指控系统体系架构的信息质量评估方法

王 祥，樊志强，徐 珞

(华北计算技术研究所,北京 100083)

0 引 言

指控系统由硬件和软件子系统组成，用于收集来自各种传感器的信息，处理和显示信息，指挥和控制各种武器以攻击威胁目标。指控系统通常是大型、复杂、实时和软件密集型系统。人们早已认识到，体系结构在整个系统的开发生命周期中具有重要的影响[1]，特别是对于大规模和复杂系统的开发，其开发过程通常涉及多个利益相关者，各种复杂活动和多个发展阶段。随着网络中心战(NCW)的发展，指控系统变得愈发庞大和复杂，指控系统的体系结构在系统的整个生命周期中扮演着更为重要的角色。因此，指控系统在架构设计阶段的能力评估变得必要和有意义。

在网络中心战的环境下，信息质量和信息优势对于打赢战争具有非常重要的作用[2]。因此，信息质量/优势通常是衡量指控系统能力的重要指标[3]。已有多篇文献评估C4ISR系统或其子系统的信息质量/优势。裘杭萍等[4]、刘东坡等[5]和陈少卿等[6]从不同角度提出了几种评估C4ISR系统信息质量或信息优势的方法，但仍然缺乏从指控系统体系架构层面来评估信息质量和信息优势的模型方法。杨光等[7]、赵新凯等[8]、赵策等[9]和Greg等[10]分别提出了评估C4ISR系统中数据链路通信子系统、军用通信网、通信子系统和战术军用网络的信息质量和优越性的方法。此外，Quan等[11]提供了信息优势评估指标，并讨论了几种评估方法。Zhu等[12]和Zhang等[13]分别评估了近空间信息系统和指挥自动化系统的信息优势。Sangheun等[14]分析了战场网络的信息交换能力。本文分析现有信息质量评估方法，从体系架构层面提出一种指控系统的信息质量评估方法。首先，提出一个信息质量模型，定性地建立架构设计与信息质量度量之间的关系。其次，提供一种框架来进行指控系统的架构级信息质量评估。最后，进行实验来验证本文提出的方法。通过实验结果分析表明，该方法可以帮助设计人员确定影响指控系统信息质量的关键因素，进而改进架构设计。

1 信息质量模型

1.1 信息质量的评估

根据文献[16]提出的有效性评估的等级视图，给出如图1所示的信息质量评估标准。在衡量指控有效性(MOCE)的层面，定义了衡量信息质量。在衡量绩效水平(MOP)时，定义了5项衡量标准：完整性、正确性、通用性，相关性和共享程度。在维度参数(DP)层面，本文着重于架构层面的信息质量评估，定义指控系统体系结构的静态和动态参数。在某些情况下，这些参数可能会对系统的MOP或MOCE产生显著影响。例如，系统间信息传输的平均跳数是进行时间关键型攻击的重要参数。在图1中，值得注意的是相关性和共享范围可以被静态衡量，而完整性、正确性和通用性需要被动态衡量，即通过执行体系结构(模拟)来测量动态参数。这些参数通常基于架构执行期间收集的数据进行计算。

图1 信息质量标准

本文使用ICom、ICor、ICur、IRel、ISE来表示完整性、正确性、通用性、相关性和共享范围。

完整性是整个目标中感知目标的百分比。完整性是时间的函数，其定义如下：

(1)

正确性是想定目标和实际目标一致的程度。像完整性一样，正确性也是时间的函数。假设有N个感知目标，每个目标有M个信息项(如速度和位置)，用Gi(t)和Pi(t)分别表示第t个目标在t时刻的实际特征和感知特征，Gi(t)和Pi(t)分别定义为：

Gi(t)=[gij(t)], i∈{1,2,…,n}, j∈{1,2,…,m}

(2)

Pi(t)=[pij(t)], i∈{1,2,…,n}, j∈{1,2,…,m}

(3)

因此，t时刻第i个目标的第j个信息项的误差定义为：

ERij(t)=|pij(t)-gij(t)|

(4)

时间t处的第i个目标的正确性可以定义为：

(5)

其中，SERij是ERij的标准化。然后在时间t的平均正确性被定义为：

(6)

通用性是从检测到目标的时间到将目标带到用户的时间的延迟。通用性定义为：

(7)

