指挥信息系统涌现行为分析方法

何红悦，蒋 猛，李瑞阳

（陆军工程大学指挥控制工程学院，南京 210007）

0 引言

在体系对抗时代，指挥信息系统需要各个子系统在相应条令条例的指导下相互协作，最大限度地发挥整体作战效能，完成体系作战任务。各个子系统之间的相互协作会在体系层面产生涌现行为，涌现行为会影响作战任务的完成情况［1］。通过对指挥信息系统的涌现行为进行研究，可以进一步认识指挥信息系统涌现行为产生的机理，从而更加有效地促使涌现行为朝着有利于作战任务的方向发展，最终更好地指导指挥信息系统的建设，实现体系作战。

目前对指挥信息系统的涌现行为进行分析，主要应用DoDAF 的相关产品模型。但这些产品模型是以数据为中心构建的，各个产品模型之间强调数据的一致性，而忽略了行为模型的仿真能力。如果要对这些模型进行动态仿真，需要将它们转换为相应的仿真模型（例如Petri 网模型），在行为模型到仿真模型的转换过程中会造成语义丢失，影响仿真效果。

基于Petri 网和各种扩展Petri 网的仿真方法，是广泛应用的行为模型分析方法。如果行为模型是采用面向对象语言构建的，例如：UML、SysML 等，则要定义UML 或SysML 模型元素到Petri 网模型元素的映射规则，然后再将相应的模型（例如：类图、活动图等）形式化为Petri 网模型，但目前还没有一个通用的自动分析系统行为模型的方法及工具［2］。美国George Mason 大学C3I 研究中心将面向对象技术和Petri 网相结合，使面向离散事件的建模方法能够支持自底向上或由顶而下的建模，又增强了模型的可重用性［3］。文献［4］使用元胞自动机来研究武器装备体系的涌现模型。文献［5］则利用本体技术和对象Petri 网来研究C4ISR 体系结构可执行模型的构建与验证方法。但基于Petri 网的模型仿真方法存在状态空间爆炸、模型转换过程中丢失语义等问题。

进程代数是关于通信并发系统的代数的统称，是用代数方法研究系统行为的一门学科。近年来，各种改进的进程代数模型不断推出，进程代数理论正在被越来越多地应用于各种复杂并发系统的仿真分析中。代飞等［6］以ACP（Algebra of Communicating Process）为基础，设计了软件演化模型代数，来研究分析软件的演化行为。郭峰等［7］融合了进程代数与Petri 网模型，设计了一种新的融合进程代数特征的Petri 网模型——进程网模型。赵峰等［8］使用性能评价进程代数来对防空指挥系统进行建模仿真。进程代数的并发机制可以很好地描述系统的并发行为和交互行为。

本文研究了指挥信息系统涌现行为的产生机理，将其总结为以下规律：

1）作战活动根据事件（或信息）作出反应，对输入进行处理并产生最终的输出（或信息），复杂的作战活动可能会有多个输入，并产生若干个不同的输出。

2）指挥信息系统涉及到不止一种作战活动，多种作战活动相互交互构成网络，作战活动会在网络中临近的作战活动中产生影响。

3）多种作战活动连接起来，会产生一些存在相互作用作战活动的所有可能性的集合。

4）基本作战活动可以建立更复杂作战活动。

根据以上规律，抽象出作战活动、状态、作战活动交互和体系行为4 个关键概念。针对这4 个概念，应用分层描述思想，在系统交互层和体系展现层分别对涌现行为进行描述。在系统交互层采用扩展的UML 作为建模语言，在体系展现层，定义了业务进程代数，使用进程代数的迹来描述涌现行为。以此为基础，本文采用本体技术和进程代数仿真，从静态和动态两方面对指挥信息系统的涌现行为进行分析，静态分析检查涌现行为的概念一致性，动态分析则通过进程项的迹的仿真，实现涌现行为的可执行仿真。

