基于QoS的武器試驗飛行線路規(guī)劃設(shè)計方法

王 偉，王曉東，楊潤龍

（1. 中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471000）

基于QoS的武器試驗飛行線路規(guī)劃設(shè)計方法

王 偉1，王曉東1，楊潤龍1

（1. 中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471000）

在進行武器裝備飛行線路規(guī)劃設(shè)計時，提出一種基于服務(wù)質(zhì)量（QoS）屬性的最優(yōu)選擇算法，對飛行試驗線路優(yōu)選中的主要因素進行質(zhì)量評估，以達到快速選擇最優(yōu)路線的目的。實驗表明，該方法能有效提高飛行試驗線路設(shè)計的效率。

飛行試驗；線路優(yōu)選；服務(wù)質(zhì)量；空間地理信息；層次分析法

1 飛行試驗線路規(guī)劃設(shè)計

飛行試驗線路規(guī)劃設(shè)計主要完成落區(qū)（落點）優(yōu)選、飛行安全區(qū)域劃定、道路最優(yōu)路徑選擇等工作。以上3個因素相輔相成，共同實現(xiàn)最優(yōu)飛行線路選擇的目的。

1）落區(qū)（落點）優(yōu)選。落區(qū)（落點）優(yōu)選是基于起點位置、飛行器航程、飛行射向、落區(qū)（落點）地形坡度等參數(shù)來選擇合適的落區(qū)（落點）位置。首先根據(jù)起點位置、航程和飛行射向計算出落點位置，進而計算落點的地形坡度參數(shù)。若坡度不能滿足試驗需要，則可以通過微移，重新選擇合適落點并計算起點及航程。

2）飛行安全控制區(qū)劃定。飛行安全控制區(qū)劃定是基于起點位置、落點位置、安全區(qū)寬度、飛行軌跡和居民地集聚區(qū)位置等參數(shù)來劃定地面安全區(qū)域。首先根據(jù)起點位置、落點位置計算出安全控制區(qū)域的中心線投影，進而根據(jù)寬度參數(shù)計算出整個飛行安全控制區(qū)在地表的投影。若投影中覆蓋的居民區(qū)數(shù)量過多，則需重新選擇合適落點并計算飛行安全控制區(qū)域。

3）道路最優(yōu)路徑選擇。道路最優(yōu)路徑選擇是基于起點位置、目標位置、道路等級、道路長度和道路節(jié)點數(shù)等參數(shù)來進行最優(yōu)路徑選擇。首先根據(jù)起點位置、目標位置參數(shù)及道路等級參數(shù)選擇出所有滿足要求的道路，進而根據(jù)道路長度和節(jié)點數(shù)計算選擇出用時最短、節(jié)點最少、道路等級符合試驗運輸要求的通達途徑。

2 基于QoS的飛行試驗線路選擇算法

2.1 QoS屬性參數(shù)定義及QoS模型

在飛行試驗線路規(guī)劃設(shè)計中，影響線路選擇最重要的3個因素是落區(qū)（落點）質(zhì)量、飛行安全區(qū)域質(zhì)量、路徑選擇質(zhì)量。下面定義它們的QoS參數(shù)。

1）落區(qū)（落點）質(zhì)量：

qlq= f(pq(x，y，z)，d，δ，γ)

式中，pq(x，y，z)為起點位置；d為飛行器航程；δ為飛行射向；γ為落區(qū)（落點）地形坡度。

2）飛行安全區(qū)域質(zhì)量：

qfq= f(pq(x, y, z)，pl(x, y, z)，w，g(x, y, z)，a(x, y, z))

式中，pq(x，y，z)為起點位置；pl(x，y，z)為落點位置；w為安全區(qū)寬度；g(x，y，z)為飛行軌跡；a(x，y，z）為居民地集聚區(qū)位置。3）路徑選擇質(zhì)量：

qlj= f(pq(x，y，z)，pi(x，y，z)，m，l，n)

