石 靜

(海軍裝備研究院 北京 100161)

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綜合電子信息系統(tǒng)指標體系與指標分配方法*

石 靜

(海軍裝備研究院 北京 100161)

論文以信息感知能力、信息傳輸能力、指揮控制能力、信息進攻能力、信息防御能力、支援保障能力、反應(yīng)能力、可用性、信息共享與系統(tǒng)集成能力為頂層能力,構(gòu)建了綜合電子信息系統(tǒng)指標體系框架;提出了基于動態(tài)規(guī)劃分配法、拉格朗日乘子法進行指標分配的方法與模型。

綜合電子信息系統(tǒng); 指標體系框架; 指標分配

Class Number TP391

1 引言

綜合電子信息系統(tǒng)已經(jīng)從概念上已經(jīng)發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng),該系統(tǒng)是形成基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵[1～4]。作為復(fù)雜巨系統(tǒng),其性能指標、能力衡量、指標分配方面一直是困擾論證、研制部門的難題[5～10]。本文首先構(gòu)建了綜合電子信息系統(tǒng)指標體系框架,探討了基于動態(tài)規(guī)劃分配法和拉格朗日乘子法進行指標分配的方法與模型[3～4,11]。

2 綜合電子信息系統(tǒng)指標體系框架

綜合電子信息系統(tǒng)裝備裝載于岸、海、空、天、水下等各類平臺,涵蓋信息獲取、信息傳輸、指揮控制、信息攻防、導(dǎo)航定位及信息安全等裝備領(lǐng)域。綜合電子信息系統(tǒng)通過頂層設(shè)計與落實,構(gòu)建科學(xué)合理的體系結(jié)構(gòu)框架,確保裝備間的“粘合”、優(yōu)勢互補、資源與信息共享、協(xié)同運行,產(chǎn)生“1+1大于2”的合力,其本質(zhì)是“粘合”并形成一個有機整體,充分發(fā)揮所屬傳感器、武器等效能,支持實施各種作戰(zhàn)任務(wù)[7～10,12]。

根據(jù)綜合電子信息系統(tǒng)的本質(zhì)特征,其指標體系框架以信息感知能力、信息傳輸能力、指揮控制能力、信息進攻能力、信息防御能力、支援保障能力、反應(yīng)能力、可用性、信息共享與系統(tǒng)集成能力為頂層能力,經(jīng)自頂向下分解后,得出以下指標體系框架。

圖1(a) 綜合電子信息系統(tǒng)指標體系框架

圖1(b) 綜合電子信息系統(tǒng)指標體系框架

3 有關(guān)指標的分配方法

在按照指標體系框架提出綜合電子信息系統(tǒng)的各戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標后,需要將這些指標分解分配到各分系統(tǒng)或設(shè)備,以保證指標的落實、方案設(shè)計和技術(shù)設(shè)計的開展。大系統(tǒng)指標的分解與分配是復(fù)雜技術(shù)問題,涉及研制經(jīng)費、進度、平臺裝載空間等約束條件。在這里,提出一種以研制經(jīng)費為約束條件的指標分配方法,下面以信息感知能力中的主要能力為例進行指標分配方法解析。

3.1 信息掌握范圍

信息掌握范圍可分為:遠海信息掌握范圍、近海信息掌握范圍、近岸信息掌握范圍、海上編隊信息掌握范圍。上述信息掌握范圍均可分解為岸基、空中、水面、水下、太空各類裝載平臺。

不論在遠海、近海、近岸,還是海上編隊,其對海覆蓋范圍可用式(1)、(2)描述:

(1)

(2)

式中,Ω對海、Ω對岸分別為正常情況下總的對海覆蓋范圍,量綱為面積的量綱;n1、n2分別為對海探測手段的個數(shù);Ωi為第i個手段對海(或?qū)Π?覆蓋范圍,其量綱為面積的量綱;同樣,對空中目標、水下目標的覆蓋范圍,可分別用式(3)、(4)描述:

(3)

(4)

式中:Ω對空、Ω對水下分別為正常情況下總的對空、對水下目標覆蓋范圍,其量綱為體積的量綱;n3、n4分別為對空、對水下目標探測手段的個數(shù);Ωi為第i個手段對空(或?qū)λ履繕?的覆蓋范圍,其量綱為體積的量綱。

為簡化問題,以對海信息掌握范圍的分配為例,說明指標分配方法。

1) 動態(tài)規(guī)劃分配法

假設(shè)探測手段為n1個,即根據(jù)所要求的對海覆蓋范圍Ω對海需要n1探測手段。以使所需的探測手段的研制經(jīng)費最小為目標函數(shù),采用動態(tài)規(guī)劃分配法進行對海覆蓋范圍的指標分配。

