基于模糊綜合評(píng)判的測(cè)控網(wǎng)運(yùn)行評(píng)估仿真與實(shí)現(xiàn)

高惠荔，劉 彬，李文舒，徐 建，陳思遠(yuǎn)

(1.中國(guó)人民解放軍63769部隊(duì)，陜西 西安 710043；2.中國(guó)人民解放軍63789部隊(duì)，陜西 西安 710043)

0 引言

隨著我國(guó)航天事業(yè)的飛速發(fā)展，太空運(yùn)行的航天器迅速增多。不同種類(lèi)、不同用途的衛(wèi)星發(fā)射升空，地面測(cè)控站也相應(yīng)地建設(shè)起來(lái)，地面測(cè)控網(wǎng)已形成具有一定規(guī)模的實(shí)用網(wǎng)絡(luò)。為了有效地管理測(cè)控資源，合理使用測(cè)控設(shè)備，地面測(cè)控網(wǎng)運(yùn)行管理需求越來(lái)越迫切。

在以往的測(cè)控網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量管理中，對(duì)測(cè)控網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量的評(píng)估僅停留在對(duì)衛(wèi)星長(zhǎng)期管理、任務(wù)跟蹤任務(wù)成功率的統(tǒng)計(jì)和測(cè)控任務(wù)需求是否滿足上，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于簡(jiǎn)單，缺乏對(duì)測(cè)控網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量的科學(xué)全面評(píng)估，不能從全網(wǎng)的角度反映測(cè)控網(wǎng)的整體運(yùn)行情況，也無(wú)法對(duì)后續(xù)測(cè)控設(shè)備、測(cè)控網(wǎng)的發(fā)展和建設(shè)提供合理化建議。在軌航天器和測(cè)控設(shè)備的數(shù)目激增，技術(shù)復(fù)雜程度不斷提升，粗放式的管理模式已經(jīng)阻礙了航天測(cè)控網(wǎng)運(yùn)行整體效能的提升。目前，在測(cè)控網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估方面，還沒(méi)有比較完善的方法及規(guī)范，現(xiàn)代信息技術(shù)也沒(méi)有在測(cè)控網(wǎng)的運(yùn)行管理中得到高效應(yīng)用。

評(píng)估理論起源于管理科學(xué)領(lǐng)域，從決策理論中提取、吸收而來(lái)，也融合了其他學(xué)科的理論并逐步發(fā)展。近20年來(lái)，管理科學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、系統(tǒng)論、信息論、計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)等被引入系統(tǒng)評(píng)估領(lǐng)域，產(chǎn)生了一系列新的評(píng)估方法，如：模糊評(píng)估方法、灰度評(píng)估方法和人工智能方法等，評(píng)估方法的應(yīng)用領(lǐng)域也日益廣泛，已滲透至互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、教育系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)和科技系統(tǒng)等，進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、教學(xué)質(zhì)量、糧食產(chǎn)量及項(xiàng)目的評(píng)估，帶來(lái)了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。

本文對(duì)測(cè)控網(wǎng)內(nèi)同類(lèi)設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估開(kāi)展了深入研究，該類(lèi)評(píng)估系統(tǒng)具有多層次、多因素和主觀性較強(qiáng)等特點(diǎn)，通過(guò)多種評(píng)估方法比較分析，最終采用模糊綜合評(píng)判法進(jìn)行處理分析，有效分析出測(cè)控網(wǎng)內(nèi)設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量和效益，為后續(xù)設(shè)備工作合理分配和提高測(cè)控網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。

1 測(cè)控網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估體系設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)控網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)的組成

本文對(duì)測(cè)控網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估實(shí)際落腳點(diǎn)是針對(duì)網(wǎng)內(nèi)各測(cè)控設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量而言的，該評(píng)估系統(tǒng)主要由7部分組成：評(píng)估目的、評(píng)估主體、評(píng)估對(duì)象、評(píng)估指標(biāo)、權(quán)重、評(píng)估方法和評(píng)估結(jié)果[4-9]。

評(píng)估目的：對(duì)測(cè)控網(wǎng)管理范圍內(nèi)測(cè)控設(shè)備一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行公平公正評(píng)估，促使形成有效良好的測(cè)控網(wǎng)管理運(yùn)行評(píng)價(jià)機(jī)制，起到一定的激勵(lì)作用；并通過(guò)評(píng)估數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步提升測(cè)控網(wǎng)管理的精細(xì)化和規(guī)范化水平，對(duì)測(cè)控網(wǎng)的合理運(yùn)行提出有指導(dǎo)性的建議。

