考慮時域穩定性的軍事信息系統運維性能評估

劉 彬， 張杰勇， 鐘 赟,2， 孫 鵬

(1.空軍工程大學信息與導航學院，西安, 710077；2.空軍工程大學裝備管理與無人機工程學院，西安, 710051)

隨著信息網絡技術在軍事領域的廣泛應用，軍事信息系統成為影響體系作戰效能的關鍵因素[1]。軍事信息系統作為軍隊戰斗力的“倍增器”、作戰體系要素的“黏合劑”和作戰指揮控制的“神經中樞”[2]，是各級指揮所和指揮員開展作戰指揮控制活動的必要手段，對其運行維護水平進行定期定量評估，有利于促進軍事信息系統的建設和發展。

軍事信息系統評估涉及的對象、內容和層次復雜，主要包含指標體系建立、指標權重確定和評估結果生成等基本步驟。根據評估方法的不同，軍事信息系統評估包括云模型方法[3]、灰色理論[4]、模糊神經網絡方法[5]、系統動力學方法[6]和區間方法[7]等。根據指標權重確定方法的不同，主要包括主觀權重確定法、客觀權重確定法和組合權重確定法。在實際評估問題中，可根據需要采用相應的權重確定法。

對于軍事信息系統評估工作，存在不同視角下的多樣化研究成果。文獻[8]針對面向服務構建軍事信息系統過程中的不同生成方案，從服務組合方案和服務部署方案兩個方面出發建立指標體系，并按照專家意見一致性集結和基于指標相對優勢關系評估的順序進行高效生成方案評估。文獻[9]從軍事信息系統體系作戰能力角度出發，建立包含信息基礎支撐能力、要素能力和任務能力在內的分層指標體系，基于相應評估方法，提出評估支撐平臺的建設思路，并結合典型案例驗證提供了對軍事信息系統評估實踐的重要參考。文獻[10]針對軍事信息系統應用層攻擊問題，建立三級評估指標體系，采用雙因子主客觀組合賦權法確定指標權重，并建立具有學習機制和改進能力的模糊隸屬函數，進而設計包含單一和多種攻擊效能的系統應用層攻擊評估方法。文獻[11]針對指揮信息系統綜合評價問題，采用主觀層次分析法和客觀CRITIC法確定指標權重，并基于接近理想解排序方法進行系統評估排序。文獻[12]針對軍事信息系統運維人才能力評估問題，建立包含基本素質維、業務知識維、崗位技能維和運維行動維的指標體系，構建人才能力評估結構方程模型，并進行參數估計與檢驗，最后給出人才能力評估模型的思考建議。

根據對上述已有研究成果的分析，提出以下可以進行拓展研究的方面：①當前對于軍事信息系統運維性能進行評估的研究相對較少；②在指標權重的確定過程中，主客觀信息融合方式和程度不夠科學合理；③當前研究大多屬于瞬時評估，未引入時間維影響進行動態評估。

1 系統運維指標體系及評估模型構建

軍事信息系統運維是系統運維人員按照特定的方法手段和規章流程，對軍事信息系統各類環境、設備和軟件進行日常維護和綜合管理的活動[13]，對其評估主要包括指標體系和模型構建兩個部分。

1.1 指標體系構建

以某飛行保障軍事信息系統為例，軍事信息系統主要包括網絡運行子系統、安全防護子系統、文電傳輸子系統、視頻監控子系統、指揮控制子系統和情報保障子系統。

按照客觀獨立、完備可測的指標體系構建原則，確定軍事信息系統運維的“6+20”指標體系。圖1為典型飛行保障軍事信息系統運維性能評估指標體系。

圖1 系統運維性能評估指標體系

其中，網絡運行維、安全防護維、文電傳輸維、視頻監控維、指揮控制維和情報保障維為一級指標，網絡運行維包含網絡帶寬、網絡延遲、網絡丟包率、網絡吞吐量和網絡連通率5個二級指標，安全防護維包含日均病毒告警次數、安全檢查漏報率、安全策略添加率和硬件設備安全性檢測率4個二級指標，文電傳輸維包含文電傳輸時效性和文電傳輸準確率2個二級指標，視頻監控維包含視頻區域覆蓋率、視頻呼點應答率和視頻音頻質量3個二級指標，指揮控制維包含系統支撐能力、系統冗余備份能力和軟件容錯能力3個二級指標，情報保障維包含情報完整率、情報時效性和情報精度3個二級指標。對于所有指標，指標類型包括效益型指標和成本型指標兩類，效益型指標越大越好，成本型指標越小越好。

