基于模糊綜合層次法的短波通信系統(tǒng)效能評(píng)估*

官 斌 關(guān)紅梅

(1.武漢市74223信箱 武漢 430074)(2.湖北省隨州市第二中學(xué) 隨州 441300)

基于模糊綜合層次法的短波通信系統(tǒng)效能評(píng)估*

官 斌1關(guān)紅梅2

(1.武漢市74223信箱 武漢 430074)(2.湖北省隨州市第二中學(xué) 隨州 441300)

短波通信是重要的遠(yuǎn)程軍事通信手段之一,其效能高低直接決定了完成通信保障任務(wù)能力的強(qiáng)弱。論文提出了一種層次分析法和模糊綜合法結(jié)合而成的模糊綜合層次法對(duì)短波通信系統(tǒng)進(jìn)行了效能評(píng)估,并通過模糊綜合指數(shù)法對(duì)評(píng)估結(jié)果向量進(jìn)行了單值化處理,所得到的最終評(píng)估結(jié)果客觀可信,貼近實(shí)際,有助于掌握其執(zhí)行遠(yuǎn)程通信保障的能力狀況。

模糊綜合層次法; 短波通信系統(tǒng); 效能評(píng)估; 模糊綜合指數(shù)法

Class Number TN97

1 引言

短波通信因?yàn)榫哂性O(shè)備簡(jiǎn)單、開設(shè)靈活、抗毀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),是目前以至今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)必須依賴的重要遠(yuǎn)程軍事通信手段之一。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)期的建設(shè)和發(fā)展,軍用短波通信系統(tǒng)已逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化,在戰(zhàn)備、訓(xùn)練和執(zhí)勤等任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。但是由于短波通信自身性能以及使用環(huán)境和方式的限制,距離實(shí)際戰(zhàn)爭(zhēng)需求還有一定的差距。為了充分掌握當(dāng)前短波通信系統(tǒng)執(zhí)行遠(yuǎn)程通信保障的能力狀況,有必要對(duì)短波通信系統(tǒng)的效能進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。

本文以短波通信系統(tǒng)的效能評(píng)估為目標(biāo),將在充分調(diào)研和對(duì)比現(xiàn)有評(píng)估方法的基礎(chǔ)上,選定適合于短波通信系統(tǒng)的評(píng)估方法,并按照相應(yīng)步驟對(duì)短波通信系統(tǒng)的效能展開評(píng)估。

2 短波通信系統(tǒng)效能評(píng)估方法的調(diào)研及選取

2.1 現(xiàn)有效能評(píng)估方法調(diào)研

在對(duì)武器系統(tǒng)的效能評(píng)估中,典型的方法有三類,即性能參數(shù)法、解析法、對(duì)抗法[1～3]。其中性能參數(shù)法是采用武器系統(tǒng)的某些典型性能指標(biāo),并進(jìn)行適當(dāng)綜合來描述武器系統(tǒng)的效能,主要包括:性能對(duì)比法、專家調(diào)查法、性能指數(shù)法等。解析法是以排隊(duì)論、對(duì)策論、軍事運(yùn)籌學(xué)、蘭徹斯特方程等數(shù)學(xué)方法為基礎(chǔ),求解武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能,主要包括:層次分析法、專家調(diào)查法、指數(shù)方法、ADC方法、模糊綜合評(píng)判法、灰色評(píng)估法等。對(duì)抗法是通過真實(shí)的或模擬的作戰(zhàn)對(duì)抗來檢驗(yàn)武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能,包括實(shí)戰(zhàn)演習(xí)和計(jì)算機(jī)模擬仿真。總的來說,性能參數(shù)法簡(jiǎn)單易行,但不夠全面,只適合于較為單一的武器;對(duì)抗法的真實(shí)性高,但代價(jià)昂貴,在武器系統(tǒng)效能評(píng)估中很少獨(dú)立地使用;解析法則介于兩者之間,能對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能進(jìn)行有效的評(píng)估,花費(fèi)也很少,因而目前在進(jìn)行效能評(píng)估時(shí)用得較多的就是解析法。