評(píng)估主體：主要面向測(cè)控網(wǎng)管理中心的管理者，也適用于設(shè)備總體單位或研制廠所對(duì)測(cè)控網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量關(guān)心的人員。

評(píng)估對(duì)象：考慮到當(dāng)前測(cè)控網(wǎng)管理主要是地基設(shè)備，尤其以S頻段設(shè)備為主，同時(shí)為了使評(píng)估結(jié)果不受不同設(shè)備性能的影響，本文研究的評(píng)估對(duì)象以基本上同時(shí)投入使用的一類(lèi)設(shè)備為主，對(duì)其他類(lèi)型測(cè)控設(shè)備評(píng)估時(shí)，可參考本文的研究方法執(zhí)行。

評(píng)估指標(biāo)：根據(jù)本文對(duì)測(cè)控設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量的評(píng)估目的，確定該評(píng)估系統(tǒng)所需的評(píng)估指標(biāo)。

權(quán)重：反映評(píng)估指標(biāo)之間的相對(duì)重要性，是指標(biāo)對(duì)總目標(biāo)的貢獻(xiàn)程度。當(dāng)評(píng)估對(duì)象及評(píng)估指標(biāo)都確定時(shí)，評(píng)估的結(jié)果就依賴(lài)于權(quán)重，即權(quán)重確定的合理與否，關(guān)系到評(píng)估結(jié)果的可信程度[10-12]。

評(píng)估方法：是在評(píng)估理論指導(dǎo)下進(jìn)行具體評(píng)估采取的途徑、步驟和手段等，評(píng)估方法一般分為定性方法、定量方法和定性定量相結(jié)合3類(lèi)。

評(píng)估結(jié)果：通過(guò)一系列評(píng)估步驟后，得到評(píng)估結(jié)果，即評(píng)估方法產(chǎn)生的結(jié)論。評(píng)估結(jié)果只適應(yīng)于性質(zhì)相同的對(duì)象之間的比較和排序，具有相對(duì)意義，故要公正對(duì)待評(píng)估結(jié)果。

1.2 測(cè)控網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)體系的設(shè)計(jì)

為了將多層次、多因素和復(fù)雜的評(píng)估問(wèn)題用科學(xué)的計(jì)量方法進(jìn)行量化處理，針對(duì)評(píng)估對(duì)象構(gòu)造了一個(gè)科學(xué)的評(píng)估指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 測(cè)控網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)體系

2 基于模糊綜合評(píng)判法的評(píng)估體系建模

運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，需要以下步驟：確定評(píng)價(jià)因素集、確定評(píng)價(jià)等級(jí)集、進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)、建立評(píng)價(jià)矩陣、確定權(quán)向量、進(jìn)行模糊合成和做出決策[13-16]。

2.1 確定評(píng)價(jià)因素集

針對(duì)圖1給出的準(zhǔn)則層指標(biāo)，這是一個(gè)典型的2層評(píng)價(jià)問(wèn)題，相應(yīng)的評(píng)價(jià)因素劃分為2個(gè)層次，其中，U1={c11，c12，c13，c14，c15}，U2={c21，c22，c23}，U3={c31，c32，c33}，U4={c41}為第1層次，U={B1，B2，B3，B4}為第2層次。

2.2 確定評(píng)價(jià)等級(jí)集

將評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為4個(gè)等級(jí)，即V=(優(yōu)秀、良好、一般、差)。對(duì)于評(píng)價(jià)因素集中的每個(gè)因素ui(i=1，2，…，4)，vj(j=1，2，…，4)分析其對(duì)于評(píng)價(jià)等級(jí)集的隸屬度rij，得出第i個(gè)因素的單因素評(píng)價(jià)結(jié)果：ri=(ri1，ri2，…，ri4)。

2.3 多專(zhuān)家進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)

針對(duì)第1層次的評(píng)價(jià)因素，分別由多名專(zhuān)家對(duì)每套設(shè)備進(jìn)行測(cè)評(píng)，并將專(zhuān)家測(cè)評(píng)結(jié)果進(jìn)行累加，進(jìn)行歸一化處理，得到各評(píng)價(jià)因素隸屬于評(píng)價(jià)等級(jí)集中各等級(jí)的測(cè)度值，即得到第1層次的模糊評(píng)價(jià)矩陣R1，R2，R3，R4。

對(duì)于m個(gè)因素，進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)后，將ri作為第i行，形成一個(gè)綜合了m個(gè)因素n個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的模糊矩陣R。

2.4 確定權(quán)重

求權(quán)重是綜合評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。層次分析法是一種行之有效的確定權(quán)系數(shù)的有效方法。層次分析法的步驟大致如下：

