基于ADC-IAHP的空管技术保障系统效能评估.pdf

现代电子技术Modern Electronics Technique2023年10月1日第46卷第19期Oct.2023Vol.46 No.190 引 言空管技术保障系统作为我国航空运输中枢，保障空中交通安全。近年来，不管是自然灾害还是人为破坏，突发事件对某些地区的空管技术保障系统正常运行造成很大影响，使得系统运行效率大大降低。如果空管技术保障系统中关键设备因为突发事件的冲击而产生故障，极有可能会导致空管业务受损甚至航空运输网络大面积瘫痪，对空中交通安全产生严重威胁。因此，急需开展空管技术保障系统效能评估的研究工作，以评估保障系统效能。目前，国内外关于系统效能评估的研究工作主要集中在防空信息战13、武器装备系统45、计算机软件安基于ADCIAHP的空管技术保障系统效能评估李 朋，陈志涛，杨 路，陆艳铭，仝 跃，李 浩（云南省交通规划设计研究院有限公司，云南 昆明 650000）摘 要：空管技术保障系统易受突发事件影响系统的正常运行。针对目前空管技术保障系统的效能分析缺乏完善且有效的方法，首先，由于空管技术保障系统较为复杂，基于可用性、可信度、固有任务能力（ADC）初步建立通信、导航、监视 3个子系统的效能评估模型；接着，考虑到单纯采用ADC模型无法从整体角度给出空管技术保障系统的综合评估结果，采用改进的层次分析法（IAHP）对各系统的效能评估进行综合，构建一种定性评价与定量评价相结合的空管技术保障系统的效能评估模型，改善了传统效能评估的局限性；最后，以成都空管技术保障系统为例，评估结果确定该地区的效能评估值为0.974，运行等级较高，融合设备的可靠度效能评估基本能够反映空管技术保障系统的实际运行情况，构建的模型可靠。关键词：空管技术保障系统；系统效能；效能评估；层次分析法；ADC方法；可靠度中图分类号：TN911.134；TP393 文献标识码：A 文章编号：1004373X（2023）19018106Effectiveness evaluation of air traffic control technical support system based on ADCIAHPLI Peng,CHEN Zhitao,YANG Lu,LU Yanming,TONG Yue,LI Hao(Yunnan Institute of Transportation Planning and Design Co.,Ltd.,Kunming 650000,China)Abstract：ATC(air traffic control)technical support system is vulnerable to unexpected events,which affects the normal operation of the system.At present,there is a lack of perfect and effective methods to analyze the effectiveness of ATC technical support system.Due to the complexity of the ATC technical support system,the effectiveness assessment models of three subsystems,namely communication,navigation and surveillance,are initially established based on availabilitydependabilitycapability(ADC).Because it is impossible to adopt the ADC model alone to give comprehensive evaluation results of the ATC technical support system in the overall perspective,the improved analytic hierarchy process(IAHP)method is used to synthesize the effectiveness evaluation of each system,so as to build an ATC technical support system effectiveness assessment model combining qualitative evaluation and quantitative evaluation,which eliminates the limitations of the traditional effectiveness assessment.Finally,the Chengdu ATC technical support system was taken as an example.The evaluation results shows that the