基于模糊理論的通信與指揮控制系統效能評估

摘 要:在層次分析法的基礎上，運用模糊理論對通信和指揮控制系統效能指標進行了定性和定量分析，提出了一套完整的效能評估方法，該方法能夠在作戰中為指揮員決策提供依據，起到優化通信與指揮控制資源的作用。

關鍵詞:通信與指揮控制系統; 效能評估; 層次分析法; 模糊理論

中圖分類號:TN926.4 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)11-0044-03

Effectiveness Evaluation of Communication and Command Control

System Based on Fuzzy Theory

QI Tao， YANG Hao， XU Yuan， ZHANG Yun-fei

(Chongqing Communication College， Chongqing 400035， China)

Abstract:The qualitative and quantitative analysis for the effectiveness index of communication and command control systems were performed with the fuzzy theory based on AHP. A complete range of effectiveness evaluation method is advanced， which can provide the basis for the commanders，decision in the war and optimize the resource of communication and command control.

Keywords: communication and command control system; effectiveness evaluation; AHP; fuzzy theory

0 引 言

通信與指揮控制系統是由通信系統、指揮自動化系統、預警探測系統、情報偵察系統、后勤保障系統等組成的一個復雜系統\\。近年來，隨著信息技術的進步，其飛速發展，呈現出性能日益先進，功能逐步強大的趨勢，極大地提高了軍事通信與指揮保障能力。如何對其系統效能進行科學評估，以優化系統資源，提高系統效能已成為廣大通信和網絡研究人員面臨的一個難題。

系統效能是預期一個系統能滿足一組特定任務要求程度的度量，是系統的有效性、可靠性以及能力的函數，是在規定的條件下達到規定的使用目標的能力\\。系統完成特定使命的能力是通過系統的一系列功能來實現的，而這一系列功能是通過大量的性能、指標來保證的，這些功能、性能、指標按一定的層次機構與關聯關系有機匯集，構成了系統完成特殊使命任務的評估方法。通信與指揮控制系統由多個功能不同的子系統構成，這些子系統的每種能力涉及很多因素，各個能力之間又可能相關，因此只有建立科學、客觀的關系模型和合理的評估指標和流程，才能客觀地評價該系統的綜合效能。

1 效能評估的過程

鑒于通信與指揮控制系統本身客體組成的復雜性及其作戰運用中的諸多主觀因素和不確定性，對照目前多種系統效能評價方法的特點，本文引入層次分析法和模糊理論進行綜合評估。

1.1 層次分析法

層次分析法(AHP)的基本思想是把待評價的事物按層次分析關系逐層分解成多個層次，每個層次有多個元素組成，構成一個有序的遞階層次結構的元素集\\。根據專家意見，對同一層次并屬于同一個準則層的所有元素兩兩相互比較其重要性，再構造出判斷矩陣，計算每一元素對上一層次各元素以及對總體目標的影響和貢獻，求得與遞階層次結構相應的權重集，作為方案選擇和決策的參考依據。

層次分析法的優點是直觀性和簡潔性，既有比較嚴格的數學原理和處理手段，又有比較簡單的外在表現形式，能夠體現經驗與理論的統一、定性與定量的統一。層次分析法的核心是量化決策者的經驗判斷，從而為決策者提供定量形式的決策依據，在目標結構復雜且缺乏必要數據的情況下更為實用。

1.2 模糊理論

模糊理論(Fuzzy Theory)是為了解決真實世界中普遍存在的模糊現象而發展起來的，是基于分類的局部理論，特別適合處理用常規方法無法明確定義的模糊性問題\\。

由于在評估中單項指標取值性質往往不同，既有定量指標，又有定性指標，可比性差，加之戰場環境極其復雜，對于不同的用戶需求，同一指標即使在相同的數值范圍內，也會產生不同的影響。因此，在這種情況下，就需要利用專家知識，借助模糊理論將評估指標進行度量統一。

