模型驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程建模仿真方法

雷永林, 朱一凡, 譚躍進(jìn), 楊　峰, 姚　劍

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息系統(tǒng)與管理學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

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模型驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程建模仿真方法

雷永林, 朱一凡, 譚躍進(jìn), 楊峰, 姚劍

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息系統(tǒng)與管理學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

摘要：復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)涉及復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)過(guò)程、認(rèn)知決策過(guò)程以及人機(jī)協(xié)同過(guò)程,是當(dāng)前系統(tǒng)工程研究最具挑戰(zhàn)的領(lǐng)域之一。建模仿真在很多情況下是分析復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程性能效能的唯一可行選擇。分析了復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程建模以及系統(tǒng)仿真模型表示的主要方法。結(jié)合平臺(tái)級(jí)作戰(zhàn)過(guò)程建模應(yīng)用問(wèn)題,給出了一種物理域、認(rèn)知域、模型框架三分的復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程建?？蚣?。在模型驅(qū)動(dòng)方法的指導(dǎo)下,綜合運(yùn)用多方法建模、領(lǐng)域特定建模等方法討論了復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程仿真模型設(shè)計(jì)問(wèn)題。對(duì)其他領(lǐng)域的復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程建模仿真問(wèn)題研究具有示范意義。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng); 過(guò)程建模與仿真; 模型驅(qū)動(dòng); 平臺(tái)級(jí)作戰(zhàn)過(guò)程

0引言

人機(jī)系統(tǒng)是一類(lèi)強(qiáng)調(diào)人和機(jī)器協(xié)同分工共同完成某一使命任務(wù)的系統(tǒng)。其中人主要發(fā)揮監(jiān)控和引導(dǎo)作用,機(jī)器負(fù)責(zé)繁瑣、危險(xiǎn)的任務(wù)執(zhí)行功能。復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)則是指系統(tǒng)中存在組織化的人群和成規(guī)模的機(jī)器系統(tǒng),在開(kāi)放、動(dòng)態(tài)、網(wǎng)絡(luò)化的環(huán)境中完成復(fù)雜的使命任務(wù)[1]。典型的例子如高技術(shù)軍事作戰(zhàn)系統(tǒng)、民用航空管控系統(tǒng)、抗震救災(zāi)協(xié)同搜救系統(tǒng)等。由于人的因素的深度介入,復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)研制較之傳統(tǒng)人工系統(tǒng)設(shè)計(jì)體現(xiàn)出了更多的復(fù)雜性,理論分析和實(shí)際試驗(yàn)均面臨較大局限,仿真手段在很多時(shí)候成為唯一可行的選擇。為了優(yōu)化復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),一般要分析復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)工作過(guò)程的使命效能。這就要建立復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)的過(guò)程模型,并據(jù)此進(jìn)行仿真分析。本文在分析綜述目前各類(lèi)復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程建模與仿真的方法的基礎(chǔ)上,以軍事系統(tǒng)平臺(tái)級(jí)作戰(zhàn)過(guò)程為例,在模型驅(qū)動(dòng)方法的指導(dǎo)下,給出了一種物理域、認(rèn)知域、模型框架三分的復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程建?？蚣?。該框架基于模型驅(qū)動(dòng)方法,綜合運(yùn)用多方法建模、領(lǐng)域特定建模等方法從領(lǐng)域和應(yīng)用兩個(gè)層面建立復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程仿真模型,支持過(guò)程模型的可擴(kuò)展、可組合、可演化需求,對(duì)其他領(lǐng)域的復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程建模仿真問(wèn)題研究具有示范意義。

1復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程建模方法

不同于一般系統(tǒng)的工作過(guò)程,復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)的工作過(guò)程分為人的認(rèn)知決策過(guò)程、人工系統(tǒng)的技術(shù)功能過(guò)程以及人機(jī)一體交互協(xié)同過(guò)程。相應(yīng)地,復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程建模方法也可以分為3部分討論。

