基于體系結(jié)構(gòu)流程仿真的天基預(yù)警系統(tǒng)服務(wù)描述與驗證*

簡 平，熊 偉

(裝備學(xué)院復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實驗室，北京 101416)

天基預(yù)警系統(tǒng)的主要應(yīng)用之一是彈道導(dǎo)彈防御作戰(zhàn)。系統(tǒng)工作過程及其作戰(zhàn)應(yīng)用過程具有復(fù)雜性、動態(tài)性特點，而且存在大量不確定性信息。從體系結(jié)構(gòu)入手是從全局和根本上理解天基預(yù)警系統(tǒng)及其作戰(zhàn)應(yīng)用內(nèi)在規(guī)律的途徑之一。在當(dāng)前體系結(jié)構(gòu)框架下設(shè)計體系結(jié)構(gòu)模型通常描述的系統(tǒng)靜態(tài)信息或動態(tài)信息的靜態(tài)表示(如作戰(zhàn)活動模型和服務(wù)過程演化描述模型)，這些模型不能提供信息在什么條件下產(chǎn)生，以及信息是如何接收和發(fā)送的具體細(xì)節(jié)，很難對系統(tǒng)之間的交互作用等動態(tài)行為進(jìn)行分析。動態(tài)可執(zhí)行模型可以定義信息接收、產(chǎn)生發(fā)送的條件，反映隨時間變化的活動、行為的信息交換以及活動和角色之間的動態(tài)交互［1］，本文研究建立天基預(yù)警服務(wù)可執(zhí)行流程模型，分析天基預(yù)警服務(wù)的效用。

1 流程任務(wù)時序描述模型

天基預(yù)警服務(wù)流程模型包括服務(wù)節(jié)點、服務(wù)行為的任務(wù)時序關(guān)系，任務(wù)的時序關(guān)系是進(jìn)行任務(wù)描述和建立任務(wù)描述模型的基礎(chǔ)，通常把任務(wù)時序關(guān)系分為串行和并行兩大類。根據(jù)任務(wù)執(zhí)行時間的重疊形式，串行又可分為匯合和超前關(guān)系，并行又可分為相等、期間、重疊、開始和結(jié)束關(guān)系，任務(wù)時序關(guān)系如圖1所示，設(shè)有任務(wù)A和B，TAs和 TBs分別為A和 B任務(wù)開始時間，TAe和TBe分別為A和B任務(wù)結(jié)束時間。

1)串行關(guān)系。A與B為串行關(guān)系，有TAe≤TBs。當(dāng)TAe=TBs時，稱為匯合關(guān)系(meets)，如圖1(a)所示;當(dāng)TAe＜TBs時，稱為超前關(guān)系，如圖1(b)所示。

2)并行關(guān)系。A與B為并行關(guān)系，有TAe＞TBs。當(dāng)TAs=TBs，TAe=TBe時，稱為相等關(guān)系(equals)，如圖1(c)所示;當(dāng)TAs＜TBs且TBs＜TBe時，稱為期間關(guān)系，如圖1(d)所示;當(dāng)TAs＜TBs且TBe=TAe時，稱為重疊關(guān)系，如圖1(e)所示;當(dāng)TAs=TBs，且TBe＜ TAe時，稱為開始關(guān)系(starts)，如圖1(f)所示;當(dāng)TAs＜TBs且TAe=TBe時，稱為結(jié)束關(guān)系，如圖1(g)所示。

2 基于IDEF3的體系結(jié)構(gòu)流程仿真方法

2.1 IDEF3技術(shù)

流程仿真方法以IDEF3為基礎(chǔ)［2］，IDEF3解決了IDEF0不能反映時間和時序的問題，并能和流程分析軟件相結(jié)合，用來檢驗過程的合理性并指導(dǎo)過程重構(gòu)，實現(xiàn)優(yōu)化。IDEF3采用圖形化的語言描述，通過一些基本元素的不同組合來描述系統(tǒng)的動態(tài)過程，可以滿足描述任務(wù)過程的時序關(guān)系和邏輯關(guān)系的需要，通過對行為單元的屬性定義，能夠?qū)θ蝿?wù)事件進(jìn)行詳細(xì)描述，包括任務(wù)事件的時間與任務(wù)執(zhí)行概率、任務(wù)事件的子事件等。IDEF3過程流描述語言的基本語法元素有下列幾種［3］:行為單元 UOB(Unit Of Behavior)，交匯點(Junction)，聯(lián)接(Link)，參照物(Referent)，細(xì)化說明(Elaboration)，分解(Decomposition)，如圖2所示。通過IDEF3可以記錄狀態(tài)和事件之間的關(guān)系以及過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，從而確定資源在流程中的作用［4-5］。

