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海军指挥信息系统健康状态评估方法与应用
荆 晶1,顾 健1,陆 峥2
（1. 海军装备研究院,北京 100036；2. 国防科技大学信息系统与管理学院,湖南 长沙 410073）
摘 要：笔者指出指挥信息系统是打赢现代高技术条件下局部战争必备的重要信息装备,其健康状态影响到系统的作战效能,针对指挥信息系统的健康状态评估问题,以指挥信息系统为健康状态评估对象,建立了指挥信息系统结构树模型,根据指挥信息系统的结构分解和功能划分,对该系统划分的系统层、分系统层、组件层、部件层四级层次进行了说明,提出了指挥信息系统健康状态评估的一般流程,基于多元状态估计技术以及改进的层次分析法进行系统的健康状态评估,以美军ISR系统为例进行仿真实验与分析,结果表明,笔者提出的评估方法具有合理性和适 用性.
关键词：指挥信息系统；ISR；健康状态评估；故障预测与健康管理系统；PHM；多元状态估计技术；MSET
中图分类号：E94；G203 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2017.08.030
信息化战争条件下,体系与体系的对抗是战争胜利的重要环节和关键焦点,作为支撑作战双方信息化能力的指挥信息系统,其地位和作用尤为突出.海军指挥信息系统是以计算机为核心,具备指挥控制、情报侦察、预警探测、通信、电子对抗和其他作战保障功能的军事信息系统,其健康状态影响到系统的作战效能.故障预测与健康管理（Pro-
gnostics and system Health Management,PHM）技术是近年来国内外在可靠性领域提出的针对复杂系统进行维修保障的综合性技术,健康状态评估作为其核心技术,成为军事领域关注的焦点.海军指挥信息系统作为打赢现代高技术条件下局部战争必备的重要信息装备,该系统的故障诊断、维修保障和可靠性越来越受到高度关注,对海军指挥信息系统健康状态的评估具有重要的理论和现实意义.
1 指挥信息系统结构树模型
按照功能划分,海军指挥信息系统一般由信息收集分系统、信息传输分系统、信息处理分系统、信息显示分系统、决策监控分系统以及执行分系统构成[1-2].系统的健康状态是完成其功能的能力度量,取决于其分系统的健康状态,即分系统完成各自功能的能力度量.按照功能划分的系统解构方式,可以将各子系统的组成按照功能进一步划分,直到不可再分为止.功能划分的粒度取决于健康状态评估的精度,笔者为了着重论述评估流程,仅划分到部件层为底层的粒度.基于以上功能划分和结构分解的过程,建立指挥信息系统结构树模型[3],见图1.其中,系统结构树模型底层元素的健康状态通过构建健康状态指标并基于多元状态估计技术（Multivariate State Estimation Technique,MSET）进行评估,从底层元素到顶层元素的健康状态评估基于改进的层次分析法（Analytic Hierarchy Process,AHP）[4-5]进行逐层评估.
根据指挥信息系统的结构分解和功能划分,对该系统划分的四级层次[3]进行说明.
1）系统层,即指挥信息系统,发挥完成系统整体功能的作用,利用系统健康状态指标值表征其健康状态程度,并度量其完成整体功能的能力.
2）分系统层,即构成系统层元素的各分系统,例如信息收集分系统等,发挥完成各分系统功能的作用,利用各分系统的健康状态指标值表征各分系统健康状态的程度,并度量其完成各分系统功能的能力.
3）组件层,即构成分系统层各元素的组件,例如信息收集分系统的侦察卫星编队等,组件特点是：为完成特定任务,组件由同类型的一个或多个部件组合而成.同样地,利用各组件的健康状态指标值表征各组件健康状态的程度,并度量其完成各组件功能的能力.
4）部件层,即构成组件层各元素的部件,例如侦察卫星编队中的某型号侦察卫星等,作为该系统结构树中的底层元素（实际上可根据部件的功能分解进一步细化划分粒度,但笔者仅为论述方法需要,并非实际工程需要,因此不再进行部件层的划分）,其健康状态的评估方法是指挥信息系统健康状态评估的重要基础,在构建反映部件健康状态指标的基础上,基于MSET对部件的健康状态进行评估[3-4],以此度量部件完成其功能的能力.
根据以上论述,建立指挥信息系统的通用系统结构树模型.需要说明的是,由于不同指挥信息系统部件层装备的数量各不相同,因此部件层的各元素的数量需要根据实际情况确定.
2 指挥信息系统健康状态评估方法和流程
2.1 部件健康状态评估
由于在指挥信息系统结构树中,部件层各元素构成系统结构树中的基础,因此部件的健康状态评估是指挥信息系统健康状态评估的基础.文献[3]基于MSET对部件的健康状态进行了评估.部件健康状态评估的步骤如下.
1）部件特征参数选取[3].该评估方法需要根据领域内专家的意见选取底层各元素的健康状态特征参数,这里的特征参数是指反映底层元素执行自身功能的物理量,遵循可测性、典型性、集中性、针对性、敏感性、可靠性的选取原则.例如,通信车的环境温度、通信效率等参数,侦察飞机侦察目标的清晰度、完整度等参数,侦察卫星侦察目标的范围、精度等参数,这里不再赘述.特征参数选取除了对专家要求高之外,对传感器集群技术的要求也比传统情形下的要求高.
2）特征参数的数据预处理.对以上各参数分别进行无量纲化处理[4],再基于min-max规范化处理,将其转换为取值范围为[0,1]的参数值.
