陳霞

海軍裝備部，北京100841

面向體系結(jié)構(gòu)的作戰(zhàn)任務(wù)剖面建模仿真方法

陳霞

海軍裝備部，北京100841

［目的］為有效分析作戰(zhàn)任務(wù)剖面的系統(tǒng)行為和系統(tǒng)性能，［方法］提出一種面向體系結(jié)構(gòu)的任務(wù)剖面建模與仿真方法。從體系結(jié)構(gòu)建模出發(fā)，基于任務(wù)剖面的國(guó)軍標(biāo)定義，借鑒DoDAF模型對(duì)任務(wù)剖面進(jìn)行描述；建立任務(wù)剖面體系結(jié)構(gòu)模型，提出體系結(jié)構(gòu)模型到智能體（Agent）仿真模型之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，形成任務(wù)剖面可執(zhí)行模型。［結(jié)果］以對(duì)空防御任務(wù)剖面為例，基于體系結(jié)構(gòu)模型建立了基于Agent的仿真模型，分析了仿真模型的輸入輸出關(guān)系，［結(jié)論］可為作戰(zhàn)任務(wù)剖面設(shè)計(jì)提供方法指導(dǎo)。

體系；體系結(jié)構(gòu)；任務(wù)剖面；建模仿真；智能體

0 引 言

隨著軍事作戰(zhàn)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模越來(lái)越龐大，系統(tǒng)跨越的地域和覆蓋的技術(shù)范圍也越來(lái)越廣闊，使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制已被納入體系工程（System of Systems Engineering，SoSE）范疇［1］。體系結(jié)構(gòu)指各組成部分的結(jié)構(gòu)、它們之間的關(guān)系以及指導(dǎo)它們?cè)O(shè)計(jì)和后續(xù)演進(jìn)的原則與方針［2］，是“體系工程”集成的“架構(gòu)”和“藍(lán)圖”［3］。體系內(nèi)各組件系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為特性、系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)等需要借助于建模與仿真技術(shù)［4］?；贏gent建模仿真（Agent Based Modeling and Simulation，ABMS）方法被軍事仿真界普遍認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)環(huán)境下軍事作戰(zhàn)研究的最佳方法［5-6］。

任務(wù)剖面指產(chǎn)品在完成規(guī)定任務(wù)這段時(shí)間內(nèi)所經(jīng)歷的事件和環(huán)境的時(shí)序描述［7］。作戰(zhàn)任務(wù)剖面是指從戰(zhàn)斗準(zhǔn)備開(kāi)始到完成典型作戰(zhàn)任務(wù)這段時(shí)間上所經(jīng)歷的事件和環(huán)境的總稱(chēng)［8］。目前，對(duì)任務(wù)剖面的建模多限于可靠性方面［9］，即通過(guò)任務(wù)剖面的可靠性模型來(lái)評(píng)估任務(wù)的可靠性；有少量文獻(xiàn)涉及到任務(wù)剖面的仿真，基于其活動(dòng)和規(guī)則的形式化描述，建立任務(wù)剖面流程模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證［10］。但一直缺乏對(duì)任務(wù)剖面中各組件系統(tǒng)之間關(guān)系的描述，其對(duì)應(yīng)的仿真模型與靜態(tài)描述之間未建立明確的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

作戰(zhàn)任務(wù)剖面包含了作戰(zhàn)系統(tǒng)所屬各系統(tǒng)（設(shè)備）的事件序列活動(dòng)，其模型應(yīng)反映各組件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及關(guān)系。因此，作戰(zhàn)任務(wù)剖面模型可采用體系結(jié)構(gòu)模型描述，從而可理解系統(tǒng)的作戰(zhàn)概念、作戰(zhàn)任務(wù)、活動(dòng)序列、功能結(jié)構(gòu)，分析系統(tǒng)邏輯數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)交互，分析系統(tǒng)作戰(zhàn)性能以及影響系統(tǒng)性能的諸因素間的相互關(guān)系。本文擬提出一種面向體系結(jié)構(gòu)的任務(wù)剖面建模與仿真方法，將所建立的體系結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行模型（Agent模型），通過(guò)可執(zhí)行模型的仿真，對(duì)系統(tǒng)作戰(zhàn)能力以及影響作戰(zhàn)能力的各個(gè)因素進(jìn)行分析，確認(rèn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能否達(dá)到預(yù)期的作戰(zhàn)能力，從而可為體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論方法支撐。

