基于云模型的國防工程管理信息系統(tǒng)效能評估*

馮 晨 李勇翔 周立堯 胡春宇

（火箭軍工程大學 西安 710025）

1 引言

國防工程是部隊訓練作戰(zhàn)的基本依托，其環(huán)境的安全性、保障的高效性和管理的科學性具有重要戰(zhàn)略意義。而國防工程管理信息系統(tǒng)是以國防工程為基礎平臺，應用現(xiàn)代計算機技術、網絡通信技術、現(xiàn)代控制技術等對國防工程中的設備和環(huán)境進行智能監(jiān)控與管理的系統(tǒng)［1］。隨著信息化、智能化管理技術的成熟推進，對管理信息系統(tǒng)的效能進行評估，有助于充實完善國防工程管理信息系統(tǒng)，提升整個系統(tǒng)的保障、管控和應急作戰(zhàn)反應能力，提升戰(zhàn)斗力。

云模型現(xiàn)廣泛應用于各領域，主要是其在模糊集理論和概率論的基礎上實現(xiàn)了定性概念與其定量表示之間的不確定性轉換。例如：文獻［2～4］將云模型引入到戰(zhàn)略預警信息系統(tǒng)、地空導彈系統(tǒng)和末端反導系統(tǒng)的效能評估中，有效解決了定性評估問題。文獻［5～6］將云模型分別和層次分析法、專家群體決策法相結合，并運用到情報保障和C4ISR系統(tǒng)中，有效彌補了單一方法的缺陷，得到了良好的評判效果，另外，云模型在通信和網絡領域的效能評估中也發(fā)揮了重要作用［7～8］。但相對于上述文獻的研究對象，對于國防工程管理信息系統(tǒng)及其效能評估的研究較少。本文將結合國防工程管理信息系統(tǒng)的實際和使命任務，建立該系統(tǒng)的效能評估指標體系，利用云重心評判法解決國防工程管理信息系統(tǒng)效能評估中定性指標和定量指標的模糊性和不確定性問題。

2 云重心理論

云是使用語言值來表示某定性概念與其定量之間不確定性的轉換模型，正態(tài)云是眾多云模型樣式中非常重要的一種，其數(shù)學模型為C(Ex，En，He)，分別用期望值Ex，熵En和超熵He三個數(shù)值表征［11］。定義正態(tài)云的期望曲線：

這是一個正態(tài)分布的曲線，當Ex=10、En=3、He=0.3和n=1000時，生成的正態(tài)云如圖1所示。

圖1 正態(tài)云模型及其數(shù)字特征

由圖1可知，云重心T表示為T=a×b，式中為a云重心位置，代表指標的期望值，b為云重心的高度代表權值。

3 評估指標體系的構建

國防工程管理信息系統(tǒng)的目標在于實現(xiàn)系統(tǒng)的信息傳遞共享，優(yōu)化控制和調度，提供輔助決策，實現(xiàn)管理控制一體化的高效集成，提高系統(tǒng)的可靠性、可擴展性和可維護性，實現(xiàn)系統(tǒng)信息化管理的科學化和自動化運行的智能化，在將來的信息化戰(zhàn)爭中發(fā)揮國防工程的保障、管理以及應急作戰(zhàn)反應的作用。國防工程管理信息系統(tǒng)的建設按照“集成各功能、融合各要素、支持平戰(zhàn)時、連接上下級”的原則。

國防工程管理信息系統(tǒng)的效能評估指標的各指標體系應能較客觀反映系統(tǒng)的特點和結構，既要相對獨立，又要考慮各指標之間的聯(lián)系和影響，且能夠通過實驗或者模型測得，能夠全面地反映國防工程管理信息系統(tǒng)的效能，為了降低系統(tǒng)評估的復雜度，分別從系統(tǒng)效能、能力、性能，參數(shù)將系統(tǒng)分為四層，各指標從下層往上逐聚合，從上向下逐步具體。

借鑒國內外對信息系統(tǒng)效能評估的相關研究［12～14］，根據國防工程管理信息系統(tǒng)的實際組成和任務目標，結合評估指標選取的原則，本文從基礎指標效能、信息效能、系統(tǒng)效能和保障效能四個方面來衡量國防工程綜合管理信息系統(tǒng)總體效能高低，如圖2所示。

圖2 國防工程管理信息系統(tǒng)效能指標體系

圖中列舉了系統(tǒng)效能層、能力指標層和性能指標層的具體內容，參數(shù)指標層是結合國防工程實際，可以測得的信息來源，具體內容如下。

1）基礎指標效能主要考慮三類指標：硬件設施指標主要包括傳感器的覆蓋率，現(xiàn)場設備智能化程度（%），硬件接口的標準化程度（%），現(xiàn)場設施的完備率等；軟件設施指標主要包括專用信息采集數(shù)據庫的數(shù)量，軟件接口的標準化程度，軟件的穩(wěn)定性等；網絡設施指標主要包括可用數(shù)據傳輸線路的平均帶寬，現(xiàn)場總線的設備接入率等。