1.1人工系統(tǒng)的技術(shù)功能過(guò)程建模方法

復(fù)雜人工系統(tǒng)一般都屬于典型的賽博物理系統(tǒng)(cyber-physical systems, CPS)[2],包括物理執(zhí)行子系統(tǒng)和賽博控制子系統(tǒng)。其中物理執(zhí)行子系統(tǒng)技術(shù)功能過(guò)程的時(shí)空變化屬于典型的連續(xù)系統(tǒng),一般用基于微分方程的連續(xù)系統(tǒng)建模方法來(lái)描述,并采用龍格庫(kù)塔等數(shù)值仿真方法來(lái)求解,典型的連續(xù)系統(tǒng)建模語(yǔ)言或仿真工具是CSSL[3]、Modelica[4]和Simulink[5]。賽博控制子系統(tǒng)又可粗略地分為感知監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和反饋控制子系統(tǒng)。感知監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)作用是對(duì)人工系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行采樣檢測(cè),其工作過(guò)程屬于典型的離散時(shí)間過(guò)程,一般用基于差分方程的離散時(shí)間系統(tǒng)建模方法來(lái)描述,最常用的是一階差分方程。因因果關(guān)系已知,離散時(shí)間系統(tǒng)的差分方程模型很容易在數(shù)字計(jì)算機(jī)上直接求解,實(shí)際上連續(xù)系統(tǒng)微分方程的數(shù)值仿真算法也是使用了這種因果關(guān)系已知的差分方程進(jìn)行近似求解[6]。反饋控制子系統(tǒng)的作用是對(duì)人工系統(tǒng)進(jìn)行多模式自動(dòng)控制,一般用反饋多模態(tài)層次并發(fā)狀態(tài)圖來(lái)描述,最典型的例子是Statecharts狀態(tài)圖[7]。當(dāng)前,許多建模語(yǔ)言或工具都支持Statecharts模型的表達(dá),代表性的Statecharts實(shí)現(xiàn)主要有面向?qū)ο蟮腎BM Rational Rhapsody[8]和非面向?qū)ο蟮腟tateflow[9]。前者屬于代表性的UML(unified modeling language)建模工具,實(shí)現(xiàn)了UML建模規(guī)范[10],包括UML State Machine Diagram,已經(jīng)大量地用于反饋控制系統(tǒng)過(guò)程行為建模;后者是工業(yè)級(jí)仿真平臺(tái)Simulink的擴(kuò)展模塊,支持反饋控制系統(tǒng)多模態(tài)模型的設(shè)計(jì)和仿真。除此之外,著名的嵌入式系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)Ptolemy Ⅱ也實(shí)現(xiàn)了Statecharts以支持多模態(tài)模型的描述[11]。

1.2人的認(rèn)知決策過(guò)程建模方法

人的介入是復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)的主要復(fù)雜性來(lái)源,人的認(rèn)知決策因而也是復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程建模的重點(diǎn)和難點(diǎn),涉及認(rèn)知科學(xué)、決策科學(xué)、人工智能等學(xué)科和技術(shù)。認(rèn)知決策過(guò)程建模的目的是使計(jì)算模型在仿真中模擬人做出合理的決策并表現(xiàn)可信的行為[12]。在目前的復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)建模與仿真應(yīng)用中認(rèn)知決策過(guò)程建模方法分為3類(lèi):①基于規(guī)則推理建模準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)建模人員的意圖,典型的系統(tǒng)如Brawler[13]、EADSIM[14]、ModSAF[15]等;②基于人工智能建模生成最佳決策方案應(yīng)用于仿真,典型的人工智能模型如Markov決策過(guò)程、博弈模型、影響網(wǎng)絡(luò)等[16-17];③基于認(rèn)知架構(gòu)建模在仿真中產(chǎn)生更加真實(shí)的行為,典型的認(rèn)知架構(gòu)如Soar[18-19]和ACT-R[20-21]。

1.3人機(jī)交互協(xié)同過(guò)程建模方法

人機(jī)交互協(xié)同過(guò)程分為3類(lèi)子過(guò)程:人機(jī)交互過(guò)程,主要是人在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻向技術(shù)系統(tǒng)施加適當(dāng)?shù)目刂浦噶?技術(shù)系統(tǒng)以適當(dāng)?shù)姆绞竭m當(dāng)?shù)念l率向人報(bào)告工作狀態(tài),在建?？紤]上主要進(jìn)行人機(jī)接口協(xié)議設(shè)計(jì);人人交互過(guò)程,主要是同級(jí)不同個(gè)體之間或上下級(jí)之間互相通報(bào)態(tài)勢(shì)、指令、請(qǐng)求、支援等信息,屬于組織社會(huì)域的范疇。人人交互一般是間接地,需要各自所操縱物理系統(tǒng)特別是通信設(shè)備的支持,因此在建模上也需要提供通信協(xié)議接口,一般也合并到認(rèn)知域并采用認(rèn)知決策過(guò)程建模方法進(jìn)行建模;機(jī)機(jī)交互過(guò)程,主要是多個(gè)技術(shù)系統(tǒng)之間通過(guò)預(yù)設(shè)的協(xié)同機(jī)制完成復(fù)雜使命任務(wù),這種協(xié)同機(jī)制盡管復(fù)雜,但是確定的、自動(dòng)化的,在建模時(shí)一般并入物理域進(jìn)行建模。

這樣一來(lái),人機(jī)交互協(xié)同過(guò)程建模問(wèn)題就可分為3個(gè)子問(wèn)題:人機(jī)接口協(xié)議建模、組織社會(huì)域認(rèn)知決策建模、物理域協(xié)同機(jī)制建模。后兩個(gè)問(wèn)題所采用的建模方法本質(zhì)上仍然屬于前述人的認(rèn)知決策過(guò)程建模方法和技術(shù)功能過(guò)程建模方法的范疇。人機(jī)接口協(xié)議建模一般采用Agent架構(gòu),即將人機(jī)接口分為感知、理解、規(guī)劃、決策、執(zhí)行、通信等功能模塊,分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的交互接口,支持認(rèn)知域、組織社會(huì)域認(rèn)知決策行為的描述。

