基于WBS的船载测控系统效能评估研究

杨奕飞，李少华，戴跃伟，孔建寿，凌晓冬

(1. 南京理工大学 自动化学院， 南京 210094； 2. 江苏科技大学 电子信息学院， 江苏 镇江 212003) (3. 飞行器海上测量与控制联合实验室， 江苏 江阴 214431)



·总体工程·

基于WBS的船载测控系统效能评估研究

杨奕飞1，2，李少华2，戴跃伟1，2，孔建寿1，凌晓冬3

(1. 南京理工大学 自动化学院， 南京 210094； 2. 江苏科技大学 电子信息学院， 江苏 镇江 212003) (3. 飞行器海上测量与控制联合实验室， 江苏 江阴 214431)

提出了基于工作结构分解和层次分析法动态权重的效能评估方法，根据系统工作原理、信号流程和任务要求建立工作任务结构分解模型，根据子任务时间逻辑顺序建立活动结构分解模型。子任务效能采用ADC模型进行评估，子任务权重采用层次分析法计算，并根据子任务的执行时间区间对每个评估时间点的子任务权重进行动态计算，计算得到的效能时间函数曲线能较好地体现系统效能的动态变化过程。最后给出了评估仿真算例。

测控系统；效能评估；工作结构分解

0 引 言

航天测量船是我国航天测控网不可或缺的一部分，它是由船舶动力系统、测控通信系统、航海气象系统、后勤保障系统等多个不同类型系统组成的复杂大系统，各系统又包括很多设备。由于船载测控系统具有工作范围广、系统庞大、结构层次多、子系统模型多样、相互关联复杂、系统元素多等特点，科学、有效、准确地评估出测控系统的综合效能，使测控系统的效能在航天发射试验中得到合理的体现，是提高测量船整体测控能力的一个重要环节。在以往的效能评估系统中所建立的指标体系往往建成后就不可更改，指标相互间层次关系固定、权重值确定，无法灵活变化。而在实际应用时，由于每次任务的参试设备不同、不同时间点参与实时工作的设备数不同等原因，需要对测控系统的评估指标体系进行灵活的管理。当根据不同测控任务对测控系统进行分析、计划、调整、配置时，就需要确定各个指标的重要性，并研究整个系统的综合效能值。此外，由于测量船各系统之间相互关系的复杂性，构建模型所需考虑的要素急剧增加，要素之间的相互关联复杂，这种复杂性给建立评估模型带来困难。

本文将工作结构分解(Work Breakdown Structure, WBS)引入船载测控系统效能评估中。WBS是指通过对项目总目标和总任务的研究，采用系统分析方法将项目系统总范围分解为许多互相联系、互相影响、互相依赖的项目单元，以这些项目单元作为项目管理的对象，满足项目设计、计划、控制和运行管理的需要[1]。采用WBS方法将总测控任务分解成多个相互联系、相互依赖的子任务，子任务采用ADC效能模型进行评估，用层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)计算子任务权重，并根据评估时间采样点的子任务分布情况进行权重的动态赋值，最后计算得到系统效能动态评估值。该方法不仅降低了船载测控系统效能评估建模的复杂度，也克服了传统ADC效能模型不能体现效能与时间的变化关系的不足。

1 测控总任务的WBS建模

1.1 船载测控系统效能定义

系统效能是系统在规定的条件下和规定的时间内，满足一组特别任务要求的程度[2]。船载测控系统效能可定义为规定的条件下和规定的时间内满足特定航天测控任务要求的程度，它是根据测控任务的不同，随着装备的组成、任务使命、任务环境、任务方案、时间等因素而变化的。

