基于层次分析法的战术通信网络效能评估
摘 要：为了评估战术通信网络在复杂战场环境中的综合效能，采用系统科学中常用的层次分析法(AHP)对战术通信网络效能进行层次化分析，并依据系统效能的定义，从可用性、可信性与固有能力三个方面提出了战术通信网络效能层析结构模型，最后通过对两种战术通信网络波形的评估，验证了层次分析法在战术通信网络效能评估领域的科学性。
关键词：层次分析法； 战术通信网络； 效能； 评估
中图分类号：TN915-37文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2011)01-0057-04
Effectiveness Evaluation of Tactical Communication Network Based on AHP
LU Zi-yi, FAN Jian-hua
(The 63rd Research Institute of the PLA General Staff Headquarters, Nanjing 210007, China)
Abstract： To evaluate the comprehensive effectiveness of tactical communication network in a complex environment, the commonly used analytic hierarchy process (AHP) is adapted to make a hierarchical analysis on the effectiveness of tactical communication network. According to the definition of system effectiveness, a hierarchy model of tactical communication network effectiveness is proposed from the availability, dependability and capability. Finally, two waveforms of tactical communication network are evaluated to verify the scientificity of AHP used in the field of effectiveness evaluation of tactical communication network.
Keywords： AHP; tactical communication network; effectiveness; evaluation
随着“网络中心战”趋势的日益形成，未来战争中作战效能越来越取决于网络效能的发挥。战术通信网络性能的优劣将直接影响着作战效能，由于战场环境受电磁干扰、地形和天气等因素的影响而发生变化，战术通信网络的性能也呈现随机性和不确定性，如何分析确定在复杂环境中战术通信网络的综合效能是否满足作战使用需求和保底通信需求是至关重要的。因此，作为一个系统工程，战术通信网络效能评估对于评估和改进战术通信网络效能具有重要意义［1］。
1 战术通信网络效能分析
效能是指在一定的条件下，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。在军事研究领域，效能是用来体现军事装备或军事活动所具有的能力和价值，是研制、改进、规划、配置军事装备的基本依据，是评估军事装备优劣程度的综合性指标。效能评估理论是军事运筹学的基本研究内容和主要应用理论［2］。
美国工业界武器系统效能咨询委员会(WSEIAC)对系统效能给出了定义：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、可信性与固有能力的函数。GJB451对系统效能的定义是：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。
根据系统效能的定义，对战术通信网络效能的分析也主要从系统可用性、可信性与固有能力三个方面入手［3］，分为组网能力、可靠性和数传能力三类。其中，组网能力体现的是网络的可用性;可靠性体现的是网络的可信性;数传能力体现的是网络的固有能力。
1.1 组网能力
战术通信网络组网能力主要反映的是网络的可用性，主要包含网络覆盖范围、网络容量和用户入网时间三个方面。网络覆盖范围是指战术通信网络所能覆盖的通信范围；网络容量是指通信网络所能支持的最大用户数；用户入网时间是指网络节点在提交入网请求到能够与网内用户进行正式通信的时延。
1.2 可靠性
