基于GSDM的武器装备无线分布式测试系统通信方式选择

2017-11-27李超肖明清朱海振唐希浪杨京翰

物联网技术 2017年11期

李超+肖明清+朱海振+唐希浪+杨京翰

摘要：作为一种可以充分提高测试资源利用效率、设备分布化水平和战场适应能力的新一代军用测试系统，武器装备无线分布式测试系统在武器装备的战斗保障与日常维护中发挥着重要作用。由于无线分布式测试系统可选通信方式众多，传统解析方法难以在多目标属性下对多种通信方式进行有效取舍，针对这一问题，利用灰色局势决策模型（GSDM）将定性分析与定量求解相结合，构建无线分布式测试系统在多目标属性下对多种通信方式的选择模型。通过实例分析和数据验证，所构建的GSDM模型可靠性好、可操作性强，能够有效解决武器装备无线分布式测试系统的通信方式选择问题。

关键词：灰色局势决策模型；武器装备无线分布式测试系统；无线通信；分布式测试

中图分类号：TP39；U416.216 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）11-00-04

0 引言

武器装备无线分布式测试系统（Weaponry Wireless Distribution Test System，W2DTS）是一种基于无缆化思想，以测试资源利用率最大化、测试设备体积质量最小化为目的，旨在实现三级维修体系中测试设备通用化的一种新型测试系统。W2DTS是“十二五”“十三五”国防预研项目的重点工程，以实现有缆化武器装备分布式测试系统。在一定程度上整合测试资源，为军用测试设备的下一步发展打下基础。

美国国防部下属的“NxTest”工作組，在20世纪末启动了以CASS为开发平台的LM-STAR自动测试系统设计工程[1]，按照板载诊断监控常态化、后勤信息管理自动化、中间级测试保障简约化、测试数据结论共享化、快速简洁操作可靠化等“五化”要求[2]，从设计之初便将分布式测试的思想融入其中，至21世纪初，该系统能满足攻击战斗机（JSF）的全部测试需求[3]。与此同时，国内在分布式测试领域也有一定发展[4]，在“十二五”国防预研项目中，已成功实现军用飞机内外场测试资源的通用化，资源利用率及工作效率得到明显提高。由于网线及电缆连接的限制，测试资源分布的广度及设备的小型化受到了严重限制，故W2DTS成为未来军用测试系统的发展方向。W2DTS建立在分布式测试系统基础之上，核心在于通信技术的选择，而市面上无线通信技术种类繁多[5]，故通过科学有效的方法为W2DTS选择最为合适的无线通信技术十分重要。

1 武器装备无线分布式测试系统现实挑战

1.1 武器装备无线分布测试系统原理

W2DTS是在测试设备上加装另一核心模块——串口转无线模块，用无线传输的方式取代传统设备间电缆的连接与有线分布式测试系统中网线的连接，全部测试设备可直接与中央处理器进行数据交互，减少了测试系统中数据处理的层级，为并行测试与远程诊断提供了便利条件。具体流程如图1所示。

1.2 武器装备分布式测试系统隐在问题

1.2.1 时钟问题

测试设备与中央处理器直接发生关联，省略了传输过程中处理器的处理步骤，减少了传输环节，但由于在测试过程中，不同数据信号的处理存在时序问题，当且仅当信号按照逻辑顺序进行处理后，才能准确判断出被测对象是否能正常工作。

1.2.2 保密问题

测试数据经串口转无线后，需在无线信道中开放传输，因而为敌特人员的监听提供了“便利”，故如何选择合适的加密传输方式是搭建此系统的基础性问题。

1.2.3 抗干扰问题

军用电缆体积庞大、价格昂贵，但军事领域却一直将其应用在各种设施中，原因在于军用电缆可在极大程度上消除外界的强电磁干扰，使数据能够成功传输至目的地。因此，如何在复杂环境下实现可靠传输，是W2DTS必须考虑的问题。

从上述问题中可以看出，解决W2DTS系统的隐在问题，关键在于选择一种合适的无线通信方式，从而能够方便、有效地解决以上问题。

2 W2DTS通信方式选择GSDM模型

2.1 通信方式选择指标

在实际使用过程中，W2DTS将测试设备采集到的信号通过串口转无线的方式发送给数据处理中心，进而完成后续的数据分析、储存等工作。由于机动性、便携性及测试资源利用率等战场实际需求，使得无线通信代替连接电缆成为数据传输的主要信道，故可靠性（成功传输概率Ps）及性价比（λ）被普遍认为是无线通信方式选择的主要指标。但由于战场态势的急剧变化[6]，对可靠性及性价比都不能有相对准确的估计，此外，随着科技的发展，无线通信方式换代更新周期不断缩短[7]，新技术层出不穷，单纯的以可靠性Ps与性价比λ的组合来判断所选通信方式是否最优不具有较强说服力。因此，本文使用灰色理论及多目标决策的相关理论，建立W2DTS通信方式选择模型。

2.2 通信方式选择指标体系

从对通信方式选择指标的分析中，我们可得出，无线通信的传输信道对战场环境的适应性、传输性能与测试设备的适应性、能量消耗水平与战场补给的适应性等都是通信方式选择时应重点考虑的对象。因此，所选择的通信方式必须具有符合高可靠性、高战场适应能力、高性价比的属性，即ai（i=1，2，…，n），如传输速率，传输距离，抗干扰能力，成本价格等，选出具有代表性、分辨力的决策指标，构成属性集A={a1，a2，…，an}；符合军用目标性能要求的无线通信方式oj （j=1，2，…，m）作为ai的一个相应备选对象，由市面上运行体系成熟、使用评价良好的商用货架产品（Commercial off-the-Shelf，COTS）共同构成备选资源集O={o1， o2，…，on}。此外，根据系统设计的总体功能以及战场与日常训练中使用的实际情况、维护保障需要、可靠性保证、操作方式简便等[8]，对选型决策的目标tk（k=1，2，…，l），如抗干扰能力、成本价格、售后服务、可维修性能等[9]，记为决策目标集T={t1，t2，…，tl}。endprint