effectiveness assessment value of this area is 0.974,with a high operation level,and the effectiveness assessment integrated with the equipment reliability degree can basically reflect the actual operation of the ATC technical support system.Therefore,the constructed model is of reliability.Keywords：ATC technical support system;system effectiveness;effectiveness assessment;AHP method;ADC method;degree of reliabilityDOI：10.16652/j.issn.1004373x.2023.19.033引用格式：李朋，陈志涛，杨路，等.基于ADCIAHP的空管技术保障系统效能评估J.现代电子技术，2023，46（19）：181186.收稿日期：20230323 修回日期：20230419基金项目：云南省交通投资建设集团有限公司科技创新项目（YCICYF202119）181181现代电子技术2023年第46卷全67、飞机液压能源系统89等领域，文献10利用非线性回归对效能评估问题进行建模，建立了完善的效能评 估 指标体系。文献11基于层次分析法（Analytic Hierarchy Process,AHP）和雨水管理模型，开发了基于环境和经济效益的综合评估系统。文献12构建了基于模糊德尔菲法、模糊 AHP法和 TOPSIS法的宏、中、微观三个维度的高速公路更新指标评价框架。显然，对于系统效能评估的研究已成为大多数不同工业领域决策的基础。国内对空管技术保障系统的效能评估还处于起步阶段，文献13采用贡献度模型方法，构建了由多外部环境变量和内部单元变量构成的空中交通管制中心系统行为关系模型，对中心系统的运行环境及工作过程进行分析。文献14从性能、故障和安全等方面总结了空管技术保障系统的效能评估影响因素，针对 AHP 法中评价矩阵的一致性问题，引入模糊数学改进层次分析模型。但是，以上研究无法满足现有空管技术保障系统业务可持续性的需要，造成应急时系统的保障能力远低于正常保障水平。针对目前空管技术保障系统的效能分析缺乏完善且有效的评估体系，借鉴现有武器系统的效能评估方法，本文结合空管技术保障系统的运行特征，从功能的角度将空管技术保障系统分为导航、通信、监视子系统。首先，建立各子系统的 ADC（Availability,Dependability,Capability）效能评估模型，得出各个子系统的效能评估值；其次，为满足 AHP 的一致性检验，采用修正后的AHP 方法得出各系统效能评估权值，得到空管技术保障系统综合效能评估结果；最后，以成都终端区为例，验证模型的可行性。1 ADC效能评估模型系统效能是系统在特定的条件下能否满足给定定量特征和特定任务要求的能力，包含可用性、可信度以及固有任务能力，如表1所示。表1 ADC效能评估指标指标可用性（Availability）可信度（Dependability）固有任务能力（Capability）描述执行任务时系统设备的最初状态，判断能否正常工作执行任务期间系统设备所处状态，判断能否连续工作执行任务期间，系统若正常工作，判断是否能够完成给定工作量系统效能的计算方式如下：E=A D C（1）式中：E代表系统效能；A为可用度，代表执行任务时系统最初各种状态概率的矢量矩阵，A=a1,ai,an，ai为任务开始时系统处在i状态的概率值，n为系统可能存在的状态数量；C代表固有任务能力，当给定状态时，系 统 能 够 到 达 任 务 要 求 的 概 率 矩 阵，C=c1,c2,ci,cnT，ci为系统处于i状态时到达任务要求的概率；D为可信度，代表执行任务。某时间段内的条件概率矩阵为：D=d11d1ndn1dnn（2）式中，dij D为执行任务开始时处于i状态，在预期时间内系统达到j状态的概率值。2 基于ADC的子系统效能评估建模针对空管技术保障系统较为复杂的特点，将研究的空管技术保障系统划分为通信、导航、监视3个子系统，依据 ADC 效能评估模型建立各个子系统的效能评估模型。2.1 导航系统的效能评估对于空管技术保障系统中的导航系统，通过地面导航台和机载接收机发射、接收信息确定飞机相对于导航台的方位信息，本节从功能的角度对导航系统进行效能评估。2.1.1 一条链路的可用度及状态转换概率假定航路网络中单条链路S有m个导航台节点Pk(k=1,2,m)，始末节点分别为P1、Pm。