朱延雷， 羅小明， 何 榕

(1. 裝備學院研究生管理大隊，北京 101416； 2. 裝備學院航天指揮系，北京 101416)

基于Petri網(wǎng)的空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)概念建模與分析

朱延雷1， 羅小明2， 何 榕1

(1. 裝備學院研究生管理大隊，北京 101416； 2. 裝備學院航天指揮系，北京 101416)

在構(gòu)建空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)活動模型的基礎(chǔ)上，從規(guī)劃級、控制級和操作級3個層次規(guī)劃了空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的作戰(zhàn)流程。為了有效地描述空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)作戰(zhàn)流程中的信息傳遞和動態(tài)交互關(guān)系，運用Petri網(wǎng)方法對空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的作戰(zhàn)過程進行了概念建模，并利用可達標志圖方法對所建Petri網(wǎng)模型的動態(tài)特性進行了分析。

Petri網(wǎng)；空間信息支援；反導(dǎo)作戰(zhàn)；指揮控制；概念建模；動態(tài)特性

空間信息支援，是指利用空間信息獲取系統(tǒng)、空間信息傳輸系統(tǒng)、空間時空基準系統(tǒng)、空間信息應(yīng)用系統(tǒng)以及空間信息支援作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)，為陸、海、空等作戰(zhàn)力量提供偵察、預(yù)警、通信、導(dǎo)航、測地和戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)測等信息支援的行動，其目的是增強己方陸、海、空等作戰(zhàn)力量的情報搜集、指揮控制和快速反應(yīng)能力。

作為作戰(zhàn)體系的核心及其提升作戰(zhàn)效能的“倍增器”，指揮控制系統(tǒng)在現(xiàn)代防空防天反導(dǎo)作戰(zhàn)中發(fā)揮著越來越重要的作用，主要具有信息存儲、融合處理、態(tài)勢顯示、威脅評估、作戰(zhàn)籌劃、決策監(jiān)控和決策執(zhí)行等功能。建立指揮控制系統(tǒng)概念模型，是開展反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制理論和應(yīng)用研究的重要前提。只有通過建立有效的概念模型，才能更好地理解反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)運用和性能，進而對反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)進行評價和優(yōu)化。

反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)作為一個分布式實時多任務(wù)系統(tǒng)，它由離散事件驅(qū)動，異構(gòu)、同步和并發(fā)是其主要特點。而Petri網(wǎng)作為一種適合描述和分析具有并發(fā)、異構(gòu)(或同步)和沖突等特性的離散事件系統(tǒng)的建模工具，除了具有類似流程圖、框圖和網(wǎng)絡(luò)圖的可視化描述功能外，它還可以通過標記的流動來模擬系統(tǒng)的動態(tài)行為。作為一種數(shù)學工具，Petri網(wǎng)具有良好的圖形表現(xiàn)能力和嚴密的數(shù)學基礎(chǔ)[1-2]，可用于建立狀態(tài)方程、代數(shù)方程和其他數(shù)學模型來描述系統(tǒng)的動態(tài)行為，因此Petri網(wǎng)是描述指揮控制系統(tǒng)的有效工具。

1 空間信息支援在反導(dǎo)作戰(zhàn)中的作用

在反導(dǎo)作戰(zhàn)中，空間信息支援主要包括戰(zhàn)前情報支援、作戰(zhàn)預(yù)警信息、通信保障和導(dǎo)航定位等方面。

1) 戰(zhàn)前情報支援。反導(dǎo)作戰(zhàn)在本質(zhì)上屬于防御性質(zhì)，作戰(zhàn)具有一定的被動性，只有在空襲目標進攻時才能進行攔截，而空襲方的進攻方向、時機、攻擊目標等具有很大的不確定性。由于導(dǎo)彈飛行速度快、空中飛行時間短,留給反導(dǎo)部隊的反應(yīng)時間非常少，需要偵察預(yù)警衛(wèi)星及早發(fā)現(xiàn)來襲導(dǎo)彈發(fā)射狀態(tài)信息，為反導(dǎo)部隊留出更多的準備時間,進而提高攔截概率。

