基于TOPSIS算法的防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)效能評(píng)估

陳汗龍，吳曉朝，趙明洋，聶文文

（中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心，河南　洛陽(yáng)　471003）

基于TOPSIS算法的防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)效能評(píng)估

陳汗龍，吳曉朝，趙明洋，聶文文

（中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心，河南洛陽(yáng)471003）

簡(jiǎn)要分析了防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要任務(wù)，建立了防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的效能評(píng)估指標(biāo)體系。提出了利用TOPSIS算法進(jìn)行防空通信網(wǎng)絡(luò)效能評(píng)估的方法，可根據(jù)影響通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)效能的指標(biāo)及權(quán)重，對(duì)不同組網(wǎng)方式下的防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)效能進(jìn)行評(píng)估。示例表明，利用TOPSIS算法可對(duì)防空通信網(wǎng)絡(luò)效能進(jìn)行評(píng)估排序，能夠?yàn)橹笓]員的決策規(guī)劃提供參考。

效能評(píng)估，防空通信網(wǎng)絡(luò)，TOPSIS算法，評(píng)估指標(biāo)

0　引言

防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是防空指揮系統(tǒng)的神經(jīng)與核心，是確保信息上傳下達(dá)、指揮順暢、指揮自動(dòng)化的基礎(chǔ)，要求能利用多種手段，構(gòu)建無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)、有線(xiàn)局域網(wǎng)等多種介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)，能迅速、準(zhǔn)確、保密和不間斷地將分散于不同空域、不同地域的人員裝備串聯(lián)起來(lái)［1］，為指揮員提供包括圖像、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等信息的高速傳輸通道。

對(duì)防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的有效評(píng)估可為指揮員提供更科學(xué)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)支撐、更合理可靠的決策參考。通常，防空指控通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式較多，且日漸成熟穩(wěn)定，目前，對(duì)通信系統(tǒng)的效能評(píng)估相關(guān)研究主要有ADC效能模型、基于層次分析法與模糊聚類(lèi)分析法、基于SEA評(píng)估等方法［1-2］，但上述方法要求數(shù)據(jù)基數(shù)多、信息量大、計(jì)算復(fù)雜且對(duì)防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，特別是不同組網(wǎng)方式下的防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)效能評(píng)估研究較少，組網(wǎng)發(fā)起人往往不能及時(shí)掌握備選通信方案的優(yōu)劣，難以做出最優(yōu)的決策。本文針對(duì)上述問(wèn)題，建立了防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的效能評(píng)估指標(biāo)集，定義了各指標(biāo)含義，提出了基于TOPSIS算法的防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)效能評(píng)估方法，能夠?qū)Σ煌M網(wǎng)方式下的防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)效能進(jìn)行分析和計(jì)算，對(duì)備選方案的優(yōu)劣進(jìn)行排序。

1　防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)效能分析

1.1防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本任務(wù)

根據(jù)防空指控系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)特點(diǎn)，要求防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具備高效、可靠的指揮通信能力：能夠保障指揮、協(xié)同動(dòng)作、情報(bào)、武器系統(tǒng)控制和日常管理等信息的準(zhǔn)確傳遞。主要區(qū)分為指揮通信、報(bào)告通信、協(xié)同通信、技術(shù)保障通信和后方通信，并具有接入戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)鏈的能力，具備數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的互相轉(zhuǎn)換功能?？筛鶕?jù)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性及通信網(wǎng)絡(luò)狀況，采用相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)和策略完成信息的按需傳輸，并按照不同的使用要求，靈活配置不同的通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建專(zhuān)網(wǎng)和通網(wǎng)并存、有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)混合組網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)指揮節(jié)點(diǎn)間的互聯(lián)互通，為不同環(huán)境下指揮信息的傳遞提供合理的通信手段。

1.2防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的效能指標(biāo)定義

效能是指在規(guī)定的條件下，使用一種產(chǎn)品或一種系統(tǒng)完成一組特定任務(wù)時(shí)所能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的程度。在軍事領(lǐng)域，效能是用來(lái)衡量某套軍事裝備或某次軍事活動(dòng)具有的能力和價(jià)值。美國(guó)工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢(xún)委員會(huì)（WSEIAC）對(duì)系統(tǒng)效能給出的定義：系統(tǒng)效能是預(yù)期一個(gè)系統(tǒng)滿(mǎn)足一組特定任務(wù)要求的程度量度，是系統(tǒng)可用性、可信性及固有能力的函數(shù)。GJB451對(duì)效能系統(tǒng)的定義是：系統(tǒng)在規(guī)定的條件下滿(mǎn)足給定定量特征和服務(wù)要求的能力，它是系統(tǒng)可用性、可信性及固有能力的綜合反映［3］。