在解析法中,常用的幾種評(píng)估方法包括層次分析法、專家調(diào)查法、指數(shù)法、ADC方法、模糊綜合評(píng)判法以及灰色評(píng)估法等。其中層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)采用定性與定量相結(jié)合的方式處理各種決策因素,具有系統(tǒng)性好、過程簡(jiǎn)潔、方便靈活等優(yōu)點(diǎn),更多地應(yīng)用于評(píng)估系統(tǒng)的效能指標(biāo)建立及權(quán)重分析。專家調(diào)查法是以專家作為獲取信息的對(duì)象,依靠專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)的方法,常在數(shù)據(jù)缺乏的情況下使用。指數(shù)法針對(duì)系統(tǒng)的具體情況,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算反映系統(tǒng)能力的若干指數(shù),再通過對(duì)若干指數(shù)加權(quán)求和,得到反映系統(tǒng)綜合能力的綜合指數(shù)[4]。不足之處是其中的權(quán)系數(shù)難免受個(gè)人行為的影響,對(duì)要求比較細(xì)致描述的問題一般不很適宜。ADC方法即美國(guó)工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會(huì)(WSEIAC)方法[5],它的局限性在于難以把系統(tǒng)效能分析反映在動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)運(yùn)行過程中。灰色綜合評(píng)估適用于信息不完全或不充分的問題,既能處理確定因素的情況,又能處理不確定因素的情況,其關(guān)鍵是如何建立灰色判斷矩陣和從灰色判斷矩陣中提取信息,具有一定的應(yīng)用難度。

模糊綜合評(píng)估是應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論,結(jié)合系統(tǒng)工程中定性、定量分析方法,把工程設(shè)計(jì)要素和模糊因素解析化、定量化,使設(shè)計(jì)方案或設(shè)計(jì)質(zhì)量的比較、評(píng)估建立在科學(xué)基礎(chǔ)上,其關(guān)鍵技術(shù)是建立問題的層次結(jié)構(gòu)模型,確定各設(shè)計(jì)因素的隸屬度函數(shù)分布,并建立模糊關(guān)系。當(dāng)評(píng)估涉及多指標(biāo)的事物時(shí),就應(yīng)該綜合各方面的要求做出一個(gè)更符合實(shí)際的評(píng)估。因而,可以利用模糊集合理論對(duì)某一事物的各指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)程度進(jìn)行綜合,然后根據(jù)給定的標(biāo)準(zhǔn),得出綜合性的評(píng)定意見。

2.2 短波通信系統(tǒng)效能評(píng)估方法選取

從上面的介紹可以看出,效能評(píng)估的方法是多種多樣的。但無論采用哪一種方法,關(guān)鍵要看評(píng)估效能的目的,同時(shí)也取決于當(dāng)前的環(huán)境和各種條件(如原始數(shù)據(jù)資料等)。很多時(shí)候常常需要幾種評(píng)估方法同時(shí)使用,相輔相成,才能得到比較全面和科學(xué)的結(jié)論。

對(duì)于短波通信系統(tǒng)效能評(píng)估而言,主要目的是通過評(píng)估掌握短波通信系統(tǒng)現(xiàn)在的效能狀況。目前,對(duì)通信系統(tǒng)效能的評(píng)估主要是采用模糊綜合評(píng)估法和層次分析法,但這兩種方法各自存在著不同程度的缺陷。模糊綜合評(píng)估法中指標(biāo)權(quán)重的給定,定性的成分較大,層次分析法無法處理一些影響通信系統(tǒng)效能的因素的隨機(jī)性,因而若分別單獨(dú)采用這兩種方法來評(píng)估短波通信系統(tǒng)的效能缺乏較高的可信度。

為了更加科學(xué)合理地評(píng)估短波通信系統(tǒng)的效能,根據(jù)對(duì)效能評(píng)估方法的比較和分析,結(jié)合短波通信系統(tǒng)的特點(diǎn),本文采取層次分析法和模糊綜合評(píng)估法相結(jié)合的模糊綜合層次分析法對(duì)短波通信系統(tǒng)的效能進(jìn)行評(píng)估。

3 模糊綜合層次法進(jìn)行效能評(píng)估的步驟

模糊綜合層次分析法是在模糊綜合評(píng)估法和層次分析法的基礎(chǔ)上,提出的一種短波通信系統(tǒng)效能評(píng)估的方法。其基本原理是先用層次分析法計(jì)算短波通信系統(tǒng)各指標(biāo)因素的影響程度即權(quán)重;然后利用模糊綜合評(píng)估法,采用遞推算法給出目標(biāo)層對(duì)評(píng)語(yǔ)的隸屬度,建立模糊矩陣,根據(jù)各因素的影響程度來進(jìn)行綜合評(píng)估。這種方法既解決了短波通信系統(tǒng)效能評(píng)估指標(biāo)權(quán)重取值的科學(xué)合理性問題,又能夠有效地對(duì)影響短波通信系統(tǒng)效能的一些具有難以預(yù)測(cè)的隨機(jī)性因素進(jìn)行合理地處理,從而使短波通信系統(tǒng)效能的評(píng)估更加科學(xué)合理,具有更高的可信度。

