基于模糊综合层次法的短波通信系统效能评估*

官 斌 关红梅

(1.武汉市74223信箱 武汉 430074)(2.湖北省随州市第二中学 随州 441300)

基于模糊综合层次法的短波通信系统效能评估*

官 斌1关红梅2

(1.武汉市74223信箱 武汉 430074)(2.湖北省随州市第二中学 随州 441300)

短波通信是重要的远程军事通信手段之一,其效能高低直接决定了完成通信保障任务能力的强弱。论文提出了一种层次分析法和模糊综合法结合而成的模糊综合层次法对短波通信系统进行了效能评估,并通过模糊综合指数法对评估结果向量进行了单值化处理,所得到的最终评估结果客观可信,贴近实际,有助于掌握其执行远程通信保障的能力状况。

模糊综合层次法; 短波通信系统; 效能评估; 模糊综合指数法

Class Number TN97

1 引言

短波通信因为具有设备简单、开设灵活、抗毁性强等优点,是目前以至今后相当长一段时间内必须依赖的重要远程军事通信手段之一。经过长时期的建设和发展,军用短波通信系统已逐步实现数字化、智能化和网络化,在战备、训练和执勤等任务中发挥了重要作用。但是由于短波通信自身性能以及使用环境和方式的限制,距离实际战争需求还有一定的差距。为了充分掌握当前短波通信系统执行远程通信保障的能力状况,有必要对短波通信系统的效能进行科学评估。

本文以短波通信系统的效能评估为目标,将在充分调研和对比现有评估方法的基础上,选定适合于短波通信系统的评估方法,并按照相应步骤对短波通信系统的效能展开评估。

2 短波通信系统效能评估方法的调研及选取

2.1 现有效能评估方法调研

在对武器系统的效能评估中,典型的方法有三类,即性能参数法、解析法、对抗法[1～3]。其中性能参数法是采用武器系统的某些典型性能指标,并进行适当综合来描述武器系统的效能,主要包括:性能对比法、专家调查法、性能指数法等。解析法是以排队论、对策论、军事运筹学、兰彻斯特方程等数学方法为基础,求解武器系统的作战效能,主要包括:层次分析法、专家调查法、指数方法、ADC方法、模糊综合评判法、灰色评估法等。对抗法是通过真实的或模拟的作战对抗来检验武器系统的作战效能,包括实战演习和计算机模拟仿真。总的来说,性能参数法简单易行,但不够全面,只适合于较为单一的武器;对抗法的真实性高,但代价昂贵,在武器系统效能评估中很少独立地使用;解析法则介于两者之间,能对复杂系统的作战效能进行有效的评估,花费也很少,因而目前在进行效能评估时用得较多的就是解析法。

在解析法中,常用的几种评估方法包括层次分析法、专家调查法、指数法、ADC方法、模糊综合评判法以及灰色评估法等。其中层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)采用定性与定量相结合的方式处理各种决策因素,具有系统性好、过程简洁、方便灵活等优点,更多地应用于评估系统的效能指标建立及权重分析。专家调查法是以专家作为获取信息的对象,依靠专家的知识和经验进行预测、评价的方法,常在数据缺乏的情况下使用。指数法针对系统的具体情况,建立相应的数学模型,计算反映系统能力的若干指数,再通过对若干指数加权求和,得到反映系统综合能力的综合指数[4]。不足之处是其中的权系数难免受个人行为的影响,对要求比较细致描述的问题一般不很适宜。ADC方法即美国工业界武器系统效能咨询委员会(WSEIAC)方法[5],它的局限性在于难以把系统效能分析反映在动态的系统运行过程中。灰色综合评估适用于信息不完全或不充分的问题,既能处理确定因素的情况,又能处理不确定因素的情况,其关键是如何建立灰色判断矩阵和从灰色判断矩阵中提取信息,具有一定的应用难度。

