多平臺航電系統(tǒng)綜合可信度度量方案研究

鄒 巖,陶秋子,張少卿,林 川,陳佳潤,王亞卓,趙爽宇,韓光潔

1(沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所,沈陽 110035)

2(大連理工大學(xué) 軟件學(xué)院,遼寧 大連 116620)

3(東北大學(xué) 軟件學(xué)院,沈陽 110169)

4(河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇 常州 213022)

0 引 言

為了適應(yīng)現(xiàn)代信息化戰(zhàn)場環(huán)境,空戰(zhàn)模式正在由傳統(tǒng)的單平臺作戰(zhàn)向新型的多平臺作戰(zhàn)發(fā)展[1],通過多機(jī)編隊(duì),綜合戰(zhàn)場信息,實(shí)現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)[2].多平臺航電系統(tǒng)作為多平臺作戰(zhàn)的基礎(chǔ),可能由于偶然故障或者敵方入侵而產(chǎn)生錯誤信息,進(jìn)而影響作戰(zhàn)結(jié)果[3],因此,評估多平臺航電系統(tǒng)的可信度對于作戰(zhàn)至關(guān)重要[4,5].通過多平臺航電系統(tǒng)的可信度評估,可以判斷整個系統(tǒng)過去以及目前的狀態(tài)并預(yù)測未來的狀態(tài)[6],找出那些不可用或不可信的平臺并對其進(jìn)行處理,進(jìn)而保障作戰(zhàn)任務(wù)的順利進(jìn)行[7].

多平臺航電系統(tǒng)的可信度,描述多平臺航電系統(tǒng)這個整體按照預(yù)期執(zhí)行某一項(xiàng)作戰(zhàn)使命任務(wù)的可信完成程度[8].因此,對多平臺航電系統(tǒng)可信度的建模應(yīng)該包括兩個方面:一是衡量多平臺航電系統(tǒng)的軟硬件屬性,滿足該作戰(zhàn)使命任務(wù)需求程度的任務(wù)支撐度.二是衡量多平臺航電系統(tǒng)持續(xù)可靠運(yùn)行程度的系統(tǒng)可靠性.目前,有文獻(xiàn)[9,10]對多平臺航電系統(tǒng)的任務(wù)支撐度進(jìn)行了研究,將多平臺航電系統(tǒng)滿足特定作戰(zhàn)任務(wù)需求的程度建模為貢獻(xiàn)率或者效能,通過對作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行分析,構(gòu)建層次化指標(biāo),基于粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行評估.但是,這些研究只關(guān)注了多平臺航電系統(tǒng)滿足特定作戰(zhàn)任務(wù)需求的程度,而忽視了多平臺航電系統(tǒng)自身的可靠性.只有在確保多平臺航電系統(tǒng)是可靠的情況下,即運(yùn)算、通信等結(jié)果都是可靠的,多平臺航電系統(tǒng)的執(zhí)行結(jié)果才是有效的,才能確保多平臺航電系統(tǒng)對作戰(zhàn)任務(wù)需求的滿足程度是如實(shí)的并且能夠按照預(yù)期執(zhí)行,因此,需要對多平臺航電系統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性進(jìn)行研究,構(gòu)建更完善的指標(biāo)體系.本文在前人文章的基礎(chǔ)上構(gòu)建了符合多各不同飛行任務(wù)的層次化指標(biāo)體系,使整個體系能符合不同作戰(zhàn)任務(wù)的基本衡量要求,在針對不同作戰(zhàn)任務(wù)時(shí),只需要改變權(quán)值即可符合不同作戰(zhàn)需求的衡量標(biāo)準(zhǔn),使指標(biāo)體系有更曠闊的應(yīng)用范圍.

綜合任務(wù)支撐度和系統(tǒng)可靠性,多平臺航電系統(tǒng)可信度能夠?qū)Χ嗥脚_航電系統(tǒng)過去和當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行評估以及對未來狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測,它是與具體的作戰(zhàn)使命任務(wù)密切相關(guān)的,因此,單純依靠系統(tǒng)信息無法準(zhǔn)確決策,還需要作戰(zhàn)專家的輔助決策.引入專家打分法[11],與層次分析法相結(jié)合[12,13],可以對指標(biāo)重要程度進(jìn)行更準(zhǔn)確的判斷,并且賦予專家對多平臺航電系統(tǒng)可信度評估以更多的可操作性[14].由于傳統(tǒng)的層次分析法無法描述專家的偏好[15],因此利用改進(jìn)的概率語言層次分析法[16],允許專家概率性地表達(dá)其偏好信息,從而更符合決策問題的復(fù)雜性和不確定性.本文相比其他同類文獻(xiàn)更注重指標(biāo)的內(nèi)部關(guān)系及個體的獨(dú)立性,將每個不同的指標(biāo)都賦予了不同的值,這樣不但更好的反映出指標(biāo)的重要程度,同時(shí)反映了不同聯(lián)系的指標(biāo)對平臺信任值的影響.

