基于TOPSIS算法的防空通信网络系统效能评估

陈汗龙，吴晓朝，赵明洋，聂文文

（中国洛阳电子装备试验中心，河南　洛阳　471003）

基于TOPSIS算法的防空通信网络系统效能评估

陈汗龙，吴晓朝，赵明洋，聂文文

（中国洛阳电子装备试验中心，河南洛阳471003）

简要分析了防空通信网络系统的主要任务，建立了防空通信网络系统的效能评估指标体系。提出了利用TOPSIS算法进行防空通信网络效能评估的方法，可根据影响通信网络系统效能的指标及权重，对不同组网方式下的防空通信网络系统效能进行评估。示例表明，利用TOPSIS算法可对防空通信网络效能进行评估排序，能够为指挥员的决策规划提供参考。

效能评估，防空通信网络，TOPSIS算法，评估指标

0　引言

防空通信网络系统，是防空指挥系统的神经与核心，是确保信息上传下达、指挥顺畅、指挥自动化的基础，要求能利用多种手段，构建无线通信网、卫星通信网、有线局域网等多种介质的网络，能迅速、准确、保密和不间断地将分散于不同空域、不同地域的人员装备串联起来［1］，为指挥员提供包括图像、语音、数据等信息的高速传输通道。

对防空通信网络系统的有效评估可为指挥员提供更科学统一的数据支撑、更合理可靠的决策参考。通常，防空指控通信系统的组网方式较多，且日渐成熟稳定，目前，对通信系统的效能评估相关研究主要有ADC效能模型、基于层次分析法与模糊聚类分析法、基于SEA评估等方法［1-2］，但上述方法要求数据基数多、信息量大、计算复杂且对防空通信网络系统，特别是不同组网方式下的防空通信网络系统效能评估研究较少，组网发起人往往不能及时掌握备选通信方案的优劣，难以做出最优的决策。本文针对上述问题，建立了防空通信网络系统的效能评估指标集，定义了各指标含义，提出了基于TOPSIS算法的防空通信网络系统效能评估方法，能够对不同组网方式下的防空通信网络系统效能进行分析和计算，对备选方案的优劣进行排序。

1　防空通信网络系统效能分析

1.1防空通信网络系统的基本任务

根据防空指控系统的战术技术特点，要求防空通信网络系统具备高效、可靠的指挥通信能力：能够保障指挥、协同动作、情报、武器系统控制和日常管理等信息的准确传递。主要区分为指挥通信、报告通信、协同通信、技术保障通信和后方通信，并具有接入战术互联网和数据链的能力，具备数字信号和模拟信号的互相转换功能。可根据信息传输的实时性、可靠性及通信网络状况，采用相应的网络和策略完成信息的按需传输，并按照不同的使用要求，灵活配置不同的通信网络，构建专网和通网并存、有线和无线混合组网的通信网络，实现系统指挥节点间的互联互通，为不同环境下指挥信息的传递提供合理的通信手段。

1.2防空通信网络系统的效能指标定义

效能是指在规定的条件下，使用一种产品或一种系统完成一组特定任务时所能达到预期目标的程度。在军事领域，效能是用来衡量某套军事装备或某次军事活动具有的能力和价值。美国工业界武器系统效能咨询委员会（WSEIAC）对系统效能给出的定义：系统效能是预期一个系统满足一组特定任务要求的程度量度，是系统可用性、可信性及固有能力的函数。GJB451对效能系统的定义是：系统在规定的条件下满足给定定量特征和服务要求的能力，它是系统可用性、可信性及固有能力的综合反映［3］。

在实际防空军事活动中，战场态势变化快，阵地转移频繁，大部分武器装备处于机动状态下，对指控通信网络的系统效能提出了很高的要求，影响其效能的因素也很多。根据系统效能的定义，对防空通信网络的功能与结构组成进行分析，按照可用性、可靠性与固有能力［4-5］3个方面，将它分为组网能力、空情通播能力、可靠性和数传能力4类。其中，组网能力和空情处理能力体现的是可用性；可靠性体现的是可信性；数传能力体现的是固有能力，如图1。