對海覆蓋范圍的分配問題,可以用下式表示:

其中Ω對海為系統(tǒng)的對海覆蓋范圍指標,Ωi為分配給手段i的對海覆蓋范圍,Gi(Ωi)為將第i個探測手段分配對海覆蓋范圍為Ωi所需的經(jīng)費。n1為探測手段的數(shù)量。

動態(tài)規(guī)劃分配法的過程和模型:

(1)把n1個探測手段中的每一個探測手段定為一個階段,因此在每一個階段必須確定一個分配指標。

(2)確定在階段k所有的狀態(tài)sk的集合SK,使得

0=sn1≤sn1-1…≤s1≤s0=Ω對海

式中,sk為狀態(tài)變量,表示從第k+1到第n個手段覆蓋的面積。

(3)確定在k階段所有可能的決策方案集Dk,dk=Ωk,使得:

0≤Ωk≤Ω對海,k=1,2,3,…,n1

(4)確定k階段的轉(zhuǎn)換函數(shù):

TK(sk,dk):sk+Ωk-sk∩Ωk=sk-1,k=n1-1,n1

k=1,2,3,n1-2

m為迭代次數(shù)。m=1,2,…,n1-2。

(5)把在k階段獲得的收益定義為函數(shù):

RK(sk,dk)=GK(ΩK),k=1,2,3,…,n1

所得到的遞歸方程為

Qk(sk,dk) =GK(ΩK),k=1

=GK(ΩK)+fk-1(sk-1),k=2,3,…,n1

遞推公式為

fk(sk)=GK(ΩK)+fk+1(sk+1),k=0,1,2,…,n1-1

初始值:fn(sn)=0。

f0(s0)即為所求。

而且所分配的最優(yōu)指標集為

2) 拉格朗日乘子分配法

將求Ωi的問題歸結(jié)為在滿足式(1)約束條件下求:

即求最小研制費用所對應(yīng)的Ωi。引入拉格朗日乘子,并設(shè)哈密頓函數(shù)

3.2 感知能力

在戰(zhàn)場區(qū)域范圍布置有m個探測器,其在探測空間上有重疊,設(shè)每個探測器的感知度為Si(i=1,2,3,…,n),則若總感知度為ST,則對多個傳感器的戰(zhàn)場感知度分配為

(5)

式中,i=1,2,3,…,n。0≤ST、Si≤1(ST、Si的取值范圍在0～1之間,且可以等于0和1)

1) 動態(tài)規(guī)劃分配法

將感知度的分配問題歸結(jié)為

動態(tài)規(guī)劃分配法進行感知度指標分配的過程和模型為

(1)把n個探測手段中的每一個探測手段定為一個階段,因此在每一個階段必須確定一個分配指標。

(2)確定在階段k所有的狀態(tài)yk的集合YK,使得:

式中,yk為狀態(tài)變量,表示從第k+1到第n個手段總的未感知度。k=0,1,2,…,n-1。

(3)確定在k階段所有可能的決策方案集Dk,dk=YK,使得:

0≤yk≤1,k=1,2,3,…,n

(4)確定k階段的轉(zhuǎn)換函數(shù):

TK(yk,dk):yksk=yk-1k=1,2,3,…,n

(5)把在k階段獲得的收益定義為函數(shù):

RK(yk,dk)=GK(SK)k=1,2,3,…,n

所得到的遞歸方程為

Qk(yk,dk) =GK(sK),k=1

=GK(sK)+fk-1(yk-1),k=2,3,…,n

遞推公式為

fk(yk)=GK(SK)+fk+1(yk+1),k=0,1,2,…,n

初始值:fn(yn)=0

f0(y0)即為所求。

而且所分配的最優(yōu)指標集為

2) 拉格朗日乘子法

系統(tǒng)的感知度為

其中STi=C(Gi),將求STi的問題歸結(jié)為在滿足式(5)的約束條件下求:

即求最小研制經(jīng)費的感知度si。引入拉格朗日乘子。并設(shè)哈密頓函數(shù):