2系統(tǒng)仿真模型表示方法

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)上述復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程模型的計(jì)算機(jī)仿真運(yùn)行以及實(shí)驗(yàn)分析,有必要在過(guò)程建模方法的基礎(chǔ)上研究仿真模型的計(jì)算機(jī)表示問(wèn)題。仿真模型表示是指在仿真建模方法的基礎(chǔ)上,以某種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言描述仿真模型,使其可以被計(jì)算機(jī)所理解,支持在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行自動(dòng)化的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程建模涉及多方面的建模方法和異構(gòu)模型,在系統(tǒng)層面的仿真模型表示方法要解決的就是要使得這些模型能夠進(jìn)行統(tǒng)一表示,支持模型的語(yǔ)義組合以及便捷演化。

當(dāng)前,系統(tǒng)仿真領(lǐng)域能夠支持異構(gòu)仿真模型表示的方法大致可分為4類(lèi):統(tǒng)一仿真協(xié)議、統(tǒng)一建模方法、統(tǒng)一模型規(guī)范和模型驅(qū)動(dòng)方法。

2.1統(tǒng)一仿真協(xié)議

統(tǒng)一仿真協(xié)議是一種在復(fù)雜系統(tǒng)仿真領(lǐng)域比較流行的方法。這種方法主要統(tǒng)一表示各類(lèi)異構(gòu)仿真模型的接口表示及互操作機(jī)制,并不限制模型內(nèi)部的方法和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),思路簡(jiǎn)單,容易上手,易于被各領(lǐng)域建模人員所接受,在包括復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)在內(nèi)的各類(lèi)復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。著名的例子是高層體系結(jié)構(gòu)(high level architecture, HLA)[22]。由于統(tǒng)一仿真協(xié)議對(duì)仿真模型本身限制很少,導(dǎo)致隨著應(yīng)用的深入和不斷發(fā)展,許多深層次問(wèn)題暴露出來(lái),例如模型集成困難、維護(hù)調(diào)試?yán)щy、仿真實(shí)驗(yàn)管理復(fù)雜、運(yùn)行效率不高、模型重用很難以組合方式實(shí)現(xiàn)等。這些問(wèn)題其實(shí)大部分都可以也應(yīng)該在建模層面得到處理,由于缺乏建模方法的支持,留給了實(shí)現(xiàn)層面[23]。實(shí)踐表明,統(tǒng)一仿真協(xié)議主要適用于進(jìn)行多仿真系統(tǒng)互操作集成,單獨(dú)并不足以支持復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)異構(gòu)過(guò)程仿真模型的統(tǒng)一表示、語(yǔ)義組合以及便捷演化。

2.2統(tǒng)一模型規(guī)范

統(tǒng)一模型規(guī)范在統(tǒng)一仿真協(xié)議規(guī)定仿真模型接口和互操作機(jī)制的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步支持仿真模型的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的平臺(tái)無(wú)關(guān)表示,有利于仿真模型的可組合和便捷演化的實(shí)現(xiàn)。典型的例子是互操作標(biāo)準(zhǔn)化組織的基本對(duì)象模型(base object model, BOM)規(guī)范[24]和歐洲空間工業(yè)界的仿真建模平臺(tái)(simulation modeling platform, SMP)規(guī)范[25]。BOM在HLA的基礎(chǔ)上進(jìn)一步規(guī)定了對(duì)象模型的概念模型表達(dá)以及基于狀態(tài)的行為模式表達(dá)。SMP定義了類(lèi)似HLA接口規(guī)范的仿真組件模型規(guī)范,以及仿真模型定義語(yǔ)言,支持仿真模型結(jié)構(gòu)的平臺(tái)無(wú)關(guān)表示。受設(shè)計(jì)目標(biāo)限制,統(tǒng)一模型規(guī)范對(duì)于多領(lǐng)域異構(gòu)行為模式的表達(dá)支持相對(duì)較弱。

2.3統(tǒng)一建模方法

統(tǒng)一建模方法是指對(duì)于多領(lǐng)域異構(gòu)模型,采用統(tǒng)一的建模形式體系或建模語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行描述,并基于統(tǒng)一的仿真框架運(yùn)行。統(tǒng)一建模方法不同于普通的仿真建模方法主要針對(duì)某一類(lèi)行為模式,能夠支持多類(lèi)行為模式的描述。典型的如DEVS能夠描述各類(lèi)離散事件行為模式和各類(lèi)離散時(shí)間行為模式,并能夠以任意小精度表示連續(xù)時(shí)間行為模式[26];文獻(xiàn)[4]能夠以因果方式和非因果方式描述各類(lèi)連續(xù)時(shí)間行為模式,能夠描述離散系統(tǒng)領(lǐng)域的事件行為模式和狀態(tài)行為模式。另外,UML也被作為一種統(tǒng)一建模方法大量地用于異構(gòu)仿真建模[27]。盡管UML支持多類(lèi)行為模型的一體化表達(dá),由于缺乏許多對(duì)于仿真至關(guān)重要的建模元素和建模機(jī)制,本身并不是一種仿真建模方法。UML對(duì)多類(lèi)仿真模型(主要是行為模型)的統(tǒng)一表示要向下映射到對(duì)象代碼層面,難以滿(mǎn)足語(yǔ)義組合和便捷演化的需要,主要適于過(guò)程模型的概念描述。

