基于冪指數(shù)法的通信網(wǎng)系組織運(yùn)用能力模型*

羅穎光，鄒自力，倪 倩

(國(guó)防科技大學(xué)信息通信學(xué)院，湖北 武漢 430010)

開展指揮對(duì)抗模擬訓(xùn)練，合成指揮員需要根據(jù)上級(jí)指示及敵情、我情、戰(zhàn)場(chǎng)情況，擬制作戰(zhàn)計(jì)劃，組織部隊(duì)開展各項(xiàng)準(zhǔn)備工作和具體實(shí)施作戰(zhàn)指揮[1]。為確保整個(gè)作戰(zhàn)過(guò)程順利實(shí)施，信息通信部門和通信部(分)隊(duì)需要按時(shí)機(jī)動(dòng)至作戰(zhàn)地域開通機(jī)固一體的通信網(wǎng)系，并進(jìn)行執(zhí)勤維護(hù)。作為合成指揮員，通常情況下并不關(guān)心復(fù)雜的通信組織關(guān)系、通信網(wǎng)系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和信息如何流動(dòng)等通信領(lǐng)域的專業(yè)內(nèi)容，只需要在盡可能短的時(shí)間內(nèi)從總體上掌握通信網(wǎng)系組織運(yùn)用的能力即可。目前軍內(nèi)外眾多學(xué)者均對(duì)該問題進(jìn)行了相關(guān)研究，如文獻(xiàn)[2]采用模糊綜合評(píng)估的方法對(duì)指揮控制系統(tǒng)組織運(yùn)用效能進(jìn)行評(píng)估；文獻(xiàn)[3]采用層次分析法對(duì)一體化信息系統(tǒng)作戰(zhàn)運(yùn)用效能進(jìn)行評(píng)估。但是上述方法均是采用定性的方法開展系統(tǒng)整體研究，并沒有突出系統(tǒng)內(nèi)部指標(biāo)體系之間的關(guān)系以及各指標(biāo)數(shù)值的變化對(duì)系統(tǒng)的影響。據(jù)此，本文針對(duì)合成指揮員對(duì)于通信網(wǎng)系組織運(yùn)用的“特殊”需求，選取相應(yīng)指標(biāo)，采用改進(jìn)的冪指數(shù)法構(gòu)建通信網(wǎng)系組織運(yùn)用能力模型，在獲取一些戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將通信網(wǎng)系組織運(yùn)用情況以指數(shù)形式提供給合成指揮員，以便于對(duì)聯(lián)合作戰(zhàn)實(shí)施精準(zhǔn)指揮控制。

1 冪指數(shù)法原理

指數(shù)法是評(píng)估武器裝備作戰(zhàn)效能時(shí)，提出的一個(gè)統(tǒng)一的度量標(biāo)準(zhǔn)，是在對(duì)武器系統(tǒng)充分了解的基礎(chǔ)上使用的方法[4]。目前，該方法適用于宏觀分析及快速評(píng)估，且作戰(zhàn)能力建立在武器系統(tǒng)自身的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，解決了指標(biāo)量綱不一致的問題，因而在系統(tǒng)工程領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[5]。本文采用冪指數(shù)法時(shí)，針對(duì)指標(biāo)聚合關(guān)系的不同，對(duì)冪指數(shù)法進(jìn)行了改進(jìn)，分別是相加冪關(guān)系、相加乘關(guān)系。

1.1 相加冪關(guān)系

(1)

這類指標(biāo)聚合關(guān)系，體現(xiàn)了不同指標(biāo)可分別獨(dú)立作用于上層指標(biāo)，即同一指標(biāo)層內(nèi)的指標(biāo)可全部存在，也可部分存在，對(duì)上層指標(biāo)沒有影響。

1.2 相加乘關(guān)系

(2)

這類指標(biāo)聚合關(guān)系，體現(xiàn)了不同指標(biāo)對(duì)于上層指標(biāo)的總貢獻(xiàn)大小，即同一指標(biāo)層互為補(bǔ)充關(guān)系，任一零值不能導(dǎo)致上層指標(biāo)為零。

