王慶龍, 王智學(xué), 何紅悅, 朱衛(wèi)星

(1. 解放軍理工大學(xué)指揮信息系統(tǒng)學(xué)院, 江蘇 南京 210007;2. 解放軍理工大學(xué)信息管理中心, 江蘇 南京 210007)

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基于模糊-云模型的C4ISR系統(tǒng)效能需求建模與分析方法

王慶龍1, 王智學(xué)1, 何紅悅1, 朱衛(wèi)星2

(1. 解放軍理工大學(xué)指揮信息系統(tǒng)學(xué)院, 江蘇 南京 210007;2. 解放軍理工大學(xué)信息管理中心, 江蘇 南京 210007)

在C4ISR系統(tǒng)能力需求開(kāi)發(fā)過(guò)程中,非功能性需求建模是一個(gè)難點(diǎn),在綜合模糊統(tǒng)一建模語(yǔ)言(unifiedmodelinglanguage,UML)與云模型的基礎(chǔ)上,提出了一種面向C4ISR系統(tǒng)效能需求的建模與分析方法。首先,從系統(tǒng)效能需求建模入手,提出一種兼顧C(jī)4ISR系統(tǒng)功能和效能綜合建模的需求分析框架,并通過(guò)擴(kuò)展傳統(tǒng)的UML來(lái)提高其領(lǐng)域適用性,實(shí)現(xiàn)對(duì)效能等模糊信息的建模。其次,結(jié)合該框架設(shè)計(jì)了一種效能云模型逆向生成算法,并提出基于云模型的綜合效能評(píng)估函數(shù)構(gòu)建方法,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)效能的定量分析,評(píng)價(jià)系統(tǒng)完成使命任務(wù)的效果。最后,通過(guò)一個(gè)精簡(jiǎn)的區(qū)域防空系統(tǒng)案例驗(yàn)證了方法的可行性與正確性。

模糊統(tǒng)一建模語(yǔ)言; 效能需求; 效能評(píng)估函數(shù); 云模型

0　引　言

C4ISR(command,control,communication,computer,intelligence,surveillance,resonance)系統(tǒng)是一類(lèi)典型的復(fù)雜系統(tǒng),各成員系統(tǒng)在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、運(yùn)行、管理中都有一定的獨(dú)立性,從而增加了C4ISR系統(tǒng)需求開(kāi)發(fā)的難度[1]。并且C4ISR系統(tǒng)不只是一個(gè)軟件系統(tǒng),還是一個(gè)復(fù)雜的人機(jī)系統(tǒng),因而傳統(tǒng)用于軟件開(kāi)發(fā)的需求工程方法很難直接應(yīng)用在C4ISR系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中?？茖W(xué)合理地提出包括功能、效能、結(jié)構(gòu)等內(nèi)容的系統(tǒng)需求方案,是決定系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成功與否的關(guān)鍵因素,而完整、正確、準(zhǔn)確的系統(tǒng)需求,能夠有效地提高系統(tǒng)開(kāi)發(fā)質(zhì)量,降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn),節(jié)省系統(tǒng)開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi),縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，并且有助于系統(tǒng)后期的管理與演化[2-3]。

C4ISR系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程包括將能力需求轉(zhuǎn)換為高層的C4ISR系統(tǒng)需求,并且評(píng)估C4ISR系統(tǒng)效能對(duì)能力需求的滿足程度[4-5]。其中,C4ISR系統(tǒng)的需求建模與驗(yàn)證是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。但是在C4ISR系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的初期,對(duì)抽象層次高的能力需求進(jìn)行建模又是十分困難的。此外,C4ISR系統(tǒng)的需求中通常存在許多難以建模的模糊概念,例如系統(tǒng)需要探測(cè)范圍更廣、探測(cè)精度更高的雷達(dá)等。

目前,對(duì)于C4ISR系統(tǒng)的建模分析大多是在美國(guó)國(guó)防部體系結(jié)構(gòu)框架(DepartmentofDefenseArchitectureFrameworkversion2.0,DoDAF2.0)[6]的規(guī)范下進(jìn)行的,并且大多采用統(tǒng)一建模語(yǔ)言(unifiedmodelinglanguage,UML)[7]或者系統(tǒng)建模語(yǔ)言(systemmodelinglanguage,SysML)[8]等作為體系結(jié)構(gòu)建模語(yǔ)言，對(duì)待建系統(tǒng)的功能性需求(functionalrequirements,FR)進(jìn)行建模。但是此類(lèi)方法大多缺少對(duì)系統(tǒng)效能需求等非功能性需求(non-functionalrequirements,NFR)建模的支持。因此,通常需要定義轉(zhuǎn)換方法將基于UML或者SysML建立的概念模型轉(zhuǎn)換為Petri網(wǎng)、可執(zhí)行UML(executableUML，xUML等可執(zhí)行模型,然后通過(guò)分析可執(zhí)行模型的仿真執(zhí)行結(jié)果，得到系統(tǒng)效能需求的滿足情況,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)[8-10]。但在系統(tǒng)概念模型與可執(zhí)行模型之間進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換通常存在語(yǔ)義等價(jià)性等問(wèn)題。因此，在建模語(yǔ)言或者建模工具中集成C4ISR系統(tǒng)領(lǐng)域概念和驗(yàn)證機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效能的分析驗(yàn)證就顯得十分重要了。

