一種直升機通信導(dǎo)航系統(tǒng)效能評估方法

劉文亮 仉樹軍 司召峰 關(guān)珍博 張凱

摘要：針對直升機通信導(dǎo)航系統(tǒng)的效能評估，構(gòu)建了一套完整的通信導(dǎo)航系統(tǒng)效能評估指標體系，提出了一種考察直升機通信導(dǎo)航系統(tǒng)效能的評估方法并進行了實現(xiàn)。該方法利用層次分析法確定不同指標對系統(tǒng)效能的貢獻程度，利用灰色聚類評估算法將現(xiàn)場采集的通信導(dǎo)航數(shù)據(jù)進行有效的分析計算，定量給出通信導(dǎo)航系統(tǒng)效能并生成系統(tǒng)評估報告。定量評估結(jié)果與專家定性分析結(jié)果相符，驗證了上述評估模型與評估算法的正確性。

關(guān)鍵詞：通信導(dǎo)航系統(tǒng)；能力評估；層次分析法；灰色聚類評估法

中圖分類號：TN911文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2020）10-60-4

0引言

直升機通信導(dǎo)航系統(tǒng)為直升機構(gòu)建可靠的信息通聯(lián)鏈路[1]，但其能力評估方法較少。為了對直升機通信導(dǎo)航系統(tǒng)能力進行全面考察，需要進行效能評估[2]。結(jié)合直升機飛行實測數(shù)據(jù)，構(gòu)建了面向通信導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理[3]與能力要求的多層次評估指標體系[4]并以此進行效能評估[5]。

直升機通信導(dǎo)航系統(tǒng)[6]能力評估指標體系中指標項繁多，各指標對系統(tǒng)效能貢獻難以確定[7]。采用層次分析法[8]，通過判斷矩陣的設(shè)計及特征值、特征向量的計算，得到各指標對效能[9]的貢獻程度。采用灰色白化權(quán)函數(shù)聚類評估算法[10]，利用實測值和目標參考值進行計算，定量給出通信導(dǎo)航系統(tǒng)效能。該方法較ADC[11]法更為客觀，較模糊評估法[12]運算量小易于實現(xiàn)[13]，故選擇灰色白化權(quán)函數(shù)聚類評估算法。

1構(gòu)建多層次評估指標體系

多層次評估指標體系的構(gòu)建是直升機通信導(dǎo)航系統(tǒng)能力評估的第一步，也是最為關(guān)鍵的一個步驟。通過多層次評估指標體系的構(gòu)建，能夠?qū)⑼ㄐ艑?dǎo)航系統(tǒng)能力進行多層次和多維度的分解，在此基礎(chǔ)上進行分析與研究，科學(xué)合理地給出系統(tǒng)評估結(jié)果。

1.1評估指標體系的構(gòu)建原則

構(gòu)建直升機通信導(dǎo)航系統(tǒng)能力評估指標體系是一個復(fù)雜的過程。在該過程中，主要遵循以下原則[14]：

①理論與實踐相結(jié)合：直升機通信導(dǎo)航系統(tǒng)能力評估研究是一項應(yīng)用性研究，不但要從理論上進行分析，而且要從系統(tǒng)的實踐中尋求系統(tǒng)能力發(fā)揮的內(nèi)在規(guī)律。

②定性與定量相結(jié)合：評估系統(tǒng)效能需要對其內(nèi)在的質(zhì)與量之間的關(guān)系和規(guī)律進行分析。首先應(yīng)對各種不同的問題進行定性分析，確定研究問題的思想、方針和原則，然后研究變量的變化方向及程度等運行規(guī)律。通過選擇恰當?shù)牧炕椒?，準確地反映其客觀規(guī)律。

③客觀性與可行性并重：在構(gòu)建直升機通信導(dǎo)航系統(tǒng)評估指標體系的過程中，應(yīng)從客觀實際出發(fā)，將涉及的語音通信、數(shù)據(jù)通聯(lián)及抗干擾等能力納入指標體系中。同時，指標值的獲取方式要切實可行。如在惡劣環(huán)境中的抗干擾性能、通信質(zhì)量等在實際獲取時存在危險的情況，可通過查閱歷史數(shù)據(jù)、計算機模擬仿真等方式獲取，力求做到安全可行。

