張萌萌，陳洪輝，羅愛民，舒　振

（國防科學技術大學信息系統(tǒng)與管理學院信息系統(tǒng)工程重點實驗室，湖南　長沙 410072）

基于UPDM的防空反導系統(tǒng)時效性分析

張萌萌，陳洪輝，羅愛民，舒振

（國防科學技術大學信息系統(tǒng)與管理學院信息系統(tǒng)工程重點實驗室，湖南長沙 410072）

現代戰(zhàn)爭中，時效性是評價防空反導系統(tǒng)戰(zhàn)略預警、指揮決策等性能的重要指標。提出了一種基于仿真的防空反導系統(tǒng)時效性分析方法，從體系結構的角度評估防空反導系統(tǒng)的時延對反導成功率的影響。為此，首先提出防空反導系統(tǒng)時效性分析方法與過程，然后采用UPDM（unified platform of defense model）工具對防空反導流程進行體系結構相關產品的設計，最后利用所提方法對防空反導體系結構進行仿真，分析時延因素對防空反導成功率的影響，為時延分配、作戰(zhàn)流程優(yōu)化提供思路。

防空反導系統(tǒng)；UPDM；時延；時效性分析

網址：www.sys-ele.com

0　引　言

現代戰(zhàn)爭是信息化戰(zhàn)爭，戰(zhàn)場態(tài)勢越來越呈現多樣化、動態(tài)化與復雜化的特點。如何搶占先機、料敵制勝，如何在有限時間內進行指揮決策與響應執(zhí)行，是時效性研究的主要內容。

防空反導系統(tǒng)是集預警探測、情報偵查、指揮控制、火力打擊與通信為一體的指揮信息系統(tǒng)。防空反導作戰(zhàn)時，空戰(zhàn)的突然性為防空反導時效性提出了更大的挑戰(zhàn)。如何分配系統(tǒng)時延，如何根據作戰(zhàn)結果優(yōu)化作戰(zhàn)流程，是時效性分析的深層次內涵。

當前時效性研究一部分從指標權重綜合或靜態(tài)算法出發(fā)，未直面時效性的動態(tài)性本質，導致分析結果說服性不強；一部分采用動態(tài)仿真方法進行分析，但未做到設計與仿真的一體化，無法直接為優(yōu)化設計提供輸入。

本文從作戰(zhàn)仿真角度出發(fā)，提出時效性分析方法，并采用UPDM（unified platform of defense model）工具進行系統(tǒng)設計與仿真。UPDM是一個集體系描述、分析、設計與仿真為一體的建模工具，前身是Rational Rhapsody，它通過構建系統(tǒng)相關視圖，繼而轉換為可執(zhí)行模型進行仿真，達到“所見即所得”的效果。

1　防空反導系統(tǒng)時效性

當前，時效性多從醫(yī)療救助［1 3］、食品救助［4］、系統(tǒng)發(fā)布訂閱［5］、金融能源［6 7］、作戰(zhàn)指控［8 9］等方面展開，采用過程模型、網絡模型、組織模型等多種方法進行分析。本文著重從軍事領域作戰(zhàn)時效性出發(fā)，其他領域的分析方法為本文時效性分析奠定了基礎。

文獻［10］早在1995年就對C3I系統(tǒng)的時效性進行了研究，指出時效性研究存在以下問題：信息總是被公理化地假設為及時的，沒有強調時效性概念；片面重視C3I系統(tǒng)組成部分的時間特性，而對C3I系統(tǒng)總體的時效性未給予充分的重視。文獻［10］從系統(tǒng)響應時間、操作速度兩種時間因素出發(fā)，通過機會窗口指標分析了時效性對系統(tǒng)效能的影響。

文獻［11］針對當前C4ISR系統(tǒng)結構網絡化與扁平化趨勢，提出OPDAR系統(tǒng)結構建模方法，從情報流時延、指控流時延、協同流時延3個方面分析對系統(tǒng)效用的影響，并通過具體案例對所提方法進行驗證。

針對目標信息的生命周期及對應的時效性，文獻［12］提出信息的時效性概念，通過分析不同情況下信息效用隨時間的變化，得到信息效用對決策質量、毀傷概率的影響，并討論了信息用于作戰(zhàn)和決策的時效性。

