李明浩, 楊克巍, 徐建國(guó), 譚躍進(jìn)

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息系統(tǒng)與管理學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

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模型驅(qū)動(dòng)的危機(jī)事件快速建模與分析方法

李明浩, 楊克巍, 徐建國(guó), 譚躍進(jìn)

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息系統(tǒng)與管理學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

以2015年底俄土戰(zhàn)機(jī)沖突事件為例,建立了基于模型驅(qū)動(dòng)方法的快速建模與仿真分析框架,為類似軍事沖突及爭(zhēng)端事件應(yīng)急判斷提供快速建模與決策分析支持。通過場(chǎng)景建模、可執(zhí)行邏輯分析和可視化仿真技術(shù)分別對(duì)危機(jī)事件進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)建模、動(dòng)態(tài)行為分析以及場(chǎng)景仿真驗(yàn)證。同時(shí),利用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的支持快速元模型定制的多視圖建模工具M(jìn)odelLink,與第三方分析與仿真工具集成,形成了以ModelLink為輸入的跨平臺(tái)模型自動(dòng)生成、分析與互操作的分析鏈路,支持快速參數(shù)變更、直觀可視化行為調(diào)整的敏捷響應(yīng)。面向俄土戰(zhàn)機(jī)事件,利用俄土雙方及第三方關(guān)于事件細(xì)節(jié)的開源信息,構(gòu)建了兩種基本場(chǎng)景模型,通過對(duì)比不同方案的可執(zhí)行邏輯分析以及仿真過程參數(shù)分析結(jié)果,校驗(yàn)了雙方在事件聲明中細(xì)節(jié)的合理性與真實(shí)性,同時(shí)支持后續(xù)不斷補(bǔ)充開源信息后的模型調(diào)整與快速結(jié)論生成,具有很好的實(shí)用性。

危機(jī)事件; 模型驅(qū)動(dòng); 元模型; 快速建模與分析; 可執(zhí)行模型;STK仿真

0　引　言

2015年11月24日,俄羅斯一架SU24戰(zhàn)機(jī)在敘利亞和土耳其邊境附近完成對(duì)敘利亞恐怖分子的轟炸任務(wù)后被土耳其兩架F16擊落。雙方對(duì)事件的過程各執(zhí)己見,主要爭(zhēng)執(zhí)的疑點(diǎn)有三:①俄羅斯方面怒斥這次事件是土耳其有意為之,是有預(yù)謀有計(jì)劃的背后捅刀行為;②土耳其宣稱俄羅斯戰(zhàn)機(jī)越境17s,而俄羅斯則舉證敘利亞雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果反證土耳其戰(zhàn)機(jī)越境40s;③土耳其聲稱曾在5分鐘內(nèi)進(jìn)行了10次警告,而俄羅斯飛行員穆拉赫金在答記者問時(shí)聲稱未收到任何警告。

因此,俄土戰(zhàn)機(jī)事件具有不確定性、系統(tǒng)性和突發(fā)性等危機(jī)事件的普遍特征,給事件當(dāng)事雙方和國(guó)際社會(huì)的應(yīng)急管理與處置提出了挑戰(zhàn)。在此情況下,如何設(shè)計(jì)一種合理的快速建模和仿真分析方法成為危機(jī)應(yīng)急管理領(lǐng)域需要迫切研究的問題[1]。危機(jī)事件的建模要求能夠描述內(nèi)部各事件之間的關(guān)聯(lián)模式,而將各事件整合為一個(gè)更大的系統(tǒng)又要求能夠快速可配置、可追溯地進(jìn)行建模分析工作[2]。

國(guó)際系統(tǒng)工程協(xié)會(huì)在《系統(tǒng)工程2020愿景》和《系統(tǒng)工程2025愿景》中都極力倡導(dǎo)并推動(dòng)系統(tǒng)工程從傳統(tǒng)基于文檔向基于模型的這種全新范式轉(zhuǎn)變和演進(jìn)。鑒于危機(jī)事件的不確定性、系統(tǒng)性和突發(fā)性等復(fù)雜特征,危機(jī)事件應(yīng)急管理必須有自己的“系統(tǒng)工程”方法。本文將基于模型的系統(tǒng)工程(modelbasedsystemengineering,MBSE)方法應(yīng)用于危機(jī)事件建模與仿真分析[3],提出了一種基于元模型的快速配置建模方法,設(shè)計(jì)了開放式、可擴(kuò)展、可定制、可視化的危機(jī)事件執(zhí)行仿真[4-6]與計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。結(jié)合俄土戰(zhàn)機(jī)事件雙方網(wǎng)上公布的資料,詳細(xì)介紹了MBSE方法用于危機(jī)事件的快速建模與分析過程,仿真結(jié)果表明,土耳其擊落俄羅斯戰(zhàn)機(jī)是一次有預(yù)謀的行為,同時(shí)土耳其關(guān)于5分鐘內(nèi)10次警告的說法可信度較低。

1　危機(jī)事件快速建模與軟件架構(gòu)

