基于工作流的艦載機作戰(zhàn)指揮引導*

李 京

(海軍航空工程學院，山東 煙臺 264001)

艦載機在作戰(zhàn)中，尤其是與其它兵力聯(lián)合對面實施打擊時，各行動兵力間的協(xié)同顯得尤為重要。為了保證艦載機在作戰(zhàn)全過程能夠接收不間斷指揮控制，避免與其它兵力發(fā)生沖突甚至誤傷，對艦載機的作戰(zhàn)指揮引導是其重要組成部分。指揮引導效率的高低直接關系到艦載機作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。指揮引導效率的高低除了與情報、通信保障能力、指揮控制系統(tǒng)可靠度等因素有關外，還與指揮引導程序、方式和方法運用等理論有關。以美國為代表的世界軍事強國在艦載機作戰(zhàn)指揮引導方面積累了大量經(jīng)驗，形成了指揮引導的縱短橫寬扁平化，集中指揮和分散指揮相結(jié)合，更注重分散指揮的特點。而為了充分發(fā)揮分散指揮的優(yōu)勢，就必須保證各級指揮機構(gòu)能夠統(tǒng)一、高效地進行運轉(zhuǎn)和銜接。在此情況下，可以認為艦載機的作戰(zhàn)指揮引導是由許多流程構(gòu)成的，引入工作流思想建立一套適合指揮引導的系統(tǒng)，從而有效地幫助指揮員及參謀完成工作。

工作流是針對日常工作中具有固定程序的常規(guī)活動提出的一個概念，是一類能夠完全或部分自動化執(zhí)行的過程，在辦公自動化、集成制造、電子商務等領域發(fā)揮了重大作用。目前工作流過程建模的研究還處于發(fā)展階段，現(xiàn)有的過程建模方法仍存在很多不足。主要的建模方法有流程圖方法、Petri網(wǎng)模型、EPC方法、UML活動圖方法等［1］。在諸多的建模方法中，傳統(tǒng)的建模工具相對于UML有以下不足:一是在處理意外情況時，容易產(chǎn)生所謂的“僵化”問題;二是傳統(tǒng)模型在進行工作流建模時，不能很好地反映流程中的反饋特點;三是時域問題，必須要考慮到工作流的時間狀態(tài)的變化。

在艦載機的作戰(zhàn)指揮引導中，各機構(gòu)間的行動具有交互性、動態(tài)性和并發(fā)性的特點，適合采用Petri網(wǎng)和UML活動圖這樣的工具來進行建模。本文利用UML工具的直觀性和Petri網(wǎng)的數(shù)學嚴謹性，提取它們的優(yōu)點，建立高質(zhì)量的指揮引導工作流模型，從而優(yōu)化整個作戰(zhàn)指揮過程。

1 艦載機作戰(zhàn)指揮引導階段劃分

艦載機對面作戰(zhàn)的指揮引導主要可以分為3個階段:本艦管制區(qū)、航路區(qū)和目標區(qū)，如圖1所示。

·本艦管制區(qū)主要負責艦載機的起降，主要的指揮機構(gòu)包括:航管中心、飛行塔臺和作戰(zhàn)指揮控制中心。

·航路區(qū)主要實施艦載機進入出航點后的指揮引導，包括飛機的出航、返航以及敵我識別。在這一階段，主要的指揮引導機構(gòu)是作戰(zhàn)指揮控制中心;同時，根據(jù)作戰(zhàn)需要可以將飛機的控制權(quán)移交給空中指揮控制平臺。

·目標區(qū)是艦載機對面作戰(zhàn)指揮引導的最后一個階段，也是最為復雜的階段。因為，在聯(lián)合作戰(zhàn)條件下，目標區(qū)可能存在己方地面部隊和防空部隊。當飛機進入目標區(qū)后，指揮引導權(quán)可以移交給區(qū)域防空指揮機構(gòu)和目標區(qū)的目標引導組。

圖1 艦載機對面攻擊指揮引導階段劃分

2 基于UML的指揮引導模型

當艦載機實施空對面作戰(zhàn)時，通常由作戰(zhàn)指揮控制中心對艦載機實施統(tǒng)一指揮和控制。根據(jù)作戰(zhàn)行動需要，作戰(zhàn)指揮控制中心會適時授權(quán)空中指揮控制平臺或前出具有指揮引導能力的水面艦艇或指揮引導組，對一定區(qū)域的艦載機實施指揮引導，確保作戰(zhàn)行動的順利實施。有時由于雷達探測、通信保障等不能滿足艦載機遂行空對面作戰(zhàn)任務的需要，作戰(zhàn)指揮控制中心會指派空中指揮控制平臺或前出的具有對空引導能力的水面艦艇擔任指揮引導中繼平臺，確保艦載機按預定航線飛行，合理處置空中突發(fā)事件，準確地引導艦載機發(fā)現(xiàn)和截獲預定目標并實施攻擊。

