基于工作流網的指揮信息系統軍事需求分析系統研究?

方 群

1 引言

指揮信息系統軍事需求指在未來一定時期內，為實現預定軍事戰略目標和戰爭目的，對指揮信息系統發展的基本要求，是規劃指揮信息系統發展和指導具體裝備建設的客觀依據。然而指揮信息系統軍事需求分析存在著指揮信息系統軍事需求不斷變更、指揮信息系統軍事用戶對需求表達不暢［1］等難點期待有所突破。指揮信息系統的開發過程實際上就是與軍事需求不斷變化做抵抗的過程。軍事設計不斷的修改、軍事秘密必須重寫或者重新調整軍事項目計劃將不利于指揮系統的發展［2］。為此本文提出在軍事需求分析中引入工作流系統，以期待對瓶頸問題有所突破。

工作流是工作流程的計算模型，指業務流程的自動化或半自動化的執行，即通過工作過程線性化后的并行任務執行過程。在此過程中，文檔、信息或者任務按照一定的過程規則流轉，實現組織成員間的協調工作，以期達到業務的整體目標。工作流系統的優點在于可以迅速、便捷地建立一個基于協同工作和業務流程的應用管理平臺，讓人員從繁瑣的流程流轉、任務分配、數據獲取中解脫出來，而專注于重要模塊的設計與開發。應用工作流技術是實現計算機支持的協同工作（Computer Supported Cooperative，CSCW）的一種重要技術，它通過將業務流程分解成良好的定義活動、角色和過程規則，并結合計算機和網絡技術來實施流程管理、流程分析和流程再造。

分析指揮信息系統軍事需求首先需建立需求分析流程，梳理需求要素組，明確不同需求要素的建模手段，從而形成一套完整的需求分析方法以指導需求開發。為此，本文提出基于工作流的指揮信息系統軍事需求分析系統設計，給出了該系統的結構模型及功能設計并進行了Petri過程模擬。

2 基于工作流指揮信息系統軍事需求分析的基本流程

指揮信息系統需求研究主要由威脅分析、作戰任務、能力需求和解決方案4個分析階段組成［3～4］。基于工作流系統中的指揮信息系統需求分析首先被描述成一系列的過程定義，然后過程定義再進一步分解成若干活動集合（圖1）。

圖1 工作流基本概念間的聯系

工作流管理系統在實際應用階段分為模型建立階段、模型實例化階段和模型執行階段三個階段（圖2）。

圖2 工作流管理系統實施三階段

目前，有許多方法和工具可用于描述工作流過程模型，例如，活動網絡圖的方式、EPC的方式、Pe?tri網的方式等。其中基于Petri網基礎的工作流網建模方法有著較強的適切性［7～12］。作為一種從過程的角度出發描述和分析復雜系統的模擬工具，它具有形式化的語義定義、直觀的圖形表達、嚴格的數學基礎以及基于狀態的描述等優點，被越來越廣泛應用于業務過程建模和流程優化。

3 指揮信息系統軍事需求分析系統的工作流層次化模型建立

指揮信息系統軍事需求分析是一個復雜的過程。雖然Petri網具有嚴格的數學基礎和規范化的語義，能夠對事件的并發、同步等建立模型，清楚地描述系統內部的相互作用，又能夠對系統的動態性質（有界性、活性、可達性等）進行分析，適合于描述系統的動態行為，但是在大型、復雜的系統模型中，Petri網也存在著一些非常明顯的不足，其主要困難就是模型狀態空間的復雜性問題，將隨著實際系統的規模增大而呈指數性增長［5］。為此運用于指揮信息系統中的模型在其建立過程中，需要利用細化理論，對其進行層次化建模和性質分析。這里所謂的細化理論其基本思想就是由己知或容易分析的簡單網（簡單Petri網的活性、有界性和可達性等比較容易驗證）開始，逐步地用更加詳細的子網代替初始簡單網中的變遷或庫所，而新加進去的子網并不改變原先網的某些性質。這種“自頂向下”、“逐步求精”的過程可重復進行到建模人員想要的細化程度［6］。即從最高層次開始，過程不斷地被分解為子過程，反復地分解得到層次化的描述。層次化后的工作流模型是可靠的，其驗證推理過程如下：