人們對指標的評價往往采用是否達到滿意來描述。這樣，可以把指標的評價統一為滿意程度的大小。為簡便起見，并結合系統綜合評價的實際情況，將滿意度等級映射為性能指標等級，并定義為(很好、好、良、中、差)等模糊概念，其模糊向量定義為在合評估體系結構中存在著的不同性質指標。對不同性質的指標，應采取不同方法獲取指標的模糊滿意度。對于定量指標，首先需要確定指標的模糊隸屬函數，然后由相關專家根據單項指標的數據變化范圍，計算出系統內每個指標的模糊向量。對于定性指標，很難對其給以定量化，通常采用專家模糊評價法進行處理。

1.3 評估步驟

運用層次分析法和模糊理論，對通信與指揮控制系統的效能評估步驟(見圖5)如下:

(1) 在深入研究用戶對通信與指控系統的作戰應用需求的基礎上，確定最主要的評價指標;

(2) 確立評估指標的遞階層次結構，建立通信與指揮控制系統的效能評估指標體系;

(3) 用層次分析法計算各指標的權重:首先構造指標層的兩兩比較判斷矩陣，然后由判斷矩陣計算被比較指標的相對權重，最后進行多級評判計算各層指標的組合權重;

(4) 用模糊數學理論測度每一指標的隸屬度和模糊向量;

(5) 用多級模糊綜合評價方法對通信與指控系統的綜合效能進行評估。

圖1 效能評估步驟

2 通信與指揮控制系統效能評估的方法

2.1 效能評估指標體系層次結構模型的建立

系統效能綜合評估體系\\是指評估過程中，由一系列相互關聯的本質屬性指標構成的有機整體。評估指標體系即評估的標準和內容，是評估目的的具體化，確定了具體的評估方向。它描述了通信裝備作戰能力的主要性能參數，是通信裝備戰術性能、質量和保障特性的綜合權衡。評估體系結構是指系統綜合效能與效能指標和能力指標的層次結構關系。系統效能指標主要用于度量裝備或系統在給定條件下實現其總體功能的程度，它是對裝備或系統單項性能——可用性、可靠性與固有能力的綜合\\。

建立性能綜合評估體系結構是對通信與指揮控制系統性能進行評估的前提，針對通信與指揮控制系統的工作特點和系統性能綜合評估的任務需求，可以建立如圖2所示的性能指標綜合評估體系結構。

品質因素(B1):指系統硬件的固有屬性、系統硬件結構以及后續保障能力\\。包括可靠性、維修性、保障性3個指標。

戰場生存能力(B2):指系統應對敵方強烈電子進攻和各種火力打擊，維持正常工作的能力。包括抗干擾能力、抗毀生存能力、環境適應能力、機動反應能力、安全保密能力5個指標。

通信性能(B3):指系統保障作戰地域內各級指揮中心以及各分系統快速、保密、可靠傳輸、交換、處理信息的能力。包括信息時延、呼損率、誤碼率、網絡容量、互聯互通性和覆蓋范圍6個指標。

綜合指揮控制能力(B4):指系統綜合收集和處理本級雷達站、觀察哨、陣地觀察網等和上級或友鄰預警探測系統傳來的空中情報、技偵情報、氣象情報等信息，指揮機關依據軟件系統、指揮控制臺和手工作業設備等輔助決策手段進行指揮決策的能力。包括預警探測、情報偵察、輔助決策和自動化作業等4個指標。

圖2 通信與指揮控制系統性能指標綜合評估體系結構

2.2 構建比較判斷矩陣

由于通信與指揮控制系統的效能評估指標性質不盡相同，單位也不同，很難直接進行評估，這里采用評分的辦法比較它們在同一層次下的優劣程度，采用專家打分方式，將每層次的各元素進行兩兩比較。為了減少個別專家評分的主觀性，通常邀請多個專家獨立地對評價元素的相對重要程度進行評判，最后取各個評價指標中權值的平均值。具體步驟如下:

(1) 向專家進行問卷調查，以獲得各個指標的相對重要程度。在此專家問卷采用美國運籌學專家T.L.Saaty提出的標度\\，如表1所示。

表1 標度的含義

1兩個元素相比，具有同樣的重要性

3兩個元素相比，一個元素比另一個元素稍微重要

5兩個元素相比，一個元素比另一個元素明顯重要

7兩個元素相比，一個元素比另外一個元素強烈重要

9兩個元素相比，一個元素比另外一個元素極端重要

2，4，6，8為以上兩兩判斷之間的中間狀態所對應的標度值

倒數Bij=1/Bji Cij=1/Cji

用Pkij(1≤i，j≤18，1≤k≤N)表示第k個專家評定的第i個評價指標相對于第j個評價指標的重要程度。令pij=(∏Nk=1pkij)1/N，則pij表示專家組N個專家評定的第i個評價指標相對于第j個評價指標的重要程度的平均值\\。這個過程能消除權重確定過程中人為的影響，保證指標權重的有效性和實用性。A-B判斷矩陣和B-C判斷矩陣分別為:

X=(pij)4×4， Y=(pij)18×18

式中:i=1，2，3，4分別對應B層的4個指標。

(2) 由判斷矩陣計算比較指標的相對權重。

利用Matlab軟件分別計算A-B判斷矩陣X=(pij)4×4和B-C判斷矩陣Y=(pij)18×18的特征向量。記A-B判斷矩陣X=(pij)4×4的特征向量為W1=(w1，w2，w3，w4)，其中w1，w2，w3，w4分別為B層各指標的權重系數。記Bi(i=1，2，3，4)對應C層互重要程度矩陣的特征向量為wij(j=1，2，…，18;i=1，2，3，4)，則可得由wij(j=1，2，…，18;i=1，2，3，4)構成的特征矩陣W2=(wij)4×18。

(3) 對比較判斷矩陣進行一致性檢驗。

一致性檢驗用來判別比較矩陣的不一致程度，可以用一致性指標CI來衡量:

CI=λmax-nn-1

式中:λmax為比較陣的最大特征根;n為比較矩陣的階數。計算一致性比率CR，CR=CI/RI，RI為隨機一致性指標，其指標見表2\\。當CR<0.1時，可認為比較矩陣的一致性是可以被接受的，可將其特征向量作為權向量。否則，專家需要重新對兩兩比較判斷矩陣的標度值進行調整。

表2 隨機一致性指標

階數123456789

RI000.580.901.121.241.321.411.45

(4) 計算各層指標的組合權重向量

在得到W1和W2以后，可計算出通信與指揮控制系統各評估指標的權重向量為:

WZ=W1#8226;W2=(WZ1，WZ2，…，WZ18)

式中:WZi (i=1，2，…，18)分別對應最底層各元素的綜合權重系數。

2.3 單因素評判矩陣

把滿意度映射為性能指標等級并定義為:

E=(e1，e2，e3，e4，e5)=(很好，好，良，中，差)，則可得到各元素指標屬于哪一類的隸屬度，設ril為專家組，對第i個指標給出第j種評判的比例(即元素指標屬于el的隸屬度，i=1，2，…，18;l=1，2，3，4，5)，則有∑5l=1ril=1，(i=1，2，…，18;l=1，2，3，4，5)這樣可得到單因素評判矩陣，記為R，即R=(ril)18×5。

2.4 進行綜合模糊評價

經過上一步計算可得到通信與指揮控制系統效能綜合評價的18個指標中單因素評價矩陣R，又知權重向量WZ，則可以得到綜合因素評判等級的加權向量，記為RZ=(RZ1，RZ2，RZ3，RZ4，RZ5)，則有RZ=WZ#8226;R。式中#8226;表示模糊算子，在本文中采用(#8226;，⊕)模型，即先進行普通乘法運算，再進行環和運算\\。

2.5 通信與指揮控制系統效能綜合評價

根據最大隸屬度法則，選擇備選集RZ中隸屬度最大的一項，即對應于性能綜合評價指標的等級，如表3所示。

表3 綜合評價指標等級表

隸屬度RZ1RZ2RZ3RZ4RZ5

性能指標等級很好好良中差

3 結 語

在層次分析法的基礎上，將模糊理論應用于通信與指揮控制系統效能的綜合評估中，其主要目的是為了更客觀、更確切地反映所研究的問題，從而實現系統性能的最優化設計。雖然實際分析過程中可能有一定的局限性，在對各個指標進行專家打分時沒有對網絡拓樸結構、網絡節點數量、網內用戶數量、系統編組方式等對各項指標沒有進行定量分析，但是此種評估的思路無疑是合理和科學的，同時也為其他通信系統的優化評估提供了一定的參考依據。

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