基于ADC模型的數(shù)據(jù)鏈效能評估方法

劉 亭

(中國人民解放軍91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066001)

0 引言

隨著信息技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭已經(jīng)由機(jī)械化作戰(zhàn)轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕畔橹行牡男畔⒒瘧?zhàn)爭，而信息化戰(zhàn)爭最大的特點(diǎn)是以網(wǎng)絡(luò)為中心的“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”[1-4]。數(shù)據(jù)鏈作為構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)能力的重要部分[5-7]，其效能可描述為在戰(zhàn)場條件下完成任務(wù)所能發(fā)揮的有效作用程度，是滿足戰(zhàn)場需求的度量。

準(zhǔn)確評估數(shù)據(jù)鏈效能可有助于指揮員制定作戰(zhàn)計劃。然而，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)屬于多指標(biāo)復(fù)雜系統(tǒng)，其綜合性能包括幾十項(xiàng)各類戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)，且物理屬性與量綱各不相同。對于這種復(fù)雜系統(tǒng)的綜合性能評估，需要通過一種科學(xué)的綜合評估方法，對所有指標(biāo)或者對所關(guān)心的多項(xiàng)主要指標(biāo)進(jìn)行綜合比較和權(quán)衡。

ADC效能評估模型旨在根據(jù)武器系統(tǒng)的可用性(Availability)、可信性(Dependability)和固有能力(Capacity)三大要素評價武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能，能夠較全面地反映武器系統(tǒng)狀態(tài)隨時間變化的多項(xiàng)戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)指標(biāo)在作戰(zhàn)使用中的動態(tài)變化與綜合作用。目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到通信對抗裝備[8]、通信安全設(shè)備[9]和指揮信息系統(tǒng)[10]等效能評估。

本文針對數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)姑蝿?wù)和使用方式，根據(jù)ADC模型對數(shù)據(jù)鏈的可用性、可信性和固有能力進(jìn)行分析，提出了數(shù)據(jù)鏈裝備效能評價指標(biāo)體系和計算方法，實(shí)現(xiàn)了基于ADC評估模型的效能定量評估。

1 數(shù)據(jù)鏈的使命任務(wù)

數(shù)據(jù)鏈作為一種能夠極大提高信息傳輸實(shí)時性、準(zhǔn)確性、可靠性、保密性和自動性的裝備，最基本任務(wù)就是把地理上分散的指揮控制系統(tǒng)、各種探測器和武器系統(tǒng)聯(lián)系在一起，實(shí)施信息共享，便于指揮員實(shí)時掌握態(tài)勢，縮短決策時間，提高指揮速度和協(xié)同能力，以便對敵實(shí)施快速精確的連續(xù)打擊。

以數(shù)據(jù)鏈為支撐的信息分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成了陸、海、空、天一體化的無縫隙全源情報體系，將各種偵察平臺、武器平臺達(dá)成網(wǎng)絡(luò)化及一體化，使得從傳感器到射手的時間大大縮短，范圍大大增大。其主要使用方式包括：多平臺多軍兵種聯(lián)合預(yù)警探測、跨平臺多軍兵種聯(lián)合指揮和跨平臺協(xié)同火力打擊等。數(shù)據(jù)鏈已成為提高反應(yīng)速度的加速器、粘合不同力量的融合劑、擴(kuò)大體系效能的倍增器。

2 ADC模型的基本原理

ADC模型是美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會提出的效能評估模型[9]，其根據(jù)武器系統(tǒng)的可用性、可信性和固有能力三大要素評價武器系統(tǒng)效能，其解析表達(dá)式為：

E=ADC，

(1)

式中，武器系統(tǒng)效能E為武器系統(tǒng)在作戰(zhàn)條件下能夠在規(guī)定時間內(nèi)完成使命任務(wù)的程度；武器系統(tǒng)可用性矩陣A是武器系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過程中可能的系統(tǒng)狀態(tài)；系統(tǒng)可信性矩陣D為系統(tǒng)各種狀態(tài)可能變化為其他狀態(tài)的概率組成；系統(tǒng)固有能力C為在已知執(zhí)行任務(wù)期間的系統(tǒng)狀態(tài)的情況下，系統(tǒng)完成任務(wù)能力的量度。

