一種改進的空管系統(tǒng)效能評估算法

霍永華，昌漢明，于建，楊紅偉

(1．中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081; 2．西安電子科技大學，陜西 西安 710071; 3．河北民族師范學院，河北 石家莊 067000; 4．北華航天工業(yè)學院 河北 廊坊 065000)

一種改進的空管系統(tǒng)效能評估算法

霍永華1，昌漢明2，于建3，楊紅偉4

(1．中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081; 2．西安電子科技大學，陜西 西安 710071; 3．河北民族師范學院，河北 石家莊 067000; 4．北華航天工業(yè)學院 河北 廊坊 065000)

針對空管系統(tǒng)，提出一種效能評估算法，研究了空管系統(tǒng)效能評估指標體系，包括性能影響、故障影響、安全影響、風險影響和容量影響等方面，每一方面包含不同的指標參數。選擇模糊綜合評判法進行評估，重點研究了權重系數確定方法，通過引入模糊數學方法改進層次分析模型，體現評估指標的模糊性和一致性原則。最后通過實例說明某空管系統(tǒng)在特定應用場景下的效能評估。

空管系統(tǒng)；效能評估；效能指標；權重系數；層次分析法

0 引言

空管系統(tǒng)［1，2］作為航空領域的一個重要子系統(tǒng)，是實施空域管理和流量管理，提供空中交通服務并保障飛行安全，實現高效航空運輸的統(tǒng)稱。其安全性和可靠性成為航空飛行安全的關鍵。因此及時準確地掌握空管系統(tǒng)的綜合運行情況，對于保證航空運輸效安全可靠運行具有非常重要的意義。

系統(tǒng)效能評估［4］是對系統(tǒng)的標稱能力與實際能力匹配程度的全面評估。通過對空管系統(tǒng)進行效能評估，可以量化系統(tǒng)標稱能力與實際能力的匹配程度，發(fā)現系統(tǒng)現狀與實際使用需求之間的差距。這些量化后得到的差距數據就可以為系統(tǒng)需求的改進和后續(xù)系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、運行、管理和維護提供有力的理論基礎。

但是目前空管系統(tǒng)的效能評估尚處在起步階段，尚未建立空管系統(tǒng)驗證評估機制。缺少評估指標體系，缺乏驗證手段保證系統(tǒng)功能和性能達到要求．只有建立科學的評估指標體系，才能保證對空管系統(tǒng)進行科學的效能評估，提高空管系統(tǒng)正常運行概率。

1 空管系統(tǒng)效能評估

1.1 效能評估內容

空管系統(tǒng)效能評估通常包括3個基本內容:

①首先是定義系統(tǒng)效能參數，并選擇合理的效能度量指標;②其次是根據給定的條件，計算效能指標的值;③最后是進行多指標效能的綜合評價，即由諸效能參數的指標值求出效能綜合評價。

1.2 指標體系選取原則

為了保證空管系統(tǒng)效能評估的有效性和完整性，效能評估指標［3，4］體系的建立要遵循以下幾個原則:

①目的性:所選指標能夠為網絡管理提供支撐，有利于及時、全面、準確、科學地把握空管系統(tǒng)的運行效能;

②完整性:所選指標要能組成一個完整的指標體系，不能遺漏重要的指標;

③獨立性:所選指標必須相對獨立，同一層次的各項指標必須不重疊，不存在橫向的因果關系，應獨立的反映評估對象的一個側面;

④可測試性:所選指標應便于測算，指標盡量都可以用數量直接描述，對于無法定量描述的指標，可以用模糊方法量化處理;

⑤一致性:所選指標數據要一致，對于一些不一致的數量值，在評估之前要進行歸一化處理，使指標在同一準則下保持一致。

1.3 指標體系確定

空管系統(tǒng)綜合評估指標體系［5］要素包括性能評估、故障影響評估、風險評估、容量評估和安全評估等方面。根據不同空管系統(tǒng)的特點，從指標體系中提取不同的要素或者設置權重，建立不同的評估指標體系模型。

