基于QoS的武器試驗飛行線路規劃設計方法

王 偉，王曉東，楊潤龍

（1. 中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471000）

基于QoS的武器試驗飛行線路規劃設計方法

王 偉1，王曉東1，楊潤龍1

（1. 中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471000）

在進行武器裝備飛行線路規劃設計時，提出一種基于服務質量（QoS）屬性的最優選擇算法，對飛行試驗線路優選中的主要因素進行質量評估，以達到快速選擇最優路線的目的。實驗表明，該方法能有效提高飛行試驗線路設計的效率。

飛行試驗；線路優選；服務質量；空間地理信息；層次分析法

1 飛行試驗線路規劃設計

飛行試驗線路規劃設計主要完成落區（落點）優選、飛行安全區域劃定、道路最優路徑選擇等工作。以上3個因素相輔相成，共同實現最優飛行線路選擇的目的。

1）落區（落點）優選。落區（落點）優選是基于起點位置、飛行器航程、飛行射向、落區（落點）地形坡度等參數來選擇合適的落區（落點）位置。首先根據起點位置、航程和飛行射向計算出落點位置，進而計算落點的地形坡度參數。若坡度不能滿足試驗需要，則可以通過微移，重新選擇合適落點并計算起點及航程。

2）飛行安全控制區劃定。飛行安全控制區劃定是基于起點位置、落點位置、安全區寬度、飛行軌跡和居民地集聚區位置等參數來劃定地面安全區域。首先根據起點位置、落點位置計算出安全控制區域的中心線投影，進而根據寬度參數計算出整個飛行安全控制區在地表的投影。若投影中覆蓋的居民區數量過多，則需重新選擇合適落點并計算飛行安全控制區域。

3）道路最優路徑選擇。道路最優路徑選擇是基于起點位置、目標位置、道路等級、道路長度和道路節點數等參數來進行最優路徑選擇。首先根據起點位置、目標位置參數及道路等級參數選擇出所有滿足要求的道路，進而根據道路長度和節點數計算選擇出用時最短、節點最少、道路等級符合試驗運輸要求的通達途徑。

2 基于QoS的飛行試驗線路選擇算法

2.1 QoS屬性參數定義及QoS模型

在飛行試驗線路規劃設計中，影響線路選擇最重要的3個因素是落區（落點）質量、飛行安全區域質量、路徑選擇質量。下面定義它們的QoS參數。

1）落區（落點）質量：

qlq= f(pq(x，y，z)，d，δ，γ)

式中，pq(x，y，z)為起點位置；d為飛行器航程；δ為飛行射向；γ為落區（落點）地形坡度。

2）飛行安全區域質量：

qfq= f(pq(x, y, z)，pl(x, y, z)，w，g(x, y, z)，a(x, y, z))

式中，pq(x，y，z)為起點位置；pl(x，y，z)為落點位置；w為安全區寬度；g(x，y，z)為飛行軌跡；a(x，y，z）為居民地集聚區位置。3）路徑選擇質量：

qlj= f(pq(x，y，z)，pi(x，y，z)，m，l，n)

式中，pq(x，y，z）為起點位置；pi(x，y，z）為目標位置；m為道路等級；l為道路長度；n為道路節點數。

飛行試驗線路規劃中線路s的綜合QoS向量為Q(s)=(qlq(s)，qfq(s)，qlj(s))，該QoS向量可以根據用戶的需求任意擴展。

上面是單條線路s的質量模型。在飛行線路規劃中，有n個能夠滿足功能條件的線路，該集合S表示為{s1，s2，…，sn}。將所有候選線路的QoS質量向量合并，得質量矩陣Qs：

該矩陣的列表示某種質量屬性的QoS值，行表示某線路針對其具體 QoS屬性的屬性值。式（1）將多個線路的QoS屬性和符合要求的所有可選線路統一表述，并支持多個線路QoS屬性的可擴展性，當增加一個新的質量屬性時，即增加矩陣的一新列。

2.2 QoS屬性參數規范化

為了找到質量最優的飛行試驗線路，需要綜合計算每個可選線路的多個QoS屬性值。由于各屬性值量化單位各不相同，在多個QoS屬性間并沒有一個統一的度量標準，使得相互比較缺乏公認的基礎。因此，需要將各QoS屬性進行無量綱化和歸一化處理，即規范化。

本文采用非比例變換法，將屬性之差按一定比例進行歸一化和無量綱化。對增量型質量屬性：

對減量型質量屬性：

式中，Qjmax是質量矩陣Q中某QoS屬性（列）的最大值，Qjmax=max（Qi，j），1≤i≤n；而Qjmin是質量矩陣Q中某QoS屬性（列）的最小值，Qjmin=min（Qi，j），1≤i≤n。用式（2）、式（3）把各屬性值映射到[0，1]區間，得到標準化質量矩陣V：