圖1 任務(wù)時序關(guān)系

圖2 IDEF3基本語法元素

2.2 流程仿真方法

基于IDEF3的流程仿真方法的基本原理如圖3所示，以IDEF3元素建立可執(zhí)行模型，包括流程模型、資源模型、時間模型和組織模型，通過交匯點和鏈接模塊等執(zhí)行規(guī)則，建立完整的服務(wù)流程模型，可執(zhí)行模型的相關(guān)對象以及內(nèi)部關(guān)系在圖3中左邊顯示，在SA工具(System Architecture)的仿真參數(shù)和環(huán)境下進(jìn)行動態(tài)可視化仿真，以統(tǒng)計學(xué)為基礎(chǔ)收集和記錄仿真數(shù)據(jù)，在SA Simulator中形成仿真報表和圖形結(jié)果，并分析時間、資源利用等指標(biāo)，以優(yōu)化仿真模型。

1)流程模型。流程是仿真執(zhí)行的核心，它通過活動，子活動、連接弧以及各種連接節(jié)點來描述各任務(wù)之間的依賴關(guān)系。在仿真中，IDEF3的建模元素UOB分為4種類型:事件、過程、結(jié)果和保持。事件表示流程的開始，過程是組成流程的基本類型，結(jié)果表示流程的結(jié)束，保持表示流程中的緩沖、延遲等概念。流程中的每一個過程都可以細(xì)化，定義下一級子流程圖，當(dāng)對象進(jìn)入該過程的時候，同時也就是進(jìn)入了子流程的處理，從子流程流出后，又進(jìn)入下一個過程的處理，直到結(jié)束。

圖3 基于IDEF3的流程分析原理圖

2)資源模型。與流程相關(guān)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(包括角色或裝備系統(tǒng)實體，將系統(tǒng)資源的功能封裝為服務(wù))，它們按照一定的排隊規(guī)則分配給活動。當(dāng)出現(xiàn)多個活動同時請求占用某個資源服務(wù)的情況，就會出現(xiàn)排隊現(xiàn)象。資源模型包括資源可用性模型，同一時間完成工作有多少資源可用;資源分配使用模型，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。定義與流程模型虛擬執(zhí)行有關(guān)的組織信息。

4)時間模型。人員的活動和系統(tǒng)資源的使用遵循一定的時間約束，例如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)不可用，則這個角色不能被這個過程所利用。只有在時間模型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。在構(gòu)建流程模型時，根據(jù)任務(wù)之間的邏輯關(guān)系按需選擇相應(yīng)的交匯點類型。

3 典型天基預(yù)警服務(wù)流程驗證實例

預(yù)警衛(wèi)星的傳感器對目標(biāo)的探測概率與探測時間有關(guān)［6］，對目標(biāo)的探測時間越長，探測成功概率越高。傳感器性能越好越容易探測到目標(biāo)，并能更快地實現(xiàn)對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。本文從服務(wù)資源數(shù)量和服務(wù)能力兩個方面對服務(wù)流程及服務(wù)效率進(jìn)行驗證分析。其中，服務(wù)能力體現(xiàn)在服務(wù)的執(zhí)行時間上，傳感器資源服務(wù)能力越高，探測到目標(biāo)需要的時間越少，對目標(biāo)達(dá)到穩(wěn)定跟蹤的時間也越短，而服務(wù)資源越多，可以選擇服務(wù)能力更好的組合。結(jié)合實際情況和仿真的需要，選取服務(wù)執(zhí)行時間、服務(wù)執(zhí)行的成功概率和提供服務(wù)數(shù)量(系統(tǒng)資源數(shù))表示服務(wù)性能參數(shù)，通過不同服務(wù)性能參數(shù)組合構(gòu)建不同的流程方案，進(jìn)行對比，驗證分析影響服務(wù)效率的因素。在仿真結(jié)果分析中，選用服務(wù)節(jié)點和服務(wù)資源的繁忙程度、攔截概率等指標(biāo)來反映天基預(yù)警系統(tǒng)的服務(wù)效率。