3）部件健康状态评估.基于以上选取的参数,利用MSET将各元素的健康残差计算出来,以健康残差作为各元素的健康状态指标值.从理论上讲,该指标值的取值范围一定为[0,1],0代表该元素执行自身功能的能力极有可能最差,1代表该元素执行自身功能的能力极有可能最好,除非有新的事实推翻以上结论.
2.2 系统结构树元素权重分析
一般而言,对具有层次结构的系统元素的权重分析,往往采用AHP来确定.但是,AHP确定的权重是固定值,不能动态变化,这与战争条件下瞬息万变的态势不相符合.在实际中,很多低权重的元素,在环境持续恶化的情形下,其重要性才越发凸显出来.为了克服传统AHP不能反映复杂系统非线性和涌现性等特性的缺陷,引入基于变权综合法原理改进AHP,用变权权重代替固定值权重,将参与评价的对象不同程度的故障影响动态关联起来.文献[4-5]指出,在一般情况下,采用变权思想进行健康状态评估是合理的.系统结构树元素权重分析的步骤如下.
1）根据专家意见和AHP,确定系统结构树中各元素的初始权重,设系统结构树中,某非叶节点为s,其子节点为e1,e2,…,em,即系统元素e1,e2,…,em构成更高层次的系统元素s,则利用AHP可确定子节点的初始权重为w1,w2,…,wm.
2）定义如下变权规则,以获取所有节点的健康状态指标值H1,H2,…,Hm：当其中任意一个节点ei的健康状态指标值Hi低于Hmin时,该节点的权重wi改变为1；如果通过维修策略使得节点ei的健康状态指标值Hi重新高于Hmin,则该节点的权重值恢复至wi.
3）遍历系统结构树中的所有层,应用以上变权规则,完成系统结构树中所有元素的权重确定.
变权规则的引入,使得指挥信息系统的健康状态评估在任一时刻都是动态的评估,同时将指挥信息系统结构树中某元素在某时刻被毁伤至难以修复的状态,但其参数值仍在评估流程中发挥评估作用的情形刻画出来.需要特别指出的是,变权规则中的触发条件Hmin的取值不能太大,在实践中其取值范围定为[0,0.3].在该案例研究中将其定为0.3.
2.3 指挥信息系统健康状态评估流程
指挥信息系统健康状态评估流程的步骤如下[3].
1）构建系统结构树.根据不同指挥信息系统实际配置,确定具体指挥信息系统结构树模型.
2）评估部件健康状态.首先确定底层部件的特征参数；其次进行特征参数的无量纲化和规范化；最后基于MSET确定部件的健康状态指标值.
3）确定系统结构树中各元素的权重.基于改进AHP（即应用变权规则的AHP）动态确定系统结构树中各元素的权重.
4）评估系统健康状态.根据部件健康度、各元素权重,由系统结构树叶节点逐层向上,计算各层次系统元素的健康度.设某层元素为s,其下一层元素为e1,e2,…,em,ei的贡献度为Wi,ei的健康度为Hi,则s的健康度为
3 仿真实验与分析
鉴于美军的指挥信息系统（包括7个子系统：指挥Command、控制Control、通信Communication、计算机Computer、情报Intelligence、监视Surveillance、侦察Reconnaissance,缩写为ISR系统）是最早发展起来的,其参考文献相对较多,因此选择其作为仿真案例的研究对象[6-8].在案例中,为简化评估流程的计算复杂度,着重于评估方法的说明,部件的健康状态指标值均通过仿真计算事先确定,各元素的权重均已给定,Hmin的取值为0.3.仿真实验步骤如下.
1）确定ISR系统结构树模型,见图2.在该模型中的部件配置均为仿真数据.
2）根据指挥信息系统的评估流程,给出ISR系统在正常情况下的评估算例.健康度即为健康指标值,正常情况下的健康度为第33页第1列数值.
3）根据指挥信息系统的评估流程,给出ISR系统在遭受模拟网络攻击情况下的评估算例.该网络攻击致使通信计算机、服务器、数据处理计算机及其软件等相关部件无法正常工作,其中,通信计算机和数据处理计算机受影响最大,整个系统处于瘫痪状态,仿真算例健康度（常权）见第33页表1,加粗字体的数字为健康度发生变化的指标取值.仿真结果表明,虽然系统的健康状态指标值为0.67,与正常情况相比下降了18%左右,符合受网络攻击的实际情况,但是根据该评估结果,系统仍然可以发挥作用,这与系统已经处于瘫痪状态的实际情况不相符合.
4）应用变权规则,得到ISR系统的评估算例,见表1.健康度参见“变权”列,变权后的权重也在其中,均用加粗字体标出.应用变权规则后,系统的健康状态指标值为0.02,与正常情况相比下降了95%,这与系统处于瘫痪状态系统无法发挥功能的实际情况比较符合.
4 结束语
笔者针对指挥信息系统的健康状态评估问题,建立了指挥信息系统的层次结构树和功能结构树模型,提出了指挥信息系统的健康状态评估流程.并以美军ISR系统为例,分别进行正常环境下和模拟受攻击下两种环境中的高仿真案例研究,结果表明,评估结果在变权规则的运用下更加符合实际情况.综合以上分析,笔者提出的指挥信息系统的健康状态评估方法具有合理性和适用性.
信息系统论文范文结:
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1、管理信息系统论文