李 京

(海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001)

艦載機(jī)在作戰(zhàn)中，尤其是與其它兵力聯(lián)合對(duì)面實(shí)施打擊時(shí)，各行動(dòng)兵力間的協(xié)同顯得尤為重要。為了保證艦載機(jī)在作戰(zhàn)全過(guò)程能夠接收不間斷指揮控制，避免與其它兵力發(fā)生沖突甚至誤傷，對(duì)艦載機(jī)的作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)是其重要組成部分。指揮引導(dǎo)效率的高低直接關(guān)系到艦載機(jī)作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。指揮引導(dǎo)效率的高低除了與情報(bào)、通信保障能力、指揮控制系統(tǒng)可靠度等因素有關(guān)外，還與指揮引導(dǎo)程序、方式和方法運(yùn)用等理論有關(guān)。以美國(guó)為代表的世界軍事強(qiáng)國(guó)在艦載機(jī)作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)，形成了指揮引導(dǎo)的縱短橫寬扁平化，集中指揮和分散指揮相結(jié)合，更注重分散指揮的特點(diǎn)。而為了充分發(fā)揮分散指揮的優(yōu)勢(shì)，就必須保證各級(jí)指揮機(jī)構(gòu)能夠統(tǒng)一、高效地進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)和銜接。在此情況下，可以認(rèn)為艦載機(jī)的作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)是由許多流程構(gòu)成的，引入工作流思想建立一套適合指揮引導(dǎo)的系統(tǒng)，從而有效地幫助指揮員及參謀完成工作。

工作流是針對(duì)日常工作中具有固定程序的常規(guī)活動(dòng)提出的一個(gè)概念，是一類能夠完全或部分自動(dòng)化執(zhí)行的過(guò)程，在辦公自動(dòng)化、集成制造、電子商務(wù)等領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用。目前工作流過(guò)程建模的研究還處于發(fā)展階段，現(xiàn)有的過(guò)程建模方法仍存在很多不足。主要的建模方法有流程圖方法、Petri網(wǎng)模型、EPC方法、UML活動(dòng)圖方法等［1］。在諸多的建模方法中，傳統(tǒng)的建模工具相對(duì)于UML有以下不足:一是在處理意外情況時(shí)，容易產(chǎn)生所謂的“僵化”問(wèn)題;二是傳統(tǒng)模型在進(jìn)行工作流建模時(shí)，不能很好地反映流程中的反饋特點(diǎn);三是時(shí)域問(wèn)題，必須要考慮到工作流的時(shí)間狀態(tài)的變化。

在艦載機(jī)的作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)中，各機(jī)構(gòu)間的行動(dòng)具有交互性、動(dòng)態(tài)性和并發(fā)性的特點(diǎn)，適合采用Petri網(wǎng)和UML活動(dòng)圖這樣的工具來(lái)進(jìn)行建模。本文利用UML工具的直觀性和Petri網(wǎng)的數(shù)學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性，提取它們的優(yōu)點(diǎn)，建立高質(zhì)量的指揮引導(dǎo)工作流模型，從而優(yōu)化整個(gè)作戰(zhàn)指揮過(guò)程。

1 艦載機(jī)作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)階段劃分

艦載機(jī)對(duì)面作戰(zhàn)的指揮引導(dǎo)主要可以分為3個(gè)階段:本艦管制區(qū)、航路區(qū)和目標(biāo)區(qū)，如圖1所示。

·本艦管制區(qū)主要負(fù)責(zé)艦載機(jī)的起降，主要的指揮機(jī)構(gòu)包括:航管中心、飛行塔臺(tái)和作戰(zhàn)指揮控制中心。

·航路區(qū)主要實(shí)施艦載機(jī)進(jìn)入出航點(diǎn)后的指揮引導(dǎo)，包括飛機(jī)的出航、返航以及敵我識(shí)別。在這一階段，主要的指揮引導(dǎo)機(jī)構(gòu)是作戰(zhàn)指揮控制中心;同時(shí)，根據(jù)作戰(zhàn)需要可以將飛機(jī)的控制權(quán)移交給空中指揮控制平臺(tái)。

·目標(biāo)區(qū)是艦載機(jī)對(duì)面作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)的最后一個(gè)階段，也是最為復(fù)雜的階段。因?yàn)?，在?lián)合作戰(zhàn)條件下，目標(biāo)區(qū)可能存在己方地面部隊(duì)和防空部隊(duì)。當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入目標(biāo)區(qū)后，指揮引導(dǎo)權(quán)可以移交給區(qū)域防空指揮機(jī)構(gòu)和目標(biāo)區(qū)的目標(biāo)引導(dǎo)組。

