基于多層次建模的綜合電子信息系統(tǒng)效能評(píng)估研究

肖雙愛(ài),吳 浩,王積鵬,李欽富

(中國(guó)電子科學(xué)研究院,北京 100041)

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工程與應(yīng)用

基于多層次建模的綜合電子信息系統(tǒng)效能評(píng)估研究

肖雙愛(ài),吳 浩,王積鵬,李欽富

(中國(guó)電子科學(xué)研究院,北京 100041)

本文以綜合電子信息系統(tǒng)效能評(píng)估為應(yīng)用目的，研究開(kāi)展系統(tǒng)效能評(píng)估的仿真試驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建以及層次化評(píng)估模型構(gòu)建。針對(duì)綜合電子信息系統(tǒng)多層次效能評(píng)估的需求，本文提出了綜合仿真想定層次化描述、裝備系統(tǒng)多粒度建模方法以及層次化評(píng)估建模技術(shù)的綜合電子信息系統(tǒng)效能評(píng)估框架體系，并依此設(shè)計(jì)思路和方法實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的仿真系統(tǒng)，可以對(duì)不同級(jí)別的綜合電子信息系統(tǒng)進(jìn)行效能評(píng)估。

信息系統(tǒng)；效能評(píng)估；多層次建模；仿真設(shè)計(jì)

0 引 言

綜合電子信息系統(tǒng)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的兵力倍增器和作戰(zhàn)部隊(duì)粘合劑，如何認(rèn)清綜合電子信息系統(tǒng)在作戰(zhàn)中的地位和作用，找出制約其效能發(fā)揮的因素，以提高自身和使用效能？即如何對(duì)其進(jìn)行效能評(píng)估，一直是備受關(guān)注的問(wèn)題[1-3]。且隨著網(wǎng)絡(luò)信息體系的發(fā)展，單裝單平臺(tái)的效能評(píng)估已不能滿足裝備體系在論證、研制、試驗(yàn)、作戰(zhàn)使用研究等方面的需求，基于信息網(wǎng)絡(luò)的多裝、多平臺(tái)系統(tǒng)整體效能評(píng)估需求也日益增強(qiáng)。

綜合電子信息系統(tǒng)涉及指揮控制、情報(bào)偵察、預(yù)警探測(cè)、通信導(dǎo)航、電子對(duì)抗、綜合保障等多個(gè)信息功能領(lǐng)域，涉及國(guó)家級(jí)、戰(zhàn)區(qū)級(jí)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)等多級(jí)作戰(zhàn)指揮層次，涉及總部、諸軍兵種各種信息系統(tǒng)[1]。總之，它是一個(gè)由多級(jí)指揮、多層情報(bào)處理和多個(gè)基本作戰(zhàn)單元構(gòu)成的復(fù)雜體系，從不同的觀察視角與研究重點(diǎn)出發(fā)，對(duì)體系的剪裁也不相同，系統(tǒng)效能評(píng)估也需要在不同層次上展開(kāi)，要求建立系統(tǒng)不同層次或不同描述程度的模型。

要提高體系作戰(zhàn)能力，電子信息系統(tǒng)整體能力和效能的發(fā)揮是關(guān)鍵，因此迫切需要開(kāi)展綜合電子信息系統(tǒng)體系級(jí)效能評(píng)估及仿真試驗(yàn)。同時(shí)為提高綜合電子信息系統(tǒng)各領(lǐng)域能力，促進(jìn)其裝備發(fā)展，綜合電子信息系統(tǒng)級(jí)和裝備級(jí)效能評(píng)估與仿真仍需深入研究。由此，本文針對(duì)綜合電子信息系統(tǒng)體系級(jí)/系統(tǒng)級(jí)/裝備級(jí)評(píng)估三個(gè)層次，進(jìn)行了相應(yīng)仿真建模技術(shù)研究。

