基于三維有限狀態(tài)機的作戰(zhàn)試驗設計方法

江蓮　王鑫

摘? 要： 針對大型復雜裝備作戰(zhàn)試驗設計中按照整個作戰(zhàn)過程的時間順序進行分組，分組試驗合成效率低的問題，本文提出一種基于三維有限狀態(tài)機的試驗設計方法，考慮了時間、邏輯、認知三個維度的約束條件，能夠真實體現(xiàn)作戰(zhàn)過程中的行為時間、戰(zhàn)法規(guī)則、作戰(zhàn)策略，滿足了作戰(zhàn)試驗設計的需求。在工程實現(xiàn)上，建立了試驗方案生成框架，保證了分組試驗的合成效率，同時提高了試驗的可操作性。以體系協(xié)同搜反潛為例進行試驗設計，實例證明，方法充分體現(xiàn)了行為的時間效應、兵力對抗行為邏輯、多種作戰(zhàn)策略，明顯提升了試驗效率。

關鍵詞： 有限狀態(tài)機;試驗設計;作戰(zhàn)試驗

中圖分類號： TP391.41? ? 文獻標識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.07.028

【Abstract】： To solve problem in operational test designing of large-scale and complex equipment， the test divided into groups have very powerful dependency， the inefficiency in compounding of tests divided into groups， the method of experiment designing method based on three-dimensional finite-state machine is present， the method brings in three dimensional constraint condition which describe the time， logic， perceiving， it can reflect really the behavior time， fighting rule and operational strategy in the process of war， it can satisfy the special requirement of operational test designing. In engineering， the method builds a frame which provide a integral scheme， it can pledge the efficiency of compounding of group tests and improved the maneuverability of test. Taking the example of test in which a systerm of multi-unit was design to cooperative search submarine， and the results show that the method can not only reflect the effect of behavior time， the logic of multi-unit fighting behavior， the variety of operational strategy， but also increase the efficiency of test.

【Key words】： Finite state machine; Experiment design; Operational test

0? 引言

當前試驗設計領域，大多采用正交設計等經(jīng)典方法，采用析因、正交、列鏈表、超立方等方法[1]，可以得出多因素影響試驗的整體解決方案，但應用于作戰(zhàn)試驗設計中具有一定的局限性，主要表現(xiàn)在兩個方面：一是作戰(zhàn)試驗具有很強的時間相關性，傳統(tǒng)方法[2-6]將整個試驗拆分成多個試驗單獨進行設計，無法保證多個試驗合成之后的效果，難以滿足作戰(zhàn)影響因素與作戰(zhàn)效果之間在時間順序上的因果關系;二是外場試驗影響因素難以控制，不可能實施所有試驗方案，真正的作戰(zhàn)試驗只能在大量設計方案中優(yōu)選出代表性的方案進行試驗，因此試驗資源的利用效率是作戰(zhàn)試驗設計需要考慮的重點問題。現(xiàn)有試驗設計技術在降低外場試驗樣本量要求方面仍然不能滿足實際需求[7]～[14]難以在工程上實踐應用。

針對上述問題，提出一種三維有限狀態(tài)機試驗設計方法，通過定義行為-時間函數(shù)，集成行為邏輯規(guī)則，作戰(zhàn)策略認知分析等步驟，建立三維聚合框架;根據(jù)作戰(zhàn)進程中行為的時間、邏輯、認知維度關聯(lián)性，聚合以多層級鏈路為架構的試驗過程，給出仿真試驗方案。與現(xiàn)有正交實驗設計技術相比，克服時序分組試驗的綜合集成率低、無法體現(xiàn)兵力對抗行為邏輯、難以體現(xiàn)多種作戰(zhàn)策略等缺點。

1? 基于三維有限狀態(tài)機的作戰(zhàn)試驗設計方法

艦船裝備作戰(zhàn)試驗設計需要在時間、邏輯、認知維度內探索三類不同的問題，給出相應的解決方案。在時間維度內，各兵力的行為可以按照時間順序進行規(guī)劃，體現(xiàn)行為的時間效應，即行為是時間的函數(shù)。在邏輯維度內，各兵力的行為之間具有多種規(guī)則，可形成不同的邏輯順序，即行為之間存在邏輯關系。在認知維度內，按照不同的認知層次，可以劃分不同的作戰(zhàn)策略。