文獻［13］認為指揮機構的指揮時效性是指揮人員可用的有效指揮決策時間與允許決策時間的比率，假定有效指揮決策時間是服從β分布的隨機變量，通過分析不同信息交流形式下的時效性，為指揮規(guī)模進行優(yōu)化。

文獻［14］針對地對空雷達對抗系統(tǒng)，把系統(tǒng)時延分為情報獲取時延、情報處理時延、輔助決策時延、命令下達時延、干擾站目標確定時延和干擾準備時延。并把系統(tǒng)時延作為系統(tǒng)空間的主要衡量指標，通過SEA方法分析系統(tǒng)空間與使命空間的重疊，進而得到對作戰(zhàn)的影響。

文獻［15］從情報保障時間、指揮控制時間、訂閱分發(fā)時間、態(tài)勢共享時間、系統(tǒng)反應時間5個方面分析系統(tǒng)結構的時效性，通過仿真實驗，分析了影響C4ISR系統(tǒng)結構時效性的因素，并對不同類型的系統(tǒng)結構進行了比較。

對比當前時效性研究現狀，主要從兩個方向展開：從指標權重綜合或針對所提模型的靜態(tài)算法出發(fā)，分析時效性對作戰(zhàn)效能的影響；從仿真角度分析不同情況下時效性對作戰(zhàn)結果的影響，得出影響時效性的主要因素?；诜揽辗磳ё鲬?zhàn)任務，本文給出時效性定義如下：

定義1防空反導時效性：其他影響因素（系統(tǒng)組件可靠性、容錯性）不變時，系統(tǒng)時延在隨機取值下，防空反導系統(tǒng)完成作戰(zhàn)任務的概率。

從時效性的動態(tài)性本質出發(fā)，本文從仿真的角度展開研究，首先構建防空反導系統(tǒng)作戰(zhàn)視圖，然后轉換為可執(zhí)行模型，輸入系統(tǒng)中蘊含的各類時延，運行得到作戰(zhàn)結果。

2　UPDM

UPDM提供了一套使用U ML、Sys ML或其他建模語言創(chuàng)建模型系統(tǒng)的虛擬建模環(huán)境，支持軟件開發(fā)者、系統(tǒng)工程師和系統(tǒng)架構師創(chuàng)建嵌入式或實際的系統(tǒng)。主要功能包括：分析和驅動系統(tǒng)需求、體系結構，確定系統(tǒng)結構與行為；對需求進行跟蹤，詳細考慮架構、機制，設計體系結構；根據分析模型自動產生代碼，編譯運行；根據仿真結果在主機或遠程對模型進行仿真分析。

UPDM工具中嵌入了DODAF開發(fā)包。DODAF是美國國防部頒布的體系結構描述框架，版本1.0［16］主要包括作戰(zhàn)視圖、系統(tǒng)視圖、技術視圖3部分，版本1.5［17］與2.0［18］增加了其他種類的視圖，并更加強調以數據為中心的思想。UPDM自定義了一套DODAF描述模型的開發(fā)順序，支持DODAF視圖的設計與仿真。

UPDM定義的DODAF作戰(zhàn)視圖描述模型開發(fā)順序如圖1所示。需要注意的是，開發(fā)時序圖（OV6c）時，需要根據作戰(zhàn)活動流程（OV5）中包含的判斷操作對應得到不同場景下的OV6c；開發(fā)作戰(zhàn)節(jié)點連接圖（OV2）時，首先根據高級作戰(zhàn)概念圖（OV1）得到只包含空作戰(zhàn)節(jié)點的OV2，然后把多個OV6c中的操作更新到 OV2中，并按照 OV6c中作戰(zhàn)節(jié)點之間的連接關系，繪制OV2中作戰(zhàn)節(jié)點的連接線，得到完整的OV2。

