基于云模型的國(guó)防工程管理信息系統(tǒng)效能評(píng)估*

馮 晨 李勇翔 周立堯 胡春宇

（火箭軍工程大學(xué) 西安 710025）

1 引言

國(guó)防工程是部隊(duì)訓(xùn)練作戰(zhàn)的基本依托，其環(huán)境的安全性、保障的高效性和管理的科學(xué)性具有重要戰(zhàn)略意義。而國(guó)防工程管理信息系統(tǒng)是以國(guó)防工程為基礎(chǔ)平臺(tái)，應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)等對(duì)國(guó)防工程中的設(shè)備和環(huán)境進(jìn)行智能監(jiān)控與管理的系統(tǒng)［1］。隨著信息化、智能化管理技術(shù)的成熟推進(jìn)，對(duì)管理信息系統(tǒng)的效能進(jìn)行評(píng)估，有助于充實(shí)完善國(guó)防工程管理信息系統(tǒng)，提升整個(gè)系統(tǒng)的保障、管控和應(yīng)急作戰(zhàn)反應(yīng)能力，提升戰(zhàn)斗力。

云模型現(xiàn)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，主要是其在模糊集理論和概率論的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了定性概念與其定量表示之間的不確定性轉(zhuǎn)換。例如：文獻(xiàn)［2～4］將云模型引入到戰(zhàn)略預(yù)警信息系統(tǒng)、地空導(dǎo)彈系統(tǒng)和末端反導(dǎo)系統(tǒng)的效能評(píng)估中，有效解決了定性評(píng)估問題。文獻(xiàn)［5～6］將云模型分別和層次分析法、專家群體決策法相結(jié)合，并運(yùn)用到情報(bào)保障和C4ISR系統(tǒng)中，有效彌補(bǔ)了單一方法的缺陷，得到了良好的評(píng)判效果，另外，云模型在通信和網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的效能評(píng)估中也發(fā)揮了重要作用［7～8］。但相對(duì)于上述文獻(xiàn)的研究對(duì)象，對(duì)于國(guó)防工程管理信息系統(tǒng)及其效能評(píng)估的研究較少。本文將結(jié)合國(guó)防工程管理信息系統(tǒng)的實(shí)際和使命任務(wù)，建立該系統(tǒng)的效能評(píng)估指標(biāo)體系，利用云重心評(píng)判法解決國(guó)防工程管理信息系統(tǒng)效能評(píng)估中定性指標(biāo)和定量指標(biāo)的模糊性和不確定性問題。

2 云重心理論

云是使用語(yǔ)言值來表示某定性概念與其定量之間不確定性的轉(zhuǎn)換模型，正態(tài)云是眾多云模型樣式中非常重要的一種，其數(shù)學(xué)模型為C(Ex，En，He)，分別用期望值Ex，熵En和超熵He三個(gè)數(shù)值表征［11］。定義正態(tài)云的期望曲線：

這是一個(gè)正態(tài)分布的曲線，當(dāng)Ex=10、En=3、He=0.3和n=1000時(shí)，生成的正態(tài)云如圖1所示。

圖1 正態(tài)云模型及其數(shù)字特征

由圖1可知，云重心T表示為T=a×b，式中為a云重心位置，代表指標(biāo)的期望值，b為云重心的高度代表權(quán)值。

3 評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建

國(guó)防工程管理信息系統(tǒng)的目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的信息傳遞共享，優(yōu)化控制和調(diào)度，提供輔助決策，實(shí)現(xiàn)管理控制一體化的高效集成，提高系統(tǒng)的可靠性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息化管理的科學(xué)化和自動(dòng)化運(yùn)行的智能化，在將來的信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮國(guó)防工程的保障、管理以及應(yīng)急作戰(zhàn)反應(yīng)的作用。國(guó)防工程管理信息系統(tǒng)的建設(shè)按照“集成各功能、融合各要素、支持平戰(zhàn)時(shí)、連接上下級(jí)”的原則。

國(guó)防工程管理信息系統(tǒng)的效能評(píng)估指標(biāo)的各指標(biāo)體系應(yīng)能較客觀反映系統(tǒng)的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)，既要相對(duì)獨(dú)立，又要考慮各指標(biāo)之間的聯(lián)系和影響，且能夠通過實(shí)驗(yàn)或者模型測(cè)得，能夠全面地反映國(guó)防工程管理信息系統(tǒng)的效能，為了降低系統(tǒng)評(píng)估的復(fù)雜度，分別從系統(tǒng)效能、能力、性能，參數(shù)將系統(tǒng)分為四層，各指標(biāo)從下層往上逐聚合，從上向下逐步具體。

