一種綜合化通信導航識別系統評估方法

高龍超

(中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036)

電子信息技術的日益發展促進了航空電子技術的不斷進步，機載平臺集成了越來越多功能各異的傳感器，這些傳感器能夠大幅提升平臺作戰效能。其中，無線電通信、導航、識別設備為飛機的飛行安全以及任務執行提供了重要支撐。機載平臺配備的通信、導航、識別設備樣式較多，互為補充，如通信設備需要提供視距通信和超視距通信，導航設備需要提供起飛降落階段的導航能力以及巡航階段的導航能力。而機載平臺由于設備裝機位置和空間有限，無法為功能各異的通信、導航、識別設備提供充足的裝機空間，隱身飛機的這一矛盾更加突出[1]。為了解決這一問題，射頻綜合的概念被提了出來[2]。美國空軍的“寶石柱”計劃采用綜合射頻技術，優化系統架構設計，使模塊設計標準化、通用化，并且保持系統的開發性和可擴展性[3-5]。這一設計理念使得綜合射頻系統與未綜合的系統相比，成本下降了1/2，體積下降了1/2，可靠性提高了2倍，功耗下降了1/3。

將射頻綜合的設計理念用于通信、導航、識別設備的綜合化設計，所設計的綜合化通信導航識別系統在體積質量功耗成本方面有顯著優勢。綜合化通信導航識別系統除了上述優點之外，還有其他方面的優勢。首先，綜合化通信導航識別系統能夠支持功能的重構，由于其采用通用化的模塊，當某一通用模塊故障導致某一功能失效后，系統根據優先級，可將其他正常的模塊分配給該功能使用，從而保證高優先級的功能正常工作。其次，綜合化通信導航識別系統維護方便，其使用外場可更換模塊，當模塊故障后，可直接更換故障模塊，無需將整個綜合化通信導航識別系統拆下進行維修。當系統的各功能需要軟件升級或者下載數據時，只需要一個維護口，一名保障人員就可實現對所有功能的軟件升級和數據下載，而獨立設備則分別需要預留維護口，且需要多名保障人員分別維護。最后，綜合化通信導航識別系統通過孔徑綜合以及模塊標準化設計，減少了天線孔徑數，且模塊種類也極大地減少[6-7]，縮短了研發周期，便于系統的技術狀態管理。

綜合化通信導航識別系統沒有嚴格的設計規范，文獻[8]分析了綜合化通信導航識別系統的關鍵技術，給出了設計的指導原則，如綜合化、通用化、標準化、可擴展性，并不是具體的設計標準與規范。在方案設計階段，研究人員往往會從不同側重點預先設計多個系統方案，經過比較后從中選擇最優的一個方案。基于此，需要一種有效方法，以對綜合化通信導航識別系統方案的性能進行評估。對綜合化通信導航識別系統的性能評估需要從多個維度展開，如系統的體積、質量、可靠性等方面。綜合化通信導航識別系統有多個屬性，而各個屬性的權重難以直接給出，需要選擇合適的方法對綜合化通信導航識別系統進行綜合評估，才能得到精確客觀的評估結果，從而指導實際工程中的綜合化通信導航識別系統的方案決策。

文獻[9]使用層次分析法(Aanalytic Hierardry Process,AHP)對綜合射頻系統的架構進行評估，對3種綜合射頻系統架構進行比較，并根據評估結果選擇出最優的系統架構，其對綜合射頻系統架構的評估與本文面臨的對綜合化通信導航識別系統的評估問題類似。文獻[9]中，最終的評估結果為歸一化結果，歸一化結果越大說明方案最優，但根據評估結果無法精確得知方案的優劣程度，即只能對3種架構的優劣進行排序，做到定性評估，無法進行定量評估，這對于綜合化通信導航識別系統的評估是不夠的，需要進一步尋找能夠實現精確評估的方法。

筆者首先建立綜合化通信導航識別系統指標評估體系，提出從系統指標、綜合指標、重構能力、“五性”指標以及傳感器能力5個方面對綜合化通信導航識別系統進行評估；然后對現有的多屬性評估方法進行對比，根據綜合化通信導航識別系統的特點選擇一種基于模糊評判的改進層次分析法作為評估方法。詳細介紹了改進層次分析法的步驟，通過具體實例說明了該方法的有效性。

