基于Petri 网的信息作战指挥协同流程建模与分析*

杨 兵，陈 希，梁振新

（战略支援部队信息工程大学，郑州 450001）

0 引言

以信息为中心的联合作战强调体系中各部分之间的协调配合［1］，而信息作战指挥协同是影响联合作战体系效能的关键因素。在工程实践中，流程是指一系列连续的、有规律的活动组合，这些活动组合以特定的方式进行，从而产生特定的结果［2］。信息作战指挥协同流程属于流程管理研究的范畴，一个具有系统性、稳定性、灵活性的指挥协同流程，能够促进参加信息作战的各种力量协调一致，确保信息作战效能向联合作战全域输出。在作战指挥的研究领域，以往针对流程的研究多集中于指挥流程方面［3-6］，指挥协同流程的研究则相对较少；但指挥协同作为指挥流程中的一个重要环节，它对于作战全过程而言，具有优化力量组合、管理作战时序、减小内部摩擦、增大指挥效能的作用。因此，细化研究信息作战指挥协同流程的内容，并利用适当方法对其进行建模与分析，有助于提升指挥协同的效率，提高联合作战效能。

1 信息作战指挥协同流程

信息作战指挥协同流程，是指挥员组织信息作战指挥协同活动各个事项的顺序和步骤。指挥协同流程是作战指挥流程的子过程，伴随着作战指挥流程展开而开始，通过周期性地动作，协调各个指挥机构之间的指挥活动，从而达到保持整个系统协调一致的状态。与面向任务的作战指挥流程不同［7］，指挥协同流程主要是基于“组织逻辑”，而不是针对某一项特定的任务，通过科学组织作战活动、资源、时间等要素，确保各个参战力量在效果和空间上的高度协调。从这个角度来看，指挥协同是对指挥活动的一种“组织”行为，目的是保证作战行动的协调性。

在联合作战中，信息作战指挥协同流程涉及到联合作战的阶段划分、任务衔接与转换、组织力量的配合等方面的内容。因此，指挥协同流程设计的合理性十分重要。在流程的内容的设计上，要针对信息作战特点进行创新，考虑到信息作战具有力量构成多元、作战样式复杂、作战节奏紧迫的特点，适当增加了跨领域情报协调、融合式预案协商、监督反馈回路等内容，设计如图1 所示的信息作战指挥协同流程。

图1 信息作战指挥协同流程

信息作战指挥协同流程总体上可分为4 个阶段：明确要点阶段、拟定预案阶段、制定计划阶段、监督调控阶段。联合作战指挥员和信息作战指挥协同机构共同负责流程组织与实施，其中指挥协同机构内部设立情报协调席、协同计划席、协同调控席4个席位。

1.1 明确要点阶段

情报协调席向协同计划席提供信息作战相关态势信息，协同计划席领会指挥员作战意图，并分析、确定信息作战指挥协同的要点。协同要点包括：作战阶段的划分、各阶段的任务、任务的主次、阶段转换的时机。该阶段主要是确定指挥协同的重心，形成制定指挥协同预案的初步构想。

1.2 拟定预案阶段

协同计划席根据指挥协同要点和跨兵种的共享情报，拟制指挥协同预案。预案内容包括：协同总体任务、协同阶段划分、协同的细化要求、指定各阶段参战力量并明确相互关系，主动预想突发情报，并制定多套备用方案。

另一个环节是组织跨域融合式的协同会议，多军兵种协同人员联合制定预案，并为指挥员提供决策建议。主要内容包括：多军种协同计划人员拟制预案，协商修改预案并达成共识，向指挥员上报成型预案，辅助指挥员选定方案，并根据其意见调整细节，明确协同注意事项。该阶段主要是预案的形成与选定，产生的是组织指挥协同的基本规划。

1.3 制定计划阶段

协同计划是具体的、可执行的协同内容，协同计划席将选定预案进一步细化，转化为协同计划下发任务单位。协同计划内容包括：作战阶段的时序规划、作战地域的划分、各作战单位的任务分配、协同方法和实施条件、各单位之间的协同关系、电磁频谱的管控、预想敌方可能的行动、协同遭受破坏的恢复措施、各类保障的措施。

在时间充足的情况下，应组织协同计划的推演，检验计划的合理性。协同计划推演可利用智能辅助系统完成，其内容包括：输入想定的协同数据、校正数据冲突与错误、推演系统运算、分析输出结果、进一步优化协同计划。在推演结束之后，指挥员还要对协同计划进行一定的检查指导，强调重要的注意事项。该阶段主要是将预案内容转化为协同任务的逻辑步骤，并推演验证其可行性。

1.4 监督调控阶段

指挥员下达协同指令，标志着开始实施协同计划。协同调控席与情报协调席密切监督协同过程，实时观察敌方动作，采集协同效果评估指标数据，并利用定量与定性结合的方式评估协同效果，根据结果决定下一步动作。如果协同出现可修正偏差，则酌情补充协同指令；如果协同出现严重偏差且不可修正，则立即变更协同预案；如果协同进程顺利，则继续监控协同直至作战结束。该阶段贯穿整个作战行动全过程，是提高协同弹性的重要措施。

