基于ANP和云模型的軍事通信系統(tǒng)效能評(píng)估*

魏德賓，辛　鑫

（1.大連大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧　大連　116622；2.通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧　大連　116622）

基于ANP和云模型的軍事通信系統(tǒng)效能評(píng)估*

魏德賓1，辛鑫2

（1.大連大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧大連116622；2.通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116622）

將網(wǎng)絡(luò)層次分析法（ANP）和云重心評(píng)判法相結(jié)合應(yīng)用于軍事通信系統(tǒng)的效能評(píng)估中，并指出有無衛(wèi)星支援下軍事通信系統(tǒng)的效能對(duì)比。首先，針對(duì)軍事通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，構(gòu)建通信系統(tǒng)評(píng)估的指標(biāo)體系，建立ANP模型；其次，根據(jù)通信系統(tǒng)各指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性，采用網(wǎng)絡(luò)層次分析法構(gòu)造極限超矩陣來確定指標(biāo)的權(quán)重，并與AHP確定的指標(biāo)權(quán)重相比較，指出ANP提高了指標(biāo)權(quán)重的科學(xué)性；最后，利用云模型處理定性指標(biāo)和定量指標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，給出有衛(wèi)星支援下的軍事通信系統(tǒng)效能的提升度，并與模糊綜合評(píng)判法相比較，結(jié)果證明了網(wǎng)絡(luò)層次分析法和云重心評(píng)價(jià)法相結(jié)合在軍事通信系統(tǒng)效能評(píng)估中的可行性和科學(xué)性。

通信系統(tǒng)，效能評(píng)估，網(wǎng)絡(luò)層次分析法，云重心評(píng)價(jià)，模糊綜合評(píng)判法

0　引言

信息化時(shí)代，通信網(wǎng)絡(luò)是信息傳遞的基礎(chǔ)設(shè)施，衛(wèi)星通信是其中的一個(gè)重要手段。軍事指揮控制系統(tǒng)中各級(jí)指揮所之間通過衛(wèi)星通信建立通信網(wǎng)絡(luò)，具有覆蓋范圍大、不受地面障礙物限制、能迅速布設(shè)等一系列的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)向跨越多個(gè)任務(wù)領(lǐng)域的廣大用戶提供穩(wěn)定的通信能力。軍事通信系統(tǒng)中衛(wèi)星支援對(duì)系統(tǒng)效能的提升程度如何？為使得通信系統(tǒng)的效能達(dá)到更優(yōu)，應(yīng)從哪些方面提升衛(wèi)星性能是亟需解決的問題。

從20世紀(jì)60年代開始，許多學(xué)者對(duì)系統(tǒng)效能進(jìn)行了大量研究，針對(duì)不同的評(píng)估目的提出了不同的評(píng)估方法，如層次分析法［1］、模糊綜合評(píng)價(jià)法［2］、云綜合評(píng)判法［3-4］等。但是這些方法不能應(yīng)用于存在模糊性、隨機(jī)性、指標(biāo)間相互影響的系統(tǒng)中。為了彌補(bǔ)這些方法的不足，本文提出ANP和云模型理論相結(jié)合的綜合評(píng)估方法，用于解決有無衛(wèi)星支援下軍事通信系統(tǒng)的效能評(píng)估問題。

1　軍事通信系統(tǒng)效能評(píng)估指標(biāo)體系的建立

評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建需要遵循一致性、完備性、層次性、可測(cè)性、可拓展性等原則［5］，且通常要以盡量少的評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)用于實(shí)際評(píng)價(jià)［6］。通過對(duì)軍事通信系統(tǒng)功能的分析［7］，指標(biāo)體系建立如表1所示。

表1　軍事通信系統(tǒng)效能評(píng)估指標(biāo)體系

2　軍事通信系統(tǒng)指標(biāo)權(quán)重

ANP由T.L.Saaty教授于1996年提出，與AHP視各準(zhǔn)則為獨(dú)立不同，ANP考慮了各指標(biāo)和各元素間存在的非獨(dú)立性，且ANP法無需對(duì)指標(biāo)進(jìn)行篩選。本文構(gòu)建了單一準(zhǔn)則下的通信系統(tǒng)的評(píng)估模型。網(wǎng)絡(luò)層有4個(gè)指標(biāo)構(gòu)成，每個(gè)指標(biāo)下包含不同的元素，不同元素之間相互影響，構(gòu)造出ANP模型結(jié)構(gòu)［8-9］，如圖1所示。