相关性是与手头任务相关的意识目标的比例。假设有n个感知目标和k个任务，相关性定义为：

(8)

(9)

1.2 权重分配的措施

1.3 测量器的合成

为了评估信息质量，需要综合第1.1节中定义的5个度量，以及专家对它们的偏好(即5个度量的权重)。本文选择多属性决策理论的边际替代方法[15]来综合5项指标。此外，柯布-道格拉斯偏好的无差异曲线是为边际替代法选取的。柯布-道格拉斯偏好的效用函数被用来获得5项指标的综合价值。公式(1)是柯布-道格拉斯偏好的函数原型。图2显示了3条无差异曲线，X和Y可以被看作2个度量。a和b是用户对度量的偏好。U是综合价值，相同曲线中的不同点是相同的，所以它被命名为无差异曲线。从图2中可以看出，如果Y减小，U的增加不变。图中的箭头表示U的增加方向。曲线U3上的值比曲线U2或U1上的值好。参数a和b反映用户对度量的偏好。

图2 柯布-道格拉斯偏好的无差异曲线实例

基于柯布-道格拉斯偏好的函数原型(即公式(1))，可以使用公式(2)合成5个度量。值得注意的是，在合成它们之前，需要分别使用公式(3)和公式(4)对标准的有效性类型和成本类型进行标准化。

2 架构级信息质量评估框架

为了系统地评估和分析架构级指控系统的信息质量，本文提供了一个框架，包括架构设计、仿真、评估和分析(DSEA)，如图3所示。

图3 DSEA框架

首先，需要设计和描述指控系统的架构。值得注意的是，只有与信息质量(IQ)相关的架构部分是必需的。可以使用不同的体系结构建模方法或ADL来描述体系结构。本文建议使用标准建模方法或语言来描述架构，例如DoDAF[17]和UML[18]。相关性和共享程度的措施需要在这一步中加以完善。

其次，利用所描述的指控系统架构，需要选择或开发仿真平台以在特定情况下执行所描述的架构。在执行之前，通常需要将体系结构模型转换为可以由选定或开发的仿真平台执行的仿真模型。在这一步中，需要确定模拟过程中需要收集的数据，然后根据仿真平台指定完整性、正确性和通用性的度量。

然后，根据第1章提出的信息质量模型，根据模拟结果和相关的权重分配计算出系统的信息质量。

最后，通过分析评估的结果，找出影响信息质量的关键因素做出设计决策，并为下一步的架构改进提供可靠方案。

3 实验和分析

为了验证提出的信息质量模型，本文进行了一个实验，其中包括3个部分：1)实验的规划和设计，介绍了选定的指控系统和场景；2)实验执行，分为体系结构描述、模型转换和模拟执行；3)实验结果分析。

3.1 实验规划和设计

本实验选择了2个具有不同架构设计的指控系统来评估其信息质量。更具体地说，这2个系统在其架构设计中分别使用中心协作模式和传感器到射手协作(缩写为S2S协作)模式。在这个实验中，设计了一个引导导弹的情景。在中心协作模式下，当传感器(例如雷达)检测到威胁目标(例如敌方导弹)时，它们将信息发送到指挥和控制岗位。然后指挥和控制岗位作出决定并分配武器系统(如拦截导弹现场)。

拦截敌方导弹，如图4(a)所示。与中心协作模式不同，传感器可以直接在传感器到射手协作模型中向武器系统发送信息。根据这些信息，武器的控制系统可以独立确定如何拦截敌方导弹，如图4(b)所示。

(a) 中心辅助模型 (b) S2S辅助模型图4 2种导弹拦截系统辅助模型

在这种情况下，有一个敌方导弹，3个传感器(即卫星、长距离雷达和短距离雷达)，一个指挥和控制站以及一个拦截导弹场。实验在2个条件下进行：无干扰和电子干扰。在电子干扰的情况下，添加了一个干扰源。

3.2 执行

3.2.1 体系结构描述

在本实验开始时，描述了2个系统的体系结构。首先，对系统设计文件进行了研究。其次，对应DSEA框架的设计阶段，在设计文档中捕获了体系结构元素，并使用IBM RSA建模工具[19]将它们描述为DoDAF模型。表1中列出了体系结构描述的特征。