在實(shí)際防空軍事活動(dòng)中，戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)變化快，陣地轉(zhuǎn)移頻繁，大部分武器裝備處于機(jī)動(dòng)狀態(tài)下，對(duì)指控通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)效能提出了很高的要求，影響其效能的因素也很多。根據(jù)系統(tǒng)效能的定義，對(duì)防空通信網(wǎng)絡(luò)的功能與結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行分析，按照可用性、可靠性與固有能力［4-5］3個(gè)方面，將它分為組網(wǎng)能力、空情通播能力、可靠性和數(shù)傳能力4類(lèi)。其中，組網(wǎng)能力和空情處理能力體現(xiàn)的是可用性；可靠性體現(xiàn)的是可信性；數(shù)傳能力體現(xiàn)的是固有能力，如圖1。

①組網(wǎng)能力；包含組網(wǎng)時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)容量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。平均組網(wǎng)時(shí)間（R1）：若構(gòu)建完成一次該組網(wǎng)方式，消耗的時(shí)間為ti（單位：min），則R1=（t1+t2…+tn）/n，（n次試驗(yàn)取平均值，n≥10）；網(wǎng)絡(luò)容量（R2）：通信網(wǎng)絡(luò)所能支持的最大用戶(hù)數(shù)；網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍（R3）：結(jié)合有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)方式組成的防空通信指揮網(wǎng)絡(luò)，在該組網(wǎng)條件下能達(dá)到的最大通信距離，R3=max（di），di為第i次通信距離（單位：km，i≥5）。

圖1　防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)效能指標(biāo)集

②空情處理能力；包含空情通播能力，信息融合正確率。空情通播能力（M1）：該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通播空情的最大通播能力，M1=nmax（單位：批/s）；信息融合正確率（M2）：對(duì)所屬防空情報(bào)雷達(dá)空情信息進(jìn)行融合，得到準(zhǔn)確空情信息所占的比例。

③可靠性；包含通信系統(tǒng)穩(wěn)定性、抗干擾能力和安全性3個(gè)方面。通信系統(tǒng)穩(wěn)定性（S1）：在連續(xù)工作狀態(tài)下，該通信方式無(wú)故障的時(shí)間（tk）/總時(shí)間（T）×100%，通常以連續(xù)工作時(shí)間（T=72 h）為單位進(jìn)行測(cè)試；抗干擾性（S2）：是通信網(wǎng)絡(luò)抵抗敵方利用電磁進(jìn)行干擾及非敵方干擾的能力，體現(xiàn)系統(tǒng)在通信電子戰(zhàn)中的生存能力；安全性（S3）：是指戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的防入侵能力、保密能力、真實(shí)性和恢復(fù)能力。其中，抗干擾性和安全性指標(biāo)由相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家對(duì)其包含的指標(biāo)進(jìn)行量化，運(yùn)用指標(biāo)評(píng)分法（10分為滿(mǎn)分）進(jìn)行打分。

④數(shù)傳能力；主要包含通信誤幀率、傳輸時(shí)延、話(huà)音質(zhì)量。數(shù)據(jù)通信誤幀率（P1）；是單位時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間收發(fā)數(shù)據(jù)包成功的比率，是節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)傳輸能力的體現(xiàn)，P1=（fs-fr）/fs×100%，fs為發(fā)送報(bào)文總幀數(shù)，fr為成功接收總幀數(shù)（fr取試驗(yàn)中最小值）；傳輸時(shí)延（P2）：是信息數(shù)據(jù)從發(fā)送方發(fā)出到接收方接收到的時(shí)間延時(shí)，綜合體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的接入時(shí)延、路由時(shí)延及信息處理時(shí)延；話(huà)音質(zhì)量（P3）：由一組固定的試驗(yàn)人員進(jìn)行話(huà)音通話(huà)，單次隨機(jī)播報(bào)一組字符報(bào)文，以50個(gè)字符報(bào)文為單位，計(jì)算其接收?qǐng)?bào)文的正確率，則P3=h/50×100%，（h接收方收到報(bào)文的正確數(shù)值）。