2) 作戰(zhàn)預(yù)警信息。偵察預(yù)警衛(wèi)星可以在第一時間發(fā)現(xiàn)來襲目標，并對其實施不間斷偵察，可對目標航跡進行初步融合，提供目標彈的飛行方向和落點區(qū)域，為指揮員進行導(dǎo)彈防御作戰(zhàn)提供決策依據(jù)；偵察預(yù)警衛(wèi)星還可以對反導(dǎo)戰(zhàn)場進行態(tài)勢感知，監(jiān)視目標彈情況，評估攔截彈打擊效果，進行作戰(zhàn)效果評估。

3) 通信保障。反導(dǎo)作戰(zhàn)對通信中繼衛(wèi)星能夠建立高效快捷、一體化的指揮通信網(wǎng)絡(luò)，可為反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制中心與戰(zhàn)場作戰(zhàn)單元建立通信聯(lián)絡(luò)，形成無縫的通信網(wǎng)絡(luò)，實時傳遞戰(zhàn)場情報信息，提供全面立體的信息支持能力。

4) 導(dǎo)航定位。導(dǎo)航定位衛(wèi)星能為攔截彈提供制導(dǎo)信息，實時調(diào)整攔截彈飛行軌跡，確保準確攔截目標；導(dǎo)航定位衛(wèi)星還能提供準確的時空基準，為反導(dǎo)作戰(zhàn)力量提供統(tǒng)一的時標信息。

2 空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)概念建模分析

2.1 空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)活動模型構(gòu)建

空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)活動是空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)力量中的指揮員及其指揮機關(guān)，依托信息化指揮控制系統(tǒng)，組織編成內(nèi)的反導(dǎo)兵力實施作戰(zhàn)的領(lǐng)導(dǎo)活動。它是連接偵察預(yù)警系統(tǒng)和攔截打擊系統(tǒng)的紐帶，是將信息優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為決策優(yōu)勢，進一步轉(zhuǎn)化為行動優(yōu)勢，發(fā)揮反導(dǎo)武器系統(tǒng)的效能和體系效能的關(guān)鍵。

根據(jù)指揮控制系統(tǒng)的功能，將空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)活動劃分為態(tài)勢感知、威脅評判、任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)分配、火力控制、資源管理以及攔截評估7種功能活動[3-4]，如圖1所示。其中：1)態(tài)勢感知是指揮控制活動的基礎(chǔ)，是整個反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制的首要環(huán)節(jié)和出發(fā)點；2)威脅評判是對態(tài)勢感知信息的過濾、篩選，威脅評判的準確性直接影響著任務(wù)規(guī)劃的正確性；3)任務(wù)規(guī)劃是對威脅評判結(jié)果的一種任務(wù)反應(yīng)，是對作戰(zhàn)任務(wù)的整體布局和指導(dǎo)；4)任務(wù)分配是落實任務(wù)規(guī)劃的一種表現(xiàn)，其中武器系統(tǒng)的選取是實施反導(dǎo)攔截的前提，分配方案的制定關(guān)系到各個系統(tǒng)組成之間工作的協(xié)調(diào)性；5)火力控制是對攔截方案的執(zhí)行，是對來襲目標進行攔截最直接的“主力軍”，其各個活動的運行效率和準確性直接關(guān)系到反導(dǎo)作戰(zhàn)任務(wù)的攔截效果；6)資源管理貫穿整個指揮控制過程；7)攔截評估是對攔截效果的判斷，也是判定是否需要再次攔截的依據(jù)。

圖1 空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)活動模型

對7種功能活動進行分解，可以建立7種分解模型。本文以空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制活動中的火力控制活動為例建立模型,如圖2所示。

圖2 空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制火力控制活動模型

火力控制活動模型是結(jié)合目標信息和各作戰(zhàn)單元的狀態(tài)，以任務(wù)分配活動中產(chǎn)生的攔截方案為模型輸入，對攔截方案進行進一步的細化，從而制定出詳細的作戰(zhàn)計劃；并下達計劃至反導(dǎo)武器系統(tǒng)，引導(dǎo)攔截彈執(zhí)行反導(dǎo)作戰(zhàn)計劃；最終將作戰(zhàn)結(jié)果上報，作為攔截評估活動模型的評估參數(shù)。