2.4模型驅(qū)動(dòng)方法

同上述3類(lèi)方法相比,模型驅(qū)動(dòng)方法實(shí)際上是一種元方法。模型驅(qū)動(dòng)方法是軟件工程領(lǐng)域當(dāng)前的主流范式,稱(chēng)作模型驅(qū)動(dòng)工程(model driven engineering, MDE)[28]。模型驅(qū)動(dòng)工程實(shí)際上提供了一種通用的計(jì)算模型表示方法,而不僅僅限于普通的軟件建模。仿真模型的表示問(wèn)題和軟件建模類(lèi)似,都屬于計(jì)算建模的范疇,因此可以應(yīng)用模型驅(qū)動(dòng)工程方法以享用MDE所帶來(lái)的統(tǒng)一表示、便捷演化等優(yōu)勢(shì)。MDE在操作上是一種基于元模型的方法,強(qiáng)調(diào)針對(duì)問(wèn)題域構(gòu)建恰當(dāng)?shù)脑Ｐ?并基于該元模型自動(dòng)或半自動(dòng)地構(gòu)建面向問(wèn)題域的建模語(yǔ)言和建模工具,通過(guò)統(tǒng)一的元元模型支持不同元模型的統(tǒng)一表達(dá)以及不同元模型之間的映射和集成,據(jù)此支持模型語(yǔ)義組合問(wèn)題的解決。由于維護(hù)了明確的領(lǐng)域元模型,模型演化問(wèn)題可以通過(guò)調(diào)整領(lǐng)域元模型來(lái)系統(tǒng)地加以解決。

目前MDE主要有兩大流派:模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)(model driven architecture, MDA)[29]和領(lǐng)域特定建模(domain specific modeling, DSM)[30]。前者提供兩種元建模方案,一種是輕量級(jí)的,另一種是重量級(jí)的。輕量級(jí)方案通過(guò)Profile機(jī)制在UML元模型基礎(chǔ)上面向領(lǐng)域進(jìn)行擴(kuò)展。重量級(jí)的則直接通過(guò)MDA定義的元元模型MOF(meta object facility)進(jìn)行領(lǐng)域元模型開(kāi)發(fā)。前述SMP規(guī)范實(shí)際上也是遵循模型驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行定義,采用的是重量級(jí)方案,直接基于MOF定義其元模型[31]。DSM的思路和MDA的重量級(jí)方案類(lèi)似,只是不一定非要基于MOF元元模型。就元建模支持環(huán)境而言,大多數(shù)的UML工具都支持MDA輕量級(jí)元建模方案,但并不支持重量級(jí)方案。DSM的典型支持環(huán)境如MetaEdit、GME、AtoM3、EMF。其中EMF(eclipse modeling framework)[32]采用MOF元元模型,因此實(shí)際上也是一種重量級(jí)的MDA元建?？蚣?。

3模型驅(qū)動(dòng)的作戰(zhàn)過(guò)程建模與仿真

3.1需求分析

復(fù)雜軍事系統(tǒng)屬于典型的復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng),其作戰(zhàn)過(guò)程涉及復(fù)雜的物理技術(shù)過(guò)程、人的認(rèn)知決策過(guò)程和人機(jī)協(xié)同過(guò)程。復(fù)雜軍事系統(tǒng)作戰(zhàn)可以進(jìn)一步分為多個(gè)層級(jí),如涉及單一使命較少實(shí)體的平臺(tái)交戰(zhàn)級(jí)、涉及多個(gè)使命大量實(shí)體的使命級(jí)、涉及多個(gè)使命多個(gè)戰(zhàn)術(shù)階段的戰(zhàn)役級(jí)等[33]。不同層級(jí)的過(guò)程建模則表現(xiàn)出明顯不同的建模需求。這里結(jié)合實(shí)際主要考慮平臺(tái)交戰(zhàn)級(jí)。平臺(tái)級(jí)作戰(zhàn)過(guò)程模型表現(xiàn)出了明顯的多模式行為,包括狀態(tài)行為、事件行為、離散時(shí)間行為、連續(xù)時(shí)間行為、反應(yīng)式行為、慎思式行為等。仿真模型表示方面則表現(xiàn)出了突出的領(lǐng)域特定建模、仿真模型重用、語(yǔ)義組合和快捷演化等需求。面對(duì)如此復(fù)雜的需求,任意單一的過(guò)程建模方法和仿真模型表示方法都是難以滿(mǎn)足需求的,需要在模型驅(qū)動(dòng)方法的基礎(chǔ)上綜合應(yīng)用各類(lèi)建模方法進(jìn)行建模。

3.2模型驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)級(jí)作戰(zhàn)過(guò)程建模仿真框架

