陳　檳，尹亞蘭，萬　福

(海軍指揮學(xué)院,南京 211800)

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基于云理論的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈效能評估

陳檳，尹亞蘭，萬福

(海軍指揮學(xué)院,南京 211800)

摘要：戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的指標(biāo)體系中不僅包含可進行實測的定量指標(biāo)，還有一部分不可量化的定性指標(biāo)。針對該特點，提出用云理論解決其效能評估的問題,建立評估的指標(biāo)體系，并將各指標(biāo)用云模型表示，研究云理論評估的方法，在云重心加權(quán)偏離度的計算中，可能有某些指標(biāo)對偏離度的貢獻與實際意義正好相反，因此對云重心歸一化公式進行修正。最后通過實例計算證明了修正后的方法評估可信度更高。

關(guān)鍵詞：戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈；效能評估；云理論；云重心；加權(quán)偏離度

0引言

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菍V域分布的數(shù)字化指揮中心、指揮所、參戰(zhàn)部隊和武器平臺鏈接起來的信息處理、交換和分發(fā)系統(tǒng)。它就像“戰(zhàn)爭巨人”的神經(jīng)系統(tǒng)，使得單獨的、孤立的武器單元聯(lián)結(jié)起來，形成巨大的戰(zhàn)爭網(wǎng)絡(luò)[1]，最大限度發(fā)揮武器系統(tǒng)的火力優(yōu)勢。目前對戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的效能評估也多為在數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用下的火力優(yōu)勢評估，即從作戰(zhàn)效果上來評價戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的優(yōu)劣，而且大部分的效能評估往往只考慮戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈本身的性能，而忽略了其中人為因素的影響。實際上，在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈作戰(zhàn)運用過程中，其效能的充分發(fā)揮離不開作戰(zhàn)指揮人員及戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈操作人員的優(yōu)良表現(xiàn)。加入這些人為因素的影響，顯然會使綜合評價的結(jié)果更加準(zhǔn)確可信。在指標(biāo)體系中，人為因素的影響往往不可精確度量，被稱為定性指標(biāo)，常用“好”、“很好”等語言值對這些定性指標(biāo)的優(yōu)劣進行描述。

人為因素的加入使指標(biāo)體系中定性指標(biāo)的比重增加，給評估帶來一定難度，傳統(tǒng)的灰色理論法、模糊綜合評判法、層次分析法(AHP)等都無法對定性定量指標(biāo)共存的綜合指標(biāo)體系進行客觀精準(zhǔn)的評估。這時云理論就體現(xiàn)了其優(yōu)勢：可將模糊性和隨機性有機結(jié)合在一起，充分實現(xiàn)精確數(shù)值和定性語言之間的轉(zhuǎn)換[2-3]。 因此考慮采用云理論來解決戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈效能評估問題。

1戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈指標(biāo)體系研究

1.1　指標(biāo)體系建立

戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變的信息化戰(zhàn)爭下，對通信系統(tǒng)的基本要求包括：有效、迅速、可靠[4]。戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈作為一種對作戰(zhàn)進行全面保障的特殊通信系統(tǒng)，其基本要求也可歸納為有效、迅速、可靠3點。再根據(jù)指標(biāo)體系建立的客觀、完整、科學(xué)等原則，可建立如圖1所示的指標(biāo)體系。

圖1　戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈運用效能指標(biāo)體系

1.2　指標(biāo)分析

信道連通性是指戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點間信道正常連通的概率，該值與不同的信道選擇以及通信距離有關(guān)。

設(shè)備穩(wěn)定性指戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈裝備正常工作時間在總作戰(zhàn)時間中所占的比例。遂行作戰(zhàn)任務(wù)時，數(shù)據(jù)鏈裝備只有正常工作和故障2種狀態(tài)，一旦發(fā)生故障，維修人員就對故障進行檢修，維修人員素質(zhì)高低直接影響故障時間的長短，從而影響指標(biāo)值大小。

信息傳輸時延包括信源編碼時間、發(fā)送等待時間、編碼調(diào)整時間、數(shù)據(jù)發(fā)送時間、數(shù)據(jù)接收時間、數(shù)據(jù)處理時間等,主要由有數(shù)據(jù)鏈裝備的硬件性能、傳輸數(shù)據(jù)的類型、數(shù)據(jù)量大小、傳輸距離等決定。

