基于效能評估的兩棲攻擊艦數據鏈優選方法*

朱文秀 聶衛國 宋 劍

(海軍陸戰學院 廣州 510430)

基于效能評估的兩棲攻擊艦數據鏈優選方法*

朱文秀 聶衛國 宋 劍

(海軍陸戰學院 廣州 510430)

隨著數據鏈不斷發展,針對如何選擇較匹配兩棲攻擊艦的數據鏈方案,論文提出了基于層次分析(AHP)效能評估的優選方法,構建了三層指標體系,從響應能力、處理能力、有效利用率、靈活性、安全性、抗干擾能力、可靠性方面對多種類型數據鏈進行分析和對比,選出其中較優方案,為確定兩棲攻擊艦數據鏈方案提供了一種參考手段。

數據鏈; 優選; 指標; 評估

(Naval Marine Academy, Guangzhou 510430)

Class Number E962

1 引言

隨著以信息化為主要特征的世界新軍事變革迅猛推進,數據鏈[1]已成為信息化戰爭中的關鍵裝備,技術不斷更新換代,在研制兩棲攻擊艦數據鏈[2]前往往有諸多數據鏈方案,最終按照哪個方案進行研制,可通過擇優選定較匹配該艦的數據鏈類型。戰時各種指揮和控制信息能否有效下達,戰場信息能否實時共享,能否滿足兩棲攻擊艦的需求,是由數據鏈裝備性能的優劣直接影響的,因此對數據鏈進行優選采用效能評估法是最直接有效的手段。

用于評估系統綜合效能的方法有解析法、模糊決策法、系統效能分析法、加權灰色關聯度法、層次分析法等,使用層次分析法對數據鏈系統效能進行選優評估,其思路簡單明了,尤其是緊密地與決策者的主觀判斷和推理聯系起來。對決策者的推理過程進行量化的描述,可以避免決策者在結構復雜和方案較多時邏輯推理上的失誤。

2 基于層次分析法[3]的模型構建

層次分析法的一般步驟是依據構建的指標體系,對數據處理后分步計算,求出各層次指標權重,并擇優數據鏈類型,通過一致性檢驗,判斷是否具有滿意一致性,以保證結論的可靠性。按此計算方法可得兩棲攻擊艦數據鏈指標權重,據此可計算綜合權重,可按由上而下的順序逐層計算。計算使用Yaahp軟件實現。

具體分析計算方法如下:

Step1:根據所建立的評價指標[4]體系構造判斷矩陣。

首先選擇標度系統,它是將人的主觀判斷轉換為一個定量的判斷矩陣的關鍵,在此選擇1～9度標度賦值法,其標度值的具體意義如表1所示。

表1 1～9的比較標度法

應用1～9的比較標度法對指標體系各層指標進行兩兩比較,即可構造各層指標的比較判斷矩陣A=(aij)n×n。

Step2:計算重要性排序。

針對所構造的判斷矩陣,求出最大特征根所對應的特征向量,所求特征向量即為評價指標的重要性排序。求判斷矩陣的最大特征根和特征向量有多種方法,本文應用合積法,步驟如下:

將判斷矩陣每一列歸一化

每一列經正規化后的判斷矩陣按行相加

對向量W=(W1,W2Wn)T即為所求特征向量。

Step3:判斷矩陣一致性檢驗。

所求的權數分配是否合理,需對判斷矩陣進行一致性檢驗。計算一般一致性指標如下

平均隨機一致性指標RI查表可得。隨機一致性比率CR=CI/RI。當CR<0.1時,認為判斷矩陣具有滿意的一致性,權數分配合理；否則需調整判斷矩陣,直到取得具有滿意的一致性為止。

3 系統效能指標[5]的建立

數據鏈系統效能指標的合理確定,是系統效能評估的關鍵環節,評價指標的選擇必須能恰當地反映系統效能的優劣程度。

3.1 指標建立原則

指標體系的建立主要考慮以下原則: 1) 各指標的選擇應以數據鏈的戰術技術指標和使用要求為基礎； 2) 各指標之間充分考慮相對獨立性,相互聯系的指標盡量避免重復； 3) 充分考慮到評估模型的可操作性,選取一些基本上反映數據鏈各方面性能的主要指標,對于一些關系復雜 、受各方面條件制約、內涵不夠明確、對系統效能影響不大的因素,暫且不考慮； 4) 盡量選用可以量化的指標,不能直接量化的定性指標內涵應清楚明確。