1.2 評估模型構建

實際上，軍事信息系統作為長期運行系統，對其進行綜合評估，需要同時考慮系統運行水平和運行穩定性兩個方面。與傳統性能評估不同的是，考慮時間維影響的性能評估是通過構造評估系統在不同評估時點上運維綜合性能，形成完整時域上的系統運維性能評估結果。由于考慮時間維影響的性能評估是綜合考慮對象、指標和時間的三維評估問題，故具有一定的復雜性。在指標的初始取值方面，均由系統進行實時采集或階段性數據累積計算得到，如網絡帶寬、網絡延遲可以通過網絡分析軟件實時獲得，日均病毒告警次數、安全檢查漏報率可以通過上級監控系統統計生成。在得到初始數據基礎上，可采用相應的規范化方法進行處理。對于效益型指標和成本型指標，規范化方法分別為:

(1)

(2)

式中：x*為規范化后指標值；xmax為指標最大值；xmin為指標最小值。

首先，對系統運維性能評估的關鍵要素進行定義。令評估系統集合為S={s1,s2,…,sM} ，其中，M為評估系統的數量；令屬性指標集合為A={a1,a2,…,aN} ，其中，N為屬性指標的數量；令評估時點集合為T={t1,t2,…,tP} ，其中，P為評估時點的數量。令系統sm(1≤m≤M) 在時點tp(1≤p≤P) 的第n(1≤n≤N) 個經過規范化處理的屬性指標取值為xmnp，則所有這樣的屬性指標取值構成三維數據矩陣X。綜合考慮系統運維性能評估的各方面因素，可以建立評估模型為：

(3)

式中：wnp為指標an在評估時點tp的權重，通過主客觀信息綜合給出，用于衡量不同指標對系統運維性能的影響大小；rmn為評估系統sm在指標an上的穩定性因子，一般而言，指標的穩定性越強，則該指標對系統運維性能的正向影響越大；ωp是評估時點tp的權重，用于衡量不同評估時點對系統運維性能的影響大小。

從式(3)可以看出，考慮時域穩定性的軍事信息系統運維性能評估模型綜合考慮了指標大小、指標權重、評估時點權重和指標穩定性4個方面因素影響，實現了對軍事信息系統運維性能從瞬時評估向動態評估的轉變。

對于評估系統sm在指標an上的穩定性因子rmn，采用評估系統sm的指標an在不同評估時點取值xmnp的方差值倒數進行度量，計算公式為

(4)

(5)

2 指標權重及評估時點權重確定

2.1 基于主客觀信息綜合的指標權重確定

考慮主觀信息確定指標權重過程中，首先由專家集合中具有不同權威度的多名專家集體給出各自的指標權重賦值，然后建立相應的主觀指標權重確定模型，最后通過對模型的求解可以得到主觀指標權重。

若專家集合為Z={z1,z2,…,zQ} ，專家zq(1≤q≤Q) 的權威度為φq。假定在評估時點tp，定義專家zq對指標xmnp的指標偏好度ζmnpq由專家給出指標權重值δnpq、專家權威度值φq和指標值xmnp共同決定，即有：

ζmnpq=δnpqφqxmnp

(6)

由于經驗知識的差異，不同專家的指標偏好度各不相同。綜合考慮不同專家的指標偏好度，得到指標xmnp的專家平均偏好度ζmnp為：

(7)

根據主觀信息確定指標權重過程中，主要考慮使得指標xmnp的專家平均偏好度ζmnp及其實際值xmnp兩者之差絕對值的加權值最小，即可建立相應權重確定模型為:

(8)

考慮客觀信息確定指標權重過程中，主要采用基于離差最大化的指標權重確定方法。基本思想是若所有評估系統在某指標下的取值差異越小，則該指標對系統運維性能的影響程度越小，應賦予較小權重；反之，若所有評估系統在某指標下的取值差異越大，則該指標對系統運維性能的影響程度越大，應賦予較大權重。假定在評估時點tp，定義評估系統sm與其他評估系統sm′在指標an上的離差dmnp為

(9)

(10)

由此，可以建立基于離差最大化的客觀指標權重確定模型為:

(11)