關(guān)于C4ISR系統(tǒng)的效能評(píng)估方法及模型的研究都是研究的熱點(diǎn)。目前,在效能評(píng)估方法方面,主要有基于層次分析法(analytichierarchyprocess,AHP)、系統(tǒng)效能分析法(availability,dependability,capability，ADC)、SEA(systemeffectivenessanalysis)方法等。AHP方法通過(guò)判斷矩陣確定各指標(biāo)權(quán)重,然后與灰色理論、模糊綜合評(píng)判等方法完成對(duì)系統(tǒng)的效能分析。AHP方法構(gòu)建具有自上而下、逐層傳遞的層次結(jié)構(gòu)。C4ISR系統(tǒng)等復(fù)雜系統(tǒng)的能力指標(biāo)體系通常不再是傳統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu),而是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),因此傳統(tǒng)的AHP方法不適用。ADC方法隨著系統(tǒng)組成的復(fù)雜,系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)的增加會(huì)極大增加問(wèn)題的復(fù)雜性,計(jì)算工作量也隨之增大。SEA方法在系統(tǒng)進(jìn)行效能分析時(shí),需要選擇合適的性能度量(measuresofperformance,MOP),分析系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律,并計(jì)算基于多維性能度量的系統(tǒng)效能,對(duì)具體系統(tǒng)進(jìn)行效能分析的準(zhǔn)確性取決于性能度量模型的好壞以及指標(biāo)體系的完善性。這就需要對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行規(guī)律等進(jìn)行詳細(xì)的分析,而對(duì)于C4ISR系統(tǒng)這類(lèi)復(fù)雜系統(tǒng)在需求分析階段,很難有詳細(xì)與準(zhǔn)確的系統(tǒng)分析,難以構(gòu)建良好的性能度量模型。

針對(duì)C4ISR系統(tǒng)效能需求建模以及分析中存在的問(wèn)題,在引入模糊UML與云模型的基礎(chǔ)上,提出一種針對(duì)C4ISR系統(tǒng)非功能性需求的建模與分析方法。首先從建立C4ISR系統(tǒng)能力分析框架入手,獲取領(lǐng)域知識(shí),通過(guò)引入模糊UML(fuzzy-UML)[11]實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能(能力)需求與非功能(效能)需求的綜合建模；然后利用云模型及其相關(guān)算法構(gòu)建效能評(píng)估函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)效能的定量評(píng)估；最后結(jié)合領(lǐng)域知識(shí)復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)C4ISR系統(tǒng)功能需求與非功能需求的綜合建模分析。

1　效能需求建模

1.1能力需求分析框架

文獻(xiàn)[7]提出了能力需求的分析框架,該框架由元層、領(lǐng)域?qū)雍蛻?yīng)用層等3層組成。在系統(tǒng)需求開(kāi)發(fā)過(guò)程中,需求工程師通過(guò)使用該框架在高層的抽象概念和領(lǐng)域特定概念之間獲取領(lǐng)域知識(shí),并且構(gòu)建具有豐富語(yǔ)義且能充分體現(xiàn)系統(tǒng)體系需求和領(lǐng)域用戶需要的需求模型。本文在該框架的基礎(chǔ)上,提出了面向C4ISR系統(tǒng)能力需求分析框架,如圖1所示。

圖1　面向C4ISR系統(tǒng)建模的能力元模型Fig.1　Capability meta-model for C4ISR system

同樣,面向C4ISR系統(tǒng)能力需求分析框架分元層、領(lǐng)域?qū)雍蛻?yīng)用層等3層對(duì)C4ISR系統(tǒng)能力需求進(jìn)行建模。其中,元層與UML的M2層相對(duì)應(yīng),元層模型也就是能力元模型,由源自DoDAF2.0元模型數(shù)據(jù)組的體系結(jié)構(gòu)概念及其相互關(guān)系組成。在此基礎(chǔ)上,本文增加和精化了部分概念,例如任務(wù)目標(biāo)、能力、效能等概念,并且構(gòu)建了面向C4ISR系統(tǒng)建模的能力元模型,如圖1所示。領(lǐng)域?qū)訉?duì)應(yīng)于UML的M1層,領(lǐng)域?qū)幽Ｐ途褪峭ㄟ^(guò)C4ISR系統(tǒng)能力元模型實(shí)例化后得到的領(lǐng)域模型,主要由C4ISR系統(tǒng)領(lǐng)域特定概念及關(guān)系組成,以城市防空領(lǐng)域?yàn)楸尘?其領(lǐng)域特定的概念有空情預(yù)警、目標(biāo)打擊能力等。與M1層之下的M0層相對(duì)應(yīng)的是應(yīng)用層,應(yīng)用層模型則是領(lǐng)域模型通過(guò)實(shí)例化后得到的系統(tǒng)需求模型。