式中，pq(x，y，z）為起點位置；pi(x，y，z）為目標位置；m為道路等級；l為道路長度；n為道路節(jié)點數(shù)。

飛行試驗線路規(guī)劃中線路s的綜合QoS向量為Q(s)=(qlq(s)，qfq(s)，qlj(s))，該QoS向量可以根據(jù)用戶的需求任意擴展。

上面是單條線路s的質(zhì)量模型。在飛行線路規(guī)劃中，有n個能夠滿足功能條件的線路，該集合S表示為{s1，s2，…，sn}。將所有候選線路的QoS質(zhì)量向量合并，得質(zhì)量矩陣Qs：

該矩陣的列表示某種質(zhì)量屬性的QoS值，行表示某線路針對其具體 QoS屬性的屬性值。式（1）將多個線路的QoS屬性和符合要求的所有可選線路統(tǒng)一表述，并支持多個線路QoS屬性的可擴展性，當增加一個新的質(zhì)量屬性時，即增加矩陣的一新列。

2.2 QoS屬性參數(shù)規(guī)范化

為了找到質(zhì)量最優(yōu)的飛行試驗線路，需要綜合計算每個可選線路的多個QoS屬性值。由于各屬性值量化單位各不相同，在多個QoS屬性間并沒有一個統(tǒng)一的度量標準，使得相互比較缺乏公認的基礎(chǔ)。因此，需要將各QoS屬性進行無量綱化和歸一化處理，即規(guī)范化。

本文采用非比例變換法，將屬性之差按一定比例進行歸一化和無量綱化。對增量型質(zhì)量屬性：

對減量型質(zhì)量屬性：

式中，Qjmax是質(zhì)量矩陣Q中某QoS屬性（列）的最大值，Qjmax=max（Qi，j），1≤i≤n；而Qjmin是質(zhì)量矩陣Q中某QoS屬性（列）的最小值，Qjmin=min（Qi，j），1≤i≤n。用式（2）、式（3）把各屬性值映射到[0，1]區(qū)間，得到標準化質(zhì)量矩陣V：

2.3 基于自動修正判斷矩陣的QoS最優(yōu)選擇策略

層次分析法（AHP）通過計算判斷矩陣的最大特征值及其相應(yīng)的特征向量，得到各層次要素對上層次某要素的重要性次序，從而建立權(quán)重向量。傳統(tǒng)的層次分析法在檢驗判斷矩陣出現(xiàn)不一致時，需要反饋給用戶重新調(diào)整判斷矩陣，且一般不能給出最快的調(diào)整方式，不能排除需要經(jīng)過多次調(diào)整才能通過一致性檢驗的可能性，不利于優(yōu)化算法的自動執(zhí)行。本文根據(jù)各QoS屬性的相對重要性，采用自動修正判斷矩陣的層次分析法對多個QoS屬性進行加權(quán)處理，計算QoS屬性的權(quán)重，將多目標問題轉(zhuǎn)化為單目標多約束問題，免去了人機交互的繁瑣操作，提高了計算效率。

最優(yōu)線路質(zhì)量的選擇算法如下：

1）構(gòu)造判斷矩陣。由用戶提供各QoS屬性的相對重要性，構(gòu)造滿足互反性的判斷矩陣A。

A1 A2 A3A1 a11 a12 a13A2 a21 a22 a23A3 a31 a32 a33

式中，aii=1（i=1，2，…，n），aij=1/aji（i，j=1，2，…，n），aij=aik/ajk（i，j，k=1，2，…，n）。這里A1代表落區(qū)（落點）質(zhì)量，A2代表飛行安全區(qū)域質(zhì)量，A3代表路徑選擇質(zhì)量。aij表示屬性Ai對屬性Aj的相對重要性，通常aij取1，2，…，9及它們的倒數(shù)，其含義為：1表示屬性Ai與屬性Aj相比，兩者同樣重要；3表示屬性Ai比屬性Aj稍微重要；5表示屬性Ai比屬性Aj明顯重要；7表示屬性Ai比屬性Aj強烈重要；9表示屬性Ai比屬性Aj極端重要。2、4、6、8表示上述兩相鄰判斷的中間值。根據(jù)判斷矩陣計算QoS屬性的權(quán)重時，要對判斷矩陣進行一致性檢驗。當找到錯誤時，采用自動修正判斷矩陣的方式，修改QoS屬性的相對重要性。

2）采用幾何平均法計算判斷矩陣A的特征根λmax和特征向量W。由判斷矩陣A滿足等式AW=λmaxW，λmax是最大特征根，W是對應(yīng)的特征向量，即各屬性的權(quán)重，則有：