①组网能力；包含组网时间、网络容量和网络覆盖范围。平均组网时间（R1）：若构建完成一次该组网方式，消耗的时间为ti（单位：min），则R1=（t1+t2…+tn）/n，（n次试验取平均值，n≥10）；网络容量（R2）：通信网络所能支持的最大用户数；网络覆盖范围（R3）：结合有线、无线方式组成的防空通信指挥网络，在该组网条件下能达到的最大通信距离，R3=max（di），di为第i次通信距离（单位：km，i≥5）。

图1　防空通信网络系统效能指标集

②空情处理能力；包含空情通播能力，信息融合正确率。空情通播能力（M1）：该网络系统通播空情的最大通播能力，M1=nmax（单位：批/s）；信息融合正确率（M2）：对所属防空情报雷达空情信息进行融合，得到准确空情信息所占的比例。

③可靠性；包含通信系统稳定性、抗干扰能力和安全性3个方面。通信系统稳定性（S1）：在连续工作状态下，该通信方式无故障的时间（tk）/总时间（T）×100%，通常以连续工作时间（T=72 h）为单位进行测试；抗干扰性（S2）：是通信网络抵抗敌方利用电磁进行干扰及非敌方干扰的能力，体现系统在通信电子战中的生存能力；安全性（S3）：是指战术通信网络的防入侵能力、保密能力、真实性和恢复能力。其中，抗干扰性和安全性指标由相关领域的专家对其包含的指标进行量化，运用指标评分法（10分为满分）进行打分。

④数传能力；主要包含通信误帧率、传输时延、话音质量。数据通信误帧率（P1）；是单位时间内节点之间收发数据包成功的比率，是节点业务传输能力的体现，P1=（fs-fr）/fs×100%，fs为发送报文总帧数，fr为成功接收总帧数（fr取试验中最小值）；传输时延（P2）：是信息数据从发送方发出到接收方接收到的时间延时，综合体现了网络的接入时延、路由时延及信息处理时延；话音质量（P3）：由一组固定的试验人员进行话音通话，单次随机播报一组字符报文，以50个字符报文为单位，计算其接收报文的正确率，则P3=h/50×100%，（h接收方收到报文的正确数值）。

2　TOPSIS算法

2.1基本原理

TOPSIS（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution：逼近理想解排序法）法是系统工程中有限方案多目标决策分析的一种常用方法。方法的基本思路是：定义影响问题决策的评价属性（指标），分析并确定每项属性的权重（所有权重和为1），通过公式计算，在决策矩阵中找出该方案的正理想解和负理想解，然后在可行方案中找到一个方案，使其距正理想解的距离最近，而距负理想解的距离最远［2］。

正理想解一般是设想最好的方案，它所对应的各个属性至少达到各个方案中的最好值；负理想解是假定最坏的方案，其对应的各个属性至少不优于各个方案中的最劣值。方案排队的决策规则，是把实际可行解和正理想解与负理想解作比较，若某个可行解最靠近正理想解，同时又最远离负理想解，则此解是方案集的满意解。

2.2TOPSIS方法过程

假设一多属性决策问题有m个备选方案A1，A2，…，Am，同时有n个决策属性（指标）R1，R2，…，Rn，其评价值构成决策矩阵，如表1。

表1　评价决策矩阵

Step1：计算决策矩阵规范值。

Step2：计算加权规范决策矩阵。

其加权值为：

Step3：确定正理想解和负理想解。

Step4：计算某个方案与正理想解和负理想解的分离度。

Step5：计算备选方案与正理想解的相对接近度。

在诸多的多目标综合评价排序方法中，TOPSIS算法对原始数据的信息利用最为充分，其结果能精确地反映各评价方案之间的差距，且该算法对数据分布、样本含量及指标多少没有严格的限制，数据计算亦简单易行。不仅适合小样本资料，也适用于多评价对象、多指标的大样本资料。利用TOPSIS算法进行综合评价，可得出良好的可比性评价排序结果。