復雜系統(tǒng)可視為多種分系統(tǒng)或單元的不同行為在時間、邏輯、認知維度上的有機關聯(lián)，根據(jù)三維空間內變量之間的約束條件，可判斷試驗空間內存在可優(yōu)化的方案，使試驗的效果達到目標極值。因此，試驗設計的關鍵在于設計并組成復雜系統(tǒng)中各單元的行為鏈路，使試驗方案科學可行并且能夠反映試驗的時間、規(guī)則、策略等特性?；谌S有限狀態(tài)機的作戰(zhàn)試驗設計方法的具體步驟如下：

（1）分析操作流程，按照時間限制條件連接試驗中各單元的行為，建立行為的時序集。在時間維度內，時序集是各作戰(zhàn)行為的時間約束條件，行為可以根據(jù)時序集內的條件建立連接，形成行為串行結構，如圖1所示。

（2）分析行為規(guī)則，按照邏輯關系定義多種不同行為連接條件下的規(guī)則，建立行為規(guī)則集。在邏輯維內，規(guī)則集是各種作戰(zhàn)行為之間互為前提、互為因果的約束條件，按照作戰(zhàn)常識定義規(guī)則集，如圖2所示，將行為的串行結構通過規(guī)則連接在一起，形成以二維網(wǎng)絡為結構的行為通路。

（3）分析系統(tǒng)的行為策略，按照認知層次制定多種策略，建立行為策略集;在認知維內，策略集是對作戰(zhàn)意圖整體認知的約束條件，每個作戰(zhàn)策略可以用一個或幾個二維行為通路來表達，如圖3所示，按照對作戰(zhàn)的理解與認知約束條件，將不同的作戰(zhàn)行為通路組合，集成三維行為鏈路。

（4）按照時間-邏輯-認知三維架構，輸出試驗設計文件，如圖4所示。

2? 三維有限狀態(tài)機實現(xiàn)方法

2.1? 概念模型

其中 是各單元行為的集合;E是試驗過程中系統(tǒng)行為的有限狀態(tài)集合;f0是試驗的起始狀態(tài)，標識系統(tǒng)行為的開始;ft是試驗的終止狀態(tài)，標識系統(tǒng)行為的結束。 是一個從空間 到 的映射函數(shù)，與傳統(tǒng)二維有限狀態(tài)機[15]～[17]不同，三維有限狀態(tài)機包含三個映射函數(shù)，即在時間維、邏輯維、認知維內三類約束條件，形成三個子函數(shù)

對于作戰(zhàn)過程可采取行為的數(shù)量是一定的， 是各單元行為的集合，為有限狀態(tài)集。映射函數(shù)相當于作戰(zhàn)規(guī)則下輸入行為到輸出行為的嚴格對應關系，映射函數(shù)不變條件下，行為與行為之間的連接具有某種約束，即有些行為到行為的鏈路不能滿足實際作戰(zhàn)要求。因此，映射函數(shù) 將簡單排列組合得出的行為鏈路中不符合作戰(zhàn)規(guī)則的行為鏈路排除在外，只保留了滿足映射規(guī)則的行為鏈路，從而實現(xiàn)了作戰(zhàn)行為有機聚合。

2.2? 仿真步驟

根據(jù)行為與行為之間的時間、規(guī)則、策略關聯(lián)，構建行為聚合框架圖，聚合作戰(zhàn)行為鏈路。由于行

為在三維空間內的連接存在組合爆炸問題，因此，需構建聚合框架用于試驗方案篩選，把不符合現(xiàn)實行為邏輯的錯誤鏈路剔除，聚合出具有實際意義的鏈路。仿真過程分為以下5個步驟，如圖5所示。

（1）采用基于進程的架構，定義最初的開始行為 和終止行為 ;

（2）在開始行為和終止行為中間，定義多個中間狀態(tài) ，行為之間可發(fā)生狀態(tài)轉移;

（3）采用弧線連接各個行為，為每次行為分支選擇和行為狀態(tài)轉換提供通路;

（4）根據(jù)現(xiàn)有行為之間的約束條件，包含時間 、邏輯 、認知 三個維度內的約束條件，標定從上一行為到下一行為連接弧線上的條件;

