體系結(jié)構流程仿真方法在反導預警分析中的應用

簡平，鄒鵬，熊偉

（裝備指揮技術學院，北京101416）

體系結(jié)構仿真就是使用體系結(jié)構的仿真工具，將可執(zhí)行模型在執(zhí)行規(guī)則的約束下動態(tài)運行，清晰、可視化地表現(xiàn)系統(tǒng)相關的信息流和數(shù)據(jù)流，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析體系結(jié)構的時間、資源利用及可靠性等特性，分析結(jié)果對體系結(jié)構評價提供依據(jù)，最終為定量決策提供支持。采用適當?shù)捏w系結(jié)構工具軟件進行體系結(jié)構的仿真，支持體系結(jié)構模型的運行機制的可視化，使掩藏在靜態(tài)模型下的動態(tài)機制可以清晰、生動地表現(xiàn)出來，能夠達到以下體系結(jié)構分析的目的[1]：①驗證體系結(jié)構模型自身的一致性。②動態(tài)、可視化地顯示作戰(zhàn)概念和作戰(zhàn)規(guī)則，并對其進行驗證和優(yōu)化。③檢驗一個系統(tǒng)或一項功能對整個作戰(zhàn)行動的貢獻大小。④資源分配和瓶頸分析。⑤成本效益分析。⑥驗證過程模型是否合理地滿足系統(tǒng)需求，并且實現(xiàn)既定目標。

1 體系結(jié)構流程仿真方法

體系結(jié)構流程仿真方法以IDEF3（ICAM（Integrated Computer Aided Manufacturing）DEFinition method 3）為基礎，解決了IDEF0不能反映時間和時序的問題，用來檢驗過程的合理性并指導過程重構，實現(xiàn)優(yōu)化[2，3]?；贗DFF3的流程仿真方法的核心是建立動態(tài)流程模型[4]，并在SA（System Architect）仿真器中編輯和運行該作戰(zhàn)規(guī)則模型，通過模型的運行結(jié)果可以驗證作戰(zhàn)規(guī)則的邏輯性，同時用圖表形式顯示仿真結(jié)果，包括資源等的利用率水平、一個流程內(nèi)各活動的等待時間和空閑狀態(tài)，用于發(fā)現(xiàn)瓶頸和弱點。體系結(jié)構流程仿真中涉及的主要模型、模塊包括：

（1）流程模型。流程是仿真的核心，它通過活動，子活動、連接弧以及節(jié)點來描述業(yè)務過程各任務之間的依賴關系，有四種仿真類型：事件、過程、結(jié)果和保持。在仿真中，表示流程開始的事件可以產(chǎn)生在整個流程中所要處理的對象，對象在流程中流過，在過程上進行處理，最后在表示結(jié)果的流程處結(jié)束，需要確定對象產(chǎn)生的規(guī)律和數(shù)量，并通過計算機模擬產(chǎn)生。在流程中的每一個過程都可以細化，定義下一級子流程圖，當對象進入該過程的時候，同時也就是進入了子流程的處理，從子流程流出后進入下一個過程的處理。

（2）資源模型。與流程相關的資源信息，每個資源模型包含一定數(shù)量的具有相同功能的資源實體，它們按照一定的排隊規(guī)則分配給活動。當出現(xiàn)多個活動同時請求占用某個資源的情況，就會出現(xiàn)排隊現(xiàn)象。在SA中資源包括執(zhí)行活動的角色和作戰(zhàn)節(jié)點上的裝備實體，資源模型包括資源可用性模型，即同一時間完成工作有多少資源可用；資源分配使用模型，即完成一項工作需要分配多少資源。資源模型的建立可用于分析資源利用率。