1 指標評估體系

1.1 系統指標

系統指標包括體積、質量和功耗3個方面。這3個方面與平臺的特性密切相關，是機載平臺對綜合化通信導航識別系統的直接約束條件。機載平臺空間狹小，小型化設計是永恒的主題。設備體積達不到飛機平臺的約束條件，設備根本無法裝機。小型化設計除了能夠滿足設備裝機之外，也使得設備的拆卸和維護變得方便，設備與天線之間裝機電纜的鋪設也變得更加容易，用系統的體積反映小型化程度。設備的質量是飛機質量的一部分，飛機起飛所能承載的總質量是一定的，輕型設備使得飛機可裝載更多的其他載荷。對綜合化通信導航識別系統而言，質量主要來源于3部分：機架(含嵌入機架的模塊)、天線(含天線接口部分)以及裝機線纜。功耗是需要關注的另一個關鍵的系統指標，降低電子設備的功耗能夠減少對飛機上資源的消耗。由于設備的電是由飛機提供的，因此設備的功耗不能超出飛機所能提供的允許范圍，否則會對飛機的供電設計產生影響。綜合化通信導航識別系統的功耗包括機架、天線接口部分和有源天線的功耗。

1.2 綜合指標

根據綜合化系統的特點和設計理念，將孔徑數目、模塊種類以及模塊數量作為反映綜合化通信導航識別系統綜合化程度的3個指標。孔徑數目能夠反映綜合化通信導航識別系統孔徑綜合的程度。通過孔徑綜合，減少孔徑數目，有利于飛機的隱身，也有利于全機電磁兼容。而減少模塊種類數和模塊數目對綜合化通信導航識別系統的技術狀態管理有益，極大地減輕了在設備全生命周期過程中研發設計人員的負擔，同時減少了系統所需要提供的模塊備件數目。

1.3 重構能力

與未進行綜合設計的系統相比，綜合化通信導航識別系統的一個顯著特點是支持功能重構。用可支持重構的功能數、平均可重構次數和重構響應時間反映系統重構能力。綜合化通信導航識別系統需要支持多個重要功能的重構，如平臺的話音通信功能、航管應答功能等，支持重構的功能數越多，系統的重構能力越強。同時，有時還要求系統支持多次重構，多次重構指的是在第一次重構發生之后，又發生了模塊故障，系統還可繼續支持重構，用平均可重構次數反映。最后要求重構要無縫銜接，若重構速度慢，會影響用戶的使用。用重構響應時間表征重構的快慢。

1.4 “五性”指標

選取“五性”指標中的測試性、維修性以及可靠性評估綜合化通信導航識別系統的性能。其中，測試性指標中選擇故障檢測率，維修性指標選擇平均維修時間，可靠性指標選擇平均無故障時間。故障檢測率越高、平均維修時間越短、平均無故障時間越長，系統性能越優。綜合化通信導航識別系統使用標準模塊、通用模塊，只需加載一種波形即可對多個功能進行檢測，且可在重構模式下，用多種波形實現對一個模塊的多次檢測，故障檢測率高。當檢測出模塊故障后，直接更換模塊即可達到對系統進行維修的目的，維修時間相對未綜合化的系統有明顯縮短。綜合化通信導航識別系統簡化了互聯設計和軟硬件設計，極大地降低了系統復雜性，為提高系統可靠性奠定了基礎。同時，綜合化通信導航識別系統對關鍵節點進行了冗余設計，系統容錯率高，提高了系統的可靠性。

1.5 傳感器能力

選取語音清晰度、導航精度、識別概率作為綜合化導航識別系統的傳感器能力評估指標。綜合化通信導航識別系統為飛機提供通信服務，可供飛行員與地面塔臺進行語音通信，同時也可提供與其他飛機的語音通信，其中，話音清晰度是衡量語音服務質量的重要指標。無線電導航是飛機正常執行任務必不可少的傳感器設備，能夠提供飛機相對地面臺的距離和角度，在飛機起飛、降落時為飛行員提供必要的距離和角度信息。無線電導航設備的精度越高，越能夠為飛行員提供優質的導航服務。識別設備在作戰時可對目標敵我屬性進行判定，雷達等傳感器探測到目標后，需要敵我識別設備判定該目標是友方還是敵方，若識別錯誤，可能會造成誤傷。因此，設備的識別概率越高，作戰時的誤傷概率就越低。

