基于信息流程仿真的作战体系结构设计验证方法

张 毅,詹 武,郭颖辉,余舟川,赵 玥

(1.中国人民解放军91977部队,北京 100006;2.中国船舶重工集团有限公司第714研究所,北京 100101)

作战体系结构设计是对作战体系的模型化描述,现已广泛应用于作战过程推演、军事需求分析等领域[1]。作战体系结构设计验证用于检查作战体系结构设计,确定体系结构描述是否满足作战体系的功能需求和非功能需求[2]。通过验证,及时发现和完善作战体系结构设计中不规范、不正确、不合理的部分,对提高作战体系结构设计质量,并最终提升作战能力发挥重要作用。

体系结构设计验证主要是对体系逻辑、行为和性能特征的验证。文献[3]总结了目前五种比较常见的验证方法:专家评审法、矩阵分析法、体系结构折中分析法、形式化验证评估法以及体系结构可执行验证评估法。这五种方法从不同侧重点对体系结构进行验证分析,具体分析在文献中已十分详尽,在此不做赘述。需要强调的是,前四种方法均是静态验证,但体系结构动态行为及体系结构性能需动态验证;可执行验证评估法建立的可执行验证过程人工干预因素较多,且不能直观、全面、有效地展示体系作战中作战节点、作战活动之间复杂动态的信息交互关系。另外,传统的系统建模方式是以体系内各系统节点为主线,通过直接定义节点间存在的相互依赖、相互制约、相互作用的关联方式和内容来描述节点间关系。显然,这种建模方式以系统节点模型为重点,不能直观且完整地描述作战信息流程及信息交互关系,不能较好地支持以信息流为主线的动态验证过程。

作战信息流程是指各类信息在作战体系内各节点间流转的过程。基于作战信息流程的仿真,则是根据使命任务或作战想定,以信息流为主线,通过作战体系内各节点间的信息关系表示各节点之间连通性、信息交互内容及次序的建模仿真方法。基于作战信息流程仿真的验证方法通过信息流描述体系内信息的传递过程及活动特征,具有较灵活的动态仿真特性,能够较好地描述作战体系内部实体间关系,更高效地支持动态验证过程。因此,本文在对作战体系结构设计验证要求分析的基础上,提出了基于作战信息流程仿真的作战体系结构设计验证新思路。

1 作战体系结构设计验证要求

体系结构设计验证是检查体系结构设计是否满足体系实际需求。那么,验证指标应与设计需求紧密关联。在不同的文献中,体系结构验证的指标有所不同,并没有十分权威的定义[4]。综合目前对体系结构设计验证的相关研究,本文在一般性体系结构验证要求基础上,结合作战体系结构设计需求,主要从完备性分析、一致性分析和效用分析三个方面开展作战体系结构设计验证分析。其中,完备性分析与一致性分析是验证的基础,效用分析则是验证的重点和难点。

1.1 完备性分析

完备性分析用于分析体系结构设计中是否缺少描述和构建体系结构所需的相关数据[2],主要包括两个方面：一是分析整个作战体系各实体数据的描述是否完整,如作战节点、作战活动的关键属性是否有缺项;二是分析实体数据间引用和指派关系描述是否完备,如作战活动是否指派给具体的作战节点[5]。

1.2 一致性分析

一致性分析用于分析体系结构设计中是否存在相互矛盾的描述[2],主要包括两个方面。一是体系结构内部实体关系的一致性分析,这里的实体关系分为两类：一类是指同类数据实体间的关系,另一类是不同类数据实体间的关系[6]。其问题主要表现为可代替性问题、冗余性问题和冲突性问题等[2]。如在作战节点的指挥层级关系一致性分析中,一个作战节点不能同时是另一个作战节点的上级和下级,且在一种作战模式下,一个作战节点只能有一个上级节点。二是作战信息流程的一致性分析,即分析体系结构设计的整个作战流程与作战体系期望的作战流程是否一致,是否存在意外终止、死循环或资源争用等现象。

1.3 效用分析

效用分析是对作战体系结构完整运行所具有的性能、效能是否达到系统设计要求的分析。效用可以设计为与能力需求相符的度量[7],本文选取时效性和灵活性两个度量指标开展效用分析。