表1 体系结构特征描述

3.2.2 模型转换和模拟执行

对应DSEA框架的模拟阶段，通过模拟体系结构模型，在实验中集成OPNET[20]和Simulink建立了一个仿真平台[21]，进而将体系结构模型转换为仿真模型。根据笔者以前的工作[22]中定义的规则，将3.2.1节的体系结构模型自动转换为可直接输入到已建模拟平台的模型。如3.1节所述，整个模拟分为2组(即无干扰和干扰)。在每组中，执行30次模拟。

3.3 实验结果和分析

3.3.1 结果收集

对应DSEA框架的评估阶段，在每次模拟之后，计算ICom、ICor和ICur。在这个实验中，由于只有一个敌方导弹，ICom是通过对3个传感器(即卫星、长波雷达和短波雷达)的探测速率进行平均来计算的。对于ICor，只计算了一个信息项“敌方导弹的距离精度”，这是3个传感器报告的距离精度的平均值。

3.3.2 分析和讨论

对应DSEA框架的分析阶段，通过实验平均结果，比较了中心协作模式和S2S协作模式的ICom、ICor和ICur，分别如图5～图7所示。从图5～图7可以看出，在不干扰的情况下，这2种模式的完整性(ICom)和正确性(ICor)几乎相同，而对于及时性(ICur)，S2S协作模式优于中心协作模式，因为传感器可以在S2S协作模式下直接向武器发送信息。在干扰的情况下，从图5～图7可以看出，ICom、ICor和ICur在中心协作模式和S2S协作模式下都变得更差。尤其是，S2S协作模式下的ICom比中心协作下的ICom减少得多，如图5所示。

图5 中心协作模式与S2S协作模式完整性的比较

图6 中心协作模式与S2S协作模式正确性的比较

图7 中心协作模式与S2S协作模式通用性的比较

为了计算信息质量，首先导出来自参与专家的5个度量的权重，如表2所示。

表2 5种标准的权重

其次，通过分析这2个系统的结构设计(在3.1节中描述)来计算相关性(IRel)和共享程度(ISE)。最后，信息质量是基于1.3节提出的方法计算的，如表3所列。

表3 信息质量评估结果

从表3的ICur栏中可以看出，S2S协作模式的性能要优于中心协作模式，无论是在不干扰条件下，还是在干扰条件下。通过对表1中描述的体系结构设计的分析，可以看到S2S协作模式下节点/系统之间交互较少的事实节省了传输时间并导致高通用性。例如，在OV-5和SV-10c中，S2S协作模式下的活动/系统和流量/事件明显少于中心协作模式下的活动/系统和流量/事件。换句话说，目标信息在中心协作模式下通过更长的路径和更多的系统进行传输和处理，从而导致低通用性。对于度量完整性(ICom)和正确性(ICor)，通过分析描述的架构，发现这2个度量主要受检测和识别目标能力的影响。根据3.1节介绍的体系结构设计，只有指挥控制站配备了多传感器信息融合系统。在中心协作模式下，由不同传感器采集到的所有情报信息汇聚到指挥控制站后，被用于计算目标位置。通过信息融合和修改，这种模式可以显著提高干扰条件下的完整性和正确性。相反，在S2S协作模式下，武器系统高度依赖单个传感器(即短波雷达)来获得目标位置。因此，对传感器的干扰会严重降低武器系统的信息质量，甚至导致其失去目标。

评估指控系统体系架构的信息质量，旨在为指控系统架构设计的改进和决策提供建议。基于以上分析和表3中的结果，可以得出结论：使用S2S协作模式可以在不干扰的情况下提供更高的信息质量，而使用中心协作模式可以在干扰的情况下提供更高的信息质量。该评估结论得到了有关专家的证实。

4 结束语

指控系统是大型、复杂、实时和软件密集型系统。随着指控系统变得更大更复杂，架构在系统的整个生命周期中扮演更重要的角色。信息质量通常是衡量指控系统有效性的重要指标。然而，在现有文献中，缺乏一种基于体系结构设计来评估指控系统信息质量的方法。因此，本文提出了一种架构级信息质量评估方法，包括信息质量度量和度量权重分配和综合方法。此外，还提供了一种框架来系统地进行架构级指控系统的信息质量评估。利用本文提出的信息质量模型，可以基于指控系统的体系结构模型有效地评估信息质量。在接下来的工作中，笔者打算通过发射多个敌方目标来扩展实验，并将提出的方法应用于更多案例。