整個作戰(zhàn)指揮引導模型的用例圖，各個飛行階段的活動圖如圖2－6所示。

圖2 艦載機作戰(zhàn)指揮引導用例圖

2.1 作戰(zhàn)指揮引導用例圖

圖2表述了艦載機作戰(zhàn)指揮引導的用例視圖。它將系統(tǒng)功能劃分成對參與者(即系統(tǒng)的用戶)有用的需求。而交互功能部分被稱作用例［2］。從該用例圖中可以看出，在指揮引導的全過程中主要有8個用戶:艦載機、塔臺、航管中心、作戰(zhàn)指揮中心、空中指揮平臺、目標引導組、地段防空指揮員、防空警戒艦。每個用戶在作戰(zhàn)指揮引導的不同階段發(fā)揮著各自的作用。

2.2 作戰(zhàn)指揮引導活動圖

UML提供了豐富的符號表示和建模機制，其中活動圖是5種為系統(tǒng)建立動態(tài)模型的圖之一［3］。活動圖強調(diào)在對象中發(fā)生的活動，包含行為狀態(tài)(action state)和活動狀態(tài)(activity state)，行為狀態(tài)和活動狀態(tài)是用側(cè)面為圓弧的矩形表示。一個行為狀態(tài)或者活動狀態(tài)完成后，控制流將立刻到達下一個行為或者活動狀態(tài)。我們用躍遷來表示這種從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的流動。在語義上，活動圖中的這種躍遷是非觸發(fā)的躍遷，或者說是完成躍遷，因為一旦行為或者活動狀態(tài)完成，控制流就馬上轉(zhuǎn)移。在UML活動圖中，躍遷用帶箭頭的實線表示。

圖3－圖6描述了在艦載機作戰(zhàn)指揮四階段中，各個指揮控制機構(gòu)圍繞著艦載機空對面作戰(zhàn)而進行的指揮引導活動。

·在起飛階段，以艦載機請示起飛這一活動為起點，以艦載機飛離航母管制區(qū)為該階段的重點。從圖中可以看出，塔臺、航管中心和作戰(zhàn)指揮中心依據(jù)作戰(zhàn)條件負責指揮引導:目視條件下的起飛由飛行塔臺負責;而當進入儀表飛行時由航管中心通過雷達進行指揮;當遇到緊急任務時，則可以由作戰(zhàn)指揮中心直接引導飛機起飛。

圖3 起飛階段活動圖

圖4 航路階段活動圖

·在艦載機的航路階段，作戰(zhàn)指揮引導的主要職責由作戰(zhàn)指揮中心承擔，同時航管中心全程進行監(jiān)控，當遇到特殊情況及時上報作戰(zhàn)指揮中心，后者進行對艦載機飛行進行修正;當作戰(zhàn)指揮能力受探測手段和通信條件限制時，可以將指揮引導權(quán)遞交給空中指揮平臺。

·當艦載機進入目標區(qū)后，其指揮引導活動最為復雜，涉及的用戶最多。其主要活動由在目標區(qū)的目標引導組負責;同時，如果有己方地面防空力量的存在，為了防止誤傷，當艦載機接近地面部隊防空區(qū)域時，要接受地段防空指揮結(jié)構(gòu)的指揮;而整個目標區(qū)的活動，作戰(zhàn)指揮中心都進行全程監(jiān)控。

·當艦載機執(zhí)行完空對面攻擊任務后，將進入返航階段。其中最為關鍵的是當艦載機進入航母管制區(qū)前的敵我識別，此時，艦載機要受到防空警戒艦的指揮，使其進入防空識別區(qū)進行敵我識別。當判明是我機后則將指揮權(quán)交予航管中心進行進近引導。

3 基于Petri網(wǎng)的建模驗證

本文通過統(tǒng)一建模語言UML建立了艦載機作戰(zhàn)指揮引導的工作流模型。但是，所建立的模型有可能存在一定的缺陷，這種缺陷往往就是隱患所在，所以在設計的初期，系統(tǒng)實現(xiàn)之前，發(fā)現(xiàn)并解決這一缺陷就成為一個關鍵問題。

圖5 目標區(qū)階段活動圖

圖6 返航階段活動圖

Petri網(wǎng)是一種系統(tǒng)的數(shù)學和圖形的建模分析工具，不僅可以清楚地描述系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用，體現(xiàn)出系統(tǒng)的動態(tài)行為，而且用Petri網(wǎng)建立的模型具有成熟的數(shù)學分析方法［4］?？梢詫哂胁l(fā)、同步、沖突等特點的系統(tǒng)進行模擬和分析，廣泛應用于復雜系統(tǒng)的設計與分析中?；赑etri網(wǎng)的這種優(yōu)點，可以很好地克服UML在這方面的缺點。鑒于這兩種建模工具的特性，用兩種工具從不同的側(cè)面對系統(tǒng)建模分析，實現(xiàn)優(yōu)劣互補，得到了較好的效果。