战术通信网络可靠性主要反映的是网络的可信性，主要包含抗毁能力、抗干扰能力和安全性三个方面。抗毁能力主要是指网络节点在发生自然失效或遭受故意攻击条件下网络维持其功能的能力［4-5］,体现的是网络的抗打击能力；抗干扰能力是指通信网络抵抗敌方利用电磁能进行干扰以及非敌方干扰的能力，体现的是通信网络在通信电子战中的生存能力；安全性是指战术通信网络保证信息的可用性、机密性、真实性和完整性的能力。
1.3 数传能力
战术通信网络数传能力主要反映的是网络的固有能力，主要包含吞吐量、时延和交付率三方面。吞吐量是单位时间内节点之间成功传输的无差错数据量［6］，是节点业务传输能力的体现，是在某种特定应用环境下，节点所能承载的最大传输载荷；传输时延是指业务数据从发送方发出到接收方接收到的时间延时，是网络的接入时延、路由时延以及信息处理时延的综合体现；交付率是指发送方用户数据的数据包成功到达接收方的比率，体现的是用户数据的传输可靠性。
2 基于层次分析法的战术通信网络效能评估
2.1 层次分析法
层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是20世纪70年代由美国著名运筹学家萨蒂(Saaty)最早提出的一种简便、灵活而又实用的多因素评价决策法。由于AHP在解决多因素决策问题方面具有比其他方法更简便实用的特点，因而被广泛采用。层次分析法是一种定性分析与定量分析相结合、系统化、层次化的多因素决策分析方法，这种方法将决策者的经验判断进行量化，在目标结构复杂且缺乏必要数据的情况下使用非常方便［7-8］。我国从80年代初开始引进该方法，现已在能源政策分析、产业结构研究、科技成果评价、发展战略规划、人才考核评价、军事作战指挥等方面得到了广泛的应用。
层次分析法的基本原理是：通过分析问题的性质和所要达到的目标，将问题划分成各个组成因素，并按照支配关系形成递阶的层次结构，通过两两比较的方式确定各因素之间的相对权重，然后依次逐层进行综合计算，最终得到总目标的效能值。
采用层次分析法进行评估的基本流程如图1所示，主要包括以下内容：
(1) 建立层次结构模型；
(2) 对各层要素进行两两比较，构造判决矩阵，并对判决矩阵的一致性进行检验，若检验不能通过，则需要重新调整判决矩阵；
(3) 一致性检验通过后，求解判决矩阵的最大特征向量，最大特征向量反映的就是各要素的权重；
(4) 对各层的指标进行测试与量化；
(5) 综合计算，得出总效能值。
下面按照层次分析法的基本流程对战术通信网络的效能进行评估。
图1 层次分析法的基本流程
2.2 建立层次结构模型
建立层次结构模型是在深入分析实际问题的基础上，将有关的各个因素按照不同属性自上而下地分解成若干个层次，同一层的因素从属于上一层的因素，同时又支配下一层的因素。
前面已经对战术通信网络效能进行了分析，并建立了战术通信网络指标体系的层次结构模型，如图2所示。
图2 战术通信网络效能层次结构模型
战术通信网络效能层次结构模型由三层构成，其中最上层为目标层，是指解决问题所要达到的目标;下面两层是准则层，又称要素层，是指针对目标所应该考虑的各项准则或要素。准则层可以分为多层，其中最下层又可称为指标层。建立层次结构模型是非常关键的一步，要有主要决策者和相关领域专家参与进行。
2.3 构造判决矩阵
在建立好层次结构模型之后，下一步就是构造各层次的判决矩阵。判决矩阵是层次分析法的基本信息，也是计算各要素权重的重要依据，是层次分析法的核心。方法是将各层中的所有要素进行两两比较，比较要素之间的相对重要程度，构成判决矩阵。通常采用“1~9”尺度对相对重要程度进行衡量［9］。“1~9”尺度是指采用数字1~9以及它们的倒数来表示两个要素之间的重要程度［2］，如表1所示。
采用“1~9”尺度构造战术通信网络的判决矩阵，如图3所示。
2.4 一致性检验
为了检验判决矩阵构造得是否合理，需要对判决矩阵进行一致性检验，即计算矩阵的一致性指标CI和检验系数CR，如下：
CI=（λmax－n)/(n－1)(1)
CR=CI/RI(2)
式中：λmax为矩阵的最大特征值；n为矩阵阶数；RI为平均随机一致性指标。
表1 “1~9”尺度
相对重要程度定义解释
1同等重要目标i和j同样重要
3略微重要目标i比j略微重要
5相当重要目标i比j重要
7明显重要目标i比j明显重要
9绝对重要目标i比j绝对重要
2，4，6，8介于两重要程度之间
各数的倒数两目标反过来比较
图3 战术通信网络效能判决矩阵
平均随机一致性指标是根据足够多的随机判决矩阵计算的一致性指标的平均值。表2给出确切的值。
表2 平均随机一致性指标
n123456789…
RI000.580.891.121.261.361.411.46…
一般的，当CR<0.1时认为判决矩阵具有满意的一致性，否则，需要重新调整判决矩阵。
对于上述三个判决矩阵，运用式(1)和式(2)进行一致性检验，对于矩阵MA，CI=0.026 8，RI=0.58，CR=0.046 2<0.1;对于矩阵MD，CI=0.004 6，RI=0.58，CR=0.007 9<0.1;对于矩阵MC，CI=0.004 6，RI=0.58，CR=0.007 9<0.1;对于上一层判决矩阵ME，CI=0.004 6，RI=0.58，CR=0.007 9<0.1。四个矩阵都具有满意的一致性，因此认为，判决矩阵构造合理。