平臺(tái)級(jí)作戰(zhàn)過(guò)程一般以平臺(tái)為中心,作戰(zhàn)指揮員的認(rèn)知決策主要是對(duì)所屬平臺(tái)上的作戰(zhàn)系統(tǒng)進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)控制以及與友鄰作戰(zhàn)平臺(tái)進(jìn)行作戰(zhàn)協(xié)同。在建?？紤]上,一般以平臺(tái)模型為基礎(chǔ),按照Agent建模方法將指揮員的認(rèn)知決策行為建模為平臺(tái)Agent模型的感知、計(jì)劃、決策等模塊。多個(gè)作戰(zhàn)平臺(tái)之間的協(xié)同則分解為物理域協(xié)同和認(rèn)知域協(xié)同兩部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。為此,可以將平臺(tái)級(jí)作戰(zhàn)過(guò)程模型分為3個(gè)有機(jī)聯(lián)系的部分來(lái)建模:以平臺(tái)為中心的模型框架、物理域行為模型、認(rèn)知域行為模型。為支持三部分模型的可擴(kuò)展、可組合、可演化,首先在領(lǐng)域工程思想的指導(dǎo)下將每部分模型分為領(lǐng)域和應(yīng)用兩個(gè)層面,其中領(lǐng)域?qū)用娴哪Ｐ椭饕枋銎脚_(tái)級(jí)作戰(zhàn)領(lǐng)域的領(lǐng)域共性結(jié)構(gòu)和行為,應(yīng)用層面則在領(lǐng)域模型的基礎(chǔ)上只需描述應(yīng)用特定的行為。對(duì)于三部分都可以基于模型驅(qū)動(dòng)方法綜合運(yùn)用各種合適的建模方法進(jìn)行模型設(shè)計(jì),這一點(diǎn)將在后續(xù)各部分介紹時(shí)展開(kāi)?；谝陨峡紤],構(gòu)建了模型驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)級(jí)作戰(zhàn)過(guò)程建模仿真框架,如圖1所示。

圖1　模型驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)級(jí)作戰(zhàn)過(guò)程建模仿真框架

3.2.1以平臺(tái)為中心的模型框架建模

模型框架是指系統(tǒng)主要的模型元素、元素自身的抽象層次以及元素間的結(jié)構(gòu)和交互關(guān)系。以平臺(tái)為中心的模型框架是指以平臺(tái)模型元素為中心,來(lái)組合其他各類(lèi)作戰(zhàn)系統(tǒng)模型元素以及指揮員的認(rèn)知決策模型。模型框架是整個(gè)作戰(zhàn)過(guò)程模型的基礎(chǔ),確定了各類(lèi)行為模型的主體來(lái)源和潛在的交互協(xié)同機(jī)制,并規(guī)定人機(jī)模型之間的交互接口。目前可用于模型框架建模的方法主要有Agent方法、面向?qū)ο蠓椒ā⒒诮M件方法等。Agent方法抽象層次較高,框架約束性強(qiáng),比較適合于個(gè)體眾多、每個(gè)個(gè)體行為簡(jiǎn)單、交互涌現(xiàn)復(fù)雜的情況;面向?qū)ο蠓椒▌t位于較低抽象層次,框架約束性弱,適合于結(jié)合問(wèn)題特點(diǎn)建立更具針對(duì)性的模型框架;基于組件方法與面向?qū)ο蠓椒?lián)系密切,可以作為面向?qū)ο蠓椒ǖ难a(bǔ)充。為此主要采用面向?qū)ο蠓椒ê突诮M件方法進(jìn)行建模,在其中根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)Agent建模概念和機(jī)制。

(1) 基于UML的平臺(tái)級(jí)模型框架建模

UML作為一種圖形化建模語(yǔ)言,可以用來(lái)支持面向?qū)ο竽Ｐ涂蚣艿膱D形化描述。圖2是基于UML類(lèi)圖描述的平臺(tái)級(jí)模型框架的頂層視圖。其中?Model?表示模型元素對(duì)象,?Interface?表示模型對(duì)象之間的接口。tmPlatform表示平臺(tái)模型,是整個(gè)模型框架的核心,各類(lèi)作戰(zhàn)武器(tmWeapon)、傳感器(tmSensor)、通信設(shè)備(tmCommunicator)都被組合在平臺(tái)模型中。tmWESS是整個(gè)作戰(zhàn)過(guò)程模型的根,所有其他模型都被直接或間接地組合進(jìn)tmWESS模型。tmGroup是編隊(duì)模型,用于支持多個(gè)作戰(zhàn)平臺(tái)之間的協(xié)同。需要注意的是圖中大部分模型對(duì)象都是抽象的(用斜體表示),表示還存在更多的更加具體的子類(lèi)對(duì)象,描述在其他視圖中。

在此模型框架之下,指揮員的認(rèn)知決策模型被建模為平臺(tái)模型(tmPlatform)的認(rèn)知域模塊,和物理域模塊之間進(jìn)行交互,二者之間的交互關(guān)系如圖3所示。