1 多層次建模技術(shù)研究

1.1 仿真建模研究

為適應(yīng)滿足體系級(jí)、系統(tǒng)級(jí)以及裝備級(jí)等多層次評(píng)估仿真需求，本文采用了層次化描述方法來(lái)表征仿真想定實(shí)體及其關(guān)系。仿真實(shí)體層級(jí)關(guān)系描述包括編隊(duì)號(hào)、平臺(tái)號(hào)、搭載電子設(shè)備/搭載導(dǎo)彈武器、設(shè)備號(hào)等信息。具體仿真實(shí)體屬性描述包括平臺(tái)屬性、設(shè)備屬性和武器屬性等三個(gè)方面：平臺(tái)實(shí)體屬性描述信息包括實(shí)體號(hào)、搭載平臺(tái)、屬性、類型、名稱、型號(hào)、狀態(tài)、所屬編組等；設(shè)備實(shí)體屬性描述信息包括實(shí)體號(hào)、類型、名稱、型號(hào)、工作狀態(tài)、工作參數(shù)等；武器實(shí)體屬性描述信息包括實(shí)體號(hào)、類型、名稱、型號(hào)、數(shù)量等。仿真時(shí)通過(guò)加載不同層級(jí)仿真實(shí)體的想定，可支撐不同層次評(píng)估需求。

綜合電子信息系統(tǒng)體系級(jí)評(píng)估仿真以各功能領(lǐng)域系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行推演試驗(yàn)。領(lǐng)域系統(tǒng)模型包括指控系統(tǒng)仿真模型、預(yù)警偵察系統(tǒng)模型、雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)仿真模型、通信對(duì)抗系統(tǒng)仿真模型、武器系統(tǒng)仿真模型等等。各功能領(lǐng)域系統(tǒng)建模以體現(xiàn)描述系統(tǒng)對(duì)體系的能力貢獻(xiàn)、與其它系統(tǒng)的信息關(guān)聯(lián)等為主要內(nèi)容。例如指控系統(tǒng)體系級(jí)仿真模型，主要進(jìn)行作戰(zhàn)計(jì)劃制定、作戰(zhàn)任務(wù)分配、作戰(zhàn)命令下達(dá)等功能與流程仿真，而不關(guān)心不同層級(jí)指揮系統(tǒng)之間的信息流動(dòng)。

系統(tǒng)級(jí)效能評(píng)估仿真以各功能領(lǐng)域系統(tǒng)裝備模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行推演試驗(yàn)。各功能領(lǐng)域系統(tǒng)裝備建模以體現(xiàn)描述裝備功能及外特征、與其它裝備系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)為主要內(nèi)容。例如雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)級(jí)模型，主要進(jìn)行某雷達(dá)對(duì)抗裝備對(duì)抗能力、雷達(dá)對(duì)抗效果的功能仿真。

裝備級(jí)效能評(píng)估仿真以各功能領(lǐng)域系統(tǒng)裝備的主要功能設(shè)備模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行仿真模擬。功能設(shè)備建模以系統(tǒng)裝備主要組成、主要功能及主要信息流程為仿真對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行抽象描述。例如雷達(dá)裝備模型，主要進(jìn)行天線掃描、搜索探測(cè)、跟蹤識(shí)別、點(diǎn)跡處理等功能的模擬與仿真。

1.2 評(píng)估建模研究

1.2.1 層次化評(píng)估模型結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[5]將武器裝備體系劃分為體系級(jí)、平臺(tái)級(jí)、裝備級(jí)、關(guān)鍵技術(shù)級(jí)，并建立了不同層次的作戰(zhàn)能力評(píng)估模型。本文參考借鑒其思想方法，根據(jù)綜合電子信息系統(tǒng)及其應(yīng)用特點(diǎn)，針對(duì)體系級(jí)/系統(tǒng)級(jí)/裝備級(jí)不同層次的評(píng)估與仿真試驗(yàn)，建立了綜合電子信息系統(tǒng)層次化仿真評(píng)估模型(具體見(jiàn)圖1)。包括體系效能評(píng)估、系統(tǒng)效能評(píng)估和裝備效能評(píng)估三個(gè)層級(jí)模型，每個(gè)層級(jí)建模都從評(píng)估指標(biāo)體系和評(píng)估算法兩個(gè)方面進(jìn)行。考慮評(píng)估對(duì)象不同和試驗(yàn)?zāi)康牟煌?，采用可編輯可定制方式進(jìn)行構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)體系和評(píng)估算法模型，并研發(fā)相應(yīng)的模型軟件支撐工具。各層級(jí)之間指標(biāo)體系采用自頂向下分解方式，評(píng)估計(jì)算結(jié)果采用自下而上匯總方式。即體系級(jí)效能評(píng)估根據(jù)具體體系評(píng)估指標(biāo)，將其要素逐一分解落實(shí)到系統(tǒng)級(jí)效能評(píng)估中；系統(tǒng)級(jí)效能評(píng)估根據(jù)具體系統(tǒng)評(píng)估指標(biāo)，再將其要素逐一分解落實(shí)到裝備級(jí)效能評(píng)估中。而評(píng)估結(jié)果則是由裝備級(jí)效能評(píng)估計(jì)算后結(jié)果報(bào)送給系統(tǒng)級(jí)，系統(tǒng)級(jí)效能評(píng)估綜合計(jì)算后結(jié)果再上報(bào)給體系級(jí)，體系級(jí)再綜合各系統(tǒng)級(jí)報(bào)送結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)估。

