面向任務的艦船系統(tǒng)信息流程仿真優(yōu)化方法

岳林，項國富，胡偉浩

中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

面向任務的艦船系統(tǒng)信息流程仿真優(yōu)化方法

岳林，項國富，胡偉浩

中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

針對目前艦船信息系統(tǒng)設計仍以功能集成實現(xiàn)為主，難以提升全艦總體信息交互與信息處理效率的問題，提出一種面向任務的艦船系統(tǒng)信息流程仿真優(yōu)化方法。該方法進行全艦任務分解與艦員戰(zhàn)位關聯(lián)，然后采用DoDAF的體系結構視圖技術建立面向戰(zhàn)位任務的艦船系統(tǒng)信息流模型。實驗表明，該方法既可檢驗信息流程的準確性和合理性，也可評估信息交互模型的關鍵節(jié)點和執(zhí)行效率，可為艦船信息化總體方案驗證優(yōu)化提供一種有效的定量分析技術途徑。

艦船系統(tǒng)；信息流程建模；人與系統(tǒng)模型；任務節(jié)點分解

0 引 言

隨著信息技術的飛速發(fā)展及各種電子信息裝備的大量應用，全艦信息系統(tǒng)集成優(yōu)化對艦艇作戰(zhàn)效能提高的促進作用愈發(fā)明顯。美、英等國海軍最新的艦船已突破僅從平臺或作戰(zhàn)角度單獨考慮信息化建設的局限，全艦信息一體化集成與綜合管理控制已成為技術發(fā)展趨勢，例如：美國最新的CVN-78核動力航母及DDG-1000驅(qū)逐艦提出“全艦計算環(huán)境”（Total Ship Computing Environment，TSCE）概念［1］，并結合全艦任務對全艦信息化建設進行統(tǒng)籌考慮和規(guī)劃，使全艦的作戰(zhàn)指揮、操縱控制、損管、后勤保障、維修和訓練等任務活動的執(zhí)行實現(xiàn)綜合管理控制，從而明顯提高自動化水平與作戰(zhàn)能力，并大幅減少了艦員數(shù)量（DDG-1000搭載艦員148人，而DDG-51 IIA為348人）［2］。

在DDG-1000的研制過程中，研制人員在開發(fā)初期不僅梳理了系統(tǒng)結構、作業(yè)流程、戰(zhàn)位需求，明確各系統(tǒng)功能和性能的配置，而且還從任務的角度對全艦信息系統(tǒng)進行集成優(yōu)化設計，并采用美國國防部體系結構框架（DoDAF）［3］視圖技術進行建模，形成了全艦信息系統(tǒng)的集成工程模型（IEM）。

在IEM模型庫中，每位艦員的任務線程行動都可以在全艦任務模型上得以識別，并且每一項確定的任務都根據(jù)其各種特性結合儲存在任務倉庫里的艦員行為規(guī)范與作業(yè)要求等數(shù)據(jù)進行“任務分析”，最終生成艦上工作量和人員需求的最優(yōu)化結構圖，從而在不影響使用性能的前提下實現(xiàn)了DDG-1000有限的148名艦員的合理配置［4］。

DDG-1000基于任務的系統(tǒng)工程建模方式從全艦每名艦員“任務線程”的角度分解系統(tǒng)功能，為海軍提供一種公共模型和語言來描述艦上的各種任務，從而實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)的一致性，提高系統(tǒng)集成、工程管理以及產(chǎn)品控制的效率［5］。事實上，DDG-1000并非是第1艘采用人與系統(tǒng)集成（HSI）設計理念進行全艦系統(tǒng)和人員建模的艦艇，但該設計理念卻在其研發(fā)與建造過程中得到了極大的發(fā)展和完善，從而實現(xiàn)了大幅減員情況下的安全保證和戰(zhàn)斗力提升［6］。