1.2多層次評估指標體系

構(gòu)建多層次的評估指標體系，需要多渠道、多方面從實踐和文獻中分析直升機通信導(dǎo)航系統(tǒng)能力的構(gòu)成要素和主要內(nèi)容，提煉出系統(tǒng)能力評估的一級指標[15]。通過對每一個一級指標進行分析和拆解，得出二級指標，并剔除一些明顯重復(fù)和相互包含的指標。根據(jù)二級指標，從評估方法及評估要點等方面構(gòu)建直升機通信導(dǎo)航系統(tǒng)能力評估指標體系。

直升機通信導(dǎo)航系統(tǒng)可以將通信能力和導(dǎo)航定位能力的2個方面構(gòu)建2個一級指標，用以描述直升機通信方面和導(dǎo)航定位方面的能力。隨后依次對2個一級指標分解，將通信能力分解為語音通信能力、數(shù)據(jù)通聯(lián)能力、通信組網(wǎng)能力和抗干擾能力4個方面；將導(dǎo)航定位能力分解為組合導(dǎo)航能力和定位能力2個方面。同理可將二級指標繼續(xù)向下分解至三級指標。整個直升機通信導(dǎo)航系統(tǒng)能力評估指標體系如圖1所示。

1.3層次分析法確定指標權(quán)重

根據(jù)多層次評估指標體系[16]，在獲取指標值后，需要確定每一個指標值所對應(yīng)的權(quán)重[17]。在計算權(quán)重之前，需要首先構(gòu)建原始評判矩陣。通過向?qū)＜易稍?，可以得到指標體系中不同指標的重要程度。對指標層次結(jié)構(gòu)中同一分支上不同指標間進行兩兩對比與分析，運用數(shù)字標度法建立相匹配的判斷矩陣如下：

特征向量中的分量即該分量所對應(yīng)指標的權(quán)重值，權(quán)重值即該指標對通信導(dǎo)航系統(tǒng)效能貢獻的大小。權(quán)重值越大說明指標對效能的貢獻越大，越小說明指標對效能的貢獻越小。此外通過對不同專家給出的指標體系中各元素進行合理整合，形成專家組集體智慧的結(jié)晶，使分析結(jié)果更科學(xué)可靠。

2灰色聚類的系統(tǒng)評估算法

灰色聚類[18]的系統(tǒng)評估算法由灰色理論與數(shù)據(jù)挖掘中的聚類算法相結(jié)合形成，有灰色關(guān)聯(lián)聚類和灰色白化權(quán)聚類2種方式。本項目中采用灰色白化權(quán)函數(shù)聚類評估算法。

灰色白化權(quán)函數(shù)聚類評估算法的基本原理[18]是結(jié)合構(gòu)建的層次評估指標體系及各指標的表征方式，根據(jù)評估系統(tǒng)的用戶需求，設(shè)定各指標目標參考值，對系統(tǒng)各指標實際值進行數(shù)據(jù)處理并劃分灰類，最后利用白化權(quán)函數(shù)計算灰色評估權(quán)矩陣，計算出通信導(dǎo)航系統(tǒng)效能。

灰色白化權(quán)函數(shù)聚類評估算法的具體實施步驟如下：

①確定效能指標體系中各指標的權(quán)重：可以通過層次分析法利用判斷矩陣求得權(quán)重的方法來實現(xiàn)。

②確定灰類：根據(jù)無量綱歸一化后的各指標數(shù)據(jù)，結(jié)合項目情況，可以劃分出5個灰類，分別為{極差、差、一般、良好、優(yōu)秀}。對取值范圍[0，1]向左、右各延拓為（-0.15，1.15]，則可以得到白化權(quán)函數(shù)區(qū)間：

（-0.85， 0.35]，（0.05， 0.55]，（0.25， 0.75]，（0.45， 0.95]，（0.65， 1.15]

同理，將其他層次結(jié)構(gòu)中葉子節(jié)點的指標值按上述方法計算得到其父節(jié)點指標的效能值，通過分析各個節(jié)點的效能值，即可以得到整個通信導(dǎo)航系統(tǒng)的效能值。