1.2UML建模方法的擴(kuò)展

1.2.1基于模糊UML的模糊概念建模

在C4ISR系統(tǒng)需求開(kāi)發(fā)中,效能需求通常是用來(lái)描述系統(tǒng)或者能力執(zhí)行特定任務(wù)的效果。但是,在效能需求描述中存在許多模糊、隨機(jī)等不確定概念,而經(jīng)典的UML缺乏對(duì)這些概念進(jìn)行建模描述的能力。并且在C4ISR系統(tǒng)能力需求的領(lǐng)域模型中,在描述一些領(lǐng)域概念時(shí)需要增加效能特征,這會(huì)使這些明確的概念變得模糊,例如“目標(biāo)打擊能力”是明確的概念,而“快速作戰(zhàn)準(zhǔn)備”是該能力的一種效能特征,要求盡可能快地完成作戰(zhàn)準(zhǔn)備,也是一種模糊概念,因而難以確定某個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)量邊界來(lái)界定“快速”。還有許多會(huì)發(fā)生模糊化的領(lǐng)域概念,例如精確打擊能力、預(yù)警能力等。

為了解決模糊的領(lǐng)域知識(shí)的建模描述問(wèn)題,可以引入面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)中針對(duì)模糊信息建模中使用的fuzzyUML[11-12]。并且通過(guò)對(duì)fuzzyUML進(jìn)行必要的擴(kuò)展,使其能夠滿足對(duì)模糊的效能概念建模的需要。為了方便建模,本文劃分3層模糊性來(lái)定義模糊類(lèi)(其中μ:X→[0,1]是隸屬度函數(shù)):

(1) 類(lèi)本身是模糊的,一個(gè)對(duì)象是否屬于某個(gè)類(lèi)是不確定的。通過(guò)在類(lèi)的屬性欄中,增加隸屬度μ(0≤μ≤1)屬性項(xiàng),來(lái)描述對(duì)象對(duì)于某個(gè)類(lèi)的隸屬度。

(2) 類(lèi)的某個(gè)屬性是模糊的,即屬性的值域是不確定的。通過(guò)在該模糊屬性前添加FUZZY關(guān)鍵字來(lái)表示其模糊性。

(3) 如果某個(gè)類(lèi)的父類(lèi)或者子類(lèi)是模糊類(lèi),那這個(gè)類(lèi)也會(huì)是模糊類(lèi)?？梢酝ㄟ^(guò)在模糊類(lèi)之間構(gòu)建繼承關(guān)系來(lái)描述此類(lèi)模糊性。

本文使用第一類(lèi)模糊性來(lái)支持C4ISR系統(tǒng)效能需求建模,模糊的效能概念可以建模為具有模糊屬性的模糊類(lèi),并擁有一個(gè)隸屬度函數(shù)μ:X→[0,1],并且將模糊類(lèi)的實(shí)線框變換為虛線框,如圖2所示。本文將在第二節(jié)詳細(xì)討論基于云模型的效能評(píng)估函數(shù)的構(gòu)造方法,用來(lái)確定模糊對(duì)象的隸屬度μ。

圖2　城市防空的C4ISR系統(tǒng)領(lǐng)域知識(shí)模型Fig.2　Domain knowledge model of city air defense for C4ISR system

1.2.2提高UML的領(lǐng)域適用性

UML是一種常見(jiàn)的、適用領(lǐng)域廣泛的通用建模語(yǔ)言。在某些特定領(lǐng)域的建模中,UML會(huì)存在描述能力不足、描述精度有限等領(lǐng)域適用性問(wèn)題。因此在某些特定領(lǐng)域建模中,通常需要通過(guò)添加領(lǐng)域本體來(lái)增加UML描述特定領(lǐng)域的建模語(yǔ)義。在圖1面向C4ISR系統(tǒng)建模的能力元模型中,提供了C4ISR系統(tǒng)領(lǐng)域本體,從而提升了UML的領(lǐng)域適用性。并且通過(guò)擴(kuò)展模糊UML,實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)確定的和模糊的能力需求進(jìn)行建模。通過(guò)利用UMLprofile機(jī)制,構(gòu)建面向C4ISR系統(tǒng)能力需求分析的領(lǐng)域特定建模語(yǔ)言(domain-specificlanguage,DSL)。特定領(lǐng)域建模語(yǔ)言使用能力元模型中的概念作為構(gòu)造子的構(gòu)造型(sterotype),例如活動(dòng)、能力、執(zhí)行者等。以城市防空領(lǐng)域?yàn)閼?yīng)用場(chǎng)景,在能力元模型的基礎(chǔ),通過(guò)以上方法構(gòu)建出城市防空的C4ISR系統(tǒng)領(lǐng)域知識(shí)模型,用以實(shí)現(xiàn)該領(lǐng)域的能力需求建模,其部分領(lǐng)域知識(shí)模型如圖2所示。

