基于改進(jìn)TOPSIS模型在通信對(duì)抗鏈路威脅評(píng)估中的應(yīng)用研究*

趙春雷 王昌寶 潘啟中 畢大慶

(合肥電子工程學(xué)院 合肥 230037)

基于改進(jìn)TOPSIS模型在通信對(duì)抗鏈路威脅評(píng)估中的應(yīng)用研究*

趙春雷 王昌寶 潘啟中 畢大慶

(合肥電子工程學(xué)院 合肥 230037)

針對(duì)通信鏈路的特點(diǎn),分析了影響鏈路威脅評(píng)估的因素,建立了鏈路威脅評(píng)估模型,改進(jìn)了逼近理想解的排序方法(TOPSIS)指標(biāo)權(quán)重的確定,然后運(yùn)用改進(jìn)的TOPSIS模型對(duì)通信鏈路威脅評(píng)估問(wèn)題進(jìn)行了研究,并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該算法的合理性和有效性。

通信鏈路; 威脅評(píng)估; CRITIC; 權(quán)重; TOPSIS

Class Number TN929

1 引言

在通信對(duì)抗指揮決策過(guò)程中,對(duì)敵方通信鏈路進(jìn)行威脅評(píng)估是指揮決策的重要環(huán)節(jié)之一,其為通信干擾資源的分配提供決策依據(jù)。目前,關(guān)于通信威脅評(píng)估的方法很多,文獻(xiàn)[1]采用層次分析法確定鏈路的威脅大小;文獻(xiàn)[2]通過(guò)TOPSIS方法對(duì)通信目標(biāo)進(jìn)行威脅排序。然而,上述方法還存在一些不足:首先,在指標(biāo)權(quán)重的確定上采用專家打分、層次分析等方法,具有很大主觀性;其次,在指標(biāo)的選取和指標(biāo)隸屬函數(shù)的確立上考慮得不夠合理、全面,同時(shí),沒有考慮指標(biāo)的相關(guān)性和指標(biāo)信息重疊問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題,本文對(duì)評(píng)估指標(biāo)體系進(jìn)行修正,對(duì)個(gè)別指標(biāo)隸屬重新進(jìn)行度量,提出了采用層次分析法和客觀CRITIC法組合賦權(quán)TOPSIS法的威脅評(píng)估方法,并重點(diǎn)對(duì)組合賦權(quán)方法進(jìn)行研究,最后用組合賦權(quán)TOPSIS法進(jìn)行實(shí)例分析,驗(yàn)證該方法合理有效。

2 通信鏈路威脅評(píng)估模型

2.1 通信鏈路威脅評(píng)估指標(biāo)體系

影響通信鏈路威脅度的因素很多,在眾多因素當(dāng)中,既有定量的,也有定性的,而且相互之間關(guān)系復(fù)雜,若要全面考慮每個(gè)因素,給出一個(gè)威脅程度與各種因素的函數(shù)關(guān)系相對(duì)困難,并且難以保證時(shí)效性。通過(guò)對(duì)影響通信鏈路威脅因素的分析研究,由戰(zhàn)術(shù)重要度、鏈路抗干擾性、網(wǎng)專級(jí)別、網(wǎng)專屬性、網(wǎng)專出聯(lián)頻度、功率等主要因素構(gòu)成的威脅評(píng)估指標(biāo)體系,可以較好地描述鏈路的威脅特性。

2.2 通信鏈路威脅評(píng)估指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的確定

實(shí)際中影響通信鏈路威脅度的屬性指標(biāo)有定量的,也有定性的,有的甚至是模糊的。同時(shí),多屬性決策問(wèn)題還有一個(gè)重要特征是指標(biāo)量綱不同。使得獲取的數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行統(tǒng)一量化綜合,難以直接比較。為運(yùn)用TOPSIS法對(duì)多屬性通信系統(tǒng)鏈路的威脅度進(jìn)行評(píng)估排序,需要把模糊的、定性的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為定量的描述,并對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行無(wú)量綱處理。

2.2.1 戰(zhàn)術(shù)重要度

依據(jù)通信鏈路的戰(zhàn)術(shù)重要性確定的威脅指數(shù)。其隸屬函數(shù)通過(guò)對(duì)通信作戰(zhàn)意圖的判斷或者通信對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)程的影響來(lái)建立。實(shí)際中主要考慮三種情況:一是屬于本次戰(zhàn)斗任務(wù)的干擾目標(biāo)鏈路,符合作戰(zhàn)意圖,目標(biāo)鏈路肯定在干擾的區(qū)域內(nèi),此時(shí)隸屬度函數(shù)取值為a1;二是不屬于本次作戰(zhàn)任務(wù)的干擾目標(biāo)鏈路,但在干擾區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)鏈路,此時(shí)隸屬度函數(shù)取值為a2;三是不屬于本次干擾任務(wù)也不在干擾區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)鏈路,此時(shí)隸屬度函數(shù)取值為a3;且有0≤a3

