基于云理論的戰術數據鏈效能評估

陳　檳，尹亞蘭，萬　福

(海軍指揮學院,南京 211800)

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基于云理論的戰術數據鏈效能評估

陳檳，尹亞蘭，萬福

(海軍指揮學院,南京 211800)

摘要：戰術數據鏈的指標體系中不僅包含可進行實測的定量指標，還有一部分不可量化的定性指標。針對該特點，提出用云理論解決其效能評估的問題,建立評估的指標體系，并將各指標用云模型表示，研究云理論評估的方法，在云重心加權偏離度的計算中，可能有某些指標對偏離度的貢獻與實際意義正好相反，因此對云重心歸一化公式進行修正。最后通過實例計算證明了修正后的方法評估可信度更高。

關鍵詞：戰術數據鏈；效能評估；云理論；云重心；加權偏離度

0引言

戰術數據鏈是將廣域分布的數字化指揮中心、指揮所、參戰部隊和武器平臺鏈接起來的信息處理、交換和分發系統。它就像“戰爭巨人”的神經系統，使得單獨的、孤立的武器單元聯結起來，形成巨大的戰爭網絡[1]，最大限度發揮武器系統的火力優勢。目前對戰術數據鏈的效能評估也多為在數據鏈應用下的火力優勢評估，即從作戰效果上來評價戰術數據鏈的優劣，而且大部分的效能評估往往只考慮戰術數據鏈本身的性能，而忽略了其中人為因素的影響。實際上，在戰術數據鏈作戰運用過程中，其效能的充分發揮離不開作戰指揮人員及戰術數據鏈操作人員的優良表現。加入這些人為因素的影響，顯然會使綜合評價的結果更加準確可信。在指標體系中，人為因素的影響往往不可精確度量，被稱為定性指標，常用“好”、“很好”等語言值對這些定性指標的優劣進行描述。

人為因素的加入使指標體系中定性指標的比重增加，給評估帶來一定難度，傳統的灰色理論法、模糊綜合評判法、層次分析法(AHP)等都無法對定性定量指標共存的綜合指標體系進行客觀精準的評估。這時云理論就體現了其優勢：可將模糊性和隨機性有機結合在一起，充分實現精確數值和定性語言之間的轉換[2-3]。 因此考慮采用云理論來解決戰術數據鏈效能評估問題。

1戰術數據鏈指標體系研究

1.1　指標體系建立

戰場態勢瞬息萬變的信息化戰爭下，對通信系統的基本要求包括：有效、迅速、可靠[4]。戰術數據鏈作為一種對作戰進行全面保障的特殊通信系統，其基本要求也可歸納為有效、迅速、可靠3點。再根據指標體系建立的客觀、完整、科學等原則，可建立如圖1所示的指標體系。

圖1　戰術數據鏈運用效能指標體系

1.2　指標分析

信道連通性是指戰術數據鏈網絡中各節點間信道正常連通的概率，該值與不同的信道選擇以及通信距離有關。

設備穩定性指戰術數據鏈裝備正常工作時間在總作戰時間中所占的比例。遂行作戰任務時，數據鏈裝備只有正常工作和故障2種狀態，一旦發生故障，維修人員就對故障進行檢修，維修人員素質高低直接影響故障時間的長短，從而影響指標值大小。

信息傳輸時延包括信源編碼時間、發送等待時間、編碼調整時間、數據發送時間、數據接收時間、數據處理時間等,主要由有數據鏈裝備的硬件性能、傳輸數據的類型、數據量大小、傳輸距離等決定。

戰術數據鏈的數據準確性常用誤碼率來衡量，即單位時間內數據鏈系統接收的錯誤碼元數和總碼元數的比值。該指標也反映了戰術數據鏈系統的抗干擾能力。影響數據準確性的因素有原始數據誤差、敵方蓄意干擾、噪聲干擾、信息速率、裝備糾錯與融合能力等。

戰術數據鏈指揮人員主要負責數據鏈網絡的規劃、戰術任務的分配，并與各參戰部隊進行協調，確保戰術任務的有效執行。

戰術數據鏈操作人員素質包括能否承受強大的心理壓力，能否在錯綜復雜的信息中分析處理各種不同類型的信息，能否堅持連續作業，能否集中精力，能否不誤操作導致死機、中斷等嚴重后果[5]等。