（5）從開始行為到終止行為之間的多個弧線及節(jié)點組成行為聚合框架圖。

執(zhí)行上述步驟，如果一條行為鏈路能夠從開始狀態(tài)經(jīng)過多個中間行為走到終止狀態(tài)，則該行為鏈路符合實際作戰(zhàn)規(guī)則，可以作為試驗備選方案，反之則不能。

2.3? 代碼實現(xiàn)

仿真步驟一及步驟二主要是對狀態(tài)的定義，采用枚舉法實現(xiàn)，代碼如下：

enum State

{

STATE_f0 ， STATE_ft ， STATE_fi

}

對于步驟三中的連接弧線可以看成是條件跳轉，在實現(xiàn)之前需要先對條件進行分類定義，代碼如下：

enum Permit

{

Time_permit ，

Rule_permit ，

Strategy_permit

}

enum Time_permit

{

Time_permit_Ti

}

enum Rule_permit

{

Rule_permit_Ri

}

enum Strategy_permit

{

Strategy_permit _Si

}

分析作戰(zhàn)行為約束條件，確定行為約束條件所屬的維度類型;在該維度內匹配條件值，找出所有符合要求的行為，假設存在n個行為，逐一判斷其是否符合行為的上下文條件;如果符合就轉到下一階段行為的定位和匹配，如果不符合就繼續(xù)進行模式識別;直至找到模式匹配的行為鏈路，或遇到行為結束。采用Switch語句實現(xiàn)步驟四及步驟五，代碼如下：

void 3DFSM：：link（Input input）

{

switch （Permit）

{

case Time_permit? %時間排序

if （input==fi）

{

find

if（Time_permit i< Time_permit i+1）

{

=

Time_permit_Ti=0

}

else

=

end

}

case Rule_permit? %規(guī)則列舉

if （input==fi）

{

find? ?（ ）

if （nun（Rule_permit）==1）

{

= ;

Rule_permit_Ri= 0

}

else

for j=0：1：num（Rule_permit）

{

= [j];

Rule _permit_Ri=j+1

}

end

}

case Strategy _permit? ?%策略跳轉

if （input==fi）

{

find

if （Strategy_permit>0）

go to? ;

Strategy_permit _Si= Strategy_permit _Si+1

else

Strategy_permit _Si=0

end

}

else? result=“false”

}

else? if （input== ）

break;

end

end

3? 實例

3.1? 建立三維有限狀態(tài)機

以體系協(xié)同搜反潛作戰(zhàn)試驗為例，說明試驗設計方法。列舉體系協(xié)同搜反潛任務中所有行為，分析時間、邏輯、認知三個維度內的行為約束條件，如圖6所示。

3.1.1? 行為時序分析

綜合分析體系協(xié)同搜反潛作戰(zhàn)過程的時間約束

條件，由于武器裝備航路規(guī)劃的有效性隨時間增加而迅速降低，超出時間航路無效，攻擊行為失敗。因此如果采用發(fā)現(xiàn)即攻擊戰(zhàn)法，引導時間不能超過武器裝備的時限要求。

3.1.2? 行為規(guī)則分析

體系協(xié)同搜反潛作戰(zhàn)行為規(guī)則與一般作戰(zhàn)原則差異不大，主要區(qū)別在于引導后的行為選擇上，在引導、搜索、攻擊、防御行為中，比較各種行為互為前提的可能，得出7項行為規(guī)則如下：引導后搜索、搜索未發(fā)現(xiàn)后擴大范圍繼續(xù)搜索、搜索后緊急攻擊、防御后應急攻擊、攻擊后迅速轉入防御、攻擊后發(fā)起二次攻擊、搜索發(fā)現(xiàn)目標后轉入防御。

3.1.3? 作戰(zhàn)策略分析

體系協(xié)同搜反潛作戰(zhàn)策略分為以下兩種：一是攻擊主導的作戰(zhàn)策略，探索平臺發(fā)現(xiàn)目標后武器平臺給予快速打擊，并且在短時間內發(fā)起二次攻擊，實現(xiàn)迅速消滅作戰(zhàn)對手的目的;二是防御主導的作戰(zhàn)策略，發(fā)現(xiàn)目標后隨即轉入進一步縮小范圍精確搜索并轉入防御狀態(tài)。

3.2? 試驗方案生成

應用基于三維有限狀態(tài)機的試驗設計方法，繪制行為聚合框架圖，見圖7，根據(jù)聚合框架生成試驗方案見表1。該試驗方案共包含13次試驗，根據(jù)實際作戰(zhàn)試驗需求對試驗項目合理性、可操性進行分析，所有試驗均滿足要求。

