考慮時(shí)域穩(wěn)定性的軍事信息系統(tǒng)運(yùn)維性能評(píng)估

劉 彬， 張杰勇， 鐘 赟,2， 孫 鵬

(1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安, 710077；2.空軍工程大學(xué)裝備管理與無(wú)人機(jī)工程學(xué)院，西安, 710051)

隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，軍事信息系統(tǒng)成為影響體系作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵因素[1]。軍事信息系統(tǒng)作為軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的“倍增器”、作戰(zhàn)體系要素的“黏合劑”和作戰(zhàn)指揮控制的“神經(jīng)中樞”[2]，是各級(jí)指揮所和指揮員開展作戰(zhàn)指揮控制活動(dòng)的必要手段，對(duì)其運(yùn)行維護(hù)水平進(jìn)行定期定量評(píng)估，有利于促進(jìn)軍事信息系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展。

軍事信息系統(tǒng)評(píng)估涉及的對(duì)象、內(nèi)容和層次復(fù)雜，主要包含指標(biāo)體系建立、指標(biāo)權(quán)重確定和評(píng)估結(jié)果生成等基本步驟。根據(jù)評(píng)估方法的不同，軍事信息系統(tǒng)評(píng)估包括云模型方法[3]、灰色理論[4]、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[5]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法[6]和區(qū)間方法[7]等。根據(jù)指標(biāo)權(quán)重確定方法的不同，主要包括主觀權(quán)重確定法、客觀權(quán)重確定法和組合權(quán)重確定法。在實(shí)際評(píng)估問(wèn)題中，可根據(jù)需要采用相應(yīng)的權(quán)重確定法。

對(duì)于軍事信息系統(tǒng)評(píng)估工作，存在不同視角下的多樣化研究成果。文獻(xiàn)[8]針對(duì)面向服務(wù)構(gòu)建軍事信息系統(tǒng)過(guò)程中的不同生成方案，從服務(wù)組合方案和服務(wù)部署方案兩個(gè)方面出發(fā)建立指標(biāo)體系，并按照專家意見一致性集結(jié)和基于指標(biāo)相對(duì)優(yōu)勢(shì)關(guān)系評(píng)估的順序進(jìn)行高效生成方案評(píng)估。文獻(xiàn)[9]從軍事信息系統(tǒng)體系作戰(zhàn)能力角度出發(fā)，建立包含信息基礎(chǔ)支撐能力、要素能力和任務(wù)能力在內(nèi)的分層指標(biāo)體系，基于相應(yīng)評(píng)估方法，提出評(píng)估支撐平臺(tái)的建設(shè)思路，并結(jié)合典型案例驗(yàn)證提供了對(duì)軍事信息系統(tǒng)評(píng)估實(shí)踐的重要參考。文獻(xiàn)[10]針對(duì)軍事信息系統(tǒng)應(yīng)用層攻擊問(wèn)題，建立三級(jí)評(píng)估指標(biāo)體系，采用雙因子主客觀組合賦權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，并建立具有學(xué)習(xí)機(jī)制和改進(jìn)能力的模糊隸屬函數(shù)，進(jìn)而設(shè)計(jì)包含單一和多種攻擊效能的系統(tǒng)應(yīng)用層攻擊評(píng)估方法。文獻(xiàn)[11]針對(duì)指揮信息系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題，采用主觀層次分析法和客觀CRITIC法確定指標(biāo)權(quán)重，并基于接近理想解排序方法進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估排序。文獻(xiàn)[12]針對(duì)軍事信息系統(tǒng)運(yùn)維人才能力評(píng)估問(wèn)題，建立包含基本素質(zhì)維、業(yè)務(wù)知識(shí)維、崗位技能維和運(yùn)維行動(dòng)維的指標(biāo)體系，構(gòu)建人才能力評(píng)估結(jié)構(gòu)方程模型，并進(jìn)行參數(shù)估計(jì)與檢驗(yàn)，最后給出人才能力評(píng)估模型的思考建議。