各导航台节点的工作状态包含故障、正常，通过设备保障经验来确定各导航台节点由故障变为正常的维护程度为hk（k=1,2,m），对应的可靠度为rk(k=1,2,m)，可用度为ak(k=1,2,m)，那么S的可用度aS为：aS=k=1mak（3）当导航台由故障到正常状态，S的概率值为：H=i=1m()1-rihij=1&j imrj+i=1m()1-rihij=1&j im()1-rjhjk=1&k i&k jmrk+（4）2.1.2 多条链路的可用度、状态转换概率假设P1、Pm之间有n条链路，用Lt(t=1,2,n)表示，每条链路由故障到正常状态的维护程度为Ht(t=1,2,n)，导航台网络可用度a服从混联结构，其值为：a=1-k=1m()1-ak（5）导航系统由故障到正常状态的概率值为：182第19期H=1-t=1n()1-Ht（6）假定导航系统可靠度为R，那么导航台网络可信度矩阵为：D1=R1-RH1-H（7）在正常工作时，导航台网络完成规定任务的概率值为c1，那么导航系统的固有任务能力矩阵为：C1=c1,1-c1T（8）假设导航系统的效能记为E1，综上可以获得如式（9）所示的导航系统效能评估模型：E1=A1 D1 C1=()()1-k=1m()1-akR+k=1m()1-akH c1+()()1-k=1m()1-ak()1-R+()1-Hk=1m()1-ak()1-c1（9）2.2 甚高频通信系统的效能评估空管甚高频通信系统运行状态包含正常、故障两种，表示为B2=1,0，可用度设为a2，则可用性矩阵为A2=a2,1-a2。固定周期内，甚高频通信系统正常状态的可靠度为r2，由设备保障经验、维护案例确定通信系统由故障到正常状态维护程度为2，那么可信性度矩阵为：D2=r21-r221-2（10）甚高频通信系统正常工作中完成给定任务的概率值为c2，那么通信系统的固有任务能力矩阵为：C2=c2,1-c2T（11）假设通信系统的效能记为E2，综上可以获得如式（12）所示的通信系统评估模型：E2=A2 D2 C2=()a2r2+()1-a22c2+()a2()1-r2+()1-a2()1-r2()1-c2（12）2.3 监视系统的效能评估监视系统运行存在状态包含正常和故障两种，表示为B3=1,0，可用度用a3表示，那么可用性矩阵A3=a3,1-a3。固定周期内，监视系统正常状态的可靠度为r3，由设备保障经验、维护案例来确定各节点由故障到正常的维护程度3，可信度的矩阵为：D3=r31-r331-3（13）在正常工作中，监视系统完成预定监视任务的概率为c3，那么监视系统的固有任务能力矩阵为：C3=c3,1-c3T（14）假设监视系统的效能记为E3，综上可以获得如式（15）所示的监视系统评估模型：E3=A3 D3 C3=()a3r3+()1-a33c3+()a3()1-r3+()1-a3()1-r3()1-c3（15）3 空管技术保障系统效能评估模型空管技术保障系统是综合性复杂系统，导航、通信、监视3个子系统业务间存在既关联又独立的关系，自身特点、结构影响各子系统间的可用性。空管技术保障系统整体状态集合空间很大，传统方法依据系统的故障概率分布函数计算可靠性。考虑到空管技术保障系统新设备和新技术的更迭，规模逐渐变大，无法准确获得空管技术保障系统的整体故障概率分布函数15，传统采用单纯 ADC模型无法从整体角度给出空管技术保障系统的综合评估结果。本节构建一种基于 ADC结合改进的层 次 分 析 法（Improved Analytic Hierarchy Process,IAHP）的系统效能评估模型，实现合理有效的空管技术保障系统效能评估。3.1 IAHPAHP 是一种多准则决策的方法，通过分解出问题的各项因素，在各项因素的相互关系和隶属关系上构建各项因素分层结构模型，对模型逐层分析，求出下层因素相对于目标的权值，最后综合得出评估结果来进行决策。该方法将定性与定量结合，从而得出合理评估结果16。为了确保排序结果合理又准确，使用 AHP 须对判断矩阵进行一致性检验。如果随机一致性指标 CR1，需要人为主观地对判断矩阵进行调整。此外，影响因素多、评价标准繁琐的复杂系统会导致判断矩阵非常大，人为不断地去对判断矩阵进行调整，再开展检验一致性，随机性大，无法保证系统评估效率。为了判断矩阵满足一致性检验，对空管技术保障系统效能评估采用最优传递矩阵改进 AHP 方法，从而克服AHP方法的评估缺点。判断矩阵记为P，最优传递矩阵记为P*，具体的改进如下：1）将判断矩阵P转换为反对称矩阵F，计算方式如下：F=lg P()fij=lg pij,pij P（16）2）依据式（17）将F转换为最优传递矩阵Z：zij=1Ll=1L()fil-fjl,zij Z（17）式中L表示反对称矩阵F的阶数。李 朋，等：基于ADCIAHP的空管技术保障系统效能评估183现代电子技术2023年第46卷3）依据式（18）求判断矩阵P的拟优一致阵P*：P*=10Z（18）4）求取P*的特征向量W，判断矩阵所对应指标相对于上层元素的权值由W的各分量值wi表示。5）归一化处理特征向量W，得到各子系统评估指标的权值，无需对系统再进行一致性检验。3.2 基于 ADCIAHP 的空管技术保障系统效能评估流程基于 ADCIAHP 的空管技术保障系统效能评估步骤如下：1）基于 ADC 方法分别对通信、导航、监视 3个子系统进行建模，并求取其效能评估值Ei（i=1,2,3）；2）建立判断矩阵P并采用 IAHP 方法优化得到矩阵P*；3）求出P*的特征向量并归一化处理得到各子系统相应的权重wi（i=1,2,3）；4）得到空管技术保障系统效能评估结果为：E=i=13wiEi（19）基于 ADCIAHP 的空管技术保障系统效能评估具体流程如图1所示。