艦載短波通信效能評估系統(tǒng)的設(shè)計研究

徐 池，賀 寅

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艦載短波通信效能評估系統(tǒng)的設(shè)計研究

徐 池，賀 寅

（海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018）

艦載短波通信的效能評估對于提高艦艇通信保障能力和艦艇的作戰(zhàn)能力具有重要意義。結(jié)合實際將基于主客觀組合賦權(quán)的評估方法運用到了效能評估中，分析了評估系統(tǒng)關(guān)鍵底層指標計算模型的關(guān)系。針對艦載短波通信效能評估的實際需求，提出了評估系統(tǒng)設(shè)計的總體方案，采用開放式、層次化、構(gòu)建化的開發(fā)方法，設(shè)計并實現(xiàn)了艦載短波通信效能評估系統(tǒng)。

短波；效能評估；系統(tǒng)設(shè)計；集成化特征

現(xiàn)代艦載通信系統(tǒng)具有綜合化、集成化特征，裝備系統(tǒng)種類越來越繁多，規(guī)模越來越龐大，結(jié)構(gòu)越來越復雜，艦載通信系統(tǒng)效能評估和通信指揮決策等方面的問題變得越來越重要、越來越緊迫，涉及面也越來越廣。通過分析艦載短波通信系統(tǒng)效能的影響因素，加強對艦載短波通信系統(tǒng)效能評估模型和方法的研究，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建艦載短波通信效能評估系統(tǒng)，從而為指揮員更合理地運用艦載短波通信系統(tǒng)、更科學地制訂通信組織方案、對方案進行優(yōu)選提供決策依據(jù)。

1 國內(nèi)外通信效能評估系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀

自20世紀80年代以來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，美軍正逐步加強對軍事通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的研究，以提高通信網(wǎng)絡(luò)的抗毀性、可靠性和可用性[1]。目前，美海軍通信環(huán)境預(yù)測和系統(tǒng)評估的研究和軟件開發(fā)工作主要由位于San Diego的美軍空間和海軍作戰(zhàn)系統(tǒng)中心承擔，其開發(fā)出的通信評估工具軟件給美軍帶來巨大的軍事利益。我國開展效能評估的研究是從20世紀70年代中期以后開始，國內(nèi)部分院校和研究所開發(fā)研究了一些仿真與評估系統(tǒng)，多應(yīng)用于裝備論證領(lǐng)域。

2 艦載短波通信效能評估模型和方法

評估艦載短波通信效能，開發(fā)艦載短波通信效能評估系統(tǒng)，首先需要明確評估所要使用的模型、方法、總體方案等要素。對艦載短波通信裝備效能評估模型和方法進行研究，建立艦載短波通信效能評估關(guān)鍵底層指標計算模型，分析常用效能評估方法。

2.1 關(guān)鍵底層指標計算模型建模

無論是對艦載短波通信系統(tǒng)進行單指標效能評估還是綜合效能評估，且無論建立什么樣的指標體系，一些基礎(chǔ)的底層指標計算模型的構(gòu)建都是必不可少的，這些關(guān)鍵底層模型可能在多個不同指標體系和單一指標的計算中都要用到[2]，系統(tǒng)主要研究的底層指標計算模型包括信噪比/信干比、誤碼率和語音模糊度計算模型。它們之間及與其他指標、模型之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 關(guān)鍵底層指標計算模型關(guān)系圖

通過各頻段電波傳播計算模型可以得到信噪比和信干比，由信噪比或信干比利用相關(guān)計算模型可算得誤信率，其具體表示形式是誤碼率或語音模糊度，誤信率又是計算有效電路數(shù)、系統(tǒng)抗擾度、信息延遲度、網(wǎng)路暢通率、任務(wù)完成度等上層指標的關(guān)鍵參數(shù)。由于篇幅限制，底層關(guān)鍵模型的具體建模過程不在此處詳述。

2.2 效能評估方法分析

2.2.1 幾種常用效能評估方法分析比較

目前，國內(nèi)外建立的評估方法有數(shù)百種之多，這里只對其中較常用、已應(yīng)用于艦載通信效能評估系統(tǒng)中的幾種評估方法進行分析，對所涉及的常用評估方法的具體模型和算法不進行詳細介紹，只對其進行概要性表述。表1列出了幾種常用效能評估方法的特點和適用范圍[3]。