2　TOPSIS算法

2.1基本原理

TOPSIS（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution：逼近理想解排序法）法是系統(tǒng)工程中有限方案多目標(biāo)決策分析的一種常用方法。方法的基本思路是：定義影響問(wèn)題決策的評(píng)價(jià)屬性（指標(biāo)），分析并確定每項(xiàng)屬性的權(quán)重（所有權(quán)重和為1），通過(guò)公式計(jì)算，在決策矩陣中找出該方案的正理想解和負(fù)理想解，然后在可行方案中找到一個(gè)方案，使其距正理想解的距離最近，而距負(fù)理想解的距離最遠(yuǎn)［2］。

正理想解一般是設(shè)想最好的方案，它所對(duì)應(yīng)的各個(gè)屬性至少達(dá)到各個(gè)方案中的最好值；負(fù)理想解是假定最壞的方案，其對(duì)應(yīng)的各個(gè)屬性至少不優(yōu)于各個(gè)方案中的最劣值。方案排隊(duì)的決策規(guī)則，是把實(shí)際可行解和正理想解與負(fù)理想解作比較，若某個(gè)可行解最靠近正理想解，同時(shí)又最遠(yuǎn)離負(fù)理想解，則此解是方案集的滿(mǎn)意解。

2.2TOPSIS方法過(guò)程

假設(shè)一多屬性決策問(wèn)題有m個(gè)備選方案A1，A2，…，Am，同時(shí)有n個(gè)決策屬性（指標(biāo)）R1，R2，…，Rn，其評(píng)價(jià)值構(gòu)成決策矩陣，如表1。

表1　評(píng)價(jià)決策矩陣

Step1：計(jì)算決策矩陣規(guī)范值。

Step2：計(jì)算加權(quán)規(guī)范決策矩陣。

其加權(quán)值為：

Step3：確定正理想解和負(fù)理想解。

Step4：計(jì)算某個(gè)方案與正理想解和負(fù)理想解的分離度。

Step5：計(jì)算備選方案與正理想解的相對(duì)接近度。

在諸多的多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)排序方法中，TOPSIS算法對(duì)原始數(shù)據(jù)的信息利用最為充分，其結(jié)果能精確地反映各評(píng)價(jià)方案之間的差距，且該算法對(duì)數(shù)據(jù)分布、樣本含量及指標(biāo)多少?zèng)]有嚴(yán)格的限制，數(shù)據(jù)計(jì)算亦簡(jiǎn)單易行。不僅適合小樣本資料，也適用于多評(píng)價(jià)對(duì)象、多指標(biāo)的大樣本資料。利用TOPSIS算法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可得出良好的可比性評(píng)價(jià)排序結(jié)果。

3　TOPSIS算法在防空通信網(wǎng)絡(luò)效能評(píng)估中的應(yīng)用

3.1評(píng)價(jià)體系的確立

假定：某防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可根據(jù)實(shí)際需要，建立分層式多結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)指揮系統(tǒng)，具備接收上級(jí)和友鄰單元的情報(bào)信息，接收本級(jí)、下級(jí)綜合信息的能力，可根據(jù)所處環(huán)境和節(jié)點(diǎn)數(shù)量，靈活配置組網(wǎng)拓?fù)?。主要列舉其中3種不同組網(wǎng)方式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行效能評(píng)估，3種組網(wǎng)方案的基本屬性如表2。首先通過(guò)對(duì)3種實(shí)例中不同組網(wǎng)方案的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的效能指標(biāo)集（依次為：組網(wǎng)時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)容量、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、空情通播能力、信息融合正確率、穩(wěn)定性、抗干擾性、安全性、通信誤幀率、傳輸時(shí)延和話(huà)音質(zhì)量，共11項(xiàng)）進(jìn)行試驗(yàn)記錄及測(cè)算，可得出每項(xiàng)效能指標(biāo)量化后的具體數(shù)值（即各方案對(duì)應(yīng)決策屬性值）；然后對(duì)每項(xiàng)效能指標(biāo)的重要性（即指標(biāo)權(quán)重）運(yùn)用層次分析法（AHP法），請(qǐng)有關(guān)專(zhuān)家對(duì)每一項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行客觀(guān)的判斷，得到各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的重要程度（即相對(duì)重要程度）的N×11判斷矩陣，再用冪法求出它的判斷矩陣的最大特征向量，將該特征向量規(guī)范化，得到符合規(guī)定的重要程度的權(quán)重向量系數(shù)［5］，通過(guò)計(jì)算，得出所對(duì)應(yīng)的11項(xiàng)效能指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)（W）為：W=｛0.082，0.089，0.096，0.095，0.108，0.102，0.088，0.085，0.095，0.084，0.076｝，由上述兩步，得出該防空通信網(wǎng)絡(luò)效能評(píng)估的決策矩陣如下頁(yè)表3所示。

