基于灰色層次分析的通信系統防御能力效能評估

王 歡，李有才，鄭春弟

（海軍陸戰學院，廣州510430）

0 引 言

通信系統由信息傳輸、交換及其處理終端等設備構成，是綜合電子信息系統的重要組成部分，是信息作戰的主戰裝備之一，具有信息化戰爭的神經系統地位［1］。軍事通信系統與民用通信系統相比具有許多特殊性，其系統能力在信息作戰條件下更多地體現在系統防御能力上，如反偵察、抗干擾、防強電磁攻擊、防網絡入侵與安全保密能力等，正是這些特殊性推動著軍事通信系統迅速發展，并形成了適應復雜電磁環境及信息作戰要求的通信系統。文章分析了通信系統防御能力效能評估指標體系和分層結構，建立了系統防御能力效能評估模型，并利用灰色層次分析法（GAHP）具有層次分析和灰色理論的雙重優點，采用群組決策特征根（GEM）算法計算評估指標權重的方式，克服了單純層次分析法（AHP）分析判斷矩陣的不一致性，通過典型實例，驗證了本方法的可行性與準確性。

1 灰色層次分析法的基本步驟

層次分析法是一種定性與定量分析相結合的多目標決策分析法，是通過把復雜問題分解為各個組成因素，將這些因素按分配關系分組形成有序的低階層次結構，通過兩兩比較的方式確定層次中諸因素的相對性。該方法自提出以來便以其簡單易行的特點，在決策領域得到了廣泛應用。但是由于信息的不完全性和人們對信息認知的灰色性，層次分析法在構造判斷矩陣時，不能確定地認為一個元素完全屬于某個標度，而不屬于其它標度。為了有效解決這種灰色問題，采用灰色層次分析法可有效降低人為因素的影響，使評價結果具有較強的客觀性。

設Z代表能力的綜合評價值，R代表一級評價指標組成的集合，且R＝｛Gi，i＝1，2，…，m｝，其中Gi是二級評價指標Hij組成的集合，即Gi＝｛Hi1，Hi2，…，Hij｝。為了實現對通信系統防御能力的評估，需要對各指標進行評分，評分標準見表1，其中Z為評分值。

表1 通信系統防御能力指標評分標準

（1）利用層次分析法計算指標權重

根據建立的目標層次結構，由專家或評估者對同一層次的各元素關于上層中某一準則的重要性進行兩兩比較，構造判斷矩陣，計算相鄰層次中下層元素對上層元素的組合權重W＝（w1，w2，…，wn），并且進行一致性檢驗，分析權重選擇的合理性。

（2）確定評價樣本矩陣

設有p（p＝1，2，…，k）個專家對所有受評對象Hij按指標評分標準進行評分，所有得分dijp組成評價樣本矩陣：

（3）確定評價灰類

確定評價灰類就是要確定評價灰類的等級數、灰類的灰數以及灰數的白化權函數，針對具體對象，通過定性分析確定。灰類與白化權函數如下［2］。

第一灰類“優”（e＝1），灰數⊕∈［0，8，＋∞），白化權函數f1為：

對應函數圖如圖1所示。

圖1 第一灰類“優”的白化權函數及其對應函數圖

第二灰類“良”（e＝2），灰數⊕∈［0，8，16］，白化權函數f2為：

對應的函數圖如圖2所示。

圖2 第二灰類“良”的白化權函數及其對應函數圖

第三灰類“中”（e＝3），灰數⊕∈［0，4，8］，白化權函數f3為：

相對應的函數圖如圖3所示。

圖3 第三灰類“中”的白化權函數及其對應函數圖

第四灰類“差”（e＝4），灰數⊕∈［0，2，4］，白化權函數f4為：

相對應的函數圖如圖4所示。

（4）計算灰色評價權向量及矩陣

首先計算得出專家組評價指標Hij屬于第e個灰類的灰色評價權：

圖4 第四灰類“差”的白化權函數及其對應函數圖

則Gi所屬指標Hij對于各個評價灰類的灰色評價矩陣為：

（5）評價結果

先對子目標層Gi進行綜合評判：Bi＝WGi－H×Ri＝（bi1，bi2，… ，big），其中，WGi－H表示Gi中各因素的權重，Ri表示灰色評價權矩陣，由上述評價結果，得到對于各評價灰類的灰色評價矩陣：R＝（B1，B2，B3……Bm）。

在對總目標層F進行綜合評判：B＝W×R，其中，W 表示子目標層Gi相對總目標F 的各因素權重。

對各灰類等級按“灰水平”賦值，得到各評價灰類的值化向量D＝（d1，d2，…，dg），將B 單化值可計算系統的能力綜合評價值：Z＝B×DT。

2 評估指標權重確定

目前，信息作戰對通信系統的基本要求仍然是迅速、準確、保密、不間斷地傳輸與交換信息，平時強調信息傳輸的準確性、穩定性和保密性，戰時更強調信息傳輸的快速性和抗擾性，按照這個要求，從通信系統防御能力的研究角度，通信系統防御能力效能評估指標及分層結構如圖5所示。

圖5 通信系統防御能力效能評估指標及分層結構圖

根據AHP的分層思想，通信系統防御能力效能評估可以分為總目標層（F）、子目標層（Gi）和指標層（Hi）。根據文獻［3］，子目標層定義為：

系統反偵察能力：系統為防止己方通信信號被敵截獲、偵察定位、獲得有用參數而采取的安全防護措施及活動的能力。系統反偵察能力強，則被敵截獲的概率減小，被偵察定位或獲得我通信系統有用參數的可能性降低。

