基于多层次建模的综合电子信息系统效能评估研究

肖双爱,吴 浩,王积鹏,李钦富

(中国电子科学研究院,北京 100041)



工程与应用

基于多层次建模的综合电子信息系统效能评估研究

肖双爱,吴 浩,王积鹏,李钦富

(中国电子科学研究院,北京 100041)

本文以综合电子信息系统效能评估为应用目的，研究开展系统效能评估的仿真试验环境构建以及层次化评估模型构建。针对综合电子信息系统多层次效能评估的需求，本文提出了综合仿真想定层次化描述、装备系统多粒度建模方法以及层次化评估建模技术的综合电子信息系统效能评估框架体系，并依此设计思路和方法实现了相应的仿真系统，可以对不同级别的综合电子信息系统进行效能评估。

信息系统；效能评估；多层次建模；仿真设计

0 引 言

综合电子信息系统是现代战争的兵力倍增器和作战部队粘合剂，如何认清综合电子信息系统在作战中的地位和作用，找出制约其效能发挥的因素，以提高自身和使用效能？即如何对其进行效能评估，一直是备受关注的问题[1-3]。且随着网络信息体系的发展，单装单平台的效能评估已不能满足装备体系在论证、研制、试验、作战使用研究等方面的需求，基于信息网络的多装、多平台系统整体效能评估需求也日益增强。

综合电子信息系统涉及指挥控制、情报侦察、预警探测、通信导航、电子对抗、综合保障等多个信息功能领域，涉及国家级、战区级、战术级等多级作战指挥层次，涉及总部、诸军兵种各种信息系统[1]。总之，它是一个由多级指挥、多层情报处理和多个基本作战单元构成的复杂体系，从不同的观察视角与研究重点出发，对体系的剪裁也不相同，系统效能评估也需要在不同层次上展开，要求建立系统不同层次或不同描述程度的模型。

要提高体系作战能力，电子信息系统整体能力和效能的发挥是关键，因此迫切需要开展综合电子信息系统体系级效能评估及仿真试验。同时为提高综合电子信息系统各领域能力，促进其装备发展，综合电子信息系统级和装备级效能评估与仿真仍需深入研究。由此，本文针对综合电子信息系统体系级/系统级/装备级评估三个层次，进行了相应仿真建模技术研究。

1 多层次建模技术研究

1.1 仿真建模研究

为适应满足体系级、系统级以及装备级等多层次评估仿真需求，本文采用了层次化描述方法来表征仿真想定实体及其关系。仿真实体层级关系描述包括编队号、平台号、搭载电子设备/搭载导弹武器、设备号等信息。具体仿真实体属性描述包括平台属性、设备属性和武器属性等三个方面：平台实体属性描述信息包括实体号、搭载平台、属性、类型、名称、型号、状态、所属编组等；设备实体属性描述信息包括实体号、类型、名称、型号、工作状态、工作参数等；武器实体属性描述信息包括实体号、类型、名称、型号、数量等。仿真时通过加载不同层级仿真实体的想定，可支撑不同层次评估需求。

综合电子信息系统体系级评估仿真以各功能领域系统模型为基础，进行推演试验。领域系统模型包括指控系统仿真模型、预警侦察系统模型、雷达对抗系统仿真模型、通信对抗系统仿真模型、武器系统仿真模型等等。各功能领域系统建模以体现描述系统对体系的能力贡献、与其它系统的信息关联等为主要内容。例如指控系统体系级仿真模型，主要进行作战计划制定、作战任务分配、作战命令下达等功能与流程仿真，而不关心不同层级指挥系统之间的信息流动。

系统级效能评估仿真以各功能领域系统装备模型为基础，进行推演试验。各功能领域系统装备建模以体现描述装备功能及外特征、与其它装备系统的关联为主要内容。例如雷达对抗系统级模型，主要进行某雷达对抗装备对抗能力、雷达对抗效果的功能仿真。

装备级效能评估仿真以各功能领域系统装备的主要功能设备模型为基础，进行仿真模拟。功能设备建模以系统装备主要组成、主要功能及主要信息流程为仿真对象，对其进行抽象描述。例如雷达装备模型，主要进行天线扫描、搜索探测、跟踪识别、点迹处理等功能的模拟与仿真。