本文針對多平臺航電系統(tǒng),構(gòu)建層次化多平臺航電系統(tǒng)架構(gòu),將多平臺航電系統(tǒng)劃分為多個分布式控制管理平面;構(gòu)建基于系統(tǒng)可靠性和任務(wù)支撐度的多平臺航電系統(tǒng)可信度評估架構(gòu),所涉及的指標(biāo)共有52個之多;在此基礎(chǔ)上,引入專家打分法和模糊層次分析法,以此來對多航電平臺系統(tǒng)的可信度進(jìn)行綜合全面的評估.

1 層次化多平臺航電系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示,本文將多平臺航電系統(tǒng)抽象為一個層次化多平臺系統(tǒng).每架飛機(jī)的航電系統(tǒng)由若干個子系統(tǒng)組成,每個子系統(tǒng)又包含有多個子模塊.在此基礎(chǔ)上,利用無線航空網(wǎng)絡(luò)和航空電子網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)內(nèi)的信息交互,其中,無線航空網(wǎng)絡(luò)連接航空編隊(duì)內(nèi)多個航空平臺,航空電子網(wǎng)絡(luò)連接單個航空平臺內(nèi)多個子系統(tǒng).在整個多平臺航電系統(tǒng)之間建立一套集中性統(tǒng)一控制管理的交互式通訊航電網(wǎng)絡(luò)機(jī)制,這套網(wǎng)絡(luò)通訊機(jī)制,會在網(wǎng)絡(luò)控制器的控制下統(tǒng)一調(diào)配各種資源,通過對比不同平臺之間的通信成本與信息內(nèi)容,為整個航電網(wǎng)絡(luò)提供差異化的精細(xì)服務(wù)[17].

圖1 層次化多平臺航電系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture for hierarchical multi-platform avionics system

此外,在本文提出的多平臺航電系統(tǒng)組成的航空編隊(duì)中,選用預(yù)警機(jī)作為航電系統(tǒng)的控制中心,即主控平臺.其他的相關(guān)子平臺可根據(jù)不同作戰(zhàn)任務(wù)選用相應(yīng)類型的飛機(jī),本文以戰(zhàn)斗機(jī)為例對多平臺航電系統(tǒng)進(jìn)行介紹.多平臺航電系統(tǒng)由多種類型的航電平臺組成,這些航電平臺系統(tǒng)依據(jù)作戰(zhàn)應(yīng)用分類包括:作戰(zhàn)攻擊類航電系統(tǒng)、殲擊機(jī)航電系統(tǒng)、轟炸機(jī)航電系統(tǒng)、探測偵察類航電系統(tǒng)、運(yùn)輸類航電系統(tǒng)、微航電系統(tǒng)、無人航電系統(tǒng)等.

2 綜合可信度度量方案

2.1 多平臺可信度體系架構(gòu)

本文首先分析多平臺航電系統(tǒng)可能承擔(dān)的作戰(zhàn)使命任務(wù),分解這些作戰(zhàn)使命任務(wù),并將其映射為支撐作戰(zhàn)任務(wù)的能力需求,提出面向多平臺航電系統(tǒng)的任務(wù)支撐度.然后,根據(jù)任務(wù)支撐度,結(jié)合系統(tǒng)可靠性,構(gòu)建用于多平臺航電系統(tǒng)可信度度量的指標(biāo)體系.最后,針對特定的作戰(zhàn)使命任務(wù),綜合多平臺航電系統(tǒng)在指標(biāo)體系上的表現(xiàn),評估多平臺航電系統(tǒng)的可信度,具體評估架構(gòu)如圖2所示.

