基于幂指数法的通信网系组织运用能力模型*

罗颖光，邹自力，倪 倩

(国防科技大学信息通信学院，湖北 武汉 430010)

开展指挥对抗模拟训练，合成指挥员需要根据上级指示及敌情、我情、战场情况，拟制作战计划，组织部队开展各项准备工作和具体实施作战指挥[1]。为确保整个作战过程顺利实施，信息通信部门和通信部(分)队需要按时机动至作战地域开通机固一体的通信网系，并进行执勤维护。作为合成指挥员，通常情况下并不关心复杂的通信组织关系、通信网系拓扑结构和信息如何流动等通信领域的专业内容，只需要在尽可能短的时间内从总体上掌握通信网系组织运用的能力即可。目前军内外众多学者均对该问题进行了相关研究，如文献[2]采用模糊综合评估的方法对指挥控制系统组织运用效能进行评估；文献[3]采用层次分析法对一体化信息系统作战运用效能进行评估。但是上述方法均是采用定性的方法开展系统整体研究，并没有突出系统内部指标体系之间的关系以及各指标数值的变化对系统的影响。据此，本文针对合成指挥员对于通信网系组织运用的“特殊”需求，选取相应指标，采用改进的幂指数法构建通信网系组织运用能力模型，在获取一些战场实时数据的基础上，将通信网系组织运用情况以指数形式提供给合成指挥员，以便于对联合作战实施精准指挥控制。

1 幂指数法原理

指数法是评估武器装备作战效能时，提出的一个统一的度量标准，是在对武器系统充分了解的基础上使用的方法[4]。目前，该方法适用于宏观分析及快速评估，且作战能力建立在武器系统自身的技战术指标的基础上，解决了指标量纲不一致的问题，因而在系统工程领域被广泛应用[5]。本文采用幂指数法时，针对指标聚合关系的不同，对幂指数法进行了改进，分别是相加幂关系、相加乘关系。

1.1 相加幂关系

(1)

这类指标聚合关系，体现了不同指标可分别独立作用于上层指标，即同一指标层内的指标可全部存在，也可部分存在，对上层指标没有影响。

1.2 相加乘关系

(2)

这类指标聚合关系，体现了不同指标对于上层指标的总贡献大小，即同一指标层互为补充关系，任一零值不能导致上层指标为零。

2 模型体系结构设计

模型构建的一般原则是先确定总目标，然后再逐层分析下一层影响因素，采用分级分类，层层递进聚合的方式，直到底层因素[6]。即只要知道系统的内容及层次结构，就可以按照分类及层次递进关系构建模型。根据组织运用包含的具体内容，组织运用能力可分为通信兵力机动能力和网系能力。

2.1 通信兵行动能力

通信兵行动能力主要描述的是通信部队执行通信保障任务时结合通信装备遂行通信网系开设任务的行动，主要有机动能力、网系开设能力、抢通能力、通信网系调整能力等四个方面。

2.2 通信网系能力

通信网系能力是通信装备和通信兵力的有机结合，在作战行动中体现的通信保障任务的能力。由于基于指挥信息系统的指挥对抗模拟训练系统中，合成指挥员并不关心通信网系的组网模式，所以本文不对通信网系具体组网模式进行深入研究，只是在已经建立好的通信网系基础上，对于通信网系的性能进行分析。本文重点从信息传输能力、指挥控制能力、频谱管理能力、服务支持能力和安全防御能力五个方面综合评价通信网系的能力。

1)信息传输能力，是通信网系最重要的能力，主要用于描述指挥所之间、指挥所与作战部队之间数据互通、交换能力。包括广域覆盖能力、宽带传输能力、互连互通能力和随遇接入能力。

