預(yù)警衛(wèi)星情報處理系統(tǒng)效能評估*

李文杰，閆世強，江 晶，王成良

（空軍預(yù)警學(xué)院，武漢 430019）

0 引言

情報處理系統(tǒng)是預(yù)警衛(wèi)星地面站系統(tǒng)的重要組成部分，其任務(wù)是接收預(yù)警衛(wèi)星下傳的紅外圖像情報數(shù)據(jù)，高速完成存儲、處理、分析和顯示等一系列操作，實時檢測和跟蹤初始段彈道導(dǎo)彈目標(biāo)。未來，伴隨著預(yù)警衛(wèi)星的部署規(guī)模增大、單星探測分辨率增加和紅外波段數(shù)的不斷擴展，系統(tǒng)面臨著海量情報處理的巨大壓力，因此，科學(xué)地評估預(yù)警衛(wèi)星情報處理系統(tǒng)的效能，對于分析預(yù)警衛(wèi)星的探測能力具有重要意義。

1 預(yù)警衛(wèi)星情報處理系統(tǒng)任務(wù)需求

預(yù)警衛(wèi)星情報的數(shù)據(jù)流程如圖1所示。預(yù)警衛(wèi)星對探測區(qū)域進行全天候監(jiān)視，對目標(biāo)和背景輻射信息進行實時探測，探測情報信息經(jīng)中繼衛(wèi)星或直傳至地面站，情報處理系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)存儲資源和集群計算資源，完成目標(biāo)檢測、發(fā)現(xiàn)、跟蹤和彈道估計等一系列工作，并將結(jié)果輸出至指控終端［1］。

預(yù)警衛(wèi)星情報處理系統(tǒng)由系統(tǒng)應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)存儲資源、集群計算資源和顯示終端組成，主要任務(wù)包括以下4個方面:實時接收衛(wèi)星下傳的海量紅外圖像和參數(shù)信息；負(fù)責(zé)進行情報信息的存儲、管理和備份工作；負(fù)責(zé)進行情報處理與分析，實時檢測、發(fā)現(xiàn)和跟蹤彈道導(dǎo)彈等紅外目標(biāo)，并對彈道進行估計［2］；組織開展相關(guān)應(yīng)用與研究。

根據(jù)預(yù)警衛(wèi)星海量情報處理系統(tǒng)的任務(wù)，具體分析完成任務(wù)過程中的各項需求，總結(jié)如下:

1）系統(tǒng)需要大容量的存儲設(shè)備保存海量的衛(wèi)星情報數(shù)據(jù)，包括數(shù)年間的探測數(shù)據(jù)以及備份，同時具備較高的處理速度。

2）系統(tǒng)需要強大的處理能力以確保情報處理和分析速度，要求系統(tǒng)具備低延時、高帶寬、高精度、低誤碼率的特性。

3）系統(tǒng)具備較高檢測概率、較低的虛警率，并且能同時探測多個目標(biāo)，具備較高的飽和條件和良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4）系統(tǒng)應(yīng)具備較好的可擴展和高效運行能力，以適應(yīng)不斷增大的情報數(shù)據(jù)量和任務(wù)需求。

5）系統(tǒng)應(yīng)具備良好的可靠性，具備全天候正常工作和故障時短時間恢復(fù)系統(tǒng)功能的能力。

2 構(gòu)建效能評估指標(biāo)

2.1 效能指標(biāo)選取原則

效能評估指標(biāo)應(yīng)盡量全面地反映評估對象的主要方面，效能評估指標(biāo)越全面，評估結(jié)果就越客觀、越合理、但過多的指標(biāo)就會增加評估的復(fù)雜度和難度，因此，效能指標(biāo)的選取應(yīng)遵循以下原則［3］:

1）最簡性。即在基本滿足評估要求和給定作戰(zhàn)任務(wù)需求的基礎(chǔ)上，盡量確立較少的關(guān)鍵指標(biāo)。

2）可測性。即盡量選擇容易定量計算的指標(biāo)和容易準(zhǔn)確確定的關(guān)鍵指標(biāo)，這樣既能減少評估的復(fù)雜性，又可以提高決策的科學(xué)性，降低主觀隨意性。

3）客觀性。即指標(biāo)能逼真地與被評估系統(tǒng)發(fā)生聯(lián)系，較真實地反應(yīng)在作戰(zhàn)需求下被評估系統(tǒng)的各項性能、特征和性質(zhì)。