根據(jù)對(duì)上述已有研究成果的分析，提出以下可以進(jìn)行拓展研究的方面：①當(dāng)前對(duì)于軍事信息系統(tǒng)運(yùn)維性能進(jìn)行評(píng)估的研究相對(duì)較少；②在指標(biāo)權(quán)重的確定過(guò)程中，主客觀信息融合方式和程度不夠科學(xué)合理；③當(dāng)前研究大多屬于瞬時(shí)評(píng)估，未引入時(shí)間維影響進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估。

1 系統(tǒng)運(yùn)維指標(biāo)體系及評(píng)估模型構(gòu)建

軍事信息系統(tǒng)運(yùn)維是系統(tǒng)運(yùn)維人員按照特定的方法手段和規(guī)章流程，對(duì)軍事信息系統(tǒng)各類環(huán)境、設(shè)備和軟件進(jìn)行日常維護(hù)和綜合管理的活動(dòng)[13]，對(duì)其評(píng)估主要包括指標(biāo)體系和模型構(gòu)建兩個(gè)部分。

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

以某飛行保障軍事信息系統(tǒng)為例，軍事信息系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行子系統(tǒng)、安全防護(hù)子系統(tǒng)、文電傳輸子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、指揮控制子系統(tǒng)和情報(bào)保障子系統(tǒng)。

按照客觀獨(dú)立、完備可測(cè)的指標(biāo)體系構(gòu)建原則，確定軍事信息系統(tǒng)運(yùn)維的“6+20”指標(biāo)體系。圖1為典型飛行保障軍事信息系統(tǒng)運(yùn)維性能評(píng)估指標(biāo)體系。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)維性能評(píng)估指標(biāo)體系

其中，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行維、安全防護(hù)維、文電傳輸維、視頻監(jiān)控維、指揮控制維和情報(bào)保障維為一級(jí)指標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行維包含網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)延遲、網(wǎng)絡(luò)丟包率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和網(wǎng)絡(luò)連通率5個(gè)二級(jí)指標(biāo)，安全防護(hù)維包含日均病毒告警次數(shù)、安全檢查漏報(bào)率、安全策略添加率和硬件設(shè)備安全性檢測(cè)率4個(gè)二級(jí)指標(biāo)，文電傳輸維包含文電傳輸時(shí)效性和文電傳輸準(zhǔn)確率2個(gè)二級(jí)指標(biāo)，視頻監(jiān)控維包含視頻區(qū)域覆蓋率、視頻呼點(diǎn)應(yīng)答率和視頻音頻質(zhì)量3個(gè)二級(jí)指標(biāo)，指揮控制維包含系統(tǒng)支撐能力、系統(tǒng)冗余備份能力和軟件容錯(cuò)能力3個(gè)二級(jí)指標(biāo)，情報(bào)保障維包含情報(bào)完整率、情報(bào)時(shí)效性和情報(bào)精度3個(gè)二級(jí)指標(biāo)。對(duì)于所有指標(biāo)，指標(biāo)類型包括效益型指標(biāo)和成本型指標(biāo)兩類，效益型指標(biāo)越大越好，成本型指標(biāo)越小越好。

1.2 評(píng)估模型構(gòu)建

實(shí)際上，軍事信息系統(tǒng)作為長(zhǎng)期運(yùn)行系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)估，需要同時(shí)考慮系統(tǒng)運(yùn)行水平和運(yùn)行穩(wěn)定性兩個(gè)方面。與傳統(tǒng)性能評(píng)估不同的是，考慮時(shí)間維影響的性能評(píng)估是通過(guò)構(gòu)造評(píng)估系統(tǒng)在不同評(píng)估時(shí)點(diǎn)上運(yùn)維綜合性能，形成完整時(shí)域上的系統(tǒng)運(yùn)維性能評(píng)估結(jié)果。由于考慮時(shí)間維影響的性能評(píng)估是綜合考慮對(duì)象、指標(biāo)和時(shí)間的三維評(píng)估問(wèn)題，故具有一定的復(fù)雜性。在指標(biāo)的初始取值方面，均由系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集或階段性數(shù)據(jù)累積計(jì)算得到，如網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)延遲可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析軟件實(shí)時(shí)獲得，日均病毒告警次數(shù)、安全檢查漏報(bào)率可以通過(guò)上級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)生成。在得到初始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，可采用相應(yīng)的規(guī)范化方法進(jìn)行處理。對(duì)于效益型指標(biāo)和成本型指標(biāo)，規(guī)范化方法分別為:

(1)

(2)

式中：x*為規(guī)范化后指標(biāo)值；xmax為指標(biāo)最大值；xmin為指標(biāo)最小值。

首先，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)維性能評(píng)估的關(guān)鍵要素進(jìn)行定義。令評(píng)估系統(tǒng)集合為S={s1,s2,…,sM} ，其中，M為評(píng)估系統(tǒng)的數(shù)量；令屬性指標(biāo)集合為A={a1,a2,…,aN} ，其中，N為屬性指標(biāo)的數(shù)量；令評(píng)估時(shí)點(diǎn)集合為T={t1,t2,…,tP} ，其中，P為評(píng)估時(shí)點(diǎn)的數(shù)量。令系統(tǒng)sm(1≤m≤M) 在時(shí)點(diǎn)tp(1≤p≤P) 的第n(1≤n≤N) 個(gè)經(jīng)過(guò)規(guī)范化處理的屬性指標(biāo)取值為xmnp，則所有這樣的屬性指標(biāo)取值構(gòu)成三維數(shù)據(jù)矩陣X。綜合考慮系統(tǒng)運(yùn)維性能評(píng)估的各方面因素，可以建立評(píng)估模型為：

(3)

式中：wnp為指標(biāo)an在評(píng)估時(shí)點(diǎn)tp的權(quán)重，通過(guò)主客觀信息綜合給出，用于衡量不同指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)維性能的影響大?。籸mn為評(píng)估系統(tǒng)sm在指標(biāo)an上的穩(wěn)定性因子，一般而言，指標(biāo)的穩(wěn)定性越強(qiáng)，則該指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)維性能的正向影響越大；ωp是評(píng)估時(shí)點(diǎn)tp的權(quán)重，用于衡量不同評(píng)估時(shí)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)維性能的影響大小。

從式(3)可以看出，考慮時(shí)域穩(wěn)定性的軍事信息系統(tǒng)運(yùn)維性能評(píng)估模型綜合考慮了指標(biāo)大小、指標(biāo)權(quán)重、評(píng)估時(shí)點(diǎn)權(quán)重和指標(biāo)穩(wěn)定性4個(gè)方面因素影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軍事信息系統(tǒng)運(yùn)維性能從瞬時(shí)評(píng)估向動(dòng)態(tài)評(píng)估的轉(zhuǎn)變。

對(duì)于評(píng)估系統(tǒng)sm在指標(biāo)an上的穩(wěn)定性因子rmn，采用評(píng)估系統(tǒng)sm的指標(biāo)an在不同評(píng)估時(shí)點(diǎn)取值xmnp的方差值倒數(shù)進(jìn)行度量，計(jì)算公式為

(4)

(5)

2 指標(biāo)權(quán)重及評(píng)估時(shí)點(diǎn)權(quán)重確定

2.1 基于主客觀信息綜合的指標(biāo)權(quán)重確定

考慮主觀信息確定指標(biāo)權(quán)重過(guò)程中，首先由專家集合中具有不同權(quán)威度的多名專家集體給出各自的指標(biāo)權(quán)重賦值，然后建立相應(yīng)的主觀指標(biāo)權(quán)重確定模型，最后通過(guò)對(duì)模型的求解可以得到主觀指標(biāo)權(quán)重。

若專家集合為Z={z1,z2,…,zQ} ，專家zq(1≤q≤Q) 的權(quán)威度為φq。假定在評(píng)估時(shí)點(diǎn)tp，定義專家zq對(duì)指標(biāo)xmnp的指標(biāo)偏好度ζmnpq由專家給出指標(biāo)權(quán)重值δnpq、專家權(quán)威度值φq和指標(biāo)值xmnp共同決定，即有：

ζmnpq=δnpqφqxmnp

(6)

由于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的差異，不同專家的指標(biāo)偏好度各不相同。綜合考慮不同專家的指標(biāo)偏好度，得到指標(biāo)xmnp的專家平均偏好度ζmnp為：

(7)