圖2 多平臺航電系統(tǒng)可信度評估架構(gòu)Fig.2 Reliability assessment framework for multi-platform avionics systems

在此基礎(chǔ)上,根據(jù)多平臺航電系統(tǒng)的任務(wù)支撐度和系統(tǒng)可靠性,提取能夠反映多平臺航電系統(tǒng)可信度的指標(biāo),擬構(gòu)建用于可信度度量的指標(biāo)體系.該指標(biāo)體系為層次化結(jié)構(gòu),以多平臺航電系統(tǒng)可信度為頂層,任務(wù)支撐度、系統(tǒng)可靠性這兩大維度及其下屬子項(xiàng)為中層,若干底層指標(biāo)為底層.本文針對任務(wù)支撐度指標(biāo),共給出7個二級指標(biāo)和33個三級指標(biāo);針對系統(tǒng)可靠性指標(biāo),也給出7個二級指標(biāo)和19個三級指標(biāo),具體如圖3所示.

圖3 多平臺航電系統(tǒng)指標(biāo)體系Fig.3 Multi-platform avionics system index system

2.2 可信度度量方法

基于構(gòu)建的多平臺航電系統(tǒng)可信度度量指標(biāo)體系,本文提出基于模糊層次分析法與專家打分法的可信度度量評估方案,具體包括指標(biāo)量化、權(quán)重確定、綜合評估3個主要步驟.

2.2.1 指標(biāo)量化

由于多平臺航電系統(tǒng)可信度度量指標(biāo)體系中底層指標(biāo)的量綱和大小存在差異,因此,首先需要對底層指標(biāo)進(jìn)行量化,即去量綱和歸一化,使取值范圍均為[0,1].

假設(shè)對于任意底層指標(biāo),其原值表示為P,這可以利用作戰(zhàn)試驗(yàn)、仿真分析或其他途徑獲得;對該指標(biāo)的要求值為R,這可以利用場景應(yīng)用實(shí)際結(jié)合預(yù)期作戰(zhàn)目的推演得出,具體又拓展為理想要求Rideal和最低要求Rworst等參數(shù)形式.

當(dāng)P≥Rideal時(shí),該指標(biāo)支持實(shí)現(xiàn)最佳作戰(zhàn)目的,并完全滿足具體作戰(zhàn)要求,量化賦值為1;當(dāng)P

基于不同指標(biāo)的相關(guān)屬性及特征,本文將指標(biāo)劃分為正相關(guān)型指標(biāo)、負(fù)相關(guān)型指標(biāo)和適度型指標(biāo)為3種不同的類型,對于不同類型指標(biāo),本文提出了不同形式的標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù).

考慮實(shí)際變化過程往往呈現(xiàn)中部迅速而邊界緩慢的趨勢,選擇如下的Z型函數(shù)作為基本函數(shù)[9]:

(1)

當(dāng)δ=λ時(shí),該Z型函數(shù)退化為階躍函數(shù):

(2)

正相關(guān)型指標(biāo)是指取值越大對應(yīng)的信任值越高的指標(biāo),例如位置精度、測距精度等指標(biāo),其標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)為:

(3)

負(fù)相關(guān)型指標(biāo)是指取值越小對應(yīng)的信任值越高的指標(biāo),例如傳輸延遲、虛警概率等指標(biāo),其標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)為:

(4)

適度型指標(biāo)是指取合適值最好的指標(biāo),例如設(shè)備配置冗余性等指標(biāo),其標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)為:

(5)

其中:

(6)

(7)

2.2.2 權(quán)重確定

(8)

模糊互補(bǔ)判斷矩陣Ai,s滿足:

(9)

(10)

該模糊互補(bǔ)判斷矩陣權(quán)重采用如下的通用公式:

(11)

該公式具有可操作性強(qiáng),應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn),但是當(dāng)偏移過大時(shí),將其得出的權(quán)重向量直接作為最后決策的結(jié)果,來進(jìn)一步操作是不可信的.

因此,本文在得出模糊矩陣的基礎(chǔ)上,需要對模糊矩陣Ai,s進(jìn)行一致性的相關(guān)檢驗(yàn),將那些不一致的相關(guān)矩陣進(jìn)行調(diào)整使其都能滿足一致性的相關(guān)條件,才能進(jìn)行下面的關(guān)于權(quán)重的一些計(jì)算,這里采用相容性檢驗(yàn)其一致性原則的這一方法來進(jìn)行判斷.

(12)

其所組成矩陣Wi,s即為矩陣Ai,s的特征矩陣,同時(shí)也是一個模糊判斷矩陣.

