基于信息流程仿真的作戰體系結構設計驗證方法

張 毅,詹 武,郭穎輝,余舟川,趙 玥

(1.中國人民解放軍91977部隊,北京 100006;2.中國船舶重工集團有限公司第714研究所,北京 100101)

作戰體系結構設計是對作戰體系的模型化描述,現已廣泛應用于作戰過程推演、軍事需求分析等領域[1]。作戰體系結構設計驗證用于檢查作戰體系結構設計,確定體系結構描述是否滿足作戰體系的功能需求和非功能需求[2]。通過驗證,及時發現和完善作戰體系結構設計中不規范、不正確、不合理的部分,對提高作戰體系結構設計質量,并最終提升作戰能力發揮重要作用。

體系結構設計驗證主要是對體系邏輯、行為和性能特征的驗證。文獻[3]總結了目前五種比較常見的驗證方法:專家評審法、矩陣分析法、體系結構折中分析法、形式化驗證評估法以及體系結構可執行驗證評估法。這五種方法從不同側重點對體系結構進行驗證分析,具體分析在文獻中已十分詳盡,在此不做贅述。需要強調的是,前四種方法均是靜態驗證,但體系結構動態行為及體系結構性能需動態驗證;可執行驗證評估法建立的可執行驗證過程人工干預因素較多,且不能直觀、全面、有效地展示體系作戰中作戰節點、作戰活動之間復雜動態的信息交互關系。另外,傳統的系統建模方式是以體系內各系統節點為主線,通過直接定義節點間存在的相互依賴、相互制約、相互作用的關聯方式和內容來描述節點間關系。顯然,這種建模方式以系統節點模型為重點,不能直觀且完整地描述作戰信息流程及信息交互關系,不能較好地支持以信息流為主線的動態驗證過程。

作戰信息流程是指各類信息在作戰體系內各節點間流轉的過程。基于作戰信息流程的仿真,則是根據使命任務或作戰想定,以信息流為主線,通過作戰體系內各節點間的信息關系表示各節點之間連通性、信息交互內容及次序的建模仿真方法。基于作戰信息流程仿真的驗證方法通過信息流描述體系內信息的傳遞過程及活動特征,具有較靈活的動態仿真特性,能夠較好地描述作戰體系內部實體間關系,更高效地支持動態驗證過程。因此,本文在對作戰體系結構設計驗證要求分析的基礎上,提出了基于作戰信息流程仿真的作戰體系結構設計驗證新思路。

1 作戰體系結構設計驗證要求

體系結構設計驗證是檢查體系結構設計是否滿足體系實際需求。那么,驗證指標應與設計需求緊密關聯。在不同的文獻中,體系結構驗證的指標有所不同,并沒有十分權威的定義[4]。綜合目前對體系結構設計驗證的相關研究,本文在一般性體系結構驗證要求基礎上,結合作戰體系結構設計需求,主要從完備性分析、一致性分析和效用分析三個方面開展作戰體系結構設計驗證分析。其中,完備性分析與一致性分析是驗證的基礎,效用分析則是驗證的重點和難點。

1.1 完備性分析

完備性分析用于分析體系結構設計中是否缺少描述和構建體系結構所需的相關數據[2],主要包括兩個方面：一是分析整個作戰體系各實體數據的描述是否完整,如作戰節點、作戰活動的關鍵屬性是否有缺項;二是分析實體數據間引用和指派關系描述是否完備,如作戰活動是否指派給具體的作戰節點[5]。

1.2 一致性分析

一致性分析用于分析體系結構設計中是否存在相互矛盾的描述[2],主要包括兩個方面。一是體系結構內部實體關系的一致性分析,這里的實體關系分為兩類：一類是指同類數據實體間的關系,另一類是不同類數據實體間的關系[6]。其問題主要表現為可代替性問題、冗余性問題和沖突性問題等[2]。如在作戰節點的指揮層級關系一致性分析中,一個作戰節點不能同時是另一個作戰節點的上級和下級,且在一種作戰模式下,一個作戰節點只能有一個上級節點。二是作戰信息流程的一致性分析,即分析體系結構設計的整個作戰流程與作戰體系期望的作戰流程是否一致,是否存在意外終止、死循環或資源爭用等現象。

