舰艇编队融合通信网效能评估方法研究*

赵玉鹏 吴学智

(1.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)(2.91336部队 秦皇岛 066326)



舰艇编队融合通信网效能评估方法研究*

赵玉鹏1，2吴学智1

(1.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)(2.91336部队 秦皇岛 066326)

为更好地了解和发挥舰艇编队通信网络效能，通过对融合通信网的结构和关键要素分析，提出了运用网络层次分析法思想建立效能评估指标体系，综合指标因素相对权重和分组赋权专家评分进行效能评估的方法。其中相对指标权重和效能评估数据对舰艇编队通信网融合发展和综合评价具有支持和指导意义。

融合； 通信网； 效能评估

Class Number TP391.9

1 引言

随着美军“网络中心战”思想的不断发展，该思想指导下的军事设施逐步投入并发挥作用[1]，通过最近几次战争和非战争军事活动可以清楚地认识到，未来战争中作战效能将越来越依赖网络效能的发挥。

舰艇编队的移动性决定了其舰外通信必须由无线通信网承载。海上舰艇编队与岸基指挥所、友邻编队通信一般使用卫星通信系统和短波电台组网，与编队内舰艇、飞机通信则使用超短波电台和数据链[2]。当前，不断加强通信系统“三互”(互连互通互操作)能力是舰艇编队通信网络的主要发展趋势之一[3]，短波通信、超短波通信、卫星通信融合成一体的信息交换平台，将大大提升舰艇编队协同作战能力，彰显信息化条件下融合网络的信息优势和决策优势，为打赢现代海战提供有力支持。我军舰艇编队通信网在融合方面的研究和建设起步较晚，为更好的了解其能力和不足，服务和推进发展，对其效能评估的研究也刻不容缓[4]。

2 效能评估

在生产制造活动中，通常追求的是获得的收效，而在围绕军事装备或系统的活动中称之为效能，用以体现其所具有的价值或完成某些任务的能力。

对于效能，目前并没有一个统一的标准定义。美国海军定义为：“系统能在规定条件下和规定时间内完成规定任务之程度的指标”或“系统在规定条件下和在规定时间内满足作战需求的概率”；我国军用标准GJB451-2005《可靠性维修性和保障性术语》中的定义是：“系统在规定的条件下和规定的时间内满足一组特定任务要求的程度”[5]。

2.1 评估对象

以某舰艇编队为例，假设该编队由三艘水面舰艇、两架舰载直升机编成。舰艇编队通信网的使命任务是在编队执行海上作战任务期间，为编队内的水面舰艇、飞机等作战平台，以及与其他编队、岸基指挥所之间提供指挥和通信联络。并且该舰艇编队通信网内传统上的短波通信网、超短波通信网、卫星通信网等网系已通过特定多网网关和互联控制设备[6]等实现了各层次的融合。网系融合的舰艇编队通信网(下文简称编队通信网)基本结构示意如图1，其中实线、虚线、点线分别代表卫星、超短波、短波链路。

图1 某编队通信网络结构示意图

2.2 评估要素分析

通信网络的评估离不开网络性能的测量，目的是了解网络运行的状态和性能参数，并依据相关标准开展网络有效性、可靠性等方面的分析和评估。同时，作为舰艇编队“神经系统”的通信网在战争中时刻面临着多方面的安全威胁，其生存性、安全保密性也至关重要。

1) 有效性

编队通信网是承载海上舰艇编队执行任务的话音、报文、数据等通信业务的基础网络，其性能指标和运行质量将直接影响各项业务的有效性。同时，能否有效保障各项业务也是检验各项指标是否满足业务需求的表征。所以有效性是评估编队通信网效能基础性的一环。

衡量编队通信网的有效性，主要考查包括带宽、时延、覆盖范围和吞吐量在内的各指标满足话音、报文、数据等各业务需求的情况，反映通信网络最基本的业务能力。

2) 可靠性

作为海上的移动军事通信网，对可靠性的高要求自然不可忽视。在现代军事对抗中，对制信息权的争夺尤为激烈，在日益复杂的电磁环境中，各种侦查、干扰手段不断发展进步，所以对通信系统可靠性的要求也日益提高。可靠性指标主要包括误码率、信噪比、抗干扰能力等指标。这里的抗干扰能力包括抵抗人为和非人为电磁干扰的能力。