圖1 綜合電子信息系統(tǒng)層次化評(píng)估模型

1.2.2 模型算法研究

(a)體系效能評(píng)估模型算法

以綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)評(píng)估為具體應(yīng)用，考慮電子對(duì)抗系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)效能構(gòu)成綜合電子信息系統(tǒng)整體綜合效能，見(jiàn)圖2。

圖2 綜合電子戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)層次模型

分析建立綜合電子信息系統(tǒng)整體綜合效能和各組成要素系統(tǒng)效能的關(guān)系：

(1)

Esos:體系效能，Ecounter：電子對(duì)抗系統(tǒng)效能，Ec2指控系統(tǒng)效能，f：電子對(duì)抗與指控效能之間的關(guān)系函數(shù)。

其中電子對(duì)抗系統(tǒng)效能包括雷達(dá)對(duì)抗、通信對(duì)抗兩部分，即：

(2)

ERc：雷達(dá)對(duì)抗效能，EComc：通信對(duì)抗效能。

(b)系統(tǒng)評(píng)估模型算法

指控系統(tǒng)效能評(píng)估從情報(bào)處理能力、態(tài)勢(shì)感知能力和指揮控制能力三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估，即：

(3)

Einfo：情報(bào)處理能力，Esense：態(tài)勢(shì)感知能力，Ecc：指揮控制能力。

(4)

Range：情報(bào)處理范圍，dT：情報(bào)處理時(shí)間,g1: 關(guān)系函數(shù)。

(5)

L:情報(bào)連續(xù)性，Q：情報(bào)準(zhǔn)確性，g2:關(guān)系函數(shù)。

(6)

Tc：決策時(shí)間，Eff：指控有效性，g3: 關(guān)系函數(shù)。

雷達(dá)對(duì)抗從雷達(dá)對(duì)抗方干擾效能與雷達(dá)方探測(cè)兩個(gè)角度進(jìn)行效能評(píng)估，具體計(jì)算：

(7)

ERjam：雷達(dá)干擾效能，ERdect：雷達(dá)探測(cè)效能。

通信對(duì)抗從通信信號(hào)偵察和通信干擾對(duì)抗兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估，具體計(jì)算：

(8)

EComdect：通信探測(cè)效能，EComjam：通信干擾效能。

(c)裝備效能評(píng)估模型算法

裝備效能評(píng)估主要是各裝備根據(jù)使命任務(wù)對(duì)其能力和效能進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，包括情報(bào)處理范圍、情報(bào)處理時(shí)間、情報(bào)連續(xù)性、情報(bào)準(zhǔn)確性、決策時(shí)間、指控有效性、雷達(dá)干擾效能、雷達(dá)探測(cè)效能、通信干擾效能、通信探測(cè)效能等參數(shù)指標(biāo)的具體計(jì)算和評(píng)估，這里就不再一一詳述。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于多層次建模的綜合電子信息系統(tǒng)效能評(píng)估系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示。其中仿真環(huán)境是典型復(fù)雜巨系統(tǒng)的體系對(duì)抗仿真環(huán)境，是一個(gè)多粒度模型并存的分布式仿真系統(tǒng)，支持體系級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和裝備級(jí)效能評(píng)估及仿真試驗(yàn)，由多層次仿真模型以及仿真運(yùn)行支撐組成。