① 確定目標(biāo)和評(píng)價(jià)因素

P個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，u={u1，u2，…，up}。

② 構(gòu)造判斷矩陣

判斷矩陣元素的值反映了人們對(duì)各元素相對(duì)重要性的認(rèn)識(shí)，一般采用1～9及其倒數(shù)的標(biāo)度方法。但當(dāng)相互比較因素的重要性能夠用具有實(shí)際意義的比值說(shuō)明時(shí)，判斷矩陣相應(yīng)元素的值則取這個(gè)比值，即得到判斷矩陣：

S=(uij)p×p。

③ 計(jì)算判斷矩陣得出權(quán)重

計(jì)算判斷矩陣的最大特征根λmax，及其對(duì)應(yīng)的特征向量A，此特征向量就是各評(píng)價(jià)因素的重要性排序，也是權(quán)系數(shù)的分配。

利用層次分析法，分別得到一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。與第1、2層評(píng)價(jià)因素對(duì)應(yīng)，權(quán)重矢量分別為：W1={wc11，wc12，wc13，wc14，wc15}，W2={wc21，wc22，wc23}，W3={wc31，wc32，wc33}，W4={wc41}，W={wb1，wb2，wb3，wb4}對(duì)于權(quán)重wi，要求wi≥0且∑wi=1。

2.5 進(jìn)行模糊合成

在模糊矩陣R和權(quán)重向量W已經(jīng)確定的基礎(chǔ)上，對(duì)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行模糊合成。用模糊算子表示為：

Si=Wi*Ri。

常用的模糊算子符號(hào)有Zadeh算子、加權(quán)平均算子、環(huán)和乘積算子、有界算子、取大乘積算子、有界和取小算子、有界和乘積算子、Einstein算子、Hamacher算子和Yager算子等。本文選用加權(quán)平均算子(●，+)，進(jìn)行加權(quán)平均運(yùn)算。

S1=W1*R1，S2=W2*R2，

S3=W3*R3，S4=W4*R4。

然后，對(duì)計(jì)算得到的S1～S4，組合形成對(duì)一級(jí)指標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣R：

R=[S1，S2，S3，S4]。

最后，將權(quán)重向量W與模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣R合成模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量S：

S=W*R。

選定了模糊算子進(jìn)行S的計(jì)算后，需要對(duì)S進(jìn)行歸一化，使∑sj=1。

2.6 做出決策

根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量S，可以按照最大隸屬度法則，或者賦予不同的等級(jí)一個(gè)權(quán)重向量W′，從而使每個(gè)被評(píng)價(jià)對(duì)象綜合得到一個(gè)評(píng)價(jià)值，做出決策。

最大隸屬度法則：針對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果向量S=(s1，s2，s3，s4)，sj表示被評(píng)價(jià)對(duì)象隸屬于評(píng)價(jià)等級(jí)vj的程度。其中，s中最大的sj對(duì)應(yīng)的等級(jí)vj表示被評(píng)價(jià)對(duì)象最適合于該等級(jí)，可以用該等級(jí)作為被評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)結(jié)果。

該方法簡(jiǎn)單便于理解，但由于該方法只選取S中的最大值對(duì)應(yīng)的等級(jí)，而其他非最大值對(duì)應(yīng)的信息被忽略，使得評(píng)價(jià)結(jié)果損失的信息較多，不能全面反映評(píng)價(jià)對(duì)象的情況，只能對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象做大致評(píng)判。

加權(quán)平均法則：針對(duì)4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)優(yōu)秀、良好、一般和差，設(shè)置等級(jí)權(quán)重向量W′={4，3，2，1}，將各個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的結(jié)果向量S=(s1，s2，s3，s4)分別與W′中各等級(jí)對(duì)應(yīng)的權(quán)值進(jìn)行加權(quán)求和，得到各個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合評(píng)分值，最后根據(jù)分?jǐn)?shù)值的大小進(jìn)行排序。

這樣，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量S解模糊后的結(jié)果可直接得到全部評(píng)價(jià)對(duì)象的從高到低的排名。該方法全面考慮并利用了評(píng)價(jià)結(jié)果向量S中的信息，較全面客觀地對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象做出評(píng)價(jià)，根據(jù)本項(xiàng)目的研究需要，擬采用加權(quán)平均法則做出決策。

3 數(shù)值計(jì)算及仿真驗(yàn)證

3.1 數(shù)值計(jì)算

本文分別單獨(dú)計(jì)算B1～B4項(xiàng)的得分后，利用B1～B4項(xiàng)的分值再次模糊加權(quán)計(jì)算得到最終得分并進(jìn)行排名顯示，由于B1～B4項(xiàng)和總的計(jì)算采用的軟件編程方法相同，這里以B1項(xiàng)為例對(duì)程序進(jìn)行說(shuō)明。表1～表3為設(shè)備跟蹤歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中，表3中PT表示平均值。