在城市防空領(lǐng)域中,城市防空任務(wù)需要預(yù)警能力,該能力的預(yù)期效果就是希望盡可能早地探測(cè)到空中目標(biāo),以提供盡可能好的預(yù)警效果。可見(jiàn)提前預(yù)警是一個(gè)模糊的、不確定的概念,因此可以將其建模為一個(gè)模糊類(lèi),而對(duì)于其他類(lèi)似的模糊概念,例如快速作戰(zhàn)準(zhǔn)備、有效毀傷目標(biāo)等同樣建模為模糊類(lèi)。

2　基于云模型的效能評(píng)估函數(shù)

2.1基于云模型的效能計(jì)算

從概率角度看,效能是系統(tǒng)在規(guī)定的工作條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi),能夠滿足預(yù)期效果的概率[13]。而效能評(píng)估函數(shù)就是系統(tǒng)將效能特征轉(zhuǎn)換為實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)預(yù)期效果概率值的計(jì)算函數(shù)。在效能需求建模中,效能值可以被建模為模糊類(lèi)的第一層模糊性μ值。效能評(píng)估的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)就是確定效能評(píng)估函數(shù)的形式。為了實(shí)現(xiàn)C4ISR系統(tǒng)的效能評(píng)估,本文提出了一種基于云模型的效能評(píng)估函數(shù)構(gòu)建方法,以歷史數(shù)據(jù)和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為輸入，通過(guò)該函數(shù)計(jì)算出能力的效能值,實(shí)現(xiàn)對(duì)C4ISR系統(tǒng)效能評(píng)估。

在C4ISR系統(tǒng)效能評(píng)估中,一些性能或者效能屬性是可以量化的,效能量化函數(shù)通過(guò)對(duì)這些屬性的計(jì)算從而得出其支持實(shí)現(xiàn)相應(yīng)預(yù)期效果的概率。但是對(duì)于某些效能屬性而言,無(wú)法直接度量或者計(jì)算,大多只能由專(zhuān)家給出定性的描述。這種定量與定性混合的情況給系統(tǒng)效能分析帶來(lái)了一定困難。云模型的提出,為解決以上問(wèn)題提供了途徑。

2.1.1云模型

云模型是在傳統(tǒng)模糊集和概率統(tǒng)計(jì)的理論基礎(chǔ)上,建立起的一種定性概念與定量描述之間雙向轉(zhuǎn)換的認(rèn)知模型。

定義 1設(shè)U是一個(gè)用精確數(shù)值表示的定量論域,C是U上的一個(gè)定性概念,若定量值x∈U且x是定性概念C的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn),x對(duì)C的確定度μ(x)∈[0,1]是具有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)。若μ:U→[0,1],?x∈U,x→μ(x),則x在論域U上的分布稱(chēng)為云(cloud),每一個(gè)x稱(chēng)為一個(gè)云滴[14]。云模型及云模型的數(shù)字特征如圖3所示。

圖3　云模型及云模型的數(shù)字特征Fig.3　Cloud model and its numerical characteristics

云模型是通過(guò)期望值Ex、熵En、超熵He 3個(gè)數(shù)字特征來(lái)描述的一個(gè)概念。其中,期望值Ex是定性概念的基本確定性的度量,是在論域中云滴分布的數(shù)學(xué)期望;熵En是定性概念不確定性的度量,既是定性概念隨機(jī)性的度量,反映了這個(gè)概念的云滴的離散程度,又是定性概念模糊性的度量,決定了能夠被概念接受的云滴的確定度;超熵He是熵的熵,也就是熵的不確定度量，對(duì)于某一概念而言,超熵越大,說(shuō)明被普遍接受的程度越高,超熵越小,說(shuō)明概念的分歧比較大,難以形成概念的共識(shí)[15]。

2.1.2正態(tài)云模型

定義 2設(shè)U是一個(gè)用精確數(shù)值表示的定量論域,C(Ex,En,He)是U上的定性概念,若定量值x(x∈U)是定性概念C的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn),服從以Ex為期望、En′2為方差的高斯分布x～N(Ex,En′2)。其中,En′2又是服從以En為期望、He2為方差的高斯分布En′～N(En,He2)的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn),且x對(duì)C確定度μ(x)滿足