綜合主觀和客觀信息，可以建立基于主客觀信息綜合的指標權重確定模型為式(12)；為求解如式(12)所示的規劃模型，構造拉格朗日函數Lp(wnp,λ) 為式(13)，根據取Lp(wnp,λ) 極值條件，分別對wnp和λ進行求導，并令相應導函數為0，即有式(14)；聯立式(14)和式(15)，可求得式(16)；對所有wnp進行歸一化處理，可求得式(17)。

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

2.2 基于方差最小化的評估時點權重確定

評估時點權重向量Ω=(ω1,ω2,…,ωP) 的確定是軍事信息系統運維性能評估的關鍵一環[14]，評估時點權重方法主要包括熵值法、方差法和極小范數法。本文主要采用方差法確定評估時點權重。

首先，定義評估時點函數ρ為:

(18)

評估時點函數ρ具有一定的實際特性，當Ω=(1,0,…,0) 時，ρ=1；當Ω=(0,0,…,1) 時，ρ=0；當Ω=(1/P,1/P,…,1/P) 時，ρ=0.5 。因此，若ρ越接近于1，則遠期評估時點的權重相對越大；若ρ越接近于0，則近期評估時點的權重相對越大；若ρ越接近于0.5，則各評估時點的權重相對較為均衡。

方差法的具體原理為在給定評估時點函數ρ情況下，選取一組評估時點權重使得權重方差D(Ω) 最小，具體計算式為:

(19)

可以建立基于方差最小化的評估時點權重確定模型為:

(20)

(21)

根據r值和s值取值情況，可以將ρ∈(0,1)的取值情況采用析取式形式表征，即有:

(22)

(24)

(25)

(26)

通過滿足式(23)的給定ρ值，就可以通過式(24)～(26)計算最優評估時點權重值。

3 仿真算例分析

為驗證相關方法的有效性和可靠性，在CPU核心頻率為2.27 GHz的計算機上，基于MATLAB2021a仿真平臺開展相應仿真驗證工作。

在參數設置方面，令參與評估的軍事信息系統數量N=5，令參與決策的專家數量為Q=3，權威度分別為0.58、0.65和0.83。

在確定評估時點權重時，令評估時點數量P=5，則根據式(23)，評估時點函數值ρ的取值范圍為[0.25,0.75]。若在評估過程中，更加注重近期運維性能，則令ρ取值為一較小值。根據式(24)～(26)，可計算得到最優權重向量為Ω*=(0.12,0.16,0.20,0.24,0.28)，可以看出越是近期評估時點，其權重值越大，符合理論分析的結果。

表1為各評估時點下各評估系統的典型指標取值情況。表2為各評估系統指標的穩定性因子取值情況。表3為各評估時點下指標權重大小。

分別取ρ為不同值，分析評估時點函數ρ對評估結果的影響。表4為ρ在不同取值下的評估結果。可以看出，當ρ值取為0.9時，評估結果分別為15.290 5、11.861 9、10.030、15.245 5和10.533 4，系統運維性能從優到劣依次為s1>s4>s2>s5>s3；而在其他取值時，系統運維性能從優到劣依次為s4>s1>s2>s5>s3。因此，ρ的取值越趨于1，對系統s1和s4的優劣相對關系影響越大。

令ρ=0.4，將本文方法和未考慮穩定性方法、文獻[15]方法進行對比，各方法的評估結果見表5。

表1 關鍵性指標取值情況

表1(續)

表2 關鍵性指標的穩定性因子

表3 關鍵性指標的權重大小

表4 不同時點函數ρ取值評估結果

表5 不同方法評估結果

從表5可以看出，考慮穩定性方法與文獻[15]方法的排序情況一致，而未考慮穩定性方法在s3和s5上與其他兩種方法存在差異。這是因為考慮穩定性方法與文獻[15]方法在評估模型中均考慮了指標動態變化的影響，評估結果更加全面。

4 結語

考慮到軍事信息系統運維性能評估是一個多時域連續問題，本文提出了一種考慮時域穩定性的系統運維評估方法。結合某飛行保障軍事信息系統運維實際，構建評估指標體系；在系統運維評估模型中，綜合考慮各評估時點及指標穩定性的影響；分別基于主客觀信息綜合和方差最小化思想，通過一定運算法則確定指標權重和評估時點權重；最后，通過仿真算例驗證了方法的有效性和可靠性。本文所提出的運維性能評估方法，可為軍事信息系統以及其他類似系統的運維評估提供一定方法借鑒。