1.1快速元模型配置架構(gòu)

傳統(tǒng)應(yīng)對(duì)危機(jī)事件的分析方法往往需要使用多種分析工具以及相關(guān)的專業(yè)建模人員對(duì)各自領(lǐng)域模型進(jìn)行構(gòu)建[7],建模時(shí)間長(zhǎng),數(shù)據(jù)不一致,分析能力有限,時(shí)效性差,而且在事件信息變更時(shí)需要相關(guān)人員對(duì)各自模型進(jìn)行修改,時(shí)間周期長(zhǎng),有可能會(huì)錯(cuò)過最佳的決策時(shí)間[8-9]。本文對(duì)危機(jī)事件的分析抽象為系統(tǒng)問題,通過建模、可執(zhí)行分析、仿真來完成事件場(chǎng)景的概念重現(xiàn),通過對(duì)邏輯問題及主要參數(shù)的驗(yàn)證進(jìn)行事件的分析工作?？焖佟㈧`敏性、時(shí)效性是處理應(yīng)急事件的必要條件,要求根據(jù)信息的變更迅速做出響應(yīng),完成事件方案的快速分析。

本文采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的快速建模及數(shù)據(jù)框架定制工具M(jìn)odelLink,以元模型思想為牽引,支撐定制靈活可配的元模型模板,快速組建建模語言所需要的元模型及描述方式,支持對(duì)不同事件場(chǎng)景的要素建模,所定義的場(chǎng)景交互操作直觀,便于決策者直接操作。

ModelLink的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由3個(gè)部分構(gòu)成:元模型定制模塊、可視化建模模塊、數(shù)據(jù)服務(wù)模塊。元模型定制模塊主要管理元模型實(shí)例數(shù)據(jù)文件及元模型框架文件,ModelLink底層以XML為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件格式,通過類的序列化與反序列化將數(shù)據(jù)以對(duì)象形式進(jìn)行管理,同時(shí)參考關(guān)系數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)方式,將通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抽象為可擴(kuò)展的表,支撐了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的靈活定制。可視化建模模塊,負(fù)責(zé)表現(xiàn)層模型與數(shù)據(jù)層元模型的映射管理,支持模型表現(xiàn)的定制與擴(kuò)展。數(shù)據(jù)服務(wù)模塊包括管理服務(wù)、調(diào)度服務(wù)、映射服務(wù)和通知服務(wù)。管理服務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)象化后的實(shí)例數(shù)據(jù)管理;調(diào)度服務(wù)完成數(shù)據(jù)在各視圖之間的引用與一致性維護(hù);映射服務(wù)提供ModelLink模型數(shù)據(jù)與其他工具平臺(tái)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換接口;通知服務(wù)負(fù)責(zé)在數(shù)據(jù)變更時(shí)對(duì)工具鏈上所有平臺(tái)進(jìn)行通知。

ModelLink是以場(chǎng)景設(shè)計(jì)、行為設(shè)計(jì)和主要參數(shù)設(shè)計(jì)為核心,通過靈活的軟件架構(gòu)及可擴(kuò)展的元模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)以下各步功能。首先定制建模中的實(shí)體元模型、關(guān)系元模型以及元模型數(shù)據(jù)屬性結(jié)構(gòu),其次利用定制好的建模描述語言對(duì)各個(gè)視圖進(jìn)行建模[10],完成事件場(chǎng)景的設(shè)計(jì)及主要參數(shù)數(shù)據(jù)的收集工作,搭建起針對(duì)該事件的快速分析鏈路,通過工具的核心數(shù)據(jù)管理服務(wù),完成數(shù)據(jù)之間的調(diào)度及交互工作,將所收集的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)交換規(guī)范轉(zhuǎn)換給其他可執(zhí)行及仿真分析工具[11],生成相應(yīng)的模型,完成分析功能[12-14]。在事件信息發(fā)生變更時(shí),只需要對(duì)其中的數(shù)據(jù)參數(shù)直接進(jìn)行調(diào)整就可以進(jìn)行下一方案的分析[15],無需在其他平臺(tái)中進(jìn)行重復(fù)建模。

1.2模型驅(qū)動(dòng)的軟件架構(gòu)

ModelLink軟件工具被用于搭建一個(gè)無縫的分析鏈路,快速銜接數(shù)據(jù)源與分析功能,通過實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有靈活擴(kuò)展及重組功能的數(shù)據(jù)定義與收集框架,以支持快速的數(shù)據(jù)及模型框架定義,并以各平臺(tái)底層數(shù)據(jù)交互規(guī)范為基礎(chǔ)[16],各分析工具與其連接形成分析任務(wù)的完整工具鏈路。模型的轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)一致性與互操作由ModelLink來完成。