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性常用誤碼率來衡量，即單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)接收的錯誤碼元數(shù)和總碼元數(shù)的比值。該指標(biāo)也反映了戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的抗干擾能力。影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的因素有原始數(shù)據(jù)誤差、敵方蓄意干擾、噪聲干擾、信息速率、裝備糾錯與融合能力等。

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈指揮人員主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的分配，并與各參戰(zhàn)部隊進行協(xié)調(diào)，確保戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的有效執(zhí)行。

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈操作人員素質(zhì)包括能否承受強大的心理壓力，能否在錯綜復(fù)雜的信息中分析處理各種不同類型的信息，能否堅持連續(xù)作業(yè)，能否集中精力，能否不誤操作導(dǎo)致死機、中斷等嚴(yán)重后果[5]等。

2基于云理論的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈效能評估方法研究

2.1　云理論的基本概念

云理論是定性概念與其定量表示之間不確定性轉(zhuǎn)化的理論[6-7]。設(shè)U是一個有精確范圍的論域，論域中任意元素x，都對某一定性概念A(yù)有著一定的傾向，傾向值y=μA(x),表示x對概念A(yù)的確定程度，x在論域上的分布稱為云模型，簡稱云。

云的數(shù)字特征可用期望Ex、熵En和超熵He來表示[8]，它們反應(yīng)了定性概念A(yù)的定量特征。

期望值Ex是定性概念在論域中的中心值，也就是最能代表這個定性概念的量化值。

熵En是定性概念的不確定性反應(yīng)，有3個方面的表現(xiàn)：一是反映了論域中可被定性概念A(yù)接受的云滴群的范圍大小，即模糊度，是定性概念亦此亦彼性的度量；第二還反映了在論域中云滴群能夠代表這個語言值的概率密度，表示代表定性概念的云滴出現(xiàn)的隨機性；最后，熵還揭示了模糊性和隨機性的內(nèi)在關(guān)系，可以用來代表一個定性概念的粒度。

超熵He是熵的不確定性的度量，即熵的熵，反映了云滴的離散程度。超熵是由熵的隨機性和模糊性決定的，超熵越大，云滴的離散度越大，云的“厚度”也越大。

云重心可以表示為T=a×b，a表示云重心的位置，b表示云重心的高度。期望值反映相應(yīng)的模糊概念的信息中心值，即可作為云重心位置。當(dāng)期望值發(fā)生變化時，它所代表的信息中心值發(fā)生變化,云重心的位置也相應(yīng)地改變。期望值相同的云可通過比較云重心高度的不同區(qū)分它們的重要性，即云重心高度反映了云的重要程度。所以說，通過云重心的變化情況可反映出系統(tǒng)狀態(tài)信息的變化情況。

2.2　基于云理論的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈效能評估方法研究

要進行戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的效能評估，首先肯定是建立其效能評估的指標(biāo)體系，并研究各指標(biāo)所占的權(quán)重。本文用AHP法確定權(quán)重。

在指標(biāo)體系中，既有用精確數(shù)值表示的定量指標(biāo)，又有用語言值描述的定性指標(biāo)，提取n組實測的樣品組成決策矩陣。每個精確數(shù)值型表示的指標(biāo)可用一個云模型來表示，其中：

Ex=(Ex1+Ex2+…+Exn)/n

(1)

En=[max(Ex1,Ex2,…,Exn)-

min(Ex1,Ex2,…,Exn)]/6

(2)

同時每個語言值指標(biāo)可用一個一維綜合云模型表示：

Ex=(Ex1En1+Ex2En2+…+

ExnEnn)/(En1+En2+…+Enn)

(3)

En=En1+En2+…+Enn

(4)

這樣，用p個云模型就可以表示p個系統(tǒng)指標(biāo)，那么p個指標(biāo)所反映的系統(tǒng)狀態(tài)也就可以用一個p維綜合云來表示[9]。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時，這個p維綜合云的形狀也將發(fā)生變化，相應(yīng)的它的重心就會改變。p維綜合云的重心用一個p維向量表示，即T=(T1,T2,…,Tp)，其中Ti=ai×bi,i=1,2,…,p。

(5)

此時理想狀態(tài)的云重心向量為(0， 0，…， 0)。因此加權(quán)偏離度θ可表示為：

(6)