1) 时效性分析

作战信息流程的时效性分析是作战流程执行过程中,各类信息在各作战节点间交互所产生的时延,能否满足时间约束要求的分析。时延是由系统性能、业务约束以及人为设定等因素产生的,如信息传输时延、信息处理时延、响应时延等[8]。针对不同的时延,可以根据作战使命任务提出具体的约束要求,如针对某类信息的信息流时延约束,针对某个作战节点的时延约束,针对整个作战任务的整体时延约束等[9]。

2) 灵活性分析

作战信息流程的灵活性分析是指作战使命任务发生改变,作战信息流程能否通过用户限定的代价进行调整,以适应新使命任务的作战需求[10]。当使命任务发生改变时,可能会引起数据实体间关系的一系列变动,如指挥层级由逐级指挥转变为越级指挥,作战节点临时添加作战活动等。这些改变反映到作战信息流程层面则表现为信息流的变动,即相关信息传输路径和方向的变化。信息流通过调整逻辑结构,以灵活适应新的作战环境,为作战提供必要的支持。

2 体系结构设计建模与仿真

基于作战信息流程仿真的体系结构设计建模与仿真主要包括三个步骤:体系结构建模、动态执行及可视化仿真。体系结构建模与动态执行均基于UPDM工具,可视化仿真基于STK仿真工具。

2.1 基于UPDM的体系结构建模与动态执行

国防建模统一平台(Unified Platform of Defense Model,UPDM),是基于DoDAF框架的体系建模与验证平台,能够对体系结构各数据要素规范化描述,具有自动执行可执行模型并动态演示的体系结构模型动态验证功能。本文利用该平台实现对体系结构作战视图产品的规范化描述及动态验证。

1) 体系结构建模[11-12]

DoDAF 2.0提出了全景、能力、数据与信息、作战、项目、服务、标准和系统8类视角。本文主要采用作战视角技术构建基于作战信息流程仿真的体系结构模型,即描述指导作战所需的任务和活动、作战要素以及资源流交换,这里资源流就是各类信息流。所需构建的作战视角模型包括高级作战概念图OV-1、作战资源流描述OV-2、作战资源流矩阵OV-3、组织关系图OV-4、作战活动分解树OV-5a、作战活动模型OV-5b、作战规则模型OV-6a、状态转移描述OV-6b及事件追踪描述OV-6c[13]。

具体模型设计如下:

OV-1:描述使命任务、作战想定、重要作战概念和作战情况,及与其所处环境和其他外部系统的相互作用。其主要用于表示高层决策者的想法。通常由一个或多个图形组成,并配以文字解释。

OV-2:用于信息流的逻辑描述,即对作战节点间各类信息连接关系的描述。其通过需求线表示信息的交换关系,箭头表示信息流动方向。根据作战设定,一条需求线可能指向多个作战节点。

OV-3:描述OV-2中需求线定义的信息交换细节,如信息交换对象、信息内容、交换方式及其他细节信息。该矩阵确认了信息元素和信息交换的相关属性,并将交换同生成与使用信息的作战节点和活动相关联,同时将交换与需求线相关联。用表格形式表示。

OV-4:描述体系结构的组织关系,即明确各作战节点间的指挥层次关系。

OV-5a与OV-5b:描述完成一项作战使命所需进行的作战活动及它们之间的关系。此模型与OV-2描述的信息交换存在一定的对应关系,但如果信息的始端和末端均为同一作战节点,则该信息交换在OV-2中就没有定义。OV-5a利用树形结构展现活动,提供包含所有活动的整体图景,OV-5b展现了通过资源流连接起来的活动,前者可作为后者的导航帮助。

OV-6a、OV-6b与OV-6c:OV-6a描述作战执行的规则约束,可用规则的语言描述。OV-6b描述作战节点对不同事件的响应,以及状态变化的过程。用状态图表示。OV-6c描述特定场景下的作战节点间信息交换的时间、事件顺序。

2) 体系结构动态执行

UPDM软件可以自动将上述构建的体系结构模型,转换为可执行模型,并予以动态执行。通过同时运行所有作战节点的状态转移模型OV-6b和事件追踪模型OV-6c,实现状态与时序相结合的动画时序模型,动态显示时序图与状态图之间信息流动过程,达到“所见即所得”的效果。通过动态执行验证体系结构设计,整个执行过程为验证提供计算输入支持,具体描述详见下一节。