表2　某防空通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案

3.2利用TOPSIS算法對(duì)決策矩陣進(jìn)行評(píng)估計(jì)算

由表1，得其決策矩陣：

表3　防空通信網(wǎng)絡(luò)效能評(píng)估的決策矩陣

Step1：規(guī)范化決策矩陣，利用式（1）進(jìn)行歸一化處理：

例如，計(jì)算A1的通信組網(wǎng)時(shí)間歸一化值，由公式得：

Step2：計(jì)算出加權(quán)規(guī)范決策矩陣，利用式（2）進(jìn)行計(jì)算。

Step3：由式（3）、式（4）得到正、負(fù)理想解。

正理想解：

負(fù)理想解：

Step5：按式（7）計(jì)算各組網(wǎng)方式與正理想解的相對(duì)接近度。

根據(jù)相對(duì)接近度，對(duì)實(shí)例中不同組網(wǎng)方式下的防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)依次進(jìn)行排序：A3＞A1＞A2，由結(jié)果可知，通過(guò)利用TOPSIS算法對(duì)防空通信網(wǎng)絡(luò)效能評(píng)估，備選方案3（A3）構(gòu)建的防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為最優(yōu)，組網(wǎng)發(fā)起人可參考上述排序結(jié)果，決策組網(wǎng)方案。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，還可把系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性對(duì)通信系統(tǒng)的影響、裝備生存性和系統(tǒng)維護(hù)成本等因素，納入到系統(tǒng)效能評(píng)估的評(píng)價(jià)指標(biāo)中。

4　結(jié)論

防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)效能的分析和評(píng)估對(duì)通信方案的快速規(guī)劃、決策和選擇有重要參考價(jià)值。TOPSIS算法綜合性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)，能提供給決策者全面、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)對(duì)于防空通信網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)設(shè)計(jì)與部署、提高網(wǎng)絡(luò)性能也有重要的意義。可在此基礎(chǔ)上，同ADC方法、SEA方法和模糊綜合評(píng)價(jià)等方法互相補(bǔ)充，形成一整套規(guī)范、完善的防空通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的效能評(píng)估方法。

［1］彭祥東.某部防空作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.重慶：重慶大學(xué)，2011：12-18.

［2］郭齊勝，郅志剛，楊瑞平.裝備效能評(píng)估概論［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

［3］盧紫毅，范建華.基于層次分析法的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)效能評(píng)估［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（1）：57-60.

［4］柏曉莉，羅雪山，柏曉輝，等.C4ISR系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)效能評(píng)估指標(biāo)體系研究［J］.軍事運(yùn)籌與系統(tǒng)工程，2006，20（1）：71-75.

［5］李健，王昆.C4ISR通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)綜合效能評(píng)估的灰色層次模型［J］.艦船電子對(duì)抗，2009，32（5）：81-84.

［6］劉俊娟.交通規(guī)劃中基于TOPSIS和隸屬函數(shù)的灰數(shù)決策模型［C］//2007第三屆中國(guó)智能交通年會(huì)論文集.南京：東南大學(xué)出版社，2007：702-707.

TOPSIS-based Effectiveness Evaluation of Air Defense Communication Network System

CHEN Han-long，WU Xiao-chao，ZHAO Ming-yang，NIE Wen-wen
（Luoyang Electronic Equipment Test Center，Luoyang 471003，China）

The paper outlines the main operational tasks of air defense communication network systems，and establishes the effectiveness evaluation index system of air defense communication network system.A TOPSIS-based method is put forward to evaluate the effectiveness of air defense communication network systems which have different networking configurations，considering the impacting indexs and their weights.The case study demonstrated the proposed method can be used to evaluate different network configurations and support the decision-making.

effectiveness evaluation，airdefense communicationnetwork，TOPSISarithmetic，evaluation index

TP393；TJ85

A

1002-0640（2016）07-0140-04

2015-06-10

2015-07-12< class="content">作者簡(jiǎn)介：陳漢龍（1988-），男，重慶人，本科，助理工程師。研究方向：仿真指控系統(tǒng)，裝備試驗(yàn)。

陳漢龍（1988-），男，重慶人，本科，助理工程師。研究方向：仿真指控系統(tǒng)，裝備試驗(yàn)。