復雜航空通信網(wǎng)絡用頻需求分析方法*

徐雪飛，李建華，郭蓉，沈迪

(空軍工程大學 信息與導航學院，陜西 西安　710077)

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指揮控制與通信

復雜航空通信網(wǎng)絡用頻需求分析方法*

徐雪飛，李建華，郭蓉，沈迪

(空軍工程大學 信息與導航學院，陜西 西安710077)

摘要：針對傳統(tǒng)航空通信用頻需求分析方法偏主觀、考察因素單一的問題。根據(jù)復雜航空通信網(wǎng)絡用頻理論技術和特點要求，提出了一種基于AD/QFD的復雜航空通信網(wǎng)絡用頻需求分析模型；以用戶滿意度為測度對復雜航空通信網(wǎng)絡用頻需求進行分析，運用AD/QFD理論對用頻任務需求向能力需求進行映射變換和層級分解；最后，通過算例對用頻需求分析模型進行了實驗驗證，得出有效的需求分析結論，為復雜航空通信網(wǎng)絡頻譜管控提供需求保證。

關鍵詞：復雜航空通信網(wǎng)絡；用頻需求分析；AD/QFD；滿意度；映射變換；層級分解

0引言

體系作戰(zhàn)是以信息系統(tǒng)為支撐的聯(lián)合作戰(zhàn)高級階段，是未來信息化戰(zhàn)爭的基本作戰(zhàn)形式。在體系作戰(zhàn)中，航空作戰(zhàn)活動形式多樣，作戰(zhàn)力量構成復雜多元，作戰(zhàn)力量之間的用頻關系復雜多變。因此，開展航空通信用頻需求研究，全面地進行航空通信用頻需求獲取，科學地構建航空通信用頻需求分析模型，系統(tǒng)地歸納總結出航空通信用頻需求結論，對于體系作戰(zhàn)條件復雜航空通信網(wǎng)絡用頻具有極強的現(xiàn)實指導意義。

需求分析是系統(tǒng)生命周期的第1個階段，是研究系統(tǒng)中復雜關系和要素的關鍵?，F(xiàn)階段，基于公理化設計和質量功能展開[1-4](axiomatic design/quality function deployment, AD/QFD)的需求分析方法被運用到需求分析中。其中，文獻[5]將AD理論引入可在軌組裝飛行器的總體設計，給出了一種基于功能需求的結構化設計方法；文獻[6]建立了基于AD的產(chǎn)品需求分析過程模型，并運用QFD將用戶需求到功能要求的映射具體化；文獻[7]以QFD中HOQ矩陣為綱領，提出一種軟件需求定量分析和實現(xiàn)方法；文獻[8]提出顧客柔性需求的概念以及QFD決策模型，并基于QFD決策模型分別提出兩種目標規(guī)劃的求解方法；文獻[9]提出一種基于AD和TRIZ的保障裝備體系需求分析方法，并對渡海登島戰(zhàn)役進行了實例分析；文獻[10]針對艦艇裝備需求分析中裝備需求問題，提出了一種基于QFD和作戰(zhàn)仿真的定性與定量相結合的艦般裝備需求分析方法和步驟，對艦艇裝備作戰(zhàn)使用性能重要度進行排序；文獻[11]提出一種面向任務需求的導彈測試性指標確定方法，并提出導彈各任務剖面各個階段的測試需求子模型，最后通過實例驗證得到可信的導彈測試性指標；文獻[12]研究了作戰(zhàn)信息需求的概念，需求分析流程及描述方法，提出了作戰(zhàn)信息需求的概念模型、邏輯模型和過程模模型，為作戰(zhàn)信息需求研究奠定基礎?；诖?，本文結合體系作戰(zhàn)基本要求，運用AD/QFD理論對復雜航空通信網(wǎng)絡用頻需求展開分析研究，通過建立基于AD/QFD需求分析模型，從更加科學系統(tǒng)的角度對復雜航空通信網(wǎng)絡用頻需求進行分析論證，為未來體系作戰(zhàn)條件下航空通信頻譜管控提供保證。

1AD/QFD理論和建模方法

1.1AD/QFD理論基礎

AD將需求設計分為4個域，即用戶域(customer attributes, CAs)，功能域(functional requirements, FRs)，物理域(design parameters, DPs)，工序域(process variables, PVs)。相對應的，QFD將需求設計分為4個方面，即任務(tasks)，能力(capabilities)，指標(indexes)，裝備(equipments)?；贏D/QFD結合理論，主要原理是以AD理論為論證主線，根據(jù)用戶需求之間的映射關系構建需求分析矩陣。使需求論證過程一方面按照QFD的要求進行需求映射，另一方面又將需求有關信息反饋給QFD，應用QFD進行新的需求映射，從而不斷改進需求方案，最終到達需求方案的最優(yōu)化。AD/QFD映射關系如圖1所示。