图1 空管技术保障系统效能评估4 算例分析本文所构建的空管技术保障系统效能评估模型巧妙运用了ADC模型和改进后的AHP方法。本节以成都终端区为例，对其导航、监视、通信系统进行效能评估并验证上述效能评估模型。成都终端区空域如图2所示。根据图 2可得到成都终端区的导航系统网络图，如图 3 所示，该区域包含成都 A、金堂 B、柏鹤寺 C 等导航台节点。根据成都近半年导航台保障经验，各导航台对应的可靠度分别为：E 为 0.983、H 为 0.992、A 为 0.989、B 为0.99、C为 0.988、G为 0.99、D为 0.991、F为 0.99。虚设始发点 S和终止点 T，对应可靠度均为 1，使用经典可靠度评估模型17得到导航系统可靠度R=0.999。导航系统完成规定导航任务，则c1=1。根据 中国民用航空通信导航监视系统运行维护规程，导航系统维护正常概率为0.91，导航系统可用度为 0.999，通过式（9）得到导航系统的效能评估值E1=0.990。图2 成都终端区空域图3 成都终端管制中心导航台分布根据近半年的通信设备保障经验，成都终端区的两套内话系统的可靠度分别为 0.998、0.991；甚高频台的可靠度为 0.992；甚高频通信的传输系统Honet fa16传输、卫星传输、多雷达联网主用传输、光传输，对应的可靠度为 0.996、0.994、0.994、0.950，因此可得通信传输系统的可靠度为0.993；通信系统由内话系统、甚高频台、传输系统三部分串联构成，每部分的设备又并联运行，根据经典可靠度评估模型，可求得甚高频通信系统的可靠度为 0.985。在正常工作中，甚高频通信系统可靠度为r2=0.985，甚高频通信系统完成预定通信任务时c2=1。甚高频通信系统维护正常概率为 0.93，甚高频通信系统的可用度为 0.999，通过式（12）得到通信系统184第19期效能评估值为E2=0.985。根据半年的监视设备保障经验，雷达设备、雷达数据传输设备、雷达数据处理器、终端显示设备的可靠度分别为 0.982、0.987、0.991、0.989。由于各部分串联协调运行，根据经典可靠度评估模型可得监视系统的可靠度为 0.949。监视系统完成预定通信任务时，c3=1。监视系统维护正常概率为 0.91，监视系统可用度为 0.999，代入式（15）得到监视子系统效能为E3=0.949。根据图 1 建立的评估流程，使用 IAHP 法得到各子系统效能评估权值，建立如表2所示的判断矩阵。表2 关于空管技术保障系统的判断矩阵导航系统通信系统监视系统导航系统10.8570.889通信系统1.16711.143监视系统1.1250.8751由 式（18）可 以 得 到 指 标 权 重 为：w1,w2,w3=0.364,0.302,0.334，结合基于 ADC 模型的各子系统效能评估值Ei（i=1,2,3），代入式（19）可得空管技术保障系统整体效能评估值E为 0.974。根据民航系统特有的运行地位，对空管技术保障系统要求极高，将效能评估值可分为良好、合格、差3个等级，对应区间：0.931；0.830.93；00.83。成都终端区的效能评估结果比较高，空管设备配置比较合理，系统运行状态良好。如图 4所示，成都终端区可信度随时间增长下降突出，其余指标不变时，可用性及固有任务能力变化不大。图4 系统效能随时间变化通信、导航、监视 3个子系统效能值随可靠度变化曲线如图 5 所示，不同子系统对可靠度的依赖程度不同，系统效能随着可靠性增强而增强，与现实系统效能变化基本吻合，也验证了模型的有效性。图5 子系统效能值随可靠度变化曲线5 结 语本文所构建的空管技术保障系统效能评估模型巧妙运用了ADC模型和改进后的AHP法。主要内容总结如下：1）鉴于空管技术保障系统的复杂性，本文基于ADC 法分别建立了通信、导航、监视 3个子系统的效能评价模型。2）考虑到空管相关新设备和新技术的不断更新，使得无法准确获得整体故障概率分布函数，利用改进的AHP 方法求取子系统相应权重，构建合理的空管技术保障系统综合评价模型。3）定性评价与定量评价相结合的评价指标体系有利于空管技术保障系统的维护和建设。在算法实现和设计上考虑用户的方便，通过对典型案例的分析，验证了模型的可行性，该地区的效能评估结果良好，融合设备可靠度的效能评估基本能够反映空管技术保障系统的实际运行情况。注：本文通讯作者为李浩。参考文献1 张昕，蔡凌峰，刘冠邦，等.指挥信息系统效能评估方法J.指挥信息系统与技术，2022，13（3）：6571.2 姜伟杰，刘勇，权冀川，等.指挥信息系统效能评估研究进展J.火力与指挥控制，2022，47（12）：15.3 陈秋琼，饶世钧，王山.基于组合赋权法和 Vague集的侦察卫星情报处理系统效能评估J.中国电子科学研究院学报，2022，17（9）：856861.4 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