2.2.2 抗干擾性

依據(jù)被干擾目標(biāo)運(yùn)用的抗干擾措施確定的威脅指數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[2],其威脅隸屬函數(shù)u(f2)記為式(1):

(1)

其中n為被干擾目標(biāo)所采取的抗干擾措施的種類。

2.2.3 網(wǎng)專級(jí)別

依據(jù)網(wǎng)專的級(jí)別確定的威脅指數(shù)。通信網(wǎng)的級(jí)別由它所保障部隊(duì)的級(jí)別確定,部隊(duì)的級(jí)別不同,其通信網(wǎng)傳遞信息的價(jià)值和等級(jí)也不同。為便于計(jì)算,對(duì)網(wǎng)專級(jí)別按表1進(jìn)行隸屬,記為u(f3)。

表1 網(wǎng)專級(jí)別與威脅度的隸屬關(guān)系

2.2.4 網(wǎng)專屬性

依據(jù)通信網(wǎng)的性質(zhì)確定的威脅指數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[3],其威脅隸屬函數(shù)u(f4)記為表2。

表2 網(wǎng)專屬性與威脅度的隸屬關(guān)系

2.2.5 網(wǎng)專出聯(lián)頻度

依據(jù)網(wǎng)專出聯(lián)的次數(shù)確定的威脅指數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[4]其威脅隸屬函數(shù)u(f5)記為式(2):

(2)

網(wǎng)專出聯(lián)頻度一定程度上能夠反映戰(zhàn)場(chǎng)通信鏈路的實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì),將其確定為評(píng)估指標(biāo)使結(jié)果更加客觀、合理。

2.2.6 功率

依據(jù)信號(hào)傳播方式,發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的距離和干擾機(jī)、接收機(jī)之間的距離,以及發(fā)射機(jī)的功率確定的威脅指數(shù)。由通信干擾方程[5]知,干擾功率與發(fā)射機(jī)功率、干通比、信號(hào)傳播方式等因素有關(guān),其中干通比對(duì)功率的影響最大。在傳播方式確定,發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的距離一定,干擾機(jī)與接收機(jī)距離越遠(yuǎn),以及發(fā)射機(jī)的功率越大,所需干擾功率越大,越難干擾,因此對(duì)我軍的威脅越大。其威脅隸屬函數(shù)為u(f6):

(3)

其中Pi為所需的干擾功率,Pmax為干擾設(shè)備所能干擾的最大干擾功率的臨界值。

3 通信鏈路威脅評(píng)估指標(biāo)權(quán)重的確定

影響威脅程度的各個(gè)屬性指標(biāo)的重要性是不同的,因此,需要確定各屬性指標(biāo)的權(quán)重。確定屬性指標(biāo)權(quán)重的方法有主觀法和客觀法。主觀法體現(xiàn)決策者的主觀偏好和經(jīng)驗(yàn),但有很大的主觀隨意性。客觀法能夠充分利用評(píng)估模型具備的客觀決策信息,但往往忽略實(shí)際指標(biāo)之間的輕重關(guān)系,完全依據(jù)客觀權(quán)重又可能會(huì)造成結(jié)果與實(shí)際不相符的情況。本文綜合考慮主、客觀因素,采用主觀層次分析法與客觀CRITIC法相結(jié)合的方法確定指標(biāo)權(quán)重。

3.1 主觀權(quán)重的確定

主觀權(quán)重確定方法主要有AHP法、Delphi法、二元對(duì)比法、專家打分法等。由于AHP法簡(jiǎn)便有效,本文采用AHP法對(duì)指標(biāo)的主觀權(quán)重進(jìn)行確定。具體參考文獻(xiàn)[6]對(duì)主觀權(quán)重Ws=(ws1,ws2,…,wsm)進(jìn)行計(jì)算,其中m表示指標(biāo)的數(shù)量。

3.2 客觀權(quán)重的確定

(4)即得到評(píng)估指標(biāo)客觀權(quán)重Wo=(wo1,wo2,…,wom)。

運(yùn)用CRITIC法求解客觀權(quán)重時(shí),考慮了指標(biāo)之間的相關(guān)性及指標(biāo)所包含的重疊信息對(duì)決策評(píng)估的影響,使權(quán)重的確定更加客觀、合理。同時(shí),指標(biāo)之間的相關(guān)性也一定程度上體現(xiàn)了指標(biāo)反映信息的相似程度,從而也能夠?yàn)楹侠泶_立指標(biāo)體系提供一定的理論支持[8]。

3.3 組合權(quán)重的確定

為了能夠全面反映鏈路指標(biāo)的重要性,既考慮指揮員的作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn),又兼顧客觀信息數(shù)據(jù),并拉開各個(gè)通信鏈路之間威脅評(píng)估檔次,本文最終組合權(quán)重W=(w1,w2,…,wm)的確定采用乘法合成法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行組合賦權(quán)[9],具體見式(5)。