2 評估方法選擇

綜合化通信導航識別系統的評估是典型的多屬性權重決策問題。

文獻[10]和文獻[11]系統地介紹了國內外武器裝備的評估方法。文獻[10]將評估方法分為3種：基于作戰能力的評估方法、基于作戰效能的評估方法和基于體系結構的評估方法。文獻[11]則將評估方法歸納為專家調查法、解析法、層次分析法等，并對比了各種方法的優缺點。基于文獻[10]和文獻[11]中關于評估方法的詳細介紹，結合綜合化通信導航識別系統的特點，經過分析，層次分析法和多屬性決策法是較為適合綜合化通信導航識別系統的評估方法。文獻[12]詳細介紹了層次分析法和多屬性決策法。多屬性決策法首先獲取決策矩陣，使用信息熵法根據決策矩陣得到各屬性的權值，再根據TOPSIS法[13-15]將決策矩陣和權值進行綜合得到評估結果。層次分析法則需要構造成對比較矩陣，計算成對比較矩陣的特征向量，取特征向量作為各屬性的權值。多屬性決策法計算的屬性權值依賴于各方案屬性的取值，而層次分析法計算的屬性權值與各方案屬性的取值無關。當某一方案加入或者退出時，多屬性決策法計算的屬性權值會發生變化，而層次分析法計算的屬性權值不會發生變化。對于綜合化通信導航識別系統，希望選擇的系統屬性確定后，屬性權值能相對固定，不希望某一方案加入或退出時，屬性的權值發生變化。因此，層次分析法比較適用于綜合化通信導航識別系統的評估。

然而從評估結果看，層次分析法和多屬性決策法盡管能得到對各個方案的評估結果，但評估結果為相對值，即只知道方案的優劣排序，不能精確地知道各個方案的優劣程度。文獻[16]和文獻[17]提出使用灰度函數對層次分析法進行改進，文獻[18]和文獻[19]基于模糊評判對層次分析法進行修正，灰度函數和模糊評判在數學領域都是對不確定性的描述。這些文獻將專家打分和模糊理論相結合，得到隸屬度矩陣，用隸屬度矩陣修正層次分析法的權值，最終得到評估結果。但文獻[16]和文獻[17]的隸屬度矩陣與灰度函數的選擇有關，文獻[18]和文獻[19]并未給出獲取隸屬度矩陣的過程。筆者提出使用直方圖法統計專家打分，得到隸屬度矩陣，將隸屬度矩陣與層次分析法獲取的權值進行綜合，得到每個方案的評估結果，最終能得到與文獻[16]～文獻[19]類似的結果，既能得到各個方案的優劣排序，也能判斷各個方案的優劣程度。

3 改進的層次分析法

3.1 層次分析法

層次分析法是一種定量與定性相結合、自頂向下分層的分析評估手段，由Saaty于20世紀70年代提出。層次分析法適用于影響因子較多且較難量化的復雜系統的評估問題，使用層次分析法可以獲得各影響因子的權重。

使用層次分析法步驟如下。

① 分析梳理系統所包含的關鍵因子，根據內在邏輯關系將這些因素用分層的方式表示，用層次結構圖展現。綜合化通信導航識別系統性能指標評估體系的層次結構如圖 1所示。

圖1 層次結構圖

② 對于處于同一層的因子，構造成對比較矩陣，矩陣的每個元素為兩兩因子重要性比值。不妨假設有n個因子，分別為P1，P2，…，Pn，第i個因子和第j個因子(i≠j)重要性比值為aij，則成對比較矩陣為A=(aij)nn。顯然，aii=1;i=1,2,…,n;aij=1/aji。對圖 1的層次結構圖，需要構造5個成對比較矩陣。其中，針對第1層構造1個成對比較矩陣，針對第2層構造4個成對比較矩陣。需要說明的是，層次分析法容許不一致性的存在，但這種不一致性需要控制在一定范圍內。

③ 對成對比較矩陣進行一致性檢驗。對矩陣A進行特征值分解，設λ為矩陣A的最大特征值，ω為對應的歸一化特征向量。定義一致性指標CI為

(1)

定義隨機一致性指標為RI，RI由n決定，n為影響因子數，RI與n的關系如表1所示。

表1 隨機一致性表

進一步定義一致性比率CR為

(2)

式中：若CR<0.1，則認為通過一致性檢驗，可以用矩陣A最大特征值對應的特征向量作為權值向量；否則，需要對矩陣A進行修正，直至通過一致性檢驗。

(3)