面向危機(jī)事件中大眾所關(guān)心的分析點(diǎn),主要對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行可執(zhí)行邏輯分析、參數(shù)約束分析、仿真分析,并且由仿真分析過程驅(qū)動(dòng)可執(zhí)行邏輯的執(zhí)行,完成交互式分析與校驗(yàn),為結(jié)果提供科學(xué)的分析過程支撐。因此,選擇Rhapsody來進(jìn)行可執(zhí)行邏輯分析及參數(shù)約束分析,其中利用參數(shù)圖進(jìn)行參數(shù)約束分析優(yōu)化的功能由Rhapsody與Matlab之間本身存在的調(diào)用接口完成。采用STK來進(jìn)行場(chǎng)景可視化展示及部分參數(shù)分析功能,并根據(jù)場(chǎng)景中的相應(yīng)狀態(tài)對(duì)Rhapsody的邏輯執(zhí)行進(jìn)行觸發(fā),完成相應(yīng)部分的分析工作。工具鏈之間的交互關(guān)系如圖1所示。

Rhapsody是IBM公司為系統(tǒng)工程師及軟件開發(fā)者提供的可視化開發(fā)與建模環(huán)境。結(jié)合國(guó)防體系工程應(yīng)用開發(fā)了諸如DoDAF、MoDAF等模型框架,提供了一個(gè)能夠不斷發(fā)現(xiàn)模型錯(cuò)誤和糾正錯(cuò)誤的過程。Rhapsody工具具有活動(dòng)圖和狀態(tài)機(jī)圖的模型執(zhí)行分析功能,通過活動(dòng)模型的執(zhí)行對(duì)所構(gòu)建模型進(jìn)行調(diào)試,在模型構(gòu)建過程中即可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可視化分析和模型邏輯準(zhǔn)確性驗(yàn)證。

通過場(chǎng)景要素靜態(tài)結(jié)構(gòu)和離散化的系統(tǒng)行為描述,還不能真正驗(yàn)證事件場(chǎng)景中的某些特定關(guān)注點(diǎn),需要將基于SysML的體系結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換成仿真分析模型。本文采用STK作為系統(tǒng)功能模型連續(xù)行為場(chǎng)景可視化分析工具,同時(shí)也可以利用Rhapsody的Matlab集成功能對(duì)模型中定量的屬性、要素等進(jìn)行約束計(jì)算。

STK是具備執(zhí)行多種環(huán)境、多種任務(wù)的專業(yè)系統(tǒng)分析工具,其借助真實(shí)的地球外部空間,可以對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星姿態(tài)等逼真模擬,提供分析引擎進(jìn)行強(qiáng)大的計(jì)算分析,支持兩個(gè)對(duì)象之間可見性分析、衛(wèi)星對(duì)地面的覆蓋率分析、雷達(dá)天線的性能分析等。分析結(jié)果可以獲得大量有用的數(shù)據(jù)和實(shí)際驗(yàn)證。

圖1　工具鏈關(guān)系圖Fig.1　Tool chain relationship diagram

2　應(yīng)對(duì)危機(jī)事件快速建模與分析

構(gòu)建在工具鏈支撐下的應(yīng)對(duì)危機(jī)事件的快速建模與分析框架,如圖2所示,從業(yè)務(wù)視角描述各步驟具體的內(nèi)容,利用軟件工具支撐各部分功能的開展,通過對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行分析,確定框架輸入,獲取場(chǎng)景事件信息,理清所關(guān)心的分析目的,根據(jù)輸出的分析結(jié)果制定相應(yīng)決策,并進(jìn)行多方案的對(duì)比。該框架是以靈活可配的元模型建模、異構(gòu)模型自動(dòng)生成及跨平臺(tái)模型互操作為核心功能,來保障快速建模與分析的,利用可執(zhí)行分析、仿真分析去捕獲系統(tǒng)的行為特性,來描述系統(tǒng)的交互和模型表現(xiàn)。整個(gè)快速建模與分析框架包括3個(gè)階段、5個(gè)過程,其中3個(gè)階段是快速元模型定義及場(chǎng)景搭建、可執(zhí)行邏輯分析、場(chǎng)景仿真分析,而包含的5個(gè)主要過程具體為定義場(chǎng)景元模型、場(chǎng)景要素靜態(tài)結(jié)構(gòu)及行為建模、可執(zhí)行邏輯分析、場(chǎng)景仿真分析、參數(shù)調(diào)整及多方案對(duì)比。

圖2　快速建模與分析方法框架Fig.2　Framework for rapid modeling and analysis method

2.1定義場(chǎng)景元模型

根據(jù)事件場(chǎng)景中的具體情況以及所關(guān)注的焦點(diǎn),提取場(chǎng)景中所涉及的核心要素及核心要素之間的關(guān)系,分析要素的主要參數(shù)構(gòu)成,利用ModelLink的元模型定制工具定義元模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及視圖的描述方式,根據(jù)Rhapsody軟件模型表現(xiàn)的需要,定義執(zhí)行者、狀態(tài)、約束等幾種基礎(chǔ)元模型,以及場(chǎng)景分析所需要的專用元模型。