2）信息效能主要考慮三類指標：信息獲取能力主要包括傳感器與數(shù)據采集單元的互聯(lián)互通程度（%），數(shù)據采集單元與上層軟件的互聯(lián)互通程度（%），數(shù)據采集刷新效率（實際刷新次數(shù)/理想刷新次數(shù)），數(shù)據獲取質量，先進數(shù)據采集技術的運用程度等；信息處理能力主要包括用于信息處理的高性能計算機的平均數(shù)量（臺/信息處理中心），先進數(shù)據處理軟件的運用程度（%），傳輸?shù)臄?shù)據標準化程度（%）等；信息識別能力主要包括漏警率，虛警率等。

3）系統(tǒng)效能主要考慮三類指標：輔助決策能力主要包括決策規(guī)則的實用度，決策人員素質，備件庫存的合理度，自動生成巡檢計劃的合理度等；智能表達能力主要包括信息可視化程度（%），數(shù)字化地圖的運用程度（%），多媒體的聯(lián)合運用程度（%）等；狀態(tài)監(jiān)控能力主要包括重點設備的故障率，突發(fā)故障的緊急處置能力，實時狀態(tài)的刷新率等。

4）保障效能主要考慮三類指標：通信保障能力主要包括計算機網絡的安全狀況，安全軟件的運行情況，通信突發(fā)事件處理和恢復能力，信息通信丟包率等；設施防護能力主要包括國防工程偽裝等工事防護狀況，應急電源及三防設施的配備狀況，國防工程電磁防護狀況等；人員管控能力主要包括人員的安全管理，專業(yè)受訓人員比重，平均人員編成數(shù)量等。

4 基于云重心評判法的效能評估步驟

云模型評判法主要有三個要素：指標集U、權重因子集W和評價集V。基于建立的多級層次的系統(tǒng)效能評估指標，從第n層開始，利用云評判法進行評判并將結果傳遞給第n-1層，依次分層評估，最終得到系統(tǒng)的綜合評估結果。具體步驟如下。

Step1:劃分系統(tǒng)狀態(tài)，建立指標集，并用云模型表示。

國防工程管理信息系統(tǒng)分為平時和戰(zhàn)時兩種狀態(tài)，假設有p個指標，每個指標在戰(zhàn)時和平時兩種狀態(tài)各選取n個樣本值。對于定量目標可通過模型或統(tǒng)計測得，對其進行標準化，歸一化；定性目標根據專家打分或經驗可分為5個等級，即“極好”、“較好”、“一般”、“較差”和“極差”，對應的期望值為 1.0、0.75、0.5、0.25、0，期望越大代表評價越好。

p個指標可用一個云模型表示，當指標為數(shù)值型時，有

式中，Exik(k=1，…n)為各指標量的值，Exi為各指標云模型的期望，Eni為各指標云模型的熵。當指標為語言型值時，每個語言值型指標都可以用一個云模型表示，有

Step2:確定上一級指標的效能

1）確定底層效能指標的權重。采用以下公式確定權重：

式中q為排隊等級，Wq為各等級指標對應的權重，之后進行歸一化處理后得到權重。

2）求解國防工程管理信息系統(tǒng)在該狀態(tài)下的p維加權云的重心向量T=(T1，T2，…，Tp)且有：

3）同理系統(tǒng)在理想狀態(tài)下的p維加權云的重心向量為T0=(T10，T20，…，Tp0)，且

4）將云的重心向量T歸一化處理得到TG=(T1G，T2G，…，TpG)，其中

5）求解各指標加權偏離度θ

Step3:重復第二步，將剛求得的上一層指標效能值帶入，求得頂層效能值。

Step4:將頂層效能值帶入圖3的評測云發(fā)生器，可得到效能評估結果。

圖3 云測評發(fā)生器

Step5:分析評判結果，找出加權偏離度較大的指標，找到影響因素。

5 實例分析

以指標信息獲取能力B1處于平時保障狀態(tài)時的效能值求解為例，根據專家評估、數(shù)據融合等過程，得到此狀態(tài)下子指標B11到B15的狀態(tài)，如表1所示。

表1 指標狀態(tài)表

將語言值評估結果（極差，較差，一般，較好，極好）量化為 (0，0.25，0.5，0.75，1)，組成決策矩陣H，則

根據式（1）和式（2）求出各指標云模型的Ex和En，結果如下表所示。根據專家評判及國防工程任務需求確定指標的排隊等級，由式（5）求出各指標權重分配。

表2 指標期望值和熵

表3 指標的權重

云重心向量T，T0和歸一化云重心向量TG計算結果如下：

根據式（9），求得θ=0.26，則B1指標的效能值為1-θ=0.74，重復上述步驟，分別求得性能指標層的指標效能值，并作為其指標云模型的期望值來求解能力指標層的指標效能值，直到求解出系統(tǒng)總體效能值θ，將其輸入到圖3所示的云測評發(fā)生器中，得出評判結果，并分析影響效能的因素加以改進，從而提高系統(tǒng)總體效能。

6 結語

本文對國防工程管理信息系統(tǒng)的效能評估進行了研究，綜合國內外有關系統(tǒng)效能評估的研究及國防工程實際，構建了四層國防工程管理信息系統(tǒng)效能評估指標體系后，將云重心評判方法引入了國防工程管理信息系統(tǒng)的效能評估中，并進行了實例分析，表明該指標體系及云重心評判法具有一定的可操作性和可信性，可為國防工程管理信息系統(tǒng)的升級建設提供參考。