基于模糊綜合決策的海軍通信資源匹配方法研究?

吳鑫輝 鄒 雨 鄭 銳

（中國(guó)人民解放軍91977部隊(duì) 北京 100036）

1 引言

在通信指揮領(lǐng)域決策過(guò)程中，由于海上編隊(duì)活動(dòng)范圍廣闊，業(yè)務(wù)種類眾多，不同通信保障任務(wù)對(duì)通信質(zhì)量、保障范圍、安全保密等要求不一，如何選擇恰當(dāng)?shù)耐ㄐ刨Y源保障對(duì)應(yīng)的通信任務(wù)，已成為通信指揮決策的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題［1～3］。在海軍通信保障任務(wù)與短波、衛(wèi)星、超短波、微波等通信資源優(yōu)化匹配過(guò)程中，一方面需要綜合考慮通信質(zhì)量、通信安全性、通信資源利用率等各方面要求，屬于多層次、多屬性、多要素的復(fù)雜評(píng)估決策問(wèn)題；另一方面由于通信指揮中涉及人的主觀意識(shí)較多，保障任務(wù)目標(biāo)、通信戰(zhàn)法、原則的運(yùn)用和風(fēng)險(xiǎn)度等決策因素往往難以用定量的數(shù)學(xué)方法來(lái)闡述，只能用模糊的、定性的、難以明確的的言語(yǔ)來(lái)描述，傳統(tǒng)的加權(quán)式、等精確性評(píng)估方法難以滿足決策需求。

目前，文獻(xiàn)對(duì)面向4G、5G等多基站的頻率資源調(diào)度研究較多［4～7］，但是針對(duì)海上多種通信手段和通信任務(wù)之間的通信資源匹配調(diào)度問(wèn)題研究基本為空白，而隨著海上編隊(duì)作戰(zhàn)任務(wù)多、作戰(zhàn)時(shí)效性高等特點(diǎn)越來(lái)越明顯，亟需研究一種精細(xì)化的通信任務(wù)和通信資源匹配方法，提高海上通信指揮能力。針對(duì)多樣化軍事活動(dòng)通信保障對(duì)通信資源需求匹配問(wèn)題，本文提出了一種基于模糊綜合決策的通信指揮輔助決策方法，建立了海軍多通信手段評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用模糊集理論分析了不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊權(quán)重和隸屬度模型，研究了通信指揮資源優(yōu)化匹配計(jì)算的流程，最后給出了一個(gè)例子說(shuō)明了算法的有效性。

2 海軍通信指揮滿足度指標(biāo)體系

從海軍通信指揮角度出發(fā)，評(píng)估某通信資源是否滿足某通信任務(wù)需求，可初步將通信資源滿足度指標(biāo)體系分為通信系統(tǒng)性能指標(biāo)、通信安全性指標(biāo)、通信穩(wěn)定性指標(biāo)、通信資源使用情況等四大塊，其中：通信系統(tǒng)性能指標(biāo)為評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)性能是否滿足任務(wù)保障需求，主要包括頻率范圍、傳輸速率、平均發(fā)射功率、峰包功率、互調(diào)失真、邊帶抑制等；通信安全性能指標(biāo)為評(píng)價(jià)通信安全性能是否滿足任務(wù)保障需求，主要包括網(wǎng)絡(luò)物理安全、終端安全、網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)管安全等；通信穩(wěn)定性能指標(biāo)為評(píng)價(jià)通信穩(wěn)定性是否滿足任務(wù)保障需求，主要包括通信誤碼率、通信丟包率、平均無(wú)故障時(shí)長(zhǎng)等；通信資源使用情況指標(biāo)為評(píng)價(jià)各類通信資源的：通信資源利用率、通信資源平均負(fù)載時(shí)長(zhǎng)、通信設(shè)備損耗率、通信資源負(fù)載均衡度等。

圖1 通信指揮資源滿足度指標(biāo)體系

3 基于模糊綜合決策的海軍通信任務(wù)資源匹配方法

3.1 模糊綜合決策應(yīng)用于通信資源匹配簡(jiǎn)介

在實(shí)際通信資源最優(yōu)匹配綜合評(píng)判過(guò)程中，由于涉及的部分指標(biāo)具有模糊性，導(dǎo)致通信指揮效果無(wú)法用確切數(shù)字來(lái)描述。例如，保障任務(wù)的重要性，通信系統(tǒng)性能、安全性的滿足程度等都隨著任務(wù)變化而具有一定范圍性，需要用模糊語(yǔ)言加以描述；同時(shí)，由于資源匹配需要考慮多種因素，不同因素對(duì)評(píng)判結(jié)果的影響程度也是不明確的。因此，對(duì)于模糊綜合評(píng)判問(wèn)題必須借助于模糊集合論方法才能得到有效解決。