3 數(shù)據(jù)鏈效能指標(biāo)分析與計算

3.1 數(shù)據(jù)鏈可用性分析

數(shù)據(jù)鏈的可用性被用來表示系統(tǒng)的可用程度。實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)鏈裝備面臨來自對手不同方向、不同等級的干擾，其能夠保障信息傳輸?shù)哪芰Σ煌?。面臨不同的對手和不一樣的環(huán)境，處于某一狀態(tài)的概率也不相同，因此數(shù)據(jù)鏈的可用性可由系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的概率組成向量來表示。根據(jù)數(shù)據(jù)鏈的使用方式不同，其狀態(tài)劃分為正常、保障范圍下降1/2、保障范圍下降3/4和系統(tǒng)無法使用等4種狀態(tài)，分別用a0，a1，a2，a3表示，其中保障范圍指的是在此范圍內(nèi)能夠保障指揮控制、協(xié)同預(yù)警探測、協(xié)同火力打擊等所有的任務(wù)對信息傳輸?shù)囊缶軡M足。

此時，系統(tǒng)的可用性可表示為：

A=[a0a1a2a3]，

(2)

式中，a0為系統(tǒng)在開始執(zhí)行任務(wù)時處于正常工作狀態(tài)的概率；a1為系統(tǒng)保障范圍在小于正常范圍大于1/2正常保障范圍的概率；a2為系統(tǒng)保障范圍大于1/4正常保障范圍小于1/2正常保障范圍的概率；a3為系統(tǒng)無法工作處于故障狀態(tài)的概率。

3.2 數(shù)據(jù)鏈可信性分析

數(shù)據(jù)鏈可信性矩陣由系統(tǒng)在使用過程中，受敵方干擾或自身故障影響導(dǎo)致的各種狀態(tài)轉(zhuǎn)換成其他狀態(tài)的概率組成。因此，若系統(tǒng)有n種可能狀態(tài)，則在執(zhí)行任務(wù)過程中就會出現(xiàn)n×n種可能的轉(zhuǎn)化狀態(tài)，即：

(3)

數(shù)據(jù)鏈在使用過程中可能處于a0，a1，a2，a3等4種狀態(tài)，且系統(tǒng)從故障狀態(tài)到可用狀態(tài)的概率與裝備維修人員的維修能力、故障情況等密切相關(guān)；從性能下降狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)，與系統(tǒng)的抗干擾措施、地方干擾機(jī)的狀態(tài)等密切相關(guān)。因此，系統(tǒng)的可信性矩陣可描述為：

(4)

3.3 數(shù)據(jù)鏈固有能力分析

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈能否滿足系統(tǒng)指控、武器系統(tǒng)等上下層用戶的需求，已經(jīng)很難只用信息傳輸設(shè)備本身的誤碼率、丟包率等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行評價，需要研究從用戶角度提出相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)體系，評價其效能[11]。

根據(jù)上面的分析，用戶對戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的需求主要集中在戰(zhàn)術(shù)信息的可達(dá)性和可用性2個方面。戰(zhàn)術(shù)信息的可達(dá)性是信息能夠?qū)崿F(xiàn)用戶到用戶傳遞，這里的用戶指的是信息使用者(指控、預(yù)警探測設(shè)備和武器系統(tǒng))；信息的可用性指送達(dá)信息要滿足用戶的使用要求。

信息的可達(dá)性主要通過測試指控系統(tǒng)、武器系統(tǒng)與信息傳輸系統(tǒng)之間以及跨平臺指控系統(tǒng)、武器系統(tǒng)之間的連通性、作用距離及跨平臺的信息丟失率來進(jìn)行評價。系統(tǒng)連通性表征單平臺用戶之間、用戶與戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈之間的連通性和跨平臺用戶之間的連通性。系統(tǒng)的連通性試驗(yàn)主要通過測試用戶之間、用戶與戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)之間及跨平臺用戶之間對協(xié)議的執(zhí)行情況，通過靜態(tài)試驗(yàn)或者內(nèi)場試驗(yàn)完成。跨平臺的信息丟失率和覆蓋范圍測試信息傳輸系統(tǒng)跨平臺信息傳輸性能。

信息的可用性指在實(shí)際環(huán)境中信息到達(dá)指定的平臺(或系統(tǒng))后要滿足該系統(tǒng)上層用戶需求，主要用信息更新率、信息傳輸時延、信息正確率和跨平臺信息傳輸精度等指標(biāo)進(jìn)行評價，用這些技術(shù)指標(biāo)測試信息傳輸系統(tǒng)信息傳輸?shù)臅r效性、可靠性和正確性等性能。根據(jù)上述討論建立表征系統(tǒng)信息傳輸能力的指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)鏈效能評估指標(biāo)體系Fig.1 Index system of data link effectiveness evaluation

數(shù)據(jù)鏈在執(zhí)行任務(wù)過程中具有4個狀態(tài)：正常、保障范圍下降1/2、保障范圍下降3/4和系統(tǒng)故障(無法使用)。在故障狀態(tài)下，可以認(rèn)為數(shù)據(jù)鏈不能工作，其保障能力為0，系統(tǒng)能力也為0(即C4=0)，那么能力矩陣為：

