雷達(dá)裝備精確保障系統(tǒng)信息結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)研究*

萬(wàn)曉磊，宋寧哲，劉 慶，鄭龍生＊＊

(1.空軍雷達(dá)學(xué)院，武漢 430019;2.94878 部隊(duì)，安徽 蕪湖 241009)

0 引言

隨著信息化武器裝備的發(fā)展和戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)的轉(zhuǎn)變，裝備保障方式方法也在發(fā)生著深刻的變革。信息化條件下裝備保障高需求、高價(jià)值、高時(shí)效、高技術(shù)、高質(zhì)量的特點(diǎn)，要求裝備保障必須確立和強(qiáng)化精確保障理念，即充分運(yùn)用以信息技術(shù)為核心的高技術(shù)手段，精確規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)用保障資源，在準(zhǔn)確的時(shí)間、地點(diǎn)為作戰(zhàn)行動(dòng)提供準(zhǔn)確的保障，使裝備保障適時(shí)、適地、適量、高效，最大限度地提高保障工作的消費(fèi)比。深入開展精確化保障理論和方法研究，對(duì)于應(yīng)對(duì)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的挑戰(zhàn)，推進(jìn)中國(guó)特色軍事變革具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［1-2］。

雷達(dá)裝備保障系統(tǒng)是指為完成雷達(dá)裝備保障任務(wù)，使用與維修裝備所需的所有保障資源及其管理的有機(jī)組合［3］，保障要素包括保障力量、保障對(duì)象、保障時(shí)間、保障空間、保障信息等。雷達(dá)裝備精確保障系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜、綜合、完整的體系，核心目標(biāo)是解決裝備物資平時(shí)與戰(zhàn)時(shí)“快速、精確、高效”的保障問題。以往對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究大都拘泥于對(duì)組織結(jié)構(gòu)的研究，而裝備精確保障系統(tǒng)具有其鮮明的時(shí)代特征，信息是裝備精確保障的核心，故此對(duì)裝備精確保障系統(tǒng)信息結(jié)構(gòu)的研究必不可少。本文對(duì)雷達(dá)裝備精確保障系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立基于熵的信息結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)模型，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 現(xiàn)行信息結(jié)構(gòu)模型分析

裝備保障系統(tǒng)信息結(jié)構(gòu)是指以計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐，以知識(shí)管理、信息構(gòu)建、信息資源集成理論等作為理論基礎(chǔ)，輔以知識(shí)管理技術(shù)所支持的多層次的結(jié)構(gòu)，是信息化條件下裝備保障信息資源的管理模式［4］。根據(jù)信息組織方式可以劃分為3 種模式，即組織同構(gòu)型、流線型和網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)型［5］。

1.1 同構(gòu)型信息結(jié)構(gòu)

如圖1所示，在組織同構(gòu)型信息結(jié)構(gòu)中，戰(zhàn)略級(jí)和戰(zhàn)役級(jí)裝備保障系統(tǒng)均既是信源又是信宿，向下一級(jí)提供信息，同時(shí)接受下級(jí)反饋的信息;戰(zhàn)術(shù)級(jí)裝備保障系統(tǒng)只是信宿，接收信息，但由于其反饋信息，所以也可稱為信源。戰(zhàn)術(shù)級(jí)裝備保障系統(tǒng)將信息使用的情況分別向戰(zhàn)略級(jí)和戰(zhàn)役級(jí)保障系統(tǒng)反饋。

圖1 組織同構(gòu)型信息結(jié)構(gòu)

1.2 流線型信息結(jié)構(gòu)

流線型是指在裝備保障系統(tǒng)中信息結(jié)構(gòu)是相當(dāng)獨(dú)立的。在流線型信息結(jié)構(gòu)中，設(shè)立了信息中心專門負(fù)責(zé)收集并加工信息，系統(tǒng)在使用信息后，如果發(fā)現(xiàn)問題再向信源或者是信息中心進(jìn)行反饋。這種信息結(jié)構(gòu)能夠更好地保證信息的質(zhì)量，但是在信息提供的過(guò)程中，程序相對(duì)較繁瑣，針對(duì)性相對(duì)較差，如圖2所示。

圖2 流線型信息結(jié)構(gòu)

