体系结构流程仿真方法在反导预警分析中的应用

简平，邹鹏，熊伟

（装备指挥技术学院，北京101416）

体系结构仿真就是使用体系结构的仿真工具，将可执行模型在执行规则的约束下动态运行，清晰、可视化地表现系统相关的信息流和数据流，根据统计数据分析体系结构的时间、资源利用及可靠性等特性，分析结果对体系结构评价提供依据，最终为定量决策提供支持。采用适当的体系结构工具软件进行体系结构的仿真，支持体系结构模型的运行机制的可视化，使掩藏在静态模型下的动态机制可以清晰、生动地表现出来，能够达到以下体系结构分析的目的[1]：①验证体系结构模型自身的一致性。②动态、可视化地显示作战概念和作战规则，并对其进行验证和优化。③检验一个系统或一项功能对整个作战行动的贡献大小。④资源分配和瓶颈分析。⑤成本效益分析。⑥验证过程模型是否合理地满足系统需求，并且实现既定目标。

1 体系结构流程仿真方法

体系结构流程仿真方法以IDEF3（ICAM（Integrated Computer Aided Manufacturing）DEFinition method 3）为基础，解决了IDEF0不能反映时间和时序的问题，用来检验过程的合理性并指导过程重构，实现优化[2，3]。基于IDFF3的流程仿真方法的核心是建立动态流程模型[4]，并在SA（System Architect）仿真器中编辑和运行该作战规则模型，通过模型的运行结果可以验证作战规则的逻辑性，同时用图表形式显示仿真结果，包括资源等的利用率水平、一个流程内各活动的等待时间和空闲状态，用于发现瓶颈和弱点。体系结构流程仿真中涉及的主要模型、模块包括：

（1）流程模型。流程是仿真的核心，它通过活动，子活动、连接弧以及节点来描述业务过程各任务之间的依赖关系，有四种仿真类型：事件、过程、结果和保持。在仿真中，表示流程开始的事件可以产生在整个流程中所要处理的对象，对象在流程中流过，在过程上进行处理，最后在表示结果的流程处结束，需要确定对象产生的规律和数量，并通过计算机模拟产生。在流程中的每一个过程都可以细化，定义下一级子流程图，当对象进入该过程的时候，同时也就是进入了子流程的处理，从子流程流出后进入下一个过程的处理。

（2）资源模型。与流程相关的资源信息，每个资源模型包含一定数量的具有相同功能的资源实体，它们按照一定的排队规则分配给活动。当出现多个活动同时请求占用某个资源的情况，就会出现排队现象。在SA中资源包括执行活动的角色和作战节点上的装备实体，资源模型包括资源可用性模型，即同一时间完成工作有多少资源可用；资源分配使用模型，即完成一项工作需要分配多少资源。资源模型的建立可用于分析资源利用率。

（3）组织模型。主要定义与流程模型虚拟执行有关的组织信息。

（4）时间模型。人员的活动和设备的使用遵循一定的工作时间，即工作和休息的组合，例如如果某活动在一个时间段内执行，而某个角色资源在这个时间段内是休息，则这个角色不能被这个过程所利用。只有在时间表所定义的时间范围内，资源才是可用的，活动才能被执行。时间模型和资源模型共同驱动流程模型。

（5）交汇点和联接模块。在SA中，输出型的交汇点类型有异或、与、或三种。

2 可执行模型建立

2.1 作战规则模型建立

按照体系结构流程仿真方法，分别建立预警卫星支援下（方案一）和无天基预警信息支援下（方案二）反导作战的可执行模型，通过假定模型参数并在SA Simulator中进行仿真运行，分析预警系统在反导作战中的信息支援作用。

2.1.1 预警卫星支援下的反导作战

图1是以IDEF3为基础建立的作战规则模型OV—6a，描述了反导作战的流程。模型中代表过程的行为单元有：预警卫星探测、引导搜索、被动段跟踪定位、数据融合处理、指挥、反导系统拦截、战果评估、第二次拦截和次数统计。其中预警卫星探测，被动段跟踪定位，指挥和反导系统拦截行为单元可以根据作战活动模型中的叶子活动转换成IDEF3规则的子流程图。战果评估行为单元用于评估对敌方导弹的拦截情况，数据统计行为单元用于统计第一次拦截未成功后由于时间短而无法进行第二次拦截的次数。