圖1 艦載機(jī)對(duì)面攻擊指揮引導(dǎo)階段劃分

2 基于UML的指揮引導(dǎo)模型

當(dāng)艦載機(jī)實(shí)施空對(duì)面作戰(zhàn)時(shí)，通常由作戰(zhàn)指揮控制中心對(duì)艦載機(jī)實(shí)施統(tǒng)一指揮和控制。根據(jù)作戰(zhàn)行動(dòng)需要，作戰(zhàn)指揮控制中心會(huì)適時(shí)授權(quán)空中指揮控制平臺(tái)或前出具有指揮引導(dǎo)能力的水面艦艇或指揮引導(dǎo)組，對(duì)一定區(qū)域的艦載機(jī)實(shí)施指揮引導(dǎo)，確保作戰(zhàn)行動(dòng)的順利實(shí)施。有時(shí)由于雷達(dá)探測(cè)、通信保障等不能滿足艦載機(jī)遂行空對(duì)面作戰(zhàn)任務(wù)的需要，作戰(zhàn)指揮控制中心會(huì)指派空中指揮控制平臺(tái)或前出的具有對(duì)空引導(dǎo)能力的水面艦艇擔(dān)任指揮引導(dǎo)中繼平臺(tái)，確保艦載機(jī)按預(yù)定航線飛行，合理處置空中突發(fā)事件，準(zhǔn)確地引導(dǎo)艦載機(jī)發(fā)現(xiàn)和截獲預(yù)定目標(biāo)并實(shí)施攻擊。

整個(gè)作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)模型的用例圖，各個(gè)飛行階段的活動(dòng)圖如圖2－6所示。

圖2 艦載機(jī)作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)用例圖

2.1 作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)用例圖

圖2表述了艦載機(jī)作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)的用例視圖。它將系統(tǒng)功能劃分成對(duì)參與者(即系統(tǒng)的用戶)有用的需求。而交互功能部分被稱作用例［2］。從該用例圖中可以看出，在指揮引導(dǎo)的全過(guò)程中主要有8個(gè)用戶:艦載機(jī)、塔臺(tái)、航管中心、作戰(zhàn)指揮中心、空中指揮平臺(tái)、目標(biāo)引導(dǎo)組、地段防空指揮員、防空警戒艦。每個(gè)用戶在作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)的不同階段發(fā)揮著各自的作用。

2.2 作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)活動(dòng)圖

UML提供了豐富的符號(hào)表示和建模機(jī)制，其中活動(dòng)圖是5種為系統(tǒng)建立動(dòng)態(tài)模型的圖之一［3］?；顒?dòng)圖強(qiáng)調(diào)在對(duì)象中發(fā)生的活動(dòng)，包含行為狀態(tài)(action state)和活動(dòng)狀態(tài)(activity state)，行為狀態(tài)和活動(dòng)狀態(tài)是用側(cè)面為圓弧的矩形表示。一個(gè)行為狀態(tài)或者活動(dòng)狀態(tài)完成后，控制流將立刻到達(dá)下一個(gè)行為或者活動(dòng)狀態(tài)。我們用躍遷來(lái)表示這種從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的流動(dòng)。在語(yǔ)義上，活動(dòng)圖中的這種躍遷是非觸發(fā)的躍遷，或者說(shuō)是完成躍遷，因?yàn)橐坏┬袨榛蛘呋顒?dòng)狀態(tài)完成，控制流就馬上轉(zhuǎn)移。在UML活動(dòng)圖中，躍遷用帶箭頭的實(shí)線表示。

圖3－圖6描述了在艦載機(jī)作戰(zhàn)指揮四階段中，各個(gè)指揮控制機(jī)構(gòu)圍繞著艦載機(jī)空對(duì)面作戰(zhàn)而進(jìn)行的指揮引導(dǎo)活動(dòng)。

·在起飛階段，以艦載機(jī)請(qǐng)示起飛這一活動(dòng)為起點(diǎn)，以艦載機(jī)飛離航母管制區(qū)為該階段的重點(diǎn)。從圖中可以看出，塔臺(tái)、航管中心和作戰(zhàn)指揮中心依據(jù)作戰(zhàn)條件負(fù)責(zé)指揮引導(dǎo):目視條件下的起飛由飛行塔臺(tái)負(fù)責(zé);而當(dāng)進(jìn)入儀表飛行時(shí)由航管中心通過(guò)雷達(dá)進(jìn)行指揮;當(dāng)遇到緊急任務(wù)時(shí)，則可以由作戰(zhàn)指揮中心直接引導(dǎo)飛機(jī)起飛。

