雷達裝備精確保障系統(tǒng)信息結(jié)構(gòu)設(shè)計與評價研究*

萬曉磊，宋寧哲，劉 慶，鄭龍生＊＊

(1.空軍雷達學院，武漢 430019;2.94878 部隊，安徽 蕪湖 241009)

0 引言

隨著信息化武器裝備的發(fā)展和戰(zhàn)爭形態(tài)的轉(zhuǎn)變，裝備保障方式方法也在發(fā)生著深刻的變革。信息化條件下裝備保障高需求、高價值、高時效、高技術(shù)、高質(zhì)量的特點，要求裝備保障必須確立和強化精確保障理念，即充分運用以信息技術(shù)為核心的高技術(shù)手段，精確規(guī)劃、建設(shè)和運用保障資源，在準確的時間、地點為作戰(zhàn)行動提供準確的保障，使裝備保障適時、適地、適量、高效，最大限度地提高保障工作的消費比。深入開展精確化保障理論和方法研究，對于應(yīng)對信息化戰(zhàn)爭的挑戰(zhàn)，推進中國特色軍事變革具有重要的現(xiàn)實意義［1-2］。

雷達裝備保障系統(tǒng)是指為完成雷達裝備保障任務(wù)，使用與維修裝備所需的所有保障資源及其管理的有機組合［3］，保障要素包括保障力量、保障對象、保障時間、保障空間、保障信息等。雷達裝備精確保障系統(tǒng)是一個復(fù)雜、綜合、完整的體系，核心目標是解決裝備物資平時與戰(zhàn)時“快速、精確、高效”的保障問題。以往對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究大都拘泥于對組織結(jié)構(gòu)的研究，而裝備精確保障系統(tǒng)具有其鮮明的時代特征，信息是裝備精確保障的核心，故此對裝備精確保障系統(tǒng)信息結(jié)構(gòu)的研究必不可少。本文對雷達裝備精確保障系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，建立基于熵的信息結(jié)構(gòu)評價模型，并進行了仿真驗證。

1 現(xiàn)行信息結(jié)構(gòu)模型分析

裝備保障系統(tǒng)信息結(jié)構(gòu)是指以計算機硬件、軟件技術(shù)為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐，以知識管理、信息構(gòu)建、信息資源集成理論等作為理論基礎(chǔ)，輔以知識管理技術(shù)所支持的多層次的結(jié)構(gòu)，是信息化條件下裝備保障信息資源的管理模式［4］。根據(jù)信息組織方式可以劃分為3 種模式，即組織同構(gòu)型、流線型和網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)型［5］。

1.1 同構(gòu)型信息結(jié)構(gòu)

如圖1所示，在組織同構(gòu)型信息結(jié)構(gòu)中，戰(zhàn)略級和戰(zhàn)役級裝備保障系統(tǒng)均既是信源又是信宿，向下一級提供信息，同時接受下級反饋的信息;戰(zhàn)術(shù)級裝備保障系統(tǒng)只是信宿，接收信息，但由于其反饋信息，所以也可稱為信源。戰(zhàn)術(shù)級裝備保障系統(tǒng)將信息使用的情況分別向戰(zhàn)略級和戰(zhàn)役級保障系統(tǒng)反饋。

圖1 組織同構(gòu)型信息結(jié)構(gòu)

1.2 流線型信息結(jié)構(gòu)

流線型是指在裝備保障系統(tǒng)中信息結(jié)構(gòu)是相當獨立的。在流線型信息結(jié)構(gòu)中，設(shè)立了信息中心專門負責收集并加工信息，系統(tǒng)在使用信息后，如果發(fā)現(xiàn)問題再向信源或者是信息中心進行反饋。這種信息結(jié)構(gòu)能夠更好地保證信息的質(zhì)量，但是在信息提供的過程中，程序相對較繁瑣，針對性相對較差，如圖2所示。

圖2 流線型信息結(jié)構(gòu)