规定属性集与备选资源集的笛卡尔乘积为决策局势集，囊括了指标属性与备选资源的全部组合关系的集合：

对任意ai∈A，oi∈O，称sijk=（aik，ojk）为目标tk下的局势，即对某一目标下的选择决策。对于sijk，yij（k）∈R，使yijk能够客观描述sijk的数值，如无线通信的传输速率、传输距离的最大值等，可由厂家提供或市场调查获得。Yk=（yij（k））为局势sijk=（aik，ojk）在目标tk下全部潜在决策的原始样本矩阵。

综上所述，通信方式选择模型为：

其中，K为已知决策目标、指标及客观样本值的集合；L為决策结果，即决策目标下所有可供选择的决策。

2.3 指标体系权重的确定

影响通信方式选择的因素众多，且每种因素在不同实际场景中对不同通信方式的影响不尽相同，故在此类多目标多属性决策问题中，属性集、目标集的权重尤为重要，一般通过主观赋权法或客观赋权法给出权值。

本文采用灰色局势决策的方法，通过调研、查询、走访，给出了各备选目标的具体参数，并为已知特征矩阵引入更多有用信息[10]。故在确定权重时，采用比较法，借助相关领域专家的专业知识，依据经验来判断各目标各属性之间的重要程度来快速计算相应的权重，达到主客观因素相互支持、相互补充的效果。

比较法中，为尽可能减少专家对目标属性“分辨率”不足所引起的误差，采用-1，0，1三级分数，使专家能准确对比较结果有清晰的答案，提高对比矩阵的可信度。方法如下[11]：

（1）若目标属性ai比aj重要，则有hij=1，hji=-1；

（2）若目标属性ai与aj同等重要，则有hij=hji=0。

根据上述方法可得对比矩阵：

同理可得目标权重λ=（λ1，λ2，…，λn）。

2.4 多目标加权合成

求解通信方式选择模型时，需将不同目标，在不同量纲、不同指标体系下进行集成、对比，进而得出综合结果。通过对属性集的建立，来确定各目标的极性（极大、极小、适中）[12]，根据实际情况对原始样本值yij（k）进行如下变换[13]：

（1）对于追求样本属性值最大化的目标，可采用上限效果测度：

（2）对于追求样本属性值最小化的目标，可采用下限效果测度：

（3）对于期望样本属性值平均化的目标，可采用适中效果测度：

3 实例分析

以某型飞机无线分机式测试系统的无线通信方式选择为例，建立GSDM模型，求解最佳决策值，获得可靠性及性价比最高的通信方式。

3.1 模型建立

确定无线通信方式的备选资源集、属性集、目标集与决策局势集。通过对市场的考察及物联网等技术的了解与学习，遴选出10种无线通信方式：GPRS、4G、3G、ZigBee、WiFi、RFID、蓝牙、红外线、UWB、NFC，记为备选资源集O={o1，o2，…，o10}；无线通信根据实际使用及战场态势的适应等需求，可确定属性集A={a1，a2，…，a6}={可靠程度，接入难易度，搭建难易度，供电需求，性价比，覆盖范围}；根据装备设计原理及COTS选取的相关知识理论，形成了对无线通信方式选择的相关要求，可确定决策目标集T={t1，t2，…，t8}={通信速率，传输距离，抗干扰能力，发射功率，保密性，配套技术支持，可维修性能，搭建成本价格}。其中，t3、t5、t6、t7为上限效果测度，t1、t2、t4为适中效果测度，t8为下限效果测度。进行相关准备后，建立公式（13）的灰度局势决策模型。

3.2 权重确定

利用快速比较法，通过相关领域专家对属性集A与决策目标集T各元素进行对比，得到HA与HT：

由式（4）～（8）可计算出ξ=（0.251 5，0.129 1，0.251 5，0.078 3，0.109 3，0.180 2）， λ=（0.190 4，0.190 4，0.079 4，0.0618，0.079 4，0.148 3，0.148 3，0.101 9）。

3.3 原始数据Yk采集

无线通信方式的抗干扰能力可采用数据在无线信道不稳定的传输环境中，加密传输过程成功的概率，通过对某型号导弹发射架加装串口转无线模块，对实验数据进行收集、分析，得到历史数据，见表1所列。

同理，通过问卷调查及使用人员反馈，对配套技术支持、可维修性能两方面进行评分（百分制）；传输速率及传输距离可通过查阅资料及相关文献获得具体参数最大值；发射功能、保密性能、搭建成本价格等较模糊参数，按高、较高、中、较低、低五档划分为十分制计入表中，具体内容见表2所列。

依据表1、表2中的数值，可分析得到各决策目标下的原始样本矩阵Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8。

3.4 多目标加权合成

根据决策目标自身的极性，依据式（9）～（11），对原始样本矩阵依次进行量纲的统一：

4 结语

本文从W2DTS的战场适应性能入手，分析了W2DTS的工作原理及隐在问题，建立了W2DTS无线通信方式多目标、多属性选择体系。利用GSDM方法，建立W2DTS无线通信方式选择模型。从实例分析中可以看出，以WiFi作为通信方式的W2DTS系统，对测试系统的日常使用及战时保障有很强的适应能力，但从决策值中可以看出，WiFi通信在W2DTS系统中的使用方式还有很大的改进空间。

参考文献

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