基于IDEF0與ESCPN的軍事情報系統建模研究

[摘 要]深入分析了軍事情報系統的復雜性、層次性、離散性和隨機性等特征，綜合運用形式化與非形式化建模技術，提出了IDEF0與ESCPN相結合的軍事情報系統混合建模方法。以電子對抗情報系統為例建立了其IDEF0與ESCPN的評估模型，研究結果表明此方法為軍事情報系統的建模、分析與評估提供了有益的思路。

[關鍵詞]軍事情報系統;IDEF0;擴展的隨機有色Petri網;評估模型

[中圖分類號]G252 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-0821(2010)02-0162-05

Study on Military Intelligence System Modeling Based on IDEF0 and ESCPNXiong Jie Liu Xiangwei Chen Genzhong

(PLA Electronic Engineering Institute，Hefei 230037，China)

[Abstract]Firstly the complexity，hierarchy，discreteness and randomness of military intelligence system were analyzed.Then the synthetical modeling method with combination of IDEF0 and extended stochastic coloured Petri net(ESCPN)was put forward in detail，by integrating formal and informal modeling technique.At last，the evaluation model of EW intelligence system was presented as an example.The analysis and verification showed that this paper provided a good idea for modeling，analysis and evaluation of military intelligence system.

[Keywords]military intelligence system;IDEF0;extended stochastic coloured Petri net;evaluation model

1 軍事情報系統建模分析

軍事情報系統是一個復雜、龐大的系統，一般呈現以下特征:(1)組成要素多層次和大規模。軍事情報系統涉及情報獲取、情報傳輸、情報處理、情報使用等眾多子系統，其中任何一個子系統都又包含眾多要素和下一級子系統，如此逐層分解，形成了規模龐大的多層次結構;(2)軍事情報系統各要素之間或各子系統之間的關聯形式多種多樣。這種關聯的復雜性表現在結構上是各種各樣的非線性關系，表現在內容上是物質、能量和信息的交換;(3)軍事情報系統從總體上講是一個離散事件系統，這是因為情報的獲取、傳輸和處理過程是由一系列事件和活動組成的，如目標搜索與跟蹤、目標綜合識別、威脅判斷與排序、態勢評估等;(4)軍事情報系統工作過程中充滿大量的隨機性、偶然性和并發性，如目標的出現、信息的共享等。上述特點使得軍事情報系統建模應滿足:分層次，描述可從抽象到具體，這樣便于模型復用;分粒度，描述可由大到小，由簡單到復雜;完整性，即建模方法應保證描述對象的充分性和完備性。這決定了很難用數學方程來描述軍事情報系統，因此本文提出IDEF0與ESCPN相結合的軍事情報系統混合建模方法。

IDEF0基于功能分解的單元建模技術，描述系統的功能活動及其聯系，適合于復雜系統的功能說明，已在信息化系統建模分析中得到廣泛的應用[1-2]。IDEF0模型可以表示系統的功能和結構，支持自頂向下逐層分解的方式來構造模型，并且便于軍事人員與技術人員的交流，從而保證從系統分析、設計到維護甚至升級的一致性。利用IDEF0模型可以全面描述軍事情報系統的功能結構、信息流程以及層次關系，但是無法模擬系統的動態行為，為了分析、評估軍事情報系統，必須結合其他方法構建恰當的模型來描述系統的功能、結構及動態行為。

Petri網是描述具有同步、并發、沖突特征的系統的一種有效工具。經過40多年不斷充實與完善，研究人員對Petri網進行了一系列的改進，提出了面向對象Petri網(OOPN)、層次Petri網(HPN)、時間Petri網(TPN)、隨機Petri網(SPN)和著色Petri網(CPN)等一系列Petri網模型[3-4]，憑借其嚴格的數學定義以及有效的分析方法Petri網已被廣泛地用于離散事件系統的建模與分析中。然而基本Petri網在軍事情報系統建模、分析與評估中還存在以下問題:(1)Petri網中的位置、轉移和Token所攜帶的信息不夠豐富，不能描述每項功能執行的動作，從而導致表達模型的內涵顯得不足;(2)Petri網模型不涉及時間因素，僅能反映出事件間的因果關系，不能表達各項活動的處理時間，難以模擬復雜系統中的各類隨機事件;(3)Petri網模型是一種平板結構，建模時系統的規模難以控制，特別是當系統的可達狀態增加時，模型的復雜性呈指數增加，使得模型的分析和理解變得十分困難。

