基于云理論的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈效能評(píng)估

陳　檳，尹亞蘭，萬　福

(海軍指揮學(xué)院,南京 211800)

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基于云理論的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈效能評(píng)估

陳檳，尹亞蘭，萬福

(海軍指揮學(xué)院,南京 211800)

摘要：戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的指標(biāo)體系中不僅包含可進(jìn)行實(shí)測的定量指標(biāo)，還有一部分不可量化的定性指標(biāo)。針對(duì)該特點(diǎn)，提出用云理論解決其效能評(píng)估的問題,建立評(píng)估的指標(biāo)體系，并將各指標(biāo)用云模型表示，研究云理論評(píng)估的方法，在云重心加權(quán)偏離度的計(jì)算中，可能有某些指標(biāo)對(duì)偏離度的貢獻(xiàn)與實(shí)際意義正好相反，因此對(duì)云重心歸一化公式進(jìn)行修正。最后通過實(shí)例計(jì)算證明了修正后的方法評(píng)估可信度更高。

關(guān)鍵詞：戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈；效能評(píng)估；云理論；云重心；加權(quán)偏離度

0引言

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菍V域分布的數(shù)字化指揮中心、指揮所、參戰(zhàn)部隊(duì)和武器平臺(tái)鏈接起來的信息處理、交換和分發(fā)系統(tǒng)。它就像“戰(zhàn)爭巨人”的神經(jīng)系統(tǒng)，使得單獨(dú)的、孤立的武器單元聯(lián)結(jié)起來，形成巨大的戰(zhàn)爭網(wǎng)絡(luò)[1]，最大限度發(fā)揮武器系統(tǒng)的火力優(yōu)勢。目前對(duì)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的效能評(píng)估也多為在數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用下的火力優(yōu)勢評(píng)估，即從作戰(zhàn)效果上來評(píng)價(jià)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的優(yōu)劣，而且大部分的效能評(píng)估往往只考慮戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈本身的性能，而忽略了其中人為因素的影響。實(shí)際上，在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈作戰(zhàn)運(yùn)用過程中，其效能的充分發(fā)揮離不開作戰(zhàn)指揮人員及戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈操作人員的優(yōu)良表現(xiàn)。加入這些人為因素的影響，顯然會(huì)使綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果更加準(zhǔn)確可信。在指標(biāo)體系中，人為因素的影響往往不可精確度量，被稱為定性指標(biāo)，常用“好”、“很好”等語言值對(duì)這些定性指標(biāo)的優(yōu)劣進(jìn)行描述。

人為因素的加入使指標(biāo)體系中定性指標(biāo)的比重增加，給評(píng)估帶來一定難度，傳統(tǒng)的灰色理論法、模糊綜合評(píng)判法、層次分析法(AHP)等都無法對(duì)定性定量指標(biāo)共存的綜合指標(biāo)體系進(jìn)行客觀精準(zhǔn)的評(píng)估。這時(shí)云理論就體現(xiàn)了其優(yōu)勢：可將模糊性和隨機(jī)性有機(jī)結(jié)合在一起，充分實(shí)現(xiàn)精確數(shù)值和定性語言之間的轉(zhuǎn)換[2-3]。 因此考慮采用云理論來解決戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈效能評(píng)估問題。

1戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈指標(biāo)體系研究

1.1　指標(biāo)體系建立

戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變的信息化戰(zhàn)爭下，對(duì)通信系統(tǒng)的基本要求包括：有效、迅速、可靠[4]。戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈作為一種對(duì)作戰(zhàn)進(jìn)行全面保障的特殊通信系統(tǒng)，其基本要求也可歸納為有效、迅速、可靠3點(diǎn)。再根據(jù)指標(biāo)體系建立的客觀、完整、科學(xué)等原則，可建立如圖1所示的指標(biāo)體系。

圖1　戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈運(yùn)用效能指標(biāo)體系

1.2　指標(biāo)分析

信道連通性是指戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)間信道正常連通的概率，該值與不同的信道選擇以及通信距離有關(guān)。