2.2場(chǎng)景要素靜態(tài)結(jié)構(gòu)及行為建模

靜態(tài)結(jié)構(gòu)和行為是描述一個(gè)事件的核心要素,通過對(duì)要素之間動(dòng)態(tài)交互關(guān)系的捕獲及描述,可以重現(xiàn)事件特征,幫助用戶分析事件過程中的行為邏輯信息。這里采用SysML系統(tǒng)建模語言中的類圖來描述靜態(tài)結(jié)構(gòu),采用狀態(tài)圖來描述每個(gè)對(duì)象的具體狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程,這部分的建模工作在ModelLink中通過配置好的元模型及建模描述方式完成,同時(shí)在類圖中類的屬性信息及狀態(tài)轉(zhuǎn)移中狀態(tài)的屬性信息進(jìn)行填充,以支持Rhapsody和STK模型的生成。

2.3可執(zhí)行邏輯分析

在此基礎(chǔ)上,利用Rhapsody完成可執(zhí)行邏輯分析及參數(shù)約束分析。通過前期研發(fā)的ModelLink與Rhapsody底層元模型的映射規(guī)則及相應(yīng)的數(shù)據(jù)操作接口,將Rhapsody軟件前端所構(gòu)建的類圖模型和狀態(tài)圖模型以及必要參數(shù)轉(zhuǎn)化為Rhapsody軟件框架下的模型,狀態(tài)圖是描述系統(tǒng)在某一過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移,其描述的也是關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)或條件下狀態(tài)的轉(zhuǎn)移行為。利用Rhapsody的可執(zhí)行分析功能，根據(jù)類圖和狀態(tài)圖完成動(dòng)態(tài)時(shí)序圖的生成。同時(shí)在有需求的情況下，利用參數(shù)約束關(guān)系數(shù)據(jù)生成參數(shù)圖,描述系統(tǒng)中對(duì)象屬性之間的數(shù)學(xué)關(guān)系(例如性能約束),對(duì)重點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)工程分析,包括性能評(píng)估、可靠性評(píng)估和物理特性評(píng)估等。

2.4場(chǎng)景仿真分析

將ModelLink中對(duì)于對(duì)象屬性、對(duì)象連接關(guān)系、狀態(tài)屬性等利用所開發(fā)的數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)化為STK中組件的運(yùn)動(dòng)軌跡、空間姿態(tài)、運(yùn)行開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和對(duì)象關(guān)系等連續(xù)性仿真要素,在運(yùn)行過程中通過場(chǎng)景中對(duì)象間的可見性、可探測(cè)性、可通信性等因素變化來產(chǎn)生場(chǎng)景數(shù)據(jù),從而支持對(duì)事件過程的仿真分析。

這里將場(chǎng)景仿真分析中可見性等因素的狀態(tài)結(jié)果作為可執(zhí)行邏輯分析中狀態(tài)圖狀態(tài)跳轉(zhuǎn)的觸發(fā)條件,通過獲取可見性開始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間,將狀態(tài)變換的時(shí)間點(diǎn)作為觸發(fā)事件,通過所開發(fā)的插件功能,完成STK向Rhapsody可執(zhí)行功能過程發(fā)送消息,告知狀態(tài)跳轉(zhuǎn)是否執(zhí)行。以此來完成仿真模型與可執(zhí)行模型的互操作,互相彌補(bǔ)各自模型的不足。

2.5參數(shù)調(diào)整及多方案比對(duì)

ModelLink作為快速建模與分析框架的前端,因其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)靈活、可定制,元模型的屬性字段與關(guān)聯(lián)關(guān)系可根據(jù)具體場(chǎng)景進(jìn)行定義,以及提供了與Rhapsody和STK良好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口,使對(duì)于危機(jī)事件的快速建模與分析成為可能,通過前端建模便可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源到分析工具的回路,由于支持跨平臺(tái)模型的自動(dòng)生成,所以在參數(shù)發(fā)生變化時(shí)可以通過修改ModelLink中的模型參數(shù)實(shí)現(xiàn)分析鏈路的快速響應(yīng),支持多方案的快速結(jié)果生成。

3　實(shí)例分析

3.1場(chǎng)景及元模型描述

2015年11月24日,A國(guó)SU24戰(zhàn)機(jī)被B國(guó)F16擊落。B國(guó)宣稱A國(guó)戰(zhàn)機(jī)侵犯領(lǐng)空且5分鐘內(nèi)警告10次無效后才開火,兩架戰(zhàn)機(jī)分別越境1.36km和1.15km,而A國(guó)方面堅(jiān)稱SU24戰(zhàn)機(jī)從未侵犯B國(guó)領(lǐng)空。當(dāng)日C國(guó)軍方聲稱B國(guó)越境2km在C國(guó)境內(nèi)擊落A國(guó)戰(zhàn)機(jī)，嚴(yán)重侵犯了C國(guó)主權(quán)。隨后A國(guó)方面派出M-8武裝直升機(jī)進(jìn)行救援,成功救出飛行員穆拉赫金。穆拉赫金在記者會(huì)上說,他們的戰(zhàn)機(jī)從未侵犯B國(guó)領(lǐng)空。