3) 安全保密性

军事活动永远离不开的一个课题就是安全保密，历史上各国由信息安全导致严重后果的例子屡见不鲜。在计算机和信息网络技术大发展的当代，安全保密面临的挑战更加严峻，一旦出现问题危害更加严重，影响更加深远，所以安全保密必须作为舰艇编队通信网效能的关键要素来考察。

安全保密主要包括通信保密和网络安全两个方面[7]。由于海上舰艇编队通信依靠无线通信方式，通信信道开放，信息易受到如截获、检测等安全威胁，通信保密能力主要体现在信息加密、频率管控等方面，反映防范信息安全威胁的能力；网络安全与网络性能息息相关，一旦网络安全受到威胁，其性能将可能急剧恶化甚至网络瘫痪。它主要反映的是信息网络抵御入侵、病毒代码等危害的能力，为整个网络信息安全提供保障。

4) 生存性

编队通信网面临的威胁既可能来自电磁空间的对抗，也可能来自硬武器打击，所以生存性包括抗毁性、冗余度、可维性和互联互通等方面的指标。抗毁性表征网络节点在状态异常或遭到攻击等造成失效的情况下，通信网络保持基本功能的能力；保持适当的冗余度可以有效提高编队通信网络的健壮性、稳定性，也是平衡网络性能与频带利用率以及经济性的一个重要方面；互联互通性则表示军事通信网系之间或与民用网系之间的互联互通能力，对于在对抗中形成信息优势具有十分重大的意义。

2.3 评估指标体系构建

按照完备性、客观性、定性与定量相结合等原则，根据评估要素分析初步构建出舰艇编队融合通信网效能评估指标体系，如图2所示。

3 评估方法

根据上文分析，编队通信网的效能评估是考察一个由众多指标和因素共同构成的相互联系、相互作用的大系统。每一个指标反映了总体效能的一个方面，而要考量整体效能就要将这些指标综合起来考量，由此就要涉及各项指标因素的权重问题，即各个指标在评估体系中的作用、地位以及重要程度。

图2 舰艇编队融合通信网效能评估指标体系

无论科学如何发展、技术如何进步，作为主体的人的因素永远都是最关键的因素，而且评估体系也已包含了带宽、时延等客观定量指标，所以这里选择一种主观赋权法来确定各指标因素的权重。

3.1 网络层次分析法

层次分析法(AHP)以其定性与定量相结合的特点以及系统、灵活、简洁的优点，自提出以来得到了十分广泛的应用。1996年，美国匹兹堡大学T.L.Satty教授基于复杂系统必须考虑层次内部元素的依存和下层元素对上层元素反馈影响的思考，提出了AHP的延伸版，即网络层次分析法(Analytic Network Process，ANP)[8]。这种方法将系统内各个元素的关系用类似网络结构表示，而不再是简单的、严格的层次结构，从而能更准确的描述客观事物之间的联系，是一种更加有效、实用的评估决策方法，故综合考虑ANP法较AHP的方法更适合本次评估。

3.2 ANP结构与权重计算

ANP结构由两大部分组成，控制因素层和网络层。控制因素层包括问题目标和评估准则，至少要有一个目标并允许没有评估准则，存在的评估准则要彼此独立且只受目标元素支配；网络层是由受控制层支配的元素组成，这里需要考量各元素之间的相互作用和依存关系，而不再是简单的层次递进关系，所以这里的层级结构演变为如图3所示的ANP结构模型[9]。

图3 舰艇编队融合通信网效能评估ANP结构

由于ANP的权重计算是包括矩阵、超矩阵等的一系列非常复杂的计算过程，可以采用将ANP计算程序化的超级决策(Super Decisions)软件进行评估计算[10]。根据界定好的评估准则，按照比例标度经过专家的判断，针对目标将元素集之间和元素之间凡是存在依存和反馈关系则逐一比较，构成两两对比矩阵。依据上述输入，软件可以构造超矩阵、加权超矩阵、极限超矩阵，最终可得到各因素的相对权重：

