基于Petri網的空間信息支援反導作戰指揮控制系統概念建模與分析

朱延雷， 羅小明， 何 榕

(1. 裝備學院研究生管理大隊，北京 101416； 2. 裝備學院航天指揮系，北京 101416)

基于Petri網的空間信息支援反導作戰指揮控制系統概念建模與分析

朱延雷1， 羅小明2， 何 榕1

(1. 裝備學院研究生管理大隊，北京 101416； 2. 裝備學院航天指揮系，北京 101416)

在構建空間信息支援反導作戰指揮控制系統活動模型的基礎上，從規劃級、控制級和操作級3個層次規劃了空間信息支援反導作戰指揮控制系統的作戰流程。為了有效地描述空間信息支援反導作戰指揮控制系統作戰流程中的信息傳遞和動態交互關系，運用Petri網方法對空間信息支援反導作戰指揮控制系統的作戰過程進行了概念建模，并利用可達標志圖方法對所建Petri網模型的動態特性進行了分析。

Petri網；空間信息支援；反導作戰；指揮控制；概念建模；動態特性

空間信息支援，是指利用空間信息獲取系統、空間信息傳輸系統、空間時空基準系統、空間信息應用系統以及空間信息支援作戰指揮控制系統，為陸、海、空等作戰力量提供偵察、預警、通信、導航、測地和戰場環境監測等信息支援的行動，其目的是增強己方陸、海、空等作戰力量的情報搜集、指揮控制和快速反應能力。

作為作戰體系的核心及其提升作戰效能的“倍增器”，指揮控制系統在現代防空防天反導作戰中發揮著越來越重要的作用，主要具有信息存儲、融合處理、態勢顯示、威脅評估、作戰籌劃、決策監控和決策執行等功能。建立指揮控制系統概念模型，是開展反導作戰指揮控制理論和應用研究的重要前提。只有通過建立有效的概念模型，才能更好地理解反導作戰指揮控制系統運用和性能，進而對反導作戰指揮控制系統進行評價和優化。

反導作戰指揮控制系統作為一個分布式實時多任務系統，它由離散事件驅動，異構、同步和并發是其主要特點。而Petri網作為一種適合描述和分析具有并發、異構(或同步)和沖突等特性的離散事件系統的建模工具，除了具有類似流程圖、框圖和網絡圖的可視化描述功能外，它還可以通過標記的流動來模擬系統的動態行為。作為一種數學工具，Petri網具有良好的圖形表現能力和嚴密的數學基礎[1-2]，可用于建立狀態方程、代數方程和其他數學模型來描述系統的動態行為，因此Petri網是描述指揮控制系統的有效工具。

1 空間信息支援在反導作戰中的作用

在反導作戰中，空間信息支援主要包括戰前情報支援、作戰預警信息、通信保障和導航定位等方面。

1) 戰前情報支援。反導作戰在本質上屬于防御性質，作戰具有一定的被動性，只有在空襲目標進攻時才能進行攔截，而空襲方的進攻方向、時機、攻擊目標等具有很大的不確定性。由于導彈飛行速度快、空中飛行時間短,留給反導部隊的反應時間非常少，需要偵察預警衛星及早發現來襲導彈發射狀態信息，為反導部隊留出更多的準備時間,進而提高攔截概率。

2) 作戰預警信息。偵察預警衛星可以在第一時間發現來襲目標，并對其實施不間斷偵察，可對目標航跡進行初步融合，提供目標彈的飛行方向和落點區域，為指揮員進行導彈防御作戰提供決策依據；偵察預警衛星還可以對反導戰場進行態勢感知，監視目標彈情況，評估攔截彈打擊效果，進行作戰效果評估。

3) 通信保障。反導作戰對通信中繼衛星能夠建立高效快捷、一體化的指揮通信網絡，可為反導作戰指揮控制中心與戰場作戰單元建立通信聯絡，形成無縫的通信網絡，實時傳遞戰場情報信息，提供全面立體的信息支持能力。

4) 導航定位。導航定位衛星能為攔截彈提供制導信息，實時調整攔截彈飛行軌跡，確保準確攔截目標；導航定位衛星還能提供準確的時空基準，為反導作戰力量提供統一的時標信息。