則x在論域U上的分布稱(chēng)為正態(tài)云[14]。

正態(tài)云模型是一種對(duì)稱(chēng)云模型,同時(shí)也是最基本的云模型類(lèi)型。與正態(tài)分布一樣,正態(tài)云模型也有著廣泛的應(yīng)用[16]。對(duì)于C4ISR系統(tǒng)的效能需求中遇到模糊的信息,通過(guò)正態(tài)云模型可以將這些模糊信息轉(zhuǎn)換為精確的信息并且能夠進(jìn)行定量評(píng)估,從而可以較好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的效能建模與分析。

2.2基于云模型的效能評(píng)估函數(shù)的構(gòu)建

2.2.1效能評(píng)估函數(shù)的構(gòu)建思路

針對(duì)目前C4ISR系統(tǒng)中一些系統(tǒng)效能評(píng)估的實(shí)際情況,本節(jié)運(yùn)用云模型基礎(chǔ)理論,通過(guò)使用系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)以及專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等來(lái)構(gòu)建效能評(píng)估函數(shù),并對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)效能進(jìn)行評(píng)估分析,從而能夠客觀地反映C4ISR系統(tǒng)能力的執(zhí)行效果,如圖4所示。

圖4　基于云模型的效能評(píng)估過(guò)程Fig.4　Efficiency evaluation procedure based on cloud model

具體過(guò)程如下:

(1) 根據(jù)C4ISR系統(tǒng)效能評(píng)估的需求,采集系統(tǒng)有關(guān)效能數(shù)據(jù)(如系統(tǒng)某些測(cè)試數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等),然后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

(2) 將描述系統(tǒng)效能的數(shù)據(jù)通過(guò)效能屬性云逆向生成器生成單個(gè)效能云模型。

(3) 對(duì)單個(gè)效能云進(jìn)行合并，得到綜合效能屬性云模型。

(4) 求出綜合效能屬性云模型的期望函數(shù),也就是系統(tǒng)效能的評(píng)估函數(shù)。利用效能評(píng)估函數(shù)可以綜合評(píng)估C4ISR系統(tǒng)的效能。

在構(gòu)建效能評(píng)估函數(shù)時(shí),考慮效能需求的相應(yīng)特征,分析其效能評(píng)估函數(shù)的構(gòu)成特點(diǎn),然后理解系統(tǒng)的使命任務(wù),詳細(xì)分析業(yè)務(wù)活動(dòng)中,影響效能結(jié)果的各種因素,結(jié)合歷史數(shù)據(jù)以及領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)作為樣本點(diǎn),利用效能云逆向發(fā)生器,確定效能評(píng)估函數(shù)的基本形式。

2.2.2效能屬性云逆向生成器設(shè)計(jì)

通過(guò)運(yùn)用云模型基礎(chǔ)理論,并在參考相應(yīng)逆向云生成算法的基礎(chǔ)上[17],設(shè)計(jì)了C4ISR系統(tǒng)效能屬性云逆向生成器。

假設(shè)被評(píng)估的C4ISR系統(tǒng)共獲得m組數(shù)據(jù),每組有Mi個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng);若將每個(gè)數(shù)據(jù)作為一個(gè)云滴,然后通過(guò)逆向云生成算法，即效能云逆向生成器，就可以生成m個(gè)效能云模型。

在對(duì)系統(tǒng)效能的評(píng)估中,系統(tǒng)有多個(gè)單一的效能云模型,需要將其合并為一個(gè)綜合的效能云模型。但是每個(gè)云模型的重要性不同,因此在合并的時(shí)候需要考慮其權(quán)值。本節(jié)通過(guò)引入加權(quán)百分比概念來(lái)反映每個(gè)云模型的重要性。

某個(gè)云模型的加權(quán)百分比等于該云模型所擁有的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)之和除以總的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù),可以稱(chēng)之為加權(quán)百分比ωi,即

(1)

式中,N為總的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)；mi為每個(gè)屬性云模型所擁有的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

效能云模型逆向生成器算法如下:

輸入輸入數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)Xi(xi1,xi2,…,xiMi)(i=1,2,…,m)。

輸出m個(gè)效能屬性云(EC1,EC2,…,ECm)的數(shù)字特征(Ex1,…,Exm,En1,…,Enm,He1,…,Hem)。

算法的具體步驟如下:

步驟 1根據(jù)Xi(xi1,xi2,…,xiMi)(i=1,2,…,m),計(jì)算每組數(shù)據(jù)的樣本均值:

(2)

步驟 2根據(jù)數(shù)據(jù)的樣本均值,得到每個(gè)云模型期望值為

步驟 3在期望值與樣本數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,每個(gè)云模型的熵值為

(3)

步驟 4對(duì)于每個(gè)云滴(xij,μi),計(jì)算:

(4)

(5)

