多平臺航電系統綜合可信度度量方案研究

鄒 巖,陶秋子,張少卿,林 川,陳佳潤,王亞卓,趙爽宇,韓光潔

1(沈陽飛機設計研究所,沈陽 110035)

2(大連理工大學 軟件學院,遼寧 大連 116620)

3(東北大學 軟件學院,沈陽 110169)

4(河海大學 物聯網工程學院,江蘇 常州 213022)

0 引 言

為了適應現代信息化戰場環境,空戰模式正在由傳統的單平臺作戰向新型的多平臺作戰發展[1],通過多機編隊,綜合戰場信息,實現協同作戰[2].多平臺航電系統作為多平臺作戰的基礎,可能由于偶然故障或者敵方入侵而產生錯誤信息,進而影響作戰結果[3],因此,評估多平臺航電系統的可信度對于作戰至關重要[4,5].通過多平臺航電系統的可信度評估,可以判斷整個系統過去以及目前的狀態并預測未來的狀態[6],找出那些不可用或不可信的平臺并對其進行處理,進而保障作戰任務的順利進行[7].

多平臺航電系統的可信度,描述多平臺航電系統這個整體按照預期執行某一項作戰使命任務的可信完成程度[8].因此,對多平臺航電系統可信度的建模應該包括兩個方面:一是衡量多平臺航電系統的軟硬件屬性,滿足該作戰使命任務需求程度的任務支撐度.二是衡量多平臺航電系統持續可靠運行程度的系統可靠性.目前,有文獻[9,10]對多平臺航電系統的任務支撐度進行了研究,將多平臺航電系統滿足特定作戰任務需求的程度建模為貢獻率或者效能,通過對作戰任務進行分析,構建層次化指標,基于粒子群優化算法進行評估.但是,這些研究只關注了多平臺航電系統滿足特定作戰任務需求的程度,而忽視了多平臺航電系統自身的可靠性.只有在確保多平臺航電系統是可靠的情況下,即運算、通信等結果都是可靠的,多平臺航電系統的執行結果才是有效的,才能確保多平臺航電系統對作戰任務需求的滿足程度是如實的并且能夠按照預期執行,因此,需要對多平臺航電系統的系統可靠性進行研究,構建更完善的指標體系.本文在前人文章的基礎上構建了符合多各不同飛行任務的層次化指標體系,使整個體系能符合不同作戰任務的基本衡量要求,在針對不同作戰任務時,只需要改變權值即可符合不同作戰需求的衡量標準,使指標體系有更曠闊的應用范圍.

綜合任務支撐度和系統可靠性,多平臺航電系統可信度能夠對多平臺航電系統過去和當前狀態進行評估以及對未來狀態進行預測,它是與具體的作戰使命任務密切相關的,因此,單純依靠系統信息無法準確決策,還需要作戰專家的輔助決策.引入專家打分法[11],與層次分析法相結合[12,13],可以對指標重要程度進行更準確的判斷,并且賦予專家對多平臺航電系統可信度評估以更多的可操作性[14].由于傳統的層次分析法無法描述專家的偏好[15],因此利用改進的概率語言層次分析法[16],允許專家概率性地表達其偏好信息,從而更符合決策問題的復雜性和不確定性.本文相比其他同類文獻更注重指標的內部關系及個體的獨立性,將每個不同的指標都賦予了不同的值,這樣不但更好的反映出指標的重要程度,同時反映了不同聯系的指標對平臺信任值的影響.

本文針對多平臺航電系統,構建層次化多平臺航電系統架構,將多平臺航電系統劃分為多個分布式控制管理平面;構建基于系統可靠性和任務支撐度的多平臺航電系統可信度評估架構,所涉及的指標共有52個之多;在此基礎上,引入專家打分法和模糊層次分析法,以此來對多航電平臺系統的可信度進行綜合全面的評估.