借鑒國(guó)內(nèi)外對(duì)信息系統(tǒng)效能評(píng)估的相關(guān)研究［12～14］，根據(jù)國(guó)防工程管理信息系統(tǒng)的實(shí)際組成和任務(wù)目標(biāo)，結(jié)合評(píng)估指標(biāo)選取的原則，本文從基礎(chǔ)指標(biāo)效能、信息效能、系統(tǒng)效能和保障效能四個(gè)方面來衡量國(guó)防工程綜合管理信息系統(tǒng)總體效能高低，如圖2所示。

圖2 國(guó)防工程管理信息系統(tǒng)效能指標(biāo)體系

圖中列舉了系統(tǒng)效能層、能力指標(biāo)層和性能指標(biāo)層的具體內(nèi)容，參數(shù)指標(biāo)層是結(jié)合國(guó)防工程實(shí)際，可以測(cè)得的信息來源，具體內(nèi)容如下。

1）基礎(chǔ)指標(biāo)效能主要考慮三類指標(biāo)：硬件設(shè)施指標(biāo)主要包括傳感器的覆蓋率，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化程度（%），硬件接口的標(biāo)準(zhǔn)化程度（%），現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施的完備率等；軟件設(shè)施指標(biāo)主要包括專用信息采集數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)量，軟件接口的標(biāo)準(zhǔn)化程度，軟件的穩(wěn)定性等；網(wǎng)絡(luò)設(shè)施指標(biāo)主要包括可用數(shù)據(jù)傳輸線路的平均帶寬，現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)備接入率等。

2）信息效能主要考慮三類指標(biāo)：信息獲取能力主要包括傳感器與數(shù)據(jù)采集單元的互聯(lián)互通程度（%），數(shù)據(jù)采集單元與上層軟件的互聯(lián)互通程度（%），數(shù)據(jù)采集刷新效率（實(shí)際刷新次數(shù)/理想刷新次數(shù)），數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量，先進(jìn)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的運(yùn)用程度等；信息處理能力主要包括用于信息處理的高性能計(jì)算機(jī)的平均數(shù)量（臺(tái)/信息處理中心），先進(jìn)數(shù)據(jù)處理軟件的運(yùn)用程度（%），傳輸?shù)臄?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化程度（%）等；信息識(shí)別能力主要包括漏警率，虛警率等。

3）系統(tǒng)效能主要考慮三類指標(biāo)：輔助決策能力主要包括決策規(guī)則的實(shí)用度，決策人員素質(zhì)，備件庫(kù)存的合理度，自動(dòng)生成巡檢計(jì)劃的合理度等；智能表達(dá)能力主要包括信息可視化程度（%），數(shù)字化地圖的運(yùn)用程度（%），多媒體的聯(lián)合運(yùn)用程度（%）等；狀態(tài)監(jiān)控能力主要包括重點(diǎn)設(shè)備的故障率，突發(fā)故障的緊急處置能力，實(shí)時(shí)狀態(tài)的刷新率等。

4）保障效能主要考慮三類指標(biāo)：通信保障能力主要包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的安全狀況，安全軟件的運(yùn)行情況，通信突發(fā)事件處理和恢復(fù)能力，信息通信丟包率等；設(shè)施防護(hù)能力主要包括國(guó)防工程偽裝等工事防護(hù)狀況，應(yīng)急電源及三防設(shè)施的配備狀況，國(guó)防工程電磁防護(hù)狀況等；人員管控能力主要包括人員的安全管理，專業(yè)受訓(xùn)人員比重，平均人員編成數(shù)量等。

4 基于云重心評(píng)判法的效能評(píng)估步驟

云模型評(píng)判法主要有三個(gè)要素：指標(biāo)集U、權(quán)重因子集W和評(píng)價(jià)集V。基于建立的多級(jí)層次的系統(tǒng)效能評(píng)估指標(biāo)，從第n層開始，利用云評(píng)判法進(jìn)行評(píng)判并將結(jié)果傳遞給第n-1層，依次分層評(píng)估，最終得到系統(tǒng)的綜合評(píng)估結(jié)果。具體步驟如下。