（3）組織模型。主要定義與流程模型虛擬執(zhí)行有關的組織信息。

（4）時間模型。人員的活動和設備的使用遵循一定的工作時間，即工作和休息的組合，例如如果某活動在一個時間段內(nèi)執(zhí)行，而某個角色資源在這個時間段內(nèi)是休息，則這個角色不能被這個過程所利用。只有在時間表所定義的時間范圍內(nèi)，資源才是可用的，活動才能被執(zhí)行。時間模型和資源模型共同驅(qū)動流程模型。

（5）交匯點和聯(lián)接模塊。在SA中，輸出型的交匯點類型有異或、與、或三種。

2 可執(zhí)行模型建立

2.1 作戰(zhàn)規(guī)則模型建立

按照體系結(jié)構流程仿真方法，分別建立預警衛(wèi)星支援下（方案一）和無天基預警信息支援下（方案二）反導作戰(zhàn)的可執(zhí)行模型，通過假定模型參數(shù)并在SA Simulator中進行仿真運行，分析預警系統(tǒng)在反導作戰(zhàn)中的信息支援作用。

2.1.1 預警衛(wèi)星支援下的反導作戰(zhàn)

圖1是以IDEF3為基礎建立的作戰(zhàn)規(guī)則模型OV—6a，描述了反導作戰(zhàn)的流程。模型中代表過程的行為單元有：預警衛(wèi)星探測、引導搜索、被動段跟蹤定位、數(shù)據(jù)融合處理、指揮、反導系統(tǒng)攔截、戰(zhàn)果評估、第二次攔截和次數(shù)統(tǒng)計。其中預警衛(wèi)星探測，被動段跟蹤定位，指揮和反導系統(tǒng)攔截行為單元可以根據(jù)作戰(zhàn)活動模型中的葉子活動轉(zhuǎn)換成IDEF3規(guī)則的子流程圖。戰(zhàn)果評估行為單元用于評估對敵方導彈的攔截情況，數(shù)據(jù)統(tǒng)計行為單元用于統(tǒng)計第一次攔截未成功后由于時間短而無法進行第二次攔截的次數(shù)。

圖2是對導彈被動段跟蹤定位行為單元的細化流程規(guī)則，由跟蹤作戰(zhàn)活動分解模型轉(zhuǎn)化為IDEF3模型。對于敵方導彈的自由段由預警機和地面遠程的早期預警雷達同時進行跟蹤，然后由搜索跟蹤雷達對其進行更為精確的跟蹤定位。預警衛(wèi)星探測、指揮、反導系統(tǒng)攔截等行為單元的細化流程規(guī)則沒有給出，其參數(shù)設置在后文中給出。

2.1.2 無天基預警信息支援下的反導作戰(zhàn)

在沒有天基預警衛(wèi)星信息支援條件下，由預警機和早期遠程預警雷達提供早期預警信息，傳輸?shù)街缚刂行模芍缚刂行囊龑阉鞲櫪走_等進行跟蹤定位，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合處理和指揮決策，對導彈進行攔截。沒有天基信息支援，對于敵方彈道導彈的主動段無法探測和跟蹤，得到的預警時間短，要獲得的相應精度的導彈目標信息執(zhí)行其他行為單元需要花費更多時間。引導搜索行為單元是由指控中心在獲取預警機和地面早期預警信息的情況下對跟蹤雷達發(fā)出的指令。其他行為單元與方案一的規(guī)則相同，指揮和反導系統(tǒng)攔截行為單元的子流程也相同，只是由于預警時間不同，相應的時間參數(shù)不一樣。

2.2 模型參數(shù)設定

2.2.1 仿真對象

事件產(chǎn)生仿真對象，仿真對象為進攻彈道導彈信息（射程1000km），通過設置對象的到達率來模擬反導作戰(zhàn)的情況，假定敵彈道導彈每2分鐘來襲一枚，此頻率持續(xù)62.5小時。

