簡平，鄒鵬，熊偉

（裝備指揮技術(shù)學(xué)院，北京101416）

體系結(jié)構(gòu)仿真就是使用體系結(jié)構(gòu)的仿真工具，將可執(zhí)行模型在執(zhí)行規(guī)則的約束下動(dòng)態(tài)運(yùn)行，清晰、可視化地表現(xiàn)系統(tǒng)相關(guān)的信息流和數(shù)據(jù)流，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析體系結(jié)構(gòu)的時(shí)間、資源利用及可靠性等特性，分析結(jié)果對(duì)體系結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)提供依據(jù)，最終為定量決策提供支持。采用適當(dāng)?shù)捏w系結(jié)構(gòu)工具軟件進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)的仿真，支持體系結(jié)構(gòu)模型的運(yùn)行機(jī)制的可視化，使掩藏在靜態(tài)模型下的動(dòng)態(tài)機(jī)制可以清晰、生動(dòng)地表現(xiàn)出來，能夠達(dá)到以下體系結(jié)構(gòu)分析的目的[1]：①驗(yàn)證體系結(jié)構(gòu)模型自身的一致性。②動(dòng)態(tài)、可視化地顯示作戰(zhàn)概念和作戰(zhàn)規(guī)則，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。③檢驗(yàn)一個(gè)系統(tǒng)或一項(xiàng)功能對(duì)整個(gè)作戰(zhàn)行動(dòng)的貢獻(xiàn)大小。④資源分配和瓶頸分析。⑤成本效益分析。⑥驗(yàn)證過程模型是否合理地滿足系統(tǒng)需求，并且實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)。

1 體系結(jié)構(gòu)流程仿真方法

體系結(jié)構(gòu)流程仿真方法以IDEF3（ICAM（Integrated Computer Aided Manufacturing）DEFinition method 3）為基礎(chǔ)，解決了IDEF0不能反映時(shí)間和時(shí)序的問題，用來檢驗(yàn)過程的合理性并指導(dǎo)過程重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化[2，3]?；贗DFF3的流程仿真方法的核心是建立動(dòng)態(tài)流程模型[4]，并在SA（System Architect）仿真器中編輯和運(yùn)行該作戰(zhàn)規(guī)則模型，通過模型的運(yùn)行結(jié)果可以驗(yàn)證作戰(zhàn)規(guī)則的邏輯性，同時(shí)用圖表形式顯示仿真結(jié)果，包括資源等的利用率水平、一個(gè)流程內(nèi)各活動(dòng)的等待時(shí)間和空閑狀態(tài)，用于發(fā)現(xiàn)瓶頸和弱點(diǎn)。體系結(jié)構(gòu)流程仿真中涉及的主要模型、模塊包括：

（1）流程模型。流程是仿真的核心，它通過活動(dòng)，子活動(dòng)、連接弧以及節(jié)點(diǎn)來描述業(yè)務(wù)過程各任務(wù)之間的依賴關(guān)系，有四種仿真類型：事件、過程、結(jié)果和保持。在仿真中，表示流程開始的事件可以產(chǎn)生在整個(gè)流程中所要處理的對(duì)象，對(duì)象在流程中流過，在過程上進(jìn)行處理，最后在表示結(jié)果的流程處結(jié)束，需要確定對(duì)象產(chǎn)生的規(guī)律和數(shù)量，并通過計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生。在流程中的每一個(gè)過程都可以細(xì)化，定義下一級(jí)子流程圖，當(dāng)對(duì)象進(jìn)入該過程的時(shí)候，同時(shí)也就是進(jìn)入了子流程的處理，從子流程流出后進(jìn)入下一個(gè)過程的處理。