2 模型體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模型構(gòu)建的一般原則是先確定總目標(biāo)，然后再逐層分析下一層影響因素，采用分級(jí)分類，層層遞進(jìn)聚合的方式，直到底層因素[6]。即只要知道系統(tǒng)的內(nèi)容及層次結(jié)構(gòu)，就可以按照分類及層次遞進(jìn)關(guān)系構(gòu)建模型。根據(jù)組織運(yùn)用包含的具體內(nèi)容，組織運(yùn)用能力可分為通信兵力機(jī)動(dòng)能力和網(wǎng)系能力。

2.1 通信兵行動(dòng)能力

通信兵行動(dòng)能力主要描述的是通信部隊(duì)執(zhí)行通信保障任務(wù)時(shí)結(jié)合通信裝備遂行通信網(wǎng)系開設(shè)任務(wù)的行動(dòng)，主要有機(jī)動(dòng)能力、網(wǎng)系開設(shè)能力、搶通能力、通信網(wǎng)系調(diào)整能力等四個(gè)方面。

2.2 通信網(wǎng)系能力

通信網(wǎng)系能力是通信裝備和通信兵力的有機(jī)結(jié)合，在作戰(zhàn)行動(dòng)中體現(xiàn)的通信保障任務(wù)的能力。由于基于指揮信息系統(tǒng)的指揮對(duì)抗模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，合成指揮員并不關(guān)心通信網(wǎng)系的組網(wǎng)模式，所以本文不對(duì)通信網(wǎng)系具體組網(wǎng)模式進(jìn)行深入研究，只是在已經(jīng)建立好的通信網(wǎng)系基礎(chǔ)上，對(duì)于通信網(wǎng)系的性能進(jìn)行分析。本文重點(diǎn)從信息傳輸能力、指揮控制能力、頻譜管理能力、服務(wù)支持能力和安全防御能力五個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)通信網(wǎng)系的能力。

1)信息傳輸能力，是通信網(wǎng)系最重要的能力，主要用于描述指揮所之間、指揮所與作戰(zhàn)部隊(duì)之間數(shù)據(jù)互通、交換能力。包括廣域覆蓋能力、寬帶傳輸能力、互連互通能力和隨遇接入能力。

2)指揮控制能力，主要用于描述在作戰(zhàn)過(guò)程中輔助指揮員對(duì)部隊(duì)進(jìn)行指揮控制的能力。包括態(tài)勢(shì)融合能力、籌劃決策能力、行動(dòng)控制能力和平臺(tái)鉸鏈能力。

3)頻譜管理能力，主要用于描述通信網(wǎng)系在頻譜管理使用方面的科學(xué)和理性，主要包括資源統(tǒng)籌能力、頻譜感知能力、頻譜管控能力和頻譜信息服務(wù)能力。

4)服務(wù)支持能力，主要包括計(jì)算存儲(chǔ)能力、軟件服務(wù)能力、信息服務(wù)能力和數(shù)據(jù)保障能力。

5)安全防御能力，主要用于描述通信網(wǎng)系自身抵御敵方網(wǎng)絡(luò)攻擊、火力打擊能力，包括信息安全能力、網(wǎng)電防御能力、抗毀頑存能力和自主可控能力。

3 模型構(gòu)建

由模型體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可知，組織運(yùn)用能力模型構(gòu)建應(yīng)分為通信兵行動(dòng)能力模型和通信網(wǎng)系能力模型分別構(gòu)建。

3.1 通信兵行動(dòng)能力建模

由模型體系結(jié)構(gòu)可知，通信兵行動(dòng)能力模型可分為機(jī)動(dòng)能力、網(wǎng)系開設(shè)能力、搶通能力、通信網(wǎng)系調(diào)整能力等四個(gè)方面。這四種能力可分別獨(dú)立作用于通信兵行動(dòng)能力，因而可通過(guò)改進(jìn)的相加冪指數(shù)模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中，Io1為通信兵行動(dòng)能力指數(shù)，oi為通信兵行動(dòng)子能力指數(shù)(經(jīng)規(guī)范化處理)；wi為第i種能力對(duì)于通信兵行動(dòng)能力總體的權(quán)重，wi滿足下面的關(guān)系：

