面向体系结构的作战任务剖面建模仿真方法

2017-07-25陈霞

中国舰船研究 2017年3期

关键词：数据模型体系结构剖面

陈霞

海军装备部，北京100841

面向体系结构的作战任务剖面建模仿真方法

陈霞

海军装备部，北京100841

［目的］为有效分析作战任务剖面的系统行为和系统性能，［方法］提出一种面向体系结构的任务剖面建模与仿真方法。从体系结构建模出发，基于任务剖面的国军标定义，借鉴DoDAF模型对任务剖面进行描述；建立任务剖面体系结构模型，提出体系结构模型到智能体（Agent）仿真模型之间的转换关系，形成任务剖面可执行模型。［结果］以对空防御任务剖面为例，基于体系结构模型建立了基于Agent的仿真模型，分析了仿真模型的输入输出关系，［结论］可为作战任务剖面设计提供方法指导。

体系；体系结构；任务剖面；建模仿真；智能体

0 引言

随着军事作战系统建设规模越来越庞大，系统跨越的地域和覆盖的技术范围也越来越广阔，使得系统的设计研制已被纳入体系工程（System of Systems Engineering，SoSE）范畴［1］。体系结构指各组成部分的结构、它们之间的关系以及指导它们设计和后续演进的原则与方针［2］，是“体系工程”集成的“架构”和“蓝图”［3］。体系内各组件系统的动态行为特性、系统性能评价等需要借助于建模与仿真技术［4］。基于Agent建模仿真（Agent Based Modeling and Simulation，ABMS）方法被军事仿真界普遍认为是网络中心战环境下军事作战研究的最佳方法［5-6］。

任务剖面指产品在完成规定任务这段时间内所经历的事件和环境的时序描述［7］。作战任务剖面是指从战斗准备开始到完成典型作战任务这段时间上所经历的事件和环境的总称［8］。目前，对任务剖面的建模多限于可靠性方面［9］，即通过任务剖面的可靠性模型来评估任务的可靠性；有少量文献涉及到任务剖面的仿真，基于其活动和规则的形式化描述，建立任务剖面流程模型进行仿真验证［10］。但一直缺乏对任务剖面中各组件系统之间关系的描述，其对应的仿真模型与静态描述之间未建立明确的关联关系。

作战任务剖面包含了作战系统所属各系统（设备）的事件序列活动，其模型应反映各组件系统的结构及关系。因此，作战任务剖面模型可采用体系结构模型描述，从而可理解系统的作战概念、作战任务、活动序列、功能结构，分析系统逻辑数据动态交互，分析系统作战性能以及影响系统性能的诸因素间的相互关系。本文拟提出一种面向体系结构的任务剖面建模与仿真方法，将所建立的体系结构模型转换为可执行模型（Agent模型），通过可执行模型的仿真，对系统作战能力以及影响作战能力的各个因素进行分析，确认体系结构设计方案能否达到预期的作战能力，从而可为体系结构设计提供理论方法支撑。

1 任务剖面模型描述

1.1 体系结构模型描述

根据作战任务剖面的含义［7］，从作战任务、任务时间、事件规划和使用条件4个方面对剖面进行描述。借鉴DoDAF V1.5体系结构框架标准，作战任务中的任务编成由组织关系图（OV-4）描述，任务通道由作战单元连接（OV-3）描述，任务时间采用时间轴上事件执行划分来描述，事件规划由作战活动模型（OV-5）描述，使用条件由逻辑数据模型（OV-7）和作战规则模型（OV-6a）描述。其对应关系如图1所示。

作战系统组织关系阐述人的各种角色、组织、组织类型（作战系统体系结构中的主要参与者）之间的指挥结构或关系，用以清晰地描述存在于组织之间、组织内部的各种关系，包含监督上报、指挥控制、指挥—服从、协作关系。