2基于云理論的戰術數據鏈效能評估方法研究

2.1　云理論的基本概念

云理論是定性概念與其定量表示之間不確定性轉化的理論[6-7]。設U是一個有精確范圍的論域，論域中任意元素x，都對某一定性概念A有著一定的傾向，傾向值y=μA(x),表示x對概念A的確定程度，x在論域上的分布稱為云模型，簡稱云。

云的數字特征可用期望Ex、熵En和超熵He來表示[8]，它們反應了定性概念A的定量特征。

期望值Ex是定性概念在論域中的中心值，也就是最能代表這個定性概念的量化值。

熵En是定性概念的不確定性反應，有3個方面的表現：一是反映了論域中可被定性概念A接受的云滴群的范圍大小，即模糊度，是定性概念亦此亦彼性的度量；第二還反映了在論域中云滴群能夠代表這個語言值的概率密度，表示代表定性概念的云滴出現的隨機性；最后，熵還揭示了模糊性和隨機性的內在關系，可以用來代表一個定性概念的粒度。

超熵He是熵的不確定性的度量，即熵的熵，反映了云滴的離散程度。超熵是由熵的隨機性和模糊性決定的，超熵越大，云滴的離散度越大，云的“厚度”也越大。

云重心可以表示為T=a×b，a表示云重心的位置，b表示云重心的高度。期望值反映相應的模糊概念的信息中心值，即可作為云重心位置。當期望值發生變化時，它所代表的信息中心值發生變化,云重心的位置也相應地改變。期望值相同的云可通過比較云重心高度的不同區分它們的重要性，即云重心高度反映了云的重要程度。所以說，通過云重心的變化情況可反映出系統狀態信息的變化情況。

2.2　基于云理論的戰術數據鏈效能評估方法研究

要進行戰術數據鏈的效能評估，首先肯定是建立其效能評估的指標體系，并研究各指標所占的權重。本文用AHP法確定權重。

在指標體系中，既有用精確數值表示的定量指標，又有用語言值描述的定性指標，提取n組實測的樣品組成決策矩陣。每個精確數值型表示的指標可用一個云模型來表示，其中：

Ex=(Ex1+Ex2+…+Exn)/n

(1)

En=[max(Ex1,Ex2,…,Exn)-

min(Ex1,Ex2,…,Exn)]/6

(2)

同時每個語言值指標可用一個一維綜合云模型表示：

Ex=(Ex1En1+Ex2En2+…+

ExnEnn)/(En1+En2+…+Enn)

(3)

En=En1+En2+…+Enn

(4)

這樣，用p個云模型就可以表示p個系統指標，那么p個指標所反映的系統狀態也就可以用一個p維綜合云來表示[9]。當系統狀態發生變化時，這個p維綜合云的形狀也將發生變化，相應的它的重心就會改變。p維綜合云的重心用一個p維向量表示，即T=(T1,T2,…,Tp)，其中Ti=ai×bi,i=1,2,…,p。

(5)

此時理想狀態的云重心向量為(0， 0，…， 0)。因此加權偏離度θ可表示為：

(6)

式中:θ值為負數，其絕對值表示系統狀態偏離理想狀態的程度，簡稱偏離程度。

然后構建評語云發生器。采用由11個評語所組成的評語集[10-14]：V=(v1,v2,…,v11)=(vt|t=1,2,…,11)=(無，非常差，很差，較差，差，一般，好，較好，很好，非常好，極好)。

理想狀態下系統性能為極好，顯然偏離程度越小越好。將11個評語置于連續的語言值標尺上，每個評語都用云模型來實現，比如評語“很好”可用數字特征為(0.8，0.033 3，0.000 1)的云模型來表示，超熵幾乎為0，可使圖像更清楚直觀，也不影響評估精度。其他評語只有期望值的不同，構成一個定性評測語言的云發生器，如圖2所示。

圖2　評測云發生器

最后將θ輸入評測云發生器中，它可能有以下2種激活情況：

(1) 激活某個評語云模型的程度遠大于其它評語(當二者的激活程度的差值的絕對值大于某個給定的閾值)，這時該評語值即可作為對方案的評測結果輸出;