3.1 服務(wù)流程模型

［7］反導(dǎo)作戰(zhàn)規(guī)則模型OV-6a，建立面向反導(dǎo)作戰(zhàn)的天基預(yù)警系統(tǒng)服務(wù)流程模型如圖4所示，服務(wù)流程模型中包含3個組織:進(jìn)攻導(dǎo)彈模塊，根據(jù)實際情況模擬產(chǎn)生相應(yīng)的來襲彈道導(dǎo)彈的信息，描述敵方導(dǎo)彈的生存狀態(tài);信息獲取和指控模塊，描述我方對敵方導(dǎo)彈的探測跟蹤等服務(wù)過程，并進(jìn)行信息處理;攔截模塊，根據(jù)敵我雙方目標(biāo)信息進(jìn)行攔截決策，描述反導(dǎo)系統(tǒng)對敵方導(dǎo)彈的攔截過程及其攔截效果反饋。服務(wù)行為節(jié)點有:目標(biāo)發(fā)現(xiàn)服務(wù)(高軌)、單源信息處理服務(wù)(高軌)、目標(biāo)助推段跟蹤服務(wù)、目標(biāo)發(fā)現(xiàn)服務(wù)(低軌)、單源信息處理服務(wù)(低軌)、目標(biāo)自由段跟蹤(低軌)、目標(biāo)發(fā)現(xiàn)服務(wù)(雷達(dá))、目標(biāo)跟蹤服務(wù)(雷達(dá))、指揮控制服務(wù)、導(dǎo)彈攔截服務(wù)、二次攔截服務(wù)。服務(wù)節(jié)點對應(yīng)的服務(wù)資源為:高軌預(yù)警衛(wèi)星節(jié)點、高軌衛(wèi)星信息處理節(jié)點、高軌預(yù)警節(jié)點、低軌預(yù)警衛(wèi)星節(jié)點、低軌預(yù)警信息處理節(jié)點、低軌預(yù)警節(jié)點、地面雷達(dá)節(jié)點、地面雷達(dá)節(jié)點、指控節(jié)點、導(dǎo)彈攔截節(jié)點、導(dǎo)彈攔截節(jié)點。其中指揮控制服務(wù)、導(dǎo)彈攔截服務(wù)節(jié)點可以根據(jù)服務(wù)功能中的子服務(wù)轉(zhuǎn)換成IDEF3規(guī)則模型的子流程圖，本文沒有列出。

3.2 模型參數(shù)設(shè)置

在服務(wù)流程模型中，事件產(chǎn)生仿真對象，通過設(shè)置對象的到達(dá)率來模擬服務(wù)流程。對服務(wù)流程模型的作戰(zhàn)想定可作如下設(shè)定:敵方彈道導(dǎo)彈射程為1000km，從發(fā)射開始，整個彈道的運行時間T窗口服從正態(tài)分布N(500，10)，其中500為期望值，10為方差，時間為秒，假定攔截系統(tǒng)對目標(biāo)的攔截時間窗口不大于460s。服務(wù)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(xué)的方法(例如χ2檢驗法)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(guān)公式計算時間的期望值。參數(shù)的計算和獲取不是本文的重點，本文通過設(shè)置服務(wù)流程中的時間參數(shù)進(jìn)行驗證。文獻(xiàn)［6］通過仿真得到對于某型導(dǎo)彈，預(yù)警衛(wèi)星對目標(biāo)穩(wěn)定探測30s時能達(dá)到90%以上的探測概率，根據(jù)仿真結(jié)果，在本想定中，設(shè)定預(yù)警衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)目標(biāo)(即探測概率接近90%時)所需的時間服從正態(tài)分布N(30，1)。模型中服務(wù)節(jié)點的時間參數(shù)如表1所示，交匯點的屬性在表2中所列(部分)。在表1中設(shè)置了4種方案，從服務(wù)資源數(shù)量(1(1)和1(2)對比)和服務(wù)能力(2(1)和2(2)對比)兩方面進(jìn)行對比驗證分析。服務(wù)資源數(shù)量的增加可以間接提高系統(tǒng)整體服務(wù)能力，服務(wù)能力可以通過對目標(biāo)的探測時間和穩(wěn)定跟蹤時間來表示，在表中列出。其中方案1(2)、2(1)參數(shù)相同。表中服務(wù)資源的可用性表示系統(tǒng)在同一時間可提供服務(wù)的資源數(shù)。