W=(w1,w2,…,wn)T

3.3 指标值的处理

指标可以分为定性指标和定量指标两种，并且常表现出不可公度性和矛盾性的特点，因而各指标值不能直接参与综合计算。定性指标主要通过专家定性评判打分的方法获得，定量指标可以通过实验统计、实际测量等方法获得。

定性指标采取专家咨询的方式，利用量化标尺量化法，请受咨询专家根据自己的知识和经验对定性指标做出判断。心理学家试验表明，普通人对不同物体进行判别时能够正确区别的等级在5到9级之间。这里采用9个量化级别，把定性评判语言值通过一个量化标尺映射为定量值，如表1所示。0和1这样的极端值在现实评判中通常不考虑。

表1 定性指标量化标尺

另外，若评估专家来自不同方面或不同领域，给出的评判对能够得到准确的评估结果的贡献也不尽相同，因此其评判分值在效能评估中的权重也应该不同。这里可根据专业领域、专业地位、从业经验、知识水平以及在本次评估中的可靠程度(判决矩阵离散程度)等，分为若干组并适当赋予不同权重，最后通过加权平均法取得指标。若各专家重要性等同则采取等权方式处理。

在定量指标的处理上，主要解决无公度和对抗性不同的问题。无公度即各指标量纲不同不便于比较；对抗性不同是指有些指标越大越优，有些指标则越小越优，或者在某一区间内为优等。定量指标的规范化主要通过一定的数学变换(如极差变换法等)把指标值变换为可以共同综合处理的量化值，一般变换到[0,1]范围内。

3.4 评价结果的计算

在获得了各个指标的相对权重和最终评价值后，通过两者乘积可计算出最终评价分值，该分值的语言评判等级可参照表1的量化标尺，若多种方案评估则分值最大者为最优。

最终效能值计算：

E=(w1,w2,…,wn)(v1,v2,…,vn)T,i∈(1,n)

wi为指标i的综合权重，vi为指标i的综合评分。

3.5 评估的应用

通过分析研究评估过程中得到各因素和指标的综合权重，可以很直观地了解整个通信网内各因素和指标对整体效能的作用和影响，对更好的发挥编队通信网络效能具有指导意义；同时，综合权重关系和各指标值运算得到的效能评估值和结论，可用于效能评估验证和多方案决策的辅助评判。

4 结语

舰艇编队融合通信网相对传统通信网结构更加复杂，功能更加多元，应用更加广泛，各因素关联也更加紧密，采用网络层次分析法充分考虑评估要素的依存和下层对上层反馈的影响，能够更准确的描述客观因素之间的联系，效能评估体系更加科学和全面。通过运算可以得到内部各因素相对权重排序，对整体效能提升具有一定指导意义。同时，最终的效能值和评判结论也可以为方案验证和评估决策提供参考和数据支持。

[1] 李达.美海军部队网发展及启示[J].信息通信,2015,147:119-120.

[2] 张宝宇,郝威,陈迪.舰艇编队远程通信保障系统研究[J].舰船电子工程,2013,33(1):14-15.

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[4] 梁文伟.基于自组网的战术通信网的互联技术[D].广州:华南理工大学,2012:17-20.

[5] 张杰,唐宏,苏凯,等.效能评估方法研究[M].北京:国防工业出版社,2009:1-9.

[6] 阎瑾,美军战术互联网体系架构研究[J].通信技术,2011,44(9):105-107.

[7] 杨柳,张宁.卫星话音通信网运行质量指标体系研究与评估[J].通信技术,2014,47(3):286-289.

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Effectiveness Evaluation Method of Integrated Communication Network for Warship Formation

ZHAO Yupeng1，2WU Xuezhi1

(1.College of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033)(2.No.91336 Troops of PLA，Qinhuangdao 066326)

In order to learn more about integrated communication network for warship formation and make it play a more important role, a kind of effectiveness evaluation index system based on analytic network process is created by analyzing network structure and key factors. It has thought over relative weights of index factors and grouping weights of evaluation specialists. The relative weights of index factors and resulting data of effectiveness evaluation could play a supporting and instructional role in developing of communication network for warship formation.

integration, communication network, effectiveness evaluation

2016年5月13日,

2016年6月19日

赵玉鹏，男，硕士研究生，研究方向：军事通信网组网与管理。吴学智，男，副教授，研究方向：信息网络技术，军事通信网络。

TP391.9

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.015