规定的条件根据测控任务不同而不同，涉及到海况、人员、设备状态等诸多因素。规定的时间为完成一次测控任务的时间周期。测量船在三大洋执行测控任务，执行一次任务从启航到返回码头的时间最短20多天，长则2～3个月，测控时间根据任务要求而不同。进行效能评估时，可根据需要设定评估的时间长度，典型的可分为长周期和短周期。长周期是指从测量船出航到完成测控任务返回码头的一次完整任务周期。短周期是指测量船在任务指定海域的测控任务实战周期，即从航天器发射前实时任务准备到完成全部实时测控任务要求的时间周期。特定的航天测控任务是在某次航天飞行试验中上级给测量船下达的测控任务总要求。

1.2WBS模型结构

海上航天测控任务是一项系统工程，需要各系统完成各自的规定任务并实现配合。WBS工作分解结构作为系统工程管理中最重要的部分之一，属于系统分析和控制工具，它在全局上对整个系统研发过程进行调节和控制[3]。本文将测量船一次特定的航天测控任务要求定义为效能评估的总任务要求，采用WBS技术将总任务分解为不同粒度的子任务。WBS模型结构分为任务结构分解和活动结构分解。

1.2.1 任务结构分解

按照测量船的设备组成、工作原理和测控要求，将总任务分解成互相独立、互相影响、互相联系的子任务单元。任务结构分解遵循以下原则：(1)采用树形结构；(2)将总任务逐步细化分解，最底层的子任务可直接分派到最小设备单元去完成，每个任务原则上要求分解到不能再细分为止；(3)某项子任务应且只应在WBS总任务中的一个地方出现；(4)WBS中某项任务的内容可以是其下所有WBS子任务项的总和。

以一次典型卫星测控任务为例，要求测量船完成对火箭的遥测、外测和卫星的遥测、遥控、测轨、数传任务。该总任务可分解为19个子任务，按1～19顺序编号，如表1所示。19个子任务为树形结构中的同一层。每个子任务需要若干设备或分系统共同完成。

表1WBS任务结构分解

1.2.2 活动结构分解

活动结构分解是在时间逻辑上集成所有的关键因素，包含临时的里程碑和监控点，建立各子任务在时间轴上的前、后置关系图。上述典型任务的活动结构分解如图1所示。

图1 WBS活动结构分解

2 基于ADC模型的子任务效能评估

2.1 子任务设备结构模型

根据设备的工作原理、信息逻辑关系，建立各子任务的设备结构模型。建模原则：根据工作信号逻辑关系顺序，设备并行工作时为并联关系，串行工作则为串联关系，双机热备份的设备为并联关系。以重点关注无线电测控系统的设备结构分解为例，中心计算机、海航系统、船舶动力系统采用黑箱模型，火箭外测定轨任务的子任务设备结构模型如图2所示。

图2 火箭外测定轨子任务结构模型

2.2 基于ADC模型的子任务效能评估

子任务是由相对简单的设备子系统完成的，因此子任务的效能评估采用传统的ADC模型[4]为

E=A·D·C

(1)

式中：E为系统效能，是系统满足一组特定任务要求程度的度量；A为可用度向量，是开始执行任务时系统状态的度量；D为可信赖矩阵，是对系统在任务过程中t时刻的状态度量；C为固有能力向量，是已知系统在任务过程中t时刻状态的情况下，系统完成任务的概率。

1)可用度向量A

可根据设备串并联关系及各设备状态确定子任务系统的状态数，并对某些同类状态进行合并简化。假如一个串并联系统最终有n种状态，则其可用度向量为

A=[a1a2…an]

(2)

对于不同的子任务设备组成方式，其可用度向量的阶数不完全一样，计算可用度向量的关键点就是找出系统的不同状态数。

2)可信赖性矩阵D(t)

(3)

其中，dij(t)是系统初始状态处于状态i，在t时刻转移到状态j的概率。

D(t)的求解与转移概率矩阵P有很大关系，具体求解方法：首先确定系统的状态，构建系统的状态转移矩阵P；然后求解微分

(4)