為了適應軍事情報系統建模、分析、評估的需求，本文采用層次化的結構和面向對象的思想，通過對Petri網結構、建模元素、執行規則等幾個方面進行擴充，提出一種擴展的隨機著色Petri網模型，闡述了從IDEF0到ESCPN的轉換規則，并結合IDEF0和ESCPN建立了軍事情報系統的評估模型。

期基于IDEF0與ESCPN的軍事情報系統建模研究Feb.，2010Vol.30 No.22 ESCPN模型的形式化定義

擴展隨機著色Petri網的定義為八元組ESCPN=(Σ，P，T，X，A，C，Π，M0)，其中:

(1)Σ表示有限非空顏色集;

(2)P=PP∪IOP為庫所集，其中PP為擴展后的有色庫所集，IOP為系統(超變遷)與外界進行消息交換的輸入庫所及輸出庫所集合;

(3)T{t1，t2，Λ，tn｝為擴展后的變遷集;

(4)X={X1，X2，Λ，Xl｝為超變遷的有限集合，每個Xi∈X都表示一個擴展的隨機有色Petri網ESCPNi=(Σi，Pi，Ti，Xi，Ai，Ci，Π，M0i);

(5)A=P×T∪T×P為連接庫所與變遷的又向弧集，且A=Ab∪Ar∪Af，其中Ab為基本弧集，Ar為約束弧集，Af為柔性弧集;

(6)C∶P∪T→(Σ)為顏色函數，(Σ)∈ΣMC，對于p∈P，C(p)是p上所有可能的出現色集，對于t∈T，C(t)是t上所有可能的出現色集;

(7)Π∶R→F，F={F1，F2，Λ，Fn｝對應為每個隨機變遷的時延分布函數集。如在Molly提出的連續時間SPN模型[5]中，相關于每個轉移的分布函數定義為一個指數分布函數ti∈T∶Fi=1-e-λix，其中實參數λi>0是轉移ti的平均實時速率，變量x>0，則SPN模型的時延分布函數集可以表示為Π∶T→λ，λ={λ1，λ2，Λ，λn｝;

(8)M0∶P→ΣMS為初始標識集。

ESCPN模型中對基本Petri網的托肯、庫所、遷移及有向弧進行了擴展，其定義分別如下:

定義1(擴展Token):ESCPN模型的令牌本身有類型，令牌還帶有一個屬性表，使得令牌在網中流動時能真正攜帶信息。每一個屬性包括名稱和值兩項，表示為兩元組T=(Type，Propertylists)，其中Type表示Token的類型，對任意Token的屬性Pi=Propertylist，都表示一個名稱與值的二元組:Pi=(Namei，Valuei)。

定義2(擴展庫所):擴展的庫所引入了事件處理函數，增加了位置的類型。當庫所收到Token或輸出Token時，系統調用庫所的事件處理函數獲取、設置或輸出Token所攜帶的數據信息，使網帶“色”。

定義3(擴展遷移):擴展變遷用來描述系統發生的行為和執行的動作，與基本Petri網相比，擴展變遷增加了動作函數、事件處理函數，優先級、附加的點火條件(謂詞)。擴展變遷引入了如下函數集和功能定義:

①優先級:當多個變遷發生沖突時，優先級高的優先點火;

②動作函數:當點火發生時，調用該函數，可以用該函數完成處理動作;

③謂詞函數:在基本Petri網運行規則的基礎上，對變遷進入點火的條件還必須附加謂詞函數。謂詞函數返回TRUE時變遷可以進入點火狀態，否則不能夠進入點火狀態;

④事件處理函數:當變遷進入點火狀態時，系統調用事件處理函數。可以使用該函數進行統計或附加的處理動作。

定義4(超遷移):一個超變遷對應一個擴展的隨機有色Petri網ESCPNi=(Σi，Pi，Ti，Xi，Ai，Ci，Π，M0i)。超變遷提供了層次化的結構，可以簡化模型的結構，同時超變遷的引入不會破壞CPN良好的驗證和結構分析方法。