圖1　軍事通信系統(tǒng)指標(biāo)體系的ANP模型

ANP方法的決策過程與運(yùn)算步驟如下：

（1）建立ANP評(píng)估模型。網(wǎng)絡(luò)分析法考慮了不同層次之間信息反饋和同層元素之間的相互依存關(guān)系，在按照1-9標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣時(shí)，是在第3個(gè)影響因素下，對(duì)各元素進(jìn)行兩兩比較，因而比層次分析法復(fù)雜得多。得到判斷矩陣后，求矩陣的特征向量，將特征向量歸一化，得出所比較元素的權(quán)重。

由圖1知，C1中元素不受C2的影響，C1受C3的影響，C1和C4互相影響，所以按照1-9標(biāo)度，得出判斷矩陣如下：C1指標(biāo)下元素在C2指標(biāo)影響下的判斷矩陣均為0。

表2　C1指標(biāo)下元素在C31影響下的判斷矩陣

表3　C1指標(biāo)中元素對(duì)C32的影響力大小比較

表4　C1指標(biāo)中元素對(duì)C41的影響力大小比較

表5　C1指標(biāo)中元素對(duì)C42的影響力大小比較

同理得出C2、C3、C4相應(yīng)的判斷矩陣，并通過特征向量法計(jì)算其相應(yīng)權(quán)重，將其單位化得出各自權(quán)重。

（2）構(gòu)造極限超矩陣。這一過程主要包括超矩陣的構(gòu)造、加權(quán)超矩陣的構(gòu)造、極限超矩陣的構(gòu)造。具體來說，將（1）中的特征向量匯總于一個(gè)矩陣中，形成一個(gè)完整的綜合矩陣，稱為超矩陣［7］（見表6）。每組元素所在的指標(biāo)在系統(tǒng)中占得比例是不一樣的，各指標(biāo)都有相應(yīng)的權(quán)重，將超矩陣乘以各組的權(quán)重，得到加權(quán)超矩陣W'j（見表7），其中W'j=AjWj。注意，當(dāng)加權(quán)超矩陣的列向量之和為1時(shí)，才符合隨機(jī)原則，所以要將加權(quán)超矩陣單位化。加權(quán)矩陣多次相乘之后，將會(huì)收斂至一個(gè)固定值，此時(shí)矩陣的行向量相同，而列向量之和為1，則稱其為極限超矩陣W∞（見表8）。從極限超矩陣中可得各元素的相對(duì)權(quán)重。

將加權(quán)超矩陣按列單位化，每行數(shù)值將收斂于一個(gè)固定的值，從而得出極限超矩陣，如下頁(yè)表8所示。

表6　超矩陣

表7　加權(quán)超矩陣

表8　極限超矩陣

選取極限超矩陣的列作為研究對(duì)象，歸一化后得權(quán)向量為：

層次分析法（AHP）的主要思想是根據(jù)研究對(duì)象的性質(zhì)將研究達(dá)到的目的分解為多個(gè)組成因素，將其層次化，然后按層分析，最終獲得底層因素對(duì)于最高層（總目標(biāo)）的重要性權(quán)重。將AHP法運(yùn)用于本文權(quán)重的計(jì)算得出底層指標(biāo)的權(quán)重為：

AHP方法中判斷矩陣兩兩元素比較時(shí)不受第三因素的影響，復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于網(wǎng)絡(luò)層次分析法。但從權(quán)重的計(jì)算結(jié)果中分析，其系統(tǒng)抗毀性和傳輸覆蓋能力指標(biāo)權(quán)重偏高，而系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸能力等偏低，不甚準(zhǔn)確。

此外，AHP沒有考慮指標(biāo)間相互影響的關(guān)系，評(píng)價(jià)矩陣的每一個(gè)數(shù)值微小的變動(dòng)都能導(dǎo)致特征向量的變化從而對(duì)指標(biāo)權(quán)重的分配影響較大，而ANP考慮了指標(biāo)間的相互影響，降低了標(biāo)度的微小變動(dòng)對(duì)權(quán)重的影響。

