艦艇編隊(duì)融合通信網(wǎng)效能評(píng)估方法研究*

趙玉鵬 吳學(xué)智

(1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)(2.91336部隊(duì) 秦皇島 066326)

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艦艇編隊(duì)融合通信網(wǎng)效能評(píng)估方法研究*

趙玉鵬1，2吳學(xué)智1

(1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)(2.91336部隊(duì) 秦皇島 066326)

為更好地了解和發(fā)揮艦艇編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)效能，通過(guò)對(duì)融合通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵要素分析，提出了運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)層次分析法思想建立效能評(píng)估指標(biāo)體系，綜合指標(biāo)因素相對(duì)權(quán)重和分組賦權(quán)專家評(píng)分進(jìn)行效能評(píng)估的方法。其中相對(duì)指標(biāo)權(quán)重和效能評(píng)估數(shù)據(jù)對(duì)艦艇編隊(duì)通信網(wǎng)融合發(fā)展和綜合評(píng)價(jià)具有支持和指導(dǎo)意義。

融合； 通信網(wǎng)； 效能評(píng)估

Class Number TP391.9

1 引言

隨著美軍“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”思想的不斷發(fā)展，該思想指導(dǎo)下的軍事設(shè)施逐步投入并發(fā)揮作用[1]，通過(guò)最近幾次戰(zhàn)爭(zhēng)和非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事活動(dòng)可以清楚地認(rèn)識(shí)到，未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中作戰(zhàn)效能將越來(lái)越依賴網(wǎng)絡(luò)效能的發(fā)揮。

艦艇編隊(duì)的移動(dòng)性決定了其艦外通信必須由無(wú)線通信網(wǎng)承載。海上艦艇編隊(duì)與岸基指揮所、友鄰編隊(duì)通信一般使用衛(wèi)星通信系統(tǒng)和短波電臺(tái)組網(wǎng)，與編隊(duì)內(nèi)艦艇、飛機(jī)通信則使用超短波電臺(tái)和數(shù)據(jù)鏈[2]。當(dāng)前，不斷加強(qiáng)通信系統(tǒng)“三互”(互連互通互操作)能力是艦艇編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一[3]，短波通信、超短波通信、衛(wèi)星通信融合成一體的信息交換平臺(tái)，將大大提升艦艇編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)能力，彰顯信息化條件下融合網(wǎng)絡(luò)的信息優(yōu)勢(shì)和決策優(yōu)勢(shì)，為打贏現(xiàn)代海戰(zhàn)提供有力支持。我軍艦艇編隊(duì)通信網(wǎng)在融合方面的研究和建設(shè)起步較晚，為更好的了解其能力和不足，服務(wù)和推進(jìn)發(fā)展，對(duì)其效能評(píng)估的研究也刻不容緩[4]。

2 效能評(píng)估

在生產(chǎn)制造活動(dòng)中，通常追求的是獲得的收效，而在圍繞軍事裝備或系統(tǒng)的活動(dòng)中稱之為效能，用以體現(xiàn)其所具有的價(jià)值或完成某些任務(wù)的能力。

對(duì)于效能，目前并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義。美國(guó)海軍定義為：“系統(tǒng)能在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定任務(wù)之程度的指標(biāo)”或“系統(tǒng)在規(guī)定條件下和在規(guī)定時(shí)間內(nèi)滿足作戰(zhàn)需求的概率”；我國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB451-2005《可靠性維修性和保障性術(shù)語(yǔ)》中的定義是：“系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)滿足一組特定任務(wù)要求的程度”[5]。

2.1 評(píng)估對(duì)象

以某艦艇編隊(duì)為例，假設(shè)該編隊(duì)由三艘水面艦艇、兩架艦載直升機(jī)編成。艦艇編隊(duì)通信網(wǎng)的使命任務(wù)是在編隊(duì)執(zhí)行海上作戰(zhàn)任務(wù)期間，為編隊(duì)內(nèi)的水面艦艇、飛機(jī)等作戰(zhàn)平臺(tái)，以及與其他編隊(duì)、岸基指揮所之間提供指揮和通信聯(lián)絡(luò)。并且該艦艇編隊(duì)通信網(wǎng)內(nèi)傳統(tǒng)上的短波通信網(wǎng)、超短波通信網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)等網(wǎng)系已通過(guò)特定多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和互聯(lián)控制設(shè)備[6]等實(shí)現(xiàn)了各層次的融合。網(wǎng)系融合的艦艇編隊(duì)通信網(wǎng)(下文簡(jiǎn)稱編隊(duì)通信網(wǎng))基本結(jié)構(gòu)示意如圖1，其中實(shí)線、虛線、點(diǎn)線分別代表衛(wèi)星、超短波、短波鏈路。