3.1 UML活動圖映射為Petri網(wǎng)模型規(guī)則

由UML活動圖轉(zhuǎn)換到Petri網(wǎng)方法的主要思想是用庫所表示活動，用變遷表示活動的躍遷。UML活動圖的順序結(jié)構(gòu)對應Petri網(wǎng)的順序結(jié)構(gòu);UML活動圖中表示分支的菱形，對應Petri網(wǎng)中的OR-Split、OR-Join;UML活動圖中表示并發(fā)的分叉同步棒對應Petri網(wǎng)中的ANDSplit，表示并發(fā)的合并同步棒對應Petri網(wǎng)中的ANDJoin。活動圖與Petri網(wǎng)基本圖形元素映射關系如圖7所示。

圖7 UML向Petri網(wǎng)轉(zhuǎn)換規(guī)則

3.2 作戰(zhàn)指揮引導的Petri網(wǎng)模型

根據(jù)上述轉(zhuǎn)換規(guī)則，可以將艦載機作戰(zhàn)指揮引導UML模型轉(zhuǎn)換為Petri網(wǎng)模型。限于篇幅限制，這里只列出目標區(qū)作戰(zhàn)指揮引導模型的轉(zhuǎn)換結(jié)果。如圖8所示。

圖8 目標區(qū)指揮引導Petri網(wǎng)模型

Petri網(wǎng)中變遷所代表的活動如表1所示。

表1 目標區(qū)作戰(zhàn)指揮引導變遷表

3.3 基于Petri網(wǎng)模型的正確性分析

大型的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)，一個修改或?qū)攵伎赡軙φ麄€系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響，所以必須保證其正確性。前面已經(jīng)利用UML工具建立了指揮引導的一般模型，這里通過Petri網(wǎng)的合理性分析，驗證該模型的正確與否。通常驗證合理性所采取的辦法是根據(jù)過程模型的特點，選取便于驗證的幾種特性(如:可達性、合理性、自由選擇性、良構(gòu)性、S可覆蓋性等)，然后根據(jù)性質(zhì)間的因果關系進行正確性分析。

3.3.1 可達性分析

Petri網(wǎng)的初始狀態(tài)決定了哪些狀態(tài)可達，以及它們的到達次序。因此Petri網(wǎng)一旦確定，被建模過程的可能行為就是確定的，通常利用可達圖作為描述工作流行為的方法。圖9為本模型的可達圖。

圖中一共有26種可達狀態(tài)，但并不是每種狀態(tài)都發(fā)生。比如，只有在(0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0)下，狀態(tài)(0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0)才會發(fā)生。通過建立可達圖，可知該模型滿足可達性。

圖9 目標區(qū)指揮引導的可達圖

3.3.2 合理性分析

我們可以看到當賦予了初始狀態(tài)后，當指揮引導任務完成時，整個過程最終都能來到結(jié)束狀態(tài)，并且其它所有狀態(tài)都是空的;另外，通過可達圖該模型不存在死任務，即模型中的任意狀態(tài)都可以在特定條件下達到?？芍撃Ｐ蜐M足合理性。

3.3.3 自由選擇性分析

如果在一個工作流網(wǎng)里兩個變遷t1和t2共享一個輸入庫所，即·t1∩·t2≠?，那么它們應該是OR-split的一部分，即很多可選項之間的一個“自由選擇”。所以，t1和t2的那組輸入庫所應該是匹配的，即·t1=·t2。

由圖8的工作流網(wǎng)模型可以看出:變遷T5和T6共享一個輸入庫P2，變遷T11和T12共享一個輸入庫P7;顯然它們的輸入集合相等，因此，所構(gòu)建的工作流網(wǎng)是有選擇的。

3.3.4 良構(gòu)性和S可覆蓋性分析

獲得一個具有“好的”結(jié)構(gòu)性的工作流的一個方法是，平衡AND/OR-split和AND/OR-join。由一個AND-split初始化的兩個并行流不應該由一個OR-join進行匯合。通過一個OR-split創(chuàng)建的兩個選擇流也不應該由一個AND—join進行同步。如圖8所示，T2(AND-split)到T26(AND—join)符合平衡的并行路由。可見，所建的工作流網(wǎng)符合良構(gòu)性。根據(jù)定理，一個合理的自由選擇的WF-net是S可覆蓋的。

所以，通過圖8和圖9，可以證明利用UML所建立的目標區(qū)作戰(zhàn)指揮引導工作流模型是合理的、符合確性驗證。

4 結(jié)束語

本文建立了一個基本的艦載機對面目標作戰(zhàn)指揮引導工作流模型;利用UML工具的可視化、界面友好的特點，同時，又利用Petri網(wǎng)的數(shù)學嚴謹性對該模型進行驗證;通過兩種工具的結(jié)合使用，可以較為快速和準確地進行作戰(zhàn)指揮引導系統(tǒng)的原型開發(fā)。

但是，由于受到篇幅和研究條件的限制，為了突出艦載機作戰(zhàn)引導的整體性，對作戰(zhàn)指揮引導中的一些問題進行了簡化，比如，作戰(zhàn)指揮中心、空中指揮控制平臺、目標引導組三者之間指揮引導的交接沒有進行詳細的描述。所以，在下一步的研究中，將進一步細化整個工作流過程。

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