基于作战流程的舰艇编队防空作战资源管理研究＊

张 磊 朱 琳 章华平

（1.海军指挥学院 南京 210016）（2.海军潜艇学院 青岛 266071）

1 引言

舰艇编队的防空作战活动可以理解为众多防空任务流程的组合，这些任务流程都是需要防空资源来完成的。但是防空资源的数量是有限的，所以在需要完成的防空任务（作战流程）和可用的资源之间必须进行协调，可以称之为资源管理。资源管理主要解决的问题就是资源调度和分配。一个防空作战流程系统究竟是优是劣，不是看作战流程系统是否复杂，而是判断是否符合防空行动实际需要，更是要注重该流程系统的实际运行效果。实际上，一个高质量和实用的防空作战流程系统是能够帮助编队实现其作战流程优化和重构的。为了实现这一目的，需要通过多层面的指标对防空作战流程进行系统和客观的评价。

2 舰艇编队防空作战资源分配

防空作战行动的资源分配是一个复杂的系统工程。作战目的（意图）、编队任务、防空流程项、资源类型、资源数量、作战单元、指挥控制等，这些问题都和分配相关。每个作战流程可以有一个或多个分配，一个分配要综合考虑上述一个或多个问题。

防空作战流程系统的目标就是尽可能快捷地完成流程项，毕竟某些防空作战流程项的延迟会影响到整个任务流程的完成时间。想要实现防空任务到作战行动的转化，必须要做出以下两个方面的决定：

1）防空任务依照什么样的次序分解转化为作战行动。如果在一个特定的时间存在着大量的防空任务，那么就很难立刻把它们都转化成作战行动。毕竟，防空任务太多，而可用的资源有限。如果这种情况发生，就必须进行选择作战流程应该按照什么样的次序获取资源。

2）任务流程的执行需要哪些资源。由于资源是有差别的，这就涉及到对于一个特定的作战流程，到底把哪些资源分配给它。例如一个共享系统，可以更加快捷高效地执行特定作战流程。

3 舰艇编队防空作战资源分配规则［1］

作战流程的资源分配，有很多不同的启发式的方法可以拿来参考，特别是可以借用多种在企业的生产管理里面采用的排队规则。实际上，编队防空作战流程与企业生产部门中的工艺路线非常相似，下面是一些常用的排队规则：

·先到先服务规则

·后到先服务规则

·最短处理时间规则

·最短剩余处理时间规则

·最早截止期限规则

以上各种排队规则所需要的信息量存在着很大的不同。先到先服务事实上不需要信息，最短剩余处理时间需要期望处理时间和流程信息。事实上，还存在一些更高级的排队规则，它们充分考虑正在进行的防空任务、预期到来的来袭目标、资源可用性等等。

4 舰艇编队防空作战资源管理机制

由于防空作战资源管理是编队防空作战指挥系统不可或缺的一部分，并且防空资源管理的水平直接影响防空作战系统的效率。防空作战指挥系统对于防空资源的管理使用可以有两种不同的机制，一种是着眼于防空资源管理可靠性和稳定性方面，方法是在防空任务流程实施或执行前，将该任务流程所需要的防空资源全部分配给该任务流程，直到任务流程结束才释放这些资源，这确保了任务流程的正常进行；另一种是着眼于资源管理系统性能方面，方法是实时动态调用系统中的资源，任务流程中某个防空作战活动需要某些资源，动态调用，用完释放，再交给其他任务流程使用。虽然这很大程度上提高了资源的利用率，但是这也降低了防空作战系统的安全性和增大了系统的复杂性，系统很可能因为资源冲突而导致资源管理异常。

显然对于防空作战资源的分配都是基于管理系统性能，所以当资源发生冲突时，就需要相应的资源协调机制，分析了影响资源分配的几大因素，所以在防空资源分配的问题上，很多时候都是基于这些规则来协调的。但是单一使用某一规则往往不能很好地满足编队防空作战这样一个复杂系统的资源调度，有时候需要多个规则共同使用，才能使防空资源分配更加合理有效。

4.1 舰艇编队防空作战资源表示［2］

建立防空作战资源模型，把与模型相关的信息与数据经过整理和抽象加工以后，便可以提取出来进行形式化表示。资源模型使用的目的不同，也就是需求不同，对模型所采取的描述形式也不尽相同。任务流程使用防空资源需要在满足一定的规则下，防空资源才能被使用的，它是对使用资源的某种限制。它不依附于防空资源，目的为了避免任务流程因相互竞争资源而导致使用冲突而采取的相互约束。

对于基于规则的表示方法，可以采用RCE［3］形式的定义语言形式来表示，即“IF CONDITION THEN EXECUTION”，其中RESOURCE表示防空作战资源的情况，CONDITION是防空作战资源的使用条件，EXECUTION是指满足上述条件后可对防空作战资源进行的操作（行动）。防空作战资源的规则可定义成如下形式：

基于规则的形式化表达方法Res.：Cond.＝＞Ex.是目前广泛应用的表示方法之一，它适合表示由许多相对独立的规则组成的集合，或者是表示具有因果关系的，由许多相对独立的操作（行动）组成的过程［4］。

