短波固定通信臺(tái)站裝備維修保障能力評(píng)估研究

胡明輝，李國(guó)軍，雷　斌，李高峰，賈昕杰，包　楊

(1.重慶通信學(xué)院，重慶　400035； 2.重慶郵電大學(xué)，重慶　400065)

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短波固定通信臺(tái)站裝備維修保障能力評(píng)估研究

胡明輝1，李國(guó)軍1，雷斌1，李高峰1，賈昕杰1，包楊2

(1.重慶通信學(xué)院，重慶400035； 2.重慶郵電大學(xué)，重慶400065)

針對(duì)短波固定通信臺(tái)站維修保障力量體系復(fù)雜、量化評(píng)估難的問題，研究短波固定通信臺(tái)站裝備維修保障能力評(píng)估的指標(biāo)體系，將主元分析與理想點(diǎn)決策方法相結(jié)合，建立一種新的維修保障能力多目標(biāo)評(píng)估模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法結(jié)果清晰、易于解釋，為構(gòu)建短波固定通信臺(tái)站維修保障體系提供輔助決策手段。

層次分析法；主元分析法；理想點(diǎn)法；短波固定通信臺(tái)站；維修保障能力；評(píng)估

本文引用格式：胡明輝，李國(guó)軍，雷斌，等.短波固定通信臺(tái)站裝備維修保障能力評(píng)估研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(8):47-51.

短波通信歷來是國(guó)家和軍隊(duì)遠(yuǎn)程通信和機(jī)動(dòng)通信的基本手段。隨著我國(guó)綜合國(guó)力的增強(qiáng)及“一帶一路”戰(zhàn)略的提出，國(guó)家利益不斷向外擴(kuò)展，對(duì)國(guó)家遠(yuǎn)洋跨海通信能力提出了更高的要求。當(dāng)前，遠(yuǎn)洋機(jī)動(dòng)通信手段主要包括衛(wèi)星通信和短波通信。由于強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境下衛(wèi)星通信抗毀抗擾能力弱，因此短波通信建設(shè)發(fā)展成為了我軍“走出去”的當(dāng)務(wù)之急。

短波固定通信臺(tái)站是短波通信系統(tǒng)的主要組成部分。隨著通信設(shè)備的不斷更新，以及網(wǎng)絡(luò)化程度大幅提升，短波固定通信臺(tái)站裝備的維修保障日益復(fù)雜，成為制約其通信保障能力的一個(gè)瓶頸。當(dāng)前，我軍固定通信臺(tái)站主要依靠設(shè)備生產(chǎn)廠家組織維修保障，由于這些臺(tái)站大多涉密程度高，不便于廠家維修人員直接進(jìn)入工事內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)地維修，而只能采取返廠維修的方式進(jìn)行保障，維修周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)個(gè)月，與我軍作戰(zhàn)保障需求嚴(yán)重不符。因此，建立完善的基于自身力量的維修保養(yǎng)制度、規(guī)范，提升自身維修保障能力顯得極其迫切，對(duì)當(dāng)前固定臺(tái)站的自身維修保障能力做出及時(shí)有效的評(píng)估和預(yù)測(cè)也意義重大。當(dāng)前，關(guān)于評(píng)估理論方面的研究很多，但對(duì)短波固定臺(tái)站的維修保障能力進(jìn)行系統(tǒng)的分析評(píng)估的相關(guān)研究成果較少。

本文通過分析，采用層次分析法建立短波固定臺(tái)站維修保障能力評(píng)估的指標(biāo)體系，再綜合運(yùn)用主元分析法及理想解點(diǎn)法對(duì)其維修保障能力進(jìn)行評(píng)估，并進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。對(duì)分析短波臺(tái)站維修保障能力，構(gòu)建短波固定臺(tái)站運(yùn)行維修保障體系具有一定借鑒意義。

1　評(píng)估指標(biāo)體系建立

影響維修保障能力的因素眾多，建立合理的短波固定臺(tái)站維修保障能力評(píng)估指標(biāo)體系是對(duì)其進(jìn)行有效的綜合評(píng)估的前提和關(guān)鍵。短波固定臺(tái)站因其職能任務(wù)需要，大多位于交通不便的山區(qū)，且由營(yíng)連等基層級(jí)部隊(duì)進(jìn)行日常的業(yè)務(wù)處理，屬于基層級(jí)維修機(jī)構(gòu)，故其維修保障能力評(píng)估指標(biāo)有一定特殊性。本文將短波固定臺(tái)站所有與維修保障相關(guān)因素看作一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)估。根據(jù)評(píng)估指標(biāo)理論，評(píng)估指標(biāo)體系建立必須滿足科學(xué)性、可行性、系統(tǒng)性、獨(dú)立性等原則，具體流程如圖1所示。