圖1　DODAF作戰(zhàn)視圖描述模型開發(fā)順序

UPDM解決了體系設計與仿真的鴻溝，便于仿真結果直接應用于優(yōu)化設計中，而且強調底層數據的兼容性與重用性，符合以數據為中心的思想。

3　防空反導系統(tǒng)時效性分析方法

3.1防空反導流程

根據文獻［19-20］，本文假定防空反導系統(tǒng)由預警衛(wèi)星、制導雷達、地面預警中心、旅指揮所、營指揮所、高炮連組成。首先由預警衛(wèi)星探測到來襲目標，向地面預警中心發(fā)出告警信息，地面預警中心進行預警判斷與落點計算等操作，并同時向落點區(qū)域內的制導雷達發(fā)出引導信息和向旅指揮所發(fā)出告警信息，制導雷達進一步跟蹤目標并確定軌跡，旅指揮所下達作戰(zhàn)準備命令并進行作戰(zhàn)準備，當旅指揮所接收到制導雷達告警信息與下級各指揮所準備完成信息后，旅指揮所下達打擊命令，各級指揮所接收并轉發(fā)打擊命令，由高炮連對目標實施打擊。具體流程如圖2所示。

由圖2可知，存在3個方面的因素使該流程包含多個場景：地面預警中心進行虛警判斷時，判斷結果導致出現不同的場景；旅指揮所接收到雷達預警信息或下級作戰(zhàn)準備完成信息的時間先后順序不同，場景也不同；整個作戰(zhàn)流程的執(zhí)行時間與敵方導彈飛行的時間的先后順序不同，場景也不同。因此，系統(tǒng)中存在的時延的不同取值直接決定作戰(zhàn)流程，進而影響到作戰(zhàn)結果。

3.2時延分類

由第3.1節(jié)可知，防空反導流程是由系統(tǒng)中存在的各種時間量串起來的。時延是由技術約束以及人為因素產生的，本文根據防空反導流程，把防空反導系統(tǒng)中存在的時延分為以下4類：

圖2　防空反導流程

傳輸時延（Convey_Delay）：指偵察、監(jiān)視探測裝備獲取的原始信息、融合后的情報態(tài)勢信息、指揮機構的指控信息等在傳輸過程中所耗費的時間。體現在防空反導流程中包括預警衛(wèi)星發(fā)送告警信息時延、地面預警中心發(fā)送引導信息時延、地面預警中心發(fā)送威脅信息時延、制導雷達發(fā)送告警信息時延、旅指揮所下達作戰(zhàn)準備命令時延、營指揮所下達作戰(zhàn)準備命令時延、高炮連上報作戰(zhàn)準備完成信息時延、營指揮所上報作戰(zhàn)準備完成信息時延、旅指揮所下達打擊命令時延、營指揮所下達打擊命令時延等。

處理時延（Handle_Delay）：指情報類信息、指控類信息以及協同類信息等在各作戰(zhàn)節(jié)點中進行處理操作所花費的時間，類似于文獻［10］提出的操作速度指標。體現在防空反導流程中包括預警衛(wèi)星探測到敵方導彈的時延，地面預警中心信息處理、威脅評估、落點計算時延，制導雷達威脅探測時延，旅指揮所制定方案時延。

作戰(zhàn)準備時延（Prepare_Delay）：本文給定的作戰(zhàn)流程把作戰(zhàn)準備階段作為必不可少的階段，主要指戰(zhàn)備轉換和物資裝備到位花費的時間。流程中主要包括旅指揮所、營指揮所與高炮連進行作戰(zhàn)準備所花費的時間。

控制反應時延（React_Delay）：主要指武器裝備接收到指令后響應的時間，類似于文獻［10］提出的系統(tǒng)響應指標，流程中包括我方導彈升空前花費的時間（Fire_Delay）與敵方導彈飛行時間（Fly_Delay）。

在系統(tǒng)運行過程中，控制反應時延是確定的，例如敵方導彈飛行時間是由衛(wèi)星及雷達進行軌跡跟蹤測得飛行軌跡與落點得到的，而我方導彈升空前所花費的時間是由多次試驗得出的。傳輸時延、處理時延與作戰(zhàn)準備時延都會根據信息量和作戰(zhàn)任務而發(fā)生變化。