①性能評估指標:效能評估指標包括信息獲取能力、間隔保持能力、管制指揮能力和輔助決策能力。信息獲取能力包括監(jiān)視、飛行數據、航行情報、氣象等信息的獲取。間隔保持能力包括碰撞風險和告警能力(沖突告警和違規(guī)告警、最低安全高度告警、危險天氣告警、流量容量負載告警和一致性告警)。管制指揮能力包括地空話音覆蓋范圍、暢通率、地空報文覆蓋范圍和時延和管制移交等。輔助決策能力包括飛行計劃預先調配、沖突調配建議以及危險避讓提示;

②故障評估指標:故障影響評估主要評估系統(tǒng)設備中某些模塊或部件出現故障后對系統(tǒng)設備性能以及提供服務的影響。包括性能、功能和管制服務3個方面，如ATC系統(tǒng)故障、監(jiān)控模塊故障和LDP故障等;

③風險評估指標:風險是指用危險的可能性和嚴重性表示發(fā)生事件的可能程度，風險分為內在和外在兩種印度，外在因素包括人員因素、誤操作、病毒、外網攻擊和自然災害;內在因素涉及軟硬件故障、平臺選型和通信線路等。風險評估從政治因素、人員因素、自然災害、供應商資信、國產化程度、系統(tǒng)可靠性/可用性/可維修性和信息安全等方面進行評估;

④容量評估指標:容量評估主要指在各種工作模式下系統(tǒng)的實際處理能力，在保證飛行安全管制間隔的情況下對空域容量和交通流量的影響。如在全系統(tǒng)工作方式、降級工作方式和旁路工作方式能情形下，按照航路、終端區(qū)和進離場等間隔標準，得出管轄范圍內的空域容量和交通流量及其使用效率;

⑤安全評估指標:安全評估包括設備安全、信息安全、環(huán)境安全和管理安全。設備安全評估包括設備冗余備份、備品備件、數據備份、防病毒以及人員維護水平。信息安全評估指系統(tǒng)設備輸入輸出信息是否正確，如雷達信息是否會出現丟批和重批現象，ADS－B信息是否正確等，環(huán)境安全評估包括機房供電、溫度、濕度、接地、防雷、防火、防水和防電磁干擾等。

2 空管系統(tǒng)效能評估方法

由1．3節(jié)可知，空管系統(tǒng)效能指標有5個方面大能力，其中每個評估方面又有細分的能力。由于單個評估指標只反映了對空管系統(tǒng)效能的一個方面，通過單個指標來評估空管系統(tǒng)綜合效能是不全面的。因此采用指標體系中的多個指標來綜合評估空管系統(tǒng)的效能。

模糊綜合評判法［6，7］是對受多種因素影響的事物在模糊環(huán)境下做出一個總體綜合評價，全面評價的一種十分有效的多因素決策方法，因此采用模糊綜合評判法進行效能評估。

2.1 評估步驟

步驟1:首先把要評估的指標層次系列化，按照指標之間的相互影響和隸屬關系將其分層聚類組合，形成一個遞階、有序的層次結構模型。即建立基本因素集U={u1，u2，u3，…un}和下一級因素集:

如果有第三層因素指標，則繼續(xù)進行分解，即:

步驟2:建立評價集，評價集V={V1，V2，…Vm}是評判者對評判對象可能作出的各種總的評判結果的集合。β={β1，β2，…，βm}T是相對于評價集V的評分檔次。例如可以設定評價集為V={好，較好，一般，差，較差}，相應地設定評分檔次β= {100，85，70，50，30}T。

步驟3:確定權重，對模型中每一層次因素的相對重要性進行定量表示，再利用層析分析方法確定每一層次全部因素相對重要性次序的權值。

假設需要排列n個元素的相對重要程度，采用兩兩比較判斷的方式確定每一層次中因素的相對重要性，即比較2個元素i和j，確定2個值ωi、ωj，引入1～9比率標度，ωi、ωj的確定依據如下原則:(假定ωj的相對值為1)

①當元素i和j同等重要時，ωi=ωj=1;

②當元素i比元素j略微重要時，ωi=3;

③當元素i比元素j重要時，ωi=5;

