复杂航空通信网络用频需求分析方法*

徐雪飞，李建华，郭蓉，沈迪

(空军工程大学 信息与导航学院，陕西 西安　710077)



指挥控制与通信

复杂航空通信网络用频需求分析方法*

徐雪飞，李建华，郭蓉，沈迪

(空军工程大学 信息与导航学院，陕西 西安710077)

摘要：针对传统航空通信用频需求分析方法偏主观、考察因素单一的问题。根据复杂航空通信网络用频理论技术和特点要求，提出了一种基于AD/QFD的复杂航空通信网络用频需求分析模型；以用户满意度为测度对复杂航空通信网络用频需求进行分析，运用AD/QFD理论对用频任务需求向能力需求进行映射变换和层级分解；最后，通过算例对用频需求分析模型进行了实验验证，得出有效的需求分析结论，为复杂航空通信网络频谱管控提供需求保证。

关键词：复杂航空通信网络；用频需求分析；AD/QFD；满意度；映射变换；层级分解

0引言

体系作战是以信息系统为支撑的联合作战高级阶段，是未来信息化战争的基本作战形式。在体系作战中，航空作战活动形式多样，作战力量构成复杂多元，作战力量之间的用频关系复杂多变。因此，开展航空通信用频需求研究，全面地进行航空通信用频需求获取，科学地构建航空通信用频需求分析模型，系统地归纳总结出航空通信用频需求结论，对于体系作战条件复杂航空通信网络用频具有极强的现实指导意义。

需求分析是系统生命周期的第1个阶段，是研究系统中复杂关系和要素的关键。现阶段，基于公理化设计和质量功能展开[1-4](axiomatic design/quality function deployment, AD/QFD)的需求分析方法被运用到需求分析中。其中，文献[5]将AD理论引入可在轨组装飞行器的总体设计，给出了一种基于功能需求的结构化设计方法；文献[6]建立了基于AD的产品需求分析过程模型，并运用QFD将用户需求到功能要求的映射具体化；文献[7]以QFD中HOQ矩阵为纲领，提出一种软件需求定量分析和实现方法；文献[8]提出顾客柔性需求的概念以及QFD决策模型，并基于QFD决策模型分别提出两种目标规划的求解方法；文献[9]提出一种基于AD和TRIZ的保障装备体系需求分析方法，并对渡海登岛战役进行了实例分析；文献[10]针对舰艇装备需求分析中装备需求问题，提出了一种基于QFD和作战仿真的定性与定量相结合的舰般装备需求分析方法和步骤，对舰艇装备作战使用性能重要度进行排序；文献[11]提出一种面向任务需求的导弹测试性指标确定方法，并提出导弹各任务剖面各个阶段的测试需求子模型，最后通过实例验证得到可信的导弹测试性指标；文献[12]研究了作战信息需求的概念，需求分析流程及描述方法，提出了作战信息需求的概念模型、逻辑模型和过程模模型，为作战信息需求研究奠定基础。基于此，本文结合体系作战基本要求，运用AD/QFD理论对复杂航空通信网络用频需求展开分析研究，通过建立基于AD/QFD需求分析模型，从更加科学系统的角度对复杂航空通信网络用频需求进行分析论证，为未来体系作战条件下航空通信频谱管控提供保证。

1AD/QFD理论和建模方法

1.1AD/QFD理论基础

AD将需求设计分为4个域，即用户域(customer attributes, CAs)，功能域(functional requirements, FRs)，物理域(design parameters, DPs)，工序域(process variables, PVs)。相对应的，QFD将需求设计分为4个方面，即任务(tasks)，能力(capabilities)，指标(indexes)，装备(equipments)。基于AD/QFD结合理论，主要原理是以AD理论为论证主线，根据用户需求之间的映射关系构建需求分析矩阵。使需求论证过程一方面按照QFD的要求进行需求映射，另一方面又将需求有关信息反馈给QFD，应用QFD进行新的需求映射，从而不断改进需求方案，最终到达需求方案的最优化。AD/QFD映射关系如图1所示。