(5)

正常工作狀態(tài)下，數(shù)據(jù)鏈固有能力由信息可達(dá)性和信息可用性組成，信息可用性主要由系統(tǒng)的信息傳輸正確率、信息更新率、信息傳輸時延和目標(biāo)信息傳輸精度組成，信息可達(dá)性主要由信息丟失率、作用距離、平臺內(nèi)部連通性和跨平臺聯(lián)通性組成[12]：

C1=α1β1+α2β2，

(6)

式中，β1為數(shù)據(jù)鏈的可用性；α1為數(shù)據(jù)鏈可用性在數(shù)據(jù)鏈能力中的權(quán)重；β2為數(shù)據(jù)鏈裝備可達(dá)性；α2為數(shù)據(jù)鏈裝備的可用性在數(shù)據(jù)鏈能力中的權(quán)重。

β1可表示為：

β1=γ1ε1+γ2ε2+γ3ε3+γ4ε4，

(7)

式中，ε1為數(shù)據(jù)鏈的信息傳輸正確率；γ1為信息傳輸正確率在可用性的權(quán)重；ε2為數(shù)據(jù)鏈的信息更新率；γ2為信息傳輸更新率在可用性的權(quán)重；ε3為數(shù)據(jù)鏈的信息傳輸時延；γ3為信息傳輸時延在可用性的權(quán)重；ε4為數(shù)據(jù)鏈的信息傳輸精度；γ4為信息傳輸精度在可用性的權(quán)重。

β2可用下列關(guān)系式表達(dá)：

β2=δ1θ1+δ2θ2+δ3θ3+δ4θ4，

(8)

式中，δ1為數(shù)據(jù)鏈的信息丟失率；θ1為信息丟失率在可達(dá)性的權(quán)重；δ2為數(shù)據(jù)鏈在此狀態(tài)下覆蓋范圍與正常值的比值；θ2為作用距離在可達(dá)性的權(quán)重；δ3為平臺內(nèi)部數(shù)據(jù)鏈與其他系統(tǒng)連通性；θ3為平臺內(nèi)部數(shù)據(jù)鏈與其他系統(tǒng)連通性在可達(dá)性的權(quán)重；δ4為數(shù)據(jù)鏈的跨平臺的連通性；θ4為跨平臺連通性在可達(dá)性的權(quán)重。

4 實(shí)例分析

本文以Link16數(shù)據(jù)鏈為例說明此評估方法的應(yīng)用[13]。作為廣泛使用的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，Link16數(shù)據(jù)鏈的抗干擾能力和信息傳輸能力都很強(qiáng)。根據(jù)前面的討論，在工作中所處的狀態(tài)主要由系統(tǒng)的可靠性、外部干擾環(huán)境、操作維修人員的能力和系統(tǒng)的維修性決定，根據(jù)Link16數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，其A=[a0a1a2a3]=[0.35 0.4 0.2 0.05]。系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣為：

(9)

可達(dá)性和可用性在數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂弥芯哂型戎匾牡匚唬云錂?quán)重α1，α2均為0.5。

可用性β1各個參數(shù)的單位分別為信息傳輸更新率(條/秒)，信息傳輸時延的單位為s，可達(dá)性中平臺內(nèi)各個信息系統(tǒng)與數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)都能無差錯傳輸則平臺內(nèi)部連通性為1，否則根據(jù)平臺內(nèi)部連通性的情況賦值[0，1]?？缙脚_連通性為各個平臺之間均能無差錯傳輸，則為1，否則根據(jù)跨平臺的聯(lián)通情況賦值[0，1]；信息丟失率為百分比。

可用性β1中各個指標(biāo)的權(quán)重分別為[0.3，0.3，0.2，0.2]，各個指標(biāo)值為[0.97，2，1.5，1]；可達(dá)性β2中各個指標(biāo)的權(quán)重分別為[0.1，0.4，0.2，0.3]，各個指標(biāo)值為[0.9，1，1，1]。

此時能力矩陣為：

C=[1.090 5 1.090 5 1.040 5 0]，

系統(tǒng)可用性為：

A=[0.2 0.4 0.3 0.1]，

系統(tǒng)效能為：

E=ADC=0.949 377。

5 結(jié)束語

基于ADC模型對數(shù)據(jù)鏈效能進(jìn)行了分析和評估，將人員能力和戰(zhàn)場環(huán)境因素綜合考慮到模型中，改變了以往只重裝備本身能力和因素，忽略人員能力素質(zhì)問題，得出的結(jié)論將更加準(zhǔn)確合理，可為數(shù)據(jù)鏈裝備系統(tǒng)性能的改進(jìn)提供參考依據(jù)。