圖1 某編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 評(píng)估要素分析

通信網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估離不開(kāi)網(wǎng)絡(luò)性能的測(cè)量，目的是了解網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的狀態(tài)和性能參數(shù)，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)有效性、可靠性等方面的分析和評(píng)估。同時(shí)，作為艦艇編隊(duì)“神經(jīng)系統(tǒng)”的通信網(wǎng)在戰(zhàn)爭(zhēng)中時(shí)刻面臨著多方面的安全威脅，其生存性、安全保密性也至關(guān)重要。

1) 有效性

編隊(duì)通信網(wǎng)是承載海上艦艇編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)的話音、報(bào)文、數(shù)據(jù)等通信業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，其性能指標(biāo)和運(yùn)行質(zhì)量將直接影響各項(xiàng)業(yè)務(wù)的有效性。同時(shí)，能否有效保障各項(xiàng)業(yè)務(wù)也是檢驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足業(yè)務(wù)需求的表征。所以有效性是評(píng)估編隊(duì)通信網(wǎng)效能基礎(chǔ)性的一環(huán)。

衡量編隊(duì)通信網(wǎng)的有效性，主要考查包括帶寬、時(shí)延、覆蓋范圍和吞吐量在內(nèi)的各指標(biāo)滿足話音、報(bào)文、數(shù)據(jù)等各業(yè)務(wù)需求的情況，反映通信網(wǎng)絡(luò)最基本的業(yè)務(wù)能力。

2) 可靠性

作為海上的移動(dòng)軍事通信網(wǎng)，對(duì)可靠性的高要求自然不可忽視。在現(xiàn)代軍事對(duì)抗中，對(duì)制信息權(quán)的爭(zhēng)奪尤為激烈，在日益復(fù)雜的電磁環(huán)境中，各種偵查、干擾手段不斷發(fā)展進(jìn)步，所以對(duì)通信系統(tǒng)可靠性的要求也日益提高?？煽啃灾笜?biāo)主要包括誤碼率、信噪比、抗干擾能力等指標(biāo)。這里的抗干擾能力包括抵抗人為和非人為電磁干擾的能力。

3) 安全保密性

軍事活動(dòng)永遠(yuǎn)離不開(kāi)的一個(gè)課題就是安全保密，歷史上各國(guó)由信息安全導(dǎo)致嚴(yán)重后果的例子屢見(jiàn)不鮮。在計(jì)算機(jī)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大發(fā)展的當(dāng)代，安全保密面臨的挑戰(zhàn)更加嚴(yán)峻，一旦出現(xiàn)問(wèn)題危害更加嚴(yán)重，影響更加深遠(yuǎn)，所以安全保密必須作為艦艇編隊(duì)通信網(wǎng)效能的關(guān)鍵要素來(lái)考察。

安全保密主要包括通信保密和網(wǎng)絡(luò)安全兩個(gè)方面[7]。由于海上艦艇編隊(duì)通信依靠無(wú)線通信方式，通信信道開(kāi)放，信息易受到如截獲、檢測(cè)等安全威脅，通信保密能力主要體現(xiàn)在信息加密、頻率管控等方面，反映防范信息安全威脅的能力；網(wǎng)絡(luò)安全與網(wǎng)絡(luò)性能息息相關(guān)，一旦網(wǎng)絡(luò)安全受到威脅，其性能將可能急劇惡化甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓。它主要反映的是信息網(wǎng)絡(luò)抵御入侵、病毒代碼等危害的能力，為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息安全提供保障。

4) 生存性

編隊(duì)通信網(wǎng)面臨的威脅既可能來(lái)自電磁空間的對(duì)抗，也可能來(lái)自硬武器打擊，所以生存性包括抗毀性、冗余度、可維性和互聯(lián)互通等方面的指標(biāo)?？箽员碚骶W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在狀態(tài)異常或遭到攻擊等造成失效的情況下，通信網(wǎng)絡(luò)保持基本功能的能力；保持適當(dāng)?shù)娜哂喽瓤梢杂行岣呔庩?duì)通信網(wǎng)絡(luò)的健壯性、穩(wěn)定性，也是平衡網(wǎng)絡(luò)性能與頻帶利用率以及經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要方面；互聯(lián)互通性則表示軍事通信網(wǎng)系之間或與民用網(wǎng)系之間的互聯(lián)互通能力，對(duì)于在對(duì)抗中形成信息優(yōu)勢(shì)具有十分重大的意義。

2.3 評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建

按照完備性、客觀性、定性與定量相結(jié)合等原則，根據(jù)評(píng)估要素分析初步構(gòu)建出艦艇編隊(duì)融合通信網(wǎng)效能評(píng)估指標(biāo)體系，如圖2所示。

