基于体系结构流程仿真的天基预警系统服务描述与验证*

简 平，熊 伟

(装备学院复杂电子系统仿真实验室，北京 101416)

天基预警系统的主要应用之一是弹道导弹防御作战。系统工作过程及其作战应用过程具有复杂性、动态性特点，而且存在大量不确定性信息。从体系结构入手是从全局和根本上理解天基预警系统及其作战应用内在规律的途径之一。在当前体系结构框架下设计体系结构模型通常描述的系统静态信息或动态信息的静态表示(如作战活动模型和服务过程演化描述模型)，这些模型不能提供信息在什么条件下产生，以及信息是如何接收和发送的具体细节，很难对系统之间的交互作用等动态行为进行分析。动态可执行模型可以定义信息接收、产生发送的条件，反映随时间变化的活动、行为的信息交换以及活动和角色之间的动态交互［1］，本文研究建立天基预警服务可执行流程模型，分析天基预警服务的效用。

1 流程任务时序描述模型

天基预警服务流程模型包括服务节点、服务行为的任务时序关系，任务的时序关系是进行任务描述和建立任务描述模型的基础，通常把任务时序关系分为串行和并行两大类。根据任务执行时间的重叠形式，串行又可分为汇合和超前关系，并行又可分为相等、期间、重叠、开始和结束关系，任务时序关系如图1所示，设有任务A和B，TAs和 TBs分别为A和 B任务开始时间，TAe和TBe分别为A和B任务结束时间。

1)串行关系。A与B为串行关系，有TAe≤TBs。当TAe=TBs时，称为汇合关系(meets)，如图1(a)所示;当TAe＜TBs时，称为超前关系，如图1(b)所示。

2)并行关系。A与B为并行关系，有TAe＞TBs。当TAs=TBs，TAe=TBe时，称为相等关系(equals)，如图1(c)所示;当TAs＜TBs且TBs＜TBe时，称为期间关系，如图1(d)所示;当TAs＜TBs且TBe=TAe时，称为重叠关系，如图1(e)所示;当TAs=TBs，且TBe＜ TAe时，称为开始关系(starts)，如图1(f)所示;当TAs＜TBs且TAe=TBe时，称为结束关系，如图1(g)所示。

2 基于IDEF3的体系结构流程仿真方法

2.1 IDEF3技术

流程仿真方法以IDEF3为基础［2］，IDEF3解决了IDEF0不能反映时间和时序的问题，并能和流程分析软件相结合，用来检验过程的合理性并指导过程重构，实现优化。IDEF3采用图形化的语言描述，通过一些基本元素的不同组合来描述系统的动态过程，可以满足描述任务过程的时序关系和逻辑关系的需要，通过对行为单元的属性定义，能够对任务事件进行详细描述，包括任务事件的时间与任务执行概率、任务事件的子事件等。IDEF3过程流描述语言的基本语法元素有下列几种［3］:行为单元 UOB(Unit Of Behavior)，交汇点(Junction)，联接(Link)，参照物(Referent)，细化说明(Elaboration)，分解(Decomposition)，如图2所示。通过IDEF3可以记录状态和事件之间的关系以及过程中产生的数据，从而确定资源在流程中的作用［4-5］。

图1 任务时序关系

图2 IDEF3基本语法元素

2.2 流程仿真方法

基于IDEF3的流程仿真方法的基本原理如图3所示，以IDEF3元素建立可执行模型，包括流程模型、资源模型、时间模型和组织模型，通过交汇点和链接模块等执行规则，建立完整的服务流程模型，可执行模型的相关对象以及内部关系在图3中左边显示，在SA工具(System Architecture)的仿真参数和环境下进行动态可视化仿真，以统计学为基础收集和记录仿真数据，在SA Simulator中形成仿真报表和图形结果，并分析时间、资源利用等指标，以优化仿真模型。

1)流程模型。流程是仿真执行的核心，它通过活动，子活动、连接弧以及各种连接节点来描述各任务之间的依赖关系。在仿真中，IDEF3的建模元素UOB分为4种类型:事件、过程、结果和保持。事件表示流程的开始，过程是组成流程的基本类型，结果表示流程的结束，保持表示流程中的缓冲、延迟等概念。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，又进入下一个过程的处理，直到结束。