表1 幾種常用效能評估方法的特點和適用范圍

2.2.2 基于主客觀組合賦權(quán)的評估方法實施步驟

設(shè)={1，2，…，m}為評估對象集，={1，2，…，n}為指標集。運用基于主客觀組合賦權(quán)的評估方法對艦載通信裝備進行評估的步驟如下[4]。

通過基于標度擴展的AHP法計算主觀權(quán)重，具體操作步驟如下。

第一步，根據(jù)評估專家意見，對評價指標按重要程度不減順序建立順序關(guān)系，假設(shè)當前建立的順序關(guān)系為1＞2＞…＞n（“i＞j”表示i的重要性不低于j）。

第二步，通過專家調(diào)查等方法確定指標間的相對重要程度，設(shè)為1，2，2，3，…，n－1，n.

第三步，構(gòu)造判斷矩陣，為：

第四步，判斷矩陣已具有一致性，無需進行一致性檢驗，可直接計算其最大特征值和相應(yīng)的特征向量，從而得到各項指標的主觀權(quán)重值。這里暫設(shè)得到的各指標主觀權(quán)重值為1，2，…，n.

利用離差最大化法計算客觀權(quán)重。

第一步，構(gòu)造規(guī)范化評價矩陣。構(gòu)造矩陣=（ij）n×m，其中ij為方案j關(guān)于指標j的評價值，將做規(guī)范化處理后得到規(guī)范化評價矩陣.

第二步，計算各指標客觀權(quán)重值，此處設(shè)為1′，2′，…，n′.

利用基于目標規(guī)劃的組合賦權(quán)法求綜合權(quán)重。

第一步，利用上述得到的主、客觀權(quán)重值構(gòu)造矩陣

計算矩陣（T）T（T）的最大特征值及其對應(yīng)的特征向量.

第二步，求出組合權(quán)向量=，對其做歸一化處理后，得歸一化組合權(quán)向量*.

根據(jù)指標的數(shù)值和權(quán)重即可利用加權(quán)和等集結(jié)方法計算總的效能值得出評估結(jié)果。

3 短波通信效能評估系統(tǒng)的總體設(shè)計

根據(jù)軟件工程和系統(tǒng)工程的思想，結(jié)合UML建模技術(shù)，在對艦載短波通信效能評估系統(tǒng)進行功能分析和數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，以開放式、層次化、構(gòu)件化的設(shè)計思路為指導，對效能評估系統(tǒng)軟件架構(gòu)進行設(shè)計和建模，確定了系統(tǒng)開發(fā)總體技術(shù)方案。

3.1 系統(tǒng)功能需求分析

艦載短波通信效能評估系統(tǒng)應(yīng)能夠支持對艦艇上短波系統(tǒng)進行不同層次的評估，同時，應(yīng)支持對評估系統(tǒng)中的各種評估模型、方法和數(shù)據(jù)進行維護和管理。評估系統(tǒng)用戶主要分為4類：指揮員、評估專家、通信專家和系統(tǒng)管理員。各類用戶對系統(tǒng)的需求如圖2所示。

圖2 艦載短波通信效能評估系統(tǒng)UML用例圖

指揮員是實施評估的主體，將利用本評估系統(tǒng)完成各種評估任務(wù)，進而參考評估結(jié)果進行決策。其需要評估的內(nèi)容包括：①評估計算艦載短波通信某單項性能指標，獲取短波通信某一方面狀況的信息；②評估不同層次、規(guī)模艦載短波通信綜合效能。

評估專家的主要任務(wù)是擴充評估系統(tǒng)中的算法、模型，對原有的需要修正的模型進行調(diào)整，刪除已經(jīng)無應(yīng)用價值的需要淘汰的模型。其利用本系統(tǒng)完成的工作包括：維護管理各種組合評估模型、綜合評估模型、賦權(quán)模型、集結(jié)模型、單指標計算模型和指標預(yù)處理模型等。

通信專家代表一類用戶群，他們主要研究如何度量、評估短波通信某個方面性能指標的模型、算法，進而利用本評估系統(tǒng)擴充、維護單指標計算模型。

系統(tǒng)管理員是整個評估系統(tǒng)的管理者，能夠?qū)υu估系統(tǒng)中的各種模型、算法進行維護之外，還需要管理評估系統(tǒng)的所有用戶，如賦予不同用戶以不同等級的權(quán)限、新增或刪除系統(tǒng)用戶等。