根據(jù)以上原則流程，結(jié)合專家的意見及短波臺(tái)站實(shí)際情況，將影響短波固定臺(tái)站維修保障能力評(píng)估的內(nèi)容分為如下3個(gè)方面：維修保障人員、維修保障物資、維修保障管理。由該3個(gè)1級(jí)指標(biāo)可細(xì)化為10個(gè)2級(jí)指標(biāo)、25個(gè)3級(jí)指標(biāo)，建立指標(biāo)體系如圖2所示。

圖1　指標(biāo)體系建立具體流程

圖2　短波固定通信臺(tái)站維修保障能力評(píng)估指標(biāo)體系

2　基于AHP的指標(biāo)權(quán)重確定

AHP又稱層次分析法，是T.L.Satty教授提出的一種定量與定性相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法，其基本思想是將復(fù)雜問題進(jìn)行層次化，條理化，構(gòu)造層次分析模型。再按照一定的比例標(biāo)度，通過兩兩比較的方式確定各因素的相對(duì)重要性，構(gòu)造上層因素對(duì)下層因素的判斷矩陣，從而確定各指標(biāo)相對(duì)重要性的總排序。

2.1建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

首先把實(shí)際問題條理化、層次化，構(gòu)造出一個(gè)層次分析的結(jié)構(gòu)模型。通常情況下，可分為三層,如圖3所示。

圖3　遞階的層次結(jié)構(gòu)模型

2.2構(gòu)造比較判斷矩陣

判斷矩陣是指人們針對(duì)上一層次某因素而言，本層次與之有關(guān)的各因素之間相對(duì)重要性所做出的判斷，判斷矩陣的構(gòu)造是AHP的關(guān)鍵一步。假定A層中因素Ak與下一層中因素B1,B2,…,Bn有聯(lián)系，則構(gòu)造的判斷矩陣如表1所示。

表1　AHP判斷矩陣

其中，bij是對(duì)于Ak而言，Bi對(duì)Bj相對(duì)重要性的數(shù)值表示，通常bij取1、3、5、7、9及它們的倒數(shù)，分別表示Bi與Bj同樣重要、稍微重要、明顯重要、強(qiáng)烈重要、絕對(duì)重要，它們之間的數(shù)2,4,6,8及各數(shù)的倒數(shù)具有相應(yīng)的類似意義。顯然，任何判斷矩陣都具有下列性質(zhì)：

(1)

需要注意的是為避免出現(xiàn)“B1比B2重要，B2比B3重要，同時(shí)B3又比B1重要”的矛盾情況，需對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，如果一致性指標(biāo)不符合標(biāo)準(zhǔn)，需對(duì)判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整。

2.3層次排序

層次排序分為層次單排序和層次總排序。首先進(jìn)行層次單排序。單排序是指根據(jù)判斷矩陣計(jì)算出對(duì)于上一層某因素而言，本層次與之有聯(lián)系的因素的重要性次序的權(quán)值。對(duì)判斷矩陣B，采用冪法、和積法或方根法計(jì)算滿足：

(2)

式中：λmax是B的最大特征根，W是對(duì)應(yīng)于λmax的正規(guī)化特征向量，W的分量Wi即是相應(yīng)因素單排序的權(quán)值。

表2　層次總排序

3　基于主元分析法與理想點(diǎn)的維修保障能力評(píng)估

3.1主成分分析評(píng)估方法

設(shè)評(píng)估站點(diǎn)有m個(gè)，每個(gè)站點(diǎn)有n個(gè)評(píng)估指標(biāo)，則采集矩陣定義為xij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。主成分分析利用多元統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)影響樣本指標(biāo)和各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，通過線性變換將其轉(zhuǎn)換為維數(shù)較低的p個(gè)互不相關(guān)指標(biāo)變量，亦即主成分變量。主成分分析評(píng)估方法的具體步驟如下：

1) 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

采用Z-Score法對(duì)節(jié)點(diǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)xij進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理

(6)

其中

從而得到標(biāo)準(zhǔn)化的樣本決策矩陣：

2) 指標(biāo)相關(guān)矩陣計(jì)算：

(7)

3) 相關(guān)矩陣特征分解。計(jì)算相關(guān)矩陣R的特征值λ1≥λ2≥…≥λn≥0以及相應(yīng)的特征向量αj=[αj1,αj2, …,αjn]T(j=1,2,…,n)。