模糊综合评估是应用模糊数学理论,结合系统工程中定性、定量分析方法,把工程设计要素和模糊因素解析化、定量化,使设计方案或设计质量的比较、评估建立在科学基础上,其关键技术是建立问题的层次结构模型,确定各设计因素的隶属度函数分布,并建立模糊关系。当评估涉及多指标的事物时,就应该综合各方面的要求做出一个更符合实际的评估。因而,可以利用模糊集合理论对某一事物的各指标的实现程度进行综合,然后根据给定的标准,得出综合性的评定意见。

2.2 短波通信系统效能评估方法选取

从上面的介绍可以看出,效能评估的方法是多种多样的。但无论采用哪一种方法,关键要看评估效能的目的,同时也取决于当前的环境和各种条件(如原始数据资料等)。很多时候常常需要几种评估方法同时使用,相辅相成,才能得到比较全面和科学的结论。

对于短波通信系统效能评估而言,主要目的是通过评估掌握短波通信系统现在的效能状况。目前,对通信系统效能的评估主要是采用模糊综合评估法和层次分析法,但这两种方法各自存在着不同程度的缺陷。模糊综合评估法中指标权重的给定,定性的成分较大,层次分析法无法处理一些影响通信系统效能的因素的随机性,因而若分别单独采用这两种方法来评估短波通信系统的效能缺乏较高的可信度。

为了更加科学合理地评估短波通信系统的效能,根据对效能评估方法的比较和分析,结合短波通信系统的特点,本文采取层次分析法和模糊综合评估法相结合的模糊综合层次分析法对短波通信系统的效能进行评估。

3 模糊综合层次法进行效能评估的步骤

模糊综合层次分析法是在模糊综合评估法和层次分析法的基础上,提出的一种短波通信系统效能评估的方法。其基本原理是先用层次分析法计算短波通信系统各指标因素的影响程度即权重;然后利用模糊综合评估法,采用递推算法给出目标层对评语的隶属度,建立模糊矩阵,根据各因素的影响程度来进行综合评估。这种方法既解决了短波通信系统效能评估指标权重取值的科学合理性问题,又能够有效地对影响短波通信系统效能的一些具有难以预测的随机性因素进行合理地处理,从而使短波通信系统效能的评估更加科学合理,具有更高的可信度。

基于模糊综合层次分析法评估短波通信系统效能的流程如图1所示。其主要步骤包括确定短波通信系统效能指标集、确定各因素的权重、设定评估集、建立模糊评估矩阵及给出最终结果。对于多层指标体系,还需要由底层向上递推计算上一层次的评估结果,根据算出的各个得分值,再向上递推到目标层。

图1 短波通信系统效能评估流程图

在上述的效能评估流程中,需要着重说明的是最后一步模糊评估结果的获得。由于短波通信系统效能评估是一种系统级的评估,短波通信系统效能评估指标体系中,各个指标考核的是短波通信系统能力不同方面的要求,因而要根据对这些指标的评估获得对短波通信系统整体效能的评估,就需要所运用的模糊综合评估具有较好的综合能力,以保证短波通信系统效能评估具有较好的综合性或综合程度。

在利用模糊综合层次分析法中,每级模糊综合评估最终都要进行模糊变换,其模型为

=[b1,b2,…,bm]

其中“∘”为模糊合成算子。

对于多层次系统,则先对最底层的诸项评估指标进行单级模糊综合评估,继而对较高层的诸项评估指标进行单级模糊综合评估,直到得出目标层的模糊综合评估为止。

多级模糊综合评估结果的正确性主要是由体现隶属度的模糊关系矩阵的正确性和模糊合成算子选择的正确性所决定的。利用评估专家的经验获得的评估指标隶属度,其正确性基本上是可以保障的,因而选择合适的模糊合成算子成了有效评估短波通信系统效能的一个关键点。通过对现有四种模糊合成算子[6]的分析和比较,可以看出加权平均型算子M(·,⊕)在体现权数作用、综合程度和利用模糊关系矩阵方面有着绝对的优势,因此在将模糊综合层次分析法运用于短波通信系统效能评估时,模糊综合层次分析法中的模糊变换应该采用M(·,⊕)算子(即加权平均型算子)进行模糊变换运算。