1 層次化多平臺航電系統架構

如圖1所示,本文將多平臺航電系統抽象為一個層次化多平臺系統.每架飛機的航電系統由若干個子系統組成,每個子系統又包含有多個子模塊.在此基礎上,利用無線航空網絡和航空電子網絡實現整個系統內的信息交互,其中,無線航空網絡連接航空編隊內多個航空平臺,航空電子網絡連接單個航空平臺內多個子系統.在整個多平臺航電系統之間建立一套集中性統一控制管理的交互式通訊航電網絡機制,這套網絡通訊機制,會在網絡控制器的控制下統一調配各種資源,通過對比不同平臺之間的通信成本與信息內容,為整個航電網絡提供差異化的精細服務[17].

圖1 層次化多平臺航電系統架構Fig.1 Architecture for hierarchical multi-platform avionics system

此外,在本文提出的多平臺航電系統組成的航空編隊中,選用預警機作為航電系統的控制中心,即主控平臺.其他的相關子平臺可根據不同作戰任務選用相應類型的飛機,本文以戰斗機為例對多平臺航電系統進行介紹.多平臺航電系統由多種類型的航電平臺組成,這些航電平臺系統依據作戰應用分類包括:作戰攻擊類航電系統、殲擊機航電系統、轟炸機航電系統、探測偵察類航電系統、運輸類航電系統、微航電系統、無人航電系統等.

2 綜合可信度度量方案

2.1 多平臺可信度體系架構

本文首先分析多平臺航電系統可能承擔的作戰使命任務,分解這些作戰使命任務,并將其映射為支撐作戰任務的能力需求,提出面向多平臺航電系統的任務支撐度.然后,根據任務支撐度,結合系統可靠性,構建用于多平臺航電系統可信度度量的指標體系.最后,針對特定的作戰使命任務,綜合多平臺航電系統在指標體系上的表現,評估多平臺航電系統的可信度,具體評估架構如圖2所示.

圖2 多平臺航電系統可信度評估架構Fig.2 Reliability assessment framework for multi-platform avionics systems

在此基礎上,根據多平臺航電系統的任務支撐度和系統可靠性,提取能夠反映多平臺航電系統可信度的指標,擬構建用于可信度度量的指標體系.該指標體系為層次化結構,以多平臺航電系統可信度為頂層,任務支撐度、系統可靠性這兩大維度及其下屬子項為中層,若干底層指標為底層.本文針對任務支撐度指標,共給出7個二級指標和33個三級指標;針對系統可靠性指標,也給出7個二級指標和19個三級指標,具體如圖3所示.

圖3 多平臺航電系統指標體系Fig.3 Multi-platform avionics system index system

2.2 可信度度量方法

基于構建的多平臺航電系統可信度度量指標體系,本文提出基于模糊層次分析法與專家打分法的可信度度量評估方案,具體包括指標量化、權重確定、綜合評估3個主要步驟.

2.2.1 指標量化

由于多平臺航電系統可信度度量指標體系中底層指標的量綱和大小存在差異,因此,首先需要對底層指標進行量化,即去量綱和歸一化,使取值范圍均為[0,1].

假設對于任意底層指標,其原值表示為P,這可以利用作戰試驗、仿真分析或其他途徑獲得;對該指標的要求值為R,這可以利用場景應用實際結合預期作戰目的推演得出,具體又拓展為理想要求Rideal和最低要求Rworst等參數形式.

當P≥Rideal時,該指標支持實現最佳作戰目的,并完全滿足具體作戰要求,量化賦值為1;當P

基于不同指標的相關屬性及特征,本文將指標劃分為正相關型指標、負相關型指標和適度型指標為3種不同的類型,對于不同類型指標,本文提出了不同形式的標準化函數.