2)指挥控制能力，主要用于描述在作战过程中辅助指挥员对部队进行指挥控制的能力。包括态势融合能力、筹划决策能力、行动控制能力和平台铰链能力。

3)频谱管理能力，主要用于描述通信网系在频谱管理使用方面的科学和理性，主要包括资源统筹能力、频谱感知能力、频谱管控能力和频谱信息服务能力。

4)服务支持能力，主要包括计算存储能力、软件服务能力、信息服务能力和数据保障能力。

5)安全防御能力，主要用于描述通信网系自身抵御敌方网络攻击、火力打击能力，包括信息安全能力、网电防御能力、抗毁顽存能力和自主可控能力。

3 模型构建

由模型体系结构设计可知，组织运用能力模型构建应分为通信兵行动能力模型和通信网系能力模型分别构建。

3.1 通信兵行动能力建模

由模型体系结构可知，通信兵行动能力模型可分为机动能力、网系开设能力、抢通能力、通信网系调整能力等四个方面。这四种能力可分别独立作用于通信兵行动能力，因而可通过改进的相加幂指数模型来进行计算：

(3)

式中，Io1为通信兵行动能力指数，oi为通信兵行动子能力指数(经规范化处理)；wi为第i种能力对于通信兵行动能力总体的权重，wi满足下面的关系：

(4)

通信兵行动能力子能力中的通信机动能力、网系开设能力、抢通能力和转移能力的取值可以从方案中读取，经规范化处理后代入公式计算。

3.2 通信网系能力建模

由模型体系结构可知，通信网系能力模型可分为信息传输能力模型、指挥控制能力模型、频谱管理能力模型、服务支持能力模型以及安全防御能力模型等五部分。对一般通信网系而言通常情况下包含这五种能力中的全部或一部分，例如：光纤、微波链路以及卫星通信主要是作为主干信息传输通道使用，那么信息传输能力的权重就应当加大，而指挥控制能力和频谱管理能力所占的权重就适当减小。在实际计算中可以根据具体建立的各类网系，结合不同类型通信网系的特点用途来计算各子能力的权重，必要时也可直接对权重进行相应的调整。

计算通信网系能力首先应计算底层能力指数，然后逐步聚合得到上层能力指数，由于模糊数学主要解决认知不确定问题，其研究对象具有内涵明确、外延不明确特点，因此本文采用模糊综合评判方法思想，通过确定子能力因素的隶属度和权重，将底层多个因素综合为上层因素，最后计算通信网系能力。

3.2.1 信息传输能力指数模型

信息传输能力是衡量通信网系最主要的能力因素，通常通过广域覆盖能力、宽带传输能力、互连互通能力和随遇接入能力等四个方面进行度量，具体如图1所示。

于是可得信息传输能力指数计算模型为

(5)

式中，d为信息传输能力指数；di为第i种能力指数(经规范化处理)；mi为第i种能力权重，mi满足下面的关系：

(6)

广域覆盖能力指数di计算公式如下：

(7)

式中，di为第i种能力指数；dij为量化值对指标理想值的隶属度；γij为第i种能力的第j点的权重，并满足下面的关系：

(8)

同理可得，宽带传输能力、互联互通能力和随遇接入能力指数计算模型。

3.2.2 指挥控制能力指数模型

指挥控制能力包括了态势融合能力、筹划决策能力、行动控制能力和平台铰链能力，具体如图2所示。

指挥控制能力指数计算模型可参照公式(5)至公式(8)构建。

3.2.3 频谱管理能力指数计算模型

通信网系的频谱管理能力包含了资源统筹能力、频谱感知能力、频谱管控能力和频谱信息服务能力，具体如图3所示。

频谱管理能力指数计算模型可参照公式(5)至公式(8)构建。

3.2.4 服务支持能力指数计算模型

服务支持能力主要体现在计算存储能力、软件服务能力、信息服务能力和数据保障能力四个方面，具体如图4所示。

服务支持能力指数计算模型可参照公式(5)至公式(8)构建。

3.2.5 安全防御能力指数计算模型

通信网系的安全防御能力是较为重要的一项能力，包括了信息安全能力、网电防御能力、抗毁顽存能力和自主可控能力，具体如图5所示。

安全防御能力指数计算模型可参照公式(5)至公式(8)构建。

3.2.6 通信网系能力综合计算模型

确定通信网系各能力指数后，考虑到不同通信网系五种能力的区别，并能够最大化地体现同一网系中不同作战阶段五种能力值变化对综合能力影响，构建单网系能力综合计算模型为

(9)

式中，I单网系为通信网系能力指数；pi为第i种能力指数；wi为第i种能力权重，wi满足下面的关系：

(10)

