面向體系結構的作戰(zhàn)任務剖面建模仿真方法

陳霞

海軍裝備部，北京100841

面向體系結構的作戰(zhàn)任務剖面建模仿真方法

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構的任務剖面建模與仿真方法。從體系結構建模出發(fā)，基于任務剖面的國軍標定義，借鑒DoDAF模型對任務剖面進行描述；建立任務剖面體系結構模型，提出體系結構模型到智能體（Agent）仿真模型之間的轉換關系，形成任務剖面可執(zhí)行模型。［結果］以對空防御任務剖面為例，基于體系結構模型建立了基于Agent的仿真模型，分析了仿真模型的輸入輸出關系，［結論］可為作戰(zhàn)任務剖面設計提供方法指導。

體系；體系結構；任務剖面；建模仿真；智能體

0 引 言

隨著軍事作戰(zhàn)系統(tǒng)建設規(guī)模越來越龐大，系統(tǒng)跨越的地域和覆蓋的技術范圍也越來越廣闊，使得系統(tǒng)的設計研制已被納入體系工程（System of Systems Engineering，SoSE）范疇［1］。體系結構指各組成部分的結構、它們之間的關系以及指導它們設計和后續(xù)演進的原則與方針［2］，是“體系工程”集成的“架構”和“藍圖”［3］。體系內各組件系統(tǒng)的動態(tài)行為特性、系統(tǒng)性能評價等需要借助于建模與仿真技術［4］。基于Agent建模仿真（Agent Based Modeling and Simulation，ABMS）方法被軍事仿真界普遍認為是網絡中心戰(zhàn)環(huán)境下軍事作戰(zhàn)研究的最佳方法［5-6］。

任務剖面指產品在完成規(guī)定任務這段時間內所經歷的事件和環(huán)境的時序描述［7］。作戰(zhàn)任務剖面是指從戰(zhàn)斗準備開始到完成典型作戰(zhàn)任務這段時間上所經歷的事件和環(huán)境的總稱［8］。目前，對任務剖面的建模多限于可靠性方面［9］，即通過任務剖面的可靠性模型來評估任務的可靠性；有少量文獻涉及到任務剖面的仿真，基于其活動和規(guī)則的形式化描述，建立任務剖面流程模型進行仿真驗證［10］。但一直缺乏對任務剖面中各組件系統(tǒng)之間關系的描述，其對應的仿真模型與靜態(tài)描述之間未建立明確的關聯(lián)關系。

作戰(zhàn)任務剖面包含了作戰(zhàn)系統(tǒng)所屬各系統(tǒng)（設備）的事件序列活動，其模型應反映各組件系統(tǒng)的結構及關系。因此，作戰(zhàn)任務剖面模型可采用體系結構模型描述，從而可理解系統(tǒng)的作戰(zhàn)概念、作戰(zhàn)任務、活動序列、功能結構，分析系統(tǒng)邏輯數據動態(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系。本文擬提出一種面向體系結構的任務剖面建模與仿真方法，將所建立的體系結構模型轉換為可執(zhí)行模型（Agent模型），通過可執(zhí)行模型的仿真，對系統(tǒng)作戰(zhàn)能力以及影響作戰(zhàn)能力的各個因素進行分析，確認體系結構設計方案能否達到預期的作戰(zhàn)能力，從而可為體系結構設計提供理論方法支撐。

1 任務剖面模型描述

1.1 體系結構模型描述

根據作戰(zhàn)任務剖面的含義［7］，從作戰(zhàn)任務、任務時間、事件規(guī)劃和使用條件4個方面對剖面進行描述。借鑒DoDAF V1.5體系結構框架標準，作戰(zhàn)任務中的任務編成由組織關系圖（OV-4）描述，任務通道由作戰(zhàn)單元連接（OV-3）描述，任務時間采用時間軸上事件執(zhí)行劃分來描述，事件規(guī)劃由作戰(zhàn)活動模型（OV-5）描述，使用條件由邏輯數據模型（OV-7）和作戰(zhàn)規(guī)則模型（OV-6a）描述。其對應關系如圖1所示。

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

作戰(zhàn)單元連接關系圖采用“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，用以對信息交換要求進行說明。