作战单元连接关系图采用“需求线”描述各作战单元之间的信息交换。作战单元之间采用“需求线”连接，用以对信息交换要求进行说明。

任务时间轴划分，主要针对任务执行过程中各个时间段所经历的事件进行划分，为作战活动模型的形成提供事件序列。

图1 作战任务剖面模型与剖面要素对应关系Fig.1 Correspondence between profile model and elements

作战活动模型描述在执行作战使命的过程中正常开展的各种活动，以及各作战活动（或任务）、活动之间的输入与输出（I/O）流。它的输入输出是作战单元连接关系图中需求线上的信息类型。

逻辑数据模型描述作战系统的数据类型结构，定义任务剖面中的数据类型、数据类型的属性或特征，以及它们之间的相互关系。逻辑数据模型中的数据实体与作战活动相关，反映了作战活动的输入、输出数据信息类型。

1.2 可执行模型描述

任务剖面体系结构模型中的数据模型、规则模型、活动模型等都是对系统作战过程的静态展示，它虽然含有大量描述作战活动的行为信息，但它是不能执行的。为了对作战任务剖面模型结构与提出的想定之间的相互影响作用进行行为分析，必须建立系统的可执行模型。有了可执行模型就可以对系统进行仿真，并对系统的特性和性能进行分析，为任务剖面模型优化提供手段和量化评价标准。

ABMS方法在军事仿真界已被普遍认可［11］，因此，我们采用Anylogic软件，基于Agent的建模思想，从状态图、流程图、事件、函数等多方面建立任务剖面各实体的Agent模型，实现Agent之间的状态转换以及消息传递。Agent中事件执行依赖条件触发，Agent之间的信息交互采用消息传递机制，消息的传递通过消息类的定义、传输完成。

Agent中需要的各装备性能参数由人机界面输入，仿真得到的作战效能值直接以数值的形式显示在人机界面中。事件执行过程采用业务流程图的形式动态显示，在任务执行过程中各Agent的状态变化以状态转移图形式显示，各种展现形式可自由切换。各Agent的实现方式如图2所示。

图2 Agent参数、事件、流程、状态实现方式Fig.2 Implementation of agent parameters，events，processes，states

2 体系结构模型与可执行模型的转换

依据作战任务剖面体系结构模型以及基于Agent的可执行模型要素，可建立任务剖面DoDAF产品组件与Agent模型之间的对应关系，如表1所示。

表1 DoDAF产品和Agent模型之间的对应关系Table 1 Correspondence between DoDAF products and agent models

建立任务剖面可执行模型的步骤如下：

1）根据任务剖面的作战单元确定Agent智能体个数，每个智能体可建立多个装备，再由作战活动模型与装备之间的关联确定各装备在活动事件执行中的状态变化，确定每个智能体的状态转移，建立状态图，如图3所示。

图3 Agent状态图示例Fig.3 Examples of agent state diagrams

2）建立Agent消息体。将逻辑数据模型的数据实体转换为Agent模型中的消息体，并确保每个消息体都与所表示数据模型中的实体一致，如图4所示。

3）定义事件与函数。将作战活动模型中的底层活动对应为Agent模型中各Agent的事件，同时将规则模型中的各规则定义为Agent模型的函数，该函数即为事件执行的触发函数，如图5和图6所示。

4）建立任务剖面的业务流程图。根据Agent的消息、参数变量、事件逻辑以及由事件触发引起的状态变化，建立各事件之间的信息流动模型，即业务流程图，如图7所示。

经过以上步骤的转换建立任务剖面的可执行模型之后，对可执行模型进行仿真，从而可基于仿真输出数据对任务剖面组成中各实体的行为、性能、效能进行相应的分析。

图4 数据模型与Agent消息体对应关系Fig.4 DoDAF data model and agent message body

图5 作战活动与Agent事件对应Fig.5 Correspondence between operational activity and agent event

图6 作战规则与Agent函数对应Fig.6 Correspondence between operational rule and agent function

图7 任务剖面业务流程示意图Fig.7 Diagram of mission profile business process

3 作战任务剖面仿真

3.1 任务剖面仿真流程

本文以对空防御任务剖面为例，依据体系结构建模框架标准，按照图1所示对应关系建立任务剖面体系结构模型，并根据第2节的方法转换为Agent可执行模型，基于Agent模型对任务剖面进行仿真，分析其对应的作战能力。