(4)

通信兵行動(dòng)能力子能力中的通信機(jī)動(dòng)能力、網(wǎng)系開設(shè)能力、搶通能力和轉(zhuǎn)移能力的取值可以從方案中讀取，經(jīng)規(guī)范化處理后代入公式計(jì)算。

3.2 通信網(wǎng)系能力建模

由模型體系結(jié)構(gòu)可知，通信網(wǎng)系能力模型可分為信息傳輸能力模型、指揮控制能力模型、頻譜管理能力模型、服務(wù)支持能力模型以及安全防御能力模型等五部分。對(duì)一般通信網(wǎng)系而言通常情況下包含這五種能力中的全部或一部分，例如：光纖、微波鏈路以及衛(wèi)星通信主要是作為主干信息傳輸通道使用，那么信息傳輸能力的權(quán)重就應(yīng)當(dāng)加大，而指揮控制能力和頻譜管理能力所占的權(quán)重就適當(dāng)減小。在實(shí)際計(jì)算中可以根據(jù)具體建立的各類網(wǎng)系，結(jié)合不同類型通信網(wǎng)系的特點(diǎn)用途來(lái)計(jì)算各子能力的權(quán)重，必要時(shí)也可直接對(duì)權(quán)重進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

計(jì)算通信網(wǎng)系能力首先應(yīng)計(jì)算底層能力指數(shù)，然后逐步聚合得到上層能力指數(shù)，由于模糊數(shù)學(xué)主要解決認(rèn)知不確定問題，其研究對(duì)象具有內(nèi)涵明確、外延不明確特點(diǎn)，因此本文采用模糊綜合評(píng)判方法思想，通過(guò)確定子能力因素的隸屬度和權(quán)重，將底層多個(gè)因素綜合為上層因素，最后計(jì)算通信網(wǎng)系能力。

3.2.1 信息傳輸能力指數(shù)模型

信息傳輸能力是衡量通信網(wǎng)系最主要的能力因素，通常通過(guò)廣域覆蓋能力、寬帶傳輸能力、互連互通能力和隨遇接入能力等四個(gè)方面進(jìn)行度量，具體如圖1所示。

于是可得信息傳輸能力指數(shù)計(jì)算模型為

(5)

式中，d為信息傳輸能力指數(shù)；di為第i種能力指數(shù)(經(jīng)規(guī)范化處理)；mi為第i種能力權(quán)重，mi滿足下面的關(guān)系：

(6)

廣域覆蓋能力指數(shù)di計(jì)算公式如下：

(7)

式中，di為第i種能力指數(shù)；dij為量化值對(duì)指標(biāo)理想值的隸屬度；γij為第i種能力的第j點(diǎn)的權(quán)重，并滿足下面的關(guān)系：

(8)

同理可得，寬帶傳輸能力、互聯(lián)互通能力和隨遇接入能力指數(shù)計(jì)算模型。

3.2.2 指揮控制能力指數(shù)模型

指揮控制能力包括了態(tài)勢(shì)融合能力、籌劃決策能力、行動(dòng)控制能力和平臺(tái)鉸鏈能力，具體如圖2所示。

指揮控制能力指數(shù)計(jì)算模型可參照公式(5)至公式(8)構(gòu)建。

3.2.3 頻譜管理能力指數(shù)計(jì)算模型

通信網(wǎng)系的頻譜管理能力包含了資源統(tǒng)籌能力、頻譜感知能力、頻譜管控能力和頻譜信息服務(wù)能力，具體如圖3所示。

頻譜管理能力指數(shù)計(jì)算模型可參照公式(5)至公式(8)構(gòu)建。

3.2.4 服務(wù)支持能力指數(shù)計(jì)算模型

服務(wù)支持能力主要體現(xiàn)在計(jì)算存儲(chǔ)能力、軟件服務(wù)能力、信息服務(wù)能力和數(shù)據(jù)保障能力四個(gè)方面，具體如圖4所示。