2.2.2 時間模型和資源模型參數(shù)的設置

作戰(zhàn)過程中各角色都處于戰(zhàn)備值班狀態(tài)，因此輪換班（shift）可設置為24小時。行為單元執(zhí)行的時間不是固定的，通常服從某一分布，可以作為排隊問題來求解，計算方法是首先根據(jù)原始資料并按照統(tǒng)計學的方法以確定其符合哪種理論分布，并估計其參數(shù)值，最后根據(jù)相關公式計算時間的期望值[5]。在本想定中，設定預警衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)目標（即探測概率接近98%時）所需的時間服從均勻分布Uniform（22，26）。其他行為單元分配的角色，以及角色在行為單元中執(zhí)行活動的時間設置如表1所示。資源的可用性和分配使用是根據(jù)預警系統(tǒng)的組織關系圖的角色來設置，在表1中括號內(nèi)表示可用資源數(shù)，表中的資源數(shù)并不是相應人員的絕對數(shù)，屬于歸一化的單位值。

表1 資源模型和時間模型部分參數(shù)

續(xù)表1

其中Normal為正態(tài)分布函數(shù)，Uniform為均勻分布函數(shù)，其他表示固定值，“0”表示該方案不包括此行為單元。

2.2.3 交匯點屬性設定

交匯點可以表示輸出分支的概率、時間屬性、仿真對象的通過方式等。方案一的交匯點屬性的設置如表2所示，方案二與之對應。表中交匯點J1的發(fā)生概率對應于反導系統(tǒng)單次攔截概率為70%，交匯點J2的時間模型表示反導系統(tǒng)對想定中敵方彈道的攔截時間窗口不能超過436s，否則無法組織對目標的第二次攔截。

表2 部分交匯點屬性及參數(shù)設置

2.2.4 仿真參數(shù)設定

在以上模型的基礎上，將仿真時間（Run Length）設為62.5小時。

3 仿真結(jié)果分析

結(jié)合實際情況和仿真的需要，確定作戰(zhàn)規(guī)則和流程的分析評價指標有：活動的空閑狀態(tài)（使用率）、資源的使用率、角色執(zhí)行任務的平均時間以及攔截概率。

3.1 活動的使用率

活動的使用率是指在整個仿真過程中活動用于支援反導作戰(zhàn)所執(zhí)行的時間所占的比例，用行為單元的忙閑狀態(tài)來表示，體現(xiàn)作戰(zhàn)規(guī)則的合理性。如果某個活動過于繁忙，則影響了系統(tǒng)延時，如果過于空閑，則說明活動沒有得到有效的利用。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，使用率仿真結(jié)果的對比分析可用圖形化表示，如圖5所示。

由數(shù)據(jù)及在圖中變化趨勢可以看出：數(shù)據(jù)融合處理行為單元的使用率相對較高，是反導作戰(zhàn)過程中的關鍵活動和瓶頸，需增加參與信息處理的節(jié)點以加強對傳感器獲得的信息的處理能力和速度；方案二中沒有天基預警系統(tǒng)，其他早期預警系統(tǒng)參與的活動使用率顯著增加，其他相同的行為單元的使用率都有不同程度的增加；相對于方案二，方案一中第二次攔截行為單元的使用率高出2.51%，可見，天基預警信息支援下反導系統(tǒng)組織第二次攔截的可能性較大、次數(shù)多，提高了預警時效性。

3.2 角色資源的使用率和執(zhí)行時間

角色資源的使用率是指在流程仿真過程中角色用于執(zhí)行行為單元的時間所占的比例。根據(jù)設置的資源模型參數(shù)和時間模型參數(shù)可在作戰(zhàn)規(guī)則的流程仿真過程中統(tǒng)計角色資源的忙閑狀態(tài)、執(zhí)行任務的平均時間和數(shù)量等特性，用圖6和7表示。