图2是对导弹被动段跟踪定位行为单元的细化流程规则，由跟踪作战活动分解模型转化为IDEF3模型。对于敌方导弹的自由段由预警机和地面远程的早期预警雷达同时进行跟踪，然后由搜索跟踪雷达对其进行更为精确的跟踪定位。预警卫星探测、指挥、反导系统拦截等行为单元的细化流程规则没有给出，其参数设置在后文中给出。

2.1.2 无天基预警信息支援下的反导作战

在没有天基预警卫星信息支援条件下，由预警机和早期远程预警雷达提供早期预警信息，传输到指控中心，由指控中心引导搜索跟踪雷达等进行跟踪定位，经过数据融合处理和指挥决策，对导弹进行拦截。没有天基信息支援，对于敌方弹道导弹的主动段无法探测和跟踪，得到的预警时间短，要获得的相应精度的导弹目标信息执行其他行为单元需要花费更多时间。引导搜索行为单元是由指控中心在获取预警机和地面早期预警信息的情况下对跟踪雷达发出的指令。其他行为单元与方案一的规则相同，指挥和反导系统拦截行为单元的子流程也相同，只是由于预警时间不同，相应的时间参数不一样。

2.2 模型参数设定

2.2.1 仿真对象

事件产生仿真对象，仿真对象为进攻弹道导弹信息（射程1000km），通过设置对象的到达率来模拟反导作战的情况，假定敌弹道导弹每2分钟来袭一枚，此频率持续62.5小时。

2.2.2 时间模型和资源模型参数的设置

作战过程中各角色都处于战备值班状态，因此轮换班（shift）可设置为24小时。行为单元执行的时间不是固定的，通常服从某一分布，可以作为排队问题来求解，计算方法是首先根据原始资料并按照统计学的方法以确定其符合哪种理论分布，并估计其参数值，最后根据相关公式计算时间的期望值[5]。在本想定中，设定预警卫星发现目标（即探测概率接近98%时）所需的时间服从均匀分布Uniform（22，26）。其他行为单元分配的角色，以及角色在行为单元中执行活动的时间设置如表1所示。资源的可用性和分配使用是根据预警系统的组织关系图的角色来设置，在表1中括号内表示可用资源数，表中的资源数并不是相应人员的绝对数，属于归一化的单位值。

表1 资源模型和时间模型部分参数

续表1

其中Normal为正态分布函数，Uniform为均匀分布函数，其他表示固定值，“0”表示该方案不包括此行为单元。

2.2.3 交汇点属性设定

交汇点可以表示输出分支的概率、时间属性、仿真对象的通过方式等。方案一的交汇点属性的设置如表2所示，方案二与之对应。表中交汇点J1的发生概率对应于反导系统单次拦截概率为70%，交汇点J2的时间模型表示反导系统对想定中敌方弹道的拦截时间窗口不能超过436s，否则无法组织对目标的第二次拦截。

表2 部分交汇点属性及参数设置

2.2.4 仿真参数设定

在以上模型的基础上，将仿真时间（Run Length）设为62.5小时。

3 仿真结果分析

结合实际情况和仿真的需要，确定作战规则和流程的分析评价指标有：活动的空闲状态（使用率）、资源的使用率、角色执行任务的平均时间以及拦截概率。

3.1 活动的使用率

活动的使用率是指在整个仿真过程中活动用于支援反导作战所执行的时间所占的比例，用行为单元的忙闲状态来表示，体现作战规则的合理性。如果某个活动过于繁忙，则影响了系统延时，如果过于空闲，则说明活动没有得到有效的利用。根据仿真数据，使用率仿真结果的对比分析可用图形化表示，如图5所示。

由数据及在图中变化趋势可以看出：数据融合处理行为单元的使用率相对较高，是反导作战过程中的关键活动和瓶颈，需增加参与信息处理的节点以加强对传感器获得的信息的处理能力和速度；方案二中没有天基预警系统，其他早期预警系统参与的活动使用率显著增加，其他相同的行为单元的使用率都有不同程度的增加；相对于方案二，方案一中第二次拦截行为单元的使用率高出2.51%，可见，天基预警信息支援下反导系统组织第二次拦截的可能性较大、次数多，提高了预警时效性。