3　云重心評(píng)價(jià)方法

云重心評(píng)價(jià)法［10-11］將模糊數(shù)學(xué)的模糊性［12-13］和概率論中的隨機(jī)性結(jié)合在一起，用期望Ex、熵En和超熵He3個(gè)數(shù)字特征值來表征。熵是定性概念模糊度的度量，熵越大，概念所接受的數(shù)值范圍也越大，概念越模糊。超熵是熵的熵，它反映了云滴的離散程度，超熵越大，云滴離散度越大，隸屬度的隨機(jī)性越大，云的厚度也越大，在一般的情況下，云重心的高度取常值0.371，期望值相同的云可以通過比較云重心高度的不同來區(qū)分它們的重要性。

云重心評(píng)價(jià)法的具體步驟如下：

①求各指標(biāo)的云模型表示。在給出的系統(tǒng)性能指標(biāo)體系中，提取n組樣品組成決策矩陣，那么n個(gè)精確數(shù)值型的指標(biāo)就可以用一個(gè)云模型來表示。其中，

同時(shí)，每個(gè)語言值型的指標(biāo)都可以用一個(gè)云模型來表示，那么n個(gè)語言值（云模型）表示的一個(gè)指標(biāo)就可以用一個(gè)一維綜合云來表征。其中，

當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，其重心變化為T'，

這樣，就可以用加權(quán)偏離度（θ）來衡量這兩種狀態(tài)下綜合云重心的差異情況。首先將此狀態(tài)下的綜合云重心向量進(jìn)行歸一化，得到一組向量：

其中，

圖2　評(píng)語集云發(fā)生器

4　實(shí)例分析

軍事通信系統(tǒng)指標(biāo)包括系統(tǒng)安全能力、信息傳輸能力、信息安全能力和互通性。以系統(tǒng)信息傳輸能力為例，進(jìn)行有無衛(wèi)星時(shí)系統(tǒng)效能提升的研究，在系統(tǒng)中抽取5個(gè)指標(biāo)的3組數(shù)據(jù)，即一個(gè)時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)的狀態(tài)值，如表9，表10所示。

將上述定性指標(biāo)通過云模型評(píng)語集轉(zhuǎn)化成定量指標(biāo)，組成決策矩陣

表9　有衛(wèi)星支援時(shí)軍事通信系統(tǒng)信息傳輸能力評(píng)價(jià)表

根據(jù)文中第2部分，得到上述各指標(biāo)參數(shù)的權(quán)重分配結(jié)果：

歸一化得

從決策矩陣中，分別求的各個(gè)指標(biāo)云模型的期望值、熵，如表11所示。

表11　有無衛(wèi)星時(shí)軍事通信系統(tǒng)信息傳輸能力云模型參數(shù)

歸一化表征系統(tǒng)狀態(tài)的綜合云重心向量均為有大小、有方向、無量綱的值。把各指標(biāo)歸一化之后的向量值乘以其權(quán)重值，取絕對(duì)值然后再相加，便得到加權(quán)偏離度的值θ（0≤θ≤1），θ1=-0.274 7，θ2=-0.484 9，見下頁(yè)表12。

輸入評(píng)測(cè)云發(fā)生器之后，θ1將激活較好和很好兩個(gè)云對(duì)象，系統(tǒng)的信息傳輸能力評(píng)測(cè)結(jié)果為較好。θ2將激活較一般和好兩個(gè)云對(duì)象，系統(tǒng)的信息傳輸能力評(píng)測(cè)結(jié)果為一般。如下頁(yè)圖3所示，有衛(wèi)星比無衛(wèi)星時(shí)軍事通信系統(tǒng)信息傳輸能力提升為0.210 2。