考慮實際變化過程往往呈現中部迅速而邊界緩慢的趨勢,選擇如下的Z型函數作為基本函數[9]:

(1)

當δ=λ時,該Z型函數退化為階躍函數:

(2)

正相關型指標是指取值越大對應的信任值越高的指標,例如位置精度、測距精度等指標,其標準化函數為:

(3)

負相關型指標是指取值越小對應的信任值越高的指標,例如傳輸延遲、虛警概率等指標,其標準化函數為:

(4)

適度型指標是指取合適值最好的指標,例如設備配置冗余性等指標,其標準化函數為:

(5)

其中:

(6)

(7)

2.2.2 權重確定

(8)

模糊互補判斷矩陣Ai,s滿足:

(9)

(10)

該模糊互補判斷矩陣權重采用如下的通用公式:

(11)

該公式具有可操作性強,應用廣泛等優點,但是當偏移過大時,將其得出的權重向量直接作為最后決策的結果,來進一步操作是不可信的.

因此,本文在得出模糊矩陣的基礎上,需要對模糊矩陣Ai,s進行一致性的相關檢驗,將那些不一致的相關矩陣進行調整使其都能滿足一致性的相關條件,才能進行下面的關于權重的一些計算,這里采用相容性檢驗其一致性原則的這一方法來進行判斷.

(12)

其所組成矩陣Wi,s即為矩陣Ai,s的特征矩陣,同時也是一個模糊判斷矩陣.

計算矩陣Ai,s與矩陣Wi,s的相容性指標I(Ai,s,Wi,s),如下:

(13)

假設判斷標準為α,當相容性指標I(Ai,s,Wi,s)滿足:

I(Ai,s,Wi,s)≤α

(14)

則可認為判斷矩陣Ai,s是滿意一致的判斷矩陣.其中α的數值越小,則可認為決策者對整個模糊矩陣的一致性期望要求越高,一般可取α=0.1.

這里是S位專家給出判斷,會有S個不同的模糊矩陣Ai,s,s=1,2,…,S,以及S個相應的特征矩陣Wi,s,s=1,2,…,S,因此需要進一步檢驗這些模糊互補判斷矩陣的一致性:

首先,來檢驗S個專家打分得出的判斷矩陣Ai,s的滿意一致性:

I(Ai,s,Wi,s)≤α,s=1,2,…,S

(15)

然后,檢驗判斷矩陣間的滿意相容性.

I(Ai,t,Ai,p)≤α,t≠p;t,p=1,2,…,S

(16)

公式(15)、(16)表示在模糊矩陣Ai,s與綜合判斷矩陣二者在一致可接受方面是一致的,即當一個矩陣處于可接受的狀態,另一個矩陣會處于相同的狀態.只有兩者同時滿足時,使用S個權重向量的均值作為該層指標權重才是合理和可靠的,此時,基于公式(11),得到指標權重的計算公式為:

(17)

以此類推,除頂層外,構建每一層指標相對上一層指標重要程度的模糊互補判斷矩陣,并計算得到每層指標相對上一層指標的權重結果wi,i=2,3,4.

2.2.3 綜合評估

最后,根據量化后的底層指標值集合F,結合每層的權重結果wi,i=2,3,4,綜合評估得到多平臺航電系統可信度為[19]:

T=F#wi,i=2,3,4

(18)

其中,公式(18)中#是自定義的算子,能夠反映底層指標的“交”“并”狀態,從而提高多平臺航電系統可信度的準確性和魯棒性.

3 實驗結果及分析

3.1 數據設置

3.1.1 任務支撐度及系統可靠性指標取值

為了說明和驗證所提出的多平臺航電系統綜合可信度度量方案的可行性和有效性,本文將任意底層指標原值定義為P,P值可通過作戰試驗、仿真分析或其他途徑獲得;同時根據指標屬性特征,將指標類型T劃分為正相關型指標(Ⅰ類)、適度型指標(Ⅱ類)和負相關型指標(Ⅲ類);定義對底層指標的要求值為R,要求值可以利用場景應用實際結合預期作戰目的推演得出,具體又拓展為理想要求Rideal和最低要求Rworst等參數形式.本文提出的三級指標共52個,其中36個數據采用文章[2]提到的相應參數進行仿真實驗,其余16個指標配置如表1所示.