1.3 效用分析

效用分析是對作戰體系結構完整運行所具有的性能、效能是否達到系統設計要求的分析。效用可以設計為與能力需求相符的度量[7],本文選取時效性和靈活性兩個度量指標開展效用分析。

1) 時效性分析

作戰信息流程的時效性分析是作戰流程執行過程中,各類信息在各作戰節點間交互所產生的時延,能否滿足時間約束要求的分析。時延是由系統性能、業務約束以及人為設定等因素產生的,如信息傳輸時延、信息處理時延、響應時延等[8]。針對不同的時延,可以根據作戰使命任務提出具體的約束要求,如針對某類信息的信息流時延約束,針對某個作戰節點的時延約束,針對整個作戰任務的整體時延約束等[9]。

2) 靈活性分析

作戰信息流程的靈活性分析是指作戰使命任務發生改變,作戰信息流程能否通過用戶限定的代價進行調整,以適應新使命任務的作戰需求[10]。當使命任務發生改變時,可能會引起數據實體間關系的一系列變動,如指揮層級由逐級指揮轉變為越級指揮,作戰節點臨時添加作戰活動等。這些改變反映到作戰信息流程層面則表現為信息流的變動,即相關信息傳輸路徑和方向的變化。信息流通過調整邏輯結構,以靈活適應新的作戰環境,為作戰提供必要的支持。

2 體系結構設計建模與仿真

基于作戰信息流程仿真的體系結構設計建模與仿真主要包括三個步驟:體系結構建模、動態執行及可視化仿真。體系結構建模與動態執行均基于UPDM工具,可視化仿真基于STK仿真工具。

2.1 基于UPDM的體系結構建模與動態執行

國防建模統一平臺(Unified Platform of Defense Model,UPDM),是基于DoDAF框架的體系建模與驗證平臺,能夠對體系結構各數據要素規范化描述,具有自動執行可執行模型并動態演示的體系結構模型動態驗證功能。本文利用該平臺實現對體系結構作戰視圖產品的規范化描述及動態驗證。

1) 體系結構建模[11-12]

DoDAF 2.0提出了全景、能力、數據與信息、作戰、項目、服務、標準和系統8類視角。本文主要采用作戰視角技術構建基于作戰信息流程仿真的體系結構模型,即描述指導作戰所需的任務和活動、作戰要素以及資源流交換,這里資源流就是各類信息流。所需構建的作戰視角模型包括高級作戰概念圖OV-1、作戰資源流描述OV-2、作戰資源流矩陣OV-3、組織關系圖OV-4、作戰活動分解樹OV-5a、作戰活動模型OV-5b、作戰規則模型OV-6a、狀態轉移描述OV-6b及事件追蹤描述OV-6c[13]。

具體模型設計如下:

OV-1:描述使命任務、作戰想定、重要作戰概念和作戰情況,及與其所處環境和其他外部系統的相互作用。其主要用于表示高層決策者的想法。通常由一個或多個圖形組成,并配以文字解釋。

OV-2:用于信息流的邏輯描述,即對作戰節點間各類信息連接關系的描述。其通過需求線表示信息的交換關系,箭頭表示信息流動方向。根據作戰設定,一條需求線可能指向多個作戰節點。

OV-3:描述OV-2中需求線定義的信息交換細節,如信息交換對象、信息內容、交換方式及其他細節信息。該矩陣確認了信息元素和信息交換的相關屬性,并將交換同生成與使用信息的作戰節點和活動相關聯,同時將交換與需求線相關聯。用表格形式表示。

