基于灰色层次分析的通信系统防御能力效能评估

王 欢，李有才，郑春弟

（海军陆战学院，广州510430）

0 引 言

通信系统由信息传输、交换及其处理终端等设备构成，是综合电子信息系统的重要组成部分，是信息作战的主战装备之一，具有信息化战争的神经系统地位［1］。军事通信系统与民用通信系统相比具有许多特殊性，其系统能力在信息作战条件下更多地体现在系统防御能力上，如反侦察、抗干扰、防强电磁攻击、防网络入侵与安全保密能力等，正是这些特殊性推动着军事通信系统迅速发展，并形成了适应复杂电磁环境及信息作战要求的通信系统。文章分析了通信系统防御能力效能评估指标体系和分层结构，建立了系统防御能力效能评估模型，并利用灰色层次分析法（GAHP）具有层次分析和灰色理论的双重优点，采用群组决策特征根（GEM）算法计算评估指标权重的方式，克服了单纯层次分析法（AHP）分析判断矩阵的不一致性，通过典型实例，验证了本方法的可行性与准确性。

1 灰色层次分析法的基本步骤

层次分析法是一种定性与定量分析相结合的多目标决策分析法，是通过把复杂问题分解为各个组成因素，将这些因素按分配关系分组形成有序的低阶层次结构，通过两两比较的方式确定层次中诸因素的相对性。该方法自提出以来便以其简单易行的特点，在决策领域得到了广泛应用。但是由于信息的不完全性和人们对信息认知的灰色性，层次分析法在构造判断矩阵时，不能确定地认为一个元素完全属于某个标度，而不属于其它标度。为了有效解决这种灰色问题，采用灰色层次分析法可有效降低人为因素的影响，使评价结果具有较强的客观性。

设Z代表能力的综合评价值，R代表一级评价指标组成的集合，且R＝｛Gi，i＝1，2，…，m｝，其中Gi是二级评价指标Hij组成的集合，即Gi＝｛Hi1，Hi2，…，Hij｝。为了实现对通信系统防御能力的评估，需要对各指标进行评分，评分标准见表1，其中Z为评分值。

表1 通信系统防御能力指标评分标准

（1）利用层次分析法计算指标权重

根据建立的目标层次结构，由专家或评估者对同一层次的各元素关于上层中某一准则的重要性进行两两比较，构造判断矩阵，计算相邻层次中下层元素对上层元素的组合权重W＝（w1，w2，…，wn），并且进行一致性检验，分析权重选择的合理性。

（2）确定评价样本矩阵

设有p（p＝1，2，…，k）个专家对所有受评对象Hij按指标评分标准进行评分，所有得分dijp组成评价样本矩阵：

（3）确定评价灰类

确定评价灰类就是要确定评价灰类的等级数、灰类的灰数以及灰数的白化权函数，针对具体对象，通过定性分析确定。灰类与白化权函数如下［2］。

第一灰类“优”（e＝1），灰数⊕∈［0，8，＋∞），白化权函数f1为：

对应函数图如图1所示。

图1 第一灰类“优”的白化权函数及其对应函数图

第二灰类“良”（e＝2），灰数⊕∈［0，8，16］，白化权函数f2为：

对应的函数图如图2所示。

图2 第二灰类“良”的白化权函数及其对应函数图

第三灰类“中”（e＝3），灰数⊕∈［0，4，8］，白化权函数f3为：

相对应的函数图如图3所示。

图3 第三灰类“中”的白化权函数及其对应函数图

第四灰类“差”（e＝4），灰数⊕∈［0，2，4］，白化权函数f4为：

相对应的函数图如图4所示。

（4）计算灰色评价权向量及矩阵

首先计算得出专家组评价指标Hij属于第e个灰类的灰色评价权：

图4 第四灰类“差”的白化权函数及其对应函数图

则Gi所属指标Hij对于各个评价灰类的灰色评价矩阵为：

（5）评价结果

先对子目标层Gi进行综合评判：Bi＝WGi－H×Ri＝（bi1，bi2，… ，big），其中，WGi－H表示Gi中各因素的权重，Ri表示灰色评价权矩阵，由上述评价结果，得到对于各评价灰类的灰色评价矩阵：R＝（B1，B2，B3……Bm）。

在对总目标层F进行综合评判：B＝W×R，其中，W 表示子目标层Gi相对总目标F 的各因素权重。

对各灰类等级按“灰水平”赋值，得到各评价灰类的值化向量D＝（d1，d2，…，dg），将B 单化值可计算系统的能力综合评价值：Z＝B×DT。

2 评估指标权重确定

目前，信息作战对通信系统的基本要求仍然是迅速、准确、保密、不间断地传输与交换信息，平时强调信息传输的准确性、稳定性和保密性，战时更强调信息传输的快速性和抗扰性，按照这个要求，从通信系统防御能力的研究角度，通信系统防御能力效能评估指标及分层结构如图5所示。

图5 通信系统防御能力效能评估指标及分层结构图

根据AHP的分层思想，通信系统防御能力效能评估可以分为总目标层（F）、子目标层（Gi）和指标层（Hi）。根据文献［3］，子目标层定义为：

系统反侦察能力：系统为防止己方通信信号被敌截获、侦察定位、获得有用参数而采取的安全防护措施及活动的能力。系统反侦察能力强，则被敌截获的概率减小，被侦察定位或获得我通信系统有用参数的可能性降低。