任務時間軸劃分，主要針對任務執(zhí)行過程中各個時間段所經歷的事件進行劃分，為作戰(zhàn)活動模型的形成提供事件序列。

圖1 作戰(zhàn)任務剖面模型與剖面要素對應關系Fig.1 Correspondence between profile model and elements

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

邏輯數據模型描述作戰(zhàn)系統(tǒng)的數據類型結構，定義任務剖面中的數據類型、數據類型的屬性或特征，以及它們之間的相互關系。邏輯數據模型中的數據實體與作戰(zhàn)活動相關，反映了作戰(zhàn)活動的輸入、輸出數據信息類型。

1.2 可執(zhí)行模型描述

任務剖面體系結構模型中的數據模型、規(guī)則模型、活動模型等都是對系統(tǒng)作戰(zhàn)過程的靜態(tài)展示，它雖然含有大量描述作戰(zhàn)活動的行為信息，但它是不能執(zhí)行的。為了對作戰(zhàn)任務剖面模型結構與提出的想定之間的相互影響作用進行行為分析，必須建立系統(tǒng)的可執(zhí)行模型。有了可執(zhí)行模型就可以對系統(tǒng)進行仿真，并對系統(tǒng)的特性和性能進行分析，為任務剖面模型優(yōu)化提供手段和量化評價標準。

ABMS方法在軍事仿真界已被普遍認可［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、函數等多方面建立任務剖面各實體的Agent模型，實現(xiàn)Agent之間的狀態(tài)轉換以及消息傳遞。Agent中事件執(zhí)行依賴條件觸發(fā)，Agent之間的信息交互采用消息傳遞機制，消息的傳遞通過消息類的定義、傳輸完成。

Agent中需要的各裝備性能參數由人機界面輸入，仿真得到的作戰(zhàn)效能值直接以數值的形式顯示在人機界面中。事件執(zhí)行過程采用業(yè)務流程圖的形式動態(tài)顯示，在任務執(zhí)行過程中各Agent的狀態(tài)變化以狀態(tài)轉移圖形式顯示，各種展現(xiàn)形式可自由切換。各Agent的實現(xiàn)方式如圖2所示。

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

2 體系結構模型與可執(zhí)行模型的轉換

依據作戰(zhàn)任務剖面體系結構模型以及基于Agent的可執(zhí)行模型要素，可建立任務剖面DoDAF產品組件與Agent模型之間的對應關系，如表1所示。

表1 DoDAF產品和Agent模型之間的對應關系Table 1 Correspondence between DoDAF products and agent models

建立任務剖面可執(zhí)行模型的步驟如下：

1）根據任務剖面的作戰(zhàn)單元確定Agent智能體個數，每個智能體可建立多個裝備，再由作戰(zhàn)活動模型與裝備之間的關聯(lián)確定各裝備在活動事件執(zhí)行中的狀態(tài)變化，確定每個智能體的狀態(tài)轉移，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。將邏輯數據模型的數據實體轉換為Agent模型中的消息體，并確保每個消息體都與所表示數據模型中的實體一致，如圖4所示。

3）定義事件與函數。將作戰(zhàn)活動模型中的底層活動對應為Agent模型中各Agent的事件，同時將規(guī)則模型中的各規(guī)則定義為Agent模型的函數，該函數即為事件執(zhí)行的觸發(fā)函數，如圖5和圖6所示。

4）建立任務剖面的業(yè)務流程圖。根據Agent的消息、參數變量、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模型，即業(yè)務流程圖，如圖7所示。

經過以上步驟的轉換建立任務剖面的可執(zhí)行模型之后，對可執(zhí)行模型進行仿真，從而可基于仿真輸出數據對任務剖面組成中各實體的行為、性能、效能進行相應的分析。

圖4 數據模型與Agent消息體對應關系Fig.4 DoDAF data model and agent message body

圖5 作戰(zhàn)活動與Agent事件對應Fig.5 Correspondence between operational activity and agent event

圖6 作戰(zhàn)規(guī)則與Agent函數對應Fig.6 Correspondence between operational rule and agent function