（2）資源模型。與流程相關(guān)的資源信息，每個(gè)資源模型包含一定數(shù)量的具有相同功能的資源實(shí)體，它們按照一定的排隊(duì)規(guī)則分配給活動(dòng)。當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)活動(dòng)同時(shí)請(qǐng)求占用某個(gè)資源的情況，就會(huì)出現(xiàn)排隊(duì)現(xiàn)象。在SA中資源包括執(zhí)行活動(dòng)的角色和作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)上的裝備實(shí)體，資源模型包括資源可用性模型，即同一時(shí)間完成工作有多少資源可用；資源分配使用模型，即完成一項(xiàng)工作需要分配多少資源。資源模型的建立可用于分析資源利用率。

（3）組織模型。主要定義與流程模型虛擬執(zhí)行有關(guān)的組織信息。

（4）時(shí)間模型。人員的活動(dòng)和設(shè)備的使用遵循一定的工作時(shí)間，即工作和休息的組合，例如如果某活動(dòng)在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)執(zhí)行，而某個(gè)角色資源在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)是休息，則這個(gè)角色不能被這個(gè)過程所利用。只有在時(shí)間表所定義的時(shí)間范圍內(nèi)，資源才是可用的，活動(dòng)才能被執(zhí)行。時(shí)間模型和資源模型共同驅(qū)動(dòng)流程模型。

（5）交匯點(diǎn)和聯(lián)接模塊。在SA中，輸出型的交匯點(diǎn)類型有異或、與、或三種。

2 可執(zhí)行模型建立

2.1 作戰(zhàn)規(guī)則模型建立

按照體系結(jié)構(gòu)流程仿真方法，分別建立預(yù)警衛(wèi)星支援下（方案一）和無天基預(yù)警信息支援下（方案二）反導(dǎo)作戰(zhàn)的可執(zhí)行模型，通過假定模型參數(shù)并在SA Simulator中進(jìn)行仿真運(yùn)行，分析預(yù)警系統(tǒng)在反導(dǎo)作戰(zhàn)中的信息支援作用。

2.1.1 預(yù)警衛(wèi)星支援下的反導(dǎo)作戰(zhàn)

圖1是以IDEF3為基礎(chǔ)建立的作戰(zhàn)規(guī)則模型OV—6a，描述了反導(dǎo)作戰(zhàn)的流程。模型中代表過程的行為單元有：預(yù)警衛(wèi)星探測、引導(dǎo)搜索、被動(dòng)段跟蹤定位、數(shù)據(jù)融合處理、指揮、反導(dǎo)系統(tǒng)攔截、戰(zhàn)果評(píng)估、第二次攔截和次數(shù)統(tǒng)計(jì)。其中預(yù)警衛(wèi)星探測，被動(dòng)段跟蹤定位，指揮和反導(dǎo)系統(tǒng)攔截行為單元可以根據(jù)作戰(zhàn)活動(dòng)模型中的葉子活動(dòng)轉(zhuǎn)換成IDEF3規(guī)則的子流程圖。戰(zhàn)果評(píng)估行為單元用于評(píng)估對(duì)敵方導(dǎo)彈的攔截情況，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)行為單元用于統(tǒng)計(jì)第一次攔截未成功后由于時(shí)間短而無法進(jìn)行第二次攔截的次數(shù)。

圖2是對(duì)導(dǎo)彈被動(dòng)段跟蹤定位行為單元的細(xì)化流程規(guī)則，由跟蹤作戰(zhàn)活動(dòng)分解模型轉(zhuǎn)化為IDEF3模型。對(duì)于敵方導(dǎo)彈的自由段由預(yù)警機(jī)和地面遠(yuǎn)程的早期預(yù)警雷達(dá)同時(shí)進(jìn)行跟蹤，然后由搜索跟蹤雷達(dá)對(duì)其進(jìn)行更為精確的跟蹤定位。預(yù)警衛(wèi)星探測、指揮、反導(dǎo)系統(tǒng)攔截等行為單元的細(xì)化流程規(guī)則沒有給出，其參數(shù)設(shè)置在后文中給出。

2.1.2 無天基預(yù)警信息支援下的反導(dǎo)作戰(zhàn)