式中：U=[PT-1]，PT是系统转移概率矩阵P的转置矩阵；q(t)是一列向量，它的每个元素qi(t)表示在时间t系统处于状态Xi的概率。将初始条件代入通解中，得到n个特解，写成矩阵形式得到系统的可信赖性矩阵D(t)

D(t)=[d1(t)d2(t) …dn(t)]T

(5)

3)能力向量C

C=[c1c2…cn]T

(6)

式中：cj(j=1,2,…，n)是系统在任务过程中t时刻处于状态j时完成任务的概率。

分析船载测控系统组成及所承担的任务，建立体现测控能力的示例评价指标体系。该指标体系分为多级，一级指标有船舶机动能力、气象保障能力、轨道测量能力、遥测遥控能力、数据处理能力、指挥显示能力、通信服务能力等。每个一级指标下还可分为二级、三级或更多的性能评价指标。建立评价指标体系后，对于每一个子任务能力向量C可采用AHP法进行计算。由专家打分给出每项性能指标下的指标值μ(Xi)以及相应的权重值ωi后,按理想点法进行综合评价计算。例如，如果某个子任务的设备状态可合并为状态完好、轻微受损、系统故障3种状态，则可给出系统在完好状态下的能力向量值

(7)

系统故障状态下的能力向量C3=0，轻微受损状态下的能力向量C2=1-C1[5]。

3 子任务动态权重计算及综合效能评估

3.1 子任务权重计算

采用WBS技术进行任务分解后，需要确定各子任务相对于总任务要求的权重，权重反映各子任务相互之间重要性的差异。本文采用AHP法计算子任务权重， 根据专家小组两两比较每个子任务对总任务的相对重要性，构建判断矩阵A；再通过求解判断矩阵的特征值得出子任务的权重向量ωi；最后，进行一致性检验。

(8)

式中：CR为判断矩阵随机一致性指标；λmax为判断矩阵A的最大特征值；RI为平均随机一致性指标，其随n取值的不同而变化；n为矩阵阶数。

3.2 子任务权重动态赋值及总效能计算

测量船执行测控任务具有鲜明的时变特性，船载测控系统的效能函数应是随时间变化的函数。为了体现效能函数与时间的关系，应该在每个时间点根据系统的不同状态计算该时刻的效能函数。例如，对于上述示例的19个子任务，每个子任务执行的起始时间是不同的。在效能评估的某个时间采样点不一定所有子任务都在执行，故需要根据采样点的子任务分布情况重新进行权重赋值。假设某个时间点ta落在m(m≤19)个子任务的时间区间内，即该时间点有m个子任务在执行，则该采样点各子任务的权重需按如下方法重新计算。ωi(i=1,2,…,m)为第i个子任务的原权重，新的子任务权重总和为

(9)

(10)

船载测控系统在该时间点的总效能为

(11)

式中：g(ta)为船载测控系统的总效能函数；fi(ta)为第i个子任务的效能函数。

4 基于WBS和AHP权重动态赋值的效能评估仿真

基于WBS和AHP权重动态赋值的总效能评估结果为周期时间内完成任务能力程度的概率曲线，完整评估步骤如下：

1)对总任务进行WBS分解，建立子任务结构模型。

2)根据各子任务的A、D、C矩阵，计算得到各子任务的效能函数曲线。

3)根据全部子任务起始时间的最小值和终止时间的最大值确定评估时间周期。

4)对于每一个评估采样时间点，依次判断该时间点是否落在各子任务的时间区间内。如果在子任务时间区间内，通过对应的系统效能函数计算该子任务在此时间点的效能值并读取该子任务的权重；反之，则跳过计算和读取过程。