定義5(擴展有向弧):擴展有向弧包括約束弧和柔性弧兩種。約束弧表示庫所中存在托肯是變遷使能的必要條件，同時變遷的發生又不會使庫所中的托肯消失，這種約束弧相當于伴隨庫所的作用;柔性弧表示庫所中是否存在托肯對變遷的使能不存在制約關系，當庫所中存在托肯時，在變遷使能的情況下向變遷輸入庫所中托肯所代表的數據，同時變遷的發生不會使庫所中的托肯消失。

3 從IDEF0模型到ESCPN模型的轉換

從IDEFO模型生成ESCPN模型，首先必須解決Petri網的模塊化和層次化問題，同時還應保持原有系統的一些重要特性，比如有界性、活性、可回復性等。許多文獻就IDEF0模型向Petri網模型的轉換作了一定的研究[5-6]，但是主要存在以下問題:(1)將各層IDEF0模型轉換到一個單層的Petri網模型，這違背了IDEFO功能建模的模塊化、層次化設計的根本思想;(1)不區分數據與控制，將二者全部做數據處理，這種概念上的混淆往往會帶來建模過程中的混亂與錯誤;(3)由于基本Petri網的變遷不能夠逐層進行分解，無法解決IDEF0模型的模塊化和層次化問題。

因此本文提出從IDEF0模型生成ESCPN模型的基本原則:

(1)以ESCPN的變遷對應IDEFO模型中的原子活動，原子活動是指不可再分性，原子活動的具體動作由變遷的動作函數及事件處理函數進行描述;

(2)以ESCPN的超變遷對應IDEFO模型中的復合活動，復合活動是指本活動在下級IDEF0模型中被進一步分解為多個子活動，超變遷對應的ESCPN模型由復合活動所對應的下級IDEF0模型確定;

(3)ESCPN模型中的庫所對應IDEFO模型中的數據和狀態;

(4)IDEFO模型中數據的處理和傳輸表現為ESCPN模型中托肯的產生、消耗和流動，通過托肯在庫所中的流動描述系統的動態行為;

(5)IDEFO模型中的功能輸入輸出關系對應于ESCPN模型的基本弧;

(6)控制(C)和機制(M)的轉換:

一是控制，按照IDEFO的標準，控制并不是數據，通常是某些指導原則或約束條件等。反映在Petri網中，控制是用來決定模型的運行的，控制在基本Petri網中可能表現為控制庫所和托肯(類型1)，也可能無法直接表現(類型2)。在ESCPN模型中，類型1的控制由庫所及與之相連的約束弧描述，類型2的控制通過變遷的動作函數、謂詞函數或事件處理函數描述;二是機制，機制是活動的基礎或支撐條件，最典型的是各種設備、人員等，一般只是在加工過程中暫時被占用，隨后又釋放出來，因此在ESCPN模型中用庫所和與之相連的約束弧表示。

(7)IDEFO模型中功能和數據都存在分解的可能，一個高層的模塊可以分解成為幾個低層模塊，高層的數據類在低層被進一步分解為若干數據或子數據類。在向ESCPN模型轉化的過程中，嚴格逐層對應轉化，高層到底層的模塊分解體現為變遷的逐層分解，數據的逐層分解由擴展的庫所和托肯體現。

4 軍事情報系統評估模型

電子對抗情報系統是軍事情報系統的一個典型代表，其建模過程體現了軍事情報系統建模的所有特征，本文以它為例來說明基于IDEF0及ESCPN的軍事情報系統建模方法。下邊分別建立其IDEF0模型和ESCPN模型。

4.1 電子對抗情報系統的IDEF0模型

電子對抗情報系統的頂層結構由情報偵察、初級電子對抗情報處理、中級電子對抗情報處理、高級電子對抗情報處理四個模塊組成。情報偵察模塊主要完成信息獲取工作，初級電子對抗情報處理模塊主要是接收情報偵察模塊的數據信息，完成電子目標分析及電子戰斗序列分析，并形成局部地域電磁態勢圖;中級電子對抗情報處理模塊主要是將不同地域、不同平臺、不同專業領域的電子對抗初級情報綜合起來，形成整個負責地域內的電磁態勢;高級電子對抗情報處理模塊主要是進行綜合情報分析與判斷，形成電子對抗綜合情報和敵情通報等。