3通信導(dǎo)航效能評估系統(tǒng)實現(xiàn)

從理論角度提出了一種考察直升機通信導(dǎo)航系統(tǒng)效能的評估方法后，對其進行了計算機編程實現(xiàn)[19]，給出了系統(tǒng)評估效能并生成評估報告。在實現(xiàn)的通信導(dǎo)航效能評估系統(tǒng)中，不僅從定性角度給出了各層次每種指標的等級評價，也從定量的角度詳細給出了具體數(shù)值，據(jù)此以比較不同直升機通信導(dǎo)航系統(tǒng)在相同評價等級的情況下孰優(yōu)孰劣。此外，在指標選取、算法設(shè)計及計算機實現(xiàn)等過程中設(shè)計選取科學(xué)可行的方案以實現(xiàn)效能評估系統(tǒng)。

以往的效能評估系統(tǒng)，重點在于對被考察系統(tǒng)效能給出評價，如優(yōu)、良等；而實現(xiàn)的通信導(dǎo)航效能評估系統(tǒng)，不僅給出通信導(dǎo)航系統(tǒng)各考察指標定性定量評價，還可根據(jù)評估結(jié)果生成評估報告。

通信導(dǎo)航效能評估系統(tǒng)主要由指標體系管理、效能評估模型設(shè)置、數(shù)據(jù)預(yù)處理[20]、數(shù)據(jù)回放與分析研判[21]及評估報告生成[22]等5個功能模塊組成，如圖2所示。

①指標體系管理：不同專家[23]使用該模塊對直升機通信導(dǎo)航的評估指標根據(jù)理論數(shù)據(jù)及自身經(jīng)驗等給出重要程度的評價，系統(tǒng)對不同專家的意見進行整合，形成通信導(dǎo)航的多層次評估指標體系。

②效能評估模型構(gòu)建：根據(jù)圖1構(gòu)建的指標體系，對通信導(dǎo)航系統(tǒng)的效能評估模型進行構(gòu)建與展示。

③數(shù)據(jù)預(yù)處理：對直升機通信導(dǎo)航系統(tǒng)采集到的不同來源和不同指標的數(shù)據(jù)進行分組、過濾、歸并、去量綱及歸一化等操作，獲得供效能評估模型使用的數(shù)據(jù)。

④數(shù)據(jù)回放與分析研判：通過設(shè)置時間段及消息類型等選項，回放已采集數(shù)據(jù)的內(nèi)容，并在統(tǒng)計圖和消息列表上進行顯示。通過對采集到的如傳輸時延、組網(wǎng)建鏈時間等試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合天氣、溫度及電磁環(huán)境等外部數(shù)據(jù)，給出指標體系中相應(yīng)指標的評估結(jié)果。

⑤評估報告生成：根據(jù)最終指標體系的權(quán)重，通過相關(guān)算法算出整個指標體系或者某一個分枝的評價指標。對考核數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的分析評估結(jié)果通過圖形、圖表等方式形象化展示，生成直升機通信導(dǎo)航系統(tǒng)能力評估報告。

通信導(dǎo)航效能評估系統(tǒng)界面如圖3所示，通過該界面可以對指標體系進行管理。

系統(tǒng)給出的定量評估結(jié)果所在的等級多次同通信導(dǎo)航系統(tǒng)使用人員主觀給出的定性結(jié)果進行了比對，比對結(jié)果均一致，驗證了通信導(dǎo)航系統(tǒng)評估方法設(shè)計的正確性。

4結(jié)束語

構(gòu)建直升機通信導(dǎo)航效能評估指標體系，使用層次分析法和灰色聚類的評估算法進行系統(tǒng)效能評估并實現(xiàn)。然而，上述做法僅在運輸直升機通信導(dǎo)航系統(tǒng)評估中進行了試驗與驗證，存在一定的局限性。今后需進一步研究對多種型號直升機通信導(dǎo)航系統(tǒng)的適用性，使評估指標體系更為科學(xué)完善、評估算法更為精準高效、評估系統(tǒng)更為靈活可靠。

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