計(jì)算矩陣Ai,s與矩陣Wi,s的相容性指標(biāo)I(Ai,s,Wi,s),如下:

(13)

假設(shè)判斷標(biāo)準(zhǔn)為α,當(dāng)相容性指標(biāo)I(Ai,s,Wi,s)滿足:

I(Ai,s,Wi,s)≤α

(14)

則可認(rèn)為判斷矩陣Ai,s是滿意一致的判斷矩陣.其中α的數(shù)值越小,則可認(rèn)為決策者對整個模糊矩陣的一致性期望要求越高,一般可取α=0.1.

這里是S位專家給出判斷,會有S個不同的模糊矩陣Ai,s,s=1,2,…,S,以及S個相應(yīng)的特征矩陣Wi,s,s=1,2,…,S,因此需要進(jìn)一步檢驗(yàn)這些模糊互補(bǔ)判斷矩陣的一致性:

首先,來檢驗(yàn)S個專家打分得出的判斷矩陣Ai,s的滿意一致性:

I(Ai,s,Wi,s)≤α,s=1,2,…,S

(15)

然后,檢驗(yàn)判斷矩陣間的滿意相容性.

I(Ai,t,Ai,p)≤α,t≠p;t,p=1,2,…,S

(16)

公式(15)、(16)表示在模糊矩陣Ai,s與綜合判斷矩陣二者在一致可接受方面是一致的,即當(dāng)一個矩陣處于可接受的狀態(tài),另一個矩陣會處于相同的狀態(tài).只有兩者同時(shí)滿足時(shí),使用S個權(quán)重向量的均值作為該層指標(biāo)權(quán)重才是合理和可靠的,此時(shí),基于公式(11),得到指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算公式為:

(17)

以此類推,除頂層外,構(gòu)建每一層指標(biāo)相對上一層指標(biāo)重要程度的模糊互補(bǔ)判斷矩陣,并計(jì)算得到每層指標(biāo)相對上一層指標(biāo)的權(quán)重結(jié)果wi,i=2,3,4.

2.2.3 綜合評估

最后,根據(jù)量化后的底層指標(biāo)值集合F,結(jié)合每層的權(quán)重結(jié)果wi,i=2,3,4,綜合評估得到多平臺航電系統(tǒng)可信度為[19]:

T=F#wi,i=2,3,4

(18)

其中,公式(18)中#是自定義的算子,能夠反映底層指標(biāo)的“交”“并”狀態(tài),從而提高多平臺航電系統(tǒng)可信度的準(zhǔn)確性和魯棒性.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 數(shù)據(jù)設(shè)置

3.1.1 任務(wù)支撐度及系統(tǒng)可靠性指標(biāo)取值

為了說明和驗(yàn)證所提出的多平臺航電系統(tǒng)綜合可信度度量方案的可行性和有效性,本文將任意底層指標(biāo)原值定義為P,P值可通過作戰(zhàn)試驗(yàn)、仿真分析或其他途徑獲得;同時(shí)根據(jù)指標(biāo)屬性特征,將指標(biāo)類型T劃分為正相關(guān)型指標(biāo)(Ⅰ類)、適度型指標(biāo)(Ⅱ類)和負(fù)相關(guān)型指標(biāo)(Ⅲ類);定義對底層指標(biāo)的要求值為R,要求值可以利用場景應(yīng)用實(shí)際結(jié)合預(yù)期作戰(zhàn)目的推演得出,具體又拓展為理想要求Rideal和最低要求Rworst等參數(shù)形式.本文提出的三級指標(biāo)共52個,其中36個數(shù)據(jù)采用文章[2]提到的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),其余16個指標(biāo)配置如表1所示.

表1 任務(wù)支撐度及系統(tǒng)可靠性指標(biāo)取值Table 1 Value of task support and system reliability index

3.1.2 專家系統(tǒng)打分確認(rèn)指標(biāo)權(quán)重

為了確認(rèn)各級指標(biāo)的權(quán)重關(guān)系,本文組織了2位專家對多平臺航電系統(tǒng)可信度度量的各層指標(biāo)之間以及及其相對于上一層指標(biāo)的相對重要程度進(jìn)行兩兩比較打分,這里本文采用1-9相對重要層度標(biāo)度方法表示兩個指標(biāo)的相對重要程度相比結(jié)果,具體含義如表2所示.