分别计算三个矩阵最大特征值对应的特征向量，三个特征向量反映的就是各层要素的权重，如图4所示。
分析上面的权重向量，如图5所示。可以看出，对于组网能力，网络容量具有最大权重，用户入网时间次之，网络覆盖范围权重最小；对于可靠性，抗干扰能力具有最大权重，安全性次之，抗毁能力权重最小；对于数传能力，吞吐量占有最大权重，交付率次之，传输时延权重最小。然而对于综合效能来说，数传能力占有最大权重，组网能力次之，可靠性具有最小权重。
图4 权重向量
图5 战术通信网络效能权重分配
2.5 指标量化和归一化
指标可以分为定量型指标和定性型指标。定量型指标指的是可以通过一个确切的值来表征该项指标的能力，如吞吐量、传输时延等。定性型指标是指不便于用确切的值来表示的指标，如抗毁能力、安全性等。
对于定性型指标的量化处理，可以通过专家评判的方式进行等级划分，每一个等级通过一个归一化值进行表示。表3列举了两种专家评判量化方式。
表3 专家评判归一化方式举例
专家评判方式 1专家评判方式 2
优秀：0.9
良好：0.8
基本合格：0.7
合格：0.6
不合格：0.5好：0.9
中：0.7
差：0.5
定量型指标的实际值可以通过计算机仿真法、概率统计法等进行测试，由于指标值的大小不同、单位不同、级差不同，影响评估的合理性和有效性，因此还需要进行归一化处理。对于定量型指标，通常又分为效益型指标和成本型指标。对于效益型指标，实际值越大，则归一化值越大;对于成本性指标,则是实际值越大，归一化值越小。
简单起见，这里采用线性递增和线性递减两种模型来分别描述效益型指标和成本型指标。除了线性模型外，还有很多非线性模型，如正态模型、三角函数、指数分布、经验曲线等，非线性模型一般在需要比较高的精确度的时候使用，由于非线性模型构造起来比较困难，如果构造不合理，效果未必好于线性模型，线性模型由于其简单、直观的特点还是得到了大量的应用［2］。线性递增和线性递减模型的归一化方式如图6所示。图中，Vmax，Vmin分别表示理论最大、最小值。
图6 线性递增和线性递减模型的归一化
2.6 综合评估
得到了各要素的权重和归一化值之后，就可以进行综合评估了，评估算法为：
E=VTW(3)
式中：E为某一层次的综合效能值;
V为对应层次的指标值向量;
W为对应层次的权重向量。
综合评估采用逐层综合的方式，首先对各指标层进行综合，得到上一层的评估值，继而逐步对各层进行综合，最终得到总目标的评估值。
2.7 实例分析
根据需要对两种战术通信网络波形的效能进行评估比较，波形一为某型VHF抗干扰通信波形，采用跳频抗干扰方式；波形二为某型UHF抗干扰通信波形，采用直接序列扩频抗干扰方式。通过计算机仿真、专家评判等方式对两种波形进行指标测试和归一化处理后得到两种波形的指标值向量，如图7,图8所示。
图7 波形一的归一化指标值向量
图8 波形二的归一化指标值向量
运用式(3)对两种战术通信网络波形进行综合评估，得出最终评估结果，E1=0.804 05，E2=0.810 35，由此可见，波形二的网络综合效能比波形一更优。
对上述结果进行分析可以看出，两种波形在各项指标上均有优劣，波形一是基于VHF的抗干扰通信波形，在网络覆盖范围、抗干扰能力和交付率方面略强，而波形二是基于UHF的抗干扰通信波形，在网络容量、用户入网时间，吞吐量、时延方面略强。波形二由于在数传能力上具有更多的优势，而数传能力在整个综合效能中所占的比重较大，因此，发挥的综合效能应该更大，理论分析与实际计算结果相符。
3 结 语
现代战争正快速向网络化方向发展，网络中心战是机械化战争形态向信息化战争形态演变过程中的一个重要标志。世界各国陆续成立了网络司令部，标志着军事战略转型已朝着网络中心战的方向迈出了实质性的一步。网络中心战的成败极大地依赖于网络协议的优势发挥、网络传输性能的好坏以及网络的安全性能。由于受各类因素的影响，战术通信网络的性能呈现随机性和不确定性，因此如何评估战术通信网络在某一特定战场环境下网络性能的发挥情况，对于指导作战部署、业务分配具有重要意义，同时通过对战术通信网络的性能进行评估，对于改进设计与部署，以及提高网络性能也具有重要的意义。
参 考 文 献
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作者简介： 卢紫毅 男，1977年出生，江西吉安人，硕士，工程师。主要研究方向为软件无线电、无线自组网和通信装备模块化。
范建华 男，1971年出生，安徽歙县人，博士，高级工程师。主要研究方向为软件无线电、通信装备模块化。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