满足防空资源的一个规则，它允许某个防空任务流程对资源执行多个操作，不满足这个规则，也允许执行一些的操作。一个防空任务流程发送申请使用资源的请求时，要么满足某个条件，要么不满足，而满足或不满足规则所对应的活动集之间没有必然的关系。同样一个防空资源可以有多个约束条件，因此它可表示为：

其中“＝＞”和“∧”表示操作符。

“﹁”：不发生运算符，给定一个操作Ex（t），如果Ex（t）在某个时间点t未发生，则产生一个复合操作﹁Ex（t）。

“∧”：与运算符，表示需Exl和Ex2操作同时发生，该复合操作就发生。

由于系统本身对资源也有相应的限制，所以对于某艘远程防空导弹舰载某型防空导弹资源Res：

4.2 舰艇编队防空作战资源服务器

从防空资源的角度看，舰艇编队防空作战是一个资源不断使用和消耗的过程。前面第一部分我们引入资源类型和资源个体概念建立资源模型后，可以将舰艇编队防空作战任务流程和资源模型通过两种方式关联起来。一种方式是将防空作战任务流程对防空资源的使用描述为作战行动的一个属性，借助于任务流程的属性来表达资源占用、释放和消耗等操作。另一种方式是引入资源服务器的概念，将任务流程对资源的占用、释放和消耗解释为资源服务器对资源的分配管理行为［5］。因此，防空资源的分配管理可描述为防空过程中的特殊活动，这类活动具有自执行的特性。它一方面向有关的防空任务流程发送诸如资源已满足、资源短缺、资源消耗等消息；另一方面则操作防空资源数据库，比如给防空资源加上“占用”、“消耗”、“空闲”、“技术准备”、“检修”和“故障”等标志。防空作战资源服务器结构模型如图1所示。

5 舰艇编队防空作战资源管理方法

防空作战资源管理包括防空资源需求和防空资源分配。防空资源需求是由防空任务转化为防空作战行动或在执行防空活动时向资源服务器发出的请求。防空资源分配是指资源服务器在接收到防空作战资源需求后，将一定数量的资源提供给该防空作战活动，以使该任务流程正常进行。引入资源规则库后，防空资源分配受到约束，只有满足规则库中该资源的相应使用条件，该任务流程才能对防空资源执行相应的操作。

图1 防空作战资源服务器结构模型

5.1 舰艇编队防空作战资源竞争和冲突

在舰艇编队防空作战过程中，各个任务流程往往会竞争资源，导致资源冲突，从而使资源服务器无法正常调度。针对这种情况，下面给出一种资源冲突的检测算法，将潜在资源冲突的任务流程找出，然后利用优先权函数为存在资源冲突的不同的任务流程赋予不同的优先权，从而消除了潜在的资源冲突。在介绍资源冲突之前，先介绍几个相关的概念［6］。

1）资源依赖（Resource Dependency）：在编队防空作战中有两个任务流程Tm、Tn，如果Res（Tm）∩Res（Tn）≠φ，则m和n存在资源依赖关系。

如果m和n有资源依赖，那么任务流程m和n不能同时执行，否则就会引起资源冲突。

2）资源冲突（Resource Conflict）：在编队防空作战中有两个任务流程Tm和Tn，如果它们存在资源依赖，并且这两个任务流程在执行过程中［Start（Tm），End（Tm）］∩［Start（Tn），End（Tn）］≠φ，那么 Tm和 Tn之间存在资源冲突。其中Start（Tm），End（Tm）分别代表任务流程Tm执行开始时间和结束时间，且Start（Tm）≤End（Tm）。

一个防空任务流程的实际执行时间只有在其执行完成时才能确定。假设有两个存在资源依赖的活动，如果它们已执行完成，那么就可以知道它们的执行时间段是否相交，但是当这两个防空任务流程己经开始执行后意识到资源冲突时，采取修改或阻止行动已经为时已晚了。因此非常有必要在舰艇编队防空作战资源模型构建期间发现潜在的资源冲突，通过对每个防空任务流程的资源使用时间的估计，根据这些估计值来判断防空模型内是否有潜在的资源冲突存在，如果有，则应该相应地调整或修改，消除潜在的资源冲突。

5.2 舰艇编队防空作战资源冲突检测

在舰艇编队防空任务转化为防空作战行动之前对资源冲突的检测，主要体现在根据防空任务或作战计划进行的资源预先分配上，这里先介绍与资源冲突检测紧密相关的一些概念和算法［7～8］。

5.2.1 算法一：检测同一任务流程中的资源冲突

Step1：Initialize

进行初始化，令Task是所有任务流程的集合。将Path中的所有任务流程存放到Task中，定义一个Form表f，f是一个变量，f＝False。

Step2：Repeat

（1）从Task中移出一个元素，记为Pm。

（2）对于Task中的每个元素Pn，执行下列操作：

a）如果Res（Pm）∩ Res（Pn）＝φ，返回Step2（2）；

b）如果Transitable（Pm，Pn）＝Ture（调用算法一），返回Step2（2）；

c）如果Transitable（Pn，Pm）＝Ture（调用算法一），返回Step2（2）；

d）如果Pm需要的每个资源，［Start（Pm），End（Pm）］∩［Start（Pn），End（Pn）］＝ φ，返回Step2（2），否则有可能发生资源冲突，将这两个记录到Form表f中；