目前，艦船信息系統(tǒng)設計仍以功能實現(xiàn)為主，國內(nèi)學者關于艦船系統(tǒng)建模仿真的研究大多局限于系統(tǒng)內(nèi)部或某一類目標任務，例如艦船保障性工程建模［7］、動力系統(tǒng)/設備建模［8］、作戰(zhàn)任務流程建模［9-10］，尚無相關從艦船總體層面的任務需求進行信息流程建模分析與優(yōu)化的研究。為此，本文擬提出一種面向任務的艦船系統(tǒng)信息流程建模仿真與效能評估方法，實現(xiàn)從以往各功能系統(tǒng)設計向基于任務的全艦信息系統(tǒng)集成設計的轉(zhuǎn)變，從全艦層次提升全艦信息化水平與信息使用效率。

1 任務分解與戰(zhàn)位節(jié)點關聯(lián)建模

與傳統(tǒng)基于功能進行信息建模的設計方式不同，面向任務的信息交互流程建模首先需從戰(zhàn)位節(jié)點任務作業(yè)角度，分析艦任務指揮執(zhí)行過程中的系統(tǒng)交互流程，為此，首先需要建立戰(zhàn)位節(jié)點任務模型，分析全艦艦員戰(zhàn)位類型、作業(yè)任務、信息需求與指揮控制要求。

戰(zhàn)位節(jié)點任務建模首先需建立全艦任務剖面框架，然后將戰(zhàn)位節(jié)點與作業(yè)任務相關聯(lián)，最終生成戰(zhàn)位節(jié)點任務模型。其建模的主要過程如下。

1.1 全艦任務分解

根據(jù)艦使命任務和使用需求自上而下進行全艦任務分解，從“頂層使命任務層→艦使命任務層→艦任務剖面層→系統(tǒng)任務剖面層→任務活動模型層”進行任務層次劃分，建立全艦任務層次模型，如圖1所示。

圖1 全艦任務層次模型示例Fig.1 The layered mode case of total ship mission

1）頂層使命任務層。

頂層使命任務一般包括國家目的、國家安全戰(zhàn)略、國家安全目標、國家軍事目標、海軍使命任務、編隊使命任務等，頂層使命任務即是任務分解的源頭。

2）艦使命任務層。

由頂層使命任務層對任務逐層分解得到水面艦船的使命任務。水面艦船的使命任務一般包含實施戰(zhàn)略威懾；打擊和殲滅敵空海陸力量，奪取一定海域的制空權或制海權，保衛(wèi)海上交通線，掩護潛艇出航，實現(xiàn)登陸作戰(zhàn)支援；參加打擊海盜、出訪、救護等非戰(zhàn)爭軍事行動等。

3）艦任務剖面層。

艦任務剖面層是根據(jù)艦使命任務和相關使用需求，分析艦使命任務下本艦應具備的種種任務或功能，如探測感知、航行操控等。

4）系統(tǒng)任務剖面層。

系統(tǒng)任務剖面層是結合系統(tǒng)任務剖面實現(xiàn)的功能類型，分解艦任務剖面層的每項任務，如探測感知任務可分解為數(shù)據(jù)處理、信息感知、感知設備遙控等。

5）任務活動模型層。

任務活動模型源于系統(tǒng)任務剖面的分解，各種任務活動實際對應的就是艦員所執(zhí)行的一系列具體、明確的任務活動或過程，系統(tǒng)任務的分解可采用如下幾類原則：

（1）工況原則：根據(jù)艦的常規(guī)工況，如備戰(zhàn)備航、航渡、巡航、作戰(zhàn)、返航等工況進行子任務的分解。

（2）功能原則：根據(jù)某系統(tǒng)任務剖面實現(xiàn)的功能類型進行分解。如艦船駕控保障任務根據(jù)實現(xiàn)的功能，主要從可達和可航行性、生命力需求、特殊艦船作業(yè)、浮標及浮筒部署等功能類型進行子任務分解。又如自防御任務可從導彈攔截、防潛反潛和電子對抗等功能進行子任務分解。