基于模糊綜合層次分析法評(píng)估短波通信系統(tǒng)效能的流程如圖1所示。其主要步驟包括確定短波通信系統(tǒng)效能指標(biāo)集、確定各因素的權(quán)重、設(shè)定評(píng)估集、建立模糊評(píng)估矩陣及給出最終結(jié)果。對(duì)于多層指標(biāo)體系,還需要由底層向上遞推計(jì)算上一層次的評(píng)估結(jié)果,根據(jù)算出的各個(gè)得分值,再向上遞推到目標(biāo)層。

圖1 短波通信系統(tǒng)效能評(píng)估流程圖

在上述的效能評(píng)估流程中,需要著重說明的是最后一步模糊評(píng)估結(jié)果的獲得。由于短波通信系統(tǒng)效能評(píng)估是一種系統(tǒng)級(jí)的評(píng)估,短波通信系統(tǒng)效能評(píng)估指標(biāo)體系中,各個(gè)指標(biāo)考核的是短波通信系統(tǒng)能力不同方面的要求,因而要根據(jù)對(duì)這些指標(biāo)的評(píng)估獲得對(duì)短波通信系統(tǒng)整體效能的評(píng)估,就需要所運(yùn)用的模糊綜合評(píng)估具有較好的綜合能力,以保證短波通信系統(tǒng)效能評(píng)估具有較好的綜合性或綜合程度。

在利用模糊綜合層次分析法中,每級(jí)模糊綜合評(píng)估最終都要進(jìn)行模糊變換,其模型為

=[b1,b2,…,bm]

其中“°”為模糊合成算子。

對(duì)于多層次系統(tǒng),則先對(duì)最底層的諸項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行單級(jí)模糊綜合評(píng)估,繼而對(duì)較高層的諸項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行單級(jí)模糊綜合評(píng)估,直到得出目標(biāo)層的模糊綜合評(píng)估為止。

多級(jí)模糊綜合評(píng)估結(jié)果的正確性主要是由體現(xiàn)隸屬度的模糊關(guān)系矩陣的正確性和模糊合成算子選擇的正確性所決定的。利用評(píng)估專家的經(jīng)驗(yàn)獲得的評(píng)估指標(biāo)隸屬度,其正確性基本上是可以保障的,因而選擇合適的模糊合成算子成了有效評(píng)估短波通信系統(tǒng)效能的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。通過對(duì)現(xiàn)有四種模糊合成算子[6]的分析和比較,可以看出加權(quán)平均型算子M(·,⊕)在體現(xiàn)權(quán)數(shù)作用、綜合程度和利用模糊關(guān)系矩陣方面有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì),因此在將模糊綜合層次分析法運(yùn)用于短波通信系統(tǒng)效能評(píng)估時(shí),模糊綜合層次分析法中的模糊變換應(yīng)該采用M(·,⊕)算子(即加權(quán)平均型算子)進(jìn)行模糊變換運(yùn)算。

加權(quán)平均型算子在體現(xiàn)權(quán)數(shù)作用、綜合程度和利用模糊關(guān)系矩陣方面的優(yōu)勢(shì)完全能滿足上述的短波通信系統(tǒng)效能評(píng)估的需求,而且其在利用模糊關(guān)系矩陣信息方面的優(yōu)勢(shì)可以更進(jìn)一步地確保短波通信系統(tǒng)效能評(píng)估結(jié)果的正確性。

4 利用模糊綜合層次法進(jìn)行短波通信系統(tǒng)效能評(píng)估

4.1 效能評(píng)估指標(biāo)體系的建立

短波通信主要應(yīng)用于軍事通信領(lǐng)域,在確定短波通信裝備的效能指標(biāo)體系時(shí),要充分考慮其它的軍事特征。此處借用文獻(xiàn)[7]中已有的成果,也將其效能指標(biāo)歸納為以下幾類:可靠性、有效性、抗干擾性、安全性和機(jī)動(dòng)性,如圖2所示。