2.3 基于自動修正判斷矩陣的QoS最優選擇策略

層次分析法（AHP）通過計算判斷矩陣的最大特征值及其相應的特征向量，得到各層次要素對上層次某要素的重要性次序，從而建立權重向量。傳統的層次分析法在檢驗判斷矩陣出現不一致時，需要反饋給用戶重新調整判斷矩陣，且一般不能給出最快的調整方式，不能排除需要經過多次調整才能通過一致性檢驗的可能性，不利于優化算法的自動執行。本文根據各QoS屬性的相對重要性，采用自動修正判斷矩陣的層次分析法對多個QoS屬性進行加權處理，計算QoS屬性的權重，將多目標問題轉化為單目標多約束問題，免去了人機交互的繁瑣操作，提高了計算效率。

最優線路質量的選擇算法如下：

1）構造判斷矩陣。由用戶提供各QoS屬性的相對重要性，構造滿足互反性的判斷矩陣A。

A1 A2 A3A1 a11 a12 a13A2 a21 a22 a23A3 a31 a32 a33

式中，aii=1（i=1，2，…，n），aij=1/aji（i，j=1，2，…，n），aij=aik/ajk（i，j，k=1，2，…，n）。這里A1代表落區（落點）質量，A2代表飛行安全區域質量，A3代表路徑選擇質量。aij表示屬性Ai對屬性Aj的相對重要性，通常aij取1，2，…，9及它們的倒數，其含義為：1表示屬性Ai與屬性Aj相比，兩者同樣重要；3表示屬性Ai比屬性Aj稍微重要；5表示屬性Ai比屬性Aj明顯重要；7表示屬性Ai比屬性Aj強烈重要；9表示屬性Ai比屬性Aj極端重要。2、4、6、8表示上述兩相鄰判斷的中間值。根據判斷矩陣計算QoS屬性的權重時，要對判斷矩陣進行一致性檢驗。當找到錯誤時，采用自動修正判斷矩陣的方式，修改QoS屬性的相對重要性。

2）采用幾何平均法計算判斷矩陣A的特征根λmax和特征向量W。由判斷矩陣A滿足等式AW=λmaxW，λmax是最大特征根，W是對應的特征向量，即各屬性的權重，則有：

式中，（AW）i表示向量AW的第i個分量。

3）判斷矩陣的一致性檢驗。計算一致性指標CI=（λmax-n）/（n-1），平均隨機一致性指標CR=CI/RI，式中RI表示同階平均隨機一致性指標，其值在表1中給出。如果CR＜0．10，轉5）；否則轉4）。

表1 同階平均隨機一致性指標RI

4）自動修正判斷矩陣。對判斷矩陣A作歸一化處理，得到矩陣A'：

由a"ij=a'ij/a'i1（i, j=1,2,…,n），得矩陣A"=（a"ij）n×n。取A"中最小的a"ij（i=1,2,…,n；j=2,3,…,n；i≠j），通常最小的a"ij＜1。當對應A中的aij>1時，調整后新的aij=aij+1，其對應的aji=1/（aij+1）；當對應A中的aij＜1時，調整后新的aij=1/（1/aij-1），其對應的aji=1/aij-1。

5）調整結束，得到的判斷矩陣滿足一致性要求，輸出權值。

3 試驗驗證

以某型號裝備飛行試驗為例，根據起點位置、飛行器航程、飛行射向、落區（落點）地形坡度、安全區寬度、飛行軌跡和居民地集聚區位置、目標位置、道路等級、道路長度和道路節點數等參數，分別計算出若干候選線路的落區（落點）質量值、飛行安全區域質量值、路徑選擇質量值，然后按照本文的基于QoS的自動修正判斷矩陣的層次分析法對候選線路綜合質量進行計算、排序，最終自動選出最優線路并顯示結果。具體流程如圖1所示。

圖1 優選飛行線路流程圖

測試用計算機配置為Intel Core2處理器,主頻1．86 GHz,2 G內存，使用WindowsXP SP2。試驗目的是驗證本文提出的基于QoS的層次分析法對線路優選的可行性和自動修正判斷矩陣算法的有效性。用平均規劃設計時間來衡量試驗效果，并與傳統作業方法進行比較。如圖2所示，采用本文算法所得到的規劃設計平均執行時間要小于傳統作業方法。

圖2 規劃設計平均執行時間比較

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B

1672-4623（2014）05-0050-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.018

王偉，碩士，工程師，主要研究方向為GIS應用、系統工程。

2013-08-12。