在沒有天基預(yù)警衛(wèi)星信息支援條件下，由預(yù)警機(jī)和早期遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)提供早期預(yù)警信息，傳輸?shù)街缚刂行模芍缚刂行囊龑?dǎo)搜索跟蹤雷達(dá)等進(jìn)行跟蹤定位，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合處理和指揮決策，對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行攔截。沒有天基信息支援，對(duì)于敵方彈道導(dǎo)彈的主動(dòng)段無法探測和跟蹤，得到的預(yù)警時(shí)間短，要獲得的相應(yīng)精度的導(dǎo)彈目標(biāo)信息執(zhí)行其他行為單元需要花費(fèi)更多時(shí)間。引導(dǎo)搜索行為單元是由指控中心在獲取預(yù)警機(jī)和地面早期預(yù)警信息的情況下對(duì)跟蹤雷達(dá)發(fā)出的指令。其他行為單元與方案一的規(guī)則相同，指揮和反導(dǎo)系統(tǒng)攔截行為單元的子流程也相同，只是由于預(yù)警時(shí)間不同，相應(yīng)的時(shí)間參數(shù)不一樣。

2.2 模型參數(shù)設(shè)定

2.2.1 仿真對(duì)象

事件產(chǎn)生仿真對(duì)象，仿真對(duì)象為進(jìn)攻彈道導(dǎo)彈信息（射程1000km），通過設(shè)置對(duì)象的到達(dá)率來模擬反導(dǎo)作戰(zhàn)的情況，假定敵彈道導(dǎo)彈每2分鐘來襲一枚，此頻率持續(xù)62.5小時(shí)。

2.2.2 時(shí)間模型和資源模型參數(shù)的設(shè)置

作戰(zhàn)過程中各角色都處于戰(zhàn)備值班狀態(tài)，因此輪換班（shift）可設(shè)置為24小時(shí)。行為單元執(zhí)行的時(shí)間不是固定的，通常服從某一分布，可以作為排隊(duì)問題來求解，計(jì)算方法是首先根據(jù)原始資料并按照統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法以確定其符合哪種理論分布，并估計(jì)其參數(shù)值，最后根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算時(shí)間的期望值[5]。在本想定中，設(shè)定預(yù)警衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)目標(biāo)（即探測概率接近98%時(shí)）所需的時(shí)間服從均勻分布Uniform（22，26）。其他行為單元分配的角色，以及角色在行為單元中執(zhí)行活動(dòng)的時(shí)間設(shè)置如表1所示。資源的可用性和分配使用是根據(jù)預(yù)警系統(tǒng)的組織關(guān)系圖的角色來設(shè)置，在表1中括號(hào)內(nèi)表示可用資源數(shù)，表中的資源數(shù)并不是相應(yīng)人員的絕對(duì)數(shù)，屬于歸一化的單位值。

表1 資源模型和時(shí)間模型部分參數(shù)

續(xù)表1

其中Normal為正態(tài)分布函數(shù)，Uniform為均勻分布函數(shù)，其他表示固定值，“0”表示該方案不包括此行為單元。

2.2.3 交匯點(diǎn)屬性設(shè)定

交匯點(diǎn)可以表示輸出分支的概率、時(shí)間屬性、仿真對(duì)象的通過方式等。方案一的交匯點(diǎn)屬性的設(shè)置如表2所示，方案二與之對(duì)應(yīng)。表中交匯點(diǎn)J1的發(fā)生概率對(duì)應(yīng)于反導(dǎo)系統(tǒng)單次攔截概率為70%，交匯點(diǎn)J2的時(shí)間模型表示反導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)想定中敵方彈道的攔截時(shí)間窗口不能超過436s，否則無法組織對(duì)目標(biāo)的第二次攔截。