1.2 评估建模研究

1.2.1 层次化评估模型结构

文献[5]将武器装备体系划分为体系级、平台级、装备级、关键技术级，并建立了不同层次的作战能力评估模型。本文参考借鉴其思想方法，根据综合电子信息系统及其应用特点，针对体系级/系统级/装备级不同层次的评估与仿真试验，建立了综合电子信息系统层次化仿真评估模型(具体见图1)。包括体系效能评估、系统效能评估和装备效能评估三个层级模型，每个层级建模都从评估指标体系和评估算法两个方面进行。考虑评估对象不同和试验目的不同，采用可编辑可定制方式进行构建评估指标体系和评估算法模型，并研发相应的模型软件支撑工具。各层级之间指标体系采用自顶向下分解方式，评估计算结果采用自下而上汇总方式。即体系级效能评估根据具体体系评估指标，将其要素逐一分解落实到系统级效能评估中；系统级效能评估根据具体系统评估指标，再将其要素逐一分解落实到装备级效能评估中。而评估结果则是由装备级效能评估计算后结果报送给系统级，系统级效能评估综合计算后结果再上报给体系级，体系级再综合各系统级报送结果进行综合评估。

图1 综合电子信息系统层次化评估模型

1.2.2 模型算法研究

(a)体系效能评估模型算法

以综合电子战系统评估为具体应用，考虑电子对抗系统和指挥控制系统效能构成综合电子信息系统整体综合效能，见图2。

图2 综合电子战效能评估指标层次模型

分析建立综合电子信息系统整体综合效能和各组成要素系统效能的关系：

(1)

Esos:体系效能，Ecounter：电子对抗系统效能，Ec2指控系统效能，f：电子对抗与指控效能之间的关系函数。

其中电子对抗系统效能包括雷达对抗、通信对抗两部分，即：

(2)

ERc：雷达对抗效能，EComc：通信对抗效能。

(b)系统评估模型算法

指控系统效能评估从情报处理能力、态势感知能力和指挥控制能力三个方面进行评估，即：

(3)

Einfo：情报处理能力，Esense：态势感知能力，Ecc：指挥控制能力。

(4)

Range：情报处理范围，dT：情报处理时间,g1: 关系函数。

(5)

L:情报连续性，Q：情报准确性，g2:关系函数。

(6)

Tc：决策时间，Eff：指控有效性，g3: 关系函数。

雷达对抗从雷达对抗方干扰效能与雷达方探测两个角度进行效能评估，具体计算：

(7)

ERjam：雷达干扰效能，ERdect：雷达探测效能。

通信对抗从通信信号侦察和通信干扰对抗两个方面进行评估，具体计算：

(8)

EComdect：通信探测效能，EComjam：通信干扰效能。

(c)装备效能评估模型算法

装备效能评估主要是各装备根据使命任务对其能力和效能进行评估计算，包括情报处理范围、情报处理时间、情报连续性、情报准确性、决策时间、指控有效性、雷达干扰效能、雷达探测效能、通信干扰效能、通信探测效能等参数指标的具体计算和评估，这里就不再一一详述。

2 系统设计与实现

2.1 系统架构

基于多层次建模的综合电子信息系统效能评估系统总体架构如图3所示。其中仿真环境是典型复杂巨系统的体系对抗仿真环境，是一个多粒度模型并存的分布式仿真系统，支持体系级、系统级和装备级效能评估及仿真试验，由多层次仿真模型以及仿真运行支撑组成。

图3 系统总体架构示意图

多层次仿真模型部分包括指挥控制、武器系统、电子对抗、预警侦查、通信网络等专业领域系统级/装备级/设备级组件模型、仿真软件以及相应效能评估模型软件，这些领域模型可根据实际评估任务需要进行变换和调整。指控系统仿真模型和评估软件，主要完成指挥控制系统的模拟仿真和效能计算；武器系统评估主要完成打击武器系统的模拟仿真和打击效果计算；电子对抗系统仿真主要完成雷达对抗和通信对抗系统及装备的模拟仿真；预警侦察系统效能评估主要完成预警侦察装备的效能计算和系统仿真；通信网络系统效能评估主要完成通信网络装备效能计算和系统仿真。这些领域仿真系统可独立运行，开展系统级和装备级效能评估试验；也可与其他系统协作参与大系统运行，开展体系级效能评估试验。

仿真运行支撑部分主要包括仿真集成平台、想定规划、运行控制、综合显示、体系评估等主要功能软件。体系仿真集成平台是支撑体系评估仿真运行的平台软件，实现仿真系统数据传输、系统集成等。系统想定规划软件是支撑开展系统效能评估仿真试验的想定规划工具，主要是研究利用人机交互手段，方便快捷地将文本想定剧本转化为能够驱动仿真系统运行的电子想定数据。系统运行控制软件主要是控制仿真运行过程，并将想定中设定的场景实时地演示出来。综合显示软件主要是将系统整个运行过程以直观、形象的方式展示给用户。体系综合评估软件支持在线评估和事后评估两种方式，在线评估通过数据采集得到实时数据并存入数据库，事后评估能从数据库中提取历史数据，在专家系统辅助下，对体系效能进行分析与评估。