1.3 網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)型信息結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)型與流線型類似，但是在網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)型信息結(jié)構(gòu)中不同的信源對(duì)應(yīng)不同的信息中心，不同的信息中心又對(duì)應(yīng)不同專業(yè)和不同子系統(tǒng)(部門），并且在不同的信源和信息中心之間也有相互交流，在信息使用中遇到的情況也是分開進(jìn)行反饋，從而使得這種結(jié)構(gòu)有較好的效率，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)型信息結(jié)構(gòu)

2 雷達(dá)裝備精確保障系統(tǒng)蛛網(wǎng)型信息結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于對(duì)以上各種信息結(jié)構(gòu)的分析，本文構(gòu)建了裝備精確保障系統(tǒng)蛛網(wǎng)型信息結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

蛛網(wǎng)型信息結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)型相似，特點(diǎn)是全域信息共享，在信息結(jié)構(gòu)中不同的信源對(duì)應(yīng)不同的信息中心，不同的信息中心又對(duì)應(yīng)不同分系統(tǒng)，分系統(tǒng)為指揮控制分系統(tǒng)、保障力量調(diào)配分系統(tǒng)、需求預(yù)測(cè)分系統(tǒng)、物資倉(cāng)儲(chǔ)分系統(tǒng)、重組控制分系統(tǒng)、人員管理分系統(tǒng)等。信源、信息中心以及各分系統(tǒng)都散落在各自的網(wǎng)絡(luò)中，不同的信源與信源、信息中心與信息中心都可以進(jìn)行信息交流。與網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)型信息結(jié)構(gòu)不同的是，蛛網(wǎng)型信息結(jié)構(gòu)使得各分系統(tǒng)也都在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中相互之間可以進(jìn)行信息溝通，在信息使用中遇到的情況也是分開進(jìn)行反饋，從而使得這種結(jié)構(gòu)的效率更高、效果更好。

圖4 精確保障系統(tǒng)蛛網(wǎng)型信息結(jié)構(gòu)

3 雷達(dá)裝備精確保障系統(tǒng)信息結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)

蛛網(wǎng)型信息結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)就是信息的共享。在未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中，信息共享是實(shí)現(xiàn)精確保障的前提條件，其程度也決定了精確保障效能發(fā)揮的強(qiáng)弱。因此，可以依據(jù)各信源的信息共享程度以及系統(tǒng)整體的信息量來(lái)衡量系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)優(yōu)劣。

3.1 聯(lián)合熵與信息熵、條件熵的關(guān)系

根據(jù)信息熵理論［6］，熵是某個(gè)信源的平均信息量，是一種平均意義上的總體信息度量。在信息共享過(guò)程中，各信源的相關(guān)性會(huì)降低它們所攜帶的信息量。聯(lián)合熵可以描述相關(guān)信息源的不確定性，條件熵可以描述已知某信源后另一信源的不確定性。條件熵和聯(lián)合熵分別可表示為

式中，p(x，y）為信號(hào)x和y的聯(lián)合發(fā)生概率，p(y|x）為已知信號(hào)x后信號(hào)y發(fā)生的概率。

聯(lián)合熵、條件熵和信息熵存在以下關(guān)系:

上式表明，聯(lián)合熵等于前一個(gè)集合X 出現(xiàn)的信息熵加上前一個(gè)集合X 出現(xiàn)的條件下后一個(gè)集合Y 出現(xiàn)的條件熵。

在相互關(guān)聯(lián)的信息之間，某一信息往往包含另一條信息的信息量。互信息可以度量信息X中包含的信息Y的信息量，其定義為

平均互信息量和各類熵的關(guān)系可表示為

上式說(shuō)明，相關(guān)信源的平均不確定度和聯(lián)合熵的信息可以用某一個(gè)信源的信息熵與已知某一信源關(guān)于另一信源的條件熵來(lái)表示。

3.2 信息結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)模型

由信息熵理論可知，一個(gè)系統(tǒng)的信息量大小僅與該系統(tǒng)的狀態(tài)概率相關(guān)，而與系統(tǒng)的具體狀態(tài)取值無(wú)關(guān)，且系統(tǒng)的狀態(tài)概率越小其所包含的信息熵越大。