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

多層次仿真模型部分包括指揮控制、武器系統(tǒng)、電子對(duì)抗、預(yù)警偵查、通信網(wǎng)絡(luò)等專業(yè)領(lǐng)域系統(tǒng)級(jí)/裝備級(jí)/設(shè)備級(jí)組件模型、仿真軟件以及相應(yīng)效能評(píng)估模型軟件，這些領(lǐng)域模型可根據(jù)實(shí)際評(píng)估任務(wù)需要進(jìn)行變換和調(diào)整。指控系統(tǒng)仿真模型和評(píng)估軟件，主要完成指揮控制系統(tǒng)的模擬仿真和效能計(jì)算；武器系統(tǒng)評(píng)估主要完成打擊武器系統(tǒng)的模擬仿真和打擊效果計(jì)算；電子對(duì)抗系統(tǒng)仿真主要完成雷達(dá)對(duì)抗和通信對(duì)抗系統(tǒng)及裝備的模擬仿真；預(yù)警偵察系統(tǒng)效能評(píng)估主要完成預(yù)警偵察裝備的效能計(jì)算和系統(tǒng)仿真；通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)效能評(píng)估主要完成通信網(wǎng)絡(luò)裝備效能計(jì)算和系統(tǒng)仿真。這些領(lǐng)域仿真系統(tǒng)可獨(dú)立運(yùn)行，開(kāi)展系統(tǒng)級(jí)和裝備級(jí)效能評(píng)估試驗(yàn)；也可與其他系統(tǒng)協(xié)作參與大系統(tǒng)運(yùn)行，開(kāi)展體系級(jí)效能評(píng)估試驗(yàn)。

仿真運(yùn)行支撐部分主要包括仿真集成平臺(tái)、想定規(guī)劃、運(yùn)行控制、綜合顯示、體系評(píng)估等主要功能軟件。體系仿真集成平臺(tái)是支撐體系評(píng)估仿真運(yùn)行的平臺(tái)軟件，實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)集成等。系統(tǒng)想定規(guī)劃軟件是支撐開(kāi)展系統(tǒng)效能評(píng)估仿真試驗(yàn)的想定規(guī)劃工具，主要是研究利用人機(jī)交互手段，方便快捷地將文本想定劇本轉(zhuǎn)化為能夠驅(qū)動(dòng)仿真系統(tǒng)運(yùn)行的電子想定數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運(yùn)行控制軟件主要是控制仿真運(yùn)行過(guò)程，并將想定中設(shè)定的場(chǎng)景實(shí)時(shí)地演示出來(lái)。綜合顯示軟件主要是將系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程以直觀、形象的方式展示給用戶。體系綜合評(píng)估軟件支持在線評(píng)估和事后評(píng)估兩種方式，在線評(píng)估通過(guò)數(shù)據(jù)采集得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，事后評(píng)估能從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取歷史數(shù)據(jù)，在專家系統(tǒng)輔助下，對(duì)體系效能進(jìn)行分析與評(píng)估。

2.2 運(yùn)行使用

基于多層次建模的綜合電子信息系統(tǒng)效能評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)行使用流程見(jiàn)圖4所示，具體包括：

a)運(yùn)行前準(zhǔn)備：用戶根據(jù)使用需求及需要提出軍事和仿真想定，利用想定規(guī)劃軟件制作產(chǎn)生各種電子想定文件，存儲(chǔ)在想定數(shù)據(jù)庫(kù)中。

b)系統(tǒng)運(yùn)行控制

1)系統(tǒng)使用控制人員啟動(dòng)各仿真成員軟件，例如指控系統(tǒng)仿真與評(píng)估、電子對(duì)抗系統(tǒng)仿真與評(píng)估、預(yù)警偵察效能仿真、通信網(wǎng)絡(luò)效能仿真、武器系統(tǒng)仿真與評(píng)估、綜合顯示、體系評(píng)估、運(yùn)行控制等軟件，選擇加載效能評(píng)估試驗(yàn)想定；