OV-4:描述體系結構的組織關系,即明確各作戰節點間的指揮層次關系。

OV-5a與OV-5b:描述完成一項作戰使命所需進行的作戰活動及它們之間的關系。此模型與OV-2描述的信息交換存在一定的對應關系,但如果信息的始端和末端均為同一作戰節點,則該信息交換在OV-2中就沒有定義。OV-5a利用樹形結構展現活動,提供包含所有活動的整體圖景,OV-5b展現了通過資源流連接起來的活動,前者可作為后者的導航幫助。

OV-6a、OV-6b與OV-6c:OV-6a描述作戰執行的規則約束,可用規則的語言描述。OV-6b描述作戰節點對不同事件的響應,以及狀態變化的過程。用狀態圖表示。OV-6c描述特定場景下的作戰節點間信息交換的時間、事件順序。

2) 體系結構動態執行

UPDM軟件可以自動將上述構建的體系結構模型,轉換為可執行模型,并予以動態執行。通過同時運行所有作戰節點的狀態轉移模型OV-6b和事件追蹤模型OV-6c,實現狀態與時序相結合的動畫時序模型,動態顯示時序圖與狀態圖之間信息流動過程,達到“所見即所得”的效果。通過動態執行驗證體系結構設計,整個執行過程為驗證提供計算輸入支持,具體描述詳見下一節。

2.2 STK可視化仿真

衛星工具包(Satellite Tool Kit,STK)作為專業仿真平臺, 具有良好的二維、三維可視化效果和快速開發功能[14]。本文使用STK工具對UPDM工具構建的可執行模型進行三維仿真,動態演示整個作戰場景,為作戰體系結構設計驗證提供可視化支持。圖1為STK場景界面圖。

圖1 STK場景界面圖

從圖1可以看到,STK工具能夠完成對整個作戰場景的實時仿真,通過顏色分類表示不同信息流,動態展現信息流流轉過程及主要參數實時變化情況,驗證過程直觀明確,效果顯而易見。

3 體系結構設計驗證

整個設計驗證過程是通過動態運行可執行模型及對整個過程可視化仿真實現的。其中,可執行模型的動態執行是依托UPDM工具,通過OV-6a作戰執行的規則約束,以及運行前預設的條件參數,遍歷OV-6b、OV-6c中作戰節點的狀態和參與的作戰活動或功能。可視化仿真利用STK工具,通過其三維動態演示以及實時數據展現,直觀進行分析。

具體分析步驟如下:

第1步:在UPDM工具編程中,根據使命任務和作戰想定,提前設置相應的仿真參數(想定,時間,概率,資源分配等)、功能函數(動作函數,事件處理函數,傳輸函數等)及驗證模塊(觸發器,延時模塊等);

第2步:直接在UPDM工具中運行可執行模型,觀察作戰流程運行過程是否完整,是否存在作戰活動及交互信息突然中止的情況,如果是則根據錯誤提示修改;

第3步:運行STK工具,觀察整個作戰信息流程的實時動態仿真狀況,以及系統參數和預設參數的實時變化情況。

第4步:根據UPDM工具和STK工具運行結果,逐個分析作戰節點的內部邏輯關系,即遍歷所有作戰節點的作戰活動及外部接口傳遞的信息是否符合項目的各個作戰平臺作戰需求。

UPDM工具在動態執行可執行模型之前,會自動進行模型完備性和一致性分析,對實體數據屬性、實體數據間引用和指派關系描述不完整、實體數據間交互關系不一致等問題報錯,這樣能夠節省大量的人工檢查時間和精力。圖2為UPDM工具的錯誤提示信息示例,可根據錯誤提示信息定位具體問題。另外,在第II步執行過程中,是否存在死鎖、并發沖突、資源爭用、丟失等邏輯問題導致運行中斷,如有,則為一致性問題。在第4步,根據生成的狀態時序圖,進行作戰信息流程一致性的可視化分析,判斷整個作戰流程與期望流程是否一致,如果有出入,則為一致性問題。