（3）目標原則：在進行作戰(zhàn)管理任務或其他任務分解時，可以作戰(zhàn)目標為依據(jù)進行子任務分解。比如艦艇攻擊任務可依據(jù)登陸、消滅敵艦艇、切斷運輸航路等目標進行子任務分解。

（4）空間維度原則：在子任務的分解過程中，從作戰(zhàn)空間的維度（包括陸、海、空、天、電磁等）進行子任務分解。

1.2 戰(zhàn)位節(jié)點任務關聯(lián)建模

基于以上任務層次模型與艦員戰(zhàn)位模型，結合指揮組織關系，梳理不同戰(zhàn)位人員的信息需求與指揮控制接口，將各戰(zhàn)位節(jié)點與任務活動模型層的任務單元相關聯(lián)，進行戰(zhàn)位節(jié)點任務建模。戰(zhàn)位節(jié)點任務關聯(lián)模型主要描述：戰(zhàn)位節(jié)點類型、指揮關系、信息需求、任務活動。如圖2所示，以作戰(zhàn)指揮任務涉及的幾個戰(zhàn)位為例，其分別關聯(lián)信息收集、信息處理、態(tài)勢生成、制定作戰(zhàn)計劃等任務活動。

圖2 典型戰(zhàn)位節(jié)點任務關聯(lián)模型Fig.2 The activity relationship model for typical fight nodes

2 基于任務線程的系統(tǒng)信息交互建模仿真

本節(jié)結合上文提出的任務層次模型與戰(zhàn)位節(jié)點任務關聯(lián)模型，采用DoDAF的體系架構和視圖技術進行面向任務的艦船系統(tǒng)信息交互流程建模與仿真設計。

DoDAF中的運作體系結構包含7類視圖，采用面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一建模語言UML進行模型描述。本方法根據(jù)需要選用3類視圖——運作節(jié)點連接圖（OV-2）、運作活動圖（OV-5）、運作狀態(tài)時序變化圖（OV-6c）描述面向戰(zhàn)位節(jié)點的系統(tǒng)交互信息流模型。主要設計過程如下：

1）分析各戰(zhàn)位節(jié)點任務運作活動。

結合戰(zhàn)位節(jié)點任務模型，分析艦任務指揮控制執(zhí)行過程涉及各戰(zhàn)位節(jié)點的活動，生成面向任務的戰(zhàn)位節(jié)點任務運作活動圖（OV-5）。運作活動圖主要反映作業(yè)流程、輸入輸出信息和戰(zhàn)位節(jié)點對象，描述任務基本執(zhí)行過程（圖3）。

圖3 作戰(zhàn)指揮戰(zhàn)位節(jié)點任務運作活動圖（OV-5）Fig.3 The operation view of operational command nodes

2）梳理各戰(zhàn)位節(jié)點連接關系。

針對戰(zhàn)位節(jié)點任務活動與信息需求，分析各戰(zhàn)位節(jié)點之間任務活動執(zhí)行中相關的操作指令與信息交互，生成面向戰(zhàn)位任務的節(jié)點連接圖（OV-2）。戰(zhàn)位節(jié)點連接圖主要表現(xiàn)某項艦任務執(zhí)行過程中戰(zhàn)位節(jié)點間的信息交互內(nèi)容、接口、連接關系以及指揮控制形式（下達指令或語音指揮）。

3）建立多戰(zhàn)位節(jié)點協(xié)作的任務執(zhí)行時序圖。

2018年9月15日，第二十四次全國地方立法工作座談會在浙江杭州召開。中共中央政治局常委、全國人大常委會委員長栗戰(zhàn)書出席會議并講話。他強調(diào)：“要以習近平新時代中國特色社會主義思想和黨的十九大精神為指導，總結改革開放40年來我國立法工作特別是地方立法工作的成就和經(jīng)驗，推動地方立法工作與時代同步伐、與改革同頻率、與實踐同發(fā)展，為完善中國特色社會主義法律體系、推動地方經(jīng)濟社會發(fā)展作出新貢獻?！?/p>