俄土戰(zhàn)機(jī)事件的元模型可以分為對(duì)象元模型、關(guān)系元模型、屬性元模型以及屬性關(guān)系元模型。通過對(duì)事件的實(shí)例化可以得到危機(jī)事件的元模型集合。涉及此次事件的共有12個(gè)對(duì)象實(shí)體,分別是A國(guó)兩架SU24戰(zhàn)機(jī)、B國(guó)兩架F16戰(zhàn)機(jī)、A國(guó)兩名飛行員、兩架M-8武裝直升機(jī)、A國(guó)K空軍基地、C國(guó)恐怖分子、C國(guó)偵測(cè)雷達(dá)以及B國(guó)偵測(cè)雷達(dá),詳見表1。其中屬性元模型可轉(zhuǎn)換為屬性值的設(shè)定及屬性度量的描述。表2給出了SU24戰(zhàn)機(jī)的屬性及關(guān)系元模型列表。

表1　對(duì)象及關(guān)系元模型列表

表2　SU24屬性及關(guān)系元模型列表

3.2事件結(jié)構(gòu)及行為建模

危機(jī)事件靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為建模需要抽取核心數(shù)據(jù)模型中存儲(chǔ)的有關(guān)對(duì)象、關(guān)系以及對(duì)象的屬性、屬性關(guān)系數(shù)據(jù),得到可執(zhí)行模型的基本結(jié)構(gòu)。借助Rhapsody工具,可以使用對(duì)象模型圖對(duì)事件的靜態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,使用狀態(tài)圖對(duì)事件的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行建模。建模過程中行為式建模強(qiáng)調(diào)輸入和輸出、序列以及條件以便協(xié)調(diào)其他行為。在考慮所定義約束的情況下,對(duì)等式進(jìn)行解析以獲取屬性值的集合。

3.2.1結(jié)構(gòu)建模

對(duì)象模型圖指定事件系統(tǒng)中類的結(jié)構(gòu)和靜態(tài)關(guān)系。它不僅僅是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的圖形表示,而且是建模元素和關(guān)系以及元素的接口和特性的描述。可以在對(duì)象模型圖中設(shè)置元素屬性的默認(rèn)值。類與類之間使用關(guān)聯(lián)建立聯(lián)系,對(duì)象與對(duì)象使用鏈接建立聯(lián)系。如在類A與類B之間繪制了一對(duì)多定向關(guān)聯(lián),可以創(chuàng)建A的一個(gè)對(duì)象和B的多個(gè)對(duì)象,通過一個(gè)實(shí)例化此關(guān)聯(lián)的鏈接來連接這些對(duì)象。

在俄土戰(zhàn)機(jī)事件中,為更好表示F16對(duì)SU24的打擊過程,F16及其攜帶的ARMAAM空空導(dǎo)彈可分解為兩類對(duì)象,因此共14個(gè)對(duì)象實(shí)體,如圖3所示。從左往右分別是K空軍基地,實(shí)現(xiàn)對(duì)A國(guó)戰(zhàn)場(chǎng)的指控,對(duì)戰(zhàn)機(jī)和直升機(jī)下達(dá)作戰(zhàn)命令并接受戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息、兩架執(zhí)行打擊恐怖分子任務(wù)的SU24戰(zhàn)斗轟炸機(jī),其中一架返航并向指揮中心匯報(bào)戰(zhàn)場(chǎng)情況、射殺A國(guó)飛行員和擊落A國(guó)武裝直升機(jī)的C國(guó)恐怖分子、執(zhí)行救援任務(wù)的M-8武裝直升機(jī),一架返航一架迫降、兩名飛行員,一名飛行員被射殺一名飛行員被A國(guó)武裝直升機(jī)救出、執(zhí)行防空任務(wù)的F16戰(zhàn)機(jī)及攜帶的ARMAAM空空導(dǎo)彈、C國(guó)偵測(cè)雷達(dá)、B國(guó)偵測(cè)雷達(dá)。對(duì)象與對(duì)象之間通過事件來觸發(fā),比如SU24戰(zhàn)機(jī)可能有起飛事件、接收轟炸恐怖分子命令事件、收到警告事件、返航事件、受打擊事件等。

圖3　對(duì)象模型圖Fig.3　Object model diagram

3.2.2行為建模

狀態(tài)圖通過指定對(duì)象對(duì)事件或操作的反應(yīng)來定義對(duì)象的行為。此反應(yīng)可以是在狀態(tài)之間執(zhí)行過渡,也可以是執(zhí)行某些動(dòng)作。狀態(tài)是對(duì)一種方式的抽象,消息觸發(fā)是從一種狀態(tài)到另一狀態(tài)的過渡。消息可以是事件或觸發(fā)式操作,對(duì)象可以同時(shí)接收從其他對(duì)象發(fā)送的這兩類消息。實(shí)現(xiàn)危機(jī)事件的流程分析,核心是建立不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換以及對(duì)象與對(duì)象之間的事件或觸發(fā)式操作。事件作為系統(tǒng)中對(duì)象所響應(yīng)的“情況”起源于分析流程。它們的具體實(shí)現(xiàn)是信息實(shí)體,這些實(shí)體包含關(guān)于它們所描述事件的數(shù)據(jù)。