3.3 服務(wù)流程仿真結(jié)果分析

通過流程仿真，4種方案的服務(wù)資源的繁忙程度、服務(wù)行為節(jié)點的繁忙程度統(tǒng)計如表3和4所示，總的攔截數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表5所示。服務(wù)資源的繁忙程度的對比分析用圖形化表示如圖5和6所示。服務(wù)行為節(jié)點的繁忙程度對比如圖7和8所示。

圖4 服務(wù)流程模型

表1 資源模型和時間模型參數(shù)

表2 部分服務(wù)流程模型交匯點屬性描述

表3 服務(wù)資源的繁忙程度統(tǒng)計

圖5 方案1(1)和1(2)服務(wù)資源繁忙程度對比

圖6 方案2(1)和2(2)服務(wù)資源繁忙程度對比

表4 服務(wù)行為節(jié)點的繁忙程度統(tǒng)計

圖7 方案1(1)和1(2)服務(wù)行為節(jié)點繁忙程度

圖8 方案2(1)和2(2)服務(wù)行為節(jié)點繁忙程度

表5 攔截數(shù)據(jù)統(tǒng)計

綜合以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)和圖表可以看出:

1)預(yù)警資源本身的服務(wù)能力是影響服務(wù)效率的重要因素。方案2(1)和2(2)進(jìn)行對比，在方案2(2)中天基預(yù)警服務(wù)資源能力高于2(1)，服務(wù)效率指標(biāo)更好。如低軌預(yù)警信息處理節(jié)點繁忙程度小3%以上，攔截成功概率高2%。

2)增加天基服務(wù)資源的數(shù)量可提高服務(wù)的效率。方案1(1)和1(2)進(jìn)行對比，方案1(2)的服務(wù)資源數(shù)更多，系統(tǒng)可選擇服務(wù)能力更高資源組合執(zhí)行服務(wù)，服務(wù)效率指標(biāo)更好。如低軌預(yù)警信息處理節(jié)點資源的繁忙程度小6%以上，攔截成功概率高近3%。

因此，為提高天基預(yù)警系統(tǒng)服務(wù)效率，一方面提高系統(tǒng)本身服務(wù)能力(傳感器性能或是優(yōu)化空間布局)，另一方面可以增加可供選擇的服務(wù)資源，在可供選擇的資源中選擇具有較優(yōu)服務(wù)能力的傳感器組合對目標(biāo)進(jìn)行探測和跟蹤。

4 結(jié)束語

針對天基預(yù)警系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)在動態(tài)信息描述方面的需求，本文基于IDEF3的流程仿真方法對天基預(yù)警服務(wù)流程進(jìn)行描述，建立了服務(wù)流程模型，將傳感器對目標(biāo)的探測時間和穩(wěn)定跟蹤時間表征傳感器的性能，選取服務(wù)執(zhí)行時間、服務(wù)執(zhí)行的成功概率和提供服務(wù)數(shù)量(系統(tǒng)資源數(shù))表示服務(wù)性能參數(shù)，通過不同服務(wù)性能參數(shù)組合構(gòu)建不同的流程方案，對流程中服務(wù)節(jié)點和服務(wù)資源的繁忙程度、攔截概率等服務(wù)效率指標(biāo)進(jìn)行對比，驗證分析影響服務(wù)效率的因素，得出影響系統(tǒng)服務(wù)效率的兩個關(guān)鍵因素——系統(tǒng)本身的服務(wù)能力和可供選擇的服務(wù)資源數(shù)及資源/任務(wù)匹配，為下一步天基預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究提供基礎(chǔ)。

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