表2 部分交匯點(diǎn)屬性及參數(shù)設(shè)置

2.2.4 仿真參數(shù)設(shè)定

在以上模型的基礎(chǔ)上，將仿真時(shí)間（Run Length）設(shè)為62.5小時(shí)。

3 仿真結(jié)果分析

結(jié)合實(shí)際情況和仿真的需要，確定作戰(zhàn)規(guī)則和流程的分析評(píng)價(jià)指標(biāo)有：活動(dòng)的空閑狀態(tài)（使用率）、資源的使用率、角色執(zhí)行任務(wù)的平均時(shí)間以及攔截概率。

3.1 活動(dòng)的使用率

活動(dòng)的使用率是指在整個(gè)仿真過程中活動(dòng)用于支援反導(dǎo)作戰(zhàn)所執(zhí)行的時(shí)間所占的比例，用行為單元的忙閑狀態(tài)來表示，體現(xiàn)作戰(zhàn)規(guī)則的合理性。如果某個(gè)活動(dòng)過于繁忙，則影響了系統(tǒng)延時(shí)，如果過于空閑，則說明活動(dòng)沒有得到有效的利用。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，使用率仿真結(jié)果的對(duì)比分析可用圖形化表示，如圖5所示。

由數(shù)據(jù)及在圖中變化趨勢可以看出：數(shù)據(jù)融合處理行為單元的使用率相對(duì)較高，是反導(dǎo)作戰(zhàn)過程中的關(guān)鍵活動(dòng)和瓶頸，需增加參與信息處理的節(jié)點(diǎn)以加強(qiáng)對(duì)傳感器獲得的信息的處理能力和速度；方案二中沒有天基預(yù)警系統(tǒng)，其他早期預(yù)警系統(tǒng)參與的活動(dòng)使用率顯著增加，其他相同的行為單元的使用率都有不同程度的增加；相對(duì)于方案二，方案一中第二次攔截行為單元的使用率高出2.51%，可見，天基預(yù)警信息支援下反導(dǎo)系統(tǒng)組織第二次攔截的可能性較大、次數(shù)多，提高了預(yù)警時(shí)效性。

3.2 角色資源的使用率和執(zhí)行時(shí)間

角色資源的使用率是指在流程仿真過程中角色用于執(zhí)行行為單元的時(shí)間所占的比例。根據(jù)設(shè)置的資源模型參數(shù)和時(shí)間模型參數(shù)可在作戰(zhàn)規(guī)則的流程仿真過程中統(tǒng)計(jì)角色資源的忙閑狀態(tài)、執(zhí)行任務(wù)的平均時(shí)間和數(shù)量等特性，用圖6和7表示。

從圖4和5中看出，兩個(gè)方案單獨(dú)分析，情報(bào)專家的利用率和平均執(zhí)行時(shí)間都相對(duì)較高；對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行比較，方案二中各角色資源的利用率和平均執(zhí)行時(shí)間普遍增加，尤其是早期預(yù)警人員增加幅度較大，因此需增加情報(bào)專家等信息處理人員的數(shù)量以及提高其信息處理能力，以減少預(yù)警信息支援的時(shí)延；同時(shí)增加早期預(yù)警人員的數(shù)量并提高其能力（如增加空中預(yù)警節(jié)點(diǎn)及其所屬人員數(shù)量和素質(zhì)、加強(qiáng)早期預(yù)警雷達(dá)組網(wǎng)及預(yù)警能力），能有效優(yōu)化現(xiàn)有反導(dǎo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使作戰(zhàn)規(guī)則更合理。

3.3 攔截概率的影響

OV—6a在SA Simulator中進(jìn)行仿真運(yùn)行統(tǒng)計(jì)行為單元的仿真數(shù)據(jù)，方案一、二中各產(chǎn)生1870個(gè)仿真對(duì)象，其中在方案一中由第一次成功攔截?cái)?shù)為1288，攔截失敗數(shù)582，組織第二次攔截?cái)?shù)306，二次攔截成功數(shù)為235，由于作戰(zhàn)時(shí)間超過反導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)敵導(dǎo)彈的攔截時(shí)間窗口而無法組織第二次攔截?cái)?shù)為276，成功攔截的總數(shù)為1517，總的概率為81.12%；方案二中第一次成功攔截?cái)?shù)為1287，攔截失敗數(shù)583，組織第二次攔截?cái)?shù)114，二次攔截成功數(shù)93，由于時(shí)間無法組織第二次攔截?cái)?shù)為469，成功攔截總數(shù)為1381，總的攔截概率為73.85%。