1.3 網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)型信息結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)型與流線型類似，但是在網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)型信息結(jié)構(gòu)中不同的信源對應(yīng)不同的信息中心，不同的信息中心又對應(yīng)不同專業(yè)和不同子系統(tǒng)(部門），并且在不同的信源和信息中心之間也有相互交流，在信息使用中遇到的情況也是分開進行反饋，從而使得這種結(jié)構(gòu)有較好的效率，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)型信息結(jié)構(gòu)

2 雷達裝備精確保障系統(tǒng)蛛網(wǎng)型信息結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于對以上各種信息結(jié)構(gòu)的分析，本文構(gòu)建了裝備精確保障系統(tǒng)蛛網(wǎng)型信息結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

蛛網(wǎng)型信息結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)型相似，特點是全域信息共享，在信息結(jié)構(gòu)中不同的信源對應(yīng)不同的信息中心，不同的信息中心又對應(yīng)不同分系統(tǒng)，分系統(tǒng)為指揮控制分系統(tǒng)、保障力量調(diào)配分系統(tǒng)、需求預(yù)測分系統(tǒng)、物資倉儲分系統(tǒng)、重組控制分系統(tǒng)、人員管理分系統(tǒng)等。信源、信息中心以及各分系統(tǒng)都散落在各自的網(wǎng)絡(luò)中，不同的信源與信源、信息中心與信息中心都可以進行信息交流。與網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)型信息結(jié)構(gòu)不同的是，蛛網(wǎng)型信息結(jié)構(gòu)使得各分系統(tǒng)也都在一個網(wǎng)絡(luò)中相互之間可以進行信息溝通，在信息使用中遇到的情況也是分開進行反饋，從而使得這種結(jié)構(gòu)的效率更高、效果更好。

圖4 精確保障系統(tǒng)蛛網(wǎng)型信息結(jié)構(gòu)

3 雷達裝備精確保障系統(tǒng)信息結(jié)構(gòu)評價

蛛網(wǎng)型信息結(jié)構(gòu)的特點就是信息的共享。在未來信息化戰(zhàn)爭中，信息共享是實現(xiàn)精確保障的前提條件，其程度也決定了精確保障效能發(fā)揮的強弱。因此，可以依據(jù)各信源的信息共享程度以及系統(tǒng)整體的信息量來衡量系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)優(yōu)劣。

3.1 聯(lián)合熵與信息熵、條件熵的關(guān)系

根據(jù)信息熵理論［6］，熵是某個信源的平均信息量，是一種平均意義上的總體信息度量。在信息共享過程中，各信源的相關(guān)性會降低它們所攜帶的信息量。聯(lián)合熵可以描述相關(guān)信息源的不確定性，條件熵可以描述已知某信源后另一信源的不確定性。條件熵和聯(lián)合熵分別可表示為

式中，p(x，y）為信號x和y的聯(lián)合發(fā)生概率，p(y|x）為已知信號x后信號y發(fā)生的概率。

聯(lián)合熵、條件熵和信息熵存在以下關(guān)系:

上式表明，聯(lián)合熵等于前一個集合X 出現(xiàn)的信息熵加上前一個集合X 出現(xiàn)的條件下后一個集合Y 出現(xiàn)的條件熵。

在相互關(guān)聯(lián)的信息之間，某一信息往往包含另一條信息的信息量。互信息可以度量信息X中包含的信息Y的信息量，其定義為

平均互信息量和各類熵的關(guān)系可表示為

上式說明，相關(guān)信源的平均不確定度和聯(lián)合熵的信息可以用某一個信源的信息熵與已知某一信源關(guān)于另一信源的條件熵來表示。

3.2 信息結(jié)構(gòu)評價模型

由信息熵理論可知，一個系統(tǒng)的信息量大小僅與該系統(tǒng)的狀態(tài)概率相關(guān)，而與系統(tǒng)的具體狀態(tài)取值無關(guān)，且系統(tǒng)的狀態(tài)概率越小其所包含的信息熵越大。