3.2 各指標的詳細說明

考慮數據鏈的技術特性,其效能指標與軍事通信系統[6]的基本要求是一致的,參考軍事通信信息系統指標分類方法,構建數據鏈系統效能指標體系如圖1所示。

圖1 數據鏈系統效能指標分層結構圖

數據鏈系統效能指標體系由響應能力、處理能力、有效利用率、靈活性、安全性、抗干擾能力、可靠性共七種指標體現。

3.2.1 響應能力

通過響應時間、時延、延時抖動三個指標來體現。

1) 響應時間。響應能力高低主要表現在數據鏈系統的響應時間上,響應時間是數據鏈網絡服務請求和響應該請求之間的時間,反映了網絡根據傳輸優先級別、及時交付信息的能力。響應時間根據數據鏈所要完成的功能及消息類型的不同而有不同的時間要求。在指揮自動化系統需要使用數據鏈系統時得到迅速的響應,要求數據鏈網絡的開設、連通、傳遞、轉移與恢復高速運轉,并立即直接提供給用戶使用。

2) 時延。從信源生成信息到信宿收到信息,數據信息需要經過指控系統、數據鏈終端、通信信道設備、輔助設備等,分系統與分系統、部件與部件之間都存在接口連接、信息編碼或解調、協議解釋或轉換等,每前進一步都要消耗一定時間,都有一定的時延。

3) 延時抖動。延時抖動是指每個消息傳輸時隙在粗同步頭之前所用時間。是指數據塊從發送方到達接收方所經歷時間的長短變化。引起延遲抖動的原因比較多,網絡信道自身缺陷引起的,也可能由網絡的硬件或軟件引起的,最常見的是由網絡自身的流量傳輸狀況造成的。

3.2.2 處理能力[7]

處理能力是系統快速地、大量地傳輸處理各種信息的能力,通過傳輸速率、誤碼率、網絡吞吐量三個指標來體現。

全方位、多層次、全時域的立體戰要求指揮控制、情報偵察、目標指示與引導等相關信息的信息量巨大,各種數據信息交織,要求數據鏈系統有高效的處理能力。信息傳遞速率體現了數據鏈系統的時效性、誤碼率體現在信息傳遞質量上,網絡吞吐量體現為信息傳遞量,傳遞信息量越大信息處理能力越強。

3.2.3 有效利用率[8]

有效利用率是指整個數據鏈網絡的傳輸信道、處理終端、網絡資源的應用效率。有效利用率通過信道利用率和節點利用率兩個指標來體現。

信道利用率是指信息傳輸通道的應用效率,節點利用率是指數據鏈組成的通信網絡節點的應用效率。戰場環境信道資源是寶貴的,用于信息傳輸的硬件設備通道也是寶貴的,因此要充分利用信道資源、充分發揮每個信息節點的信息傳輸能力,提高整個網絡利用率。

3.2.4 靈活性

靈活性通過組網能力和適應能力兩個指標來體現。

數據鏈系統的靈活性要求部隊在高速運動中,能組成不同類型、不同規模的數據鏈網絡,并要求數據鏈裝備系列化、通用化,網絡接口具有較強的融合性,通信協議保持一致的標準,使陸、海、空軍兵種的數據鏈系統能夠互連互通,系統具有較強的兼容性和通用性,實現信息網絡的一體化。

3.2.5 安全性

安全性包括網絡信息安全和網絡運行安全。安全性通過防入侵能力、保密能力和恢復能力三個指標來體現。

安全性第一要求數據鏈具備將戰術信息隱蔽地、保密地傳輸給指定目標,難以被敵截獲、破譯和攻擊的能力。系統安全性強則被敵方偵測、獲取我方信息的幾率減小,受敵干擾、攻擊的可能性降低,系統運行安全有保障。第二要求數據鏈系統具備反偵察能力,對數據鏈信號輻射功率強度也有相應的要求,使數據鏈本身具有一定的對抗能力。第三要求數據鏈網絡運行安全、穩定,對敵虛假、偽裝信息進行網絡入侵具有識別、防御和清除能力。

3.2.6 抗干擾能力

抗干擾能力要求整個數據鏈[9]系統對戰場復雜電磁環境具有較強的適應性、抗干擾能力。即要求數據鏈系統從頻域、時域、空域、能域與信息加密等方面采取一系列的反對抗措施,以確保數據鏈系統在復雜的電磁環境中的安全運行,增強對抗能力和反欺騙能力。抗干擾能力通過對抗能力、反欺騙能力兩個指標來體現。