3.2 角色资源的使用率和执行时间

角色资源的使用率是指在流程仿真过程中角色用于执行行为单元的时间所占的比例。根据设置的资源模型参数和时间模型参数可在作战规则的流程仿真过程中统计角色资源的忙闲状态、执行任务的平均时间和数量等特性，用图6和7表示。

从图4和5中看出，两个方案单独分析，情报专家的利用率和平均执行时间都相对较高；对两个方案进行比较，方案二中各角色资源的利用率和平均执行时间普遍增加，尤其是早期预警人员增加幅度较大，因此需增加情报专家等信息处理人员的数量以及提高其信息处理能力，以减少预警信息支援的时延；同时增加早期预警人员的数量并提高其能力（如增加空中预警节点及其所属人员数量和素质、加强早期预警雷达组网及预警能力），能有效优化现有反导系统的结构，使作战规则更合理。

3.3 拦截概率的影响

OV—6a在SA Simulator中进行仿真运行统计行为单元的仿真数据，方案一、二中各产生1870个仿真对象，其中在方案一中由第一次成功拦截数为1288，拦截失败数582，组织第二次拦截数306，二次拦截成功数为235，由于作战时间超过反导系统对敌导弹的拦截时间窗口而无法组织第二次拦截数为276，成功拦截的总数为1517，总的概率为81.12%；方案二中第一次成功拦截数为1287，拦截失败数583，组织第二次拦截数114，二次拦截成功数93，由于时间无法组织第二次拦截数为469，成功拦截总数为1381，总的拦截概率为73.85%。

以上结果显示：方案一和方案二对导弹第一次拦截的成功率基本相当。由于方案一具有天基预警信息的支援，预警时间长，在第一次拦截失败的情况下能够及时有效组织第二次拦截（约占52.58%），大大提高拦截目标的概率。方案二中，预警时间较短，在第一次拦截后时间超过反导系统的拦截时间窗口的情况较多，只有约19.55%的概率能够组织二次拦截，总的拦截概率比方案一小7.32%。因此，加强天基预警系统的建设提高反导的预警时间是有必要的，同时在当前预警系统还没建成或在反导作战中没完全发挥作用的情况下，应着力提高反导系统的单次拦截效率，并提高系统的反应灵敏度，扩大对弹道导弹的拦截时间窗口，使得反导系统可以在拦截区时间段内多次发射导弹，提高拦截目标的概率。

4 结束语

从本文研究的体系结构流程仿真方法及在反导预警中的应用可以看出，基于IDEF3的体系结构流程仿真方法适用于反导作战流程的分析，并能验证相关结论，对于其他分系统对整个反导体系信息支援作用的分析也具有适用性和借鉴意义。文中通过假定作战规则中的各模型的参数对流程进行仿真分析，各参数值如何获取到并不是本文研究的重点，但对仿真结果具有直接的影响，因此流程仿真中模型参数设置的合理性是一个重要的研究方向，例如如何描述和刻画仿真对象产生的规律使其与现实情况一致、各行为单元执行时间分布怎样确定等。另外，在文中列出的三个分析指标的基础上，可以对不同作战规则的成本效益、通信时延等量化指标进行分析，这样能更全面分析作战规则的合理性。

1 周荣坤，骆光明.基于IDEF的企业体系结构模型在军事信息系统设计中的仿真应用[J].中国电子科学研究院学报，2007，2（1）：27—30.

2 HERNANDEZ—MATIAS J C，VIZAN A，HIDALGO A，et al.Evaluation of techniques for manufacturing process analysis[J].Journal of Intelligent Manufacturing，2006，17（5）：571—583.

3 陈禹六.IDEF建模分析和设计方法[M].北京：清华大学出版社，1999.

4 SILVERMAN STEVEN J，BAUMGARTEN ERIK.Dynamic DoDAF and Executable Architectures[R].Military Communications Conference，IEEE，2007（10）：1—5.

5 张志勇，匡兴华，晏湘涛.业务流程的时间模型研究[J].工业工程，2005，8（4）：98—101.