基于ADC模型的數據鏈效能評估方法

劉 亭

(中國人民解放軍91404部隊，河北 秦皇島 066001)

0 引言

隨著信息技術和計算機技術的不斷發展，現代戰爭已經由機械化作戰轉變為以信息為中心的信息化戰爭，而信息化戰爭最大的特點是以網絡為中心的“網絡中心戰”[1-4]。數據鏈作為構成網絡中心戰能力的重要部分[5-7]，其效能可描述為在戰場條件下完成任務所能發揮的有效作用程度，是滿足戰場需求的度量。

準確評估數據鏈效能可有助于指揮員制定作戰計劃。然而，數據鏈系統屬于多指標復雜系統，其綜合性能包括幾十項各類戰術技術指標，且物理屬性與量綱各不相同。對于這種復雜系統的綜合性能評估，需要通過一種科學的綜合評估方法，對所有指標或者對所關心的多項主要指標進行綜合比較和權衡。

ADC效能評估模型旨在根據武器系統的可用性(Availability)、可信性(Dependability)和固有能力(Capacity)三大要素評價武器系統作戰效能，能夠較全面地反映武器系統狀態隨時間變化的多項戰術、技術指標在作戰使用中的動態變化與綜合作用。目前已經被廣泛地應用到通信對抗裝備[8]、通信安全設備[9]和指揮信息系統[10]等效能評估。

本文針對數據鏈使命任務和使用方式，根據ADC模型對數據鏈的可用性、可信性和固有能力進行分析，提出了數據鏈裝備效能評價指標體系和計算方法，實現了基于ADC評估模型的效能定量評估。

1 數據鏈的使命任務

數據鏈作為一種能夠極大提高信息傳輸實時性、準確性、可靠性、保密性和自動性的裝備，最基本任務就是把地理上分散的指揮控制系統、各種探測器和武器系統聯系在一起，實施信息共享，便于指揮員實時掌握態勢，縮短決策時間，提高指揮速度和協同能力，以便對敵實施快速精確的連續打擊。

以數據鏈為支撐的信息分發網絡，構成了陸、海、空、天一體化的無縫隙全源情報體系，將各種偵察平臺、武器平臺達成網絡化及一體化，使得從傳感器到射手的時間大大縮短，范圍大大增大。其主要使用方式包括：多平臺多軍兵種聯合預警探測、跨平臺多軍兵種聯合指揮和跨平臺協同火力打擊等。數據鏈已成為提高反應速度的加速器、粘合不同力量的融合劑、擴大體系效能的倍增器。

2 ADC模型的基本原理

ADC模型是美國工業界武器系統效能咨詢委員會提出的效能評估模型[9]，其根據武器系統的可用性、可信性和固有能力三大要素評價武器系統效能，其解析表達式為：

E=ADC，

(1)

式中，武器系統效能E為武器系統在作戰條件下能夠在規定時間內完成使命任務的程度；武器系統可用性矩陣A是武器系統在執行任務過程中可能的系統狀態；系統可信性矩陣D為系統各種狀態可能變化為其他狀態的概率組成；系統固有能力C為在已知執行任務期間的系統狀態的情況下，系統完成任務能力的量度。

3 數據鏈效能指標分析與計算

3.1 數據鏈可用性分析

數據鏈的可用性被用來表示系統的可用程度。實際應用中，數據鏈裝備面臨來自對手不同方向、不同等級的干擾，其能夠保障信息傳輸的能力不同。面臨不同的對手和不一樣的環境，處于某一狀態的概率也不相同，因此數據鏈的可用性可由系統在不同狀態下的概率組成向量來表示。根據數據鏈的使用方式不同，其狀態劃分為正常、保障范圍下降1/2、保障范圍下降3/4和系統無法使用等4種狀態，分別用a0，a1，a2，a3表示，其中保障范圍指的是在此范圍內能夠保障指揮控制、協同預警探測、協同火力打擊等所有的任務對信息傳輸的要求均能滿足。

此時，系統的可用性可表示為：

A=[a0a1a2a3]，

(2)

式中，a0為系統在開始執行任務時處于正常工作狀態的概率；a1為系統保障范圍在小于正常范圍大于1/2正常保障范圍的概率；a2為系統保障范圍大于1/4正常保障范圍小于1/2正常保障范圍的概率；a3為系統無法工作處于故障狀態的概率。

3.2 數據鏈可信性分析

數據鏈可信性矩陣由系統在使用過程中，受敵方干擾或自身故障影響導致的各種狀態轉換成其他狀態的概率組成。因此，若系統有n種可能狀態，則在執行任務過程中就會出現n×n種可能的轉化狀態，即：

(3)

數據鏈在使用過程中可能處于a0，a1，a2，a3等4種狀態，且系統從故障狀態到可用狀態的概率與裝備維修人員的維修能力、故障情況等密切相關；從性能下降狀態恢復到正常狀態，與系統的抗干擾措施、地方干擾機的狀態等密切相關。因此，系統的可信性矩陣可描述為：

(4)

3.3 數據鏈固有能力分析

戰術數據鏈能否滿足系統指控、武器系統等上下層用戶的需求，已經很難只用信息傳輸設備本身的誤碼率、丟包率等技術指標進行評價，需要研究從用戶角度提出相應的技術指標體系，評價其效能[11]。