2)系統(tǒng)使用控制人員通過(guò)運(yùn)行控制軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，對(duì)仿真成員進(jìn)行仿真對(duì)時(shí)、想定分發(fā)；

3)各仿真成員準(zhǔn)備就緒后，運(yùn)行控制操作人員下達(dá)仿真開(kāi)始命令，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，監(jiān)視控制系統(tǒng)運(yùn)行情況；

4)如有想定調(diào)整變更需要，系統(tǒng)使用控制人員根據(jù)想定變更要求進(jìn)行想定調(diào)整，并將調(diào)整信息分發(fā)給相應(yīng)仿真成員。

5)試驗(yàn)完成后，系統(tǒng)使用控制人員下達(dá)仿真結(jié)束指令，可以準(zhǔn)備下次試驗(yàn)。

c)系統(tǒng)評(píng)估

1)實(shí)時(shí)評(píng)估：仿真運(yùn)行過(guò)程中，所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)存入試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)；同時(shí)，各系統(tǒng)將實(shí)時(shí)評(píng)估所需信息發(fā)送給體系評(píng)估軟件，可以進(jìn)行體系實(shí)時(shí)評(píng)估；

2)事后評(píng)估：仿真結(jié)束后，系統(tǒng)評(píng)估軟件根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和事后評(píng)估，并將評(píng)估結(jié)果存入評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行效能事后分析評(píng)估。

圖4 仿真運(yùn)行流程示意圖

2.3 應(yīng)用案例

以某一熱點(diǎn)問(wèn)題為應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)編制仿真試驗(yàn)想定，依托本效能評(píng)估仿真系統(tǒng)軟件，開(kāi)展相關(guān)仿真試驗(yàn)，進(jìn)行了綜合電子信息系統(tǒng)體系級(jí)和系統(tǒng)級(jí)效能評(píng)估。試驗(yàn)結(jié)果示意見(jiàn)圖5。

圖5 體系級(jí)效能評(píng)估仿真試驗(yàn)結(jié)果示意

4 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合信息系統(tǒng)裝備發(fā)展對(duì)效能評(píng)估的需求，在系統(tǒng)仿真建模、評(píng)估建模方面開(kāi)展了技術(shù)研究，構(gòu)建了具備體系/系統(tǒng)/裝備三個(gè)層次仿真評(píng)估能力的綜合電子信息系統(tǒng)仿真環(huán)境，并以某一熱點(diǎn)問(wèn)題為假想背景進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。但是綜合電子信息系統(tǒng)效能評(píng)估仿真是一項(xiàng)復(fù)雜工程，涉及范圍廣，本文研究只是冰山一角，旨在為開(kāi)展信息系統(tǒng)效能評(píng)估和仿真提供一種思路和方法，后續(xù)在多尺度模型切換、評(píng)估模型算法等方面，仍需深入研究。

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Research on Effectiveness Evaluation of Integrated Electronic Information System Based on Multi-level Modeling

XIAO Shuang-ai, WU Hao, WANG Ji-peng, LI Qin-fu

(China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China)

This paper studies simulation environment Construction and Multi-level modeling for the applied purpose of evaluating integrated electronic information system. In view of the multiple level evaluation requirement of integrated electronic information system, this paper presents comprehensive simulation scenario hierarchical description, equipment system multi granularity modeling method and the hierarchical evaluation modeling technology of integrated electronic information system, and based on this design concept completes the corresponding simulation system, it can be applied to evaluate the distinct information system.

Information System；Effectiveness Evaluation；Multi-level Modeling；Simulation Design

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.03.007

2017-04-01

2017-06-10

TP311.52

A

1673-5692(2017)03-257-05

肖雙愛(ài)(1977—),女，河北人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)仿真建模、多傳感器數(shù)據(jù)融合、算法研究等；

E-mail：xiaoshuangai@sina.com

吳 浩(1982—),男，四川人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)仿真建模、仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等；

王積鵬(1959—),男，山東人，研究員高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)與仿真技術(shù)等；

李欽富(1969—),男，山東人，研究員高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榫C合電子信息系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真建模、多傳感器數(shù)據(jù)融合等。