基于AHP 的應急通信系統(tǒng)效能評估方法*

蔡藏賦，高春梅

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

應急通信系統(tǒng)以各類通信手段的互補互備及整合運用為基礎，在非常規(guī)環(huán)境中提供快速建立、穩(wěn)定使用、安全可靠的通信網(wǎng)絡，確保業(yè)務系統(tǒng)互聯(lián)互通，保障重要信息、應急指令及時、準確、暢通地傳遞[1-4]。應急通信系統(tǒng)應用領域非常廣泛，包括抗險救災、處突維穩(wěn)、領導隨行、重大活動、軍事行動等，是快速處理突發(fā)事件的中樞神經(jīng)，是確保應急指令上通下達的重要基礎設施，其應用場景具備環(huán)境不確定、業(yè)務多樣化等特點。如何根據(jù)通信環(huán)境、承載業(yè)務、應急任務等條件，選擇合適應急通信預案，充分發(fā)揮應急通信手段效能，是設計應急通信系統(tǒng)必須考慮的問題。

應急通信系統(tǒng)效能評估對各類應急通信手段的有效作用程度進行評價和估量，對判斷應急通信手段有效性、評估應急通信預案合理性有著重要指導意義。合理、科學的應急效能評估指標體系以及效能評估算法有助于應急通信手段在實際環(huán)境中發(fā)揮作用。當前應急通信效能評估主要以通信手段的技術特點為基礎來構建評估指標體系、設計評估算法，沒有考慮應急業(yè)務特點。本文從應急通信手段、應急通信業(yè)務角度，對現(xiàn)有指標體系進行改進，提出了一種基于層次分析法的應急通信系統(tǒng)效能評估方法。

1 現(xiàn)狀分析

在各個應用領域關于效能評估的研究已經(jīng)非常深入，相關評估方法、模型等都取得了一定豐富的研究成果，這為應急通信系統(tǒng)的效能評估研究打下了堅實基礎。當前，應用較多的效能評估方法包括ADC 分析法、層次分析法（AHP）、專家調查法、模糊分析法、灰色評估法等。

在應急通信系統(tǒng)方面，目前主要通過建立效能評估指標體系、選擇適當評估算法相結合的方式，來解決系統(tǒng)效能評估問題。雷飛鵬等人采用層次分析法與模糊綜合判決相結合的評估方法,基于系統(tǒng)功能體系架構對影響系統(tǒng)效能因素，以模糊理論為基礎對應急機動通信系統(tǒng)實用效能進行評估[5]。吳偉等人通過分析空軍應急機動通信系統(tǒng)的活動特點和影響因素,運用層次分析法構建了相應的指標體系模型,并提出各項指標的判別標準[6]。曲凱等人基于MDA 方法,運用模型組合技術和插件式開發(fā)技術，將評估對象、評估指標體系、評估方法等抽象為模型，通過模型組合技術實現(xiàn)效能評估系統(tǒng)的按需定制[7]。樊自甫等人針對造成突發(fā)事件的部分因素具有不確定性或難以量化的特點，基于綜合層次分析法和模糊綜合評價法構建了應急預案有效評價指標體系,對應急預案有效性進行評估,為全面、準確、科學地評估應急預案有效性提出了新思路[8]。張杰等人將灰色系統(tǒng)理論與層次分析法相結合,建立了軍事信息系統(tǒng)綜合能力評估的多層次灰色分析模型,并給出了模型實現(xiàn)的計算方法和基本步驟[9]?；粲廊A等人針對Ad Hoc 網(wǎng)絡,提出一種基于層次分析法的應急效能評估算法,設計相應的估算模型參數(shù)并得出評估結果[10]。

2 指標建立

為了能從通信能力、業(yè)務能力、運維管理以及安全保密等各個方面客觀、準確地反映應急通信系統(tǒng)的使用效能，效能評估指標的選擇不能隨意挑選。結合應急通信系統(tǒng)的建設和使用情況，效能評估指標的選取應滿足相應要求：

（1）完備性：效能指標的選取要相對全面、正確，以盡可能包含影響應急通信系統(tǒng)效能各類指標。同時，效能指標過多為帶來一定的復雜性。為提高系統(tǒng)效能的評估效率，可適當刪減影響力較小的指標。

（2）獨立性：考慮到不同指標之間存在的關聯(lián)性，會影響評估權值的設定，影響評估結果正確性。應確定各指標之間彼此相互獨立，不存在因果關系。

（3）客觀性：應從應急通信系統(tǒng)的實際使用為出發(fā)點，盡量選取能夠客觀反映系統(tǒng)特點的指標，減少主觀因素影響程度。同時，為保證效能評估準確性，效能評估體系的分層要合適，指標含義要準確。