1 任務(wù)剖面模型描述

1.1 體系結(jié)構(gòu)模型描述

根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)剖面的含義［7］，從作戰(zhàn)任務(wù)、任務(wù)時(shí)間、事件規(guī)劃和使用條件4個(gè)方面對(duì)剖面進(jìn)行描述。借鑒DoDAF V1.5體系結(jié)構(gòu)框架標(biāo)準(zhǔn)，作戰(zhàn)任務(wù)中的任務(wù)編成由組織關(guān)系圖（OV-4）描述，任務(wù)通道由作戰(zhàn)單元連接（OV-3）描述，任務(wù)時(shí)間采用時(shí)間軸上事件執(zhí)行劃分來(lái)描述，事件規(guī)劃由作戰(zhàn)活動(dòng)模型（OV-5）描述，使用條件由邏輯數(shù)據(jù)模型（OV-7）和作戰(zhàn)規(guī)則模型（OV-6a）描述。其對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

作戰(zhàn)系統(tǒng)組織關(guān)系闡述人的各種角色、組織、組織類(lèi)型（作戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中的主要參與者）之間的指揮結(jié)構(gòu)或關(guān)系，用以清晰地描述存在于組織之間、組織內(nèi)部的各種關(guān)系，包含監(jiān)督上報(bào)、指揮控制、指揮—服從、協(xié)作關(guān)系。

作戰(zhàn)單元連接關(guān)系圖采用“需求線”描述各作戰(zhàn)單元之間的信息交換。作戰(zhàn)單元之間采用“需求線”連接，用以對(duì)信息交換要求進(jìn)行說(shuō)明。

任務(wù)時(shí)間軸劃分，主要針對(duì)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中各個(gè)時(shí)間段所經(jīng)歷的事件進(jìn)行劃分，為作戰(zhàn)活動(dòng)模型的形成提供事件序列。

圖1 作戰(zhàn)任務(wù)剖面模型與剖面要素對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.1 Correspondence between profile model and elements

作戰(zhàn)活動(dòng)模型描述在執(zhí)行作戰(zhàn)使命的過(guò)程中正常開(kāi)展的各種活動(dòng)，以及各作戰(zhàn)活動(dòng)（或任務(wù)）、活動(dòng)之間的輸入與輸出（I/O）流。它的輸入輸出是作戰(zhàn)單元連接關(guān)系圖中需求線上的信息類(lèi)型。

邏輯數(shù)據(jù)模型描述作戰(zhàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類(lèi)型結(jié)構(gòu)，定義任務(wù)剖面中的數(shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)據(jù)類(lèi)型的屬性或特征，以及它們之間的相互關(guān)系。邏輯數(shù)據(jù)模型中的數(shù)據(jù)實(shí)體與作戰(zhàn)活動(dòng)相關(guān)，反映了作戰(zhàn)活動(dòng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)信息類(lèi)型。

1.2 可執(zhí)行模型描述

任務(wù)剖面體系結(jié)構(gòu)模型中的數(shù)據(jù)模型、規(guī)則模型、活動(dòng)模型等都是對(duì)系統(tǒng)作戰(zhàn)過(guò)程的靜態(tài)展示，它雖然含有大量描述作戰(zhàn)活動(dòng)的行為信息，但它是不能執(zhí)行的。為了對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)剖面模型結(jié)構(gòu)與提出的想定之間的相互影響作用進(jìn)行行為分析，必須建立系統(tǒng)的可執(zhí)行模型。有了可執(zhí)行模型就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并對(duì)系統(tǒng)的特性和性能進(jìn)行分析，為任務(wù)剖面模型優(yōu)化提供手段和量化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

ABMS方法在軍事仿真界已被普遍認(rèn)可［11］，因此，我們采用Anylogic軟件，基于Agent的建模思想，從狀態(tài)圖、流程圖、事件、函數(shù)等多方面建立任務(wù)剖面各實(shí)體的Agent模型，實(shí)現(xiàn)Agent之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換以及消息傳遞。Agent中事件執(zhí)行依賴(lài)條件觸發(fā)，Agent之間的信息交互采用消息傳遞機(jī)制，消息的傳遞通過(guò)消息類(lèi)的定義、傳輸完成。

Agent中需要的各裝備性能參數(shù)由人機(jī)界面輸入，仿真得到的作戰(zhàn)效能值直接以數(shù)值的形式顯示在人機(jī)界面中。事件執(zhí)行過(guò)程采用業(yè)務(wù)流程圖的形式動(dòng)態(tài)顯示，在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中各Agent的狀態(tài)變化以狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖形式顯示，各種展現(xiàn)形式可自由切換。各Agent的實(shí)現(xiàn)方式如圖2所示。

圖2 Agent參數(shù)、事件、流程、狀態(tài)實(shí)現(xiàn)方式Fig.2 Implementation of agent parameters，events，processes，states

2 體系結(jié)構(gòu)模型與可執(zhí)行模型的轉(zhuǎn)換

依據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)剖面體系結(jié)構(gòu)模型以及基于Agent的可執(zhí)行模型要素，可建立任務(wù)剖面DoDAF產(chǎn)品組件與Agent模型之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 DoDAF產(chǎn)品和Agent模型之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Correspondence between DoDAF products and agent models