設(shè)備穩(wěn)定性指戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈裝備正常工作時(shí)間在總作戰(zhàn)時(shí)間中所占的比例。遂行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，數(shù)據(jù)鏈裝備只有正常工作和故障2種狀態(tài)，一旦發(fā)生故障，維修人員就對(duì)故障進(jìn)行檢修，維修人員素質(zhì)高低直接影響故障時(shí)間的長短，從而影響指標(biāo)值大小。

信息傳輸時(shí)延包括信源編碼時(shí)間、發(fā)送等待時(shí)間、編碼調(diào)整時(shí)間、數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間、數(shù)據(jù)接收時(shí)間、數(shù)據(jù)處理時(shí)間等,主要由有數(shù)據(jù)鏈裝備的硬件性能、傳輸數(shù)據(jù)的類型、數(shù)據(jù)量大小、傳輸距離等決定。

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性常用誤碼率來衡量，即單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)接收的錯(cuò)誤碼元數(shù)和總碼元數(shù)的比值。該指標(biāo)也反映了戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的抗干擾能力。影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的因素有原始數(shù)據(jù)誤差、敵方蓄意干擾、噪聲干擾、信息速率、裝備糾錯(cuò)與融合能力等。

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈指揮人員主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的分配，并與各參戰(zhàn)部隊(duì)進(jìn)行協(xié)調(diào)，確保戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的有效執(zhí)行。

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈操作人員素質(zhì)包括能否承受強(qiáng)大的心理壓力，能否在錯(cuò)綜復(fù)雜的信息中分析處理各種不同類型的信息，能否堅(jiān)持連續(xù)作業(yè)，能否集中精力，能否不誤操作導(dǎo)致死機(jī)、中斷等嚴(yán)重后果[5]等。

2基于云理論的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈效能評(píng)估方法研究

2.1　云理論的基本概念

云理論是定性概念與其定量表示之間不確定性轉(zhuǎn)化的理論[6-7]。設(shè)U是一個(gè)有精確范圍的論域，論域中任意元素x，都對(duì)某一定性概念A(yù)有著一定的傾向，傾向值y=μA(x),表示x對(duì)概念A(yù)的確定程度，x在論域上的分布稱為云模型，簡稱云。

云的數(shù)字特征可用期望Ex、熵En和超熵He來表示[8]，它們反應(yīng)了定性概念A(yù)的定量特征。

期望值Ex是定性概念在論域中的中心值，也就是最能代表這個(gè)定性概念的量化值。

熵En是定性概念的不確定性反應(yīng)，有3個(gè)方面的表現(xiàn)：一是反映了論域中可被定性概念A(yù)接受的云滴群的范圍大小，即模糊度，是定性概念亦此亦彼性的度量；第二還反映了在論域中云滴群能夠代表這個(gè)語言值的概率密度，表示代表定性概念的云滴出現(xiàn)的隨機(jī)性；最后，熵還揭示了模糊性和隨機(jī)性的內(nèi)在關(guān)系，可以用來代表一個(gè)定性概念的粒度。

超熵He是熵的不確定性的度量，即熵的熵，反映了云滴的離散程度。超熵是由熵的隨機(jī)性和模糊性決定的，超熵越大，云滴的離散度越大，云的“厚度”也越大。

云重心可以表示為T=a×b，a表示云重心的位置，b表示云重心的高度。期望值反映相應(yīng)的模糊概念的信息中心值，即可作為云重心位置。當(dāng)期望值發(fā)生變化時(shí)，它所代表的信息中心值發(fā)生變化,云重心的位置也相應(yīng)地改變。期望值相同的云可通過比較云重心高度的不同區(qū)分它們的重要性，即云重心高度反映了云的重要程度。所以說，通過云重心的變化情況可反映出系統(tǒng)狀態(tài)信息的變化情況。

2.2　基于云理論的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈效能評(píng)估方法研究

要進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的效能評(píng)估，首先肯定是建立其效能評(píng)估的指標(biāo)體系，并研究各指標(biāo)所占的權(quán)重。本文用AHP法確定權(quán)重。

在指標(biāo)體系中，既有用精確數(shù)值表示的定量指標(biāo)，又有用語言值描述的定性指標(biāo)，提取n組實(shí)測的樣品組成決策矩陣。每個(gè)精確數(shù)值型表示的指標(biāo)可用一個(gè)云模型來表示，其中：