Step1:劃分系統(tǒng)狀態(tài)，建立指標(biāo)集，并用云模型表示。

國(guó)防工程管理信息系統(tǒng)分為平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)兩種狀態(tài)，假設(shè)有p個(gè)指標(biāo)，每個(gè)指標(biāo)在戰(zhàn)時(shí)和平時(shí)兩種狀態(tài)各選取n個(gè)樣本值。對(duì)于定量目標(biāo)可通過模型或統(tǒng)計(jì)測(cè)得，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，歸一化；定性目標(biāo)根據(jù)專家打分或經(jīng)驗(yàn)可分為5個(gè)等級(jí)，即“極好”、“較好”、“一般”、“較差”和“極差”，對(duì)應(yīng)的期望值為 1.0、0.75、0.5、0.25、0，期望越大代表評(píng)價(jià)越好。

p個(gè)指標(biāo)可用一個(gè)云模型表示，當(dāng)指標(biāo)為數(shù)值型時(shí)，有

式中，Exik(k=1，…n)為各指標(biāo)量的值，Exi為各指標(biāo)云模型的期望，Eni為各指標(biāo)云模型的熵。當(dāng)指標(biāo)為語(yǔ)言型值時(shí)，每個(gè)語(yǔ)言值型指標(biāo)都可以用一個(gè)云模型表示，有

Step2:確定上一級(jí)指標(biāo)的效能

1）確定底層效能指標(biāo)的權(quán)重。采用以下公式確定權(quán)重：

式中q為排隊(duì)等級(jí)，Wq為各等級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重，之后進(jìn)行歸一化處理后得到權(quán)重。

2）求解國(guó)防工程管理信息系統(tǒng)在該狀態(tài)下的p維加權(quán)云的重心向量T=(T1，T2，…，Tp)且有：

3）同理系統(tǒng)在理想狀態(tài)下的p維加權(quán)云的重心向量為T0=(T10，T20，…，Tp0)，且

4）將云的重心向量T歸一化處理得到TG=(T1G，T2G，…，TpG)，其中

5）求解各指標(biāo)加權(quán)偏離度θ

Step3:重復(fù)第二步，將剛求得的上一層指標(biāo)效能值帶入，求得頂層效能值。

Step4:將頂層效能值帶入圖3的評(píng)測(cè)云發(fā)生器，可得到效能評(píng)估結(jié)果。

圖3 云測(cè)評(píng)發(fā)生器

Step5:分析評(píng)判結(jié)果，找出加權(quán)偏離度較大的指標(biāo)，找到影響因素。

5 實(shí)例分析

以指標(biāo)信息獲取能力B1處于平時(shí)保障狀態(tài)時(shí)的效能值求解為例，根據(jù)專家評(píng)估、數(shù)據(jù)融合等過程，得到此狀態(tài)下子指標(biāo)B11到B15的狀態(tài)，如表1所示。

表1 指標(biāo)狀態(tài)表

將語(yǔ)言值評(píng)估結(jié)果（極差，較差，一般，較好，極好）量化為 (0，0.25，0.5，0.75，1)，組成決策矩陣H，則

根據(jù)式（1）和式（2）求出各指標(biāo)云模型的Ex和En，結(jié)果如下表所示。根據(jù)專家評(píng)判及國(guó)防工程任務(wù)需求確定指標(biāo)的排隊(duì)等級(jí)，由式（5）求出各指標(biāo)權(quán)重分配。

表2 指標(biāo)期望值和熵

表3 指標(biāo)的權(quán)重

云重心向量T，T0和歸一化云重心向量TG計(jì)算結(jié)果如下：

根據(jù)式（9），求得θ=0.26，則B1指標(biāo)的效能值為1-θ=0.74，重復(fù)上述步驟，分別求得性能指標(biāo)層的指標(biāo)效能值，并作為其指標(biāo)云模型的期望值來求解能力指標(biāo)層的指標(biāo)效能值，直到求解出系統(tǒng)總體效能值θ，將其輸入到圖3所示的云測(cè)評(píng)發(fā)生器中，得出評(píng)判結(jié)果，并分析影響效能的因素加以改進(jìn)，從而提高系統(tǒng)總體效能。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)國(guó)防工程管理信息系統(tǒng)的效能評(píng)估進(jìn)行了研究，綜合國(guó)內(nèi)外有關(guān)系統(tǒng)效能評(píng)估的研究及國(guó)防工程實(shí)際，構(gòu)建了四層國(guó)防工程管理信息系統(tǒng)效能評(píng)估指標(biāo)體系后，將云重心評(píng)判方法引入了國(guó)防工程管理信息系統(tǒng)的效能評(píng)估中，并進(jìn)行了實(shí)例分析，表明該指標(biāo)體系及云重心評(píng)判法具有一定的可操作性和可信性，可為國(guó)防工程管理信息系統(tǒng)的升級(jí)建設(shè)提供參考。