從圖4和5中看出，兩個方案單獨分析，情報專家的利用率和平均執(zhí)行時間都相對較高；對兩個方案進行比較，方案二中各角色資源的利用率和平均執(zhí)行時間普遍增加，尤其是早期預警人員增加幅度較大，因此需增加情報專家等信息處理人員的數(shù)量以及提高其信息處理能力，以減少預警信息支援的時延；同時增加早期預警人員的數(shù)量并提高其能力（如增加空中預警節(jié)點及其所屬人員數(shù)量和素質(zhì)、加強早期預警雷達組網(wǎng)及預警能力），能有效優(yōu)化現(xiàn)有反導系統(tǒng)的結(jié)構，使作戰(zhàn)規(guī)則更合理。

3.3 攔截概率的影響

OV—6a在SA Simulator中進行仿真運行統(tǒng)計行為單元的仿真數(shù)據(jù)，方案一、二中各產(chǎn)生1870個仿真對象，其中在方案一中由第一次成功攔截數(shù)為1288，攔截失敗數(shù)582，組織第二次攔截數(shù)306，二次攔截成功數(shù)為235，由于作戰(zhàn)時間超過反導系統(tǒng)對敵導彈的攔截時間窗口而無法組織第二次攔截數(shù)為276，成功攔截的總數(shù)為1517，總的概率為81.12%；方案二中第一次成功攔截數(shù)為1287，攔截失敗數(shù)583，組織第二次攔截數(shù)114，二次攔截成功數(shù)93，由于時間無法組織第二次攔截數(shù)為469，成功攔截總數(shù)為1381，總的攔截概率為73.85%。

以上結(jié)果顯示：方案一和方案二對導彈第一次攔截的成功率基本相當。由于方案一具有天基預警信息的支援，預警時間長，在第一次攔截失敗的情況下能夠及時有效組織第二次攔截（約占52.58%），大大提高攔截目標的概率。方案二中，預警時間較短，在第一次攔截后時間超過反導系統(tǒng)的攔截時間窗口的情況較多，只有約19.55%的概率能夠組織二次攔截，總的攔截概率比方案一小7.32%。因此，加強天基預警系統(tǒng)的建設提高反導的預警時間是有必要的，同時在當前預警系統(tǒng)還沒建成或在反導作戰(zhàn)中沒完全發(fā)揮作用的情況下，應著力提高反導系統(tǒng)的單次攔截效率，并提高系統(tǒng)的反應靈敏度，擴大對彈道導彈的攔截時間窗口，使得反導系統(tǒng)可以在攔截區(qū)時間段內(nèi)多次發(fā)射導彈，提高攔截目標的概率。

4 結(jié)束語

從本文研究的體系結(jié)構流程仿真方法及在反導預警中的應用可以看出，基于IDEF3的體系結(jié)構流程仿真方法適用于反導作戰(zhàn)流程的分析，并能驗證相關結(jié)論，對于其他分系統(tǒng)對整個反導體系信息支援作用的分析也具有適用性和借鑒意義。文中通過假定作戰(zhàn)規(guī)則中的各模型的參數(shù)對流程進行仿真分析，各參數(shù)值如何獲取到并不是本文研究的重點，但對仿真結(jié)果具有直接的影響，因此流程仿真中模型參數(shù)設置的合理性是一個重要的研究方向，例如如何描述和刻畫仿真對象產(chǎn)生的規(guī)律使其與現(xiàn)實情況一致、各行為單元執(zhí)行時間分布怎樣確定等。另外，在文中列出的三個分析指標的基礎上，可以對不同作戰(zhàn)規(guī)則的成本效益、通信時延等量化指標進行分析，這樣能更全面分析作戰(zhàn)規(guī)則的合理性。

1 周榮坤，駱光明.基于IDEF的企業(yè)體系結(jié)構模型在軍事信息系統(tǒng)設計中的仿真應用[J].中國電子科學研究院學報，2007，2（1）：27—30.

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5 張志勇，匡興華，晏湘濤.業(yè)務流程的時間模型研究[J].工業(yè)工程，2005，8（4）：98—101.