加权平均型算子在体现权数作用、综合程度和利用模糊关系矩阵方面的优势完全能满足上述的短波通信系统效能评估的需求,而且其在利用模糊关系矩阵信息方面的优势可以更进一步地确保短波通信系统效能评估结果的正确性。

4 利用模糊综合层次法进行短波通信系统效能评估

4.1 效能评估指标体系的建立

短波通信主要应用于军事通信领域,在确定短波通信装备的效能指标体系时,要充分考虑其它的军事特征。此处借用文献[7]中已有的成果,也将其效能指标归纳为以下几类:可靠性、有效性、抗干扰性、安全性和机动性,如图2所示。

图2 短波通信系统效能评估的指标体系

根据图2建立的评价因素集合为:系统效能E={可靠性B1,有效性B2,抗干扰性B3,安全性B4,机动性B5};可靠性B1={通信成功率B11,网络生存性B12,节点连通度B13,网络连通度B14};有效性B2={业务能力B21,业务处理能力B22,频率利用率B23};抗干扰性B3={信息传送能力B31,电子防御能力B32};安全性B4={可用性B41,保密能力B42,防入侵能力B43};机动性B5={快速反应能力B51,组网能力B52}。

4.2 评估指标权重的确定

通过进行两两对比,得出第一层的判断矩阵A为:

最大特征值λmax=5.0021,一致性指标CI=(5.0021-5)/(5-1)=0.0005,查表知平均随机一致性指标RI=1.12[8],CI/RI=0.00004<0.1,因此该判断矩阵具有较好的一致性。对应的特征向量经归一化后即得到各因素的权向量为AA=[0.35 0.2 0.2 0.2 0.05]。

（3）从modelA所产生的数据中，挑选治愈概率较小的（Pi＜0.5）,同时满足将其协变量带入模型B所得治愈概率较大（Pi＞0.5）的患者n/3例，获得数据集dataA-B+，这些是对处理组B敏感的亚组，Subgroup=B。产生二分类结局变量Yi=rbinom(1,1,A_Pi)。

同理,经过比较得出第二层各评估指标之间的判断矩阵如下:

通过求取各判断矩阵的最大特征值,然后通过随机一致性检验之后,得出归一化的各指标的权重分别为AB1=[0.3509 0.3509 0.1890 0.1092],AB2=[0.40 0.40 0.20],AB3=[0.5 0.5],AB4=[1/3 1/3 1/3],AB5=[0.5 0.5]。

4.3 模糊综合评估结果的评判

设定模糊评判集以表示由高到低的评语,通常采用“最优,优,良,中,劣”的五级评语。由10位评估人员和专家按照上述等级得到的判断结果,确定出第三层中共14个指标的指标隶属度向量及构成的模糊矩阵为

运用M(·,⊕)算子进行模糊变化所得结果为

=[0.06 0.57 0.23 0.14 0]

=[0.02 0.44 0.54 0 0]

=[0 0.1 0.75 0.15 0]

=[0 0.4 0.53 0.07 0]

=[0 0.4 0.5 0.1 0]

至此已经全部得出了所有第三层指标的模糊评判结果,此时可以根据前面得出的第二层指标的权向量以及上述评判结果,得到短波通信系统的效能评估结果向量为:

=[0.03 0.41 0.42 0.10]

4.4 评估结果分析

由上面对短波通信系统效能评估的过程及结果可知,通过模糊综合评估运算,最终得出的是向量值,而不是具体的数值。为了使短波通信系统效能评估结果在客观、准确的前提下,具有更强的直观性和可懂性,因此需要对模糊综合评估的结果向量进行单值化,以得出具体的数值。