按照模糊決策理論，模糊綜合決策需要完成建立評(píng)價(jià)因素集、評(píng)價(jià)尺度集、權(quán)重集，計(jì)算模糊綜合評(píng)價(jià)集等步驟［8～10］。該理論應(yīng)用到通信資源匹配領(lǐng)域中，首先要建立通信資源與任務(wù)匹配的指標(biāo)集合，其次建立與指標(biāo)集合對(duì)應(yīng)的權(quán)重集合和指標(biāo)隸屬度函數(shù)集合，最后通過(guò)計(jì)算不同通信指揮方案的通信資源匹配模糊評(píng)判矩陣和通信資源匹配模糊評(píng)判矩陣，通過(guò)評(píng)價(jià)尺度集合確定模糊決策結(jié)果。

3.2 通信資源匹配隸屬函數(shù)構(gòu)建方法研究

隸屬函數(shù)是模糊集合運(yùn)算的重要組成部分，針對(duì)不同的模糊關(guān)系，應(yīng)采用不同的方法來(lái)確定隸屬函數(shù)。由于通信資源匹配的各類指標(biāo)都具有較為明顯的趨勢(shì)性，例如傳輸速率越大越好、傳輸時(shí)延越小越好、資源負(fù)載越均衡越好等等，因此，本文采用模糊分布法來(lái)確定各類指標(biāo)的隸屬函數(shù)。根據(jù)不同隸屬函數(shù)特征，常用的模糊分布有戒上型、戒下型和對(duì)稱型三大類［11～12］。

典型的戒上型升半Γ分布：

黃河沿岸的防務(wù)工作不僅關(guān)系到沿岸居民的生存狀況，對(duì)于穩(wěn)固清朝的統(tǒng)治也有一定的影響，因此清政府對(duì)于黃河的防務(wù)工作十分重視。清政府和沿河每年都會(huì)撥出巨額資金來(lái)支持黃河的防務(wù)工作。而這些用以黃河治理的大量資金，黃河防務(wù)工程的財(cái)務(wù)管理上卻并沒(méi)有明確的資金賬目數(shù)據(jù)顯示，且部分河道官員偷工減料，克扣餉銀，貪污腐敗，肥己營(yíng)私等等，這些都給黃河的防務(wù)工作帶來(lái)了很大的弊端。

典型的戒下型升半Γ分布：

典型的對(duì)稱型尖Γ分布：

3.3 基于模糊綜合決策的通信資源匹配計(jì)算步驟

Step1 建立通信資源分配指標(biāo)集合U={u1,u2,…,un}，其中，元素ui代表各個(gè)影響任務(wù)資源匹配的指標(biāo)，例如，通信傳輸速率、傳輸時(shí)延、安全性系數(shù)等等；建立通信資源分配指標(biāo)權(quán)重集合W={w1,w2,…,wi}，權(quán)重集合W屬于指標(biāo)集合U的模糊子集，其中，元素wi代表指標(biāo)ui對(duì)W的隸屬度。

Step2 建立各個(gè)通信資源匹配指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，根據(jù)各個(gè)指標(biāo)的不同含義和趨勢(shì)分布，根據(jù)3.2節(jié)的隸屬度函數(shù)構(gòu)建方法，分析適應(yīng)性的參數(shù)選擇，確定各個(gè)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)μ={μu1,μu2,…,μui}。

Step3 計(jì)算通信資源匹配模糊評(píng)判矩陣U。根據(jù)不同通信資源匹配方案，將不同分配方案的參數(shù)值代入隸屬度函數(shù)，得出模糊評(píng)判矩陣U。

Step4 根據(jù)Step1權(quán)重集合W和Step3模糊評(píng)判矩陣U，通過(guò)模糊矩陣乘法得到模糊評(píng)判集合E=W?U，采用最大隸屬度法得出評(píng)判結(jié)果。

4 通信指揮綜合決策實(shí)例

某通信指揮保障任務(wù)為指揮類報(bào)文傳輸業(yè)務(wù)，從指標(biāo)體系中選擇重點(diǎn)的五個(gè)指標(biāo)作為評(píng)估因素，包括傳輸速率、傳輸時(shí)延、傳輸誤碼率、資源利用率、傳輸安全系數(shù)五項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)，期望要求候選的通信資源重點(diǎn)指標(biāo)能滿足以下要求：1）傳輸速率需求15kbps～35kbps，傳輸速率越大越好；2）傳輸時(shí)延要求低于0.5s，傳輸時(shí)延越小越好；3）傳輸誤碼率低于0.01，誤碼率越小越好；4）資源利用率小于0.8，即期望不使用利用率較高的通信資源；5）安全系數(shù)大于0.7，安全系數(shù)越大越好，安全系數(shù)范圍是0～1之間。針對(duì)該保障任務(wù)，表1顯示了五種通信資源保障候選方案各個(gè)指標(biāo)情況。

表1 不同通信保障方案通信指標(biāo)情況

1）建立指標(biāo)集

從影響通信指揮資源調(diào)度速率要求、時(shí)延要求、穩(wěn)定性要求以及安全性要求的指標(biāo)集合取傳輸速率、傳輸時(shí)延、傳輸誤碼率、資源利用率、傳輸安全系數(shù)五項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)，組成模糊決策因素集。可表示為