3 評(píng)估方法

根據(jù)上文分析，編隊(duì)通信網(wǎng)的效能評(píng)估是考察一個(gè)由眾多指標(biāo)和因素共同構(gòu)成的相互聯(lián)系、相互作用的大系統(tǒng)。每一個(gè)指標(biāo)反映了總體效能的一個(gè)方面，而要考量整體效能就要將這些指標(biāo)綜合起來(lái)考量，由此就要涉及各項(xiàng)指標(biāo)因素的權(quán)重問(wèn)題，即各個(gè)指標(biāo)在評(píng)估體系中的作用、地位以及重要程度。

圖2 艦艇編隊(duì)融合通信網(wǎng)效能評(píng)估指標(biāo)體系

無(wú)論科學(xué)如何發(fā)展、技術(shù)如何進(jìn)步，作為主體的人的因素永遠(yuǎn)都是最關(guān)鍵的因素，而且評(píng)估體系也已包含了帶寬、時(shí)延等客觀定量指標(biāo)，所以這里選擇一種主觀賦權(quán)法來(lái)確定各指標(biāo)因素的權(quán)重。

3.1 網(wǎng)絡(luò)層次分析法

層次分析法(AHP)以其定性與定量相結(jié)合的特點(diǎn)以及系統(tǒng)、靈活、簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)，自提出以來(lái)得到了十分廣泛的應(yīng)用。1996年，美國(guó)匹茲堡大學(xué)T.L.Satty教授基于復(fù)雜系統(tǒng)必須考慮層次內(nèi)部元素的依存和下層元素對(duì)上層元素反饋影響的思考，提出了AHP的延伸版，即網(wǎng)絡(luò)層次分析法(Analytic Network Process，ANP)[8]。這種方法將系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)元素的關(guān)系用類似網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表示，而不再是簡(jiǎn)單的、嚴(yán)格的層次結(jié)構(gòu)，從而能更準(zhǔn)確的描述客觀事物之間的聯(lián)系，是一種更加有效、實(shí)用的評(píng)估決策方法，故綜合考慮ANP法較AHP的方法更適合本次評(píng)估。

3.2 ANP結(jié)構(gòu)與權(quán)重計(jì)算

ANP結(jié)構(gòu)由兩大部分組成，控制因素層和網(wǎng)絡(luò)層?？刂埔蛩貙影▎?wèn)題目標(biāo)和評(píng)估準(zhǔn)則，至少要有一個(gè)目標(biāo)并允許沒(méi)有評(píng)估準(zhǔn)則，存在的評(píng)估準(zhǔn)則要彼此獨(dú)立且只受目標(biāo)元素支配；網(wǎng)絡(luò)層是由受控制層支配的元素組成，這里需要考量各元素之間的相互作用和依存關(guān)系，而不再是簡(jiǎn)單的層次遞進(jìn)關(guān)系，所以這里的層級(jí)結(jié)構(gòu)演變?yōu)槿鐖D3所示的ANP結(jié)構(gòu)模型[9]。

圖3 艦艇編隊(duì)融合通信網(wǎng)效能評(píng)估ANP結(jié)構(gòu)

由于ANP的權(quán)重計(jì)算是包括矩陣、超矩陣等的一系列非常復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，可以采用將ANP計(jì)算程序化的超級(jí)決策(Super Decisions)軟件進(jìn)行評(píng)估計(jì)算[10]。根據(jù)界定好的評(píng)估準(zhǔn)則，按照比例標(biāo)度經(jīng)過(guò)專家的判斷，針對(duì)目標(biāo)將元素集之間和元素之間凡是存在依存和反饋關(guān)系則逐一比較，構(gòu)成兩兩對(duì)比矩陣。依據(jù)上述輸入，軟件可以構(gòu)造超矩陣、加權(quán)超矩陣、極限超矩陣，最終可得到各因素的相對(duì)權(quán)重：

W=(w1,w2,…,wn)T

3.3 指標(biāo)值的處理

指標(biāo)可以分為定性指標(biāo)和定量指標(biāo)兩種，并且常表現(xiàn)出不可公度性和矛盾性的特點(diǎn)，因而各指標(biāo)值不能直接參與綜合計(jì)算。定性指標(biāo)主要通過(guò)專家定性評(píng)判打分的方法獲得，定量指標(biāo)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)、實(shí)際測(cè)量等方法獲得。

定性指標(biāo)采取專家咨詢的方式，利用量化標(biāo)尺量化法，請(qǐng)受咨詢專家根據(jù)自己的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)定性指標(biāo)做出判斷。心理學(xué)家試驗(yàn)表明，普通人對(duì)不同物體進(jìn)行判別時(shí)能夠正確區(qū)別的等級(jí)在5到9級(jí)之間。這里采用9個(gè)量化級(jí)別，把定性評(píng)判語(yǔ)言值通過(guò)一個(gè)量化標(biāo)尺映射為定量值，如表1所示。0和1這樣的極端值在現(xiàn)實(shí)評(píng)判中通常不考慮。