式中，（AW）i表示向量AW的第i個分量。

3）判斷矩陣的一致性檢驗。計算一致性指標CI=（λmax-n）/（n-1），平均隨機一致性指標CR=CI/RI，式中RI表示同階平均隨機一致性指標，其值在表1中給出。如果CR＜0．10，轉(zhuǎn)5）；否則轉(zhuǎn)4）。

表1 同階平均隨機一致性指標RI

4）自動修正判斷矩陣。對判斷矩陣A作歸一化處理，得到矩陣A'：

由a"ij=a'ij/a'i1（i, j=1,2,…,n），得矩陣A"=（a"ij）n×n。取A"中最小的a"ij（i=1,2,…,n；j=2,3,…,n；i≠j），通常最小的a"ij＜1。當對應(yīng)A中的aij>1時，調(diào)整后新的aij=aij+1，其對應(yīng)的aji=1/（aij+1）；當對應(yīng)A中的aij＜1時，調(diào)整后新的aij=1/（1/aij-1），其對應(yīng)的aji=1/aij-1。

5）調(diào)整結(jié)束，得到的判斷矩陣滿足一致性要求，輸出權(quán)值。

3 試驗驗證

以某型號裝備飛行試驗為例，根據(jù)起點位置、飛行器航程、飛行射向、落區(qū)（落點）地形坡度、安全區(qū)寬度、飛行軌跡和居民地集聚區(qū)位置、目標位置、道路等級、道路長度和道路節(jié)點數(shù)等參數(shù)，分別計算出若干候選線路的落區(qū)（落點）質(zhì)量值、飛行安全區(qū)域質(zhì)量值、路徑選擇質(zhì)量值，然后按照本文的基于QoS的自動修正判斷矩陣的層次分析法對候選線路綜合質(zhì)量進行計算、排序，最終自動選出最優(yōu)線路并顯示結(jié)果。具體流程如圖1所示。

圖1 優(yōu)選飛行線路流程圖

測試用計算機配置為Intel Core2處理器,主頻1．86 GHz,2 G內(nèi)存，使用WindowsXP SP2。試驗?zāi)康氖球炞C本文提出的基于QoS的層次分析法對線路優(yōu)選的可行性和自動修正判斷矩陣算法的有效性。用平均規(guī)劃設(shè)計時間來衡量試驗效果，并與傳統(tǒng)作業(yè)方法進行比較。如圖2所示，采用本文算法所得到的規(guī)劃設(shè)計平均執(zhí)行時間要小于傳統(tǒng)作業(yè)方法。

圖2 規(guī)劃設(shè)計平均執(zhí)行時間比較

[1] 李建松．地理信息系統(tǒng)原理[M]．武漢:武漢大學出版社,2006

[2] 周啟鳴,劉學軍．數(shù)字地形分析/地理信息系統(tǒng)理論與應(yīng)用[M]．北京:科學出版社,2006

[3] 上海市信息化委員會．城市地理信息系統(tǒng)—原理、應(yīng)用與項目管理[M]．北京:科學出版社,2008

[4] 代鈺,楊雷,張斌,等．支持組合服務(wù)選取的QoS模型及優(yōu)化求解[J]．計算機學報,2006,29(7):1 167-1 178

[5] 宣家驥．多目標決策[M]．長沙：湖南科學技術(shù)出版社,1989

[6] 張宏．地理信息系統(tǒng)算法基礎(chǔ)[M]．北京:科學出版社,2006

[7] 鄔倫,劉瑜．地理信息系統(tǒng):原理、方法和應(yīng)用[M]．北京:科學出版社,2005

[8] 程理民,吳江,張玉林．運籌學模型與方法教程[M]．北京:清華大學出版社,2002

[9] 呂永波．系統(tǒng)工程[M]．北京:清華大學出版社,2006

[10] 駱正清．AHP中不一致性判斷矩陣調(diào)整的新方法[J]．系統(tǒng)工程理論與實踐,2004,24(6):85-92

P208

B

1672-4623（2014）05-0050-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.018

王偉，碩士，工程師，主要研究方向為GIS應(yīng)用、系統(tǒng)工程。

2013-08-12。