(2) 激活了2個評語值的云對象，且激活程度相差很小(當二者的激活程度的差值的絕對值小于某個給定的閾值)，這時運用云理論中綜合云的原理，生成一個新的云對象，它的期望值對應的定性表述可由專家或系統用戶另外給出。

3對云重心加權偏離度計算的改進

研究第1節中建立的戰術數據鏈效能評估的指標體系，發現一些指標是越大越好，可稱為效益型指標，而另一些則是越小越好，為成本型指標。若用式(5)進行統一處理，則2類指標在均為欠理想狀態時對偏離程度產生的作用是相反的(效益型指標增大偏離程度，成本型指標縮小偏離程度)，顯然不合邏輯。比如信息傳輸時延是一個成本型指標，追求盡量小，而其他指標都是效益型指標，顯然原式僅僅考慮對效益型指標進行歸一化，不能直接用于該指標體系的評估。另外，若指揮員思路清晰、組網科學，操作人員技術嫻熟、操作熟練，信道傳播條件也異常良好，可能會導致實際時延比理想時延還要小。根據式(5)的計算，實際時延比理想時延小得越多。偏離程度越大，將激發評語云發生器中越不理想的評語。而實際上，時延越小評語值應該是越優。 因此，原式并不能客觀真實地反應指標的云重心偏離程度，有必要分情況進行討論：

(1) 對于效益型指標，式(5)可不作修改；

(7)

4戰術數據鏈效能評估算例

圖3　各指標權重分布圖

首先，針對第1節已建立的指標體系，用AHP法研究各指標的權重。通過咨詢專家意見，對信道連通性、設備穩定性、信息傳輸時延、數據準確性、指揮人員素質、操作人員素質這6個指標構造重要性判斷矩陣如下：

將層次模型及判斷矩陣輸入yaahp軟件，得到圖3所示的權重分布。權重向量W=(0.302 5,0.081 6,0.240 1,0.091 6,0.166 5,0.117 7)，其中一致性值RC=0.020 8<0.1，表明該判斷矩陣有效，權重計算結果可信。

然后，通過演習、計算機模擬等途徑，結合專家打分，獲取5組指標性能的樣本數據，如表1所示。

表1　指標性能樣本數據

根據云理論，由T=a×b可求得各指標的云重心向量和理想狀態的云重心向量：

T=(26.559 5, 7.327 7, 0.600 3, 7.877 6, 0.129 9, 0.089 5)

T0=(30.25, 8.16, 0.480 2, 9.16, 0.166 5, 0.117 7)

根據修正的歸一化公式分不同類型指標進行計算，其中信息傳輸時延是成本型指標，可得到：

TG=(-0.122, -0.102, -0.2, -0.14, -0.22, - 0.24)

表2　各指標云模型的期望值和熵

5結束語

戰術數據鏈效能評估指標體系中定性定量指標共存，利用云理論將不同類型指標都用云模型表示，再根據云重心的變化來進行評估，可操作性強。在對綜合云重心向量進行歸一化時，考慮效益型指標和成本型指標的區別，對歸一化公式進行修正，克服了傳統方法的局限性，提高了評估的科學性、客觀性。評估結果以語言值輸出，具有一定的直觀性。

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Effectiveness Evaluation of Tactical Data Link Based on Cloud Theory

CHEN Bin，YIN Ya-lan，WAN Fu

(Navy Command College,Nanjing 21180,China)

Abstract:The index system of tactical data link includes not only the quantitative index which can be measured practically,but also some qualitative indexes which can't be quantified.For these characteristics,this paper puts forward the method to use the cloud theory to solve the problem of effectiveness evaluation,establish the index system of evaluation,and uses cloud model to represent each index,studies the method of cloud theory evaluation.In the course calculating the weighted deviation degree of cloud center of gravity,there may be some indexes contrary to the practical meanings in the contribution to deviation degree,so the normalization formula of cloud center of gravity need to be modified.Finally,the practical example calculation proves that the modified evaluation method has better credibility.

Key words:tactical data link;effectiveness evaluation;cloud theory;cloud center of gravity;weighted deviation degree

收稿日期:2015-05-27

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.05.014

中圖分類號：TN914

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2015)05-0063-05