表2 標(biāo)度的具體含義Table 2 Specific meaning of index

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 專家打分系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分析

使用專家系統(tǒng)打分來確認(rèn)指標(biāo)權(quán)重的方法涉及到數(shù)據(jù)兩兩對比打分的過程.而本文提出的指標(biāo)較多且專家打分過程會涉及到多位專家,數(shù)據(jù)如一一列舉篇幅過長,為了簡化圖表標(biāo)注和對比敘述,因此本文將列出一級、二級指標(biāo)經(jīng)過矩陣的相容性檢驗(yàn)和一致性檢驗(yàn)后形成的各個指標(biāo)的占比權(quán)重,具體數(shù)值如圖4和圖5所示.

圖4 一級指標(biāo)權(quán)重情況Fig.4 Percent of first-level

圖5 二級指標(biāo)權(quán)重情況Fig.5 Percent of secondary indicators

3.2.2 模糊層次分析法中的數(shù)據(jù)分析

以任務(wù)支撐度及系統(tǒng)可靠性的相關(guān)取值和專家系統(tǒng)經(jīng)過矩陣的相容性檢驗(yàn)和一致性檢驗(yàn)后形成的各個指標(biāo)形成的占比權(quán)重為基礎(chǔ),本文通過模糊層次分析法對單平臺和多平臺的可信度進(jìn)行評估.本文列出了運(yùn)行500次的單平臺和多平臺可信度信任值產(chǎn)生的波動曲線.在多平臺中為了更好的觀察單平臺和多平臺的關(guān)系,本文采用了5個相同底層指標(biāo)和專家系統(tǒng)打分權(quán)重的單平臺來計(jì)算多平臺信任度指標(biāo),具體含義如圖6和圖7所示.

圖6 單平臺可信度信任值波動曲線Fig.6 Single platform credibility value fluctuation curve

圖7 多平臺可信度信任值波動曲線Fig.7 Multi-platform credibility value fluctuation curve

從圖6及圖7可以看出當(dāng)?shù)讓又笜?biāo)取某一原值P時(shí)單平臺的信任度在小范圍有限區(qū)間內(nèi)波動,整體趨于穩(wěn)定.當(dāng)?shù)讓又笜?biāo)取表1中的原值P時(shí),單平臺信任度和多平臺信任度分別在0.483～0.491和0.324～0.336范圍內(nèi)波動.可信任值在小范圍有限區(qū)間內(nèi)波動的原因是因?qū)＜以诖蚍执_定權(quán)重時(shí),由于數(shù)據(jù)量較大,在給權(quán)重進(jìn)行打分時(shí)難免會產(chǎn)生認(rèn)知偏差,因此可能會出現(xiàn)權(quán)重不一致的情況,如果發(fā)生這種情況,那么權(quán)重在相容性檢驗(yàn)和一致性檢驗(yàn)過程中,將不一致的矩陣進(jìn)行調(diào)整使其滿足相容性和一致性條件,將不合理的權(quán)重在合理的范圍內(nèi)隨機(jī)進(jìn)行選擇,由此引入了一定的隨機(jī)性,使指標(biāo)數(shù)據(jù)在一定程度上出現(xiàn)波動.但從整體層面上來看基本趨于穩(wěn)定.

4 結(jié) 語

本文針對未來多平臺航空電子體系架構(gòu)下的航電系統(tǒng)可信度評估與仿真驗(yàn)證問題,提出一種集成了“系統(tǒng)可靠性”和“任務(wù)支撐度”的可信度度量指標(biāo)體系架構(gòu)的多平臺航電系統(tǒng)可信度度量方法.基于專家打分和模糊層次分析法提出了多平臺航空電子可信度值計(jì)算方法.該方法可針對未來空戰(zhàn)的多模態(tài)作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行綜合分析和量化判斷.仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的多平臺航電系統(tǒng)可信度度量方案可以根據(jù)各子平臺、子系統(tǒng)的狀態(tài)、綜合評估整個多平臺系統(tǒng)的信任度.

多平臺航電系統(tǒng)綜合可信度度量方案對未來空戰(zhàn)的多模態(tài)作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行綜合分析和量化判斷具有重要意義.未來,隨著空戰(zhàn)研究的發(fā)展,對于空戰(zhàn)的多模態(tài)作戰(zhàn)任務(wù)的研究會越來越多,本文提出的方法可以提供一個較好的研究基礎(chǔ).