以上結(jié)果顯示：方案一和方案二對(duì)導(dǎo)彈第一次攔截的成功率基本相當(dāng)。由于方案一具有天基預(yù)警信息的支援，預(yù)警時(shí)間長，在第一次攔截失敗的情況下能夠及時(shí)有效組織第二次攔截（約占52.58%），大大提高攔截目標(biāo)的概率。方案二中，預(yù)警時(shí)間較短，在第一次攔截后時(shí)間超過反導(dǎo)系統(tǒng)的攔截時(shí)間窗口的情況較多，只有約19.55%的概率能夠組織二次攔截，總的攔截概率比方案一小7.32%。因此，加強(qiáng)天基預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)提高反導(dǎo)的預(yù)警時(shí)間是有必要的，同時(shí)在當(dāng)前預(yù)警系統(tǒng)還沒建成或在反導(dǎo)作戰(zhàn)中沒完全發(fā)揮作用的情況下，應(yīng)著力提高反導(dǎo)系統(tǒng)的單次攔截效率，并提高系統(tǒng)的反應(yīng)靈敏度，擴(kuò)大對(duì)彈道導(dǎo)彈的攔截時(shí)間窗口，使得反導(dǎo)系統(tǒng)可以在攔截區(qū)時(shí)間段內(nèi)多次發(fā)射導(dǎo)彈，提高攔截目標(biāo)的概率。

4 結(jié)束語

從本文研究的體系結(jié)構(gòu)流程仿真方法及在反導(dǎo)預(yù)警中的應(yīng)用可以看出，基于IDEF3的體系結(jié)構(gòu)流程仿真方法適用于反導(dǎo)作戰(zhàn)流程的分析，并能驗(yàn)證相關(guān)結(jié)論，對(duì)于其他分系統(tǒng)對(duì)整個(gè)反導(dǎo)體系信息支援作用的分析也具有適用性和借鑒意義。文中通過假定作戰(zhàn)規(guī)則中的各模型的參數(shù)對(duì)流程進(jìn)行仿真分析，各參數(shù)值如何獲取到并不是本文研究的重點(diǎn)，但對(duì)仿真結(jié)果具有直接的影響，因此流程仿真中模型參數(shù)設(shè)置的合理性是一個(gè)重要的研究方向，例如如何描述和刻畫仿真對(duì)象產(chǎn)生的規(guī)律使其與現(xiàn)實(shí)情況一致、各行為單元執(zhí)行時(shí)間分布怎樣確定等。另外，在文中列出的三個(gè)分析指標(biāo)的基礎(chǔ)上，可以對(duì)不同作戰(zhàn)規(guī)則的成本效益、通信時(shí)延等量化指標(biāo)進(jìn)行分析，這樣能更全面分析作戰(zhàn)規(guī)則的合理性。

1 周榮坤，駱光明.基于IDEF的企業(yè)體系結(jié)構(gòu)模型在軍事信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的仿真應(yīng)用[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2007，2（1）：27—30.

2 HERNANDEZ—MATIAS J C，VIZAN A，HIDALGO A，et al.Evaluation of techniques for manufacturing process analysis[J].Journal of Intelligent Manufacturing，2006，17（5）：571—583.

3 陳禹六.IDEF建模分析和設(shè)計(jì)方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

4 SILVERMAN STEVEN J，BAUMGARTEN ERIK.Dynamic DoDAF and Executable Architectures[R].Military Communications Conference，IEEE，2007（10）：1—5.

5 張志勇，匡興華，晏湘濤.業(yè)務(wù)流程的時(shí)間模型研究[J].工業(yè)工程，2005，8（4）：98—101.