基于ANP和云模型的军事通信系统效能评估*

魏德宾，辛　鑫

（1.大连大学信息工程学院，辽宁　大连　116622；2.通信与网络重点实验室，辽宁　大连　116622）

基于ANP和云模型的军事通信系统效能评估*

魏德宾1，辛鑫2

（1.大连大学信息工程学院，辽宁大连116622；2.通信与网络重点实验室，辽宁大连116622）

将网络层次分析法（ANP）和云重心评判法相结合应用于军事通信系统的效能评估中，并指出有无卫星支援下军事通信系统的效能对比。首先，针对军事通信系统的特点，构建通信系统评估的指标体系，建立ANP模型；其次，根据通信系统各指标之间的关联性，采用网络层次分析法构造极限超矩阵来确定指标的权重，并与AHP确定的指标权重相比较，指出ANP提高了指标权重的科学性；最后，利用云模型处理定性指标和定量指标之间的转换，给出有卫星支援下的军事通信系统效能的提升度，并与模糊综合评判法相比较，结果证明了网络层次分析法和云重心评价法相结合在军事通信系统效能评估中的可行性和科学性。

通信系统，效能评估，网络层次分析法，云重心评价，模糊综合评判法

0　引言

信息化时代，通信网络是信息传递的基础设施，卫星通信是其中的一个重要手段。军事指挥控制系统中各级指挥所之间通过卫星通信建立通信网络，具有覆盖范围大、不受地面障碍物限制、能迅速布设等一系列的优点，能够实现向跨越多个任务领域的广大用户提供稳定的通信能力。军事通信系统中卫星支援对系统效能的提升程度如何？为使得通信系统的效能达到更优，应从哪些方面提升卫星性能是亟需解决的问题。

从20世纪60年代开始，许多学者对系统效能进行了大量研究，针对不同的评估目的提出了不同的评估方法，如层次分析法［1］、模糊综合评价法［2］、云综合评判法［3-4］等。但是这些方法不能应用于存在模糊性、随机性、指标间相互影响的系统中。为了弥补这些方法的不足，本文提出ANP和云模型理论相结合的综合评估方法，用于解决有无卫星支援下军事通信系统的效能评估问题。

1　军事通信系统效能评估指标体系的建立

评估指标体系的构建需要遵循一致性、完备性、层次性、可测性、可拓展性等原则［5］，且通常要以尽量少的评价指标应用于实际评价［6］。通过对军事通信系统功能的分析［7］，指标体系建立如表1所示。

表1　军事通信系统效能评估指标体系

2　军事通信系统指标权重

ANP由T.L.Saaty教授于1996年提出，与AHP视各准则为独立不同，ANP考虑了各指标和各元素间存在的非独立性，且ANP法无需对指标进行筛选。本文构建了单一准则下的通信系统的评估模型。网络层有4个指标构成，每个指标下包含不同的元素，不同元素之间相互影响，构造出ANP模型结构［8-9］，如图1所示。

图1　军事通信系统指标体系的ANP模型

ANP方法的决策过程与运算步骤如下：

（1）建立ANP评估模型。网络分析法考虑了不同层次之间信息反馈和同层元素之间的相互依存关系，在按照1-9标度法构造判断矩阵时，是在第3个影响因素下，对各元素进行两两比较，因而比层次分析法复杂得多。得到判断矩阵后，求矩阵的特征向量，将特征向量归一化，得出所比较元素的权重。

由图1知，C1中元素不受C2的影响，C1受C3的影响，C1和C4互相影响，所以按照1-9标度，得出判断矩阵如下：C1指标下元素在C2指标影响下的判断矩阵均为0。

表2　C1指标下元素在C31影响下的判断矩阵

表3　C1指标中元素对C32的影响力大小比较

表4　C1指标中元素对C41的影响力大小比较

表5　C1指标中元素对C42的影响力大小比较

同理得出C2、C3、C4相应的判断矩阵，并通过特征向量法计算其相应权重，将其单位化得出各自权重。

（2）构造极限超矩阵。这一过程主要包括超矩阵的构造、加权超矩阵的构造、极限超矩阵的构造。具体来说，将（1）中的特征向量汇总于一个矩阵中，形成一个完整的综合矩阵，称为超矩阵［7］（见表6）。每组元素所在的指标在系统中占得比例是不一样的，各指标都有相应的权重，将超矩阵乘以各组的权重，得到加权超矩阵W'j（见表7），其中W'j=AjWj。注意，当加权超矩阵的列向量之和为1时，才符合随机原则，所以要将加权超矩阵单位化。加权矩阵多次相乘之后，将会收敛至一个固定值，此时矩阵的行向量相同，而列向量之和为1，则称其为极限超矩阵W∞（见表8）。从极限超矩阵中可得各元素的相对权重。