根據上面的分析，用戶對戰術數據鏈的需求主要集中在戰術信息的可達性和可用性2個方面。戰術信息的可達性是信息能夠實現用戶到用戶傳遞，這里的用戶指的是信息使用者(指控、預警探測設備和武器系統)；信息的可用性指送達信息要滿足用戶的使用要求。

信息的可達性主要通過測試指控系統、武器系統與信息傳輸系統之間以及跨平臺指控系統、武器系統之間的連通性、作用距離及跨平臺的信息丟失率來進行評價。系統連通性表征單平臺用戶之間、用戶與戰術數據鏈之間的連通性和跨平臺用戶之間的連通性。系統的連通性試驗主要通過測試用戶之間、用戶與戰術數據鏈系統之間及跨平臺用戶之間對協議的執行情況，通過靜態試驗或者內場試驗完成。跨平臺的信息丟失率和覆蓋范圍測試信息傳輸系統跨平臺信息傳輸性能。

信息的可用性指在實際環境中信息到達指定的平臺(或系統)后要滿足該系統上層用戶需求，主要用信息更新率、信息傳輸時延、信息正確率和跨平臺信息傳輸精度等指標進行評價，用這些技術指標測試信息傳輸系統信息傳輸的時效性、可靠性和正確性等性能。根據上述討論建立表征系統信息傳輸能力的指標體系如圖1所示。

圖1 數據鏈效能評估指標體系Fig.1 Index system of data link effectiveness evaluation

數據鏈在執行任務過程中具有4個狀態：正常、保障范圍下降1/2、保障范圍下降3/4和系統故障(無法使用)。在故障狀態下，可以認為數據鏈不能工作，其保障能力為0，系統能力也為0(即C4=0)，那么能力矩陣為：

(5)

正常工作狀態下，數據鏈固有能力由信息可達性和信息可用性組成，信息可用性主要由系統的信息傳輸正確率、信息更新率、信息傳輸時延和目標信息傳輸精度組成，信息可達性主要由信息丟失率、作用距離、平臺內部連通性和跨平臺聯通性組成[12]：

C1=α1β1+α2β2，

(6)

式中，β1為數據鏈的可用性；α1為數據鏈可用性在數據鏈能力中的權重；β2為數據鏈裝備可達性；α2為數據鏈裝備的可用性在數據鏈能力中的權重。

β1可表示為：

β1=γ1ε1+γ2ε2+γ3ε3+γ4ε4，

(7)

式中，ε1為數據鏈的信息傳輸正確率；γ1為信息傳輸正確率在可用性的權重；ε2為數據鏈的信息更新率；γ2為信息傳輸更新率在可用性的權重；ε3為數據鏈的信息傳輸時延；γ3為信息傳輸時延在可用性的權重；ε4為數據鏈的信息傳輸精度；γ4為信息傳輸精度在可用性的權重。

β2可用下列關系式表達：

β2=δ1θ1+δ2θ2+δ3θ3+δ4θ4，

(8)

式中，δ1為數據鏈的信息丟失率；θ1為信息丟失率在可達性的權重；δ2為數據鏈在此狀態下覆蓋范圍與正常值的比值；θ2為作用距離在可達性的權重；δ3為平臺內部數據鏈與其他系統連通性；θ3為平臺內部數據鏈與其他系統連通性在可達性的權重；δ4為數據鏈的跨平臺的連通性；θ4為跨平臺連通性在可達性的權重。

4 實例分析

本文以Link16數據鏈為例說明此評估方法的應用[13]。作為廣泛使用的戰術數據鏈，Link16數據鏈的抗干擾能力和信息傳輸能力都很強。根據前面的討論，在工作中所處的狀態主要由系統的可靠性、外部干擾環境、操作維修人員的能力和系統的維修性決定，根據Link16數據鏈系統技戰術指標，其A=[a0a1a2a3]=[0.35 0.4 0.2 0.05]。系統狀態轉換矩陣為：

(9)

可達性和可用性在數據鏈使用中具有同等重要的地位，所以其權重α1，α2均為0.5。

可用性β1各個參數的單位分別為信息傳輸更新率(條/秒)，信息傳輸時延的單位為s，可達性中平臺內各個信息系統與數據鏈系統都能無差錯傳輸則平臺內部連通性為1，否則根據平臺內部連通性的情況賦值[0，1]。跨平臺連通性為各個平臺之間均能無差錯傳輸，則為1，否則根據跨平臺的聯通情況賦值[0，1]；信息丟失率為百分比。

可用性β1中各個指標的權重分別為[0.3，0.3，0.2，0.2]，各個指標值為[0.97，2，1.5，1]；可達性β2中各個指標的權重分別為[0.1，0.4，0.2，0.3]，各個指標值為[0.9，1，1，1]。

此時能力矩陣為：

C=[1.090 5 1.090 5 1.040 5 0]，

系統可用性為：

A=[0.2 0.4 0.3 0.1]，

系統效能為：

E=ADC=0.949 377。

5 結束語

基于ADC模型對數據鏈效能進行了分析和評估，將人員能力和戰場環境因素綜合考慮到模型中，改變了以往只重裝備本身能力和因素，忽略人員能力素質問題，得出的結論將更加準確合理，可為數據鏈裝備系統性能的改進提供參考依據。