根據(jù)戰(zhàn)位節(jié)點連接圖（OV-2）與各戰(zhàn)位節(jié)點任務運作活動圖（OV-5），即可建立多節(jié)點協(xié)作任務執(zhí)行運作狀態(tài)時序變化圖（OV-6c）。任務執(zhí)行時序變化圖主要描述參與任務的戰(zhàn)位節(jié)點對象、戰(zhàn)位狀態(tài)行為、信息跳轉(zhuǎn)關系及任務執(zhí)行時序順序。

3 基于信息交互模型的仿真優(yōu)化

基于系統(tǒng)信息交互模型，即可進行模型驗證與效能仿真，模型驗證主要是為了分析各戰(zhàn)位節(jié)點所對應的作業(yè)線程執(zhí)行過程中是否存在沖突、死鎖、資源爭用、丟失等問題，檢驗和分析信息交互流程的準確性和合理性；效能仿真則是通過設定仿真與環(huán)境參數(shù)，綜合分析評估信息交互模型關鍵節(jié)點和執(zhí)行效率，為方案對比分析與設計優(yōu)化提供支持。

1）系統(tǒng)交互信息流模型流程驗證。

模型流程驗證主要對戰(zhàn)位節(jié)點完成某項任務進行的信息交互和狀態(tài)變化過程進行驗證。利用建模仿真軟件平臺，針對某任務的系統(tǒng)交互信息流模型，在戰(zhàn)位節(jié)點連接圖（OV-2）中設定戰(zhàn)位節(jié)點交互接口、通信方式、信息流向，并執(zhí)行運作狀態(tài)時序變化圖（OV-6c）流程校驗工具，順序執(zhí)行信息流程，當執(zhí)行過程中發(fā)生沖突、死鎖（死循環(huán)）、丟失（中斷）時便會停止并跳出，準確定位流程中的錯誤節(jié)點。

系統(tǒng)交互信息流模型流程驗證與建模設計是一個反復迭代的過程，即在系統(tǒng)初始信息交互流程設計方案的輸入下，建立信息流模型，通過流程驗證分析，反過來檢驗信息流模型，保證流程的正確性與合理性。

2）系統(tǒng)交互信息流模型效能仿真與優(yōu)化。

模型效能仿真則是利用建模仿真平臺，針對所建立的系統(tǒng)交互信息流模型，根據(jù)研究目的和內(nèi)容制定相應的仿真試驗項目，設置仿真參數(shù)并執(zhí)行仿真模型，評估系統(tǒng)方案效能，支撐系統(tǒng)的設計優(yōu)化。

模型仿真首先需結合研究目的與內(nèi)容進行仿真參數(shù)設置，主要包括任務場景、仿真運行參數(shù)、事件狀態(tài)轉(zhuǎn)移仿真參數(shù)與任務執(zhí)行成本參數(shù)等的設置。

（1）任務場景設置：設定艦船當前的工況、任務事件。

（2）仿真運行參數(shù)設置：進行仿真模型的初始化設置，如仿真次數(shù)、仿真時間。

（3）事件狀態(tài)轉(zhuǎn)移仿真參數(shù)設置：戰(zhàn)位節(jié)點任務處理動作執(zhí)行概率、狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件等。

（4）任務執(zhí)行成本參數(shù)設置：轉(zhuǎn)移處理任務活動消耗成本，包括執(zhí)行時間、人力需求、資源成本等。

通過以上參數(shù)設置，仿真運行系統(tǒng)交互信息流模型，即可統(tǒng)計分析各戰(zhàn)位節(jié)點的平均使用率、任務的平均執(zhí)行時間、平均消耗成本等指標，可確定任務執(zhí)行過程關鍵節(jié)點，評估任務執(zhí)行效能，從而綜合驗證評估信息交互模型效能。