目前,模糊综合评估结果单值化的常用方法有以下几种:最大隶属度法、补注次大隶属度、模糊综合指数法以及模糊综合级数法[9]。通过对这四种方法进行分析和比较,发现最大隶属度法和补注次大隶属度都无法解决具有相同隶属度的问题。另外对于隶属度相近的评估,最大隶属度法无视次大隶属度的影响,评估过于武断;补注次大隶属度法又过于牵强。虽然模糊综合指数法和级数法颇有相通之处,对隶属度相近的情况能进行客观地裁决,但通过评估结果做比较会发现:当五个等级的隶属度相差不大时,用两种方法判断得到的结果差距很大,甚至一个等级的差别;相反,对五个等级的隶属度相差较大时,用两种方法判断得到的结果差距较小。进一步分析发现,模糊综合级数法只考虑了三个隶属度对最终评估结果的影响,在一定程度上丢失了部分信息,这样对那些五个等级隶属度相差不大的情况就不适应了;而模糊综合指数法综合考虑了各隶属度对评估结果的贡献,更为科学,也更为精确。因此,本文采用模糊综合指数法来判断最终的结果等级。

将模糊综合评估与经典的指数法相结合,使模糊综合评估中的隶属度与评估标准综合考虑,即得到了模糊综合指数法,能够进一步提高评估的准确性。其表示方法为

=b1×S1+b2×S2+…+bm×Sm

式中:FCI为模糊综合指数,B为模糊综合评估结果,S为评估等级依次赋以的分值。该方法综合考虑了各级隶属度对最后评估结果的影响,信息利用率高,实践证明,该方法的准确性很高。

在本文中,对评判集中的五个评估等级依次赋以分值5,4,3,2,1,利用模糊指数法计算公式可得到短波通信系统的效能结果数值为3.62,可见短波通信系统的效能达到了良好以上的水平。

5 结语

本文在充分调研和比较现有效能评估方法的基础上,选择了综合利用层次分析法及模糊综合评判法相结合的模糊综合层次法对短波通信系统的效能进行评估,并按照此方法的评估步骤建立了评价指标集、确定了指标权重、建立了评估矩阵。在对所得的评估向量进行单值化处理时,采用模糊综合指数法获得了关于短波通信系统效能的最终评估结果,有效避免了其他处理方法所存在的局限和不足。得到的最终评估结果可信,贴近客观实际,有助于掌握短波通信系统真实的通信保障能力。

[1] 谭乐祖,杨明军,等.武器系统效能评估方法研究[J].兵工自动化,2010(8).

[2] 张杰.效能评估方法研究[M].北京:国防工业出版社,2009.

[3] 李宗吉,王树宗.武器装备系统效能评估的几种方法[J].海军工程大学学报,2000(1).

[4] 阎文丽,郝佳新.指数方法在武器装备体系效能评估中的应用[J].计算机仿真,2010(4).

[5] 孟锦,李千目,张宏.基于ADC模型的侦察卫星效能评估研究[J].计算机科学,2009(6).

[6] 沈继红,付肖燕,赵玉新.模糊综合评估模型的改进[J].模糊系统与数学,2011(3).

[7] 马哲川,汤晓丹,戴鑫焱.第三代短波通信系统的效能评估[J].通信技术,2008(9).

[8] 李玲娟,豆坤.层次分析法中判断矩阵的一致性研究[J].计算机技术与发展,2009(10).

[9] 肖利哲,邓娟.技术人员绩效考评模糊综合评判算子研究[J].北方经贸,2010(1).

Efficiency Evaluation of HF Communication System Based on Fuzzy Synthetic Hierarchy Method

GUAN Bin1GUAN Hongmei2

(1. No. 74223 P.O. Box, Wuhan 430074)(2. No. 2 High School of Suizhou, Suizhou 441300)

High Frequency(HF) communication is one of the important methods of long distance communication. The efficiency of HF communication system directly determines the capability of fulfilling the mission of long distance communication. A new fuzzy synthetic hierarchy method combining the fuzzy synthetic method with the analytic hierarchy process is used to evaluate the efficiency of HF communication system. The vector of middle result is processed into one value using the method of fuzzy synthetic index. The final result is actual and believable and helps understand the real capability of fulfilling the long distance communication.

fuzzy synthetic hierarchy method, high frequency(HF) communication system, efficiency evaluation, index, fuzzy synthetic index method

2013年8月11日,

2013年9月23日

官斌,男,硕士研究生,工程师,研究方向:军事装备系统监造及效能评估。关红梅,女,研究方向:数学理论及应用。

TN97

10.3969/j.issn1672-9730.2014.02.016