（4）可測性：選擇的效能評估指標應能采用定量表示方式。在應急通信系統(tǒng)使用過程中，用于描述指標的相關信息能夠通過設備監(jiān)測或者數(shù)學計算的方法獲取，既確保指標的客觀性，又方便利用計算機進行分析。

本文采用層次分析法（The Analytic Hierarchy Process，AHP）來建立應急通信系統(tǒng)效能評估指標體系。層次分析法的特點是通過目標、中間層、方案等逐漸細化的層次，對決策目標影響因素以及內在聯(lián)系進行建模，并以此為基礎開展定性與定量分析。層次分析法一般分為四個步驟：

（1）建立層次模型：分析與決策目標相關的因素，并建立各因素相互聯(lián)系的層次結構模型；

（2）構造判斷矩陣：對同一層次的決策要素進行兩兩比較，形成比較判斷矩陣；

（3）矩陣權重計算：根據(jù)判斷矩陣，計算判斷因素的相對權重；

（4）層次排序：計算各層決策要素對決策目標的合成權重，并進行層次總排序。

通過對應急通信系統(tǒng)運行過程影響因素的分析，影響應急通信效能的因素主要包括通信互聯(lián)、運行管理、業(yè)務支撐和安全可靠等方面。其中：

通信互聯(lián)是指應急通信系統(tǒng)在應急通信環(huán)境高適應性、靈活協(xié)作的能力，主要體現(xiàn)在應急通信網(wǎng)絡覆蓋能力、節(jié)點容量、傳輸帶快、互聯(lián)互通等方面，是實現(xiàn)應急通信保障的前提。

運行管理是指應急通信系統(tǒng)為技術保障人員提供的便捷、快速操作維護的能力，是系統(tǒng)效能能否正常發(fā)揮的基礎，主要體現(xiàn)在系統(tǒng)開通、專業(yè)技術依賴、排故、配置響應等方面。

業(yè)務支撐是指應急通信系統(tǒng)能夠支撐應急通信業(yè)務的種類和能力程度，主要體現(xiàn)在語音、文電、視頻等業(yè)務支撐程度上，是判斷應急通信系統(tǒng)能夠滿足業(yè)務需求的關鍵。

安全可靠是指不可預知情況（如網(wǎng)絡攻擊、突發(fā)事件）下，應急通信系統(tǒng)對業(yè)務數(shù)據(jù)機密性、可用性和完整性的保護能力，主要體現(xiàn)在安全保密、抗毀容災等方面，是確保應急通信系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運行的保障。

因此，應急通信系統(tǒng)效能評估指標體系從通信互聯(lián)、運行管理、業(yè)務支撐、安全可靠等角度，細化應急通信系統(tǒng)效能指標，最終采用層次分析法方式構建整個指標體系，如圖1 所示。

圖1 應急通信系統(tǒng)效能評估指標體系

3 權重計算

在上述基礎上，首先，制定評估指標的評分等級標準。其次，通過構造判斷矩陣，依據(jù)專家對客觀情況判斷，對同一層次決策要素進行兩兩比較，形成判斷矩陣。針對多個專家的情況，通過算術平均進行綜合取值，并通過標準差進行去噪。最后，進行矩陣一致性判斷。專家在對決策要素進行兩兩比較時，需要將比較結果表示為具體數(shù)值，以便于后續(xù)權重計算。為方便量化計算，本文采用Satty的九標度法，將評分等級標準轉化為定量指標。九標度法的定義如表1 所示。

表1 九標度法定義[11]

根據(jù)九標度法，將第s個專家ES對第m層次的各類決策要素評價結果轉化為判斷矩陣

是一個正互反矩陣，其均值aij和標準差σij的計算方法如下：

判斷矩陣求均值aij：

判斷矩陣標準差：

對于標準差σij超過閾值的情況，則需要專家進行重新評價。標準差σij的閾值可根據(jù)應急通信系統(tǒng)實際使用要求進行設定。最終第m層次判斷矩陣Am表示為：

設λmax為判斷矩陣Am的最大特征值，則權重向量wm=(w1,…,wi)T。λmax與wm滿足：

λmax一般可采用和法、冪法、方根法求得。計算過程不再重復闡述。由于主觀評價存在一定的片面性，需要對判斷矩陣進行一致性驗證。一致性指標CI的定義為：

其中，n表示判斷矩陣Am的階數(shù)。當CI/CR＜0.1時，認為判斷矩陣Am滿足一致性，否則重新構建判斷矩陣。隨機性指標CR的取值如表2 所示。

表2 隨機性指標CR 數(shù)值

4 效能評估

在應急通信系統(tǒng)實際使用過程中，獲取相應指標所需的測量值，并根據(jù)上述指標體系和指標權重進行計算，便可對應急通信系統(tǒng)效能進行量化評估。指標分為可量化指標和不可量化指標?？闪炕笜擞捎谟嬃繂挝桓鞑幌嗤^測數(shù)量級也不一樣，無法進行比較。因此，需要對可量化指標的觀測值進行預處理，消除指標在單位量級、數(shù)量級上的差異。常用的預處理方法包括：均值法、線性變換、歸一化處理、標準差標準化等。本文采用歸一化處理方式來實現(xiàn)對效能指標觀測值的無量綱化處理，在消除單位量級差異的同時，也消除了數(shù)量級差異，簡化效能值計算方法。以一級指標“通信保障”為例：