式中，u1傳輸速率，u2傳輸時(shí)延，u3傳輸誤碼率，u4資源利用率，u5傳輸安全系數(shù)。

2）建立指標(biāo)權(quán)重集

根據(jù)該任務(wù)屬于指揮類通信保障類任務(wù)，對(duì)傳輸?shù)臅r(shí)效性和安全性要求很高，因此給定各指標(biāo)的重要程度為：傳輸速率要求滿足最低傳輸速率要求，比較重要，取0.7；傳輸時(shí)延要求低，非常重要，取0.85；傳輸誤碼率要求滿足通信需要，比較重要，取0.75；要求全力保障該項(xiàng)任務(wù)，故對(duì)資源利用率指標(biāo)要求較低，取0.5；對(duì)傳輸安全系數(shù)要求高，非常重要，取0.8。通過(guò)歸一化處理，可得到指標(biāo)權(quán)重集為

3）指標(biāo)隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)通信指揮各項(xiàng)指標(biāo)特性，基本都具有一個(gè)明確的上限或下限值，在上、下限值之外基本為趨勢(shì)值，因此此處主要采用模糊分布方法來(lái)確定指標(biāo)的隸屬度函數(shù)。根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)含義，各項(xiàng)指標(biāo)的滿意度隸度函數(shù)如所示。

對(duì)于該次通信保障任務(wù)，傳輸?shù)氖侵笓]類報(bào)文業(yè)務(wù)，傳輸速率指標(biāo)的最低容許值為15kbps，期望值為35kbps，那么，其隸屬度函數(shù)可設(shè)計(jì)為

傳輸最大時(shí)延容許值為0.5s，期望值為時(shí)延越小越好，那么，其隸屬度函數(shù)可設(shè)計(jì)為

傳輸誤碼率容許值為0.01，期望值為誤碼率越小越好，那么，其隸屬度函數(shù)可設(shè)計(jì)為

資源利用率指標(biāo)容許值為0.8，期望資源利用率為0.5，即期望該資源負(fù)載留有余量，則隸屬度函數(shù)可設(shè)計(jì)為

安全性系數(shù)指標(biāo)容許值為0.7，期望安全性系數(shù)越大越好，則隸屬度函數(shù)可設(shè)計(jì)為

4）計(jì)算評(píng)判矩陣

將不同資源匹配方案的各項(xiàng)指標(biāo)值，代入指標(biāo)隸屬度函數(shù)中，可得到五個(gè)單指標(biāo)評(píng)判集分別為

5）各方案選擇的綜合評(píng)判

對(duì)于綜合評(píng)判模型，有 M(?,+)等，由于M(?,+)綜合考慮了多個(gè)要素影響，此處選擇M(?,+)模型進(jìn)行運(yùn)算得到綜合評(píng)判矩陣：

由計(jì)算結(jié)果可知，綜合考慮各方面因素，方案4為最優(yōu)方案。

由于該項(xiàng)通信保障任務(wù)為通信指揮類業(yè)務(wù)，對(duì)時(shí)效性、安全性要求比較高，相對(duì)對(duì)資源利用情況要求較低；如果某次通信保障任務(wù)為日常性通聯(lián)任務(wù)，由于該類任務(wù)頻繁、占用資源較多、時(shí)間較長(zhǎng)，故對(duì)資源利用率指標(biāo)考慮較多，那么對(duì)各個(gè)要素的權(quán)重值比例進(jìn)行調(diào)整，為W=(0.20,0.10,0.10,0.40,0.20)，并代入

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)任務(wù)側(cè)重目標(biāo)為提高通信資源利用率時(shí)，方案1為最優(yōu)方案。

由以上例子表明，由于任務(wù)性質(zhì)不同，不同指標(biāo)的隸屬度函數(shù)、期望值和容許值的設(shè)定，各因素權(quán)重值等都會(huì)影響最終方案評(píng)選結(jié)果。因此，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，需要根據(jù)不同任務(wù)種類和性質(zhì)，依據(jù)歷史積累數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)，制定不同隸屬度參數(shù)、權(quán)重值參數(shù)模板，以適應(yīng)紛繁多變的通信保障資源匹配任務(wù)需求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于模糊理論的通信資源匹配算法用于海軍通信指揮資源調(diào)度與分配，根據(jù)任務(wù)需求設(shè)計(jì)了相應(yīng)指標(biāo)權(quán)重集合和隸屬度函數(shù)，體現(xiàn)了通信指揮中資源匹配任務(wù)中含人主觀要素的模糊性，保證了通信資源調(diào)度在不同情形下最優(yōu)調(diào)配結(jié)果。在實(shí)際通信指揮資源調(diào)度過(guò)程中，隸屬度函數(shù)和權(quán)重集合需要根據(jù)任務(wù)屬性、實(shí)際環(huán)境和專家經(jīng)驗(yàn)而定，建議可以根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)積累和使用實(shí)踐制定多個(gè)模糊決策參數(shù)模板，以適應(yīng)多樣化通信保障任務(wù)的資源調(diào)度要求。