④當元素i比元素j很重要時，ωi=7;

⑤當元素i比元素j絕對重要時，ωi=9;

ωi=2，4，6，8是介于上述情況的中間取值。

步驟4:進行單因素評判，建立模糊關系矩陣R (rij)，分級計算因素集中各因素對評價集中各因素的隸屬度rij，得到與u1，u2，un對應的單因素評判矩陣R1，R2，…，Rn，

步驟5:模糊綜合評判，綜合評判向量可由下式計算:

2.2 改進的權重系數確定方法

在2.1節(jié)所述的步驟3中，使用最大特征根法［8］求解層次分析模型中各要素權重的過程中，存在如下2個問題:

①影響空管系統(tǒng)的某些因素是模糊的，因而空管系統(tǒng)的評價是具有模糊性的，而成對比較矩陣沒有體現該特性;

②檢查成對比較矩陣是否具有一致性需要相當的計算復雜度，當成對比較矩陣具有不一致性時需要調整成對比較矩陣的元素，使其具有一致性，尤其是當高層的成對比較矩陣出現不一致時，往往需要回溯到低層的成對比較矩陣進行調整，以使其具有一致性，這使得算法的時間開銷比較大。通過引入模糊數學方法來改進層次分析模型以求解決上述兩方面的問題，這里給出一種具體的方法作為示例，以期給出一種改進方向。

使用模糊判斷矩陣替代層次分析法中的成對比較矩陣。設元素a1，a2，…a3兩兩比較重要程度的模糊判斷矩陣表示為:

元素a1，a2，…a3的權重分別為ω1，ω2，…ωn，rik的大小是元素ai比ak重要的重要程度的度量，rik= f(wi－wk);rik＞0．5表示ai比ak重要，反之rik＜0．5，則表示ak比ai重要。1－rik表示ai不比ak重要的隸屬度，而ak比ai重要的隸屬度為rki，故rki=1－rik，即R是模糊互補矩陣。當i=k時，有rii=0．5，也就是元素同自身進行重要性比較時，重要性隸屬度為0．5。可以證明f(·)是連續(xù)的，并根據Weirstrassd定理使用多項式p(x)對f(·)進行了擬合，最后給出了形如:

的表達式，式中，0＜α≤0．5，α是人們對所感知對象的差異程度的一種度量，但同評價對象個數和差異程度有關，當評價的個數或差異程度較大時，α值可以取得大一些。另外，決策者還可以通過調整α的大小，求出若干個不同的權重向量，再從中選擇一個自己認為比較滿意的權重向量。采用式(1)定義的rik，當模糊判斷矩陣R不是一致的時候，式(1)中等號不嚴格成立，這時可采用最小二乘法求權重向量，即求解如下的非線性規(guī)劃問題:

由拉格朗日乘子法知，式(2)所示的約束規(guī)劃問題等價于式(3)所示的無約束規(guī)劃問題:

式中，λ為Laggrange乘子。將L(ω，λ)關于ωi的偏導數，并令其為零，得n個代數方程組成的方程組:

解此方程組，即可求得權重向量:ω=［ω1，ω2，…，ωn］T。

3 實例驗證

以一個航行任務實例進行驗證，實例中航行任務要求空管系統(tǒng)實時監(jiān)視所管設備的運行情況，及時發(fā)現網絡運行故障，迅速定位故障。根據任務要求，需要空管系統(tǒng)具有較強的實時性強和較高的可靠性。因此需要實時采集數據，重點評估空管系統(tǒng)的實時性和可靠性指標。

根據任務需求，確定評估指標體系，實時性體現在故障影響方面，包括模塊故障和告警能力，模塊故障包括ATC系統(tǒng)故障、監(jiān)控模塊故障，告警能力包括沖突告警、違規(guī)告警、最低安全高度告警、危險天氣告警、流量容量負載告警和一致性告警，可靠性體現在誤操作、病毒、外網攻擊、軟硬件故障和通信線路等方面。