圖2 短波通信系統(tǒng)效能評(píng)估的指標(biāo)體系

根據(jù)圖2建立的評(píng)價(jià)因素集合為:系統(tǒng)效能E={可靠性B1,有效性B2,抗干擾性B3,安全性B4,機(jī)動(dòng)性B5};可靠性B1={通信成功率B11,網(wǎng)絡(luò)生存性B12,節(jié)點(diǎn)連通度B13,網(wǎng)絡(luò)連通度B14};有效性B2={業(yè)務(wù)能力B21,業(yè)務(wù)處理能力B22,頻率利用率B23};抗干擾性B3={信息傳送能力B31,電子防御能力B32};安全性B4={可用性B41,保密能力B42,防入侵能力B43};機(jī)動(dòng)性B5={快速反應(yīng)能力B51,組網(wǎng)能力B52}。

4.2 評(píng)估指標(biāo)權(quán)重的確定

通過進(jìn)行兩兩對(duì)比,得出第一層的判斷矩陣A為:

最大特征值λmax=5.0021,一致性指標(biāo)CI=(5.0021-5)/(5-1)=0.0005,查表知平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI=1.12[8],CI/RI=0.00004<0.1,因此該判斷矩陣具有較好的一致性。對(duì)應(yīng)的特征向量經(jīng)歸一化后即得到各因素的權(quán)向量為AA=[0.35 0.2 0.2 0.2 0.05]。

（3）從modelA所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)中，挑選治愈概率較小的（Pi＜0.5）,同時(shí)滿足將其協(xié)變量帶入模型B所得治愈概率較大（Pi＞0.5）的患者n/3例，獲得數(shù)據(jù)集dataA-B+，這些是對(duì)處理組B敏感的亞組，Subgroup=B。產(chǎn)生二分類結(jié)局變量Yi=rbinom(1,1,A_Pi)。

同理,經(jīng)過比較得出第二層各評(píng)估指標(biāo)之間的判斷矩陣如下:

通過求取各判斷矩陣的最大特征值,然后通過隨機(jī)一致性檢驗(yàn)之后,得出歸一化的各指標(biāo)的權(quán)重分別為AB1=[0.3509 0.3509 0.1890 0.1092],AB2=[0.40 0.40 0.20],AB3=[0.5 0.5],AB4=[1/3 1/3 1/3],AB5=[0.5 0.5]。

4.3 模糊綜合評(píng)估結(jié)果的評(píng)判

設(shè)定模糊評(píng)判集以表示由高到低的評(píng)語(yǔ),通常采用“最優(yōu),優(yōu),良,中,劣”的五級(jí)評(píng)語(yǔ)。由10位評(píng)估人員和專家按照上述等級(jí)得到的判斷結(jié)果,確定出第三層中共14個(gè)指標(biāo)的指標(biāo)隸屬度向量及構(gòu)成的模糊矩陣為

運(yùn)用M(·,⊕)算子進(jìn)行模糊變化所得結(jié)果為

=[0.06 0.57 0.23 0.14 0]

=[0.02 0.44 0.54 0 0]

=[0 0.1 0.75 0.15 0]

=[0 0.4 0.53 0.07 0]

=[0 0.4 0.5 0.1 0]

至此已經(jīng)全部得出了所有第三層指標(biāo)的模糊評(píng)判結(jié)果,此時(shí)可以根據(jù)前面得出的第二層指標(biāo)的權(quán)向量以及上述評(píng)判結(jié)果,得到短波通信系統(tǒng)的效能評(píng)估結(jié)果向量為:

=[0.03 0.41 0.42 0.10]

4.4 評(píng)估結(jié)果分析

由上面對(duì)短波通信系統(tǒng)效能評(píng)估的過程及結(jié)果可知,通過模糊綜合評(píng)估運(yùn)算,最終得出的是向量值,而不是具體的數(shù)值。為了使短波通信系統(tǒng)效能評(píng)估結(jié)果在客觀、準(zhǔn)確的前提下,具有更強(qiáng)的直觀性和可懂性,因此需要對(duì)模糊綜合評(píng)估的結(jié)果向量進(jìn)行單值化,以得出具體的數(shù)值。