定義1 （Petri網）：Petri網是一個四元組PN=（P，T；F，MO），其中

1）P=｛p1，p2，…，pm｝是庫所的有限集合；

2）T=｛t l，t2，…，tn｝是變遷的有限集合；

3）P∪T≠?，P∩T=?；

4）F?（（P×T）∪（T×P））表示庫所和變遷之間的流關系；

5）dom（F）∪ cod（F）=P ∪ T（不存在孤立元素）；

6）映射M0：p→｛0，l，2，…｝是網的初始標識。

有向網N=（P，T；F）是Petri網的基網，不包含初始標識。一個Petri網也可以表示為（N，M0）。

Petri網是一種有向圖，由兩種類型的節點構成，一種是庫所節點p，用圓圈來表示，另一種是變遷節點t，用方框來表示，節點之間用有向弧來連接。Petri網的狀態用托肯在庫所中的分布來表示。

定義2 （前置集和后置集）：設網N=（P，T；F），對x∈P∪T，記

稱*x為元素x的前置集，x*為x的后置集，*x∪x*為x的外延。

定義3 （狀態機）：稱網N=（P，T；F）為一個狀態機（state machine）當且僅當 ?t∈T ，都有|*t|≤1∧|t*|。限定每一個變遷最多只有一個輸入庫所和一個輸出庫所的Petri網?？梢杂靡粋€含有多個輸出變遷的庫所來表示選擇沖突，但不能模擬并發。

定義4 （狀態機工作流網）：若WF=（P，T；F）是一個工作流網，且對 ?t∈T ，都有|*t|≤1∧ |t*|，則稱WF是狀態機工作流網，寫作SMWF。

狀態機工作流網的可靠性證明。

證明：網WF=（P，T；F）是一個狀態機工作流網，對?t∈T，都有|*t|≤1∧|t*|。根據工作流網的定義（2）其擴展網WF’是強連通的，可知對 ?t∈T∪｛t*｝，必有|*t|=|*t|=l。

對 ? ti∈T ，|*t|=1，不防設*ti=pi，由擴展網的強連通性則從庫所i到庫所pi存在一條有向路Ci=i，til，pil，ti2，pi2，…，pik-1，tik，pi。 其 中（i，ti1），（til，pil），…，（pik-1，tik），（tik，pi）∈F，令σi=ti1ti2…tik，設M=i［σi，則M（pi）=1，不存在死變遷。由于有每個變遷的發生恰好有一個庫所減少一個托肯而另一個庫所增加一個托肯，所以，只要i［σ＞M，不管σ是什么，總有，即在任何可達標識下，只有一個庫所存在且僅存在一個托肯。對于?M∈R(i)，因為不設防設M（pj）=1而M（p）=0對?p∈P｛pj｝。從庫所pj可達庫所o，設該有向路 C=pj，tj1，Pjl，tj2，…，tjs，o，令 σj=tj1tj2…tjs，則M［σj＞o。即對?M∈R(i)都存在一個變遷序列可達狀態o。進一步根據，只要庫所o中有一個托肯，其他庫所的托肯數必然為零。

綜上所述，若一個工作流網中對?t∈T，都有|*t|≤1∧|t*|，則該工作流網必然是可靠的，即所有的狀態機工作流網SMWF都是可靠的。

下面以聯合防空作戰流程為例［4］（圖3），節選t1階段任務受領部分工作流過程描述為：接受聯合指揮中心下達防空指令，A防空群進行發射攔截，B航空兵群進行空中攔截，C對抗群進行電子干擾。

圖3 聯合防空作戰流程

根據工作流網的基本定義，對這個過程進行建模。得到如圖4所示工作流網模型。

圖4 工作流網模型

由于對 ?t∈T ，都有|*t|≤1∧ |t*|，所建立的工作流模型必定是可靠的，在沒有異常發生的情況下能夠正確結束。

4 結語

Petri網的層次化建?？梢詭硪韵聝烖c：1）隱藏子網內部結構，在建模時集中于相應的抽象層次。2）對于有相同結構的子網，不必重復建模和分析。3）使業務流程模型具有良好的結構，便于對其分析處理，有利于各個階段的獨立驗證和確認。

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