2 空間信息支援反導作戰指揮控制系統概念建模分析

2.1 空間信息支援反導作戰指揮控制系統活動模型構建

空間信息支援反導作戰指揮控制系統活動是空間信息支援反導作戰力量中的指揮員及其指揮機關，依托信息化指揮控制系統，組織編成內的反導兵力實施作戰的領導活動。它是連接偵察預警系統和攔截打擊系統的紐帶，是將信息優勢轉化為決策優勢，進一步轉化為行動優勢，發揮反導武器系統的效能和體系效能的關鍵。

根據指揮控制系統的功能，將空間信息支援反導作戰指揮控制系統活動劃分為態勢感知、威脅評判、任務規劃、任務分配、火力控制、資源管理以及攔截評估7種功能活動[3-4]，如圖1所示。其中：1)態勢感知是指揮控制活動的基礎，是整個反導作戰指揮控制的首要環節和出發點；2)威脅評判是對態勢感知信息的過濾、篩選，威脅評判的準確性直接影響著任務規劃的正確性；3)任務規劃是對威脅評判結果的一種任務反應，是對作戰任務的整體布局和指導；4)任務分配是落實任務規劃的一種表現，其中武器系統的選取是實施反導攔截的前提，分配方案的制定關系到各個系統組成之間工作的協調性；5)火力控制是對攔截方案的執行，是對來襲目標進行攔截最直接的“主力軍”，其各個活動的運行效率和準確性直接關系到反導作戰任務的攔截效果；6)資源管理貫穿整個指揮控制過程；7)攔截評估是對攔截效果的判斷，也是判定是否需要再次攔截的依據。

圖1 空間信息支援反導作戰指揮控制系統活動模型

對7種功能活動進行分解，可以建立7種分解模型。本文以空間信息支援反導作戰指揮控制活動中的火力控制活動為例建立模型,如圖2所示。

圖2 空間信息支援反導作戰指揮控制火力控制活動模型

火力控制活動模型是結合目標信息和各作戰單元的狀態，以任務分配活動中產生的攔截方案為模型輸入，對攔截方案進行進一步的細化，從而制定出詳細的作戰計劃；并下達計劃至反導武器系統，引導攔截彈執行反導作戰計劃；最終將作戰結果上報，作為攔截評估活動模型的評估參數。

2.2 空間信息支援反導作戰指揮控制系統的作戰流程

空間信息支援反導作戰指揮控制流程不同于傳統的防空作戰指揮控制流程。傳統的防空作戰目標飛行速度比較慢，防空作戰指揮控制層級可以是從國家級、戰區級到作戰單元級的多層級的逐級收斂，指揮員可以按照作戰預案實時計算生成攔截方案。對于空間信息支援反導作戰，由于目標飛行速度快、時間短，需要空間信息支援具有較高的時效性和精確性，進而為指揮控制系統的信息融合、決策制定、評估判斷和作戰控制提供必要保障。

作為空間信息支援反導作戰系統的“大腦”，指揮控制系統從空間信息系統發現目標開始，到攔截武器系統攔截、評估的全過程，需要實現空間的大跨度指揮和各種資源的調度，將各個傳感器和攔截系統緊密連接，從而使作戰單元形成一個層次分明、任務分工明確、工作時序嚴密的作戰系統。空間信息支援反導作戰指揮控制系統主要作戰流程如下[5]。

1) 作戰單元配置。根據攻防形勢判斷，部署各種偵察預警裝備、導彈武器系統，指定導彈攔截武器系統和偵察預警裝備的協同關系，建立相關作戰單元之間的數據鏈路。作戰單元配置由反導作戰集團組織實施。

2) 來襲導彈預警與跟蹤。指揮各種偵察預警裝備探測來襲目標，收集目標數據，經多元信息融合后初步預報導彈飛行的基本方向、彈道和落區。根據飛行方向和攻擊區域判斷目標威脅程度，向有關反導攔截部隊指揮所告警，使其進入攔截準備程序。

3) 目標識別與威脅評判。根據告警信息，控制能夠捕獲并跟蹤來襲目標的各種探測裝備開機搜索，進行來襲目標彈道預推，判斷和計算來襲導彈的型號和參數，估算其可能的打擊目標，評估其威脅程度。然后依據威脅度排序把目標分配到火力單元，即進行攔截決策，確定攔截彈的發射時刻和預估攔截遭遇點等。