4) 主成分決策矩陣。利用上述歸一化指標(biāo)主元αj，可生成主成分：

(8)

選取歸一化指標(biāo)主元的累積能量貢獻(xiàn)率滿足下式的前p個(gè)主成分(通常ε的數(shù)值取0.85)：

(9)

由此生成由前p個(gè)主成分作為低維指標(biāo)的主成分決策矩陣F=(zij)m×p=[f1,f2, …，fp]。利用歸一化指標(biāo)主元的方差，可以得到主成分指標(biāo)權(quán)重為

從而可以構(gòu)造主成分的加權(quán)決策矩陣：

(10)

3.2優(yōu)化決策模型

在現(xiàn)有的主成分評(píng)估模型中，大都直接通過主成分的加權(quán)平均結(jié)果進(jìn)行決策評(píng)估，由于主成分分量通常存在正負(fù)數(shù)，這種加權(quán)決策模型難以給出合理的解釋，幾何物理意義不明確。為此，本文從空間歐式距離概念出發(fā)，利用加權(quán)決策矩陣的P個(gè)主成分生成P維空間向量，在TOPSIS決策方法框架下，通過歐式距離進(jìn)行決策判斷，以更加充分利用P個(gè)主成分信息，且易于給出合理的解釋。

TOPSIS法(理想點(diǎn)法)是一種常用的有限方案多目標(biāo)決策分析法，具有計(jì)算簡(jiǎn)便、結(jié)果合理、應(yīng)用靈活的特點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用。TOPSIS的基本原理是借助于多目標(biāo)決策問題的“理想解”和“負(fù)理想解”進(jìn)行排序，確定各方案的優(yōu)劣程度。理想解是一個(gè)虛擬的最佳方案，其各個(gè)指標(biāo)值都達(dá)到各待評(píng)方案中的最優(yōu)值；負(fù)理想解與之恰恰相反，其各個(gè)指標(biāo)值都達(dá)到各待評(píng)方案中的最劣值。理想解和負(fù)理想解分別表示在決策中努力追求和竭力避免的極端情況。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

1) 確定理想點(diǎn)。對(duì)于主成分加權(quán)決策矩陣Z=(zij)m×p，取

從而構(gòu)造如下正負(fù)理想點(diǎn)：

(11)

2) 確定p維空間主成分與理想點(diǎn)的距離:

(12)

3) 計(jì)算各采樣點(diǎn)主元與理想點(diǎn)主元的相對(duì)貼近度。設(shè)第i個(gè)采樣點(diǎn)與理想點(diǎn)主元的相對(duì)貼近度為Zi，則:

根據(jù)相對(duì)貼近度Zi的大小，對(duì)各采樣點(diǎn)進(jìn)行排序，Zi越大，表示該采樣點(diǎn)離負(fù)理想點(diǎn)越遠(yuǎn)，同時(shí)離理想點(diǎn)越近，則該采樣點(diǎn)越佳。

4　評(píng)估實(shí)例分析

根據(jù)上述指標(biāo)體系及評(píng)估方法，隨機(jī)選取15個(gè)臺(tái)站進(jìn)行評(píng)估實(shí)例驗(yàn)證。

4.1指標(biāo)權(quán)重確定。

邀請(qǐng)了多名專家，按照層次分析法對(duì)上述評(píng)估指標(biāo)體系進(jìn)行權(quán)重打分，得到25個(gè)指標(biāo)最終權(quán)重如圖4所示。

圖4　各項(xiàng)指標(biāo)最終權(quán)重

4.2PCA-TOPSIS評(píng)估

在指標(biāo)權(quán)重確定之后，邀請(qǐng)了5位相關(guān)領(lǐng)域的專家按照各個(gè)指標(biāo)對(duì)各臺(tái)站進(jìn)行指標(biāo)打分，從而得到原始評(píng)估樣本數(shù)據(jù)，再根據(jù)上述PCA及TOPSIS方法，運(yùn)用MATLAB進(jìn)行仿真評(píng)估，得到結(jié)果如圖5所示。