首先確定第一層評估因素集:U={u1，u2，u3，…un}，即實時性和可靠性。

將第一層因素進行分解，得到第二層因素集。即評估指標分解為ATC系統(tǒng)故障、監(jiān)控模塊故障、沖突告警、違規(guī)告警、最低安全高度告警、危險天氣告警、流量容量負載告警和一致性告警:

采用模糊數學和層次分析法相結合，確定權重系數，監(jiān)控模塊、違規(guī)告警、流量容量負載告警和一致性告警對于實時性的影響更加嚴重，權重系數為:

ω={ω1，ω2，ω3，ω4，ω5，ω6，ω7，ω8}={0．187 5，0．062 5，0．187 5，0．062 5，0．187 5，0．187 5，0．062 5，0．062 5}，即為實時性因素集所對應的權重值。

同理求出可靠性因素所對應的權重系數，求出第一層因素所對應的權重系數，最后進行模糊綜合評判:

最后計算得到某空管系統(tǒng)效能評估為0．898。

評估結果表明該空管系統(tǒng)具有較好的效能，同時也表明該空管系統(tǒng)能實時監(jiān)控被管網絡運行狀態(tài)，及時定位網絡故障。

4 結束語

研究總結了空管系統(tǒng)的效能評估因素，從性能、故障、風險、容量和安全等方面總結了影響因素，針對層次分析法中確定評價矩陣不能體現模糊和一致性的問題，引入模糊數學改進層次分析模型，以體現評估的模糊性和一致，使得評估更加科學和準確。

［1］RydstromB L．Software Fault Content and Reliability Estimations for Telecommunications System[J]．IEEE Trans．Selected Areas in Communications，1990，8(2):262－271．

［2］Thomas D，Anthony S．Evaluating the Performance id Software Reliability Models[J]．IEEE Trans．Reliability，1992，41(4):12－16．

［3］李冬，宋里宏，王璐．戰(zhàn)場網絡攻擊效能分析[J]．網絡安全技術與應用，2007(3):78－80．

［4］Zahedi F，Ashrafi N．Software Reliability Allocation Based on Structure Utility，Price and Cost[J]．IEEE Trans．Software Eng，1991，17(21):345－356．

［5］楊紅娃．戰(zhàn)場網絡攻擊效能評估技術[J]．通信對抗，2006(1):21－28．

［6］胡國慶，霍永華．網管軟件可靠性評估方法[J]．無線電工程，2012，42(6):48－51．

［7］陳平．空管系統(tǒng)設備評估及指標體系．指揮信息系統(tǒng)與技術，2011(3):10－13．．

［8］萬健，李楠，李琦．空中交通管理系統(tǒng)安全評價研究[J]．北京航空航天大學學報:社會科學版，2011，24(1):89－92．

An Improved Efficiency Evaluation Algorithm of Air Traffic Control Management System

HUO Yong-hua1，CHANG Han-ming2，YU Jian3，YANG Hong-wei4
(1．The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China; 2．Xidian University，Xi＇an Shaanxi 710071，China;3．Hebei National Teacher-training，Shijiazhuang Hebei 067000，China; 4．North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang Hebei 065000，China)

Aiming at air traffic control system，an efficiency evaluation algorithm is put forward．The efficiency evaluation index system is studied，including such aspects as performance effect，fault effect，security effect，risk effect and capacity effect，each of them contains different index parameters．The fuzzy comprehensive judgement is selected for evaluation．The definition method of weight coefficient is studied．The priciple of fuzzition and consistency of evaluation indexes is realized by introducing fuzzy maths and improving analytic hierarchy process model．Finally，the efficiency evaluation on air traffic control management system is illustrated in specific application scene．

ATC;efficiency evaluation;efficiency indexes;weight coefficient;analytic hierarchy process

TP393

A

1003－3114(2015)05－67－4

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.18

霍永華，昌漢明，于建，等．一種改進的空管系統(tǒng)效能評估算法［J］．無線電通信技術，2015，41(5):67－70．

2015－05－11

國防基礎科研計劃基金項目資助

霍永華(1977—)，女，高級工程師，主要研究方向:通信網絡管理。齊忠杰(1968—)，研究員，主要研究方向:通信與交換機。