4) 作戰任務規劃與分配。指揮控制系統根據威脅評判結果規劃和分配作戰任務，若滿足大氣層外攔截條件，則計算出具有最佳攔截條件的作戰單元，并向反導部隊分配任務。

5) 來襲目標捕獲跟蹤。根據地基預警雷達提供的目標彈道數據，地基精密跟蹤雷達跟蹤目標，獲得實時、詳細的目標信息，并傳遞給攔截反導部隊。

6) 反導攔截。反導攔截部隊制定攔截計劃，為攔截彈裝訂數據。當目標進入攔截區之后，發射攔截彈，并通過雷達引導飛行中的攔截彈，直至攔截彈攜帶的末導引頭捕獲到目標，進入攔截彈自主飛行的末制導階段，對目標進行殺傷。

7) 攔截效果評估。指揮控制系統控制地基精密跟蹤雷達對攔截效果進行評估，若攔截成功，則結束攔截過程；否則，再次實施攔截計劃。

空間信息支援反導作戰指揮控制系統作戰流程如圖3所示。根據空間信息支援反導作戰指揮控制活動的性質，將空間信息支援反導作戰指揮控制系統劃分為規劃級、控制級和操作級3個級別,其中：規劃級指揮控制主要負責組織偵察預警，確定作戰編成、防御優先級、戰備等級等作戰任務；控制級指揮控制主要負責分析判斷情況、參與防御方案設計，進行武器與傳感器之間的協調，擬定作戰計劃，進行效果評估和各種保障等作戰活動；操作級指揮控制主要負責攔截方案規劃，執行攔截作戰行動，控制兵器殺傷空中目標等作戰任務。

圖3 空間信息支援反導作戰指揮控制系統作戰流程

在指揮控制系統接收到地基雷達的探測數據后，預警與跟蹤、攔截可行性判斷、威脅評判和目標分配等模塊是周期性循環往復地被執行的。一方面，這是為了保證目標的分配信息和系統的決策命令信息能夠及時下發到各作戰單元；另一方面，隨著雷達探測數據的累積，對目標信息的掌握和相關決策也變得更加精確和可靠，從而提高了成功攔截目標的概率[6]。

3 基于Petri網的空間信息支援反導作戰指揮控制系統的活動模型

空間信息支援反導作戰指揮控制系統是一種典型的離散事件系統，其Petri網活動模型如圖4所示,其中：資源庫R1和R2分別對應目標預警雷達和地基雷達，負責反導情報搜集、處理和傳遞等任務。