4 模型效能仿真與分析實驗

本節(jié)以艦船作戰(zhàn)工況下的典型作戰(zhàn)任務為例，選擇IBM Rational Rhapsody為仿真建模平臺，設定仿真與環(huán)境參數(shù)，進行信息流模型仿真分析，確定任務執(zhí)行過程關鍵節(jié)點，分析評估不同信息交互方案下的任務執(zhí)行效能，從而驗證所提出的信息交互流程仿真優(yōu)化方法的有效性。

4.1 仿真實驗參數(shù)設定

1）任務場景設定。

假定艦船當前位于作戰(zhàn)工況下，接收上級指示對所在海域執(zhí)行區(qū)域防空任務，發(fā)現(xiàn)一架敵機從某方向進入我方領海，艦指揮員根據(jù)預定方案立即實施攔截，敵機被擊落的時間窗口服從正態(tài)分布normal（25，8），其中25為期望值，8為方差。由此，可設定腳本函數(shù)如下：

CreateToken（“敵機”）；

SetTokenTime（“敵機”，normal（25，8））。

2）仿真運行參數(shù)設置。

進行任務執(zhí)行仿真模型的初始化設置，主要進行以下參數(shù)設置：

SetSimTime（2500）；//將仿真總時間設置為2 500 s。

SetSimCount（100）；//將仿真次數(shù)設置為100。

3）事件狀態(tài)轉(zhuǎn)移仿真參數(shù)設置。

由于每個戰(zhàn)位節(jié)點任務處理需要相關的執(zhí)行概率、狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件，即需設定相關條件轉(zhuǎn)移腳本函數(shù)（normal為正態(tài)分布函數(shù)），如本文中反導事件下反導活動的總概率為1，其對應可執(zhí)行電子干擾、導彈攔截、近程反導3種措施，各自的執(zhí)行概率分別為 0.2，0.4和0.4，如表 1所示。

表1 任務執(zhí)行概率設置Tab.1 The probability of mission performing

4）執(zhí)行成本參數(shù)設置。

由于轉(zhuǎn)移處理任務活動還需要消耗一定的作業(yè)時間、人力需求和資源開銷（本實驗暫定：成本＝戰(zhàn)位人次×作業(yè)時間×資源開銷），故需綜合以上因素，對每個節(jié)點成本進行參數(shù)與腳本設置，如表2所示，其中任務活動編號與表1中的任務活動名稱對應。

表2 執(zhí)行成本設置Tab.2 The cost of perform

4.2 模型效能分析

仿真運行系統(tǒng)交互信息流模型，即可統(tǒng)計分析各戰(zhàn)位節(jié)點的平均使用率、任務的平均執(zhí)行時間、平均消耗成本等指標，從而綜合驗證評估信息流模型效能。

1）節(jié)點平均使用率分析。

根據(jù)仿真運行結果，相關節(jié)點的平均使用率（本試驗中為各戰(zhàn)位節(jié)點在多次任務仿真流程中的參與次數(shù)平均值）如圖4所示。

圖4 任務節(jié)點使用率Fig.4 The using ratio of mission nodes

可見，艦長指揮戰(zhàn)位基本處于繁忙狀態(tài)，說明在對空作戰(zhàn)方面可以進行對空指揮決策授權或增加艦指揮處理節(jié)點，以縮短對空作戰(zhàn)反應時間。

2）任務活動的平均執(zhí)行時間。

根據(jù)仿真運行的統(tǒng)計結果，相關任務活動的平均執(zhí)行時間（本試驗中為各任務活動在多次任務仿真流程中的執(zhí)行時間平均值）如圖5所示。