干擾分為有意干擾和無意干擾,從這兩種干擾對數據鏈的抗干擾性進行分析。對于有意電磁干擾必須通過采用諸如偽隨機碼直接序列擴頻、快速跳頻、跳擴、猝發、密碼加密等抗干擾技術,不斷提升數據鏈系統裝備本身的抗干擾能力,也可以通過研究和演練諸如“快、變、避”等一系列反干擾戰術,來提高數據鏈系統效能。對于無意電磁干擾可以通過完善各種報告、申請、審批、檢測制度,加強各種無線電設備協調、頻譜管理以及采取其它諸如屏蔽、窄帶濾波、數據[10]相關平滑處理、幅限、頻限等技術措施,或通過水平、垂直冗余校驗差錯檢測與BCH校正、反饋重傳等糾錯辦法,糾錯或自動剔除各種干擾、噪聲對數據信息的影響。

3.2.7 可靠性

可靠性通過生存能力和抗毀能力兩個指標來體現。

可靠性是系統硬件設備穩定性和信息內容準確性的綜合指標,是指系統的某一部分由于內部或外部,人為或自然的原因發生故障或被毀時,仍能可靠保障信息傳輸與交換的能力。系統可靠性好則信息傳輸穩定,信息內容誤碼率低,有利于指揮員的正確決策和有效指揮。為了保證信息傳輸連續、不間斷,數據鏈系統的可靠性要高,抗毀、抗擾、頑存性要強,在系統受到一定程度的打擊后,具有結構重組能力。

4 實例計算

由于文章篇幅所限,僅對兩種數據鏈進行比較擇優,通過層次分析法的計算分析得出適合兩棲攻擊艦配置的較優數據鏈類型。根據數據鏈在使用過程中所表現出來的性能,分別確定指標的參數及定性的判斷如表1所示。

在Yaahp軟件中,根據1～9的比較標度法,對數據鏈系統第二層指標建立判斷矩陣如表2所示。

表1 數據鏈指標值

表2 第二層指標判斷矩陣圖

根據表1輸入兩種數據鏈類型指標重要性比值,軟件計算結果如圖2所示。

圖2 指標數值圖

方案A,B對應兩種數據鏈,圖3可更為直觀地顯示各指標權重,第二層指標權重值為(0.1008,0.3152,0.0619,0.0518,0.0518,0.3150,0.1035),并根據方案A,B各指標的重要性比值計算出A,B兩種方案的歸一化比值,A為0.5767,B為0.4233。

軟件計算結果矩陣最大特征根λmax為7.0020,一致性比例為0.0003,表明判斷矩陣具有滿意的一致性,權數分配合理,結論具有一定可靠性。

表3 方案層中要素對決策目標的排序權重

表4為計算結果輸出數據,通過軟件層次分析法的計算最終得出結論,方案A優于方案B,相對應的第一種數據鏈綜合效能較優于第二種數據鏈,因此可以為兩棲攻擊艦數據鏈的選擇提供參考。

圖3 各指標歸一化權重顯示圖

5 結語

本文嘗試采用層次分析法對兩棲攻擊艦數據鏈進行擇優,建立三層指標,根據數據鏈的性能對指標進行1～9標度,并對兩種數據鏈的三層指標進行兩兩比較,應用軟件進行計算,得出矩陣最大特征根、一致性檢驗值和兩種數據鏈的歸一權重,選出較優的數據鏈。該方法改變以往單一考慮系統戰術技術指標的模式,為研制兩棲攻擊艦數據鏈給定指標參數提供了一種手段,但這種方法只是一種嘗試,還需要在以后的試驗訓練中不斷加以驗證、修改和完善。

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[10] Major General K. Perkins CB, Weapons and Warfare[M]. Brassey’s Defence Publishers,1987:231-232.

Optimization Method of Amphibious Assault Ship’s Data Link Based on Efficiency Evaluation

ZHU Wenxiu NIE Weiguo SONG Jian

Along with the development of data link, in allusion to how to select the perfect scenario of amphibious assault ship’s data link, this article gives out the method of evaluating efficiency basing on AHP, construct three indexes system, from the capability of response, the capability of disposal, the efficient utilizing rate, flexibility, security, anti-jamming capability, reliability to analysis and compare many types of data link, and selects the better scenario, and offering a method to confirm the data link of amphibious assault ship.

data link, perfect scenario, system efficiency, index evaluation

2016年6月4日,

2016年7月26日

朱文秀,女,碩士研究生,研究方向:海軍陸戰隊軍事指揮。聶衛國,男,碩士生導師,研究方向:計算機仿真。宋劍,女,碩士,研究方向:作戰指揮學。

E962

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.008