3.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計

艦載短波通信效能評估系統(tǒng)是能應(yīng)用于多個裝備層次、多種評估任務(wù)、由諸多功能相互配合構(gòu)成的支持艦載短波通信效能評估全過程的應(yīng)用系統(tǒng)。為此，艦載短波通信裝備效能評估系統(tǒng)軟件架構(gòu)的設(shè)計采用了分層的思想，建立了支持增量式開發(fā)、功能模塊重用的3層軟件架構(gòu)，即系統(tǒng)由表示層、邏輯層、數(shù)據(jù)層構(gòu)成。

表示層主要指評估系統(tǒng)中使用的各種人機交互界面，主要包括單項效能和綜合效能評估參數(shù)輸入界面、組合評估模型可視化建模界面、單項效能計算模型管理界面、指標預(yù)處理模型管理界面、賦權(quán)模型管理界面、集結(jié)模型管理界面、綜合評估模型管理界面、單項效能和綜合效能評估結(jié)果顯示界面等。

服務(wù)層位于表示層與數(shù)據(jù)層之間，為表示層提供業(yè)務(wù)處理服務(wù)，同時管理對數(shù)據(jù)層的訪問。服務(wù)層內(nèi)可進一步分為邏輯子層和管理子層。系統(tǒng)管理子層主要由單項效能計算模型庫管理模塊、組合評估模型庫管理模塊、賦權(quán)模型庫管理模塊、集結(jié)模型庫管理模塊、指標預(yù)處理模型庫管理模塊和綜合評估模型庫管理模塊等組成。

數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)賴以運行的基礎(chǔ)，它包括單項效能計算模型庫、綜合評估模型庫、組合評估模型庫、賦權(quán)模型庫、集結(jié)模型庫、指標預(yù)處理模型庫以及評估信息庫等，內(nèi)含了艦載短波通信效能評估的相關(guān)理論和方法，存儲了大量有用信息，可由服務(wù)層中的管理子層的相應(yīng)管理功能實現(xiàn)對其的增刪、修改、信息提取等操作。

3.3 系統(tǒng)軟件開發(fā)技術(shù)方案

根據(jù)對系統(tǒng)的分析，以開放式、構(gòu)件化的軟件開發(fā)思想指導，依照3層軟件架構(gòu)，確定評估系統(tǒng)軟件開發(fā)采取以下關(guān)鍵技術(shù)方案。

3.3.1 模型、方法構(gòu)件化

構(gòu)件化軟件開發(fā)技術(shù)是目前軟件復用思想在軟件工程應(yīng)用中的前沿技術(shù)和熱點之一。將評估系統(tǒng)中用到的各種模型、方法進行構(gòu)件化設(shè)計和實現(xiàn)，從而真正從物理上實現(xiàn)分布式開發(fā)，加快理論方法工程化的進度，同時，能夠更好地支持模型、方法的重用，使評估系統(tǒng)具有開放性、易于擴展。

3.3.2 XML與關(guān)系數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的數(shù)據(jù)管理

XML（Xtensible Markup Language，可擴展標記語言）是一種元標記語言，同時又是一套標準，由于它非常適合于描述結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，一經(jīng)面世就很快得到了業(yè)界的認可，并越來越廣泛地應(yīng)用于各種應(yīng)用程序中。關(guān)系數(shù)據(jù)庫基于關(guān)系模型，使用一系列表來表達數(shù)據(jù)以及這些數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，適用于存儲具有相同信息項的實體信息。將XML技術(shù)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合，管理評估系統(tǒng)中使用的大量數(shù)據(jù)資源，可以充分發(fā)揮二者各自的優(yōu)勢，取得既易于分析理解又不失高效性的數(shù)據(jù)管理效果。

4 結(jié)束語

艦載短波通信效能評估系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，涉及電波傳播、電子對抗、仿真模擬等多個研究領(lǐng)域。本文結(jié)合短波通信效能評估系統(tǒng)的功能需求，形成了系統(tǒng)總體的設(shè)計方案，包括系統(tǒng)關(guān)鍵指標底層模型、效能評估方法和系統(tǒng)架構(gòu)。評估系統(tǒng)實用效果的集中體現(xiàn)在于系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)的準確性和系統(tǒng)的人機交互性。因此，后續(xù)底層數(shù)據(jù)的積累、驗證和人機交互性的改進是提高艦載短波通信效能評估系統(tǒng)實用性的關(guān)鍵。

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TN925

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.027

2095－6835（2018）22－0027－03

〔編輯：張思楠〕