圖1　AD/QFD映射關系Fig.1　Mapping relationship of AD/QF

1.2AD/QFD需求模型構建方法

構建基于AD/QFD需求模型主要完成3方面內(nèi)容：

一是需求信息的獲取。通過有效的需求獲取方法，將需求信息進行系統(tǒng)采集，并通過需求能力縫隙的方式進行表達，形成結構化的需求描述框架；

二是從任務需求到能力需求的映射。完成需求獲取之后，根據(jù)需求能力縫隙，以AD理論為需求主線，以QFD為具體方法對需求映射關系進行變換，并以需求分析矩陣形式對其進行表示，最后通過相關矩陣分析方法進行分析，形成需求分析結論；

三是需求分析結論的驗證。完成需求分析形成結論之后，運用一定的評估方法對結論進行評估，反饋和完善需求分析模型。

具體AD/QFD需求分析流程如圖2所示。

圖2　AD/QFD需求分析基本流程Fig.2　Basic flow of AD/QFD demand analysis

1.3AD/QFD需求映射設計公理

在運用AD/QFD對需求進行映射分解的過程中，需要通過設計公理[13]對需求映射分解進行優(yōu)劣評判。

公理1獨立性公理

獨立性公理是指保持功能的獨立性，即在功能域中每一層分解得到的功能需求集合中的元素要相互獨立；同樣的，在任務需求域中每一層進行層級分解所得到的任務需求子集也滿足相互獨立的關系，可以表示為

FR=A·DP,

(1)

式中：FR=(FR1,FR2,…,FRn)T，DP=(DP1,DP2,…,DPn)T，A為設計矩陣，當A為對角矩陣或者三角矩陣時，層級分解滿足獨立性公理。

公理2信息公理

信息公理是指滿足獨立性公理的條件下，信息量最小的設計是最優(yōu)設計。滿足需求的設計方案有多種，信息公理為指揮決策提供了定量的計算和度量方法，可以表示為

Ii=lb 1/Pi,

(2)

式中：Ii為信息量；Pi為滿足功能需求的概率密度函數(shù)。

2復雜航空通信網(wǎng)絡用頻需求模型構建

2.1域的定義

基于AD/QFD將復雜航空通信網(wǎng)絡用頻需求從4個方面進行定義：

定義1：用頻任務域(frequency tasks， FTs)是指由用頻任務概念空間映射出的用頻任務需求組成的集合。設用頻任務總共有T0種，按照用頻任務顆粒度可分為個S0層次，則用頻任務集合記為

(3)

式中：β為用頻任務顆粒度值。

定義2：用頻能力域(frequency capabilities， FCs)是指滿足用頻任務需求集合的用頻能力需求集合，包括實效性、抗干擾性、保密性等指標。設用頻能力總共有C0種，按照用頻能力顆粒度可分為個D0層次，則用頻任務集合記為

(4)

式中：γ為用頻能力顆粒度值。

定義3：用頻指標域(frequency indexes， FIs)是指滿足用頻能力需求集合的用頻各項戰(zhàn)技指標的集合。設用頻指標總共有I0種，按照用頻使命從頂層至底層顆粒度可分為個K0個層次，則用頻使命集合記為

(5)

式中：α為用頻使命從頂層至底層顆粒度值。

定義4：用頻裝備域(frequency equipments， FEs)是指滿足用頻能力需求，設計和運用的裝備，包括各類通信裝備、頻管裝備等以及由這些裝備組成的網(wǎng)絡和系統(tǒng)。設用頻裝備總共有E0種，按照用頻裝備顆粒度可分為個F0層次，則用頻裝備集合記為

(6)

式中：θ為用頻裝備顆粒度值。

2.2域的映射變換

假設已經(jīng)完成航空通信用頻需求獲取，根據(jù)航空通信用頻涉及的關鍵理論和技術環(huán)節(jié)[14-15]，將FTs從體系化頻譜管理理論角度進行層級分解，將FCs從體系化頻譜管理技術角度進行層級分解，F(xiàn)Ts與FCs之間通過映射關系進行關聯(lián)，如圖3所示。具體的，F(xiàn)Ts與FCs的層級分解如圖4所示。

2.3映射變換數(shù)學表達

FTs向FCs的映射變換從內(nèi)涵角度可以解釋為能力需求RC對任務需求RT的滿意程度，即

(7)

將S進一步分解為每一項能力需求rci對任務需求rti滿意度之和，即

圖3　FTs向FCs映射變換示意圖Fig.3　Transform and map from FTs to FCs

圖4　FTs與FCs的層級分解Fig.4　Hierarchical decomposition of FTs and FCs

(8)

式中：W為任務需求RT的權重向量。

在基于AD/QFD的需求模型中，某個任務需求rti又可以看作是每項能力特征值Ii對其滿足的結果，故rti可以進一步表示為

(9)

式中：Ii為能力特征值；rij為任務需求與能力需求的相關系數(shù)。因為rij表示的是任務需求RT與能力特征值Ii之間的相關程度，故rij可以表示為

(10)

式中：aij為未考慮能力自相關的相關系數(shù)；pjk為能力的自相關系數(shù)。故rij可以進一步表示為

R=A·PT=AP.