直到Task集合为空。

Step3：Return f。

如果是不可传递的，则再判断它们所需要的防空资源在使用时间上是否重叠，如果重叠则有可能存在资源冲突，需要进行调整，避免发生资源冲突。

而对于不同防空任务流程间的资源冲突情况，由于不同任务流程间不存在传递性问题，所以要判断资源冲突就不能通过上述的方法，需要对该算法进行一定的改进，一般来说不同任务流程间的资源冲突是由于有不断产生的新的任务流程，使得资源使用时间上有叠交，这样就可能在任务真正执行时发生资源冲突，由于在舰艇编队这样复杂防空系统中众多任务流程在同时运行，所以有时潜在的资源冲突往往不可避免，所以对于不同任务流程间的资源冲突，只能避免最大的资源冲突量。算法二是用来检测不同任务流程间的资源冲突，虽然这里资源的冲突往往不可避免，但是通过调整时间可以在一定的程度上减少了潜在资源冲突的发生。

5.2.2 算法二：检测不同任务流程的资源冲突

Step1：Initialize

进行初始化，令Resource是模型中新产生的任务流程所需的资源的集合。将其所需的资源全部存放到集合Resource中，同时定义一个Form表f，f是一个变量，f＝False。

Step2：Repeat

（1）从集合Resource中移出一个元素，记为Resm；

（2）执行下列操作；

a）搜寻防空作战资源属性数据库中该资源的相关的信息；

b）如果该任务流程的资源需求时间和数据库中的资源需求信息不相交，返回a），否则就有可能发生资源冲突，将这两个记录到Form表f中；

直到Resource集合为空。

Step3：Return f。

5.3 舰艇编队防空作战资源冲突协调

在执行任务之前可以检测和避免潜在的防空资源冲突，但是由于这里对防空资源的使用时间，包括开始时间、持续时间和结束时间都是估计得来的，同时某些防空任务流程对资源的消耗或占用的延迟，使得防空资源的矛盾在防空作战过程中依旧存在，所以这里给出一种基于规则的资源协调方法。防空资源的分配和协调由防空资源服务器来处理，防空资源服务器分为两部分：资源规则库和资源协调器。而资源规则库就是存储和管理这些规则的场所，这里的规则来自于两部分，一部分是该防空资源固有的（如某型防空导弹的数量，战技术参数等）或根据防空作战经验人为事先规定好的［9］；另一部分是由防空任务流程执行过程中使用资源时动态添加的，主要是为了避免引起防空资源冲突或防空作战流程异常，一旦该防空任务完成，相应的规则也被取消［10］。如作战任务流程P正在使用资源RF，如果该任务流程不可被剥夺，则会在规则库生成相应的记录。

6 结语

本文围绕资源管理中心，详细阐述了舰艇编队防空资源的使用规则、方法和策略，并对规则进行了形式化表达。介绍了防空资源服务器的结构模型和功能，通过分析防空资源冲突，给出了资源冲突的检测方法和算法，用来避免可能潜在的资源冲突。针对舰艇编队防空作战这样高度复杂的任务流程间资源调度，给出一种基于规则的防空资源冲突协调方法，运用规则约束防空资源的竞争。重新分配资源时，资源服务器调用相关函数，实时计算动态优先权，然后根据这个优先权计算值来分配防空资源。因此就有了一个很直观的思路：舰艇编队防空作战过程中哪个任务流程对资源需求的优先权高就优先得到资源的配置。另外，如果要做更深入细致的研究，还要考虑资源的诸多因素，比如资源的成本，配置防空资源亦要适当考虑防空作战的收益成本比。

［1］阿斯特，等.工作流管理—模型、方法和系统［M］.王建民，等译.北京：清华大学出版社，2004：64－65.

［2］王澄澄.基于时序ECA的分布式工作流管理系统研究与应用［D］.济南：山东大学，2005：18－22.

［3］姜跃平，等.ECA规则的模型和行为特定理论［J］.Joural of Software，1997，8（3）：191－196.

［4］王杏林，曹晓东.概念建模［M］.北京：国防工业出版社，2007：95－99.

［5］范珂，查杰民.基于Agent的工作流管理系统资源冲突解决方案［J］.计算机工程与设计，2005，（02）：501－522.

［6］刘胜，等.基于工作流模型的资源配置优化方法［J］.计算机集成制造系统，2005，11（9）：1272－1278.

［7］周颖.工作流中并发流程间资源冲突的研究［D］.济南：山东大学，2005：23－29.

［8］陈兰，等.机群环境中一种基于工作流关系的作业调度算法［J］.信息工程大学学报，2007，8（2）：227－230.

［9］许腾.海军合同战术运筹分析［M］.北京：海潮出版社，2002：126－140.

［10］李登峰，许腾.海战运筹分析及应用［M］.北京：国防工业出版社，2007：66－80.