2.2 空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的作戰(zhàn)流程

空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制流程不同于傳統(tǒng)的防空作戰(zhàn)指揮控制流程。傳統(tǒng)的防空作戰(zhàn)目標飛行速度比較慢，防空作戰(zhàn)指揮控制層級可以是從國家級、戰(zhàn)區(qū)級到作戰(zhàn)單元級的多層級的逐級收斂，指揮員可以按照作戰(zhàn)預(yù)案實時計算生成攔截方案。對于空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)，由于目標飛行速度快、時間短，需要空間信息支援具有較高的時效性和精確性，進而為指揮控制系統(tǒng)的信息融合、決策制定、評估判斷和作戰(zhàn)控制提供必要保障。

作為空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)系統(tǒng)的“大腦”，指揮控制系統(tǒng)從空間信息系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標開始，到攔截武器系統(tǒng)攔截、評估的全過程，需要實現(xiàn)空間的大跨度指揮和各種資源的調(diào)度，將各個傳感器和攔截系統(tǒng)緊密連接，從而使作戰(zhàn)單元形成一個層次分明、任務(wù)分工明確、工作時序嚴密的作戰(zhàn)系統(tǒng)。空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)主要作戰(zhàn)流程如下[5]。

1) 作戰(zhàn)單元配置。根據(jù)攻防形勢判斷，部署各種偵察預(yù)警裝備、導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，指定導(dǎo)彈攔截武器系統(tǒng)和偵察預(yù)警裝備的協(xié)同關(guān)系，建立相關(guān)作戰(zhàn)單元之間的數(shù)據(jù)鏈路。作戰(zhàn)單元配置由反導(dǎo)作戰(zhàn)集團組織實施。

2) 來襲導(dǎo)彈預(yù)警與跟蹤。指揮各種偵察預(yù)警裝備探測來襲目標，收集目標數(shù)據(jù)，經(jīng)多元信息融合后初步預(yù)報導(dǎo)彈飛行的基本方向、彈道和落區(qū)。根據(jù)飛行方向和攻擊區(qū)域判斷目標威脅程度，向有關(guān)反導(dǎo)攔截部隊指揮所告警，使其進入攔截準備程序。

3) 目標識別與威脅評判。根據(jù)告警信息，控制能夠捕獲并跟蹤來襲目標的各種探測裝備開機搜索，進行來襲目標彈道預(yù)推，判斷和計算來襲導(dǎo)彈的型號和參數(shù)，估算其可能的打擊目標，評估其威脅程度。然后依據(jù)威脅度排序把目標分配到火力單元，即進行攔截決策，確定攔截彈的發(fā)射時刻和預(yù)估攔截遭遇點等。

4) 作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃與分配。指揮控制系統(tǒng)根據(jù)威脅評判結(jié)果規(guī)劃和分配作戰(zhàn)任務(wù)，若滿足大氣層外攔截條件，則計算出具有最佳攔截條件的作戰(zhàn)單元，并向反導(dǎo)部隊分配任務(wù)。

5) 來襲目標捕獲跟蹤。根據(jù)地基預(yù)警雷達提供的目標彈道數(shù)據(jù)，地基精密跟蹤雷達跟蹤目標，獲得實時、詳細的目標信息，并傳遞給攔截反導(dǎo)部隊。

6) 反導(dǎo)攔截。反導(dǎo)攔截部隊制定攔截計劃，為攔截彈裝訂數(shù)據(jù)。當目標進入攔截區(qū)之后，發(fā)射攔截彈，并通過雷達引導(dǎo)飛行中的攔截彈，直至攔截彈攜帶的末導(dǎo)引頭捕獲到目標，進入攔截彈自主飛行的末制導(dǎo)階段，對目標進行殺傷。

7) 攔截效果評估。指揮控制系統(tǒng)控制地基精密跟蹤雷達對攔截效果進行評估，若攔截成功，則結(jié)束攔截過程；否則，再次實施攔截計劃。

空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)作戰(zhàn)流程如圖3所示。根據(jù)空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制活動的性質(zhì)，將空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)劃分為規(guī)劃級、控制級和操作級3個級別,其中：規(guī)劃級指揮控制主要負責組織偵察預(yù)警，確定作戰(zhàn)編成、防御優(yōu)先級、戰(zhàn)備等級等作戰(zhàn)任務(wù)；控制級指揮控制主要負責分析判斷情況、參與防御方案設(shè)計，進行武器與傳感器之間的協(xié)調(diào)，擬定作戰(zhàn)計劃，進行效果評估和各種保障等作戰(zhàn)活動；操作級指揮控制主要負責攔截方案規(guī)劃，執(zhí)行攔截作戰(zhàn)行動，控制兵器殺傷空中目標等作戰(zhàn)任務(wù)。