一是，獲取“通信保障”二級指標的觀測值X={x1,…,xm}。在“通信保障”指標中m取值為7，分別對應網(wǎng)絡覆蓋率、信道容量、建鏈成功率、傳輸誤碼率、通信節(jié)點容量、通信傳輸時延、鏈路傳輸帶寬等二級指標的觀測值。

二是，針對每個二級指標的取值范圍(xmin,xmax)，對xi進行線性變化，將觀測值映射到(0,100)內,即xi′=(xi-xmin)*100/(xmax-xmin)。

三是，為防止評估指標數(shù)量級指標存在趨小優(yōu)型和趨大優(yōu)型的評估方式[12]。本文通過xi′=(100-xi′′)的方式來,將趨小優(yōu)型評估指標轉換為趨大優(yōu)型。

對于不可量化的指標，則采用專家打分法確定指標的量化值。E={E1,…,E5}，其中，{E1,…,E5}為“較差、差、中等、良好、優(yōu)秀”等評語，分別對應為{20,40,60,80,100}。通過多位專家打分的平均值來表述該指標的量化值。

通過上述步驟，我們可以計算出每一層效能評估指標的效能值。由于應急通信系統(tǒng)效能評估指標體系包括目標層、準則層、一級指標和二級指標等多個層級。故采用多級評價的方法，從下而上計算應急通信系統(tǒng)的效能值。具體步驟如下：

一是，對第k個一級指標的二級指標值Xk進行歸一化處理，并根據(jù)處理結果Xk′,計算對應的第k個一級指標的效能值Yk。

二是，根據(jù)Y={Y1,…,Yk}來計算準則層的第p個指標的效能值。其中，Z1,Z2,Z3,Z4分別對應準則層的通信互聯(lián)、運行管理、業(yè)務支撐和安全可靠等指標。

三是，根據(jù)Z1,Z2,Z3,Z4，來計算應急通信系統(tǒng)的效能值。

5 方法驗證

根據(jù)上述效能評估方法，對某應急通信系統(tǒng)進行分析和評估，并根據(jù)應急通信系統(tǒng)效能值與現(xiàn)實狀況的對比，驗證本文提出的效能評估方法是否合理。首先，5 位專家根據(jù)九標度法，對應急通信系統(tǒng)效能評估指標體系中的各層次指標進行量化評價，通過計算最終形成各層次的指標權重。各層次的指標體系權重如表3 所示。

表3 某應急通信系統(tǒng)指標權重

其次，對該系統(tǒng)二級指標所需數(shù)據(jù)進行采集，并生成觀測值。以“通信互聯(lián)”為例，觀測值如表4 所示。

最后，根據(jù)二級指標對應的權重，計算通信保障能力的效能值為76.899。以此類推，其余的一級指標（機動協(xié)同、操作維護、調度響應、業(yè)務支撐、業(yè)務保障、安全保密、抗毀頑存）的效能值分為75.316、86.082、91.025、99.900、73.797、84.546、84.377。根據(jù)一級指標效能值和一級指標權重，計算通信互聯(lián)、運行管理、業(yè)務支撐、安全可靠等準則層指標的效能值，計算結果分別為75.889、89.117、82.150、84.448。根據(jù)準則層效能值一級準則層權重，計算該應急通信系統(tǒng)的效能值為82.332。

表4 某應急通信系統(tǒng)一級指標“通信互聯(lián)”觀測值

從效能評估結果來看，該應急通信系統(tǒng)總體效能為良好，與實際情況較為符合。另外，通過各層級指標的評價結果可以看出，應在通信保障、業(yè)務保障方面進行優(yōu)化。在通信保障方面，應重點增大網(wǎng)絡通信覆蓋率以及拓寬信道容量。在業(yè)務保障方面，則應重點提升信道和節(jié)點的利用率。

6 結語

本文在綜合考慮應急通信業(yè)務特點和使用偏好的基礎上，采用層次分析法，構建了一種應急通信系統(tǒng)效能評估指標體系，并提出了各項評估指標的具體內容，最后通過計算對某應急通信系統(tǒng)的效能進行了評估和分析。通過實際運用可以看出本文提出的應急通信效能評估方法具有一定合理性。下一步工作方向，是將應急通信系統(tǒng)的效能評估方法與通信資源管控策略進行結合，實現(xiàn)應急通信資源的自適應調整。