系统抗干扰能力：系统为保障通信顺畅，抑制、削弱或消除电磁干扰对通信影响而采取的措施及其行动的能力。系统抗扰能力强则系统抑制、削弱或消除电磁干扰的影响措施或行动得力，在信息对抗异常激烈的电磁环境中，信息传输就有保障。

系统防强电磁攻击能力：为使电子设备和系统免受或减轻高能电磁脉冲的破坏进行防护的能力。系统防强电磁攻击能力强则系统防强电磁攻击的防御措施有效，系统受到电磁攻击后重新恢复通信能力的可能性增大。

系统防计算机网络入侵能力：为保护己方计算机网络系统正常工作和信息数据安全有效而采取防范措施及其行动的能力。系统防计算机网络入侵能力强则网络隔离、网络访问控制、网络入侵检测、网络攻击源追踪的技术相对高，防范措施及其行动的效果明显。

系统安全保密能力：为保证系统安全而在保密方面采取的管理和技术措施的能力。系统安全保密包括实体安全保密、数据传输安全保密、技术防护安全保密和管理安全保密等多个方面，信息作战中数据传输安全保密的地位随着武器装备的发展日益凸显。

3 建立通信系统防御能力分析模型

3.1 构造两两比较的判断矩阵

构建判断矩阵的目的在于确定指标集上各指标的权重。判断矩阵一般通过各因素间两两比较获得，若以上一层元素B作为准则，则对下一层次元素C就有支配关系，即在准则B下按C相对重要性赋予它们相应的权重，为此引入1～9的比例标度，其含义如表2所示［4］。

表2 1～9比例标度的含义

3.2 确定单层权重排序

表3 平均随机一致性指标IR

表4 子目标层Gi相对于总目标层F的判断矩阵

当RC＜0.1时，认为判断矩阵的一致性可以接受；否则，需要调整判断矩阵，使之具有满意的一致性。

利用层次分析法可建立通信系统防御能力子目标层Gi相对于总目标层F的判断矩阵，如表4所示。0.002 9，RC＜0.1，判断矩阵一致性满足要求，所选指标分配合理。

利用层次分析法可建立通信系统防御能力指标层Hij相对于子目标层Gi的判断矩阵如下：

（1）指标层H1i相对于子目标层G1的判断矩阵如表5所示。

表5 指标层H1i相对于子目标层G1的判断矩阵

（2）指标层H2i相对于子目标层G2的判断矩阵如表6所示。

表6 指标层H2i相对于子目标层G2的判断矩阵

（3）指标层H3i相对于子目标层G3的判断矩阵如表7所示。

表7 指标层H3i相对于子目标层G3的判断矩阵

（4）指标层H4i相对于子目标层G4的判断矩阵如表8所示。

表8 指标层H4i相对于子目标层G4的判断矩阵

根据G4判断矩阵可得最大特征根λmax＝4.060 6，将其对应的特征向量归一化处理后得到指标层H4i相对于子目标层G4的指标权重WG4－H分别为 0.262 5、0.185 6、0.110 4、0.441 5。IC＝RC＜0.1，判断矩阵一致性满足要求。

（5）指标层H5i相对于子目标层G5的判断矩阵如表9所示。

表9 指标层H5i相对于子目标层G5的判断矩阵

4 专家给出指标评价样本矩阵

考虑对通信系统防御能力效能实战数据、实验数据和演练数据的缺陷，采用邀请本领域5位专家打分的形式，对通信系统防御能力效能进行评分，以10分为满分，各指标的评分结果如表10所示。

5 计算灰色评价权向量及矩阵

以通信系统防御能力子目标层反侦察能力G1为例，计算灰色评价权向量及其矩阵。

同样方法，当e＝2时，x112＝4.625；e＝3时，x113＝0.75；e＝4时，x114＝0。

利用相同的方法，可以计算出抗干扰能力G2、防强电磁攻击能力G3、防计算机网络入侵能力G4、安全保密能力G5的灰色评价权矩阵：

表10 通信系统防御能力效能各指标评分结果

6 计算评价结果

根据通信系统防御能力效能评估指标体系，对子目标层Gi进行综合评判：

则Gi对于各类评价灰类的灰色评价矩阵：

因此，总目标层F的综合评判结果为：

以优、良、中、差对应评分标准中的值作为各评价灰类等级的值化向量，则值化向量D＝［9，7，5，3］。据此，可计算出该通信系统防御能力的评价值：Z＝B×DT＝7.696 2。

对照表1通信系统防御能力指标评分标准，评价值6≤Z（7.696 2）＜8，该通信系统防御能力属于“良”的等级范围，符合实际情况，验证了方法的可行性。

7 结束语

文章根据军事通信系统工作特点，构建了通信系统防御能力效能评估指标体系；应用层次分析和灰类及白化权函数基本理论，确定了评价矩阵指标元素，建立了通信系统防御能力效能评估数学模型，实现了对通信系统防御能力效能的定量评估；通过典型实例分析，验证了灰色层次分析法能有效提高通信系统防御能力效能评估的客观性。

［1］张冬辰，周吉，吴巍，等.军事通信——信息化战争的神经系统［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［2］高鹍，邢国平，孙德祥，等.基于灰色层次分析法的装备维修保障能力评价［J］.飞机设计，2012，32（2）：72－76.

［3］全军军事术语管理委员会.中国人民解放军军语［M］.北京：军事科学出版社，2011.

［4］高小敏，王鹏华，马胜辉.基于层次分析法的炮兵营作战能力评估［J］.舰船电子对抗，2010，33（2）：117－119.