根據(jù)主觀信息確定指標(biāo)權(quán)重過(guò)程中，主要考慮使得指標(biāo)xmnp的專家平均偏好度ζmnp及其實(shí)際值xmnp兩者之差絕對(duì)值的加權(quán)值最小，即可建立相應(yīng)權(quán)重確定模型為:

(8)

考慮客觀信息確定指標(biāo)權(quán)重過(guò)程中，主要采用基于離差最大化的指標(biāo)權(quán)重確定方法?；舅枷胧侨羲性u(píng)估系統(tǒng)在某指標(biāo)下的取值差異越小，則該指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)維性能的影響程度越小，應(yīng)賦予較小權(quán)重；反之，若所有評(píng)估系統(tǒng)在某指標(biāo)下的取值差異越大，則該指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)維性能的影響程度越大，應(yīng)賦予較大權(quán)重。假定在評(píng)估時(shí)點(diǎn)tp，定義評(píng)估系統(tǒng)sm與其他評(píng)估系統(tǒng)sm′在指標(biāo)an上的離差dmnp為

(9)

(10)

由此，可以建立基于離差最大化的客觀指標(biāo)權(quán)重確定模型為:

(11)

綜合主觀和客觀信息，可以建立基于主客觀信息綜合的指標(biāo)權(quán)重確定模型為式(12)；為求解如式(12)所示的規(guī)劃模型，構(gòu)造拉格朗日函數(shù)Lp(wnp,λ) 為式(13)，根據(jù)取Lp(wnp,λ) 極值條件，分別對(duì)wnp和λ進(jìn)行求導(dǎo)，并令相應(yīng)導(dǎo)函數(shù)為0，即有式(14)；聯(lián)立式(14)和式(15)，可求得式(16)；對(duì)所有wnp進(jìn)行歸一化處理，可求得式(17)。

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

2.2 基于方差最小化的評(píng)估時(shí)點(diǎn)權(quán)重確定

評(píng)估時(shí)點(diǎn)權(quán)重向量Ω=(ω1,ω2,…,ωP) 的確定是軍事信息系統(tǒng)運(yùn)維性能評(píng)估的關(guān)鍵一環(huán)[14]，評(píng)估時(shí)點(diǎn)權(quán)重方法主要包括熵值法、方差法和極小范數(shù)法。本文主要采用方差法確定評(píng)估時(shí)點(diǎn)權(quán)重。

首先，定義評(píng)估時(shí)點(diǎn)函數(shù)ρ為:

(18)

評(píng)估時(shí)點(diǎn)函數(shù)ρ具有一定的實(shí)際特性，當(dāng)Ω=(1,0,…,0) 時(shí)，ρ=1；當(dāng)Ω=(0,0,…,1) 時(shí)，ρ=0；當(dāng)Ω=(1/P,1/P,…,1/P) 時(shí)，ρ=0.5 。因此，若ρ越接近于1，則遠(yuǎn)期評(píng)估時(shí)點(diǎn)的權(quán)重相對(duì)越大；若ρ越接近于0，則近期評(píng)估時(shí)點(diǎn)的權(quán)重相對(duì)越大；若ρ越接近于0.5，則各評(píng)估時(shí)點(diǎn)的權(quán)重相對(duì)較為均衡。

方差法的具體原理為在給定評(píng)估時(shí)點(diǎn)函數(shù)ρ情況下，選取一組評(píng)估時(shí)點(diǎn)權(quán)重使得權(quán)重方差D(Ω) 最小，具體計(jì)算式為:

(19)

可以建立基于方差最小化的評(píng)估時(shí)點(diǎn)權(quán)重確定模型為:

(20)

(21)

根據(jù)r值和s值取值情況，可以將ρ∈(0,1)的取值情況采用析取式形式表征，即有:

(22)

(24)

(25)

(26)

通過(guò)滿足式(23)的給定ρ值，就可以通過(guò)式(24)～(26)計(jì)算最優(yōu)評(píng)估時(shí)點(diǎn)權(quán)重值。

3 仿真算例分析

為驗(yàn)證相關(guān)方法的有效性和可靠性，在CPU核心頻率為2.27 GHz的計(jì)算機(jī)上，基于MATLAB2021a仿真平臺(tái)開展相應(yīng)仿真驗(yàn)證工作。