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

3 作戰(zhàn)任務剖面仿真

3.1 任務剖面仿真流程

本文以對空防御任務剖面為例，依據體系結構建模框架標準，按照圖1所示對應關系建立任務剖面體系結構模型，并根據第2節(jié)的方法轉換為Agent可執(zhí)行模型，基于Agent模型對任務剖面進行仿真，分析其對應的作戰(zhàn)能力。

對空防御作戰(zhàn)任務剖面包含的作戰(zhàn)節(jié)點有：搜索雷達、紅外警戒設備、跟蹤制導雷達、指揮控制系統(tǒng)、中遠程艦空導彈、近程艦空導彈、近程反導艦炮和來襲目標，可對應建立各節(jié)點的Agent實體，并由實體的作戰(zhàn)活動及時間序列等定義Agent事件及函數，形成對空防御作戰(zhàn)任務剖面可執(zhí)行模型，即仿真模型。

在對空防御作戰(zhàn)中，由搜索雷達、紅外警戒設備等探測器將探測到的來襲目標信息發(fā)送給指揮控制系統(tǒng)進行目標融合、威脅判斷等處理，再將高威脅等級目標的目標指示發(fā)送給相應的武器系統(tǒng)，同時指示跟蹤制導雷達對目標進行跟蹤，武器系統(tǒng)接收跟蹤制導雷達的精確跟蹤數據后進行諸元解算，完成對目標的攔截打擊。目標的運動軌跡由運動方程模擬，其它節(jié)點對應的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 對空防御作戰(zhàn)任務剖面仿真流程Fig.8 Simulation flow of air-defense mission profile

3.2 任務剖面仿真輸入參數

對空防御任務剖面的輸入參數對應為體系結構模型中規(guī)則模型所涵蓋的條件參數，在進行功能級仿真時，一般涉及到的是各Agent實體的性能參數，如圖9所示。

圖9 對空防御任務剖面仿真輸入參數示意圖Fig.9 Diagram of input parameters for air-defense mission profile simulation

3.3 任務剖面仿真輸出參數

建立任務剖面可執(zhí)行模型并進行仿真的目的是觀察作戰(zhàn)系統(tǒng)運行的性能指標，根據指標值判斷系統(tǒng)運行狀況，從而對剖面設計效果進行評價。一些典型的性能指標有：單目標成功攔截概率、對目標流的攔截概率、最大攔截目標批數、空中目標平均滯留數、目標平均滯留時間、剖面流程反應時間等。

為了分析形成任務剖面各環(huán)節(jié)的作戰(zhàn)能力情況，還可以在仿真模型中設置各個環(huán)節(jié)對應的輸出指標，如表2所示。

在仿真分析時，可通過改變各輸入參數獲得對應的輸出參數值，由輸入輸出參數變化關系分析對作戰(zhàn)能力影響較大的影響因素，以及各個環(huán)節(jié)對整體作戰(zhàn)能力的貢獻情況；在對任務剖面模型進行適當改進后，通過改進前后的能力變化也可分析任務剖面設計方案的優(yōu)劣，從而為作戰(zhàn)任務剖面設計提供有力的決策依據。

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

4 結 語

本文從體系結構建模出發(fā)，借鑒DoDAF模型中的組織關系圖、作戰(zhàn)單元連接、作戰(zhàn)活動模型、作戰(zhàn)規(guī)則模型、邏輯數據模型等，分別表示任務剖面的任務編成、任務通道、事件規(guī)劃、使用條件，從而對任務剖面進行描述，進而映射到Agent仿真模型中的事件、函數、消息體等，建立任務剖面體系結構模型與可執(zhí)行模型。最后，以對空防御作戰(zhàn)任務剖面為例，建立各作戰(zhàn)節(jié)點的Agent實體，描述任務剖面仿真流程，分析仿真模型的輸入輸出關系，從而可基于仿真輸出數據對任務剖面組成中各實體的行為、性能、效能進行相應的分析。

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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期刊網址：www.ship-research.com

陳霞.面向體系結構的作戰(zhàn)任務剖面建模仿真方法［J］.中國艦船研究，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">網絡出版時間

時間：2017-5-12 11:55

國家部委基金資助項目

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