因此,利用上述算法就可以很方便地求出每組數(shù)據(jù)組對(duì)應(yīng)的各效能屬性云模型的數(shù)字特征ECi(Ex,En,He)。

2.2.3綜合的效能評(píng)估函數(shù)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)C4ISR系統(tǒng)的效能評(píng)估,需要得到對(duì)應(yīng)的效能評(píng)估函數(shù)。在各組數(shù)據(jù)生成的單個(gè)效能云模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)各單個(gè)效能云模型的權(quán)值,計(jì)算出綜合的效能評(píng)估云模型,然后通過(guò)求其期望函數(shù)得到效能評(píng)估函數(shù)。

首先,根據(jù)各效能屬性云模型的數(shù)字特征以及對(duì)應(yīng)的權(quán)值可以計(jì)算出綜合的效能云模型的數(shù)字特征,計(jì)算公式為

(6)

由公式得到系統(tǒng)綜合的效能評(píng)估云的數(shù)字特征ECS(Ex,En,He),然后根據(jù)其數(shù)字特征,可以求出綜合的效能評(píng)估云的期望函數(shù):

(7)

在期望曲線上,每一個(gè)點(diǎn)就是每個(gè)[xi,μ(xi)]對(duì)應(yīng)的云滴的期望值Exi值。在C4ISR效能評(píng)估中,期望曲線也就是對(duì)某個(gè)定性模糊概念的定量描述,曲線的方程也就是效能評(píng)估函數(shù)。云模型的特點(diǎn)是云滴的確定度分布與概念的數(shù)字特征無(wú)關(guān),也就是和概念的內(nèi)涵無(wú)關(guān)。這正好說(shuō)明雖然每個(gè)專(zhuān)家對(duì)同一個(gè)C4ISR系統(tǒng)效能概念上存在認(rèn)知差異,但是他們總體的認(rèn)知規(guī)律是一致的。這也就消除了專(zhuān)家知識(shí)的偏見(jiàn),提高了系統(tǒng)效能評(píng)估結(jié)果的科學(xué)性和可信度。

3　案例分析

為了說(shuō)明本方法的可行性,本文以假想的某城市防空系統(tǒng)為例,詳細(xì)說(shuō)明基于模糊-云模型的C4ISR系統(tǒng)效能需求建模與分析方法的運(yùn)用過(guò)程。

假設(shè)某中小城市在以重點(diǎn)防空區(qū)域?yàn)閳A心,一定保護(hù)范圍為半徑劃定受防空保護(hù)區(qū)域。某導(dǎo)彈營(yíng)來(lái)執(zhí)行該城市的防護(hù)任務(wù),根據(jù)保護(hù)范圍的不同,該導(dǎo)彈營(yíng)部署近程和中程兩種防空導(dǎo)彈。

在此場(chǎng)景的應(yīng)用模型中,保護(hù)某城市的區(qū)域防空任務(wù)概念顯然是一個(gè)模糊概念,對(duì)城市的保護(hù)程度應(yīng)該與城市的重要程度正相關(guān),因此使用效能評(píng)估函數(shù)Importance(scope)來(lái)評(píng)估該城市重要程度(城市的重要程度與城市規(guī)模正相關(guān))。同時(shí),在分析城市區(qū)域防空任務(wù)的特點(diǎn)基礎(chǔ)之上,領(lǐng)域?qū)＜沂紫戎贫ㄒ粭l合理性規(guī)則:如果城市的重要程度為n(0≤n≤1),為了完成城市區(qū)域防空任務(wù),那么執(zhí)行該任務(wù)的防空部隊(duì)的目標(biāo)打擊能力的有效毀傷目標(biāo)效能值不小于n。此外,為了更好地說(shuō)明問(wèn)題,可以附加兩個(gè)樣本點(diǎn),當(dāng)城市的防護(hù)范圍為10km的時(shí)候,Importance(10)效能值為0.9;當(dāng)城市的防護(hù)范圍擴(kuò)大到20km,那么Importance(20)效能值為0.8。根據(jù)假想的應(yīng)用場(chǎng)景,首先使用OBCREAT1.0工具對(duì)待建的城市區(qū)域防空C4ISR系統(tǒng)進(jìn)行建模,如圖5所示。

圖5　某城市防空C4ISR系統(tǒng)應(yīng)用模型Fig.5　Application model of city air defense C4ISR system

