的子層)，則第i+1層的組合權(quán)重因子集Wi+1′=(W′iRi)TWi+1，該結(jié)果向下一層指標傳遞，直到最底層。

(5) 確定各層評價集Vli  = (Vli1 ，Vli2 ，…，Vlin)。各層的評價集由下一層各評價集加權(quán)求和得到，即:

Vlij=∑nik=1Vl+1kjWik′，j=1，2，…，n

式中:Wik′為l層指標i的第k個子指標的組合權(quán)重;ni為l層第i指標的子指標個數(shù)，依此計算直至目標層。

(6) 計算頂層指標值。由下而上計算每層的評價結(jié)果集Ai，直至頂層為止。

as=(∑pj=1bsj×Wsj′)/(∑pj=1Wsj′)

Ai=(α1，α2，…，αk)

式中:k為第i層的指標數(shù);αs為Ai的第s個分量;bsj為第i層s指標的第j個子指標的評估值;Wsj′為對應(yīng)的組合權(quán)重因子。

(7) 輸出評估結(jié)果云集A。

4 實例分析

對前面提出的效能評估指標體系，運用基于云模型的系統(tǒng)效能綜合評估方法評估某型防空C3I系統(tǒng)的綜合效能。

4.1 確定權(quán)重等級和評價等級

經(jīng)過咨詢專家并結(jié)合人們的認知和表達習慣，采用語言值“極重要”、“較重要”、“一般重要”、“次重要”、“不重要”來描述權(quán)重等級，其語言值的云如圖4所示，轉(zhuǎn)化為正態(tài)云表示為:(1，0028，0003)，(0760，0057，0006)，(0505，0057，0006)，(0240，0057，0006)，(0，0028，0003)。

類似地，采用語言值“極好”、“很好”、“較好”、“好”、“一般”、“差”、“較差”、“很差”、“極差”來描述評價結(jié)果等級，其語言值的云如圖5所示，轉(zhuǎn)化為正態(tài)云表示為:(1，0015，0003)，(087，0026，0005)，(074，0026，0005)，(062，0028，0005)，(0495，0024，0005)，(037，0028，0005)，(024，0029，0005)，(012，0026，0005)，(0，0015，0003)。

圖4 權(quán)重等級的云表示

4.2 確定指標權(quán)重及評價結(jié)果

選定本領(lǐng)域的一組專家進行討論和多輪談判，并不斷反饋和修改，努力使專家意見趨近一致，給出合理的指標權(quán)重和評價結(jié)果，表2給出一組權(quán)重及底層評價集。

圖5 評價等級和評價結(jié)果的云表示

表2 權(quán)重及底層評價集云表示

目標層指標底層指標權(quán)重評估結(jié)果云表示

情報探測能力B1(極重要)

探測到目標概率B11極重要很好(0.89，0.031，0.005)

低空探測能力B12一般重要較好(0.71，0.027，0.006)

反隱身能力B13較重要一般(0.51，0.031，0.005)

抗電磁干擾能力B14較重要差(0.39，0.025，0.005)

情報處理能力B2(次重要)

情報采集能力B21極重要較好(0.73，0.026，0.005)

情報允許容量B22一般重要很好(0.86，0.031，0.005)

數(shù)據(jù)融合能力B23一般重要一般(0.51，0.027，0.005)

情報延遲時間B24較重要一般(0.50，0.029，0.005)

通信傳輸能力B3(較重要)

通信速率B31較重要較好(0.68，0.029，0.005)

數(shù)話傳通能力B32極重要一般(0.53，0.026，0.005)

通信誤碼率B33次重要較好(0.77，0.027，0.005)

信息安全性B34一般重要差(0.36，0.023，0.005)

抗干擾能力B35較重要較差(0.28，0.021，0.005)

指揮控制能力B4(一般重要)

決策模型合理程度B41極重要很好(0.86，0.029，0.005)

指揮方式的靈活性B42一般重要差(0.39，0.030，0.005)

人工干預(yù)可能程度B43次重要一般(0.45，0.026，0.005)

指揮能力B44較重要一般(0.49，0.033，0.005)

下情反饋能力B45次重要差(0.38，0.020，0.005)

系統(tǒng)可用程度B5(較重要)

系統(tǒng)可靠性B51較重要一般(0.39，0.027，0.005)

系統(tǒng)可維修性B52一般重要好(0.51，0.025，0.005)

系統(tǒng)重構(gòu)能力B53較重要一般(0.48，0.029，0.005)

4.3 求解并輸出系統(tǒng)效能的評估結(jié)果

利用云模型評估算法可得到各目標層指標值分別為:B1(0648，0033，0011)，B2(0651，0032，0009)，B3(0503，0031， 0012)，B4(0578，0032，0010)，B5(0455，0033，0011)，系統(tǒng)效能A(0561，0041，0012)(限于篇幅，只畫出系統(tǒng)效能的云，如圖5所示，各目標層的云不一一畫出)。由圖可知，評估結(jié)果介于“一般”與“好”之間，略傾向于“好”。

評估結(jié)果分析:某型防空C3I系統(tǒng)的情報處理能力和信息處理能力還不錯，但由于通信傳輸能力及抗干擾能力較差，導(dǎo)致實際可用程度不高，使得系統(tǒng)的綜合效能介于“一般”與“好”之間，并略傾向于“好”，今后要注重提高系統(tǒng)的通信傳輸能力及抗干擾能力，從而提高系統(tǒng)的綜合效能。

5 結(jié) 語

戰(zhàn)術(shù)防空C3I系統(tǒng)是一個復(fù)雜的人-機系統(tǒng)，指標體系復(fù)雜多樣，既有定性指標，又有定量指標，具有很強的模糊性和隨機性。本文采用基于云模型的系統(tǒng)效能綜合評估方法，并利用云特性建立了定性與定量的轉(zhuǎn)換模型，很好地克服了評估過程的模糊性和隨機性。實踐表明，該方法對于復(fù)雜系統(tǒng)的效能評估具有一定的應(yīng)用價值。

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