(11)

綜合式(5)～(9)可得

(12)

將式(12)化簡可得

S=WTRI,

(13)

(14)

3算例驗證

假定用頻任務T0={T1,T2,T3,T4}，用頻能力C0={C1,C2,C3}，依據(jù)現(xiàn)階段體系作戰(zhàn)條件下復雜航空通信網(wǎng)絡用頻現(xiàn)狀和規(guī)律，用頻任務重要度排序為T3>T4>T2>T1，利用AHP方法表示出用頻任務需求的重要度判斷矩陣，對重要度判斷矩陣進行求解，得出任務需求權重向量為

依據(jù)航空通信用頻任務需求和能力需求之間的滿足程度，通過專家系統(tǒng)確定各種任務和能力之間需求的強弱關系，建立用頻任務與能力需求關系矩陣，如表1所示。其中，對矩陣中符號△，○，◎，●分別賦值1，3，6，9，表示任務需求與能力需求之間的遞增強弱關系。

表1　用頻任務需求與能力需求關系矩陣

從用頻任務需求與能力需求關系矩陣中可以得出用頻任務需求與能力需求之間的相關矩陣R為

同理可得用頻指標自相關矩陣A為

由修正關系可得用頻任務需求與能力需求之間的修正相關矩陣R′=AR，故可得R′為

最后，由式(13)、式(14)可計算出滿意度S為

按照數(shù)值大小對滿意度S進行排序S3>S1>S2。顯然，用頻能力C3對于用頻任務的滿意度最高，用頻能力C1對于用頻任務的滿意度次之，用頻能力C2對于用頻任務的滿意度最低。所以在本算例條件下，要對用頻能力C2進行優(yōu)先提升，通過提升頻率分配指配相關技術，達到全面提升用頻任務滿意度的結果。這進一步從現(xiàn)實角度對復雜航空通信網(wǎng)絡用頻需求進行了啟示，即在技術和資源有限的條件下，提升復雜航空通信網(wǎng)絡用頻能力存在明顯層級優(yōu)先級別，要優(yōu)先提升薄弱環(huán)節(jié)，才能提升航空通信用頻任務的滿意度。

4結束語

本文對體系作戰(zhàn)條件下的復雜航空通信網(wǎng)絡用頻需求進行研究。構建了基于AD/QFD的復雜航空通信網(wǎng)絡用頻需求分析模型，將復雜航空通信網(wǎng)絡用頻任務需求進行層級映射和分解，運用滿意度對任務需求和能力需求之間的關系進行度量，并對其進行數(shù)學描述和表達，形成了定量的需求分析方法，有效地支撐了軍事需求分析的發(fā)展。但是，本文提出的基于AD/QFD的復雜航空通信網(wǎng)絡用頻需求分析模型受到實際作戰(zhàn)條件下不確定因素的影響，對于相關任務和能力的界定范圍還不夠客觀全面。下一步應著力對模型進行優(yōu)化完善，提升模型的普適性。

參考文獻：

[1]Suh NP. The Principles of Design[M]. New York: Oxford University press, 1990.

[2]AKAO Y. Introduction to Quality Deployment[M]. Tokyo: JUST Publishing Company, 1991.

[3]張兵志, 郭齊勝. 陸軍武器裝備需求論證理論與方法[M].北京：國防工業(yè)出版社, 2012.

ZHANG Bin-zhi, GUO Qi-sheng. Theory and Method of Requirement Demonstration for Army Weapon Equipment[M].Beijing: National Defense Industry Press, 2012.

[4]熊偉. 質量功能展開-理論與方法[M].北京： 科學出版社, 2012.

XIONG Wei. Quality Function Deployment-Theory and Methodology[M].Beijing: Science Press, 2012.

[5]崔曉陽, 蔡遠文, 史建偉. 公理化設計在可在軌組裝飛行器總體設計中的應用[J]. 兵工自動化, 2011, 30(5):49-52.

CUI Xiao-yang, CAI Yuan-wen, SHI Jian-wei. Application of Axiomatization Design in General Design for On-Orbit Assembled Spacecraft[J]. Ordnance Industry Automation, 2011, 30(5):49-52.

[6]朱龍英, 朱如鵬, 劉正塤. 基于公理化設計的產(chǎn)品需求分析研究[J]. 機床與液壓, 2004, 1(8): 94-96.