設(shè)n1和n2為信息結(jié)構(gòu)中有相互共享關(guān)系的兩個節(jié)點，它們對應(yīng)的狀態(tài)集分別為{a1，a2，…，am}和{b1，b2，…，bm}，對應(yīng)的狀態(tài)概率分別為{p1，p2，…，pm}和{q1，q2，…，qm}，則兩個節(jié)點的信息熵為

兩個節(jié)點相互作用的聯(lián)合熵為

設(shè)節(jié)點n1和n2相互作用時n1中不被n2影響的那部分信息熵稱為n1的剩余信息熵，則n1的剩余信息熵為

設(shè)兩節(jié)點的狀態(tài)不完全相同，則已知H1≥0，根據(jù)聯(lián)合熵、條件熵的性質(zhì)可知:

上式表明節(jié)點間的條件熵小于聯(lián)合熵，而且節(jié)點間相互作用越大條件熵越小，剩余信息量也就越少，而且節(jié)點n1和n2的剩余信息量不等。

節(jié)點n1和n2共享信息量可用互信息量表述:

如果節(jié)點n1和n2是獨立的，則有pij=piqi，共享信息為0。

由互信息量的性質(zhì)可知:

則節(jié)點n1和n2的共享信息量等于兩節(jié)點相互作用的信息量。

綜上可知，可以用聯(lián)合熵表征信息結(jié)構(gòu)中信息的整體質(zhì)量，描述結(jié)構(gòu)中各節(jié)點之間相互作用而引起的信息量變化。若信息結(jié)構(gòu)有l(wèi)個節(jié)點，則信息結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的聯(lián)合熵為

可以用交互熵表征信息結(jié)構(gòu)中各節(jié)點之間的相互作用關(guān)系，即信息共享情況。若信息結(jié)構(gòu)有l(wèi)個節(jié)點，則信息結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的交互熵為

3.3 仿真分析

以信息結(jié)構(gòu)由兩個相互獨立的信源組成為例，通過Matlab 對信息熵、聯(lián)合熵和交互熵進行仿真，得到單個節(jié)點的信息熵如圖5所示，兩個信源的聯(lián)合熵如圖6所示，兩個信源的交互熵如圖7所示。

圖5 單個信源的信息熵

圖6 兩個信源的聯(lián)合熵

圖7 兩個獨立信源的交互熵

由圖5 可知，單個信源狀態(tài)概率為0.37時可獲得最大的信息熵0.3679。由圖6 可知，兩個信源的聯(lián)合熵體現(xiàn)了信息結(jié)構(gòu)整體的信息質(zhì)量，當兩個信源的狀態(tài)概率為0.37時系統(tǒng)的信息質(zhì)量最好。由圖7 可知，當兩信源相互獨立時其交互熵為0，說明兩個節(jié)點互不影響，一個節(jié)點的信息也不能為另一個節(jié)點所共享。同理，以上結(jié)論也可以推廣到多個信源的情況，這里不再贅述。

4 結(jié)束語

本文在結(jié)合相關(guān)文獻研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)雷達裝備保障的實際情況，在分析現(xiàn)有的信息結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了雷達裝備精確保障系統(tǒng)蛛網(wǎng)型信息結(jié)構(gòu)，并建立了基于熵的信息結(jié)構(gòu)評價模型。通過仿真分析，驗證了模型的可行性，對雷達裝備更好地實施精確保障具有一定的參考價值。

［1］余高達.信息化條件系裝備保障新理念解答［J］.裝備，2008(8）:59-62.

［2］徐航.武器裝備精確化保障的目標體系與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［J］.國防大學學報，2003(8）:90-93.

［3］GJB3872-1999.裝備綜合保障通用要求［Z］，2000.

［4］ADA402268.Five Year Automated Information Resources Management Plan［R］，2001.

［5］高魯.軍事裝備管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運行機制研究［D］.軍械工程學院，2006.

［6］姜璐.熵——系統(tǒng)科學基本概念［M］.沈陽:沈陽出版社，1997:65-74.