圖5 任務活動的平均執(zhí)行時間統(tǒng)計Fig.5 The average time of mission activities

可見，信息處理活動所占用的執(zhí)行時間相對較長，所以信息處理可視情增加執(zhí)行戰(zhàn)位節(jié)點、提高處理能力或改變處理方式（分類或并行處理），減少任務活動占用時間。

3）平均消耗成本。

根據(jù)仿真運行的統(tǒng)計結果，每個任務活動的平均消耗成本（本試驗中為各任務活動在多次任務仿真流程中的消耗成本平均值）如圖6所示。

圖6 任務活動的平均消耗成本統(tǒng)計Fig.6 The average cost of mission activity

如圖6所示，導彈攻擊（9）、導彈攔截（11）的平均消耗成本較高，這是因為導彈資源成本較高，因此需在作戰(zhàn)流程中加強作戰(zhàn)方案設計，在保證相同命中概率的情況下進行武器使用規(guī)劃。同時，作戰(zhàn)計劃的修改調(diào)整會極大地增加消耗成本，如若將“方案確認”原來的重確認機率從10%調(diào)整至20%，則相關任務活動成本約上升20%～30%?？梢?，在對空作戰(zhàn)流程中，任務執(zhí)行的關鍵節(jié)點在于作戰(zhàn)計劃的制定，需根據(jù)作戰(zhàn)需求優(yōu)化作戰(zhàn)計劃，提高任務執(zhí)行效率。

接下來，針對以上方案（重確認10%）改變對空方案，即將電子干擾（8）、導彈攔截（11）和近程反導（12）執(zhí)行概率改為0.4，0.2和 0.4，進行2種作戰(zhàn)方案的成本評估分析，如圖7所示。

圖7 兩種方案的效能對比Fig.7 The comparison of two schemes

從仿真結果可以看出，方案2的總體成本相比原方案降低了約4%。可見，通過統(tǒng)計分析不同方案模型的仿真結果，即可基于定量依據(jù)進行多種方案的效能對比與驗證優(yōu)化。

5 結 語

綜上所述，通過采用面向任務的信息流程仿真優(yōu)化方法對全艦任務執(zhí)行過程進行仿真分析，即可確定任務執(zhí)行過程關鍵節(jié)點，評估任務執(zhí)行效能，為全艦任務執(zhí)行過程中的系統(tǒng)信息交互流程優(yōu)化與多方案對比提供有力支持。

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A mission-oriented simulating and optimizing method for the shipborne system information flow

YUE Lin，XIANG Guofu，HU Weihao
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Aiming at the problem that the design of ship information system is still based on the functional integration,whose overall information exchanging and disposal efficiency can be difficult to promote,a mission-oriented simulating and optimizing method for ship's system information flow is proposed.By dissecting the ship's missions and relating those to the fighting node,an information flow model of the shipborne system is established by adopting the technology of DoDAF architecture view.The simulation results show that the presented method is not only applicable in checking the veracity and rationality of the information flow,but is also capable of evaluating the key node and the efficiency of information exchanging models,which serves as a feasible method of quantitative analysis in validating and optimizing the scheme of ship informatization.

shipborne system；information flow modeling；human and system model；mission node resolving

中國分類號：U665.2

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.06.017

http∶//www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151110.1026.038.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

岳林，項國富，胡偉浩.面向任務的艦船系統(tǒng)信息流程仿真優(yōu)化方法［J］.中國艦船研究，2015，10（6）：114-119，125.YUE Lin，XIANG Guofu，HU Weihao.A mission-oriented simulating and optimizing method for the shipborne system information flow［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（6）：114-119，125.

2015-03-11 網(wǎng)絡出版時間：2015-11-10 10∶26

國家自然科學基金資助項目（61303238）

岳林（通信作者），男，1982年生，博士，工程師。研究方向：艦船信息化。E-mail：elfyue1982＠163.com

項國富，男，1984年生，博士，工程師。研究方向：艦船信息化。E-mail：15926415460＠163.com

喻 菁］