圖2 UPDM錯誤提示信息圖

效用分析需要根據作戰體系的任務能力需求,確定所選度量參數的閾值,開展時效性分析和靈活性分析。

1) 時效性分析

時效性分析包括總時延分析和分時延分析。根據實際作戰驗證需求,總時延分解為分時延是按照信息流轉過程來分,而不是按信息類型分。確定時延約束條件為A,根據OV-6c時序圖信息流轉過程,將總信息時延分為n段,n為信息流轉總共需經過的作戰節點次數,每一段包括該段作戰節點對信息接收、處理和發送的完整過程。由于各個作戰節點對流經的不同類別信息接收、處理和發送過程是不確定的,會受作戰場景等約束條件以及隨機因素等不定條件的影響,因此,通過仿真計算得到第i段時延(1≤i≤n)為Ti。再根據作戰節點間不同的拓撲結構連接,計算得到總時延T(具體算法由于篇幅關系不再深入),判斷分時延Ti和總時延T是否滿足A,若是,則滿足時效性要求;若否,則不能滿足。

圖3 體系結構動態執行效果圖

2) 靈活性分析

考慮到結構距離可用于表示不同拓撲結構之間的差異[5],因此,本文引入結構距離作為作戰信息流程靈活性分析的度量主要因素。根據能力需求,確定體系結構調整的限定代價為V,整個作戰體系共包括n個作戰節點,Ai為第i類信息在n個作戰節點邏輯連接的鄰接矩陣,Bi為其變動后的鄰接矩陣,變動前后矩陣差為Di=Bi-Ai,則該類信息變動前后的結構距離di為Di矩陣中含有值為1的元素的個數。通過仿真,分別得到分代價di,那么得到總代價D為各分代價di的和(1≤i≤n),判斷di和D是否滿足V,若是,則滿足靈活性要求;若否,則不能滿足。

以上效用分析驗證算法是通用模式,設計相對簡單,實際應用中,仍需針對特定作戰需求予以細化完善。以“對海目標合同打擊任務”為例,整個作戰任務共包括地面指揮所、水面艦艇、潛艇等8個作戰節點,作戰流程分為“情報獲取→情報處理→指揮決策→兵力引導→武器控制→火力打擊→毀傷評估”等7個環節。在時效性分析中,針對合同打擊的使命任務,系統應具有較高的合同打擊時效性,即各作戰平臺在火力打擊環節應具有高度的一致性,那么,需要重點分析各作戰平臺從兵力引導到火力打擊的信息時延,而不同作戰平臺的信息流轉情況不同,且需考慮隨機因素的影響,靜態驗證則采用倒序方式往前推,而動態驗證通過動態執行可視化得出驗證結果,優勢顯而易見。同樣,在靈活性分析中,地面指揮所根據任務需求,由通過編隊指揮所對作戰平臺指揮,改為直接指揮作戰平臺,此時,信息流動過程發生改變,考慮到作戰節點改變對信息流轉的影響,結構距離不能簡單地加減1,可對各作戰平臺分別設置權重,那么總代價就是各分代價的線性或者非線性加權和。圖3與圖4分別為該案例的作戰體系結構動態執行效果圖和STK仿真效果圖。

圖4 STK仿真效果圖

4 結束語

本文通過分析常見方法在動態驗證方面的不足,以及面向實際需求的驗證要求,提出了基于作戰信息流程仿真的體系結構設計驗證新思路。可以看出,該方法在描述作戰體系內部作戰活動和作戰節點內部及之間的信息關系,以支持動態驗證過程具有明顯的優勢。雖然本文僅對作戰視圖進行建模仿真,但本文的方法同樣適用于系統視圖等體系結構產品的驗證工作。

下一步,將基于作戰信息流程仿真構建更多的體系結構視圖模型,并繼續深入對體系結構設計的資源相關度量,如資源利用率、資源成本和額外資源的邊際效用等,和可靠性相關度量如穩健性和可復原性等更多的驗證指標開展研究,深入完善體系結構設計的驗證要求。