ZHU Long-ying, ZHU Ru-peng, LIU Zheng-xun. Research on Product Demand Analysis Based on the Axiomatic Design[J]. Machine Tool and Hydraulics, 2004, 1(8): 94-96.

[7]熊偉, 新藤久和, 渡邊喜道. 軟件需求定量分析及其映射的模糊層次分析法[J]. 軟件學報, 2005,16(3): 427-433.

XIONG Wei, Hisakazu SHINDA, Yoshimichi WATANABE. A Quantification Approach to Software Requirements Analysis and Its Fuzzy Analytic Hierarchy Process Mapping[J]. Journal of Software, 2005,16(3): 427-433.

[8]徐杰軍. 基于柔性需求的工程設計QFD決策模型[J]. 系統(tǒng)工程, 2009, 27(7):96-100.

XU Jie-jun. QFD Decision-Making Models for Engineering Design Based on Flexible Needs[J]. Systems Engineering, 2009, 27(7):96-100.

[9]馬洪文, 隋博, 高艷章, 等. 基于公理設計和創(chuàng)新問題解決理論的保障裝備體系需求分析方法[J]. 兵工自動化, 2011, 30(2):1-3.

MA Hong-wen, SUI Bo, GAO Yan-zhang, et al. Method of Requirements Analysis of Support Equipment System Based on AD and TRIZ[J]. Ordnance Industry Automation, 2011, 30(2):1-3.

[10]許永平, 石福麗, 楊峰, 等. 基于QFD與作戰(zhàn)仿真的艦艇裝備需求分析方法[J]. 系統(tǒng)工程理論與實踐, 2010, 30(1):167-172.

XU Yong-ping, SHI Fu-li, YANG Feng, et al. Requirement Analysis Method in Naval Battleships Design Based on QFD and Operational Simulation Techniques[J]. Systems Engineering Theory and Practice, 2010, 30(1):167-172.

[11]蘇永定, 邱靜, 楊鵬. 面向任務的導彈測試性需求分析與指標確定[J]. 國防科技大學學報, 2011, 33(2):125-129.

SU Yong-ding, QIU Jing, YANG Peng. Missile Testability Requirement Analysis and Index Determination Oriented to Mission[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2011, 33(2):125-129.

[12]秦振, 張維明, 鄧蘇, 等. 作戰(zhàn)信息需求模型[J]. 火力與指揮控制, 2011, 36(9):207-209.

QIN Zhen, ZHANG Wei-ming, DENG Su, et al. Research on Model of Operational Information Requirement[J]. Fire Control and Command Control, 2011, 36(9):207-209.

[13]朱龍英. 公理化設計理論及其應用研究[D].南京：南京航空航天大學, 2004.

ZHU Long-ying. Research on Axiomatic Design Theory and Its Application[D].Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2004.

[14]沈樹章.軍事電磁頻譜管理學[M].北京:解放軍出版社,2010.

SHEN Shu-zhang. Military Spectrum Management[M].Beijing: PLA Press, 2010.

[15]翁木云, 張其星, 謝紹斌, 等. 頻譜管理與監(jiān)測[M].北京： 電子工業(yè)出版社, 2009.

WENG Mu-yun, ZHANG Qi-xing, XIE Shao-bin, et al. Spectrum Management and Monitoring[M].Beijing: Electronics Industry Press, 2009.

Analysis Method of Complex Aeronautical Communication Network Frequency Demand

XU Xue-fei, LI Jian-hua, GUO Rong, SHEN Di

(AFEU,Information and Navigation College,Shaanxi Xi’an 710077, China)

Abstract:Aiming at the problem that traditional aeronautical communication frequency demand analysis tends to be subjective and have a single factor study, a complex aeronautical communication network frequency demand analysis model based on AD/QFD is given according to the theoretical technology and characteristics of the complex aeronautical communication network frequency demand. The complex aeronautical communication network frequency demand is analyzed by using the measurement of customer satisfaction. According to the AD/QFD theory, the frequency task requirement is transformed and mapped to the capacity requirement and a hierarchical decomposition is given. Lastly, frequency demand analysis model is experimental confirmed via an example. Efficient demand conclusions confirming the frequency control in complex aeronautical communication network are obtained.

Key words:complex aeronautical communication network; frequency demand analysis; axiomatic design/quality function deployment(AD/QFD); satisfaction; transformed and mapped; hierarchical decomposition

*收稿日期：2014-11-21；修回日期：2015-04-30

基金項目：國家社科基金資助項目(12GJ003-130)

作者簡介：徐雪飛(1986-)，男，陜西西安人。博士生，主要研究方向為頻譜管理控制與規(guī)劃運用。

通信地址：710077西安豐鎬路1號空軍工程大學信息與導航學院E-mail：xxf19861128@sina.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.02.017

中圖分類號：E96

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2016)-02-0103-06