表1 15套設(shè)備(c11～c15)數(shù)據(jù)

表2 專(zhuān)家對(duì)(c11～c15)的權(quán)重分配

表3 專(zhuān)家對(duì)(c11～c15)數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(選取部分)

隸屬度法則，或者賦予不同的等級(jí)一個(gè)權(quán)重向量W′，從而使每個(gè)被評(píng)價(jià)對(duì)象綜合得到一個(gè)評(píng)價(jià)值，做出決策。

3.1.1 計(jì)算判斷矩陣

采用的是層次分析法確定不同評(píng)價(jià)因素的權(quán)重。根據(jù)給定的評(píng)估數(shù)據(jù)中5位專(zhuān)家對(duì)B1中各小項(xiàng)(c11～c15)所占的權(quán)重比例及重要程度分配，進(jìn)行求平均，進(jìn)而得到判斷矩陣。

① 求c11～c15平均

c11的平均=(專(zhuān)家1c11+專(zhuān)家2c11+專(zhuān)家3c11+

專(zhuān)家4c11+專(zhuān)家5c11)/5=9.24；

c12的平均=(專(zhuān)家1c12+專(zhuān)家2c12+專(zhuān)家3c12+

專(zhuān)家4c12+專(zhuān)家5c12)/5=9.08；

c13的平均=(專(zhuān)家1c13+專(zhuān)家2c13+專(zhuān)家3c13+

專(zhuān)家4c13+專(zhuān)家5c13)/5=9.16；

c14的平均=(專(zhuān)家1c14+專(zhuān)家2c14+專(zhuān)家3c14+

專(zhuān)家4c14+專(zhuān)家5c14)/5=9.76；

c15的平均=(專(zhuān)家1c15+專(zhuān)家2c15+專(zhuān)家3c15+

專(zhuān)家4c15+專(zhuān)家5c15)/5=8.92。

② 求判斷矩陣

3.1.2 計(jì)算權(quán)重

計(jì)算步驟如下：

計(jì)算得到B1=(0.200 2，0.196 7，0.198 4，0.211 4，0.193 2)。

3.1.3 評(píng)價(jià)矩陣與等級(jí)權(quán)重模糊合成與排序

B1項(xiàng)的運(yùn)行結(jié)果截屏如圖2所示。

圖2 B1項(xiàng)的運(yùn)行結(jié)果

3.2 仿真驗(yàn)證

針對(duì)本文的數(shù)學(xué)模型計(jì)算方式，經(jīng)比較最終選擇Matlab軟件進(jìn)行編譯。

仿真模型選取了參加日常測(cè)控工作的15套在用測(cè)控設(shè)備，評(píng)估周期為2015年1月1日至2015年6月30日，評(píng)估數(shù)據(jù)來(lái)源來(lái)源于設(shè)備跟蹤衛(wèi)星歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)。B1部分程序截屏如圖3所示。最終評(píng)估結(jié)果截屏如圖4所示。

圖3 部分程序截圖

圖4 評(píng)估結(jié)果

仿真結(jié)果得出了15套在用設(shè)備在測(cè)控網(wǎng)運(yùn)行半年以來(lái)的綜合評(píng)價(jià)得分，充分反應(yīng)出15套設(shè)備對(duì)測(cè)控網(wǎng)的貢獻(xiàn)率和使用率，該結(jié)果與半年以來(lái)的歷史數(shù)據(jù)相吻合，仿真結(jié)果可信。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)選取的測(cè)控網(wǎng)內(nèi)15套典型設(shè)備建立仿真模型，并運(yùn)用本文構(gòu)建的運(yùn)行評(píng)價(jià)體系和模糊綜合評(píng)判方法，以半年內(nèi)測(cè)控網(wǎng)運(yùn)行期間的設(shè)備跟蹤數(shù)據(jù)作為輸入，仿真計(jì)算得出的設(shè)備在測(cè)控網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行質(zhì)量情況與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果一致。因此，本文所構(gòu)建的測(cè)控網(wǎng)質(zhì)量運(yùn)行評(píng)估體系科學(xué)合理，能夠較為全面、快速和準(zhǔn)確地反映出測(cè)控網(wǎng)內(nèi)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和測(cè)控網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量，能為后續(xù)科學(xué)合理調(diào)配測(cè)控網(wǎng)內(nèi)設(shè)備資源作為依據(jù)，更好地提供全網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量和效益。