5)按照采样点的子任务分布情况，根据式(9)～式(11)，对子任务权重进行重新赋值，并计算得到系统总效能函数曲线。

对于上述典型卫星测控任务示例，按照实时测控的短周期进行效能评估，时间周期从卫星发射前3 h准备到测量船实时测控任务结束。根据测控任务的规定时间要求以及关键测控事件的时间逻辑关系，确定各子任务的起始时间和终止时间，取所有子任务起始时间的最小值和所有终止时间的最大值，得到评估的采样时间区间。算例中，卫星发射t0前3 h为起始时间，即t0-3 h。测量船实时测控任务结束时间为评估终止时间。对于火箭主动段，测量船大约在起飞20 min后发现目标并开始测量，火箭外测和遥测时间约为10 min。因此，火箭测量任务起始时间设定t0+20 min，终止时间设定为t0+30 min，星箭分离后对卫星跟踪时间假设为15 min，跟踪结束时间设定为t0+45 min。

若评估仿真区间从火箭跟踪开始到卫星测控结束，即(t0+20 m)～(t0+45 m)，仿真采样步长为0.5 min，船载测控系统效能评估仿真曲线如图3所示。

图3 某次任务短周期效能评估仿真曲线

从评估结果的效能曲线可知，完成此次测控任务的程度概率大于0.79。在t=3min(即t0+23min)和t=5 min(即t0+25 min)时刻，总效能明显有所提高，此后又明显开始下降，说明在这两个时刻有效能较高的新的子任务开始执行，提高了系统的总体效能；在t=10.5 min时刻，总效能明显下降，说明在该时间点，有效能较高的子任务执行完毕，导致总体效能略微下降。根据效能曲线的变化情况，科研人员可以分析检查引起总效能降低的子任务所对应的设备状态，发现薄弱环节，为设备维护管理提供依据。

5 结束语

对于复杂大系统的效能评估，通过WBS分解可以降低评估对象模型的复杂度，对AHP法权重的动态赋值能充分体现效能函数的时变特性，克服了传统ADC效能量化模型的不足。本文建立的方法，不仅可应用于船载测控系统综合效能评估，为科研人员掌握测量船综合测控能力提供依据，也适用于其他复杂装备系统的效能评估。

[1] 贾 锦, 邓家褆, 何 恒. 系统工程中WBS建模与实现的研究[J]. 中国制造业信息化，2007,36(7): 5-9. Jia Jin, Deng Jiati, He Heng. Research on the process of resoruce allocation evaluation and system realization[J]. Manufacture Information Engineering of China, 2007, 36(7): 5-9.

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杨奕飞 女，1971年生，教授。研究方向为复杂系统评价、海洋工程装备自动化。

李少华 男，1987年生，硕士研究生。研究方向为系统效能评估。

戴跃伟 男，1962年生，教授。研究方向为网络与多媒体信息安全、系统评价。

A Study on Effectiveness Evaluation of Ship-borne TT & C System Based on WBS

YANG Yifei1,2，LI Shaohua2，DAI Yuewei1,2，KONG Jianshou1，LING Xiaodong3

(1. School of Automation, Nanjing University of Technology, Nanjing 210094, China) (2. School of Electronics and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China) (3. Joint Laboratory of Ocean-based Flight Vehicle Measurement and Control, Jiangying 214331, China)

A method of effectiveness evaluation based on WBS is proposed in this paper. According to the working principle, signal process and task requirement of ship-borne TT&C system, the model of work breakdown structure is established, and the activity structure decomposition model is established according to time logical order of subtasks. The evaluation of subtask effectiveness is based on ADC model. The weight of subtask is calculated using AHP method. Different subtask is executed on different time interval, the weight of subtask should be calculated dynamically on every point. The time function curve can describe dynamic change of the effectiveness. Finally，an application example is given, and the results show that the method is reasonable and effective.

TT&C system; effectiveness evaluation; work breakdown structure

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.09.003

飞行器海上测量与控制联合实验室开放基金资助项目(FORM2014OF003)

杨奕飞 Email：seayyf@163.com

2015-04-27

2015-07-21

TN956；N

A

1004-7859(2015)09-0013-05