式中:θ值為負(fù)數(shù)，其絕對值表示系統(tǒng)狀態(tài)偏離理想狀態(tài)的程度，簡稱偏離程度。

然后構(gòu)建評語云發(fā)生器。采用由11個評語所組成的評語集[10-14]：V=(v1,v2,…,v11)=(vt|t=1,2,…,11)=(無，非常差，很差，較差，差，一般，好，較好，很好，非常好，極好)。

理想狀態(tài)下系統(tǒng)性能為極好，顯然偏離程度越小越好。將11個評語置于連續(xù)的語言值標(biāo)尺上，每個評語都用云模型來實現(xiàn)，比如評語“很好”可用數(shù)字特征為(0.8，0.033 3，0.000 1)的云模型來表示，超熵幾乎為0，可使圖像更清楚直觀，也不影響評估精度。其他評語只有期望值的不同，構(gòu)成一個定性評測語言的云發(fā)生器，如圖2所示。

圖2　評測云發(fā)生器

最后將θ輸入評測云發(fā)生器中，它可能有以下2種激活情況：

(1) 激活某個評語云模型的程度遠大于其它評語(當(dāng)二者的激活程度的差值的絕對值大于某個給定的閾值)，這時該評語值即可作為對方案的評測結(jié)果輸出;

(2) 激活了2個評語值的云對象，且激活程度相差很小(當(dāng)二者的激活程度的差值的絕對值小于某個給定的閾值)，這時運用云理論中綜合云的原理，生成一個新的云對象，它的期望值對應(yīng)的定性表述可由專家或系統(tǒng)用戶另外給出。

3對云重心加權(quán)偏離度計算的改進

研究第1節(jié)中建立的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈效能評估的指標(biāo)體系，發(fā)現(xiàn)一些指標(biāo)是越大越好，可稱為效益型指標(biāo)，而另一些則是越小越好，為成本型指標(biāo)。若用式(5)進行統(tǒng)一處理，則2類指標(biāo)在均為欠理想狀態(tài)時對偏離程度產(chǎn)生的作用是相反的(效益型指標(biāo)增大偏離程度，成本型指標(biāo)縮小偏離程度)，顯然不合邏輯。比如信息傳輸時延是一個成本型指標(biāo)，追求盡量小，而其他指標(biāo)都是效益型指標(biāo)，顯然原式僅僅考慮對效益型指標(biāo)進行歸一化，不能直接用于該指標(biāo)體系的評估。另外，若指揮員思路清晰、組網(wǎng)科學(xué)，操作人員技術(shù)嫻熟、操作熟練，信道傳播條件也異常良好，可能會導(dǎo)致實際時延比理想時延還要小。根據(jù)式(5)的計算，實際時延比理想時延小得越多。偏離程度越大，將激發(fā)評語云發(fā)生器中越不理想的評語。而實際上，時延越小評語值應(yīng)該是越優(yōu)。 因此，原式并不能客觀真實地反應(yīng)指標(biāo)的云重心偏離程度，有必要分情況進行討論：

(1) 對于效益型指標(biāo)，式(5)可不作修改；

(7)

4戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈效能評估算例

圖3　各指標(biāo)權(quán)重分布圖

首先，針對第1節(jié)已建立的指標(biāo)體系，用AHP法研究各指標(biāo)的權(quán)重。通過咨詢專家意見，對信道連通性、設(shè)備穩(wěn)定性、信息傳輸時延、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、指揮人員素質(zhì)、操作人員素質(zhì)這6個指標(biāo)構(gòu)造重要性判斷矩陣如下：

將層次模型及判斷矩陣輸入yaahp軟件，得到圖3所示的權(quán)重分布。權(quán)重向量W=(0.302 5,0.081 6,0.240 1,0.091 6,0.166 5,0.117 7)，其中一致性值RC=0.020 8<0.1，表明該判斷矩陣有效，權(quán)重計算結(jié)果可信。

然后，通過演習(xí)、計算機模擬等途徑，結(jié)合專家打分，獲取5組指標(biāo)性能的樣本數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1　指標(biāo)性能樣本數(shù)據(jù)

根據(jù)云理論，由T=a×b可求得各指標(biāo)的云重心向量和理想狀態(tài)的云重心向量：

T=(26.559 5, 7.327 7, 0.600 3, 7.877 6, 0.129 9, 0.089 5)