同理得出系統(tǒng)安全能力、信息安全能力，互通性的重心向量。如下頁(yè)表13所示。

通過各級(jí)能力指標(biāo)的效能分析，可以求出衛(wèi)星支援下軍事通信系統(tǒng)的總體效能值。

表12　有無衛(wèi)星時(shí)軍事通信系統(tǒng)信息傳輸能力云重心參數(shù)對(duì)照表

圖3　軍事通信系統(tǒng)傳輸能力評(píng)估結(jié)果

表13　系統(tǒng)性能比對(duì)表

將其輸入評(píng)測(cè)云發(fā)生器后，有衛(wèi)星時(shí)將激活較好和很好兩個(gè)對(duì)象，激活“較好”云對(duì)象的程度小于“好”云對(duì)象，系統(tǒng)總體效能表述為“好”。而沒有衛(wèi)星時(shí)將激活差和一般兩個(gè)對(duì)象，激活“一般”云對(duì)象的程度略大于差“云”對(duì)象，系統(tǒng)總體效能表現(xiàn)為“一般”。有衛(wèi)星比沒有衛(wèi)星總體的效能提升為0.313 5。如圖4所示。

圖4　有無衛(wèi)星時(shí)軍事通信系統(tǒng)的效能評(píng)估結(jié)果

下面采用模糊層次分析法對(duì)軍事通信系統(tǒng)進(jìn)行效能評(píng)估［17］。模糊綜合評(píng)判模型引用11個(gè)評(píng)價(jià)因子作為本實(shí)例的評(píng)價(jià)集，依次為極差，非常差，很差，較差，差，一般，好，較好，很好，非常好，極好。將表9和表10轉(zhuǎn)化為模糊綜合評(píng)判矩陣如下：

有衛(wèi)星時(shí)系統(tǒng)安全能力指標(biāo)下指標(biāo)的評(píng)判矩陣

矩陣A1中第2行第5列的0.3表示對(duì)30%的專家認(rèn)為平均故障間隔時(shí)間這一指標(biāo)在系統(tǒng)中處于差的狀態(tài)，其他元素同理。

將用AHP法得出的權(quán)重歸一化后乘以評(píng)判矩陣，即

令

分別將R1，R2，R3，R4歸一化得

將上述向量組成的矩陣即為一級(jí)指標(biāo)的評(píng)判矩陣，即：

由AHP法得出一級(jí)指標(biāo)權(quán)重R，

所以，系統(tǒng)的效能評(píng)價(jià)向量為：

由系統(tǒng)的評(píng)價(jià)向量得出評(píng)價(jià)結(jié)果28.42%為最高，由模糊綜合評(píng)判法知系統(tǒng)處于非常好的狀態(tài)。

同理，得出無衛(wèi)星系統(tǒng)的效能評(píng)價(jià)向量為：

由評(píng)價(jià)結(jié)果得出沒有衛(wèi)星時(shí)系統(tǒng)處于一般狀態(tài)。

5　結(jié)論

本文提出了基于ANP與云模型相結(jié)合的評(píng)估方法解決有無衛(wèi)星支援下的通信系統(tǒng)效能的評(píng)估問題。在使用ANP計(jì)算權(quán)重的過程中，綜合考慮了多種因素的影響，應(yīng)用了間接優(yōu)勢(shì)度確定權(quán)重的判斷矩陣，解決了通信系統(tǒng)中元素間相互影響、相互制約的問題，降低了標(biāo)度的微小變動(dòng)對(duì)權(quán)重的影響，計(jì)算結(jié)果更加可信。此外，從實(shí)例分析中可以看出：模糊綜合評(píng)判中不能清楚地得出評(píng)價(jià)指標(biāo)或系統(tǒng)效能的分布，評(píng)估結(jié)果不夠全面有效，而采用云重心評(píng)價(jià)的方法得出系統(tǒng)效能的語言評(píng)判值，能靈活地完成定性語言和定量語言間的相互轉(zhuǎn)化，方法科學(xué)、直觀、有效。云重心評(píng)價(jià)法和ANP相結(jié)合的效能評(píng)估方法拓展了軍事通信系統(tǒng)效能分析的思路，為軍事的通信系統(tǒng)效能評(píng)估提供輔助決策的依據(jù)。在今后的研究中還會(huì)對(duì)效能評(píng)估方法進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)評(píng)估方法做必要的靈敏度分析，為進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)效能提供理論支撐。

［1］夏正洪，王俊峰，潘衛(wèi)軍.空中交通管制系統(tǒng)效能評(píng)估研究［J］.計(jì)算機(jī)工程，2011，37（15）：265-267.