圖3 空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)作戰(zhàn)流程

在指揮控制系統(tǒng)接收到地基雷達的探測數(shù)據(jù)后，預(yù)警與跟蹤、攔截可行性判斷、威脅評判和目標分配等模塊是周期性循環(huán)往復(fù)地被執(zhí)行的。一方面，這是為了保證目標的分配信息和系統(tǒng)的決策命令信息能夠及時下發(fā)到各作戰(zhàn)單元；另一方面，隨著雷達探測數(shù)據(jù)的累積，對目標信息的掌握和相關(guān)決策也變得更加精確和可靠，從而提高了成功攔截目標的概率[6]。

3 基于Petri網(wǎng)的空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的活動模型

空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)是一種典型的離散事件系統(tǒng)，其Petri網(wǎng)活動模型如圖4所示,其中：資源庫R1和R2分別對應(yīng)目標預(yù)警雷達和地基雷達，負責反導(dǎo)情報搜集、處理和傳遞等任務(wù)。

圖4 空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的Petri網(wǎng)活動模型

基于Petri網(wǎng)的空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的作戰(zhàn)過程可以描述如下。

1) 天基偵察預(yù)警系統(tǒng)將收集到的目標信息通過中繼衛(wèi)星和地面站傳送到反導(dǎo)指揮控制中心，進行數(shù)據(jù)分析處理，預(yù)報目標的基本方向、彈道和落區(qū)。

2) 反導(dǎo)指揮控制中心對目標進行威脅評判，若為非威脅目標，則停止執(zhí)行任務(wù)；若為威脅目標，反導(dǎo)指揮控制中心則命令預(yù)警雷達對目標進行不間斷的探測并跟蹤。

3) 反導(dǎo)指揮控制中心根據(jù)預(yù)警雷達的探測、跟蹤信息制定作戰(zhàn)管理規(guī)劃，包括確定攔截方式、攔截彈數(shù)量以及進行約束條件判斷等。

4) 反導(dǎo)指揮控制中心將預(yù)警雷達的探測、跟蹤信息發(fā)送至地基雷達，引導(dǎo)地基雷達進行搜索，同時下令攔截系統(tǒng)做好作戰(zhàn)準備。

5) 反導(dǎo)指揮控制中心利用地基雷達提供的信息進行目標識別、威脅度計算和目標分配等活動。

6) 指揮控制系統(tǒng)下令并引導(dǎo)攔截系統(tǒng)對來襲目標進行攔截，并對攔截效果進行評估，判斷是否需要再次攔截。

圖4中相應(yīng)位置{P1,P2,P31,P32,P4,P5,P6,P7,P8,P9,P10}的含義如表1所示。

表1 空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的Petri網(wǎng)活動模型的位置及其含義

圖4中相應(yīng)變遷{T1,T2,T31,T32,T4,T5,T6,T7,T8,T9,T10}的含義如表2所示。

表2 空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的Petri網(wǎng)活動模型的變遷及其含義

4 動態(tài)特性分析

Petri網(wǎng)不僅是系統(tǒng)的一種圖形表示方法，更重要的是同時獲得了對系統(tǒng)的數(shù)學描述,這種描述包括了對并發(fā)性以及順序或因果概念的形式化處理。Petri網(wǎng)還可以方便地描述信息流程和進行系統(tǒng)中的信息流程控制，尤其適用于具有異構(gòu)、并發(fā)和沖突等特征系統(tǒng)的建模。為了描述系統(tǒng)的動態(tài)和活動行為，處理過程(或任務(wù))的執(zhí)行可以用相應(yīng)的轉(zhuǎn)換發(fā)射來表示:網(wǎng)絡(luò)中令牌(托肯)的移動表示了處理過程中的信息流程；網(wǎng)絡(luò)在某一時刻的標記反映了系統(tǒng)的特定狀態(tài)；前向標記決定了在給定初始狀態(tài)下系統(tǒng)所有可能出現(xiàn)的狀態(tài)的集合；網(wǎng)絡(luò)的活性和有界性反映了一個良好定義系統(tǒng)的特征[7-8]。而對于復(fù)雜的空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)，對其Petri網(wǎng)模型的動態(tài)特性進行分析是很有必要的，它能加深對模擬對象的理解，從而抓住指揮控制系統(tǒng)作戰(zhàn)流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對指導(dǎo)作戰(zhàn)具有十分重要的意義。