Ex=(Ex1+Ex2+…+Exn)/n

(1)

En=[max(Ex1,Ex2,…,Exn)-

min(Ex1,Ex2,…,Exn)]/6

(2)

同時(shí)每個(gè)語言值指標(biāo)可用一個(gè)一維綜合云模型表示：

Ex=(Ex1En1+Ex2En2+…+

ExnEnn)/(En1+En2+…+Enn)

(3)

En=En1+En2+…+Enn

(4)

這樣，用p個(gè)云模型就可以表示p個(gè)系統(tǒng)指標(biāo)，那么p個(gè)指標(biāo)所反映的系統(tǒng)狀態(tài)也就可以用一個(gè)p維綜合云來表示[9]。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，這個(gè)p維綜合云的形狀也將發(fā)生變化，相應(yīng)的它的重心就會(huì)改變。p維綜合云的重心用一個(gè)p維向量表示，即T=(T1,T2,…,Tp)，其中Ti=ai×bi,i=1,2,…,p。

(5)

此時(shí)理想狀態(tài)的云重心向量為(0， 0，…， 0)。因此加權(quán)偏離度θ可表示為：

(6)

式中:θ值為負(fù)數(shù)，其絕對(duì)值表示系統(tǒng)狀態(tài)偏離理想狀態(tài)的程度，簡稱偏離程度。

然后構(gòu)建評(píng)語云發(fā)生器。采用由11個(gè)評(píng)語所組成的評(píng)語集[10-14]：V=(v1,v2,…,v11)=(vt|t=1,2,…,11)=(無，非常差，很差，較差，差，一般，好，較好，很好，非常好，極好)。

理想狀態(tài)下系統(tǒng)性能為極好，顯然偏離程度越小越好。將11個(gè)評(píng)語置于連續(xù)的語言值標(biāo)尺上，每個(gè)評(píng)語都用云模型來實(shí)現(xiàn)，比如評(píng)語“很好”可用數(shù)字特征為(0.8，0.033 3，0.000 1)的云模型來表示，超熵幾乎為0，可使圖像更清楚直觀，也不影響評(píng)估精度。其他評(píng)語只有期望值的不同，構(gòu)成一個(gè)定性評(píng)測語言的云發(fā)生器，如圖2所示。

圖2　評(píng)測云發(fā)生器

最后將θ輸入評(píng)測云發(fā)生器中，它可能有以下2種激活情況：

(1) 激活某個(gè)評(píng)語云模型的程度遠(yuǎn)大于其它評(píng)語(當(dāng)二者的激活程度的差值的絕對(duì)值大于某個(gè)給定的閾值)，這時(shí)該評(píng)語值即可作為對(duì)方案的評(píng)測結(jié)果輸出;

(2) 激活了2個(gè)評(píng)語值的云對(duì)象，且激活程度相差很小(當(dāng)二者的激活程度的差值的絕對(duì)值小于某個(gè)給定的閾值)，這時(shí)運(yùn)用云理論中綜合云的原理，生成一個(gè)新的云對(duì)象，它的期望值對(duì)應(yīng)的定性表述可由專家或系統(tǒng)用戶另外給出。

3對(duì)云重心加權(quán)偏離度計(jì)算的改進(jìn)

研究第1節(jié)中建立的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈效能評(píng)估的指標(biāo)體系，發(fā)現(xiàn)一些指標(biāo)是越大越好，可稱為效益型指標(biāo)，而另一些則是越小越好，為成本型指標(biāo)。若用式(5)進(jìn)行統(tǒng)一處理，則2類指標(biāo)在均為欠理想狀態(tài)時(shí)對(duì)偏離程度產(chǎn)生的作用是相反的(效益型指標(biāo)增大偏離程度，成本型指標(biāo)縮小偏離程度)，顯然不合邏輯。比如信息傳輸時(shí)延是一個(gè)成本型指標(biāo)，追求盡量小，而其他指標(biāo)都是效益型指標(biāo)，顯然原式僅僅考慮對(duì)效益型指標(biāo)進(jìn)行歸一化，不能直接用于該指標(biāo)體系的評(píng)估。另外，若指揮員思路清晰、組網(wǎng)科學(xué)，操作人員技術(shù)嫻熟、操作熟練，信道傳播條件也異常良好，可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際時(shí)延比理想時(shí)延還要小。根據(jù)式(5)的計(jì)算，實(shí)際時(shí)延比理想時(shí)延小得越多。偏離程度越大，將激發(fā)評(píng)語云發(fā)生器中越不理想的評(píng)語。而實(shí)際上，時(shí)延越小評(píng)語值應(yīng)該是越優(yōu)。 因此，原式并不能客觀真實(shí)地反應(yīng)指標(biāo)的云重心偏離程度，有必要分情況進(jìn)行討論：