图1　AD/QFD映射关系Fig.1　Mapping relationship of AD/QF

1.2AD/QFD需求模型构建方法

构建基于AD/QFD需求模型主要完成3方面内容：

一是需求信息的获取。通过有效的需求获取方法，将需求信息进行系统采集，并通过需求能力缝隙的方式进行表达，形成结构化的需求描述框架；

二是从任务需求到能力需求的映射。完成需求获取之后，根据需求能力缝隙，以AD理论为需求主线，以QFD为具体方法对需求映射关系进行变换，并以需求分析矩阵形式对其进行表示，最后通过相关矩阵分析方法进行分析，形成需求分析结论；

三是需求分析结论的验证。完成需求分析形成结论之后，运用一定的评估方法对结论进行评估，反馈和完善需求分析模型。

具体AD/QFD需求分析流程如图2所示。

图2　AD/QFD需求分析基本流程Fig.2　Basic flow of AD/QFD demand analysis

1.3AD/QFD需求映射设计公理

在运用AD/QFD对需求进行映射分解的过程中，需要通过设计公理[13]对需求映射分解进行优劣评判。

公理1独立性公理

独立性公理是指保持功能的独立性，即在功能域中每一层分解得到的功能需求集合中的元素要相互独立；同样的，在任务需求域中每一层进行层级分解所得到的任务需求子集也满足相互独立的关系，可以表示为

FR=A·DP,

(1)

式中：FR=(FR1,FR2,…,FRn)T，DP=(DP1,DP2,…,DPn)T，A为设计矩阵，当A为对角矩阵或者三角矩阵时，层级分解满足独立性公理。

公理2信息公理

信息公理是指满足独立性公理的条件下，信息量最小的设计是最优设计。满足需求的设计方案有多种，信息公理为指挥决策提供了定量的计算和度量方法，可以表示为

Ii=lb 1/Pi,

(2)

式中：Ii为信息量；Pi为满足功能需求的概率密度函数。

2复杂航空通信网络用频需求模型构建

2.1域的定义

基于AD/QFD将复杂航空通信网络用频需求从4个方面进行定义：

定义1：用频任务域(frequency tasks， FTs)是指由用频任务概念空间映射出的用频任务需求组成的集合。设用频任务总共有T0种，按照用频任务颗粒度可分为个S0层次，则用频任务集合记为

(3)

式中：β为用频任务颗粒度值。

定义2：用频能力域(frequency capabilities， FCs)是指满足用频任务需求集合的用频能力需求集合，包括实效性、抗干扰性、保密性等指标。设用频能力总共有C0种，按照用频能力颗粒度可分为个D0层次，则用频任务集合记为

(4)

式中：γ为用频能力颗粒度值。

定义3：用频指标域(frequency indexes， FIs)是指满足用频能力需求集合的用频各项战技指标的集合。设用频指标总共有I0种，按照用频使命从顶层至底层颗粒度可分为个K0个层次，则用频使命集合记为

(5)

式中：α为用频使命从顶层至底层颗粒度值。

定义4：用频装备域(frequency equipments， FEs)是指满足用频能力需求，设计和运用的装备，包括各类通信装备、频管装备等以及由这些装备组成的网络和系统。设用频装备总共有E0种，按照用频装备颗粒度可分为个F0层次，则用频装备集合记为

(6)

式中：θ为用频装备颗粒度值。

2.2域的映射变换

假设已经完成航空通信用频需求获取，根据航空通信用频涉及的关键理论和技术环节[14-15]，将FTs从体系化频谱管理理论角度进行层级分解，将FCs从体系化频谱管理技术角度进行层级分解，FTs与FCs之间通过映射关系进行关联，如图3所示。具体的，FTs与FCs的层级分解如图4所示。

2.3映射变换数学表达

FTs向FCs的映射变换从内涵角度可以解释为能力需求RC对任务需求RT的满意程度，即

(7)

将S进一步分解为每一项能力需求rci对任务需求rti满意度之和，即

图3　FTs向FCs映射变换示意图Fig.3　Transform and map from FTs to FCs

图4　FTs与FCs的层级分解Fig.4　Hierarchical decomposition of FTs and FCs

(8)

式中：W为任务需求RT的权重向量。

在基于AD/QFD的需求模型中，某个任务需求rti又可以看作是每项能力特征值Ii对其满足的结果，故rti可以进一步表示为

(9)

式中：Ii为能力特征值；rij为任务需求与能力需求的相关系数。因为rij表示的是任务需求RT与能力特征值Ii之间的相关程度，故rij可以表示为

(10)

式中：aij为未考虑能力自相关的相关系数；pjk为能力的自相关系数。故rij可以进一步表示为

R=A·PT=AP.