3.3 信息處理能力虛情率動態(tài)規(guī)劃分配法

假設(shè)n個信息源的虛情率分別為P1,P2,…,Pn,戰(zhàn)場態(tài)勢中的目標總數(shù)為X。假定目標均為勻速直線運動,信息處理和融合節(jié)點對無線信道的信息采用了預(yù)處理消除信息誤碼的影響,信息處理和融合節(jié)點不增加虛情率,其通過融合、歷史航跡比對等方法對信息源的信息融合后具備一定的虛情改善率Pg(虛情改善率是指輸入信息融合和處理節(jié)點的參與信息融合的原始航跡中的虛假目標航跡,經(jīng)信息融合處理后得到剔除的比例),假定虛情改善率Pg已知。按最不利情況考慮,假設(shè)各信息源輸入的虛假目標各不相同,則信息融合和處理節(jié)點的虛情率P為

式中,Xi為每一信息源節(jié)點探測的目標總數(shù),X為信息融合與處理節(jié)點的戰(zhàn)場態(tài)勢中的目標總數(shù)。

Gi(Pi)為將第i個信息源分配虛情率為Pi所需的研制經(jīng)費。動態(tài)規(guī)劃分配法進行虛情率指標分配的過程和模型為

1) 把n個信息源定為一個階段,因此在每一個階段必須確定一個分配指標。

2) 確定在階段k所有的狀態(tài)yk的集合YK,使得

0=yn≤yn-1…≤y1≤y0=P

式中,yk為狀態(tài)變量,表示從第k+1到第n個信息源總的虛情率。

3) 確定在k階段所有可能的決策方案集Dk,dk=YK,使得:

0≤yk≤1,k=1,2,3,…,n

4) 確定k階段的轉(zhuǎn)換函數(shù):

TK(yk,dk):yk+PkXk(1-Pg)/X=yk-1

k=1,2,3,…,n

5) 把在k階段獲得的收益定義為函數(shù):

RK(yk,dk)=GK(PK)k=1,2,3,…,n

所得到的遞歸方程為

Qk(yk,dk)=GK(PK),k=1

=GK(PK)+fk-1(yk-1),k=2,3,…,n

遞推公式為

fk(sk)=GK(PK)+fk+1(Pk+1),k=0,1,2,…,n-1

初始值:fn(yn)=0

f0(y0)即為所求。

而且所分配的最優(yōu)指標集為

3.4 信息處理精度

綜合電子信息系統(tǒng)的信息處理精度一般為多傳感器對勻速直航的目標進行探測跟蹤并經(jīng)指控系統(tǒng)或信息處理節(jié)點處理后的目標航跡精度。信息處理精度可向下分解為單一傳感器或指控系統(tǒng)(或信息處理節(jié)點)的跟蹤精度,且該指標與指控系統(tǒng)或信息處理節(jié)點的信息融合算法直接相關(guān)。如果將傳感器或指控系統(tǒng)(或信息處理節(jié)點)均視為信息源,如采用加權(quán)算法,根據(jù)單傳感器的精度,給參與信息融合的傳感器i分配一定的權(quán)值kj,設(shè)Xj(i=1,2,…,n)為n個不同源獲取的同一目標航跡,且均方差為σj(j=1,2,…,n),則信息系統(tǒng)融合后跟蹤航跡X(X可以為距離、角度、航向、航速等參數(shù))為

X=∑kjXj(且∑kj=1)

(6)

目前,如果對信息處理精度的要求為不低于參加融合傳感器最高信息源精度,則可分配權(quán)系數(shù)kj:

(7)

可證明,在這種分配方法下,∑kj=1,且信息系統(tǒng)信息融合后的均方差σ滿足:σ≤min{σ1,…,σn}。

4 結(jié)語

本文以信息感知能力、信息傳輸能力、指揮控制能力、信息進攻能力、信息防御能力、支援保障能力、反應(yīng)能力、可用性、信息共享與系統(tǒng)集成能力為頂層能力,構(gòu)建了綜合電子信息系統(tǒng)指標體系框架,提出了基于動態(tài)規(guī)劃分配法、拉格朗日乘子法進行指標分配的方法與模型,可作為相關(guān)應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。

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Integrated Electronic Information System Framework and Index Distribution Method

SHI Jing

(Naval Academy of Armament, Beijing 100161)

The top ability of integrated electronic information system is based on the information perception sensory ability, information transmission ability, command and control ability, information attack and defenseability, supportcapability, reaction ability, information sharing and systems integration capability. The integrated electronic information system framework is constructed. Index distribution methods and models are introduced based on the dynamic programming and Lagrange multiplier method.

integrated electronic information system, index system framework, index distribution

2016年5月18日,

2016年6月20日

石靜,女,碩士研究生,高級工程師,研究方向:信息系統(tǒng)、艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.11.020