電子對抗情報系統的頂層活動模型如圖1所示，圖中的矩形框描述了系統的主要功能，箭頭描述了各種數據流、信息流和控制流，整個模型描述了電子對抗情報收集、處理、分析、整編形成電子對抗情報產品以及情報成果分發的全過程。圖1 電子對抗情報系統頂層IDEF0模型通過對頂層IDEF0中各個活動的分解可以得到各層子IDEF0模型，從而可以更加具體地描述系統的結構和功能。如將電子對抗初級情報處理活動進一步分解得到其子活動模型如圖2所示。圖2 初級電子對抗情報處理IDEF0模型 圖2中的各個活動模塊可以進一步分解，由于篇幅關系這里不再詳細闡述。

4.2 電子對抗情報系統的ESCPN模型

IDEF0模型描述了電子對抗情報系統的體系結構、信息流程，是一種靜態模型，根據從IDEF0模型到ESCPN模型的轉換規則，可將其轉換為動態可執行的ESCPN模型，頂層IDEF0模型所對應的ESCPN模型如圖3所示。圖3 電子情報系統頂層ESCPN模型 圖3中X1、X2、X3、X4為超變遷，它們所代表的含義分別為X1:情報偵察活動，X2:初級情報處理活動，X3:中級情報處理活動，X4:高級情報處理活動，分別對應IDEF0頂層模型A0中4個主活動，可被進一步分解為ESCPN子模型，描述其具體的信息處理活動。t1、t2、t3、t4為擴展變遷，用于描述各個分系統的數據分發活動。

連接弧上標明了各托肯所攜帶的數據類型，體現了模型運行過程中數據的轉換和流動關系，各庫所的顏色集與鄰近弧表達式上變量或常量的顏色集一致。

將超變遷X2分解得到初級電子對抗情報處理的ESCPN模型如圖4所示。圖4 初級電子對抗情報處理ESCPN模型 初級電子對抗情報系統的ESCPN模型可以繼續向下分解直至最終的ESCPN模型中不含有超變遷。擴展的隨機著色Petri網在基本Petri網的基礎上引入了面向對象的思想，增加了層次化的結構，這樣大大降低了模型的規模和復雜度，便于模型的建立和理解。同時，通過對基本建模元素的擴展，使得ESCPN不僅可以描述復雜系統的組織結構和動態行為，還能描述系統的具體動作。因此，應用ESCPN對軍事情報系統進行建模，一方面可以全面描述軍事情報系統的功能結構、信息流程以及層次關系，表達系統中的同步、并發、沖突、隨機等特性，另一方面可以描述各項情報處理活動的具體動作，深刻描述系統的內涵。

5 結束語

軍事情報系統的ESCPN模型具有基本Petri網的所有特征，運用Petri網的動態性質(可達性、有界性、活性、公平性等)及結構性質(守恒性、可重復性、協調性、死鎖、陷阱等)分析方法可以對軍事情報系統的體系結構及信息流程進行分析和評估，找出制約系統的瓶頸;通過變遷的時延分布函數描述情報處理過程中的各種排隊現象和隨機時間，分析系統的各項時間性能指標;給變遷添加各種動作函數、事件處理函數及謂詞函數，用以描述各項情報處理活動的具體內涵與實際過程，結合軍事情報系統的評估指標體系，驅動ESCPN模型的運行完成軍事情報系統的分析與評估。

參考文獻

[1]陳禹六.IDEF建模分析和設計方法[D].北京:清華大學出版社，2000.

[2]尚文利.基于IDEF與UML的系統建模方法[J].計算機集成制造系統，2004，10(3):252-258.

[3]羅雪山，羅愛民，張耀鴻，等.Petri網在C4ISR系統建模、仿真中的應用[M].長沙:國防科技大學出版社，2007.

[4]林闖.隨機Petri網和系統性能評價[M].北京:清華大學出版社，2005.

[5]王君英.基于IDEFO的CIMS底層控制Petri網模型的自動生成方法[J].自動化學報，1997，23(3):400-404.

[6]王志堅，蔡自興.基于IDEF0模型的Petri網間接建模方法研究[J].系統仿真學報，2008，20(15):3915-3919.

[7]林春應.電子對抗情報學導論[M].北京:解放軍出版社，2006.