3　TOPSIS算法在防空通信网络效能评估中的应用

3.1评价体系的确立

假定：某防空通信网络系统，可根据实际需要，建立分层式多结构的网络指挥系统，具备接收上级和友邻单元的情报信息，接收本级、下级综合信息的能力，可根据所处环境和节点数量，灵活配置组网拓扑。主要列举其中3种不同组网方式的网络系统，对其进行效能评估，3种组网方案的基本属性如表2。首先通过对3种实例中不同组网方案的通信网络系统的效能指标集（依次为：组网时间、网络容量、网络覆盖范围、空情通播能力、信息融合正确率、稳定性、抗干扰性、安全性、通信误帧率、传输时延和话音质量，共11项）进行试验记录及测算，可得出每项效能指标量化后的具体数值（即各方案对应决策属性值）；然后对每项效能指标的重要性（即指标权重）运用层次分析法（AHP法），请有关专家对每一项评价指标进行客观的判断，得到各个评价指标之间的重要程度（即相对重要程度）的N×11判断矩阵，再用幂法求出它的判断矩阵的最大特征向量，将该特征向量规范化，得到符合规定的重要程度的权重向量系数［5］，通过计算，得出所对应的11项效能指标的权重系数（W）为：W=｛0.082，0.089，0.096，0.095，0.108，0.102，0.088，0.085，0.095，0.084，0.076｝，由上述两步，得出该防空通信网络效能评估的决策矩阵如下页表3所示。

表2　某防空通信网络组网拓扑结构方案

3.2利用TOPSIS算法对决策矩阵进行评估计算

由表1，得其决策矩阵：

表3　防空通信网络效能评估的决策矩阵

Step1：规范化决策矩阵，利用式（1）进行归一化处理：

例如，计算A1的通信组网时间归一化值，由公式得：

Step2：计算出加权规范决策矩阵，利用式（2）进行计算。

Step3：由式（3）、式（4）得到正、负理想解。

正理想解：

负理想解：

Step5：按式（7）计算各组网方式与正理想解的相对接近度。

根据相对接近度，对实例中不同组网方式下的防空通信网络系统依次进行排序：A3＞A1＞A2，由结果可知，通过利用TOPSIS算法对防空通信网络效能评估，备选方案3（A3）构建的防空通信网络系统为最优，组网发起人可参考上述排序结果，决策组网方案。此外，在实际应用中，还可把系统的机动性对通信系统的影响、装备生存性和系统维护成本等因素，纳入到系统效能评估的评价指标中。

4　结论

防空通信网络系统效能的分析和评估对通信方案的快速规划、决策和选择有重要参考价值。TOPSIS算法综合性强，易于实现，能提供给决策者全面、系统的数据支撑，同时对于防空通信网络的改进设计与部署、提高网络性能也有重要的意义。可在此基础上，同ADC方法、SEA方法和模糊综合评价等方法互相补充，形成一整套规范、完善的防空通信网络系统的效能评估方法。

［1］彭祥东.某部防空作战指挥系统的设计与实现［D］.重庆：重庆大学，2011：12-18.

［2］郭齐胜，郅志刚，杨瑞平.装备效能评估概论［M］.北京：国防工业出版社，2005.

［3］卢紫毅，范建华.基于层次分析法的战术通信网络效能评估［J］.现代电子技术，2011，34（1）：57-60.

［4］柏晓莉，罗雪山，柏晓辉，等.C4ISR系统通信网络效能评估指标体系研究［J］.军事运筹与系统工程，2006，20（1）：71-75.

［5］李健，王昆.C4ISR通信网络系统综合效能评估的灰色层次模型［J］.舰船电子对抗，2009，32（5）：81-84.

［6］刘俊娟.交通规划中基于TOPSIS和隶属函数的灰数决策模型［C］//2007第三届中国智能交通年会论文集.南京：东南大学出版社，2007：702-707.

TOPSIS-based Effectiveness Evaluation of Air Defense Communication Network System

CHEN Han-long，WU Xiao-chao，ZHAO Ming-yang，NIE Wen-wen
（Luoyang Electronic Equipment Test Center，Luoyang 471003，China）

The paper outlines the main operational tasks of air defense communication network systems，and establishes the effectiveness evaluation index system of air defense communication network system.A TOPSIS-based method is put forward to evaluate the effectiveness of air defense communication network systems which have different networking configurations，considering the impacting indexs and their weights.The case study demonstrated the proposed method can be used to evaluate different network configurations and support the decision-making.

effectiveness evaluation，airdefense communicationnetwork，TOPSISarithmetic，evaluation index

TP393；TJ85

A

1002-0640（2016）07-0140-04

2015-06-10

2015-07-12< class="content">作者简介：陈汉龙（1988-），男，重庆人，本科，助理工程师。研究方向：仿真指控系统，装备试验。

陈汉龙（1988-），男，重庆人，本科，助理工程师。研究方向：仿真指控系统，装备试验。