建立任務(wù)剖面可執(zhí)行模型的步驟如下：

1）根據(jù)任務(wù)剖面的作戰(zhàn)單元確定Agent智能體個(gè)數(shù)，每個(gè)智能體可建立多個(gè)裝備，再由作戰(zhàn)活動(dòng)模型與裝備之間的關(guān)聯(lián)確定各裝備在活動(dòng)事件執(zhí)行中的狀態(tài)變化，確定每個(gè)智能體的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，建立狀態(tài)圖，如圖3所示。

圖3 Agent狀態(tài)圖示例Fig.3 Examples of agent state diagrams

2）建立Agent消息體。將邏輯數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)實(shí)體轉(zhuǎn)換為Agent模型中的消息體，并確保每個(gè)消息體都與所表示數(shù)據(jù)模型中的實(shí)體一致，如圖4所示。

3）定義事件與函數(shù)。將作戰(zhàn)活動(dòng)模型中的底層活動(dòng)對(duì)應(yīng)為Agent模型中各Agent的事件，同時(shí)將規(guī)則模型中的各規(guī)則定義為Agent模型的函數(shù)，該函數(shù)即為事件執(zhí)行的觸發(fā)函數(shù)，如圖5和圖6所示。

4）建立任務(wù)剖面的業(yè)務(wù)流程圖。根據(jù)Agent的消息、參數(shù)變量、事件邏輯以及由事件觸發(fā)引起的狀態(tài)變化，建立各事件之間的信息流動(dòng)模型，即業(yè)務(wù)流程圖，如圖7所示。

經(jīng)過(guò)以上步驟的轉(zhuǎn)換建立任務(wù)剖面的可執(zhí)行模型之后，對(duì)可執(zhí)行模型進(jìn)行仿真，從而可基于仿真輸出數(shù)據(jù)對(duì)任務(wù)剖面組成中各實(shí)體的行為、性能、效能進(jìn)行相應(yīng)的分析。

圖4 數(shù)據(jù)模型與Agent消息體對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4 DoDAF data model and agent message body

圖5 作戰(zhàn)活動(dòng)與Agent事件對(duì)應(yīng)Fig.5 Correspondence between operational activity and agent event

圖6 作戰(zhàn)規(guī)則與Agent函數(shù)對(duì)應(yīng)Fig.6 Correspondence between operational rule and agent function

圖7 任務(wù)剖面業(yè)務(wù)流程示意圖Fig.7 Diagram of mission profile business process

3 作戰(zhàn)任務(wù)剖面仿真

3.1 任務(wù)剖面仿真流程

本文以對(duì)空防御任務(wù)剖面為例，依據(jù)體系結(jié)構(gòu)建?？蚣軜?biāo)準(zhǔn)，按照?qǐng)D1所示對(duì)應(yīng)關(guān)系建立任務(wù)剖面體系結(jié)構(gòu)模型，并根據(jù)第2節(jié)的方法轉(zhuǎn)換為Agent可執(zhí)行模型，基于Agent模型對(duì)任務(wù)剖面進(jìn)行仿真，分析其對(duì)應(yīng)的作戰(zhàn)能力。

對(duì)空防御作戰(zhàn)任務(wù)剖面包含的作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)有：搜索雷達(dá)、紅外警戒設(shè)備、跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)、指揮控制系統(tǒng)、中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈、近程艦空導(dǎo)彈、近程反導(dǎo)艦炮和來(lái)襲目標(biāo)，可對(duì)應(yīng)建立各節(jié)點(diǎn)的Agent實(shí)體，并由實(shí)體的作戰(zhàn)活動(dòng)及時(shí)間序列等定義Agent事件及函數(shù)，形成對(duì)空防御作戰(zhàn)任務(wù)剖面可執(zhí)行模型，即仿真模型。

在對(duì)空防御作戰(zhàn)中，由搜索雷達(dá)、紅外警戒設(shè)備等探測(cè)器將探測(cè)到的來(lái)襲目標(biāo)信息發(fā)送給指揮控制系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)融合、威脅判斷等處理，再將高威脅等級(jí)目標(biāo)的目標(biāo)指示發(fā)送給相應(yīng)的武器系統(tǒng)，同時(shí)指示跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，武器系統(tǒng)接收跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)的精確跟蹤數(shù)據(jù)后進(jìn)行諸元解算，完成對(duì)目標(biāo)的攔截打擊。目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡由運(yùn)動(dòng)方程模擬，其它節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Agent狀態(tài)變化由事件觸發(fā)，整體仿真流程如圖8所示。