圖4給出了SU24、F16、A國(guó)飛行員和C國(guó)雷達(dá)4類對(duì)象的狀態(tài)圖。一方面這4類對(duì)象狀態(tài)變換較為復(fù)雜;另一方面是事件的疑點(diǎn)主要集中于這4類對(duì)象或者是這4類對(duì)象可以檢測(cè)到。SU24的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)過程為其接收到起飛命令后執(zhí)行正常巡航任務(wù),到達(dá)巡航區(qū)域20分鐘以后,于10時(shí)12分接收到基地轟擊恐怖分子命令,而后執(zhí)行轟炸操作,10時(shí)16分A國(guó)戰(zhàn)機(jī)完成了第一次轟炸任務(wù),空中掉頭進(jìn)行第二次轟炸,10時(shí)24分完成任務(wù)準(zhǔn)備返航。如果SU24處于越境狀態(tài),則可能會(huì)收到B國(guó)警告命令進(jìn)入被警告狀態(tài),按照B國(guó)方面的說法A國(guó)戰(zhàn)機(jī)無視警告最后被擊毀,而A國(guó)方面則聲稱未越境且未收到警告,直接被F16擊落。

F16的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)過程為收到起飛命令后進(jìn)行巡航(起飛時(shí)間有疑問,根據(jù)C國(guó)雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果,F16于9時(shí)11分出現(xiàn)在C國(guó)雷達(dá)監(jiān)測(cè)范圍),可能狀態(tài)跳轉(zhuǎn)為發(fā)現(xiàn)俄羅戰(zhàn)機(jī)越境之后進(jìn)行警告,警告5分鐘無效后發(fā)送導(dǎo)彈將其擊落,也可能直接發(fā)射導(dǎo)彈打擊SU24戰(zhàn)機(jī)。飛行員的跳轉(zhuǎn)過程為與SU24一起執(zhí)行任務(wù),SU24墜毀后跳傘進(jìn)入傘降狀態(tài),其中一個(gè)受到恐怖分子射殺并死亡,另一個(gè)等待武裝直升機(jī)并最終獲救。C國(guó)雷達(dá)跳轉(zhuǎn)過程為正常戰(zhàn)備,9時(shí)11分觀測(cè)到B國(guó)戰(zhàn)機(jī)出現(xiàn),然后發(fā)現(xiàn)A國(guó)戰(zhàn)機(jī)出現(xiàn),執(zhí)行追蹤的整個(gè)過程。

圖4　狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.4　State transition diagram

3.3邏輯分析與仿真分析

時(shí)序圖描述事件中的消息交換。通過對(duì)可執(zhí)行模型的構(gòu)建以及后續(xù)的模型運(yùn)行分析中發(fā)現(xiàn)危機(jī)事件中的變化、邏輯順序以及驗(yàn)證各方的觀點(diǎn)。同時(shí)在有需求的情況下利用參數(shù)約束關(guān)系數(shù)據(jù)生成參數(shù)圖,進(jìn)行參數(shù)分析。

在本危機(jī)事件仿真方法中,其中重要一步就是利用STK仿真軟件對(duì)事件實(shí)例進(jìn)行場(chǎng)景仿真。場(chǎng)景仿真分析中可見性等因素的狀態(tài)結(jié)果作為可執(zhí)行邏輯分析中狀態(tài)圖狀態(tài)跳轉(zhuǎn)的觸發(fā)條件,驗(yàn)證邏輯是否合理。

綜合各大網(wǎng)站相關(guān)報(bào)道,主要有兩個(gè)陣營(yíng)的信息,分別是A國(guó)和B國(guó)，如表3所示。本文中建模所采用的場(chǎng)景關(guān)鍵參數(shù)均來源于權(quán)威媒體的新聞報(bào)道,文章主要利用所提出的方法驗(yàn)證數(shù)據(jù)的合理性,對(duì)于事件本身不提供客觀性的結(jié)論。

表3　事件疑點(diǎn)列表

3.3.1方案1:基于B國(guó)報(bào)道的建模分析

B國(guó)表示擊落俄戰(zhàn)機(jī)完全符合交戰(zhàn)規(guī)定。B國(guó)F16戰(zhàn)機(jī)對(duì)SU24進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)5分鐘的警告,警告無效后才將其擊落。F16作戰(zhàn)過程分為4步:①偵測(cè)到A國(guó)戰(zhàn)機(jī)向B國(guó)方向飛來以后,F16戰(zhàn)機(jī)機(jī)動(dòng)前往迎敵。F16機(jī)動(dòng)性能較好,具有快速爬升能力。②發(fā)出警告,通過無線電臺(tái)表明身份,要求A國(guó)戰(zhàn)機(jī)飛離侵犯的領(lǐng)空。③火控雷達(dá)鎖定,F16雷達(dá)能夠進(jìn)行仰視搜索和跟蹤以及自動(dòng)捕獲目標(biāo)。④發(fā)射導(dǎo)彈,F16發(fā)射的ARMAAM空空導(dǎo)彈有效射程5～7km,為簡(jiǎn)化分析,假設(shè)為6km。