圖3 起飛階段活動(dòng)圖

圖4 航路階段活動(dòng)圖

·在艦載機(jī)的航路階段，作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)的主要職責(zé)由作戰(zhàn)指揮中心承擔(dān)，同時(shí)航管中心全程進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)遇到特殊情況及時(shí)上報(bào)作戰(zhàn)指揮中心，后者進(jìn)行對(duì)艦載機(jī)飛行進(jìn)行修正;當(dāng)作戰(zhàn)指揮能力受探測(cè)手段和通信條件限制時(shí)，可以將指揮引導(dǎo)權(quán)遞交給空中指揮平臺(tái)。

·當(dāng)艦載機(jī)進(jìn)入目標(biāo)區(qū)后，其指揮引導(dǎo)活動(dòng)最為復(fù)雜，涉及的用戶最多。其主要活動(dòng)由在目標(biāo)區(qū)的目標(biāo)引導(dǎo)組負(fù)責(zé);同時(shí)，如果有己方地面防空力量的存在，為了防止誤傷，當(dāng)艦載機(jī)接近地面部隊(duì)防空區(qū)域時(shí)，要接受地段防空指揮結(jié)構(gòu)的指揮;而整個(gè)目標(biāo)區(qū)的活動(dòng)，作戰(zhàn)指揮中心都進(jìn)行全程監(jiān)控。

·當(dāng)艦載機(jī)執(zhí)行完空對(duì)面攻擊任務(wù)后，將進(jìn)入返航階段。其中最為關(guān)鍵的是當(dāng)艦載機(jī)進(jìn)入航母管制區(qū)前的敵我識(shí)別，此時(shí)，艦載機(jī)要受到防空警戒艦的指揮，使其進(jìn)入防空識(shí)別區(qū)進(jìn)行敵我識(shí)別。當(dāng)判明是我機(jī)后則將指揮權(quán)交予航管中心進(jìn)行進(jìn)近引導(dǎo)。

3 基于Petri網(wǎng)的建模驗(yàn)證

本文通過(guò)統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML建立了艦載機(jī)作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)的工作流模型。但是，所建立的模型有可能存在一定的缺陷，這種缺陷往往就是隱患所在，所以在設(shè)計(jì)的初期，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)之前，發(fā)現(xiàn)并解決這一缺陷就成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

圖5 目標(biāo)區(qū)階段活動(dòng)圖

圖6 返航階段活動(dòng)圖

Petri網(wǎng)是一種系統(tǒng)的數(shù)學(xué)和圖形的建模分析工具，不僅可以清楚地描述系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用，體現(xiàn)出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，而且用Petri網(wǎng)建立的模型具有成熟的數(shù)學(xué)分析方法［4］?？梢詫?duì)具有并發(fā)、同步、沖突等特點(diǎn)的系統(tǒng)進(jìn)行模擬和分析，廣泛應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析中?；赑etri網(wǎng)的這種優(yōu)點(diǎn)，可以很好地克服UML在這方面的缺點(diǎn)。鑒于這兩種建模工具的特性，用兩種工具從不同的側(cè)面對(duì)系統(tǒng)建模分析，實(shí)現(xiàn)優(yōu)劣互補(bǔ)，得到了較好的效果。

3.1 UML活動(dòng)圖映射為Petri網(wǎng)模型規(guī)則

由UML活動(dòng)圖轉(zhuǎn)換到Petri網(wǎng)方法的主要思想是用庫(kù)所表示活動(dòng)，用變遷表示活動(dòng)的躍遷。UML活動(dòng)圖的順序結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)Petri網(wǎng)的順序結(jié)構(gòu);UML活動(dòng)圖中表示分支的菱形，對(duì)應(yīng)Petri網(wǎng)中的OR-Split、OR-Join;UML活動(dòng)圖中表示并發(fā)的分叉同步棒對(duì)應(yīng)Petri網(wǎng)中的ANDSplit，表示并發(fā)的合并同步棒對(duì)應(yīng)Petri網(wǎng)中的ANDJoin。活動(dòng)圖與Petri網(wǎng)基本圖形元素映射關(guān)系如圖7所示。

圖7 UML向Petri網(wǎng)轉(zhuǎn)換規(guī)則

3.2 作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)的Petri網(wǎng)模型

根據(jù)上述轉(zhuǎn)換規(guī)則，可以將艦載機(jī)作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)UML模型轉(zhuǎn)換為Petri網(wǎng)模型。限于篇幅限制，這里只列出目標(biāo)區(qū)作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)模型的轉(zhuǎn)換結(jié)果。如圖8所示。