(5)

4 運(yùn)用TOPSIS法進(jìn)行威脅評(píng)估

TOPSIS法[10]是基于規(guī)范化后的決策矩陣,找出有限方案中的最優(yōu)方案和最劣方案構(gòu)成一個(gè)空間,待評(píng)價(jià)的某方案可視為該空間上的一個(gè)點(diǎn),通過(guò)計(jì)算該點(diǎn)與理想解和負(fù)理想解間的距離(相對(duì)接近度),從而對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行排序。

本文在得到通信鏈路指標(biāo)組合權(quán)重向量W=(w1,w2,…,wm)后,應(yīng)用改進(jìn)的TOPSIS法進(jìn)行威脅排序解算,其具體計(jì)算步驟參考文獻(xiàn)[11]。

5 實(shí)例分析

5.1 戰(zhàn)術(shù)想定

以我軍轟炸機(jī)執(zhí)行轟炸敵軍某一防空導(dǎo)彈陣地為例。根據(jù)偵察,敵軍武器系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 敵軍武器系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

同時(shí),指揮員或?qū)＜腋鶕?jù)作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)戰(zhàn)需求,選擇對(duì)我軍執(zhí)行這一任務(wù)構(gòu)成威脅的主要通信鏈路已在圖1中標(biāo)識(shí)。由偵察得到鏈路的參數(shù)如表3所示。

表3 敵軍重要通信鏈路的屬性參數(shù)值

5.2 運(yùn)用TOPSIS模型的分析評(píng)估

根據(jù)偵察數(shù)據(jù)及本文指標(biāo)隸屬函數(shù)計(jì)算出威脅評(píng)估決策矩陣X如表4所示。

表4 決策矩陣X

根據(jù)AHP法知,主觀權(quán)重為Ws=(0.4,0.12,0.15,0.1,0.08,0.15);根據(jù)決策矩陣及CRITIC法得到客觀權(quán)重Wo=(0.1814,0.1230,0.1274, 0.1575,0.2463,0.1644);最后組合權(quán)重W=(0.4356,0.0886,0.1148,0.0946,0.1183,0.1481)。由決策矩陣和組合權(quán)重得到加權(quán)矩陣R如表5所示。

表5 加權(quán)決策矩陣R

由表和公式可以確定理想解A+和負(fù)理想解A-如表6所示。

表6 理想解A+和負(fù)理想解A-數(shù)值表

最后,根據(jù)上述公式得到各通信鏈路距離理想解和負(fù)理想解的距離及各通信鏈路對(duì)理想解的相對(duì)接近度,如表7所示。

表7 理想解、負(fù)理想解距離和相對(duì)接近度數(shù)值

由計(jì)算結(jié)果pi,可以得到最終的通信鏈路威脅排序?yàn)?由大到小):R2,R3,R1,R5,R4。

通過(guò)上述分析,可以看出上述排序結(jié)果與實(shí)際分析結(jié)論基本一致,表明了運(yùn)用上述算法對(duì)通信鏈路進(jìn)行威脅評(píng)估的正確性和合理性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用改進(jìn)的TOPSIS模型對(duì)通信對(duì)抗中重要通信鏈路進(jìn)行威脅評(píng)估,將主、客觀賦權(quán)法所得到的權(quán)重向量有機(jī)地結(jié)合,既考慮了指揮員和經(jīng)驗(yàn)專家對(duì)敵方通信決策意圖的主觀判斷,又體現(xiàn)了由偵察參數(shù)構(gòu)成的決策矩陣本身?yè)碛械目陀^決策信息,并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該模型的可行性和有效性。同時(shí),實(shí)際仿真中發(fā)現(xiàn),該方法對(duì)數(shù)據(jù)的波動(dòng)比較敏感,評(píng)估指標(biāo)隸屬函數(shù)的確定對(duì)評(píng)估結(jié)果有較大影響。

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Threats Evaluation of Communication Countermeasure Link Based on Modified-TOPSIS Model

ZHAO Chunlei WANG Changbao PAN Qizhong BI Daqing

(Electronic Engineering Institute of Hefei, Hefei 230037)

According to the characteristics of communication link, the influence factors of evaluation of link threats are analyzed, and the threat assessment model is establishted and the index weight of technique for order preference by similarity is modified to ideal solution(TOPSIS). Then the Modified-TOPSIS model is used in the study of evaluation problems of communication link threats. The rationality and effectiveness of the algorithm is verified by the application.

communication link, evaluation of threats, CRITIC, index weight, TOPSIS

2013年8月11日,

2013年9月13日

趙春雷,男,碩士研究生,研究方向:裝備技術(shù)及應(yīng)用。王昌寶,男,碩士,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:通信對(duì)抗。潘啟中,男,博士,講師,研究方向:通信對(duì)抗。畢大慶,男,碩士,講師,研究方向:通信對(duì)抗。

TN929

10.3969/j.issn1672-9730.2014.02.017