一种改进的空管系统效能评估算法

霍永华，昌汉明，于建，杨红伟

(1．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081; 2．西安电子科技大学，陕西 西安 710071; 3．河北民族师范学院，河北 石家庄 067000; 4．北华航天工业学院 河北 廊坊 065000)

一种改进的空管系统效能评估算法

霍永华1，昌汉明2，于建3，杨红伟4

(1．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081; 2．西安电子科技大学，陕西 西安 710071; 3．河北民族师范学院，河北 石家庄 067000; 4．北华航天工业学院 河北 廊坊 065000)

针对空管系统，提出一种效能评估算法，研究了空管系统效能评估指标体系，包括性能影响、故障影响、安全影响、风险影响和容量影响等方面，每一方面包含不同的指标参数。选择模糊综合评判法进行评估，重点研究了权重系数确定方法，通过引入模糊数学方法改进层次分析模型，体现评估指标的模糊性和一致性原则。最后通过实例说明某空管系统在特定应用场景下的效能评估。

空管系统；效能评估；效能指标；权重系数；层次分析法

0 引言

空管系统［1，2］作为航空领域的一个重要子系统，是实施空域管理和流量管理，提供空中交通服务并保障飞行安全，实现高效航空运输的统称。其安全性和可靠性成为航空飞行安全的关键。因此及时准确地掌握空管系统的综合运行情况，对于保证航空运输效安全可靠运行具有非常重要的意义。

系统效能评估［4］是对系统的标称能力与实际能力匹配程度的全面评估。通过对空管系统进行效能评估，可以量化系统标称能力与实际能力的匹配程度，发现系统现状与实际使用需求之间的差距。这些量化后得到的差距数据就可以为系统需求的改进和后续系统的规划、设计、运行、管理和维护提供有力的理论基础。

但是目前空管系统的效能评估尚处在起步阶段，尚未建立空管系统验证评估机制。缺少评估指标体系，缺乏验证手段保证系统功能和性能达到要求．只有建立科学的评估指标体系，才能保证对空管系统进行科学的效能评估，提高空管系统正常运行概率。

1 空管系统效能评估

1.1 效能评估内容

空管系统效能评估通常包括3个基本内容:

①首先是定义系统效能参数，并选择合理的效能度量指标;②其次是根据给定的条件，计算效能指标的值;③最后是进行多指标效能的综合评价，即由诸效能参数的指标值求出效能综合评价。

1.2 指标体系选取原则

为了保证空管系统效能评估的有效性和完整性，效能评估指标［3，4］体系的建立要遵循以下几个原则:

①目的性:所选指标能够为网络管理提供支撑，有利于及时、全面、准确、科学地把握空管系统的运行效能;

②完整性:所选指标要能组成一个完整的指标体系，不能遗漏重要的指标;

③独立性:所选指标必须相对独立，同一层次的各项指标必须不重叠，不存在横向的因果关系，应独立的反映评估对象的一个侧面;

④可测试性:所选指标应便于测算，指标尽量都可以用数量直接描述，对于无法定量描述的指标，可以用模糊方法量化处理;

⑤一致性:所选指标数据要一致，对于一些不一致的数量值，在评估之前要进行归一化处理，使指标在同一准则下保持一致。

1.3 指标体系确定

空管系统综合评估指标体系［5］要素包括性能评估、故障影响评估、风险评估、容量评估和安全评估等方面。根据不同空管系统的特点，从指标体系中提取不同的要素或者设置权重，建立不同的评估指标体系模型。

①性能评估指标:效能评估指标包括信息获取能力、间隔保持能力、管制指挥能力和辅助决策能力。信息获取能力包括监视、飞行数据、航行情报、气象等信息的获取。间隔保持能力包括碰撞风险和告警能力(冲突告警和违规告警、最低安全高度告警、危险天气告警、流量容量负载告警和一致性告警)。管制指挥能力包括地空话音覆盖范围、畅通率、地空报文覆盖范围和时延和管制移交等。辅助决策能力包括飞行计划预先调配、冲突调配建议以及危险避让提示;

②故障评估指标:故障影响评估主要评估系统设备中某些模块或部件出现故障后对系统设备性能以及提供服务的影响。包括性能、功能和管制服务3个方面，如ATC系统故障、监控模块故障和LDP故障等;

③风险评估指标:风险是指用危险的可能性和严重性表示发生事件的可能程度，风险分为内在和外在两种印度，外在因素包括人员因素、误操作、病毒、外网攻击和自然灾害;内在因素涉及软硬件故障、平台选型和通信线路等。风险评估从政治因素、人员因素、自然灾害、供应商资信、国产化程度、系统可靠性/可用性/可维修性和信息安全等方面进行评估;

④容量评估指标:容量评估主要指在各种工作模式下系统的实际处理能力，在保证飞行安全管制间隔的情况下对空域容量和交通流量的影响。如在全系统工作方式、降级工作方式和旁路工作方式能情形下，按照航路、终端区和进离场等间隔标准，得出管辖范围内的空域容量和交通流量及其使用效率;