(11)

综合式(5)～(9)可得

(12)

将式(12)化简可得

S=WTRI,

(13)

(14)

3算例验证

假定用频任务T0={T1,T2,T3,T4}，用频能力C0={C1,C2,C3}，依据现阶段体系作战条件下复杂航空通信网络用频现状和规律，用频任务重要度排序为T3>T4>T2>T1，利用AHP方法表示出用频任务需求的重要度判断矩阵，对重要度判断矩阵进行求解，得出任务需求权重向量为

依据航空通信用频任务需求和能力需求之间的满足程度，通过专家系统确定各种任务和能力之间需求的强弱关系，建立用频任务与能力需求关系矩阵，如表1所示。其中，对矩阵中符号△，○，◎，●分别赋值1，3，6，9，表示任务需求与能力需求之间的递增强弱关系。

表1　用频任务需求与能力需求关系矩阵

从用频任务需求与能力需求关系矩阵中可以得出用频任务需求与能力需求之间的相关矩阵R为

同理可得用频指标自相关矩阵A为

由修正关系可得用频任务需求与能力需求之间的修正相关矩阵R′=AR，故可得R′为

最后，由式(13)、式(14)可计算出满意度S为

按照数值大小对满意度S进行排序S3>S1>S2。显然，用频能力C3对于用频任务的满意度最高，用频能力C1对于用频任务的满意度次之，用频能力C2对于用频任务的满意度最低。所以在本算例条件下，要对用频能力C2进行优先提升，通过提升频率分配指配相关技术，达到全面提升用频任务满意度的结果。这进一步从现实角度对复杂航空通信网络用频需求进行了启示，即在技术和资源有限的条件下，提升复杂航空通信网络用频能力存在明显层级优先级别，要优先提升薄弱环节，才能提升航空通信用频任务的满意度。

4结束语

本文对体系作战条件下的复杂航空通信网络用频需求进行研究。构建了基于AD/QFD的复杂航空通信网络用频需求分析模型，将复杂航空通信网络用频任务需求进行层级映射和分解，运用满意度对任务需求和能力需求之间的关系进行度量，并对其进行数学描述和表达，形成了定量的需求分析方法，有效地支撑了军事需求分析的发展。但是，本文提出的基于AD/QFD的复杂航空通信网络用频需求分析模型受到实际作战条件下不确定因素的影响，对于相关任务和能力的界定范围还不够客观全面。下一步应着力对模型进行优化完善，提升模型的普适性。

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Analysis Method of Complex Aeronautical Communication Network Frequency Demand

XU Xue-fei, LI Jian-hua, GUO Rong, SHEN Di

(AFEU,Information and Navigation College,Shaanxi Xi’an 710077, China)

Abstract:Aiming at the problem that traditional aeronautical communication frequency demand analysis tends to be subjective and have a single factor study, a complex aeronautical communication network frequency demand analysis model based on AD/QFD is given according to the theoretical technology and characteristics of the complex aeronautical communication network frequency demand. The complex aeronautical communication network frequency demand is analyzed by using the measurement of customer satisfaction. According to the AD/QFD theory, the frequency task requirement is transformed and mapped to the capacity requirement and a hierarchical decomposition is given. Lastly, frequency demand analysis model is experimental confirmed via an example. Efficient demand conclusions confirming the frequency control in complex aeronautical communication network are obtained.

Key words:complex aeronautical communication network; frequency demand analysis; axiomatic design/quality function deployment(AD/QFD); satisfaction; transformed and mapped; hierarchical decomposition

*收稿日期：2014-11-21；修回日期：2015-04-30

基金项目：国家社科基金资助项目(12GJ003-130)

作者简介：徐雪飞(1986-)，男，陕西西安人。博士生，主要研究方向为频谱管理控制与规划运用。

通信地址：710077西安丰镐路1号空军工程大学信息与导航学院E-mail：xxf19861128@sina.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.02.017

中图分类号：E96

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2016)-02-0103-06