式中：ω(i)為ω的第i個元素;ω為圖 1中第1層的權值向量。

3.2 基于直方圖法的模糊評判

模糊評判是指對各影響因子以某個預先選定的評語集為參考，基于最大隸屬度原則進行定量評判。模糊評判包含3個要素：

① 評判因子集U={u1,u2,…,un}。其中，ui為評判因子。

3.3 綜合計算

(4)

E=ωD

(5)

式中：E為1×m矩陣；ω為1×n矩陣，為圖 1中第1層的權值向量。對應于圖 1，n=5，m為評價等級數，E為被評價系統基于評判集V={v1,v2,…,vm}的最終評價結果。

4 實例計算分析

4.1 權值計算

對圖 1第1層的各個因子進行兩兩比較，結合Saaty的比較尺度建議[6]，得到第1層級的成對比較矩陣，如式(6)所示:

(6)

式中：A的各個元素代表相應因子重要性的比值。

對矩陣A進行特征值分解，最大特征值對應的特征向量w=[0.3689 0.2063 0.1093 0.1093 0.2063]T，一致性比率CR=0.0037<0.1，通過一致性檢驗。

對圖 1中第2層的各個子層的每個因子進行兩兩比較，結合Saaty的比較尺度建議，得到系統指標對應的成對比較矩陣A1，為式(7)中矩陣F的1～3列；綜合指標對應的成對比較矩陣A2，為式(7)中矩陣F的4～6列；重構能力對應的成對比較矩陣A3，為式(7)中矩陣F的7～9列；“五性”指標對應的成對比較矩陣A4，為式(7)中矩陣F的10～12列。傳感器能力指標對應的成對比較矩陣A5，為式(7)中矩陣F的13～15列，矩陣F的各個元素代表相應因子重要性的比值。

(7)

對A1進行特征值分解，得到最大的特征值λ1=3.01，特征向量w1=[0.5396 0.2970 0.1634]T，一致性比率CR=0.0079<0.1，通過一致性檢驗。

對A2進行特征值分解，得到最大的特征值λ2=3.02，特征向量w2=[0.5499 0.2402 0.2098]T，一致性比率CR=0.0158<0.1，通過一致性檢驗。

對A3進行特征值分解，得到最大的特征值λ3=3.02，特征向量w3=[0.5584 0.1220 0.3196]T，一致性比率CR=0.0158<0.1，通過一致性檢驗。

對A4進行特征值分解，得到最大的特征值λ4=3.01，特征向量w4=[0.4579 0.1260 0.4161]T，一致性比率CR=0.0079<0.1，通過一致性檢驗。

對A5進行特征值分解，得到最大的特征值λ5=3.01，特征向量w5=[0.5396 0.2970 0.1634]T，一致性比率CR=0.0079<0.1，通過一致性檢驗。

得到ω和wi(i=1,2,3,4,5)后，依據式(3)得到綜合權值，經歸一化處理如表2所示。表2中的數據為每個因子的歸一化權值，代表各個因子的重要性，具體而言，本模型中體積(權值為0.1991)的重要性要高于模塊種類(權值為0.0495)的重要性。

表2 綜合權值計算結果

4.2 評估結果計算

按照3.2節的方法先獲取某一方案的隸屬度矩陣，得到圖 1中第2層15個因子的隸屬度矩陣R如式(8)所示。

R的每一列之和為1，共15列，每一列代表每個因子的打分百分比分布，無量綱。其中，R的1～3列的轉置為系統指標的隸屬度矩陣，記為R1；R的4～6列的轉置為綜合指標的隸屬度矩陣，記為R2；R的7～9列的轉置為重構能力的隸屬度矩陣，記為R3；R的10～12列的轉置為“五性”指標的隸屬度矩陣，記為R4；R的13～15列的轉置為傳感器能力指標的隸屬度矩陣，記為R5。

(8)

R的第1列元素的含義解釋為50%的專家認為該系統體積評判結果為優，30%的專家評判結果為良，20%的專家評判結果為一般。R的2～15列元素分別為專家對其他因子的評判結果。

根據式(4)，將表2的綜合權值和式(8)帶入其中，計算圖 1中第2層評估向量如式(9)所示。

(9)

模糊評判集取值如表3所示。

表3 模糊評判集取值

根據式(5)，將4.1節中的w和式(9)代入其中，計算圖 1中第一層評估權向量如式(10)所示，其各個元素之和為1，為歸一化結果。

E=[0.4631 0.3151 0.1763 0.0455]