在參數(shù)設(shè)置方面，令參與評(píng)估的軍事信息系統(tǒng)數(shù)量N=5，令參與決策的專家數(shù)量為Q=3，權(quán)威度分別為0.58、0.65和0.83。

在確定評(píng)估時(shí)點(diǎn)權(quán)重時(shí)，令評(píng)估時(shí)點(diǎn)數(shù)量P=5，則根據(jù)式(23)，評(píng)估時(shí)點(diǎn)函數(shù)值ρ的取值范圍為[0.25,0.75]。若在評(píng)估過(guò)程中，更加注重近期運(yùn)維性能，則令ρ取值為一較小值。根據(jù)式(24)～(26)，可計(jì)算得到最優(yōu)權(quán)重向量為Ω*=(0.12,0.16,0.20,0.24,0.28)，可以看出越是近期評(píng)估時(shí)點(diǎn)，其權(quán)重值越大，符合理論分析的結(jié)果。

表1為各評(píng)估時(shí)點(diǎn)下各評(píng)估系統(tǒng)的典型指標(biāo)取值情況。表2為各評(píng)估系統(tǒng)指標(biāo)的穩(wěn)定性因子取值情況。表3為各評(píng)估時(shí)點(diǎn)下指標(biāo)權(quán)重大小。

分別取ρ為不同值，分析評(píng)估時(shí)點(diǎn)函數(shù)ρ對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響。表4為ρ在不同取值下的評(píng)估結(jié)果。可以看出，當(dāng)ρ值取為0.9時(shí)，評(píng)估結(jié)果分別為15.290 5、11.861 9、10.030、15.245 5和10.533 4，系統(tǒng)運(yùn)維性能從優(yōu)到劣依次為s1>s4>s2>s5>s3；而在其他取值時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)維性能從優(yōu)到劣依次為s4>s1>s2>s5>s3。因此，ρ的取值越趨于1，對(duì)系統(tǒng)s1和s4的優(yōu)劣相對(duì)關(guān)系影響越大。

令ρ=0.4，將本文方法和未考慮穩(wěn)定性方法、文獻(xiàn)[15]方法進(jìn)行對(duì)比，各方法的評(píng)估結(jié)果見表5。

表1 關(guān)鍵性指標(biāo)取值情況

表1(續(xù))

表2 關(guān)鍵性指標(biāo)的穩(wěn)定性因子

表3 關(guān)鍵性指標(biāo)的權(quán)重大小

表4 不同時(shí)點(diǎn)函數(shù)ρ取值評(píng)估結(jié)果

表5 不同方法評(píng)估結(jié)果

從表5可以看出，考慮穩(wěn)定性方法與文獻(xiàn)[15]方法的排序情況一致，而未考慮穩(wěn)定性方法在s3和s5上與其他兩種方法存在差異。這是因?yàn)榭紤]穩(wěn)定性方法與文獻(xiàn)[15]方法在評(píng)估模型中均考慮了指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化的影響，評(píng)估結(jié)果更加全面。

4 結(jié)語(yǔ)

考慮到軍事信息系統(tǒng)運(yùn)維性能評(píng)估是一個(gè)多時(shí)域連續(xù)問(wèn)題，本文提出了一種考慮時(shí)域穩(wěn)定性的系統(tǒng)運(yùn)維評(píng)估方法。結(jié)合某飛行保障軍事信息系統(tǒng)運(yùn)維實(shí)際，構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)體系；在系統(tǒng)運(yùn)維評(píng)估模型中，綜合考慮各評(píng)估時(shí)點(diǎn)及指標(biāo)穩(wěn)定性的影響；分別基于主客觀信息綜合和方差最小化思想，通過(guò)一定運(yùn)算法則確定指標(biāo)權(quán)重和評(píng)估時(shí)點(diǎn)權(quán)重；最后，通過(guò)仿真算例驗(yàn)證了方法的有效性和可靠性。本文所提出的運(yùn)維性能評(píng)估方法，可為軍事信息系統(tǒng)以及其他類似系統(tǒng)的運(yùn)維評(píng)估提供一定方法借鑒。