圖8 目標(biāo)區(qū)指揮引導(dǎo)Petri網(wǎng)模型

Petri網(wǎng)中變遷所代表的活動(dòng)如表1所示。

表1 目標(biāo)區(qū)作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)變遷表

3.3 基于Petri網(wǎng)模型的正確性分析

大型的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)，一個(gè)修改或?qū)攵伎赡軙?huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響，所以必須保證其正確性。前面已經(jīng)利用UML工具建立了指揮引導(dǎo)的一般模型，這里通過(guò)Petri網(wǎng)的合理性分析，驗(yàn)證該模型的正確與否。通常驗(yàn)證合理性所采取的辦法是根據(jù)過(guò)程模型的特點(diǎn)，選取便于驗(yàn)證的幾種特性(如:可達(dá)性、合理性、自由選擇性、良構(gòu)性、S可覆蓋性等)，然后根據(jù)性質(zhì)間的因果關(guān)系進(jìn)行正確性分析。

3.3.1 可達(dá)性分析

Petri網(wǎng)的初始狀態(tài)決定了哪些狀態(tài)可達(dá)，以及它們的到達(dá)次序。因此Petri網(wǎng)一旦確定，被建模過(guò)程的可能行為就是確定的，通常利用可達(dá)圖作為描述工作流行為的方法。圖9為本模型的可達(dá)圖。

圖中一共有26種可達(dá)狀態(tài)，但并不是每種狀態(tài)都發(fā)生。比如，只有在(0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0)下，狀態(tài)(0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0)才會(huì)發(fā)生。通過(guò)建立可達(dá)圖，可知該模型滿足可達(dá)性。

圖9 目標(biāo)區(qū)指揮引導(dǎo)的可達(dá)圖

3.3.2 合理性分析

我們可以看到當(dāng)賦予了初始狀態(tài)后，當(dāng)指揮引導(dǎo)任務(wù)完成時(shí)，整個(gè)過(guò)程最終都能來(lái)到結(jié)束狀態(tài)，并且其它所有狀態(tài)都是空的;另外，通過(guò)可達(dá)圖該模型不存在死任務(wù)，即模型中的任意狀態(tài)都可以在特定條件下達(dá)到?？芍撃Ｐ蜐M足合理性。

3.3.3 自由選擇性分析

如果在一個(gè)工作流網(wǎng)里兩個(gè)變遷t1和t2共享一個(gè)輸入庫(kù)所，即·t1∩·t2≠?，那么它們應(yīng)該是OR-split的一部分，即很多可選項(xiàng)之間的一個(gè)“自由選擇”。所以，t1和t2的那組輸入庫(kù)所應(yīng)該是匹配的，即·t1=·t2。

由圖8的工作流網(wǎng)模型可以看出:變遷T5和T6共享一個(gè)輸入庫(kù)P2，變遷T11和T12共享一個(gè)輸入庫(kù)P7;顯然它們的輸入集合相等，因此，所構(gòu)建的工作流網(wǎng)是有選擇的。

3.3.4 良構(gòu)性和S可覆蓋性分析

獲得一個(gè)具有“好的”結(jié)構(gòu)性的工作流的一個(gè)方法是，平衡AND/OR-split和AND/OR-join。由一個(gè)AND-split初始化的兩個(gè)并行流不應(yīng)該由一個(gè)OR-join進(jìn)行匯合。通過(guò)一個(gè)OR-split創(chuàng)建的兩個(gè)選擇流也不應(yīng)該由一個(gè)AND—join進(jìn)行同步。如圖8所示，T2(AND-split)到T26(AND—join)符合平衡的并行路由。可見(jiàn)，所建的工作流網(wǎng)符合良構(gòu)性。根據(jù)定理，一個(gè)合理的自由選擇的WF-net是S可覆蓋的。

所以，通過(guò)圖8和圖9，可以證明利用UML所建立的目標(biāo)區(qū)作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)工作流模型是合理的、符合確性驗(yàn)證。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了一個(gè)基本的艦載機(jī)對(duì)面目標(biāo)作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)工作流模型;利用UML工具的可視化、界面友好的特點(diǎn)，同時(shí)，又利用Petri網(wǎng)的數(shù)學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證;通過(guò)兩種工具的結(jié)合使用，可以較為快速和準(zhǔn)確地進(jìn)行作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)系統(tǒng)的原型開(kāi)發(fā)。

但是，由于受到篇幅和研究條件的限制，為了突出艦載機(jī)作戰(zhàn)引導(dǎo)的整體性，對(duì)作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)中的一些問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)化，比如，作戰(zhàn)指揮中心、空中指揮控制平臺(tái)、目標(biāo)引導(dǎo)組三者之間指揮引導(dǎo)的交接沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)的描述。所以，在下一步的研究中，將進(jìn)一步細(xì)化整個(gè)工作流過(guò)程。

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