3.3? 方法性能對比

根據(jù)上述試驗設計結果，可以將其與正交設計和傳統(tǒng)的有限狀態(tài)機法進行對比，三種方法在各個性能參數(shù)上的差異見表2。由表中數(shù)據(jù)可以看出，本文提出的方法在性能上優(yōu)于其它方法，并且明顯提升了試驗效率。

4? 結論

針對作戰(zhàn)試驗設計中時序分組試驗的綜合集成率低、無法體現(xiàn)兵力對抗行為邏輯、難以體現(xiàn)多種作戰(zhàn)策略等難題，提出基于三維有限狀態(tài)機的試驗

設計方法，其特征如下：

（1）構設基于時間維、邏輯維、認知維的三維試驗設計框架，充分考慮了試驗中時間、規(guī)則、策略等約束條件，使試驗方案更加可行，實現(xiàn)了由復合層級行為鏈路到復雜戰(zhàn)場態(tài)勢的準確還原表達。

（2）給出了基于三維有限狀態(tài)機的實現(xiàn)方法，并通過體系協(xié)同搜反潛實例加以證明，說明本文方法具備工程上的可操作性。

參考文獻

[1] Douglas C.Montgomery.實驗設計與分析[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2009.

[2] 閆曉東， 韓冰.試驗設計方法在飛行器性能仿真驗證中的應用[J]. 飛行力學， 2012， 30（1）： 79-82.

[3] 吳揚東. 基于篩選試驗的設計因素貢獻率分析[J].統(tǒng)計與決策， 2017， （21）： 175-178.

[4] 劉玉琳， 鮑益東， 任親虎. 基于試驗設計和灰色關聯(lián)度的橡皮囊成形回彈影響因素顯著性分析[J]. 中國機械工程， 2015， （21）： 2929-2933.

[5] 李萌. 基于正交試驗設計的水平開裂裂縫產能影響因素分析[J]. 云南化工， 2018， 45（9）： 137-138.

[6] 鄭鵬， 劉建， 宋維等. 拉丁超立方抽樣評估方法改進研究[J]. 核電子學與探測技術， 2017， 37（7）： 734-738.

[7] 楊曉偉， 文福安. 基于事件驅動的虛擬實驗反饋回路仿真方法[J]. 軟件， 2015， 36（2）： 127-132.

[8] 劉夏， 邱釗， 陳煥東等. 基于機器學習模型的民航客流預測仿真研究[J]. 軟件， 2018， 39（5）： 43-49.

[9] 馬浩然. 基于NS3的分布式消息系統(tǒng)Kafka的仿真實現(xiàn)[J]. 軟件， 2015， 36（1）： 94-99.

[10] 楊曉偉， 文福安. 基于事件驅動的虛擬實驗反饋回路仿真方法[J]. 軟件， 2015， 36（2）： 127-132.

[11] 王美音， 范文慧. 小型批發(fā)企業(yè)的多產品庫存系統(tǒng)建模與仿真方法[J]. 軟件， 2018， 39（3）： 95-98.

[12] 吳溪， 郭廣生， 王亮等.裝備作戰(zhàn)試驗科目設計方法研究[J].火力與指揮控制， 2018， 43（11）： 177-183.

[13] 莊益夫， 潘殿省. 海戰(zhàn)場環(huán)境下武器裝備作戰(zhàn)試驗研究[J].飛航導彈， 2018（5）： 68-71.

[14] 王金良， 郭齊勝， 趙東波等. 武器裝備作戰(zhàn)試驗項目設計方法研究[J]. 武器裝備學院學報， 2016， 27（3）： 129-133.

[15] 南熠， 伊國興， 王常虹等. 概率有限狀態(tài)機在動態(tài)效能評估中的應用[J]. 宇航學報， 2018， 39（5）： 541-549.

[16] 馮建文. 基于有限狀態(tài)機的多周期CPU實驗設計[J]. 實驗技術與管理， 2017， 34（7）： 127-131.

[17] 李霞， 王永章， 梁宏斌等. 有限狀態(tài)機在開放式數(shù)控系統(tǒng)中的應用[J]. 計算機集成制造系統(tǒng)， 2005， 11（3）： 428-432.