可執(zhí)行仿真模型建立需要以下幾步：

步驟 1事件分析。整個(gè)事件過程中STK輸入的相關(guān)模型對(duì)象包括A國(guó)SU24戰(zhàn)機(jī)、M-8武裝直升機(jī)、K空軍基地、以及C國(guó)雷達(dá)站、B國(guó)F16戰(zhàn)機(jī)、C國(guó)IS據(jù)點(diǎn)以及B國(guó)雷達(dá)站。動(dòng)態(tài)模型對(duì)象具體屬性值如表4所示。

表4　方案1屬性設(shè)置表

步驟 2結(jié)構(gòu)分析。STK仿真工具是以時(shí)間軸為主線,對(duì)真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行仿真分析。

步驟 3建立模型。根據(jù)上述的流程描述,用STK對(duì)此危機(jī)事件進(jìn)行仿真模型的建立,建立的場(chǎng)景如圖5所示。

圖5　B國(guó)觀點(diǎn)態(tài)勢(shì)推演圖Fig.5　Situation map of viewpoint of Country B

步驟 4模型使用。借助STK仿真軟件的運(yùn)行,并通過更改F-16戰(zhàn)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo),從而判斷B國(guó)F-16戰(zhàn)機(jī)是否是早有預(yù)謀,在空中等待SU24,并將其擊落。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6　事件仿真觸發(fā)Fig.6　Event simulation trigger

步驟 5捕獲STK狀態(tài)變換的時(shí)間點(diǎn),觸發(fā)Rhapsody事件的跳轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)俄土事件狀態(tài)跳轉(zhuǎn)以及事件的演化推進(jìn)。圖7給出狀態(tài)跳轉(zhuǎn)結(jié)果,A國(guó)SU24戰(zhàn)機(jī)接收到轟炸恐怖分子命令后進(jìn)行攻擊任務(wù),并被偵測(cè)其越境,B國(guó)F16戰(zhàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行警告,警告無效后發(fā)射導(dǎo)彈攻擊。

3.3.2方案2:基于A國(guó)報(bào)道的建模分析

A國(guó)11月24日晚,首度公開A國(guó)SU24戰(zhàn)機(jī)的路線圖,證明俄戰(zhàn)機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的確沒有越界問題。并且根據(jù)敘防空部隊(duì)的客觀監(jiān)測(cè)資料,土戰(zhàn)機(jī)在C國(guó)領(lǐng)空停留了40s,深入敘境內(nèi)2km,而俄戰(zhàn)機(jī)并未越過B國(guó)邊界。

被擊落的SU24戰(zhàn)機(jī)于莫斯科時(shí)間10時(shí)24分完成了對(duì)目標(biāo)的轟炸。隨后,其駕駛的飛機(jī)被從B國(guó)第8空軍基地起飛的土空軍F-16戰(zhàn)機(jī)用空對(duì)空導(dǎo)彈擊中。B國(guó)飛機(jī)在敘上空發(fā)射導(dǎo)彈后,加快轉(zhuǎn)彎,以低于防空部隊(duì)雷達(dá)探測(cè)的高度飛離現(xiàn)場(chǎng)。同時(shí),C國(guó)赫梅明機(jī)場(chǎng)及俄領(lǐng)航飛機(jī)的監(jiān)控設(shè)施均未記錄到土戰(zhàn)機(jī)通過之前約定的頻率向俄飛行員發(fā)出任何警告。

根據(jù)以上說明,建立了仿真態(tài)勢(shì)圖,如圖8所示,可以看出A國(guó)飛機(jī)從未越境(圖中粉紅色線條為SU24仿真飛行軌跡)。根據(jù)場(chǎng)景仿真結(jié)果并對(duì)Rhapsody狀態(tài)進(jìn)行觸發(fā),得到時(shí)序圖,如圖9所示,顯示B國(guó)未進(jìn)行任何警告操作。

圖7　B國(guó)5分鐘警告時(shí)序圖Fig.7　Warning time sequence diagram of Country B in 5 minutes

圖8　A國(guó)觀點(diǎn)態(tài)勢(shì)推演圖Fig.8　Situation map of viewpoint of Country A

圖9　B國(guó)直接攻擊時(shí)序圖Fig.9　Direct attack sequence diagram of Country B

3.3.3方案對(duì)比分析

通過構(gòu)建場(chǎng)景模型,并進(jìn)行可執(zhí)行分析與仿真分析,可以對(duì)上文提出的一些疑問進(jìn)行驗(yàn)證,得出一些簡(jiǎn)單的結(jié)論。