将加权超矩阵按列单位化，每行数值将收敛于一个固定的值，从而得出极限超矩阵，如下页表8所示。

表6　超矩阵

表7　加权超矩阵

表8　极限超矩阵

选取极限超矩阵的列作为研究对象，归一化后得权向量为：

层次分析法（AHP）的主要思想是根据研究对象的性质将研究达到的目的分解为多个组成因素，将其层次化，然后按层分析，最终获得底层因素对于最高层（总目标）的重要性权重。将AHP法运用于本文权重的计算得出底层指标的权重为：

AHP方法中判断矩阵两两元素比较时不受第三因素的影响，复杂程度远远低于网络层次分析法。但从权重的计算结果中分析，其系统抗毁性和传输覆盖能力指标权重偏高，而系统实时传输能力等偏低，不甚准确。

此外，AHP没有考虑指标间相互影响的关系，评价矩阵的每一个数值微小的变动都能导致特征向量的变化从而对指标权重的分配影响较大，而ANP考虑了指标间的相互影响，降低了标度的微小变动对权重的影响。

3　云重心评价方法

云重心评价法［10-11］将模糊数学的模糊性［12-13］和概率论中的随机性结合在一起，用期望Ex、熵En和超熵He3个数字特征值来表征。熵是定性概念模糊度的度量，熵越大，概念所接受的数值范围也越大，概念越模糊。超熵是熵的熵，它反映了云滴的离散程度，超熵越大，云滴离散度越大，隶属度的随机性越大，云的厚度也越大，在一般的情况下，云重心的高度取常值0.371，期望值相同的云可以通过比较云重心高度的不同来区分它们的重要性。

云重心评价法的具体步骤如下：

①求各指标的云模型表示。在给出的系统性能指标体系中，提取n组样品组成决策矩阵，那么n个精确数值型的指标就可以用一个云模型来表示。其中，

同时，每个语言值型的指标都可以用一个云模型来表示，那么n个语言值（云模型）表示的一个指标就可以用一个一维综合云来表征。其中，

当系统的状态发生变化时，其重心变化为T'，

这样，就可以用加权偏离度（θ）来衡量这两种状态下综合云重心的差异情况。首先将此状态下的综合云重心向量进行归一化，得到一组向量：

其中，

图2　评语集云发生器

4　实例分析

军事通信系统指标包括系统安全能力、信息传输能力、信息安全能力和互通性。以系统信息传输能力为例，进行有无卫星时系统效能提升的研究，在系统中抽取5个指标的3组数据，即一个时间段内系统的状态值，如表9，表10所示。

将上述定性指标通过云模型评语集转化成定量指标，组成决策矩阵

表9　有卫星支援时军事通信系统信息传输能力评价表

根据文中第2部分，得到上述各指标参数的权重分配结果：

归一化得

从决策矩阵中，分别求的各个指标云模型的期望值、熵，如表11所示。

表11　有无卫星时军事通信系统信息传输能力云模型参数

归一化表征系统状态的综合云重心向量均为有大小、有方向、无量纲的值。把各指标归一化之后的向量值乘以其权重值，取绝对值然后再相加，便得到加权偏离度的值θ（0≤θ≤1），θ1=-0.274 7，θ2=-0.484 9，见下页表12。

输入评测云发生器之后，θ1将激活较好和很好两个云对象，系统的信息传输能力评测结果为较好。θ2将激活较一般和好两个云对象，系统的信息传输能力评测结果为一般。如下页图3所示，有卫星比无卫星时军事通信系统信息传输能力提升为0.210 2。