圖2　頂層視圖

圖3　平臺(tái)模型物理域認(rèn)知域交互

(2) 基于SMP的平臺(tái)級(jí)模型框架表示

由于SMP采用了模型驅(qū)動(dòng)方法并基于MOF進(jìn)行定義,上述基于UML的模型框架可以直接地轉(zhuǎn)換為SMP表示。實(shí)際上,模型框架UML圖中已經(jīng)使用了UML的Profile技術(shù)將UML類(lèi)圖元素映射到SMP建模元素,這樣一來(lái),可以直接從基于UML的模型框架表示自動(dòng)轉(zhuǎn)換為SMP表示。圖4給出了從UML表示轉(zhuǎn)換生成的SMP表示。在SMP表示基礎(chǔ)上,可以進(jìn)一步產(chǎn)生模型框架的實(shí)現(xiàn)代碼。從圖4中可以看出平臺(tái)模型tmPlatform的SMP表示及實(shí)現(xiàn)代碼預(yù)覽。

3.2.2物理域過(guò)程多方法建模

物理域模型主要描述技術(shù)系統(tǒng)的工作過(guò)程,具體到平臺(tái)交戰(zhàn)級(jí)作戰(zhàn)過(guò)程,則需要描述上述模型框架中的各個(gè)模型對(duì)象的工作過(guò)程,包括各類(lèi)平臺(tái)、武器、探測(cè)器、對(duì)抗措施等。除了要支持這些過(guò)程的表達(dá)外,還要考慮支持領(lǐng)域特定建模、模型重用、快捷演化等非功能需求。UML作為一種統(tǒng)一建模語(yǔ)言,不僅提供支持模型框架建模的結(jié)構(gòu)建模方法,而且提供支持多種行為模式描述的行為建模語(yǔ)言,支持模型的圖形化表達(dá),有利于建模人員對(duì)模型的理解和擴(kuò)展。當(dāng)然,UML并不能支持所有的物理行為建模需求,例、如連續(xù)行為建模、離散事件仿真建模等,但UML能夠較好地支持更加復(fù)雜的多模態(tài)行為建模以及對(duì)象交互行為建模,為此選用UML作為主要的物理域過(guò)程建模方法,在此基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際需要進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)。下面介紹在實(shí)際中用到的幾個(gè)典型的物理過(guò)程模型。

圖4　SMP模型框架表示

(1) 基于Statecharts的制導(dǎo)武器行為建模

各型導(dǎo)彈、魚(yú)雷等制導(dǎo)武器的行為表現(xiàn)出明顯的模態(tài)性,即既有連續(xù)動(dòng)力學(xué)行為,又有離散的模態(tài)控制行為。在不同的控制階段,控制策略存在差異性,而連續(xù)動(dòng)力學(xué)行為則基本相同,控制模式切換的觸發(fā)信號(hào)或條件非常明確,適于采用UML的Statecharts行為圖來(lái)進(jìn)行描述。圖5給出了一個(gè)基于Statecharts的地空導(dǎo)彈行為模型。圖中主要給出了建模人員更為關(guān)心的多模態(tài)控制框架,連續(xù)動(dòng)力學(xué)行為則實(shí)現(xiàn)在各個(gè)狀態(tài)的do函數(shù)中。圖形化表達(dá)不僅非常有利于建模人員理解模型的物理行為,便于維護(hù)和擴(kuò)展,而且在代碼生成器的支持下,可以方便地產(chǎn)生模型行為的框架代碼。

圖5　基于Statecharts的地空導(dǎo)彈行為建模

(2) 基于離散事件仿真的火炮行為建模

火炮是一類(lèi)特殊的武器,在平臺(tái)級(jí)模型層次一般并不需要模擬每個(gè)炮彈的彈道軌跡,而是根據(jù)火炮的角精度和殺傷概率計(jì)算炮彈的可能命中時(shí)間以及在命中時(shí)刻能否命中目標(biāo)。命中時(shí)間可以基于炮彈的初速度以及炮彈和目標(biāo)的初始位置來(lái)估算。為了估算是否命中,則需要精確地調(diào)度命中時(shí)刻,并依據(jù)目標(biāo)在該時(shí)刻的實(shí)際位置計(jì)算是否命中。這一點(diǎn)可以通過(guò)定義開(kāi)火(BulletFire)和命中(BulletHit)兩個(gè)離散事件并通過(guò)離散事件仿真來(lái)調(diào)度實(shí)現(xiàn)。整個(gè)火炮的行為模型則通過(guò)Statecharts及其離散事件仿真擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn),如圖6和圖7所示。其中圖6給出了火炮的主要工作狀態(tài)及其切換條件和事件,圖7是對(duì)圖6中用到的離散事件仿真調(diào)度機(jī)制的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。