2.2 运行使用

基于多层次建模的综合电子信息系统效能评估系统运行使用流程见图4所示，具体包括：

a)运行前准备：用户根据使用需求及需要提出军事和仿真想定，利用想定规划软件制作产生各种电子想定文件，存储在想定数据库中。

b)系统运行控制

1)系统使用控制人员启动各仿真成员软件，例如指控系统仿真与评估、电子对抗系统仿真与评估、预警侦察效能仿真、通信网络效能仿真、武器系统仿真与评估、综合显示、体系评估、运行控制等软件，选择加载效能评估试验想定；

2)系统使用控制人员通过运行控制软件对系统进行初始化，对仿真成员进行仿真对时、想定分发；

3)各仿真成员准备就绪后，运行控制操作人员下达仿真开始命令，系统开始运行后，监视控制系统运行情况；

4)如有想定调整变更需要，系统使用控制人员根据想定变更要求进行想定调整，并将调整信息分发给相应仿真成员。

5)试验完成后，系统使用控制人员下达仿真结束指令，可以准备下次试验。

c)系统评估

1)实时评估：仿真运行过程中，所有试验数据存入试验数据库；同时，各系统将实时评估所需信息发送给体系评估软件，可以进行体系实时评估；

2)事后评估：仿真结束后，系统评估软件根据试验数据对试验进行数据分析和事后评估，并将评估结果存入评估数据库，进行效能事后分析评估。

图4 仿真运行流程示意图

2.3 应用案例

以某一热点问题为应用背景，设计编制仿真试验想定，依托本效能评估仿真系统软件，开展相关仿真试验，进行了综合电子信息系统体系级和系统级效能评估。试验结果示意见图5。

图5 体系级效能评估仿真试验结果示意

4 结 语

本文结合信息系统装备发展对效能评估的需求，在系统仿真建模、评估建模方面开展了技术研究，构建了具备体系/系统/装备三个层次仿真评估能力的综合电子信息系统仿真环境，并以某一热点问题为假想背景进行了实践应用。但是综合电子信息系统效能评估仿真是一项复杂工程，涉及范围广，本文研究只是冰山一角，旨在为开展信息系统效能评估和仿真提供一种思路和方法，后续在多尺度模型切换、评估模型算法等方面，仍需深入研究。

[1] 童志鹏,刘兴,等编著. 综合电子信息系统—信息化战争的中流砥柱[M]. 北京：国防工业出版社，2008.

[2] 赵虎,牛晓博. 综合电子信息系统效能评估研究综述[J]. 舰船电子工程，2011,31(7).

[3] 李孟军,邓宏钟谭跃进. 基于复杂性理论的综合电子信息系统作战效能评估方法[J]. 系统工程，2006,24(1).

[4] 和立永,逄东,李璇. 军事电子信息系统建模与仿真技术的研究. 科技资讯，2007 ，NO.15

[5] 郑建华黎放狄鹏孙浩.海军武器装备体系作战能力评估模型研究[J]. 武汉理工大学学报，2009,31(2)

Research on Effectiveness Evaluation of Integrated Electronic Information System Based on Multi-level Modeling

XIAO Shuang-ai, WU Hao, WANG Ji-peng, LI Qin-fu

(China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China)

This paper studies simulation environment Construction and Multi-level modeling for the applied purpose of evaluating integrated electronic information system. In view of the multiple level evaluation requirement of integrated electronic information system, this paper presents comprehensive simulation scenario hierarchical description, equipment system multi granularity modeling method and the hierarchical evaluation modeling technology of integrated electronic information system, and based on this design concept completes the corresponding simulation system, it can be applied to evaluate the distinct information system.

Information System；Effectiveness Evaluation；Multi-level Modeling；Simulation Design

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.03.007

2017-04-01

2017-06-10

TP311.52

A

1673-5692(2017)03-257-05

肖双爱(1977—),女，河北人，高级工程师，主要研究方向为系统仿真建模、多传感器数据融合、算法研究等；

E-mail：xiaoshuangai@sina.com

吴 浩(1982—),男，四川人，高级工程师，主要研究方向为系统仿真建模、仿真系统开发等；

王积鹏(1959—),男，山东人，研究员高级工程师，主要研究方向为信息系统与仿真技术等；

李钦富(1969—),男，山东人，研究员高级工程师，主要研究方向为综合电子信息系统总体设计、系统仿真建模、多传感器数据融合等。