3.3時效性分析步驟

認為當整個作戰(zhàn)流程運行的時間小于Fly_Delay時，即敵方導彈落下之前我方導彈已經發(fā)出時，作戰(zhàn)流程是成功的，反之則是失敗的。由第3.2節(jié)可知，Fly_Delay是確定的，而整個作戰(zhàn)流程運行的時間是由流程中各個時延決定的，因此需要給定時延的取值。然而，傳輸時延、處理時延與作戰(zhàn)準備時延是動態(tài)變化的，并且動態(tài)變化的區(qū)間不是平均分布的。直觀看來，時延過長時，會導致作戰(zhàn)流程運行時間增加，失敗概率升高；時延過短時，信息處理或作戰(zhàn)準備不充分，仍然會增加作戰(zhàn)失敗的概率。因此實際情況下，作戰(zhàn)流程中動態(tài)變化的時延總是趨近于某區(qū)間。本文認為動態(tài)變化的時延服從正態(tài)分布（N（μ，σ2）），并且假定同類時延正態(tài)分布的參數一致。

因此，給出時效性分析步驟如下：

步驟1相關參數取值。輸入數據包括Convey_Delay、Handle_Delay、Prepare_Delay的均值μ與方差σ2，以及Fire_Delay與Fly_Delay的具體值。

步驟2采用UPDM建立防空反導系統(tǒng)。按照圖1流程，構建各DODAF描述模型，既要充分考慮各類時延在作戰(zhàn)流程中的位置，也要詳細考慮作戰(zhàn)節(jié)點經過的各種狀態(tài)，保證流程的準確性。

步驟3把數據加入流程中的對應位置。把隨機出的時延值加入流程中的對應位置，作為作戰(zhàn)節(jié)點的變量，參與到作戰(zhàn)流程中進行仿真。

步驟4系統(tǒng)仿真。根據設定好的流程及時延值進行仿真，得到該情況下系統(tǒng)作戰(zhàn)結果。重復進行多次仿真，分析防空反導系統(tǒng)時效性的優(yōu)劣。

4　防空反導系統(tǒng)時效性研究

4.1相關參數取值

使命任務與作戰(zhàn)流程參照第3.1節(jié)，假定輸入數據如下所示（單位：s）：

4.2防空反導系統(tǒng)建模

按照圖1所示的開發(fā)流程，根據圖2防空反導流程，開發(fā)各DODAF描述模型。

（1）開發(fā)OV1。OV1描述使命或業(yè)務過程、高層作戰(zhàn)設想。得到參與作戰(zhàn)的節(jié)點包含敵方導彈、預警衛(wèi)星、制導雷達、地面預警中心、旅指揮所、營指揮所、高炮連。這里不給出OV1圖。

（2）根據OV1創(chuàng)建OV2。OV2描述作戰(zhàn)節(jié)點完成的事件，它們之間的連接以及交換信息。由OV1創(chuàng)建的OV2只包含7個空的作戰(zhàn)節(jié)點，作戰(zhàn)節(jié)點內部的事件與節(jié)點之間的交互還需要通過OV6c確定。

（3）開發(fā)OV6c。根據OV5的判斷操作可以生成多個不同場景的OV6c，由于UPDM的OV5也采用泳道圖繪制，這里不再具體給出。OV6c定義作戰(zhàn)節(jié)點自身的操作以及作戰(zhàn)節(jié)點之間的觸發(fā)關系，UPDM詳細確定函數類型與返回值，便于之后的函數實現。OV6c可以有多個，圖3是一個OV6c舉例。

圖3　防空反導系統(tǒng)　OV6c圖

（4）更新OV6c到OV2。把多個OV6c中包含的事件更新到OV2中，并根據OV6c作戰(zhàn)節(jié)點的關系在OV2中繪制端口連接線，形成完整的OV2圖，如圖4所示。

（5）為每個作戰(zhàn)節(jié)點創(chuàng)建OV6b。OV6b是作戰(zhàn)節(jié)點的狀態(tài)描述，貫穿與作戰(zhàn)過程的整個生命周期，所以務必要全面考慮各狀態(tài)之間的跳轉關系。圖5是旅指揮所的狀態(tài)圖，由于事先并不知道何時接收到雷達的告警信息與下級的準備完成信息，所以存在多種狀態(tài)的執(zhí)行過程；圖6是高炮連的狀態(tài)圖，本文認為只有在敵方導彈落下之前我方導彈飛起，作戰(zhàn)才會成功。詳細給出各狀態(tài)之間的跳轉關系，涵蓋了OV6c中定義的函數和OV2各作戰(zhàn)節(jié)點內部的變量，通過C++代碼實現。