設(shè)n1和n2為信息結(jié)構(gòu)中有相互共享關(guān)系的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，它們對(duì)應(yīng)的狀態(tài)集分別為{a1，a2，…，am}和{b1，b2，…，bm}，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)概率分別為{p1，p2，…，pm}和{q1，q2，…，qm}，則兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息熵為

兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相互作用的聯(lián)合熵為

設(shè)節(jié)點(diǎn)n1和n2相互作用時(shí)n1中不被n2影響的那部分信息熵稱為n1的剩余信息熵，則n1的剩余信息熵為

設(shè)兩節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)不完全相同，則已知H1≥0，根據(jù)聯(lián)合熵、條件熵的性質(zhì)可知:

上式表明節(jié)點(diǎn)間的條件熵小于聯(lián)合熵，而且節(jié)點(diǎn)間相互作用越大條件熵越小，剩余信息量也就越少，而且節(jié)點(diǎn)n1和n2的剩余信息量不等。

節(jié)點(diǎn)n1和n2共享信息量可用互信息量表述:

如果節(jié)點(diǎn)n1和n2是獨(dú)立的，則有pij=piqi，共享信息為0。

由互信息量的性質(zhì)可知:

則節(jié)點(diǎn)n1和n2的共享信息量等于兩節(jié)點(diǎn)相互作用的信息量。

綜上可知，可以用聯(lián)合熵表征信息結(jié)構(gòu)中信息的整體質(zhì)量，描述結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)之間相互作用而引起的信息量變化。若信息結(jié)構(gòu)有l(wèi)個(gè)節(jié)點(diǎn)，則信息結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的聯(lián)合熵為

可以用交互熵表征信息結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)之間的相互作用關(guān)系，即信息共享情況。若信息結(jié)構(gòu)有l(wèi)個(gè)節(jié)點(diǎn)，則信息結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的交互熵為

3.3 仿真分析

以信息結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相互獨(dú)立的信源組成為例，通過(guò)Matlab 對(duì)信息熵、聯(lián)合熵和交互熵進(jìn)行仿真，得到單個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息熵如圖5所示，兩個(gè)信源的聯(lián)合熵如圖6所示，兩個(gè)信源的交互熵如圖7所示。

圖5 單個(gè)信源的信息熵

圖6 兩個(gè)信源的聯(lián)合熵

圖7 兩個(gè)獨(dú)立信源的交互熵

由圖5 可知，單個(gè)信源狀態(tài)概率為0.37時(shí)可獲得最大的信息熵0.3679。由圖6 可知，兩個(gè)信源的聯(lián)合熵體現(xiàn)了信息結(jié)構(gòu)整體的信息質(zhì)量，當(dāng)兩個(gè)信源的狀態(tài)概率為0.37時(shí)系統(tǒng)的信息質(zhì)量最好。由圖7 可知，當(dāng)兩信源相互獨(dú)立時(shí)其交互熵為0，說(shuō)明兩個(gè)節(jié)點(diǎn)互不影響，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息也不能為另一個(gè)節(jié)點(diǎn)所共享。同理，以上結(jié)論也可以推廣到多個(gè)信源的情況，這里不再贅述。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)雷達(dá)裝備保障的實(shí)際情況，在分析現(xiàn)有的信息結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了雷達(dá)裝備精確保障系統(tǒng)蛛網(wǎng)型信息結(jié)構(gòu)，并建立了基于熵的信息結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)模型。通過(guò)仿真分析，驗(yàn)證了模型的可行性，對(duì)雷達(dá)裝備更好地實(shí)施精確保障具有一定的參考價(jià)值。

［1］余高達(dá).信息化條件系裝備保障新理念解答［J］.裝備，2008(8）:59-62.

［2］徐航.武器裝備精確化保障的目標(biāo)體系與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［J］.國(guó)防大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(8）:90-93.

［3］GJB3872-1999.裝備綜合保障通用要求［Z］，2000.

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［5］高魯.軍事裝備管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行機(jī)制研究［D］.軍械工程學(xué)院，2006.

［6］姜璐.熵——系統(tǒng)科學(xué)基本概念［M］.沈陽(yáng):沈陽(yáng)出版社，1997:65-74.