表1 定性指標(biāo)量化標(biāo)尺

另外，若評(píng)估專家來(lái)自不同方面或不同領(lǐng)域，給出的評(píng)判對(duì)能夠得到準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)果的貢獻(xiàn)也不盡相同，因此其評(píng)判分值在效能評(píng)估中的權(quán)重也應(yīng)該不同。這里可根據(jù)專業(yè)領(lǐng)域、專業(yè)地位、從業(yè)經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)水平以及在本次評(píng)估中的可靠程度(判決矩陣離散程度)等，分為若干組并適當(dāng)賦予不同權(quán)重，最后通過(guò)加權(quán)平均法取得指標(biāo)。若各專家重要性等同則采取等權(quán)方式處理。

在定量指標(biāo)的處理上，主要解決無(wú)公度和對(duì)抗性不同的問(wèn)題。無(wú)公度即各指標(biāo)量綱不同不便于比較；對(duì)抗性不同是指有些指標(biāo)越大越優(yōu)，有些指標(biāo)則越小越優(yōu)，或者在某一區(qū)間內(nèi)為優(yōu)等。定量指標(biāo)的規(guī)范化主要通過(guò)一定的數(shù)學(xué)變換(如極差變換法等)把指標(biāo)值變換為可以共同綜合處理的量化值，一般變換到[0,1]范圍內(nèi)。

3.4 評(píng)價(jià)結(jié)果的計(jì)算

在獲得了各個(gè)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重和最終評(píng)價(jià)值后，通過(guò)兩者乘積可計(jì)算出最終評(píng)價(jià)分值，該分值的語(yǔ)言評(píng)判等級(jí)可參照表1的量化標(biāo)尺，若多種方案評(píng)估則分值最大者為最優(yōu)。

最終效能值計(jì)算：

E=(w1,w2,…,wn)(v1,v2,…,vn)T,i∈(1,n)

wi為指標(biāo)i的綜合權(quán)重，vi為指標(biāo)i的綜合評(píng)分。

3.5 評(píng)估的應(yīng)用

通過(guò)分析研究評(píng)估過(guò)程中得到各因素和指標(biāo)的綜合權(quán)重，可以很直觀地了解整個(gè)通信網(wǎng)內(nèi)各因素和指標(biāo)對(duì)整體效能的作用和影響，對(duì)更好的發(fā)揮編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)效能具有指導(dǎo)意義；同時(shí)，綜合權(quán)重關(guān)系和各指標(biāo)值運(yùn)算得到的效能評(píng)估值和結(jié)論，可用于效能評(píng)估驗(yàn)證和多方案決策的輔助評(píng)判。

4 結(jié)語(yǔ)

艦艇編隊(duì)融合通信網(wǎng)相對(duì)傳統(tǒng)通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，功能更加多元，應(yīng)用更加廣泛，各因素關(guān)聯(lián)也更加緊密，采用網(wǎng)絡(luò)層次分析法充分考慮評(píng)估要素的依存和下層對(duì)上層反饋的影響，能夠更準(zhǔn)確的描述客觀因素之間的聯(lián)系，效能評(píng)估體系更加科學(xué)和全面。通過(guò)運(yùn)算可以得到內(nèi)部各因素相對(duì)權(quán)重排序，對(duì)整體效能提升具有一定指導(dǎo)意義。同時(shí)，最終的效能值和評(píng)判結(jié)論也可以為方案驗(yàn)證和評(píng)估決策提供參考和數(shù)據(jù)支持。

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Effectiveness Evaluation Method of Integrated Communication Network for Warship Formation

ZHAO Yupeng1，2WU Xuezhi1

(1.College of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033)(2.No.91336 Troops of PLA，Qinhuangdao 066326)

In order to learn more about integrated communication network for warship formation and make it play a more important role, a kind of effectiveness evaluation index system based on analytic network process is created by analyzing network structure and key factors. It has thought over relative weights of index factors and grouping weights of evaluation specialists. The relative weights of index factors and resulting data of effectiveness evaluation could play a supporting and instructional role in developing of communication network for warship formation.

integration, communication network, effectiveness evaluation

2016年5月13日,

2016年6月19日

趙玉鵬，男，碩士研究生，研究方向：軍事通信網(wǎng)組網(wǎng)與管理。吳學(xué)智，男，副教授，研究方向：信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，軍事通信網(wǎng)絡(luò)。

TP391.9

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.015