圖6　基于Statecharts+離散事件仿真的火炮行為建模

圖7　離散事件仿真模型框架

3.2.3認(rèn)知行為領(lǐng)域特定建模

認(rèn)知行為是人的行為。相對(duì)于技術(shù)系統(tǒng)的物理域行為,認(rèn)知行為的特點(diǎn)是其可變性,即對(duì)于同一使命作戰(zhàn)過(guò)程,指揮員可能希望嘗試不同的戰(zhàn)術(shù)決策方案以便取得更好的作戰(zhàn)結(jié)果。認(rèn)知域行為建模因此必須支持這種可變性,采用腳本來(lái)描述認(rèn)知域模型,利用腳本的動(dòng)態(tài)執(zhí)行能力支持對(duì)同一使命作戰(zhàn)過(guò)程戰(zhàn)術(shù)決策方案的靈活修改。具體的腳本語(yǔ)言選用Python。另一方面,不同作戰(zhàn)平臺(tái)在不同的作戰(zhàn)使命中可能存在差別很大的認(rèn)知行為模式,例如對(duì)于戰(zhàn)斗機(jī)空戰(zhàn),其主要認(rèn)知行為模式可以基于狀態(tài)來(lái)表達(dá)不同的作戰(zhàn)階段;而對(duì)于艦艇海戰(zhàn),則表現(xiàn)出明顯的多任務(wù)并發(fā)協(xié)同模式,需要采用多任務(wù)并發(fā)計(jì)算模型(如Petri網(wǎng))等。為此,針對(duì)不同的作戰(zhàn)平臺(tái)和作戰(zhàn)任務(wù),有必要提供更加針對(duì)性的建模方法和建模語(yǔ)言。選用DSM方法來(lái)進(jìn)行認(rèn)知域行為建模。DSM方法主要分為4個(gè)步驟:領(lǐng)域問(wèn)題概念分析、領(lǐng)域元建模、領(lǐng)域建模語(yǔ)言定義和建模環(huán)境生成、領(lǐng)域代碼生成器開(kāi)發(fā)。下面以戰(zhàn)斗機(jī)空戰(zhàn)行為建模為例來(lái)說(shuō)明領(lǐng)域特定建模方法的應(yīng)用。

(1) 戰(zhàn)斗機(jī)空戰(zhàn)行為建模概念分析

戰(zhàn)斗機(jī)空戰(zhàn)行為表現(xiàn)出明顯的基于狀態(tài)的行為模式。典型的空戰(zhàn)過(guò)程可以清晰地分為多個(gè)作戰(zhàn)階段,如圖8所示。戰(zhàn)斗機(jī)一開(kāi)始按照計(jì)劃的線路進(jìn)行編隊(duì)飛行,表示為FormFly階段。發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后將進(jìn)入作戰(zhàn)模式,根據(jù)距離目標(biāo)的遠(yuǎn)近進(jìn)入超視距作戰(zhàn)階段BVRFight或近距作戰(zhàn)階段CACFight。收到物理域模型發(fā)送的導(dǎo)彈發(fā)射提示信號(hào)(Missile LaunchHint)后,如果是近距導(dǎo)彈發(fā)射,則進(jìn)入擺脫階段(Drag Away);如果是中遠(yuǎn)距導(dǎo)彈發(fā)射,則進(jìn)入導(dǎo)彈制導(dǎo)階段(Missile Guide)。當(dāng)收到物理域模型發(fā)送的雷達(dá)鎖定信號(hào)后(Lock By Radar),如果當(dāng)前階段是FormFly、BVRFight、CACFight、DragAway或RTB,則進(jìn)入擺脫鎖定(Break Lock)階段。收到導(dǎo)彈告警信號(hào)(Missile Warning By ESM或MissileWarningByRadar)后,進(jìn)入規(guī)避導(dǎo)彈階段(AvoidMissile)。注意在收到MissileWarningByRadar事件后,并不是立即進(jìn)入AvoidMissile階段,而是要等到距目標(biāo)一定距離(例如20 km)內(nèi),這樣就需要通過(guò)外部調(diào)度一個(gè)條件事件(GuardEvent)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。在不同的運(yùn)動(dòng)階段,認(rèn)知決策模型將下達(dá)不同的戰(zhàn)術(shù)控制和機(jī)動(dòng)動(dòng)作指令,以控制戰(zhàn)斗機(jī)平臺(tái)模型的飛行和作戰(zhàn)。

(2) 戰(zhàn)斗機(jī)空戰(zhàn)行為元建模

根據(jù)以上的概念分析,戰(zhàn)斗機(jī)空戰(zhàn)行為建模主要基于Statecharts,但并未使用Statecharts的全部特征,例如并發(fā)、歷史等。另外需要結(jié)合領(lǐng)域的特點(diǎn),例如狀態(tài)稱(chēng)作作戰(zhàn)階段更合適、需要區(qū)分物理域內(nèi)部事件和認(rèn)知域外部事件、需要描述機(jī)動(dòng)動(dòng)作控制階段、需要描述領(lǐng)域特定的約束等。為此有必要參照Statecharts元模型設(shè)計(jì)面向戰(zhàn)斗機(jī)空戰(zhàn)行為建模的元模型。在元模型建模語(yǔ)言和建?？蚣苌?本文選用EMF。因?yàn)镋MF目前已經(jīng)成為實(shí)踐上進(jìn)行元建模的準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù),并提供GMF、OCL、XText等外圍技術(shù)全方位地支持領(lǐng)域特定建模[34]。圖9是一個(gè)初步的戰(zhàn)斗機(jī)空戰(zhàn)行為元模型,其中Node、Transition、AbstractState、PesudoState、FinalState等借鑒自Statecharts元模型,其他則結(jié)合戰(zhàn)斗機(jī)空戰(zhàn)行為建模實(shí)際需要而設(shè)計(jì)。