通过以上分析得出了单网系能力指数模型，指挥对抗模拟训练中通常需要建立多个网系共同作用下完成信息通信保障任务，多个通信网系之间虽然存在信息交互，但从逻辑上分析可认为均独立作用于总的通信网系能力，通过能力指数叠加的方法，可建立通信网系能力指数模型为

(11)

式中，Io2为通信网系能力指数；n为建立的网系数量；δn为第i个网系的调整因子。

3.3 组织运用能力聚合建模

组织运用能力是通过兵力行动建立通信联络的能力，其中通信兵行动能力指数和通信网系能力指数之间不是简单相加或乘积关系，而是通过有机结合共同涌现的结果，任意一项能力指数极小时，组织运用能力指数均会受其影响而取极小值，因此，组织运用能力指数计算建模可采用几何平均思想进行计算[6]。此外需要考虑到两个重要因素：一是组织运用能力是在人员、装备能力基础上体现出的能力；二是通信网系能力在战场电磁环境影响下一定程度上会降低。

因此，通信保障组织运用能力指数模型如下：

(12)

式中，Io为组织运用能力指数；Ib为人员、装备基础通信能力指数；kb为人员、装备能力指数在组织运用能力中的调整因子；Io1、Io2为通信兵行动能力指数和通信网系能力指数；φ为电磁环境复杂度。

计算时，为了简化模型的复杂度，可设人员、装备基础通信能力指数为常数。

4 仿真分析

4.1 权重计算

组织运用能力模型的44项三级指标能力均可以通过读取方案中的数据和规范化处理后得到，实际使用中需要计算的是各底层能力指数的权重，具体可采用层次分析法计算[7]。

1)构造两两判断矩阵，首先进行专家咨询，然后利用层次分析法群组决策方法构造两两比较判断矩阵。

设有S名专家参与评估，他们的判决矩阵分别为A1、A2、…、As，其中

Ak=(aij,k)i=1,2,…m;j=1,2,…n;k=1,2,…S

(13)

将S个判决矩阵，用几何平均的方法获得一个综合判决矩阵Ak=(aij)。

式(13)中的aij通过下式计算得到：

i=1,2,…m;j=1,2,…n

(14)

2)确定各层能力的权重

采用乘积方根法计算权重，公式如下：

(15)

3)计算判决矩阵的最大特征根λmax

(16)

其中，

(17)

4)判决矩阵一致性检验

若CR<0.1，认为判决矩阵的一致性是可以接受的；否则，应对判决矩阵进行适当修改。

4.2 仿真实现

为简化计算，通信兵力、装备基础通信能力指数设置为0.75，电磁环境复杂度指数设置为0.5。同时计算权重时，结合某演习，采用层次分析法计算的通信兵行动能力权重为[0.3317 0.3317 0.1972 0.1394]，通信网系能力权重为[0.3229 0.2447 0.1854 0.1405 0.1065]，信息传输能力权重为[0.3317 0.3317 0.1972 0.1394]，指挥控制能力权重为[0.4393 0.3107 0.1464 0.1036]，频谱管理能力权重为[0.3905 0.2761 0.1953 0.1381]，服务支持能力权重为[0.4225 0.2699 0.1725 0.1351]，安全防御能力权重为[0.4393 0.3107 0.1464 0.1036]。由此，可以计算得出在指挥对抗模拟训练开始20分钟时通信网系组织运用能力指数为672.3。随着模拟训练时间推进至4小时，通信网系组织运用能力指数下降至385，具体如图6所示。

4.3 结果分析

由图6可以看出，组织运用能力指数变化起伏较大，主要原因是随着作战时间推进，通信网系的节点、链路等受敌打击毁伤较为严重，而由于通信网系及时调整和抢修抢通，组织运用能力指数可以基本恢复到之前的水平。但是，随着作战时间向前推进，组织运用能力指数还是存在下降趋势，一方面是通信网络和节点受敌方的硬摧毁和软打击，毁伤严重，己方网系已没有备份可供调整以及现有力量已不能及时抢修抢通，造成组织运用能力下降；另一方面是己方通信网系受战场电磁环境及用频装备的干扰，性能下降严重，一定程度上制约了组织运用能力中的频谱管理能力。