T0=(30.25, 8.16, 0.480 2, 9.16, 0.166 5, 0.117 7)

根據(jù)修正的歸一化公式分不同類型指標(biāo)進行計算，其中信息傳輸時延是成本型指標(biāo)，可得到：

TG=(-0.122, -0.102, -0.2, -0.14, -0.22, - 0.24)

表2　各指標(biāo)云模型的期望值和熵

5結(jié)束語

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈效能評估指標(biāo)體系中定性定量指標(biāo)共存，利用云理論將不同類型指標(biāo)都用云模型表示，再根據(jù)云重心的變化來進行評估，可操作性強。在對綜合云重心向量進行歸一化時，考慮效益型指標(biāo)和成本型指標(biāo)的區(qū)別，對歸一化公式進行修正，克服了傳統(tǒng)方法的局限性，提高了評估的科學(xué)性、客觀性。評估結(jié)果以語言值輸出，具有一定的直觀性。

參考文獻

[1]施榮.國外網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)及其關(guān)鍵技術(shù)的進展[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2007,16(2):206-210.

[2]李德毅，孟海軍，史雪梅.隸屬云和隸屬云發(fā)生器[J].計算機研究與發(fā)展，1995,32(6):15-20.

[3]李德毅.從隸屬函數(shù)到隸屬云[J].計算機研究與發(fā)展，1996,9(7):13-18.

[4]SaatyTL.TheAnalyticHierarchyProcess[M].NewYork:McGrawHill,1980.

[5]李有才，鄭春弟，黃強.數(shù)據(jù)鏈信息系統(tǒng)穩(wěn)定性影響因素及效能分析[J].艦船電子對抗，2013,36(2):88- 91.

[6]李毅德，劉常昱.論正態(tài)云模型的普適性[J].中國工程科學(xué)，2004,6(8):28-32.

[7]劉常昱，李毅德，潘莉莉.基于云模型的不確定性知識表示[J].計算機工程與應(yīng)用，2004,21(2):32-35.

[8]劉常昱，李毅德.正態(tài)云模型的統(tǒng)計分析[J].信息與控制，2005,34(2):236-239.

[9]李廣強，張兵，王健.基于云重心評判法的雷達模擬訓(xùn)練系統(tǒng)效能評估[J].艦船電子對抗，2009,32(4):105- 108.

[10]焦利明，于偉.基于云重心評判法的指揮自動化系統(tǒng)效能評估[J].情報控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)，2005,27(5): 71-74.

[11]焦利明，于偉.云重心評判法的防空兵C4ISR系統(tǒng)生存能力效能評估[J].火力與指揮控制，2000,32(5):102- 105.

[12]羅佳，薛青，張國輝，夏永春.基于云理論的C4ISR系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估應(yīng)用與研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2012,24(1):212-215.

[13]張目，周宗放.云重心評判法在防空兵作戰(zhàn)能力評估中的應(yīng)用[J].計算機測量與控制，2010,18(8):1928- 1930.

[14]沈進昌，杜樹新.基于云模型的模糊綜合評價方法及應(yīng)用[J].模糊系統(tǒng)與數(shù)學(xué)，2012,26(6):115-122.

Effectiveness Evaluation of Tactical Data Link Based on Cloud Theory

CHEN Bin，YIN Ya-lan，WAN Fu

(Navy Command College,Nanjing 21180,China)

Abstract:The index system of tactical data link includes not only the quantitative index which can be measured practically,but also some qualitative indexes which can't be quantified.For these characteristics,this paper puts forward the method to use the cloud theory to solve the problem of effectiveness evaluation,establish the index system of evaluation,and uses cloud model to represent each index,studies the method of cloud theory evaluation.In the course calculating the weighted deviation degree of cloud center of gravity,there may be some indexes contrary to the practical meanings in the contribution to deviation degree,so the normalization formula of cloud center of gravity need to be modified.Finally,the practical example calculation proves that the modified evaluation method has better credibility.

Key words:tactical data link;effectiveness evaluation;cloud theory;cloud center of gravity;weighted deviation degree

收稿日期:2015-05-27

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.05.014

中圖分類號：TN914

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：CN32-1413(2015)05-0063-05