⑤安全评估指标:安全评估包括设备安全、信息安全、环境安全和管理安全。设备安全评估包括设备冗余备份、备品备件、数据备份、防病毒以及人员维护水平。信息安全评估指系统设备输入输出信息是否正确，如雷达信息是否会出现丢批和重批现象，ADS－B信息是否正确等，环境安全评估包括机房供电、温度、湿度、接地、防雷、防火、防水和防电磁干扰等。

2 空管系统效能评估方法

由1．3节可知，空管系统效能指标有5个方面大能力，其中每个评估方面又有细分的能力。由于单个评估指标只反映了对空管系统效能的一个方面，通过单个指标来评估空管系统综合效能是不全面的。因此采用指标体系中的多个指标来综合评估空管系统的效能。

模糊综合评判法［6，7］是对受多种因素影响的事物在模糊环境下做出一个总体综合评价，全面评价的一种十分有效的多因素决策方法，因此采用模糊综合评判法进行效能评估。

2.1 评估步骤

步骤1:首先把要评估的指标层次系列化，按照指标之间的相互影响和隶属关系将其分层聚类组合，形成一个递阶、有序的层次结构模型。即建立基本因素集U={u1，u2，u3，…un}和下一级因素集:

如果有第三层因素指标，则继续进行分解，即:

步骤2:建立评价集，评价集V={V1，V2，…Vm}是评判者对评判对象可能作出的各种总的评判结果的集合。β={β1，β2，…，βm}T是相对于评价集V的评分档次。例如可以设定评价集为V={好，较好，一般，差，较差}，相应地设定评分档次β= {100，85，70，50，30}T。

步骤3:确定权重，对模型中每一层次因素的相对重要性进行定量表示，再利用层析分析方法确定每一层次全部因素相对重要性次序的权值。

假设需要排列n个元素的相对重要程度，采用两两比较判断的方式确定每一层次中因素的相对重要性，即比较2个元素i和j，确定2个值ωi、ωj，引入1～9比率标度，ωi、ωj的确定依据如下原则:(假定ωj的相对值为1)

①当元素i和j同等重要时，ωi=ωj=1;

②当元素i比元素j略微重要时，ωi=3;

③当元素i比元素j重要时，ωi=5;

④当元素i比元素j很重要时，ωi=7;

⑤当元素i比元素j绝对重要时，ωi=9;

ωi=2，4，6，8是介于上述情况的中间取值。

步骤4:进行单因素评判，建立模糊关系矩阵R (rij)，分级计算因素集中各因素对评价集中各因素的隶属度rij，得到与u1，u2，un对应的单因素评判矩阵R1，R2，…，Rn，

步骤5:模糊综合评判，综合评判向量可由下式计算:

2.2 改进的权重系数确定方法

在2.1节所述的步骤3中，使用最大特征根法［8］求解层次分析模型中各要素权重的过程中，存在如下2个问题:

①影响空管系统的某些因素是模糊的，因而空管系统的评价是具有模糊性的，而成对比较矩阵没有体现该特性;

②检查成对比较矩阵是否具有一致性需要相当的计算复杂度，当成对比较矩阵具有不一致性时需要调整成对比较矩阵的元素，使其具有一致性，尤其是当高层的成对比较矩阵出现不一致时，往往需要回溯到低层的成对比较矩阵进行调整，以使其具有一致性，这使得算法的时间开销比较大。通过引入模糊数学方法来改进层次分析模型以求解决上述两方面的问题，这里给出一种具体的方法作为示例，以期给出一种改进方向。

使用模糊判断矩阵替代层次分析法中的成对比较矩阵。设元素a1，a2，…a3两两比较重要程度的模糊判断矩阵表示为:

元素a1，a2，…a3的权重分别为ω1，ω2，…ωn，rik的大小是元素ai比ak重要的重要程度的度量，rik= f(wi－wk);rik＞0．5表示ai比ak重要，反之rik＜0．5，则表示ak比ai重要。1－rik表示ai不比ak重要的隶属度，而ak比ai重要的隶属度为rki，故rki=1－rik，即R是模糊互补矩阵。当i=k时，有rii=0．5，也就是元素同自身进行重要性比较时，重要性隶属度为0．5。可以证明f(·)是连续的，并根据Weirstrassd定理使用多项式p(x)对f(·)进行了拟合，最后给出了形如:

的表达式，式中，0＜α≤0．5，α是人们对所感知对象的差异程度的一种度量，但同评价对象个数和差异程度有关，当评价的个数或差异程度较大时，α值可以取得大一些。另外，决策者还可以通过调整α的大小，求出若干个不同的权重向量，再从中选择一个自己认为比较满意的权重向量。采用式(1)定义的rik，当模糊判断矩阵R不是一致的时候，式(1)中等号不严格成立，这时可采用最小二乘法求权重向量，即求解如下的非线性规划问题:

由拉格朗日乘子法知，式(2)所示的约束规划问题等价于式(3)所示的无约束规划问题:

式中，λ为Laggrange乘子。将L(ω，λ)关于ωi的偏导数，并令其为零，得n个代数方程组成的方程组:

解此方程组，即可求得权重向量:ω=［ω1，ω2，…，ωn］T。

3 实例验证

以一个航行任务实例进行验证，实例中航行任务要求空管系统实时监视所管设备的运行情况，及时发现网络运行故障，迅速定位故障。根据任务要求，需要空管系统具有较强的实时性强和较高的可靠性。因此需要实时采集数据，重点评估空管系统的实时性和可靠性指标。

根据任务需求，确定评估指标体系，实时性体现在故障影响方面，包括模块故障和告警能力，模块故障包括ATC系统故障、监控模块故障，告警能力包括冲突告警、违规告警、最低安全高度告警、危险天气告警、流量容量负载告警和一致性告警，可靠性体现在误操作、病毒、外网攻击、软硬件故障和通信线路等方面。

首先确定第一层评估因素集:U={u1，u2，u3，…un}，即实时性和可靠性。

将第一层因素进行分解，得到第二层因素集。即评估指标分解为ATC系统故障、监控模块故障、冲突告警、违规告警、最低安全高度告警、危险天气告警、流量容量负载告警和一致性告警:

采用模糊数学和层次分析法相结合，确定权重系数，监控模块、违规告警、流量容量负载告警和一致性告警对于实时性的影响更加严重，权重系数为:

ω={ω1，ω2，ω3，ω4，ω5，ω6，ω7，ω8}={0．187 5，0．062 5，0．187 5，0．062 5，0．187 5，0．187 5，0．062 5，0．062 5}，即为实时性因素集所对应的权重值。

同理求出可靠性因素所对应的权重系数，求出第一层因素所对应的权重系数，最后进行模糊综合评判:

最后计算得到某空管系统效能评估为0．898。

评估结果表明该空管系统具有较好的效能，同时也表明该空管系统能实时监控被管网络运行状态，及时定位网络故障。

4 结束语

研究总结了空管系统的效能评估因素，从性能、故障、风险、容量和安全等方面总结了影响因素，针对层次分析法中确定评价矩阵不能体现模糊和一致性的问题，引入模糊数学改进层次分析模型，以体现评估的模糊性和一致，使得评估更加科学和准确。

［1］RydstromB L．Software Fault Content and Reliability Estimations for Telecommunications System[J]．IEEE Trans．Selected Areas in Communications，1990，8(2):262－271．

［2］Thomas D，Anthony S．Evaluating the Performance id Software Reliability Models[J]．IEEE Trans．Reliability，1992，41(4):12－16．

［3］李冬，宋里宏，王璐．战场网络攻击效能分析[J]．网络安全技术与应用，2007(3):78－80．

［4］Zahedi F，Ashrafi N．Software Reliability Allocation Based on Structure Utility，Price and Cost[J]．IEEE Trans．Software Eng，1991，17(21):345－356．

［5］杨红娃．战场网络攻击效能评估技术[J]．通信对抗，2006(1):21－28．

［6］胡国庆，霍永华．网管软件可靠性评估方法[J]．无线电工程，2012，42(6):48－51．

［7］陈平．空管系统设备评估及指标体系．指挥信息系统与技术，2011(3):10－13．．

［8］万健，李楠，李琦．空中交通管理系统安全评价研究[J]．北京航空航天大学学报:社会科学版，2011，24(1):89－92．

An Improved Efficiency Evaluation Algorithm of Air Traffic Control Management System

HUO Yong-hua1，CHANG Han-ming2，YU Jian3，YANG Hong-wei4
(1．The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China; 2．Xidian University，Xi＇an Shaanxi 710071，China;3．Hebei National Teacher-training，Shijiazhuang Hebei 067000，China; 4．North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang Hebei 065000，China)

Aiming at air traffic control system，an efficiency evaluation algorithm is put forward．The efficiency evaluation index system is studied，including such aspects as performance effect，fault effect，security effect，risk effect and capacity effect，each of them contains different index parameters．The fuzzy comprehensive judgement is selected for evaluation．The definition method of weight coefficient is studied．The priciple of fuzzition and consistency of evaluation indexes is realized by introducing fuzzy maths and improving analytic hierarchy process model．Finally，the efficiency evaluation on air traffic control management system is illustrated in specific application scene．

ATC;efficiency evaluation;efficiency indexes;weight coefficient;analytic hierarchy process

TP393

A

1003－3114(2015)05－67－4

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.18

霍永华，昌汉明，于建，等．一种改进的空管系统效能评估算法［J］．无线电通信技术，2015，41(5):67－70．

2015－05－11

国防基础科研计划基金项目资助

霍永华(1977—)，女，高级工程师，主要研究方向:通信网络管理。齐忠杰(1968—)，研究员，主要研究方向:通信与交换机。