1 一致性分析方法

为了验证涌现行为在系统交互层的概念一致性，需要将涌现行为在系统交互层的模型形式化为OWL DL 本体。参考DoDAF2.0 中国防部体系结构框架元模型（DoDAF Meta-Model，DM2）与相关视图元素的描述关系［9］。将构建的涌现行为在系统交互层概念模型中的概念及其关系映射到OWL DL 本体中的类定义和关系定义，将构建的涌现行为在系统交互层模型中的具体对象及其关系映射到OWL DL本体中的个体声明和关系声明，同时将涌现行为在系统交互层的一些规则信息用语义网规则语言描述成OWL DL 本体中的DL-Safe 规则（如图1 所示），由此得到涌现行为系统交互层的OWL DL 本体。

在对概念模型中的概念和关系进行转换时，定义了如下转换算法：

将涌现行为在系统交互层的概念一致性定义为不同产品模型中同一种数据元素的描述必须一致。如果同一数据在不同模型中的描述有差别，则在构建OWL DL 本体时，该数据元素会被声明为两个不同类概念的个体，会造成OWL DL 本体的不一致，OWL DL 本体的不一致可以通过本体推理工具如Pellet［10］等检查出来。

2 可执行仿真方法

图2 进程变迁树

在BAPA 语义中，进程项的变迁是由活动或条件来驱动的，每个进程项都有自己的响应活动或响应条件，进程项只有在自己的响应活动或响应条件发生时，才会发生变迁。进程项p 的响应活动或响应条件集合定义如下。

定义1 进程项p 的响应活动或响应条件集合Resp（p）定义为：

进程项在自己的响应活动或响应条件发生时，依据进程变迁规则发生变迁，根据这些进程变迁规则来构建进程项的进程变迁树。

通过对初始进程项的进程变迁树进行遍历，得到涌现行为的可执行仿真过程。为了实现最终的涌现行为可执行仿真，需要将执行过程中的作战活动依次调用相关的动作语义代码进行执行。将涌现行为的可执行仿真划分成3 个阶段：准备阶段、执行阶段和反馈阶段，如图3 所示。

图3 涌现行为可执行仿真

2.1 准备阶段

2.2 执行阶段

执行阶段除了需要准备阶段提供的初始进程项的进程变迁树以外，还需要动作语义代码库、执行对象集合和信息栈。本文研究的扩展UML 建模语言定义了相关的动作语义，为每个动作语义编写程序代码，构成动作语义代码库。模型执行时的相关对象则存放在执行对象集合中，信息栈则存放模型执行时产生的相关信息。在模型执行阶段，首先遍历初始进程项的进程变迁树来获取活动执行序列，然后从活动执行序列中依次取出一个活动，从动作语义代码库中找到该活动执行时所需动作语义的相关代码。如果该活动的执行对象不在执行对象集合中，调用对象动作语义代码产生执行对象并添加到执行对象集合中，然后调用执行对象来执行相关代码。如果该活动是发送信息活动，则调用相关动作语义代码产生信息对象并添加到信息栈中，如果该活动是接收信息活动，则调用相关动作语义代码从信息栈中找到相关信息对象并读取它。当活动执行序列的活动全部执行结束后，调用相关动作语义代码删除所有的执行对象和信息对象。

2.3 反馈阶段

这一阶段的工作主要是将活动执行序列中每个活动的执行情况和模型的最终执行结果反馈给用户。

3 结论

指挥信息系统作为一个复杂体系，由于其行为的涌现特性，使得行为分析一直是需求分析中的难点。本文研究了指挥信息系统涌现行为的分层描述方法，从系统交互层和体系展现层对涌现行为进行描述。在此基础上，根据涌现行为在两个层次上的不同表示，采用不同方法分别进行有针对性的分析。在系统交互层，应用本体技术分析其概念一致性；在体系展现层，利用进程代数仿真实现涌现行为的可执行仿真。该方法从静态概念和动态行为两方面对涌现行为进行分析，探索了一个涌现行为分析的新方法。后续将针对涌现行为分析的内容进行扩展和细化，实现更细致的分析检查。