(10)

式(10)為對該系統的評價結果，其具體含義為46.31%的專家認為該系統總體性能為優;31.51%專家認為該系統總體性能為良;17.63%的專家認為該系統總體性能為一般;4.55%的專家認為該系統總體性能為差。為了得到該系統的具體評分，從v1、v2、v3、v4中分別取一個值，組成一個向量F，如式(11)所示。F的每個元素的含義為從各個評判等級中取一個具體數值，如93為評語為“優”的等級的一個具體打分值。

F=[93 80 68 40]

(11)

令G=EFT，根據式(10)和式(11)得G=82.1，可見該方案的性能評估結果為良。獲取其他方案的隸屬度矩陣，按照上述方法得到相應的評估結果，從而得到各個備選方案的精確評估結果。

4.3 評估結果分析

由評估方法的過程可知，評估結果取決于表2中的權值以及式(8)中的隸屬度矩陣。而權值由成對比較矩陣計算得到，權值決定了某一個評估因子的比重，隸屬度矩陣決定了專家系統對該因子的評分。綜合化通信導航識別系統的評估分值為82.4，評估結果為“良”。這是因為式(9)綜合評價結果中的系統指標、綜合指標、重構能力和傳感器能力的打分均集中在“優”和“良”，“一般”和“差”占比較小；“五性”指標中的“一般”和“差”占比較高，超過了0.4，但其權值僅為0.1093，不會對整體的評估結果造成較大影響。本文方法得到的評估結果為“良”，與定性評估得到的結果一致；而且使用本文方法能夠得到定量的評估結果，若有兩個方案需要進行比較，則本文方法可以給出精確評估，從而選出更好的方案。

4.4 輸入輸出分析

由該方法的計算過程可知，方法的輸入參數包括層次結構圖中的成對比較矩陣和隸屬度矩陣。其中，成對比較矩陣需要評估者根據各個評估因子的相互比重關系給出；而隸屬度矩陣需要對專家打分結果進行直方圖統計得到。得到成對比較矩陣和隸屬度矩陣后根據所提方法就可以得到最終的評估結果。最終的評估結果即為所提方法的輸出，完全取決于輸入參數。輸入參數中的成對比較矩陣與待評價的方案無關，反映了各個影響因子的權重，而輸入參數中的隸屬度矩陣則是每個方案中各個影響因子性能的具體表征，成對比較矩陣和隸屬度矩陣直接決定了評估結果。當增加一個新的方案時，成對比較矩陣無需改變，只需通過專家打分獲得一個新的隸屬度矩陣。

4.5 與其他方法的比較

經典的層次分析法適用于對多個方案進行比較，需要得到各個評估因子的權值，同時需要得到各個方案的權值，最后綜合二者得到各個方案的評估結果。但經典的層次分析法是權值與權值進行綜合得到的結果，得到的只是各個方案的相對比較結果，只知道各個方案的優劣次序，無法知道各個方案的“優”、“良”、“中”、“差”等級。而所提方法在經典層次分析的基礎上結合模糊評判，能夠得到精確的評估結果。由于經典層次分析法得到的評估結果是歸一化的權值，而所提方法的評估結果是基于模糊評判集的量化值，二者的具體含義有所不同。

基于灰度函數的評估方法依賴于灰度函數的選取，相關文獻中均未說明灰度函數選取的依據，缺乏理論依據；而所提方法中的模糊評判基于專家打分，通過直方圖統計將專家打分轉換為權值修正因子，過程簡單明了，邏輯也較為清晰，理論依據較為嚴謹。基于灰度函數的評估方法與所提方法的評估結果是類似的，均可以得到精確的評估結果，區別在于所提方法通過直方圖法獲得隸屬度矩陣作為修正矩陣，而基于灰度函數的評估方法通過灰度函數獲得灰度矩陣。本文的隸屬度矩陣即相當于基于灰度函數方法的灰度矩陣。

5 結束語

為了對綜合化通信導航識別系統進行性能評估，從系統指標、綜合指標、重構能力和“五性”指標4個方面建立了指標評估體系。使用層次分析法得到系統各屬性的權值，基于直方圖法對專家打分進行統計得到隸屬度矩陣，綜合屬性權值和隸屬度矩陣，得到系統定量的性能評估結果。所提方法對工程中精確評估綜合化通信導航識別系統性能有一定的借鑒意義。