圖5　各臺(tái)站評(píng)估結(jié)果散點(diǎn)圖

上圖為以PCA第二主成分對(duì)第一主成分的散點(diǎn)圖，從圖中可以直觀看出，從第一主成分的角度看，15個(gè)節(jié)點(diǎn)大致可以分為3類，節(jié)點(diǎn)6最優(yōu)，節(jié)點(diǎn)7最劣，其余節(jié)點(diǎn)處于中間位置，相差不多。而從第二主成分的角度看，也可以大致分為3類，其中節(jié)點(diǎn)1、2、3、4、5、8得分相近，最優(yōu)；節(jié)點(diǎn)6、7、9處于中間位置；其余節(jié)點(diǎn)最劣。如果賦予第一主成分物理意義，比如代表人力因素，則可以通過散點(diǎn)圖清楚看到，從人力因素角度，節(jié)點(diǎn)6最佳，節(jié)點(diǎn)7最劣，其余節(jié)點(diǎn)相差不多，人力因素相近。

通過PCA-TOPSIS方法，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)最終綜合評(píng)估得分，可得圖6。

圖6　各臺(tái)站PCA-TOPSIS最終綜合得分

由圖可以清楚的看到各固定通信臺(tái)站維修保障能力綜合評(píng)估結(jié)果的大小排序，其中站點(diǎn)6維修保障能力最強(qiáng)，站點(diǎn)7維修保障能力最弱。

4.3與其他方法對(duì)比

為驗(yàn)證PCA-TOPSIS方法優(yōu)勢(shì)，將該方法與單獨(dú)用PCA和加權(quán)平均法進(jìn)行了對(duì)比。仿真結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

圖7　各臺(tái)站PCA最終綜合得分

從圖7可以看出，單獨(dú)采用PCA與采用PCA-TOPSIS方法評(píng)估結(jié)果一致，均為節(jié)點(diǎn)6最佳，節(jié)點(diǎn)7最劣。但是，當(dāng)單獨(dú)采用PCA時(shí)，評(píng)估最終得分有正有負(fù)，無確切的物理含義，不便于理解。

同時(shí)，將PCA-TOPSIS方法與傳統(tǒng)的加權(quán)平均法進(jìn)行了對(duì)比。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)因?yàn)榧訖?quán)平均法采用相乘再累加的方式計(jì)算最終得分，其抗粗差干擾能力較弱，即當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的某個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)得分較為突出，而其他指標(biāo)均較弱時(shí)，其最終綜合評(píng)估結(jié)果受大指標(biāo)的影響較大，易造成評(píng)估結(jié)果失真。而PCA-TOPSIS抗粗差干擾能力相對(duì)較強(qiáng)，評(píng)估結(jié)果能夠更為真實(shí)的反映節(jié)點(diǎn)綜合能力。

5　結(jié)束語

本文綜合考慮維修保障各個(gè)環(huán)節(jié)，建立了短波固定臺(tái)站維修保障能力評(píng)估的指標(biāo)體系，利用PCA-TOPSIS方法對(duì)維修保障能力進(jìn)行評(píng)估，并通過實(shí)例分析，驗(yàn)證了方法的正確性與可行性，對(duì)短波固定通信臺(tái)站維修保障能力評(píng)估具有一定的借鑒意義。

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(責(zé)任編輯唐定國(guó))

Evaluation of Equipment Maintain Support Capability of HF Fixed Communication Stations Based on PCA and TOPSIS

HU Ming-hui1, LI Guo-jun1, LEI Bin1, LI Gao-feng1, JIA Xin-jie1, BAO Yang2

(1.Chongqing Institute of Communication, Chongqing 400035, China;2.Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

This paper aimed at solving the problem of complex and quantitative assessment of the power system for the maintenance and support of HF fixed communication stations, we established an index system for the evaluation of equipment maintenance support capability of short wave fixed communication station. By combining principal component analysis with ideal point decision method, we established a new multi-objective evaluation model of maintenance support capability. The experimental results show that the method is clear and easy to interpret. It provides a supplementary decision means for constructing the maintenance support system of HF fixed communication stations.

analytic hierarchy process; PCA; TOPSIS; HF fixed communication stations; maintenance support capability; evaluation

2016-02-18；

2016-03-15

國(guó)家自然科學(xué)基金(61302054)；重慶市基礎(chǔ)科學(xué)與前沿技術(shù)重點(diǎn)項(xiàng)目(cstc2015jcyjBX0078)

胡明輝(1988—)，男，碩士研究生,主要從事戰(zhàn)術(shù)無線通信與組網(wǎng)技術(shù)研究。

李國(guó)軍，男，副教授，主要從事戰(zhàn)術(shù)無線通信與組網(wǎng)技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2016.08.011

format:HU Ming-hui, LI Guo-jun, LEI Bin, et al.Evaluation of Equipment Maintain Support Capability of HF Fixed Communication Stations Based on PCA and TOPSIS[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(8):47-51.

E962

A

2096-2304(2016)08-0047-05

【后勤保障與裝備管理】