目前,模糊綜合評(píng)估結(jié)果單值化的常用方法有以下幾種:最大隸屬度法、補(bǔ)注次大隸屬度、模糊綜合指數(shù)法以及模糊綜合級(jí)數(shù)法[9]。通過對(duì)這四種方法進(jìn)行分析和比較,發(fā)現(xiàn)最大隸屬度法和補(bǔ)注次大隸屬度都無法解決具有相同隸屬度的問題。另外對(duì)于隸屬度相近的評(píng)估,最大隸屬度法無視次大隸屬度的影響,評(píng)估過于武斷;補(bǔ)注次大隸屬度法又過于牽強(qiáng)。雖然模糊綜合指數(shù)法和級(jí)數(shù)法頗有相通之處,對(duì)隸屬度相近的情況能進(jìn)行客觀地裁決,但通過評(píng)估結(jié)果做比較會(huì)發(fā)現(xiàn):當(dāng)五個(gè)等級(jí)的隸屬度相差不大時(shí),用兩種方法判斷得到的結(jié)果差距很大,甚至一個(gè)等級(jí)的差別;相反,對(duì)五個(gè)等級(jí)的隸屬度相差較大時(shí),用兩種方法判斷得到的結(jié)果差距較小。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),模糊綜合級(jí)數(shù)法只考慮了三個(gè)隸屬度對(duì)最終評(píng)估結(jié)果的影響,在一定程度上丟失了部分信息,這樣對(duì)那些五個(gè)等級(jí)隸屬度相差不大的情況就不適應(yīng)了;而模糊綜合指數(shù)法綜合考慮了各隸屬度對(duì)評(píng)估結(jié)果的貢獻(xiàn),更為科學(xué),也更為精確。因此,本文采用模糊綜合指數(shù)法來判斷最終的結(jié)果等級(jí)。

將模糊綜合評(píng)估與經(jīng)典的指數(shù)法相結(jié)合,使模糊綜合評(píng)估中的隸屬度與評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)綜合考慮,即得到了模糊綜合指數(shù)法,能夠進(jìn)一步提高評(píng)估的準(zhǔn)確性。其表示方法為

=b1×S1+b2×S2+…+bm×Sm

式中:FCI為模糊綜合指數(shù),B為模糊綜合評(píng)估結(jié)果,S為評(píng)估等級(jí)依次賦以的分值。該方法綜合考慮了各級(jí)隸屬度對(duì)最后評(píng)估結(jié)果的影響,信息利用率高,實(shí)踐證明,該方法的準(zhǔn)確性很高。

在本文中,對(duì)評(píng)判集中的五個(gè)評(píng)估等級(jí)依次賦以分值5,4,3,2,1,利用模糊指數(shù)法計(jì)算公式可得到短波通信系統(tǒng)的效能結(jié)果數(shù)值為3.62,可見短波通信系統(tǒng)的效能達(dá)到了良好以上的水平。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在充分調(diào)研和比較現(xiàn)有效能評(píng)估方法的基礎(chǔ)上,選擇了綜合利用層次分析法及模糊綜合評(píng)判法相結(jié)合的模糊綜合層次法對(duì)短波通信系統(tǒng)的效能進(jìn)行評(píng)估,并按照此方法的評(píng)估步驟建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)集、確定了指標(biāo)權(quán)重、建立了評(píng)估矩陣。在對(duì)所得的評(píng)估向量進(jìn)行單值化處理時(shí),采用模糊綜合指數(shù)法獲得了關(guān)于短波通信系統(tǒng)效能的最終評(píng)估結(jié)果,有效避免了其他處理方法所存在的局限和不足。得到的最終評(píng)估結(jié)果可信,貼近客觀實(shí)際,有助于掌握短波通信系統(tǒng)真實(shí)的通信保障能力。

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Efficiency Evaluation of HF Communication System Based on Fuzzy Synthetic Hierarchy Method

GUAN Bin1GUAN Hongmei2

(1. No. 74223 P.O. Box, Wuhan 430074)(2. No. 2 High School of Suizhou, Suizhou 441300)

High Frequency(HF) communication is one of the important methods of long distance communication. The efficiency of HF communication system directly determines the capability of fulfilling the mission of long distance communication. A new fuzzy synthetic hierarchy method combining the fuzzy synthetic method with the analytic hierarchy process is used to evaluate the efficiency of HF communication system. The vector of middle result is processed into one value using the method of fuzzy synthetic index. The final result is actual and believable and helps understand the real capability of fulfilling the long distance communication.

fuzzy synthetic hierarchy method, high frequency(HF) communication system, efficiency evaluation, index, fuzzy synthetic index method

2013年8月11日,

2013年9月23日

官斌,男,碩士研究生,工程師,研究方向:軍事裝備系統(tǒng)監(jiān)造及效能評(píng)估。關(guān)紅梅,女,研究方向:數(shù)學(xué)理論及應(yīng)用。

TN97

10.3969/j.issn1672-9730.2014.02.016