服務(wù)支持能力指數(shù)計(jì)算模型可參照公式(5)至公式(8)構(gòu)建。

3.2.5 安全防御能力指數(shù)計(jì)算模型

通信網(wǎng)系的安全防御能力是較為重要的一項(xiàng)能力，包括了信息安全能力、網(wǎng)電防御能力、抗毀頑存能力和自主可控能力，具體如圖5所示。

安全防御能力指數(shù)計(jì)算模型可參照公式(5)至公式(8)構(gòu)建。

3.2.6 通信網(wǎng)系能力綜合計(jì)算模型

確定通信網(wǎng)系各能力指數(shù)后，考慮到不同通信網(wǎng)系五種能力的區(qū)別，并能夠最大化地體現(xiàn)同一網(wǎng)系中不同作戰(zhàn)階段五種能力值變化對(duì)綜合能力影響，構(gòu)建單網(wǎng)系能力綜合計(jì)算模型為

(9)

式中，I單網(wǎng)系為通信網(wǎng)系能力指數(shù)；pi為第i種能力指數(shù)；wi為第i種能力權(quán)重，wi滿足下面的關(guān)系：

(10)

通過(guò)以上分析得出了單網(wǎng)系能力指數(shù)模型，指揮對(duì)抗模擬訓(xùn)練中通常需要建立多個(gè)網(wǎng)系共同作用下完成信息通信保障任務(wù)，多個(gè)通信網(wǎng)系之間雖然存在信息交互，但從邏輯上分析可認(rèn)為均獨(dú)立作用于總的通信網(wǎng)系能力，通過(guò)能力指數(shù)疊加的方法，可建立通信網(wǎng)系能力指數(shù)模型為

(11)

式中，Io2為通信網(wǎng)系能力指數(shù)；n為建立的網(wǎng)系數(shù)量；δn為第i個(gè)網(wǎng)系的調(diào)整因子。

3.3 組織運(yùn)用能力聚合建模

組織運(yùn)用能力是通過(guò)兵力行動(dòng)建立通信聯(lián)絡(luò)的能力，其中通信兵行動(dòng)能力指數(shù)和通信網(wǎng)系能力指數(shù)之間不是簡(jiǎn)單相加或乘積關(guān)系，而是通過(guò)有機(jī)結(jié)合共同涌現(xiàn)的結(jié)果，任意一項(xiàng)能力指數(shù)極小時(shí)，組織運(yùn)用能力指數(shù)均會(huì)受其影響而取極小值，因此，組織運(yùn)用能力指數(shù)計(jì)算建模可采用幾何平均思想進(jìn)行計(jì)算[6]。此外需要考慮到兩個(gè)重要因素：一是組織運(yùn)用能力是在人員、裝備能力基礎(chǔ)上體現(xiàn)出的能力；二是通信網(wǎng)系能力在戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境影響下一定程度上會(huì)降低。

因此，通信保障組織運(yùn)用能力指數(shù)模型如下：

(12)

式中，Io為組織運(yùn)用能力指數(shù)；Ib為人員、裝備基礎(chǔ)通信能力指數(shù)；kb為人員、裝備能力指數(shù)在組織運(yùn)用能力中的調(diào)整因子；Io1、Io2為通信兵行動(dòng)能力指數(shù)和通信網(wǎng)系能力指數(shù)；φ為電磁環(huán)境復(fù)雜度。