圖4　防空反導系統(tǒng)OV2圖

圖5　旅指揮所狀態(tài)圖

圖6　高炮連狀態(tài)圖

4.3數據輸入與仿真實現

根據數據與設計完成的系統(tǒng)進行仿真，仿真過程的部分顯示如圖7所示，它是由各個作戰(zhàn)節(jié)點的狀態(tài)與運行的作戰(zhàn)時序組合而成的，表示各個作戰(zhàn)節(jié)點之間的狀態(tài)跳轉關系。

根據高炮連狀態(tài)圖跳轉到成功或失敗狀態(tài)作為作戰(zhàn)結果判斷標準，本文進行50次仿真，其中16次為仿真成功，34次為仿真失敗，所以該系統(tǒng)在Fly_Delay=100 s時，系統(tǒng)的時效性為0.32，結果如圖8所示。

記錄每一次仿真的運行時間，得到運行時間集中在90～120 s之間，把Fly_Delay作為自變量，分析時效性與Fly_ Delay的映射關系，得到圖9所示的分布圖，可知Fly_Delay大于117 s時時效性為1，小于89 s時時效性為0，而在89～117 s之間時效性呈遞增趨勢。

由仿真結果可得出如下結論：

（1）分析Fly_Delay與防空反導系統(tǒng)時效性的關系，可以得到防空反導系統(tǒng)的運行時間區(qū)間，便于不同作戰(zhàn)流程的比較；

（2）根據每次仿真的仿真過程（見圖7），有助于找到系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，對作戰(zhàn)流程進行優(yōu)化；

（3）當前系統(tǒng)越來越呈現網絡化、扁平化的特點，須充分注意流程中的時效性因素，避免比如跨級指控時還未作戰(zhàn)準備完成就下達打擊命令的情況，做到剛性與柔性的結合。

圖7　仿真過程部分顯示

圖8　Fly_Delay=100 s時仿真結果

圖9　Fly_Delay與時效性的映射關系

5　結　論

本文針對防空反導系統(tǒng)，采用UPDM建模工具，分析了時延因素對作戰(zhàn)流程成功率的影響，對作戰(zhàn)流程的優(yōu)化具有積極作用。下一步工作從兩方面展開：時延因素與其他諸如可靠性、容錯性指標的綜合考慮分析；UPDM與STK、Matlab軟件連接，使可視化能力加強。

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Timeliness analysis of antimissile system based on UPDM

ZHANGMeng-meng，CHEN Hong-hui，LUO Ai-min，SHU Zhen
（Department of Information System and Management，Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory，National Uniυersity of Defense Technology，Changsha 410072，China）

In modern warfare，timeliness is an important index to evaluate performances such as strategic warning and decision making in the antimissile system.A timeliness analysis method using simulation to assess the success rate with time delay of the antimissile system from the angle of architecture is proposed.Firstly，the timeliness analysis method and the process of the antimissile system are put forward.Secondly，the unified platform of defense model（UPDM）is used to design relative architecture products in the antimissile system.Finally，the proposed timeliness assessment method is worked well by simulating the antimissile system.The antimissile success rate is analyzed with the simulation result，which proposes thoughts for delay distribution and process optimization.

antimissile system；unified platform of defense model（UPDM）；delay；timeliness analysis

TP 393

A

10.3969/j.issn.1001-506X.2016.05.14

1001-506X（2016）05-1059-08

2015-02-05；

2015-08-13；網絡優(yōu)先出版日期：2015-12-23。

網絡優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20151223.1112.026.html

張萌萌（1990-），男，博士研究生，主要研究方向為指揮信息系統(tǒng)。

E-mail：377019128@qq.com

陳洪輝（1969-），男，教授，博士，主要研究方向為需求工程、體系結構。

E-mail：chh0808@gmail.com

羅愛民（1970-），女，教授，博士，主要研究方向為指揮信息系統(tǒng)、體系結構。

E-mail：amluo@gfkd.mtn

舒振（1977-），男，副教授，博士，主要研究方向為指揮信息系統(tǒng)、體系結構。

E-mail：sz_1226@sina.com