图3 基于IDEF3的流程分析原理图

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(包括角色或装备系统实体，将系统资源的功能封装为服务)，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服务的情况，就会出现排队现象。资源模型包括资源可用性模型，同一时间完成工作有多少资源可用;资源分配使用模型，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。定义与流程模型虚拟执行有关的组织信息。

4)时间模型。人员的活动和系统资源的使用遵循一定的时间约束，例如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不可用，则这个角色不能被这个过程所利用。只有在时间模型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。在构建流程模型时，根据任务之间的逻辑关系按需选择相应的交汇点类型。

3 典型天基预警服务流程验证实例

预警卫星的传感器对目标的探测概率与探测时间有关［6］，对目标的探测时间越长，探测成功概率越高。传感器性能越好越容易探测到目标，并能更快地实现对目标的稳定跟踪。本文从服务资源数量和服务能力两个方面对服务流程及服务效率进行验证分析。其中，服务能力体现在服务的执行时间上，传感器资源服务能力越高，探测到目标需要的时间越少，对目标达到稳定跟踪的时间也越短，而服务资源越多，可以选择服务能力更好的组合。结合实际情况和仿真的需要，选取服务执行时间、服务执行的成功概率和提供服务数量(系统资源数)表示服务性能参数，通过不同服务性能参数组合构建不同的流程方案，进行对比，验证分析影响服务效率的因素。在仿真结果分析中，选用服务节点和服务资源的繁忙程度、拦截概率等指标来反映天基预警系统的服务效率。

3.1 服务流程模型

［7］反导作战规则模型OV-6a，建立面向反导作战的天基预警系统服务流程模型如图4所示，服务流程模型中包含3个组织:进攻导弹模块，根据实际情况模拟产生相应的来袭弹道导弹的信息，描述敌方导弹的生存状态;信息获取和指控模块，描述我方对敌方导弹的探测跟踪等服务过程，并进行信息处理;拦截模块，根据敌我双方目标信息进行拦截决策，描述反导系统对敌方导弹的拦截过程及其拦截效果反馈。服务行为节点有:目标发现服务(高轨)、单源信息处理服务(高轨)、目标助推段跟踪服务、目标发现服务(低轨)、单源信息处理服务(低轨)、目标自由段跟踪(低轨)、目标发现服务(雷达)、目标跟踪服务(雷达)、指挥控制服务、导弹拦截服务、二次拦截服务。服务节点对应的服务资源为:高轨预警卫星节点、高轨卫星信息处理节点、高轨预警节点、低轨预警卫星节点、低轨预警信息处理节点、低轨预警节点、地面雷达节点、地面雷达节点、指控节点、导弹拦截节点、导弹拦截节点。其中指挥控制服务、导弹拦截服务节点可以根据服务功能中的子服务转换成IDEF3规则模型的子流程图，本文没有列出。

3.2 模型参数设置

在服务流程模型中，事件产生仿真对象，通过设置对象的到达率来模拟服务流程。对服务流程模型的作战想定可作如下设定:敌方弹道导弹射程为1000km，从发射开始，整个弹道的运行时间T窗口服从正态分布N(500，10)，其中500为期望值，10为方差，时间为秒，假定拦截系统对目标的拦截时间窗口不大于460s。服务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(例如χ2检验法)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。参数的计算和获取不是本文的重点，本文通过设置服务流程中的时间参数进行验证。文献［6］通过仿真得到对于某型导弹，预警卫星对目标稳定探测30s时能达到90%以上的探测概率，根据仿真结果，在本想定中，设定预警卫星发现目标(即探测概率接近90%时)所需的时间服从正态分布N(30，1)。模型中服务节点的时间参数如表1所示，交汇点的属性在表2中所列(部分)。在表1中设置了4种方案，从服务资源数量(1(1)和1(2)对比)和服务能力(2(1)和2(2)对比)两方面进行对比验证分析。服务资源数量的增加可以间接提高系统整体服务能力，服务能力可以通过对目标的探测时间和稳定跟踪时间来表示，在表中列出。其中方案1(2)、2(1)参数相同。表中服务资源的可用性表示系统在同一时间可提供服务的资源数。