在對(duì)區(qū)域防空C4ISR系統(tǒng)建模之后,為進(jìn)一步分析系統(tǒng)能否完成城市防空任務(wù),需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行效能評(píng)估,首先利用基于云模型的效能評(píng)估函數(shù)的構(gòu)建方法,從專(zhuān)家給出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中構(gòu)建出區(qū)域防空C4ISR系統(tǒng)某項(xiàng)效能的評(píng)估函數(shù),然后針對(duì)不同的使命任務(wù)以及不同作戰(zhàn)環(huán)境對(duì)系統(tǒng)效能進(jìn)行評(píng)估,最后根據(jù)評(píng)估結(jié)果,完成對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為了完成該城市的區(qū)域防空任務(wù),根據(jù)合理性的要求,防空導(dǎo)彈打擊能力的目標(biāo)毀傷效能值必須大于Importance(scope)的效能值。目標(biāo)打擊能力是擁有有效毀傷目標(biāo)效能并具有打擊范圍(scope)屬性的明確概念,有效毀傷目標(biāo)效能的效能評(píng)估函數(shù)為Destroy(scope),見(jiàn)圖2。在該城市的近程和中程兩類(lèi)防空任務(wù)中,以近程防空為例,通過(guò)第2節(jié)提出的方法,構(gòu)建其效能評(píng)估函數(shù)。首先由領(lǐng)域?qū)＜腋鶕?jù)實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出4組樣本數(shù)據(jù)點(diǎn),通過(guò)效能云模型逆向生成器得到4個(gè)單一效能屬性云模型,分別為EC1(10,6,0.5),EC2(12,7,0.5),EC3(14,8,0.5),EC4(16,9,0.5)，其4個(gè)單一效能屬性云模型如圖6所示。

利用綜合效能云模型計(jì)算方法,將4個(gè)單一效能云模型合并成為綜合效能云模型,然后再求出其期望曲線，從而得到效能評(píng)估函數(shù)Destroy(scope)。

圖6　單一效能屬性云模型Fig.6　Cloud model of single effectiveness attribute

根據(jù)綜合效能云模型計(jì)算方法可以求得合并后的綜合效能云模型的數(shù)字特征為ECS(Ex=13.4,En=7.8,He=0.5),其中ω1=0.2,ω2=0.2,ω3=0.3,ω4=0.3產(chǎn)生的綜合效能云模型如圖7所示。

圖7　近程防空導(dǎo)彈毀傷綜合效能云模型Fig.7　Comprehensive damage efficiency cloud model of short-range air defense missile

在圖7效能評(píng)估函數(shù)圖形中,容易觀察出完成近程防護(hù)任務(wù)導(dǎo)彈的最大打擊范圍大約是23km(隸屬度大于0.5),當(dāng)打擊范圍在13km左右時(shí),目標(biāo)毀傷效果最優(yōu)。

假設(shè)系統(tǒng)的使命任務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹谐谭雷o(hù)任務(wù),領(lǐng)域?qū)＜腋鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出中程防護(hù)任務(wù)樣本數(shù)據(jù)點(diǎn),一共給出4組樣本數(shù)據(jù)點(diǎn),因此通過(guò)逆向云生成器可以得到4個(gè)效能屬性云,分別是EC1(21,11,0.5),EC2(25,13,0.5),EC3(29,15,0.5),EC4(33,17,0.5)。

中程防空導(dǎo)彈計(jì)算步驟與近程防空導(dǎo)彈相同,得到其中程防護(hù)任務(wù)綜合效能云模型的數(shù)字特征為ECL(Ex=26.2,En=13.8,He=0.5),其中,ω1=0.3,ω2=0.3,ω3=0.2,ω4=0.2。

圖8比較了在近程和中程兩種區(qū)域防空任務(wù)下,系統(tǒng)的效能變化情況。通過(guò)觀察不難看出,當(dāng)城市區(qū)域防空范圍為10km,城市重要程度Importance(10)的效能值為0.9,而執(zhí)行防護(hù)任務(wù)的X中程導(dǎo)彈的毀傷效果Destroy(10)是0.5,X近程導(dǎo)彈的毀傷效果Destroy(10)是0.9。顯然X中程導(dǎo)彈的有效毀傷目標(biāo)效能值低于近程區(qū)域任務(wù)的最低要求值0.9,因而無(wú)法完成該任務(wù),OBCREAT1.0工具模型驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示。當(dāng)該城市區(qū)域防空的范圍擴(kuò)大為20km時(shí),城市重要程度Importance(20)的效能值為0.8,而執(zhí)行防護(hù)任務(wù)的X中程導(dǎo)彈的毀傷效果Destroy(20)是0.9,X近程導(dǎo)彈的毀傷效果Destroy(20)是0.7。顯然X近程導(dǎo)彈不再滿足中程區(qū)域防空任務(wù)要求,需要使用X中程導(dǎo)彈來(lái)完成新的任務(wù)。

在兩種不同的作戰(zhàn)任務(wù)條件下對(duì)區(qū)域防空C4ISR系統(tǒng)能力需求模型進(jìn)行分析,從分析過(guò)程和結(jié)果說(shuō)明來(lái)看,本文提出的基于模糊-云模型的效能建模分析方法在系統(tǒng)能力需求分析階段可以很好地實(shí)現(xiàn)模糊的效能概念建模,并且能夠支持系統(tǒng)的效能評(píng)估,驗(yàn)證出系統(tǒng)需求中不滿足使命任務(wù)要求的非功能需求,優(yōu)化系統(tǒng)需求;同時(shí),根據(jù)系統(tǒng)在不同的使命任務(wù)下的效能評(píng)估結(jié)果,可以優(yōu)化系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu),提高系統(tǒng)整體效能。