圖8　基于UML狀態(tài)機(jī)的空戰(zhàn)行為概念模型

圖9　基于EMF的戰(zhàn)斗機(jī)空戰(zhàn)行為元模型

(3) 戰(zhàn)斗機(jī)空戰(zhàn)行為建模工具生成

DSM方法的強(qiáng)大之處在于在領(lǐng)域元模型基礎(chǔ)上可以通過(guò)配置生成圖形化的領(lǐng)域特定建模工具。GMF[35]作為EMF技術(shù)路線中的圖形建?？蚣?可以實(shí)現(xiàn)由上述EMF元模型生成圖形化的戰(zhàn)斗機(jī)空戰(zhàn)行為建模工具。圖10給出了生成的戰(zhàn)斗機(jī)空戰(zhàn)行為建模工具的截圖,同前述基于UML Statecharts建立的空戰(zhàn)行為概念模型圖相比較,圖10中的模型針對(duì)性更強(qiáng),而且是完全可控、完全形式化的,可以在此基礎(chǔ)上添加靜態(tài)約束驗(yàn)證、動(dòng)態(tài)行為代碼生成等功能。

(4) 戰(zhàn)斗機(jī)空戰(zhàn)行為模型代碼生成

基于上述領(lǐng)域特定工具建立的模型最重要的好處就是產(chǎn)生行為模型代碼,支持認(rèn)知決策建模人員在更高的層面表達(dá)決策行為而不用擔(dān)心代碼實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。我們基于Acceleo語(yǔ)言和State模式建立了圖形模型到Python代碼的轉(zhuǎn)換模型,圖11是基于上述模型產(chǎn)生的行為代碼,這個(gè)代碼可以動(dòng)態(tài)地與物理域模型相集成共同進(jìn)行平臺(tái)級(jí)過(guò)程仿真。

圖10　基于GMF生成的戰(zhàn)斗機(jī)空戰(zhàn)行為建模工具

圖11　基于Python的認(rèn)知決策模型表示

4結(jié)論

復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)是當(dāng)前系統(tǒng)工程研究最具挑戰(zhàn)的領(lǐng)域之一。為支持復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì),建模仿真在很多情況下是分析復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程性能效能的唯一可行選擇。本文從技術(shù)系統(tǒng)過(guò)程建模、認(rèn)知決策過(guò)程建模、人機(jī)協(xié)同過(guò)程建模等方面分析了復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程建模的主要方法和應(yīng)用概況。為支持復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程模型的仿真,進(jìn)一步分析綜述了系統(tǒng)仿真模型表示的主要方法。結(jié)合平臺(tái)交戰(zhàn)級(jí)作戰(zhàn)過(guò)程建模應(yīng)用問(wèn)題,以模型驅(qū)動(dòng)方法為指導(dǎo),給出了一種物理域、認(rèn)知域、模型框架三分的復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程建模框架,并討論了綜合運(yùn)用多方法建模、領(lǐng)域特定建模等方法進(jìn)行復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程仿真模型設(shè)計(jì)問(wèn)題。其中平臺(tái)級(jí)作戰(zhàn)過(guò)程建模仿真框架對(duì)于其他領(lǐng)域的復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)過(guò)程建模仿真問(wèn)題研究具有示范意義。

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E-mail:yf.nudt@gmail.com

姚劍(1988-),男,博士研究生,主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知行為建模、領(lǐng)域特定建模。

E-mail:markovyao@gmail.com

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20150706.1606.002.html

Model driven process modeling and simulation of

complex man-machine systems

LEI Yong-lin, ZHU Yi-fan, TAN Yue-jin, YANG Feng, YAO Jian

(SchoolofInformationSystemsandManagement,NationalUniversityofDefenseTechnology,

Changsha410073,China)

Abstract:Complex man-machine systems (CMMS), as one of the most challenging areas in the field of systems engineering, encompass complex technological machine behavior, cognitive decision-making behavior, and collaborative man-machine interaction behavior. In many cases, modeling and simulation (M&S) is the only viable approach to analyze the performance and effectiveness of CMMS. Various behavior and process modeling and representation methods applied to CMMS are briefed. Taking complex systems and their engagement-level combating as an representative example of CMMS, a behavior and process modeling framework featured with a physical-cognitive-structural separation is proposed based on the model driven development (MDD) paradigm. A set of modeling technologies including multiple formalism modeling and domain-specific modeling are employed to better design the simulation models of CMMS behavior and process. The proposed model driven modeling methodology is also applicable to the behavior and process modeling and simulation of other CMMS.

Keywords:complex man-machine systems (CMMS); process modeling and simulation; model driven development (MDD); platform-level combating process

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類(lèi)號(hào)：TP 391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.01.34

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61273198，71031007)資助課題

收稿日期：2015-01-28；修回日期：2015-05-27；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2015-07-06。