对空防御作战任务剖面包含的作战节点有：搜索雷达、红外警戒设备、跟踪制导雷达、指挥控制系统、中远程舰空导弹、近程舰空导弹、近程反导舰炮和来袭目标，可对应建立各节点的Agent实体，并由实体的作战活动及时间序列等定义Agent事件及函数，形成对空防御作战任务剖面可执行模型，即仿真模型。

在对空防御作战中，由搜索雷达、红外警戒设备等探测器将探测到的来袭目标信息发送给指挥控制系统进行目标融合、威胁判断等处理，再将高威胁等级目标的目标指示发送给相应的武器系统，同时指示跟踪制导雷达对目标进行跟踪，武器系统接收跟踪制导雷达的精确跟踪数据后进行诸元解算，完成对目标的拦截打击。目标的运动轨迹由运动方程模拟，其它节点对应的Agent状态变化由事件触发，整体仿真流程如图8所示。

图8 对空防御作战任务剖面仿真流程Fig.8 Simulation flow of air-defense mission profile

3.2 任务剖面仿真输入参数

对空防御任务剖面的输入参数对应为体系结构模型中规则模型所涵盖的条件参数，在进行功能级仿真时，一般涉及到的是各Agent实体的性能参数，如图9所示。

图9 对空防御任务剖面仿真输入参数示意图Fig.9 Diagram of input parameters for air-defense mission profile simulation

3.3 任务剖面仿真输出参数

建立任务剖面可执行模型并进行仿真的目的是观察作战系统运行的性能指标，根据指标值判断系统运行状况，从而对剖面设计效果进行评价。一些典型的性能指标有：单目标成功拦截概率、对目标流的拦截概率、最大拦截目标批数、空中目标平均滞留数、目标平均滞留时间、剖面流程反应时间等。

为了分析形成任务剖面各环节的作战能力情况，还可以在仿真模型中设置各个环节对应的输出指标，如表2所示。

在仿真分析时，可通过改变各输入参数获得对应的输出参数值，由输入输出参数变化关系分析对作战能力影响较大的影响因素，以及各个环节对整体作战能力的贡献情况；在对任务剖面模型进行适当改进后，通过改进前后的能力变化也可分析任务剖面设计方案的优劣，从而为作战任务剖面设计提供有力的决策依据。

表2 任务剖面各组件系统输出参数集Table 2 Output parameters for each component system of mission profile

4 结语

本文从体系结构建模出发，借鉴DoDAF模型中的组织关系图、作战单元连接、作战活动模型、作战规则模型、逻辑数据模型等，分别表示任务剖面的任务编成、任务通道、事件规划、使用条件，从而对任务剖面进行描述，进而映射到Agent仿真模型中的事件、函数、消息体等，建立任务剖面体系结构模型与可执行模型。最后，以对空防御作战任务剖面为例，建立各作战节点的Agent实体，描述任务剖面仿真流程，分析仿真模型的输入输出关系，从而可基于仿真输出数据对任务剖面组成中各实体的行为、性能、效能进行相应的分析。

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Architecture oriented modeling and simulation method for combat mission profile

CHEN Xia
Naval Armament Department of PLAN，Beijing 100841，China

In order to effectively analyze the system behavior and system performance of combat mission profile，an architecture-oriented modeling and simulation method is proposed.Starting from the architecture modeling，this paper describes the mission profile based on the definition from National Military Standard of China and the US Department of Defense Architecture Framework（DoDAF）model，and constructs the architecture model of the mission profile.Then the transformation relationship between the architecture model and the agent simulation model is proposed to form the mission profile executable model.At last，taking the air-defense mission profile as an example，the agent simulation model is established based on the architecture model，and the input and output relations of the simulation model are analyzed.It provides method guidance for the combat mission profile design.

System of Systems（SoS）；architecture；mission profile；modeling and simulation；agent

U674.7+03.5

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2017.03.019