(1) 對(duì)于效益型指標(biāo)，式(5)可不作修改；

(7)

4戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈效能評(píng)估算例

圖3　各指標(biāo)權(quán)重分布圖

首先，針對(duì)第1節(jié)已建立的指標(biāo)體系，用AHP法研究各指標(biāo)的權(quán)重。通過咨詢專家意見，對(duì)信道連通性、設(shè)備穩(wěn)定性、信息傳輸時(shí)延、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、指揮人員素質(zhì)、操作人員素質(zhì)這6個(gè)指標(biāo)構(gòu)造重要性判斷矩陣如下：

將層次模型及判斷矩陣輸入yaahp軟件，得到圖3所示的權(quán)重分布。權(quán)重向量W=(0.302 5,0.081 6,0.240 1,0.091 6,0.166 5,0.117 7)，其中一致性值RC=0.020 8<0.1，表明該判斷矩陣有效，權(quán)重計(jì)算結(jié)果可信。

然后，通過演習(xí)、計(jì)算機(jī)模擬等途徑，結(jié)合專家打分，獲取5組指標(biāo)性能的樣本數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1　指標(biāo)性能樣本數(shù)據(jù)

根據(jù)云理論，由T=a×b可求得各指標(biāo)的云重心向量和理想狀態(tài)的云重心向量：

T=(26.559 5, 7.327 7, 0.600 3, 7.877 6, 0.129 9, 0.089 5)

T0=(30.25, 8.16, 0.480 2, 9.16, 0.166 5, 0.117 7)

根據(jù)修正的歸一化公式分不同類型指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，其中信息傳輸時(shí)延是成本型指標(biāo)，可得到：

TG=(-0.122, -0.102, -0.2, -0.14, -0.22, - 0.24)

表2　各指標(biāo)云模型的期望值和熵

5結(jié)束語

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈效能評(píng)估指標(biāo)體系中定性定量指標(biāo)共存，利用云理論將不同類型指標(biāo)都用云模型表示，再根據(jù)云重心的變化來進(jìn)行評(píng)估，可操作性強(qiáng)。在對(duì)綜合云重心向量進(jìn)行歸一化時(shí)，考慮效益型指標(biāo)和成本型指標(biāo)的區(qū)別，對(duì)歸一化公式進(jìn)行修正，克服了傳統(tǒng)方法的局限性，提高了評(píng)估的科學(xué)性、客觀性。評(píng)估結(jié)果以語言值輸出，具有一定的直觀性。

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Effectiveness Evaluation of Tactical Data Link Based on Cloud Theory

CHEN Bin，YIN Ya-lan，WAN Fu

(Navy Command College,Nanjing 21180,China)

Abstract:The index system of tactical data link includes not only the quantitative index which can be measured practically,but also some qualitative indexes which can't be quantified.For these characteristics,this paper puts forward the method to use the cloud theory to solve the problem of effectiveness evaluation,establish the index system of evaluation,and uses cloud model to represent each index,studies the method of cloud theory evaluation.In the course calculating the weighted deviation degree of cloud center of gravity,there may be some indexes contrary to the practical meanings in the contribution to deviation degree,so the normalization formula of cloud center of gravity need to be modified.Finally,the practical example calculation proves that the modified evaluation method has better credibility.

Key words:tactical data link;effectiveness evaluation;cloud theory;cloud center of gravity;weighted deviation degree

收稿日期:2015-05-27

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.05.014

中圖分類號(hào)：TN914

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2015)05-0063-05