圖8 對(duì)空防御作戰(zhàn)任務(wù)剖面仿真流程Fig.8 Simulation flow of air-defense mission profile

3.2 任務(wù)剖面仿真輸入?yún)?shù)

對(duì)空防御任務(wù)剖面的輸入?yún)?shù)對(duì)應(yīng)為體系結(jié)構(gòu)模型中規(guī)則模型所涵蓋的條件參數(shù)，在進(jìn)行功能級(jí)仿真時(shí)，一般涉及到的是各Agent實(shí)體的性能參數(shù)，如圖9所示。

圖9 對(duì)空防御任務(wù)剖面仿真輸入?yún)?shù)示意圖Fig.9 Diagram of input parameters for air-defense mission profile simulation

3.3 任務(wù)剖面仿真輸出參數(shù)

建立任務(wù)剖面可執(zhí)行模型并進(jìn)行仿真的目的是觀察作戰(zhàn)系統(tǒng)運(yùn)行的性能指標(biāo)，根據(jù)指標(biāo)值判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀況，從而對(duì)剖面設(shè)計(jì)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。一些典型的性能指標(biāo)有：?jiǎn)文繕?biāo)成功攔截概率、對(duì)目標(biāo)流的攔截概率、最大攔截目標(biāo)批數(shù)、空中目標(biāo)平均滯留數(shù)、目標(biāo)平均滯留時(shí)間、剖面流程反應(yīng)時(shí)間等。

為了分析形成任務(wù)剖面各環(huán)節(jié)的作戰(zhàn)能力情況，還可以在仿真模型中設(shè)置各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)的輸出指標(biāo)，如表2所示。

在仿真分析時(shí)，可通過(guò)改變各輸入?yún)?shù)獲得對(duì)應(yīng)的輸出參數(shù)值，由輸入輸出參數(shù)變化關(guān)系分析對(duì)作戰(zhàn)能力影響較大的影響因素，以及各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)整體作戰(zhàn)能力的貢獻(xiàn)情況；在對(duì)任務(wù)剖面模型進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)后，通過(guò)改進(jìn)前后的能力變化也可分析任務(wù)剖面設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，從而為作戰(zhàn)任務(wù)剖面設(shè)計(jì)提供有力的決策依據(jù)。

表2 任務(wù)剖面各組件系統(tǒng)輸出參數(shù)集Table 2 Output parameters for each component system of mission profile

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從體系結(jié)構(gòu)建模出發(fā)，借鑒DoDAF模型中的組織關(guān)系圖、作戰(zhàn)單元連接、作戰(zhàn)活動(dòng)模型、作戰(zhàn)規(guī)則模型、邏輯數(shù)據(jù)模型等，分別表示任務(wù)剖面的任務(wù)編成、任務(wù)通道、事件規(guī)劃、使用條件，從而對(duì)任務(wù)剖面進(jìn)行描述，進(jìn)而映射到Agent仿真模型中的事件、函數(shù)、消息體等，建立任務(wù)剖面體系結(jié)構(gòu)模型與可執(zhí)行模型。最后，以對(duì)空防御作戰(zhàn)任務(wù)剖面為例，建立各作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)的Agent實(shí)體，描述任務(wù)剖面仿真流程，分析仿真模型的輸入輸出關(guān)系，從而可基于仿真輸出數(shù)據(jù)對(duì)任務(wù)剖面組成中各實(shí)體的行為、性能、效能進(jìn)行相應(yīng)的分析。

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Architecture oriented modeling and simulation method for combat mission profile

CHEN Xia
Naval Armament Department of PLAN，Beijing 100841，China

In order to effectively analyze the system behavior and system performance of combat mission profile，an architecture-oriented modeling and simulation method is proposed.Starting from the architecture modeling，this paper describes the mission profile based on the definition from National Military Standard of China and the US Department of Defense Architecture Framework（DoDAF）model，and constructs the architecture model of the mission profile.Then the transformation relationship between the architecture model and the agent simulation model is proposed to form the mission profile executable model.At last，taking the air-defense mission profile as an example，the agent simulation model is established based on the architecture model，and the input and output relations of the simulation model are analyzed.It provides method guidance for the combat mission profile design.

System of Systems（SoS）；architecture；mission profile；modeling and simulation；agent

U674.7+03.5

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2017.03.019

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170512.1155.004.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

陳霞.面向體系結(jié)構(gòu)的作戰(zhàn)任務(wù)剖面建模仿真方法［J］.中國(guó)艦船研究，2017，12（3）：135-141.

CHEN X.Architecture oriented modeling and simulation method for combat mission profile［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（3）：135-141.

2017-01-15< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2017-5-12 11:55

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

陳霞，女，1967年生，高級(jí)工程師。研究方向：作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)，信息系統(tǒng)總體技術(shù)