計(jì)算時(shí)，為了簡(jiǎn)化模型的復(fù)雜度，可設(shè)人員、裝備基礎(chǔ)通信能力指數(shù)為常數(shù)。

4 仿真分析

4.1 權(quán)重計(jì)算

組織運(yùn)用能力模型的44項(xiàng)三級(jí)指標(biāo)能力均可以通過(guò)讀取方案中的數(shù)據(jù)和規(guī)范化處理后得到，實(shí)際使用中需要計(jì)算的是各底層能力指數(shù)的權(quán)重，具體可采用層次分析法計(jì)算[7]。

1)構(gòu)造兩兩判斷矩陣，首先進(jìn)行專家咨詢，然后利用層次分析法群組決策方法構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣。

設(shè)有S名專家參與評(píng)估，他們的判決矩陣分別為A1、A2、…、As，其中

Ak=(aij,k)i=1,2,…m;j=1,2,…n;k=1,2,…S

(13)

將S個(gè)判決矩陣，用幾何平均的方法獲得一個(gè)綜合判決矩陣Ak=(aij)。

式(13)中的aij通過(guò)下式計(jì)算得到：

i=1,2,…m;j=1,2,…n

(14)

2)確定各層能力的權(quán)重

采用乘積方根法計(jì)算權(quán)重，公式如下：

(15)

3)計(jì)算判決矩陣的最大特征根λmax

(16)

其中，

(17)

4)判決矩陣一致性檢驗(yàn)

若CR<0.1，認(rèn)為判決矩陣的一致性是可以接受的；否則，應(yīng)對(duì)判決矩陣進(jìn)行適當(dāng)修改。

4.2 仿真實(shí)現(xiàn)

為簡(jiǎn)化計(jì)算，通信兵力、裝備基礎(chǔ)通信能力指數(shù)設(shè)置為0.75，電磁環(huán)境復(fù)雜度指數(shù)設(shè)置為0.5。同時(shí)計(jì)算權(quán)重時(shí)，結(jié)合某演習(xí)，采用層次分析法計(jì)算的通信兵行動(dòng)能力權(quán)重為[0.3317 0.3317 0.1972 0.1394]，通信網(wǎng)系能力權(quán)重為[0.3229 0.2447 0.1854 0.1405 0.1065]，信息傳輸能力權(quán)重為[0.3317 0.3317 0.1972 0.1394]，指揮控制能力權(quán)重為[0.4393 0.3107 0.1464 0.1036]，頻譜管理能力權(quán)重為[0.3905 0.2761 0.1953 0.1381]，服務(wù)支持能力權(quán)重為[0.4225 0.2699 0.1725 0.1351]，安全防御能力權(quán)重為[0.4393 0.3107 0.1464 0.1036]。由此，可以計(jì)算得出在指揮對(duì)抗模擬訓(xùn)練開始20分鐘時(shí)通信網(wǎng)系組織運(yùn)用能力指數(shù)為672.3。隨著模擬訓(xùn)練時(shí)間推進(jìn)至4小時(shí)，通信網(wǎng)系組織運(yùn)用能力指數(shù)下降至385，具體如圖6所示。

4.3 結(jié)果分析

由圖6可以看出，組織運(yùn)用能力指數(shù)變化起伏較大，主要原因是隨著作戰(zhàn)時(shí)間推進(jìn)，通信網(wǎng)系的節(jié)點(diǎn)、鏈路等受敵打擊毀傷較為嚴(yán)重，而由于通信網(wǎng)系及時(shí)調(diào)整和搶修搶通，組織運(yùn)用能力指數(shù)可以基本恢復(fù)到之前的水平。但是，隨著作戰(zhàn)時(shí)間向前推進(jìn)，組織運(yùn)用能力指數(shù)還是存在下降趨勢(shì)，一方面是通信網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)受敵方的硬摧毀和軟打擊，毀傷嚴(yán)重，己方網(wǎng)系已沒有備份可供調(diào)整以及現(xiàn)有力量已不能及時(shí)搶修搶通，造成組織運(yùn)用能力下降；另一方面是己方通信網(wǎng)系受戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境及用頻裝備的干擾，性能下降嚴(yán)重，一定程度上制約了組織運(yùn)用能力中的頻譜管理能力。