系統抗干擾能力：系統為保障通信順暢，抑制、削弱或消除電磁干擾對通信影響而采取的措施及其行動的能力。系統抗擾能力強則系統抑制、削弱或消除電磁干擾的影響措施或行動得力，在信息對抗異常激烈的電磁環境中，信息傳輸就有保障。

系統防強電磁攻擊能力：為使電子設備和系統免受或減輕高能電磁脈沖的破壞進行防護的能力。系統防強電磁攻擊能力強則系統防強電磁攻擊的防御措施有效，系統受到電磁攻擊后重新恢復通信能力的可能性增大。

系統防計算機網絡入侵能力：為保護己方計算機網絡系統正常工作和信息數據安全有效而采取防范措施及其行動的能力。系統防計算機網絡入侵能力強則網絡隔離、網絡訪問控制、網絡入侵檢測、網絡攻擊源追蹤的技術相對高，防范措施及其行動的效果明顯。

系統安全保密能力：為保證系統安全而在保密方面采取的管理和技術措施的能力。系統安全保密包括實體安全保密、數據傳輸安全保密、技術防護安全保密和管理安全保密等多個方面，信息作戰中數據傳輸安全保密的地位隨著武器裝備的發展日益凸顯。

3 建立通信系統防御能力分析模型

3.1 構造兩兩比較的判斷矩陣

構建判斷矩陣的目的在于確定指標集上各指標的權重。判斷矩陣一般通過各因素間兩兩比較獲得，若以上一層元素B作為準則，則對下一層次元素C就有支配關系，即在準則B下按C相對重要性賦予它們相應的權重，為此引入1～9的比例標度，其含義如表2所示［4］。

表2 1～9比例標度的含義

3.2 確定單層權重排序

表3 平均隨機一致性指標IR

表4 子目標層Gi相對于總目標層F的判斷矩陣

當RC＜0.1時，認為判斷矩陣的一致性可以接受；否則，需要調整判斷矩陣，使之具有滿意的一致性。

利用層次分析法可建立通信系統防御能力子目標層Gi相對于總目標層F的判斷矩陣，如表4所示。0.002 9，RC＜0.1，判斷矩陣一致性滿足要求，所選指標分配合理。

利用層次分析法可建立通信系統防御能力指標層Hij相對于子目標層Gi的判斷矩陣如下：

（1）指標層H1i相對于子目標層G1的判斷矩陣如表5所示。

表5 指標層H1i相對于子目標層G1的判斷矩陣

（2）指標層H2i相對于子目標層G2的判斷矩陣如表6所示。

表6 指標層H2i相對于子目標層G2的判斷矩陣

（3）指標層H3i相對于子目標層G3的判斷矩陣如表7所示。

表7 指標層H3i相對于子目標層G3的判斷矩陣

（4）指標層H4i相對于子目標層G4的判斷矩陣如表8所示。

表8 指標層H4i相對于子目標層G4的判斷矩陣

根據G4判斷矩陣可得最大特征根λmax＝4.060 6，將其對應的特征向量歸一化處理后得到指標層H4i相對于子目標層G4的指標權重WG4－H分別為 0.262 5、0.185 6、0.110 4、0.441 5。IC＝RC＜0.1，判斷矩陣一致性滿足要求。

（5）指標層H5i相對于子目標層G5的判斷矩陣如表9所示。

表9 指標層H5i相對于子目標層G5的判斷矩陣

4 專家給出指標評價樣本矩陣

考慮對通信系統防御能力效能實戰數據、實驗數據和演練數據的缺陷，采用邀請本領域5位專家打分的形式，對通信系統防御能力效能進行評分，以10分為滿分，各指標的評分結果如表10所示。

5 計算灰色評價權向量及矩陣

以通信系統防御能力子目標層反偵察能力G1為例，計算灰色評價權向量及其矩陣。

同樣方法，當e＝2時，x112＝4.625；e＝3時，x113＝0.75；e＝4時，x114＝0。

利用相同的方法，可以計算出抗干擾能力G2、防強電磁攻擊能力G3、防計算機網絡入侵能力G4、安全保密能力G5的灰色評價權矩陣：

表10 通信系統防御能力效能各指標評分結果

6 計算評價結果

根據通信系統防御能力效能評估指標體系，對子目標層Gi進行綜合評判：

則Gi對于各類評價灰類的灰色評價矩陣：

因此，總目標層F的綜合評判結果為：

以優、良、中、差對應評分標準中的值作為各評價灰類等級的值化向量，則值化向量D＝［9，7，5，3］。據此，可計算出該通信系統防御能力的評價值：Z＝B×DT＝7.696 2。

對照表1通信系統防御能力指標評分標準，評價值6≤Z（7.696 2）＜8，該通信系統防御能力屬于“良”的等級范圍，符合實際情況，驗證了方法的可行性。

7 結束語

文章根據軍事通信系統工作特點，構建了通信系統防御能力效能評估指標體系；應用層次分析和灰類及白化權函數基本理論，確定了評價矩陣指標元素，建立了通信系統防御能力效能評估數學模型，實現了對通信系統防御能力效能的定量評估；通過典型實例分析，驗證了灰色層次分析法能有效提高通信系統防御能力效能評估的客觀性。

［1］張冬辰，周吉，吳巍，等.軍事通信——信息化戰爭的神經系統［M］.北京：國防工業出版社，2008.

［2］高鹍，邢國平，孫德祥，等.基于灰色層次分析法的裝備維修保障能力評價［J］.飛機設計，2012，32（2）：72－76.

［3］全軍軍事術語管理委員會.中國人民解放軍軍語［M］.北京：軍事科學出版社，2011.

［4］高小敏，王鵬華，馬勝輝.基于層次分析法的炮兵營作戰能力評估［J］.艦船電子對抗，2010，33（2）：117－119.