［2］丁海燕，陳建華，宋劍.模糊綜合評(píng)判艦艇編隊(duì)防空武器協(xié)同共用效能評(píng)估［J］.火力與指揮控制，2010，35（2）：96-98.

［3］LID Y，DICC，LIDR，etal.Mining association ruleswith linguistic cloud models［J］.Journal of Software，2000，11 （2）：143-158.

［4］SHIY B，ZHANG A，GAO X J，etal.Cloud model and its application in effectiveness evaluation［J］.International Conference on Management Science&Engineering，2008 （8）：250-255.

［5］張杰，唐宏.效能評(píng)估方法研究［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

［6］呂香亭.綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選方法綜述［J］.合作經(jīng)濟(jì)與科技，2009，15（3）：54.

［7］李志猛，徐培德.武器系統(tǒng)效能評(píng)估理論及應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

［8］王蓮芬.網(wǎng)絡(luò)層次評(píng)價(jià)法（ANP）的理論與算法［J］.系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2001，28（3）：44-50.

［9］JHARKHARIA S，SHANKAR R.Selection of logistics service provider：An analytic network process（ANP）approach［J］.The International Journal of Management Science，2007（35）：274-289.

［10］李德毅.從隸屬函數(shù)到隸屬云［J］.系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，1997，24（6）：68-71.

［11］陳晨，王強(qiáng)，王曉恩.基于云重心評(píng)價(jià)法的空襲目標(biāo)威脅程度評(píng)估［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，17（2）：354-356.

［12］ZADEH LA.Fuzzy sets［J］.Information and Control，1965 （8）：338-353.

［13］方述誠(chéng)，王定偉.模糊數(shù)學(xué)與模糊優(yōu)化［M］.北京：科學(xué)出版社，1997.

［14］王旭輝，楊華，陳遠(yuǎn).基于云模型效能評(píng)估的Matlab實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31（8）：71-76.

［15］崔小燕，李旭宏.物流聯(lián)盟企業(yè)合作決策的Fuzzy-ANP方法研究［J］.交通與計(jì)算，2007，25（138）：29-34.

［16］陳晨，王強(qiáng)，王曉恩.基于云重心評(píng)價(jià)法的空襲目標(biāo)威脅程度評(píng)估［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，17（2）：354-356.

［17］初劍鋒，陳亮.基于模糊AHP法的炮兵指揮信息系統(tǒng)效能評(píng)估［J］.艦船電子工程，2010，30（6）：41-44.

［18］王偉.基于模糊評(píng)判的C4ISR通信系統(tǒng)效能評(píng)估［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010，26（2）：185-203.

Effectiveness Evaluation of Military Communications System Based on ANP and Cloud Model

WEIDe-bin1，XINXin2
（1.College of Information Engineering，Dalian University，Dalian 116622，China；2.Key Laboratory of Communications and Network，Dalian 116622，China）

This paper combines network analytic hierarchy process（ANP）and cloud center of gravity evaluation and applies it to the effectiveness evaluation ofmilitary communication system，and compares the effectiveness ofmilitary communication system with the support of satellite or not.First of all，according to the characteristics of military communicationsystem，the index systemof communication system evaluation is constructing and the ANP model is established；Secondly，according to the correlation between each index of the communication system，analytic network method is used to build the limit super matrix so that the index’weights can be determined.Also it is compared with the weights of indexes determined by AHP，which points out that ANP improves the index weights is scientific；Finally，the qualitative index and quantitative index is convertd by cloud model，giving the enhancement of military communication system effectiveness under the support of satellite and comparing themethod of cloud model and fuzzy comprehensive evaluation.It turns out that the combination of network analytic hierarchy process（ANP）and cloud center of gravity evaluation，which used in effectiveness evaluation ofmilitary communication system，is feasible and scientific.

communication system，effectiveness evaluation，ANP，cloud focus evaluation，fuzzy comprehensiveevaluation

E211

A

1002-0640（2016）08-0118-07

2015-06-11

2015-07-20

遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.2014020131）

魏德賓（1978-），男，遼寧長(zhǎng)海人，碩士，副教授。研究方向：衛(wèi)星通信，系統(tǒng)仿真與建模。