圖8　近程、中程防空導(dǎo)彈毀傷效能評(píng)估函數(shù)對(duì)比曲線Fig.8　Damage efficiency evaluation function curves of short-range and intermediate-range air defense missile

4　結(jié)　論

目前,C4ISR系統(tǒng)的需求分析驗(yàn)證多集中于系統(tǒng)的功能性需求且需要進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)模型驗(yàn)證,缺少對(duì)系統(tǒng)非功能性需求的建模分析,并且模型轉(zhuǎn)換也會(huì)帶來(lái)語(yǔ)義等價(jià)性證明等問(wèn)題,使得系統(tǒng)需求難以綜合建模分析驗(yàn)證。為了解決這些問(wèn)題,本文提出了一種基于模糊-云模型的C4ISR系統(tǒng)效能需求建模與分析方法。首先通過(guò)定義一種兼顧能力的功能和效能建模的3層建?？蚣?并改進(jìn)傳統(tǒng)的UML建模語(yǔ)言，使其能夠描述效能需求中存在的模糊信息；然后構(gòu)建了面向C4ISR系統(tǒng)的領(lǐng)域知識(shí)模型,提高了建模語(yǔ)言的領(lǐng)域適用性,并且針對(duì)C4ISR系統(tǒng)效能評(píng)估難以定量描述的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了基于云模型效能評(píng)估函數(shù)構(gòu)建方法,通過(guò)構(gòu)建的效能評(píng)估函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)效能的定量評(píng)估,并根據(jù)評(píng)估結(jié)果,可以對(duì)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步分析,優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。方法實(shí)現(xiàn)了在C4ISR系統(tǒng)效能需求建模到驗(yàn)證的全過(guò)程,支持了C4ISR系統(tǒng)效能需求的驗(yàn)證評(píng)估。通過(guò)在系統(tǒng)需求開(kāi)發(fā)初期進(jìn)行系統(tǒng)效能建模與評(píng)估,能夠反映系統(tǒng)完成預(yù)期使命的情況,在此基礎(chǔ)之上,對(duì)系統(tǒng)需求進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化,得到更加完整、精確、準(zhǔn)確的系統(tǒng)需求,有利地支持了后一階段系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

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王智學(xué)(1961-),通信作者,男,教授,博士研究生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)橹笓]自動(dòng)化理論、需求工程、系統(tǒng)工程。

E-mail:wzxcx@163.com何紅悅(1985-),男,講師,博士,主要研究方向?yàn)樾枨蠊こ?、模型?yàn)證。

E-mail:hehy2008@sina.com

朱衛(wèi)星(1978-),男,副教授,博士,主要研究方向?yàn)橹笓]自動(dòng)化理論與技術(shù)、需求工程。

E-mail:zhuwx999@126.com

ModelingandanalysismethodtoC4ISRsystemforefficiencyrequirementsbasedonfuzzycloudmodel

WANGQing-long1,WANGZhi-xue1,HEHong-yue1,ZHUWei-xing2

(1. College of Command Information System, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China;2. Information Manager Center, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

Themodelingproblemofnon-functionalrequirementsplaysasignificantroleinC4ISR(command,control,communication,computer,intelligence,surveillance,resonance)systemicefficiencyanalysis.AmodelingandanalysismethodtoC4ISRsystemforefficiencyrequirementsbasedonthefuzzyunifiedmodelinglanguage(UML)andcloudmodelisproposed.Firstly,arequirementsanalysisframeworkissuggested,whichcandefineintegratedrequirementsofbothsystemfunctionsandefficiency,andtheclassicUMLisextendedtoimprovethedomainapplicability.AndthefuzzyinformationcanbemodeledbythefuzzyUML.Secondly,abackwardgeneratorarithmeticofefficiencycloudmodelisdesigned,andaconstructiblemethodforefficiencyevaluationfunctionbasedonthecloudmodelissuggested,whichcanfacilitatetomakequantitativeanalysisfortheC4ISRsystemanddescribethecompleteeffectofthemission.Finally,acrispcaseofairdefenseisusedtofacilitateanddemonstratethecorrectnessandfeasibilityofthismethod.

fuzzyunifiedmodelinglanguage(UML);efficiencyrequirement;efficiencyevaluationfunction;cloudmodel

2015-04-14；

2016-02-28；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2016-05-12。

國(guó)家自然科學(xué)基金(61273210)；國(guó)防重點(diǎn)預(yù)研項(xiàng)目(51306010202)資助課題

E917;TP391.9

ADOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.09.14

王慶龍(1988-),男,博士研究生,主要研究方向?yàn)樾枨蠊こ?、模型?yàn)證。

E-mail:jsxq901901@163.com

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160512.0912.010.html