4）完備性。即各指標(biāo)可以比較完整地表現(xiàn)被評估系統(tǒng)的各項內(nèi)容。

5）獨立性。即各指標(biāo)之間應(yīng)盡量相互獨立，減少指標(biāo)內(nèi)涵之間的重疊度，使得結(jié)果比較切合實際。

2.2 構(gòu)建系統(tǒng)效能評估指標(biāo)體系

目前，國內(nèi)對預(yù)警衛(wèi)星情報處理系統(tǒng)效能評估方面的研究還是一項空白，而且未見國外的相關(guān)報道，可供參考的資料十分有限?？紤]到情報處理系統(tǒng)既是技術(shù)密集型裝備，又是預(yù)警衛(wèi)星地面站的重要組成部分，因此，評估指標(biāo)體系既要包括一般的情報處理系統(tǒng)的評估指標(biāo)，又要突出面向預(yù)警衛(wèi)星反導(dǎo)作戰(zhàn)任務(wù)需求的評估指標(biāo)。充分考慮其任務(wù)特性，并依據(jù)指標(biāo)體系構(gòu)建原則，構(gòu)建預(yù)警衛(wèi)星情報處理系統(tǒng)效能評估指標(biāo)體系，層次上分為效能層、能力層和指標(biāo)層，如圖2所示。

圖2 預(yù)警衛(wèi)星情報處理系統(tǒng)效能評估指標(biāo)體系

3 系統(tǒng)效能評估模型

由預(yù)警衛(wèi)星情報處理系統(tǒng)評估指標(biāo)體系可見，系統(tǒng)效能由情報處理能力、目標(biāo)檢測能力、資源運用能力和系統(tǒng)服務(wù)能力組成，能力層的效能模型由指標(biāo)層的效能模型進行具體描述，最終構(gòu)成系統(tǒng)的整體效能。

3.1 情報處理能力效能模型

情報處理能力是用來表征情報處理系統(tǒng)處理情報的能力，由處理容量、處理速率、處理精度3個指標(biāo)組成。

3.1.1 處理容量

處理容量［4］表征情報處理系統(tǒng)能夠處理的最大情報數(shù)量，反映了系統(tǒng)同時檢測、發(fā)現(xiàn)、跟蹤多批目標(biāo)的能力，用D1表示。D0表示滿足作戰(zhàn)需求的處理容量值。則處理容量效能可由式（1）表示:

3.1.2 處理速率

處理速率［5］反映情報處理系統(tǒng)處理情報的速度，是體現(xiàn)系統(tǒng)時效性的重要指標(biāo)，用V1表示情報處理系統(tǒng)處理速率效能，V0表示滿足作戰(zhàn)任務(wù)需求的處理速率值，則其效能模型可表示為:

3.1.3 處理精度

處理精度效能可細(xì)分為方位精度效能C131和時間精度效能C132，用來表示系統(tǒng)在空間維和時間維上的精確處理程度，可由M次采樣并與真值進行比較后得出，可表示為:

式中，M 為總采樣次數(shù)；a0、am、ea、C131分別為真實方位、測量方位、方位測量誤差、方位精度效能；t0、tm、et、C132分別為真實時間、測量時間、時間測量誤差、時間精度效能；er0和et0分別表示滿足作戰(zhàn)任務(wù)需求所要達到的方位測量誤差和時間測量誤差。由此可以得出系統(tǒng)處理精度的效能為:

3.2 目標(biāo)檢測能力效能模型

目標(biāo)檢測能力用于描述系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)并正確識別彈道導(dǎo)彈目標(biāo)的能力，效能模型具體如下。

3.2.1 檢測概率和虛警概率效能模型

檢測概率和虛警概率可表示為如下二元判決問題［6］:

3.2.2 檢測時間

檢測時間關(guān)系到系統(tǒng)整體的時效性，及時地識別目標(biāo)可提供足夠預(yù)警時間，可表示為:

其中，T1i表示預(yù)警衛(wèi)星第i次測量時，情報處理系統(tǒng)接收到情報的時刻；T2i表示預(yù)警衛(wèi)星第i次測量時，處理結(jié)果輸出至指控終端時刻。經(jīng)過多次采樣測量，對所得結(jié)果求平均值，可得到系統(tǒng)的平均時延ΔT。

系統(tǒng)時延效能可用下式表示，其中ΔT0表示滿足系統(tǒng)需求的時延值。

3.3 資源運用能力效能模型

依靠單臺計算機很難滿足處理海量情報的需求［7］，因此，當(dāng)前多采用多臺物理機組成的分布式并行計算框架以滿足系統(tǒng)工作需求，但是卻存在系統(tǒng)資源利用率低和負(fù)載不均衡等問題，因此，對系統(tǒng)的資源運用能力進行評估對提升系統(tǒng)性能具有重要意義。

3.3.1 系統(tǒng)資源利用率

系統(tǒng)資源利用率［8］主要體現(xiàn)在內(nèi)存資源利用率和計算資源利用率兩個方面，利用率越高說明系統(tǒng)的效能發(fā)揮得越充分，下面利用數(shù)學(xué)模型進行描述。

假設(shè)2:物理機mk的資源集合為

3.3.2 資源負(fù)載均衡度

隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大，物理機之間負(fù)載不均衡成為抑制系統(tǒng)性能發(fā)揮的一個重要因素。系統(tǒng)的負(fù)載均衡度效能可由式（14）表示:

式中，URn表示單個物理機mn中資源R的利用率；表示資源R的不均衡度；表示系統(tǒng)的平均資源R利用率，如式（15）所示。

負(fù)載不均衡度的值總在0～1之間，值越小說明系統(tǒng)的負(fù)載分布越均衡，系統(tǒng)的整體性能越高。

3.4 系統(tǒng)服務(wù)能力

系統(tǒng)服務(wù)能力描述情報處理系統(tǒng)穩(wěn)定工作、可持續(xù)運行的能力，指標(biāo)上利用可擴展性、可靠性和容災(zāi)備份進行具體描述。

3.4.1 系統(tǒng)可擴展性

系統(tǒng)可擴展性［9］描述系統(tǒng)在增加資源后能否保持原有的處理效率。假設(shè)R和R'分別是系統(tǒng)擴展前后的資源量，S（W）和S（W'）分別是系統(tǒng)擴展前后的加速比，則系統(tǒng)可擴展性可表示為:

可擴展性的理想值為1，即擴展前后處理效率一致，但是實際情況下無法達到這一要求。

3.4.2 系統(tǒng)可靠性

情報處理系統(tǒng)的復(fù)雜性較大，系統(tǒng)的任務(wù)過程通常分成多個階段進行，每個階段需要多種分系統(tǒng)，功能單元配合完成。各個組成部分的質(zhì)量好壞都會直接或間接地影響任務(wù)的完成程度。因此，對系統(tǒng)的可靠性進行評估十分重要。

情報處理系統(tǒng)的可靠性可定義為系統(tǒng)成功完成所有階段任務(wù)的概率，可用式（17）表示［10］。

式中，Ai表示第i階段的任務(wù)完成狀態(tài)，Ai=1表示第i階段任務(wù)未完成，Ai=0表示第i階段任務(wù)完成；Pr{}表示事件發(fā)生概率。

對系統(tǒng)可靠性的評估可采用基于故障樹分析的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法［11］，其可以形象、直觀地描述系統(tǒng)中故障事件的內(nèi)在關(guān)系，有利于對系統(tǒng)的故障模式進行梳理，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，提高可靠性分析精度。

3.4.3 容災(zāi)備份

容災(zāi)備份是為防止設(shè)備損壞、系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失和網(wǎng)絡(luò)中斷影響計算機系統(tǒng)正常工作而采取的備份措施。情報處理系統(tǒng)作為信息密集型系統(tǒng)，存在著一定的故障風(fēng)險，因此，容災(zāi)備份能力是情報處理系統(tǒng)在故障情況下迅速還原功能的重要保證，這里定義容災(zāi)備份能力為系統(tǒng)從故障狀態(tài)恢復(fù)到正常運行狀態(tài)所需時間占系統(tǒng)運行總時間的比例。所需時間比例越小表示容災(zāi)備份能力越強，其效能E43可表示為:

式中，Trepair為故障恢復(fù)時間；Twork為正常工作時間。

特別是對于雙機熱備份方式，由于系統(tǒng)故障時備份系統(tǒng)實時進行接替，Trepair趨近于0，因此，其容災(zāi)備份能力為1。

3.5 預(yù)警衛(wèi)星情報處理系統(tǒng)效能綜合評估模型

通過構(gòu)建上述能力層和指標(biāo)層的效能模型，系統(tǒng)的效能綜合評估模型由式（19）表示，其中當(dāng)情報處理能力和目標(biāo)檢測能力中的任一指標(biāo)效能為0，則認(rèn)為系統(tǒng)不具備完成任務(wù)的能力，此時整體效能為0。

式中，C為系統(tǒng)綜合效能，Ci為能力層效能，wi為能力層權(quán)重，wij為指標(biāo)層效能權(quán)重，Cij為指標(biāo)層效能。權(quán)重值可采用基于主成分分析的方法確定［12］。

4 算例

根據(jù)上文構(gòu)建的效能指標(biāo)體系建立效能評估表，如下頁表1所示。

表1 預(yù)警衛(wèi)星情報處理系統(tǒng)評估表

表2 效能評估指標(biāo)權(quán)重集

再根據(jù)專家采取評分制原則對各指標(biāo)進行打分，并對評分結(jié)果進行主成分分析，最終得到指標(biāo)權(quán)重集，如表2所示。

由式（19）可得系統(tǒng)綜合效能為:

5 結(jié)論

當(dāng)前，預(yù)警衛(wèi)星在彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中的作用日益凸顯，情報處理系統(tǒng)作為其重要組成部分，正確地評估其效能對于裝備的論證、改進以及分析預(yù)警衛(wèi)星的探測能力都具有重要的指導(dǎo)作用。本文針對當(dāng)前預(yù)警衛(wèi)星情報處理系統(tǒng)面臨海量情報信息處理的現(xiàn)狀，通過分析系統(tǒng)的任務(wù)需求，依據(jù)效能評估指標(biāo)構(gòu)建原則，建立了預(yù)警衛(wèi)星海量情報處理系統(tǒng)評估體系，并通過對各指標(biāo)進行分析和建模，給出了效能綜合評估模型，為下一步預(yù)警衛(wèi)星的整體評估工作奠定基礎(chǔ)。