2 信息作战指挥协同流程Petri 网模型

2.1 Petri 网基本原理

Petri 网是由Carl Adam Petri 博士首次提出，具有严格的数学逻辑，能直观清晰地描述异步、并发的过程的数学建模工具［8］。Petri 网既可以分析静态结构，也可以用于流程等动态行为的分析。经过多年发展，Petri 网发展出了谓词/变迁系统［9］、有色网系统［10］、自控网系统［11］、随机Petri 网［12］等分支，在线路设计、流程建模、计算机科学等领域得到广泛运用，而且特别适用于离散系统的建模与仿真［6］。

Petri 网的定义：PN=（S，T，F，M0） 是一个Petri网。其中，P 表示库所的有限集合，T 表示变迁的有限集合，F 是它们之间流关系的集合，M0表示系统的可达标识集。它们满足以下条件：

2.2 信息作战指挥协同流程Petri 网模型

通过图1 的指挥协同流程可以看出，指挥协同流程是“活动流”和“信息流”融合的过程［13］。结合Petri 网的基本原理，用库所表示运行条件，用变迁表示一个具体的步骤，用托肯表示对信息（数据）或控制条件［14］，能很好地表现指挥协同流程中“信息”和“活动”的运行逻辑。建立信息作战指挥协同流程Petri 网模型如图2 所示，须要说明的是，因为指挥协同流程是周期往复的，因此，将其Petri 网设计成循环结构，指挥协同的“结束”与下一次“开始”形成高效运转的闭环。

图2 信息作战指挥协同流程Petri 网模型

图2 中的库所主要表示信息作战指挥协同某个步骤的先决条件，库所中包含相关的指挥协同信息；变迁表示对指挥协同信息的一个处理动作，信息经过指挥协同流程环节（变迁）的处理之后，就变成了新的指挥协同指令向下一个环节传递，从而实现了指挥协同的流程化操作。其库所P 与变迁T 代表的含义如下页表1 所示。

3 信息作战指挥协同流程Petri 网模型分析

3.1 模型合理分析

一个合理的Petri 网模型结构上必须要具有合理性。首先，根据Petri 网的定义要求，模型要满足以下条件：不能出现同类元素互连的情况，不能出现孤立元素，保证每个元素都能运作。通过观察，可知图2 的模型结构已具备这几个先决条件。

使用PIPE 仿真软件对模型进行合理性和性能分析，可以极大地提高Petri 网模型分析效率。PIPE（Platform Independent Petri Net Editor）是一款Petri网分析工具［15］，它的分析模块可以满足对Petri 网各种性能指标的分析，在PIPEv4.3.0 中对模型进行仿真如下页图3 所示。

3.2 模型可用性分析

表1 信息作战指挥协同流程Petri 网模型中库所与变迁含义表

图3 在PIPE 中构建的指挥协同流程Petri 网示意图

通常认为一个好的Petri 网模型在被赋予托肯后是能自动地运行下去的，即要求模型是活的、安全的、无死锁的［17］。但是在仿真实验中，为了防止状态空间过大导致相关数据无法显示，对库所中的初始托肯数量作了限制，限制P1，P10，P11，P12含托肯为1，表示初始的指挥员意图、信息作战基础情报、跨军种多域共享情报、信息作战明细情报。通过PIPE对模型进行状态空间分析，指挥协同流程Petri 网模型是有界的、非安全的、有死锁现象的，死锁的最小路径为：T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7，T8，T9，T10，T11。需要说明的是，当我们不限制托肯数量时，系统将不会出现死锁现象；限制情报库所容量后，系统将会是安全的。

图4 指挥协同流程模型的可用性分析结果

3.3 模型可达性分析

图5 指挥协同流程的实存状态矩阵

PIPE 还可根据稳定状态分析结果生成可达视图，如图6 所示。从图6 中可以看出，生成的可达视图清楚地反映了模型的R（M0）元素之间相互关联的并且可达。其中，有4 个蓝色消失状态集表示瞬时变迁，S16是情报资源耗尽形成的状态停留。

图6 PIPE 实验生成的指挥协同流程模型可达视图

3.4 模型信息利用率分析

图7 指挥流程的模型的标记概率密度表

图8 指挥流程模型的库所平均托肯数

从图8 中可以看出，除了表示预设情报信息的库所P10，P11，P12之外，其他库所的托肯数分布都比较均匀。在它们之中相互比较，协同计划环节与协同调控环节涉及的库所托肯数量稍多，体现了这两个阶段较高的指挥协同信息利用率，表明拟制协同计划和调控协同过程两个阶段信息流转频繁、业务负荷大、时限要求紧张的特点。因此，在实际作战中应选择精干力量负责指挥协同计划的拟制和协同过程的调控。

4 结论

通过对作战指挥流程理论的研究，本文设计了信息作战指挥协同的流程框架，并利用Petri 网方法对信息作战指挥协同流程进行建模，使用仿真软件PIPE 分析了Petri 网模型的可用性、状态可达性、信息利用率等基本性能指标，结果表明，Petri 网模型适合用于信息作战指挥协同流程的建模与分析。但是，实战之中的信息作战指挥协同流程远比这复杂得多，该模型各个环节的分支内容还有待进一步拓展研究。因此，下一步研究的重点是，细化各个流程分支、引入变迁时延因素、考虑模型的运行效率和优化方法，建立更加具有实用性、精确性、稳定性的信息作战指挥协同流程模型，以适应信息作战指挥协同需要。