3.3 服务流程仿真结果分析

通过流程仿真，4种方案的服务资源的繁忙程度、服务行为节点的繁忙程度统计如表3和4所示，总的拦截数据统计如表5所示。服务资源的繁忙程度的对比分析用图形化表示如图5和6所示。服务行为节点的繁忙程度对比如图7和8所示。

图4 服务流程模型

表1 资源模型和时间模型参数

表2 部分服务流程模型交汇点属性描述

表3 服务资源的繁忙程度统计

图5 方案1(1)和1(2)服务资源繁忙程度对比

图6 方案2(1)和2(2)服务资源繁忙程度对比

表4 服务行为节点的繁忙程度统计

图7 方案1(1)和1(2)服务行为节点繁忙程度

图8 方案2(1)和2(2)服务行为节点繁忙程度

表5 拦截数据统计

综合以上统计数据和图表可以看出:

1)预警资源本身的服务能力是影响服务效率的重要因素。方案2(1)和2(2)进行对比，在方案2(2)中天基预警服务资源能力高于2(1)，服务效率指标更好。如低轨预警信息处理节点繁忙程度小3%以上，拦截成功概率高2%。

2)增加天基服务资源的数量可提高服务的效率。方案1(1)和1(2)进行对比，方案1(2)的服务资源数更多，系统可选择服务能力更高资源组合执行服务，服务效率指标更好。如低轨预警信息处理节点资源的繁忙程度小6%以上，拦截成功概率高近3%。

因此，为提高天基预警系统服务效率，一方面提高系统本身服务能力(传感器性能或是优化空间布局)，另一方面可以增加可供选择的服务资源，在可供选择的资源中选择具有较优服务能力的传感器组合对目标进行探测和跟踪。

4 结束语

针对天基预警系统体系结构在动态信息描述方面的需求，本文基于IDEF3的流程仿真方法对天基预警服务流程进行描述，建立了服务流程模型，将传感器对目标的探测时间和稳定跟踪时间表征传感器的性能，选取服务执行时间、服务执行的成功概率和提供服务数量(系统资源数)表示服务性能参数，通过不同服务性能参数组合构建不同的流程方案，对流程中服务节点和服务资源的繁忙程度、拦截概率等服务效率指标进行对比，验证分析影响服务效率的因素，得出影响系统服务效率的两个关键因素——系统本身的服务能力和可供选择的服务资源数及资源/任务匹配，为下一步天基预警系统设计与应用研究提供基础。

参考文献:

［1］Ryan，Michael H，Hanoka，Weston J.A Study of Executable Model Based Systems Engineering from DODAF Using Simulink［R］.Air Force Inst of Tech Wright-Patterson AFB oh Graduate School of Engineering and Management，2012(9):1-93.

［2］姜军，吕翔，罗爱民，等.IDEF 3过程模型执行性研究［J］.计算机仿真，2009，26(7):325-328.

［3］Mounira Harzallah.Incorporating IDEF3 into the Unified Enterprise Modelling Language［C］.EDOC Conference Workshop，2007.EDOC ＇07.Eleventh International IEEE，2007(10):1-8.

［4］Cheng Kai，Zhang Hong-Jun.Framework to Evaluate Operational Effectiveness Based on Extended IDEF3 Method［C］.2011 International Conference on Advanced Materials and Computer Science，ICAMCS，2011:2329-2334.

［5］Huihua Cheng，Benli Wang，Changjun Wei.Research of Information Weapon System Performance Evaluation Based-on DoDAF［C］.Optoelectronics and Image Processing(ICOIP)，2010:192-195.

［6］张帆.导弹预警卫星系统分析与仿真［D］.北京:装备指挥技术学院硕士学位论文，2007.

［7］简平.反导作战信息支援装备体系建模与分析［D］.北京:装备指挥技术学院硕士学位论文，2009.