首先,從構(gòu)建的兩種方案仿真對(duì)比(見表5)可知,B國(guó)方案中,F16收到任務(wù)命令從距離報(bào)道攻擊位置最近的空軍基地起飛,考慮準(zhǔn)備起飛時(shí)間與距離飛行時(shí)間,在俄戰(zhàn)機(jī)被擊毀時(shí),F16戰(zhàn)機(jī)并不能到達(dá)導(dǎo)彈發(fā)射區(qū)域,因此,執(zhí)行攻擊任務(wù)的F16戰(zhàn)機(jī)應(yīng)是之前在附近執(zhí)行巡航任務(wù)的戰(zhàn)機(jī),而非臨時(shí)起飛的戰(zhàn)機(jī)。

表5　場(chǎng)景關(guān)鍵指標(biāo)仿真結(jié)果對(duì)比

其次,B國(guó)方案中稱F16戰(zhàn)機(jī)在5分鐘內(nèi)對(duì)SU24進(jìn)行了10次警告,并在未越境追殺的情況下將其擊毀。仿真模型中根據(jù)報(bào)道的SU24各時(shí)間點(diǎn)的位置,估算被追擊時(shí)間內(nèi)的飛行速度,在5分鐘時(shí)間所完成的飛行距離,可得到F16不可能在不越境的情況下完成最后的攻擊任務(wù)。

最后,根據(jù)B國(guó)所公布的雷達(dá)圖,通過建模生成STK中相應(yīng)位置參數(shù)條件下的越境場(chǎng)景,模擬SU24執(zhí)行任務(wù)中越過土方領(lǐng)空,得出結(jié)論由于越境時(shí)間極短,不具備越境并被警告,跟蹤并完成攻擊任務(wù)的條件。

4　結(jié)　論

本文針對(duì)危機(jī)事件中涉及的一些邏輯和參數(shù)設(shè)計(jì)問題選擇了Rhapsody和STK作為第三方分析工具。ModelLink平臺(tái)具有靈活性、可敏捷定制的特性以及特有的數(shù)據(jù)管理服務(wù),因此可以引入更多專業(yè)分析工具和基于大數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析技術(shù),形成針對(duì)不同特定類型危機(jī)事件的快速建模與實(shí)時(shí)分析鏈路,驅(qū)動(dòng)敏捷方案生成與計(jì)算,對(duì)危機(jī)事件應(yīng)急管理具有重要意義。

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Model-drivenrapidmodelingandanalysismethodologyforcrisisincidents

LIMing-hao,YANGKe-wei,XUJian-guo,TANYue-jin

(College of Information System and Management, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

FocusedontheRussian-Turkishplaneincidentattheend2015,arapidmodelingandsimulationanalysisframeworkisestablishedbasedonthemodel-drivenmethodology,whichcanproviderapidmodelinganddecisionanalysissupportfortheemergencyjudgementofsimilarmilitaryconfrontationanddisputes.Morespecifically,scenariomodeling,executablelogicalanalysis,andvisualizedsimulationtechnologiesareemployedforstaticarchitecturemodeling,dynamicbehavioranalysis,andsimulationvalidation.Meanwhile,ModelLink,aself-developedrapidmeta-modelcustomizedmulti-viewmodelingtool,integratedwithotherthird-partyanalysisandsimulationsoftwarepackagesformsatool-crossmodelgeneration,analysis,andinteroperationchain.ItreceivestheinputfromsModelLink,andsupportsthequickmodelchangeandresponse.FortheRussian-Turkishplaneincident,open-sourceinformationfromRussian,Turkishandothersisfirstusedtobuildtwobasicscenariomodels.Then,thecomparisononanalysisresultsofdifferentmodelsverifiestherationalityandrealityofthedetailsofbothsides’statements.Moreover,theforegoingframeworkalsofacilitatesthemodelmodificationandoutputgenerationwithregardtotheinformationupdate.

crisisevent;model-driven;meta-model;rapidmodelingandanalysis;executablemodel;STKsimulation

2015-12-14；

2016-01-15；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2016-05-12。

國(guó)家自然科學(xué)基金(71501182，71571185)資助課題

N945.12

ADOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.09.13

李明浩(1990-),男,博士研究生,主要研究方向?yàn)閲?guó)防采辦與體系工程、系統(tǒng)優(yōu)化與綜合集成。

E-mail:liminghao4869@sina.com

楊克巍(1977-),男,教授,博士,主要研究方向?yàn)閲?guó)防采辦與體系工程、智能Agent建模。

E-mail:kayyang27@nudt.edu.cn

徐建國(guó)(1992-),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榧夹g(shù)體系研究、基于模型的系統(tǒng)工程、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。

E-mail:xujianguo106579@163.com

譚躍進(jìn)(1958-),男,教授,主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)管理與綜合集成技術(shù)、國(guó)防采辦與體系工程、任務(wù)規(guī)劃與優(yōu)化。

E-mail:yjtan@nudt.edu.cn

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160512.0907.002.html