同理得出系统安全能力、信息安全能力，互通性的重心向量。如下页表13所示。

通过各级能力指标的效能分析，可以求出卫星支援下军事通信系统的总体效能值。

表12　有无卫星时军事通信系统信息传输能力云重心参数对照表

图3　军事通信系统传输能力评估结果

表13　系统性能比对表

将其输入评测云发生器后，有卫星时将激活较好和很好两个对象，激活“较好”云对象的程度小于“好”云对象，系统总体效能表述为“好”。而没有卫星时将激活差和一般两个对象，激活“一般”云对象的程度略大于差“云”对象，系统总体效能表现为“一般”。有卫星比没有卫星总体的效能提升为0.313 5。如图4所示。

图4　有无卫星时军事通信系统的效能评估结果

下面采用模糊层次分析法对军事通信系统进行效能评估［17］。模糊综合评判模型引用11个评价因子作为本实例的评价集，依次为极差，非常差，很差，较差，差，一般，好，较好，很好，非常好，极好。将表9和表10转化为模糊综合评判矩阵如下：

有卫星时系统安全能力指标下指标的评判矩阵

矩阵A1中第2行第5列的0.3表示对30%的专家认为平均故障间隔时间这一指标在系统中处于差的状态，其他元素同理。

将用AHP法得出的权重归一化后乘以评判矩阵，即

令

分别将R1，R2，R3，R4归一化得

将上述向量组成的矩阵即为一级指标的评判矩阵，即：

由AHP法得出一级指标权重R，

所以，系统的效能评价向量为：

由系统的评价向量得出评价结果28.42%为最高，由模糊综合评判法知系统处于非常好的状态。

同理，得出无卫星系统的效能评价向量为：

由评价结果得出没有卫星时系统处于一般状态。

5　结论

本文提出了基于ANP与云模型相结合的评估方法解决有无卫星支援下的通信系统效能的评估问题。在使用ANP计算权重的过程中，综合考虑了多种因素的影响，应用了间接优势度确定权重的判断矩阵，解决了通信系统中元素间相互影响、相互制约的问题，降低了标度的微小变动对权重的影响，计算结果更加可信。此外，从实例分析中可以看出：模糊综合评判中不能清楚地得出评价指标或系统效能的分布，评估结果不够全面有效，而采用云重心评价的方法得出系统效能的语言评判值，能灵活地完成定性语言和定量语言间的相互转化，方法科学、直观、有效。云重心评价法和ANP相结合的效能评估方法拓展了军事通信系统效能分析的思路，为军事的通信系统效能评估提供辅助决策的依据。在今后的研究中还会对效能评估方法进行改进，对评估方法做必要的灵敏度分析，为进一步提高通信系统效能提供理论支撑。

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Effectiveness Evaluation of Military Communications System Based on ANP and Cloud Model

WEIDe-bin1，XINXin2
（1.College of Information Engineering，Dalian University，Dalian 116622，China；2.Key Laboratory of Communications and Network，Dalian 116622，China）

This paper combines network analytic hierarchy process（ANP）and cloud center of gravity evaluation and applies it to the effectiveness evaluation ofmilitary communication system，and compares the effectiveness ofmilitary communication system with the support of satellite or not.First of all，according to the characteristics of military communicationsystem，the index systemof communication system evaluation is constructing and the ANP model is established；Secondly，according to the correlation between each index of the communication system，analytic network method is used to build the limit super matrix so that the index’weights can be determined.Also it is compared with the weights of indexes determined by AHP，which points out that ANP improves the index weights is scientific；Finally，the qualitative index and quantitative index is convertd by cloud model，giving the enhancement of military communication system effectiveness under the support of satellite and comparing themethod of cloud model and fuzzy comprehensive evaluation.It turns out that the combination of network analytic hierarchy process（ANP）and cloud center of gravity evaluation，which used in effectiveness evaluation ofmilitary communication system，is feasible and scientific.

communication system，effectiveness evaluation，ANP，cloud focus evaluation，fuzzy comprehensiveevaluation

E211

A

1002-0640（2016）08-0118-07

2015-06-11

2015-07-20

辽宁省自然科学基金资助项目（No.2014020131）

魏德宾（1978-），男，辽宁长海人，硕士，副教授。研究方向：卫星通信，系统仿真与建模。