表1 任務支撐度及系統可靠性指標取值Table 1 Value of task support and system reliability index

3.1.2 專家系統打分確認指標權重

為了確認各級指標的權重關系,本文組織了2位專家對多平臺航電系統可信度度量的各層指標之間以及及其相對于上一層指標的相對重要程度進行兩兩比較打分,這里本文采用1-9相對重要層度標度方法表示兩個指標的相對重要程度相比結果,具體含義如表2所示.

表2 標度的具體含義Table 2 Specific meaning of index

3.2 數據分析

3.2.1 專家打分系統中的數據分析

使用專家系統打分來確認指標權重的方法涉及到數據兩兩對比打分的過程.而本文提出的指標較多且專家打分過程會涉及到多位專家,數據如一一列舉篇幅過長,為了簡化圖表標注和對比敘述,因此本文將列出一級、二級指標經過矩陣的相容性檢驗和一致性檢驗后形成的各個指標的占比權重,具體數值如圖4和圖5所示.

圖4 一級指標權重情況Fig.4 Percent of first-level

圖5 二級指標權重情況Fig.5 Percent of secondary indicators

3.2.2 模糊層次分析法中的數據分析

以任務支撐度及系統可靠性的相關取值和專家系統經過矩陣的相容性檢驗和一致性檢驗后形成的各個指標形成的占比權重為基礎,本文通過模糊層次分析法對單平臺和多平臺的可信度進行評估.本文列出了運行500次的單平臺和多平臺可信度信任值產生的波動曲線.在多平臺中為了更好的觀察單平臺和多平臺的關系,本文采用了5個相同底層指標和專家系統打分權重的單平臺來計算多平臺信任度指標,具體含義如圖6和圖7所示.

圖6 單平臺可信度信任值波動曲線Fig.6 Single platform credibility value fluctuation curve

圖7 多平臺可信度信任值波動曲線Fig.7 Multi-platform credibility value fluctuation curve

從圖6及圖7可以看出當底層指標取某一原值P時單平臺的信任度在小范圍有限區間內波動,整體趨于穩定.當底層指標取表1中的原值P時,單平臺信任度和多平臺信任度分別在0.483～0.491和0.324～0.336范圍內波動.可信任值在小范圍有限區間內波動的原因是因專家在打分確定權重時,由于數據量較大,在給權重進行打分時難免會產生認知偏差,因此可能會出現權重不一致的情況,如果發生這種情況,那么權重在相容性檢驗和一致性檢驗過程中,將不一致的矩陣進行調整使其滿足相容性和一致性條件,將不合理的權重在合理的范圍內隨機進行選擇,由此引入了一定的隨機性,使指標數據在一定程度上出現波動.但從整體層面上來看基本趨于穩定.

4 結 語

本文針對未來多平臺航空電子體系架構下的航電系統可信度評估與仿真驗證問題,提出一種集成了“系統可靠性”和“任務支撐度”的可信度度量指標體系架構的多平臺航電系統可信度度量方法.基于專家打分和模糊層次分析法提出了多平臺航空電子可信度值計算方法.該方法可針對未來空戰的多模態作戰任務進行綜合分析和量化判斷.仿真實驗結果表明,本文提出的多平臺航電系統可信度度量方案可以根據各子平臺、子系統的狀態、綜合評估整個多平臺系統的信任度.

多平臺航電系統綜合可信度度量方案對未來空戰的多模態作戰任務進行綜合分析和量化判斷具有重要意義.未來,隨著空戰研究的發展,對于空戰的多模態作戰任務的研究會越來越多,本文提出的方法可以提供一個較好的研究基礎.