下面以構(gòu)建的空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的Petri網(wǎng)活動模型為研究對象，對其動態(tài)特性進行分析。從結(jié)構(gòu)上看，圖4所示Petri網(wǎng)活動模型包括了并行、順序、分支、回合和沖突[9-10],包含了威脅目標和非威脅目標2種，本文主要對發(fā)現(xiàn)威脅目標的Petri網(wǎng)系統(tǒng)的可達性進行分析，即不考慮非威脅目標。為了方便起見，將圖4中的位置P32用位置P3表示，變遷T32用變遷T3表示。

首先確定Petri網(wǎng)對象為{P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8,P9,P10,R1,R2}，其初始狀態(tài)為{1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0}；對其動態(tài)行為進行分析，依據(jù)Petri網(wǎng)的運行規(guī)則，圖4所示Petri網(wǎng)模型的可達標志集R(M0)如表3所示。

表3 Petri網(wǎng)模型的可達標志集R(M0)

在可達標志集R(M0)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型的可達標志圖RG=(R(M0),E,P),式中:E={(Mi,Mj)|Mi,Mj∈R(M0),?tk∈T:Mi(tk)>Mj};P:E→T,P(Mi,Mj)=tk，僅當Mi(tk)>Mj時；R(M0)為RG的頂點集，E為RG的弧集[7]。確定為威脅目標情況下的空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型的可達標志圖如圖5所示。

圖5恰當?shù)孛枋隽藞D3所示空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的作戰(zhàn)流程。同時由于?Mi∈R(Mj)，其中Mi,Mj∈R(M0),所以所建的Petri網(wǎng)模型具有可逆性，充分體現(xiàn)了空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)作戰(zhàn)流程中指揮決策、作戰(zhàn)控制、指揮保障和攔截評估等環(huán)節(jié)的循環(huán)過程。此外，由于?Ti∈T(i=1,2,…,10)，使得?M∈R(M0)，進而說明有關(guān)聯(lián)的變遷間是公平的，即所建立的空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的Petri網(wǎng)活動模型是一個公平網(wǎng)。

圖5 確定為威脅目標情況下的Petri網(wǎng)模型的可達標志圖

5 結(jié)論

空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)涉及的對象因素多，作戰(zhàn)流程復(fù)雜。本文運用Petri網(wǎng)對其作戰(zhàn)流程進行了描述，并通過運用可達標志圖的方法對其活動模型進行了動態(tài)特性分析,結(jié)果表明：所建基于Petri網(wǎng)的空間信息支援反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)概念模型層次清晰，不但可以將系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)過程用統(tǒng)一的形式進行描述，而且具有可重用性。同時，該方法彌補了常用建模工具的不足，對其他復(fù)雜系統(tǒng)的建模也具有一定的借鑒作用。

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(責任編輯:尚彩娟)

Concept Modeling and Analysis of Anti-missile Combat Command and Control System under Spatial Information Support Based on Petri Net

ZHU Yan-lei1, LUO Xiao-ming2, HE Rong1

(1. Brigade of Postgraduate Management, Academy of Equipment, Beijing 101416, China;2. Department of Aerospace and Command, Academy of Equipment, Beijing 101416, China)

On the basis of building activity model of anti-missile combat command and control system under spatial information support, the operational process of anti-missile combat command and control system under spatial information support is analyzed from levels of planning, controlling and operating. In order to effectively describe the relationship between information transmission and dynamic interaction of anti-missile combat command and control system under spatial information support, the Petri net method is used to do concept modeling for the process of anti-missile combat command and control system under spatial information support, and the dynamic characteristics of Petri net model is analyzed by using the method of logo figure.

Petri net; spatial information support; anti-missile combat; command and control; concept modeling; dynamic characteristics

1672-1497(2015)01-0075-06

2014- 11- 26

朱延雷(1983-)，男，博士研究生。

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.01.015