圖4 空間信息支援反導作戰指揮控制系統的Petri網活動模型

基于Petri網的空間信息支援反導作戰指揮控制系統的作戰過程可以描述如下。

1) 天基偵察預警系統將收集到的目標信息通過中繼衛星和地面站傳送到反導指揮控制中心，進行數據分析處理，預報目標的基本方向、彈道和落區。

2) 反導指揮控制中心對目標進行威脅評判，若為非威脅目標，則停止執行任務；若為威脅目標，反導指揮控制中心則命令預警雷達對目標進行不間斷的探測并跟蹤。

3) 反導指揮控制中心根據預警雷達的探測、跟蹤信息制定作戰管理規劃，包括確定攔截方式、攔截彈數量以及進行約束條件判斷等。

4) 反導指揮控制中心將預警雷達的探測、跟蹤信息發送至地基雷達，引導地基雷達進行搜索，同時下令攔截系統做好作戰準備。

5) 反導指揮控制中心利用地基雷達提供的信息進行目標識別、威脅度計算和目標分配等活動。

6) 指揮控制系統下令并引導攔截系統對來襲目標進行攔截，并對攔截效果進行評估，判斷是否需要再次攔截。

圖4中相應位置{P1,P2,P31,P32,P4,P5,P6,P7,P8,P9,P10}的含義如表1所示。

表1 空間信息支援反導作戰指揮控制系統的Petri網活動模型的位置及其含義

圖4中相應變遷{T1,T2,T31,T32,T4,T5,T6,T7,T8,T9,T10}的含義如表2所示。

表2 空間信息支援反導作戰指揮控制系統的Petri網活動模型的變遷及其含義

4 動態特性分析

Petri網不僅是系統的一種圖形表示方法，更重要的是同時獲得了對系統的數學描述,這種描述包括了對并發性以及順序或因果概念的形式化處理。Petri網還可以方便地描述信息流程和進行系統中的信息流程控制，尤其適用于具有異構、并發和沖突等特征系統的建模。為了描述系統的動態和活動行為，處理過程(或任務)的執行可以用相應的轉換發射來表示:網絡中令牌(托肯)的移動表示了處理過程中的信息流程；網絡在某一時刻的標記反映了系統的特定狀態；前向標記決定了在給定初始狀態下系統所有可能出現的狀態的集合；網絡的活性和有界性反映了一個良好定義系統的特征[7-8]。而對于復雜的空間信息支援反導作戰指揮控制系統，對其Petri網模型的動態特性進行分析是很有必要的，它能加深對模擬對象的理解，從而抓住指揮控制系統作戰流程的關鍵環節，對指導作戰具有十分重要的意義。

下面以構建的空間信息支援反導作戰指揮控制系統的Petri網活動模型為研究對象，對其動態特性進行分析。從結構上看，圖4所示Petri網活動模型包括了并行、順序、分支、回合和沖突[9-10],包含了威脅目標和非威脅目標2種，本文主要對發現威脅目標的Petri網系統的可達性進行分析，即不考慮非威脅目標。為了方便起見，將圖4中的位置P32用位置P3表示，變遷T32用變遷T3表示。

首先確定Petri網對象為{P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8,P9,P10,R1,R2}，其初始狀態為{1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0}；對其動態行為進行分析，依據Petri網的運行規則，圖4所示Petri網模型的可達標志集R(M0)如表3所示。

表3 Petri網模型的可達標志集R(M0)

在可達標志集R(M0)的基礎上，構建空間信息支援反導作戰指揮控制系統的Petri網模型的可達標志圖RG=(R(M0),E,P),式中:E={(Mi,Mj)|Mi,Mj∈R(M0),?tk∈T:Mi(tk)>Mj};P:E→T,P(Mi,Mj)=tk，僅當Mi(tk)>Mj時；R(M0)為RG的頂點集，E為RG的弧集[7]。確定為威脅目標情況下的空間信息支援反導作戰指揮控制系統的Petri網模型的可達標志圖如圖5所示。

圖5恰當地描述了圖3所示空間信息支援反導作戰指揮控制系統的作戰流程。同時由于?Mi∈R(Mj)，其中Mi,Mj∈R(M0),所以所建的Petri網模型具有可逆性，充分體現了空間信息支援反導作戰指揮控制系統作戰流程中指揮決策、作戰控制、指揮保障和攔截評估等環節的循環過程。此外，由于?Ti∈T(i=1,2,…,10)，使得?M∈R(M0)，進而說明有關聯的變遷間是公平的，即所建立的空間信息支援反導作戰指揮控制系統的Petri網活動模型是一個公平網。

圖5 確定為威脅目標情況下的Petri網模型的可達標志圖

5 結論

空間信息支援反導作戰指揮控制系統涉及的對象因素多，作戰流程復雜。本文運用Petri網對其作戰流程進行了描述，并通過運用可達標志圖的方法對其活動模型進行了動態特性分析,結果表明：所建基于Petri網的空間信息支援反導作戰指揮控制系統概念模型層次清晰，不但可以將系統的靜態結構和動態過程用統一的形式進行描述，而且具有可重用性。同時，該方法彌補了常用建模工具的不足，對其他復雜系統的建模也具有一定的借鑒作用。

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(責任編輯:尚彩娟)

Concept Modeling and Analysis of Anti-missile Combat Command and Control System under Spatial Information Support Based on Petri Net

ZHU Yan-lei1, LUO Xiao-ming2, HE Rong1

(1. Brigade of Postgraduate Management, Academy of Equipment, Beijing 101416, China;2. Department of Aerospace and Command, Academy of Equipment, Beijing 101416, China)

On the basis of building activity model of anti-missile combat command and control system under spatial information support, the operational process of anti-missile combat command and control system under spatial information support is analyzed from levels of planning, controlling and operating. In order to effectively describe the relationship between information transmission and dynamic interaction of anti-missile combat command and control system under spatial information support, the Petri net method is used to do concept modeling for the process of anti-missile combat command and control system under spatial information support, and the dynamic characteristics of Petri net model is analyzed by using the method of logo figure.

Petri net; spatial information support; anti-missile combat; command and control; concept modeling; dynamic characteristics

1672-1497(2015)01-0075-06

2014- 11- 26

朱延雷(1983-)，男，博士研究生。

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.01.015