2.2 STK可视化仿真

卫星工具包(Satellite Tool Kit,STK)作为专业仿真平台, 具有良好的二维、三维可视化效果和快速开发功能[14]。本文使用STK工具对UPDM工具构建的可执行模型进行三维仿真,动态演示整个作战场景,为作战体系结构设计验证提供可视化支持。图1为STK场景界面图。

图1 STK场景界面图

从图1可以看到,STK工具能够完成对整个作战场景的实时仿真,通过颜色分类表示不同信息流,动态展现信息流流转过程及主要参数实时变化情况,验证过程直观明确,效果显而易见。

3 体系结构设计验证

整个设计验证过程是通过动态运行可执行模型及对整个过程可视化仿真实现的。其中,可执行模型的动态执行是依托UPDM工具,通过OV-6a作战执行的规则约束,以及运行前预设的条件参数,遍历OV-6b、OV-6c中作战节点的状态和参与的作战活动或功能。可视化仿真利用STK工具,通过其三维动态演示以及实时数据展现,直观进行分析。

具体分析步骤如下:

第1步:在UPDM工具编程中,根据使命任务和作战想定,提前设置相应的仿真参数(想定,时间,概率,资源分配等)、功能函数(动作函数,事件处理函数,传输函数等)及验证模块(触发器,延时模块等);

第2步:直接在UPDM工具中运行可执行模型,观察作战流程运行过程是否完整,是否存在作战活动及交互信息突然中止的情况,如果是则根据错误提示修改;

第3步:运行STK工具,观察整个作战信息流程的实时动态仿真状况,以及系统参数和预设参数的实时变化情况。

第4步:根据UPDM工具和STK工具运行结果,逐个分析作战节点的内部逻辑关系,即遍历所有作战节点的作战活动及外部接口传递的信息是否符合项目的各个作战平台作战需求。

UPDM工具在动态执行可执行模型之前,会自动进行模型完备性和一致性分析,对实体数据属性、实体数据间引用和指派关系描述不完整、实体数据间交互关系不一致等问题报错,这样能够节省大量的人工检查时间和精力。图2为UPDM工具的错误提示信息示例,可根据错误提示信息定位具体问题。另外,在第II步执行过程中,是否存在死锁、并发冲突、资源争用、丢失等逻辑问题导致运行中断,如有,则为一致性问题。在第4步,根据生成的状态时序图,进行作战信息流程一致性的可视化分析,判断整个作战流程与期望流程是否一致,如果有出入,则为一致性问题。

图2 UPDM错误提示信息图

效用分析需要根据作战体系的任务能力需求,确定所选度量参数的阈值,开展时效性分析和灵活性分析。

1) 时效性分析

时效性分析包括总时延分析和分时延分析。根据实际作战验证需求,总时延分解为分时延是按照信息流转过程来分,而不是按信息类型分。确定时延约束条件为A,根据OV-6c时序图信息流转过程,将总信息时延分为n段,n为信息流转总共需经过的作战节点次数,每一段包括该段作战节点对信息接收、处理和发送的完整过程。由于各个作战节点对流经的不同类别信息接收、处理和发送过程是不确定的,会受作战场景等约束条件以及随机因素等不定条件的影响,因此,通过仿真计算得到第i段时延(1≤i≤n)为Ti。再根据作战节点间不同的拓扑结构连接,计算得到总时延T(具体算法由于篇幅关系不再深入),判断分时延Ti和总时延T是否满足A,若是,则满足时效性要求;若否,则不能满足。

图3 体系结构动态执行效果图

2) 灵活性分析

考虑到结构距离可用于表示不同拓扑结构之间的差异[5],因此,本文引入结构距离作为作战信息流程灵活性分析的度量主要因素。根据能力需求,确定体系结构调整的限定代价为V,整个作战体系共包括n个作战节点,Ai为第i类信息在n个作战节点逻辑连接的邻接矩阵,Bi为其变动后的邻接矩阵,变动前后矩阵差为Di=Bi-Ai,则该类信息变动前后的结构距离di为Di矩阵中含有值为1的元素的个数。通过仿真,分别得到分代价di,那么得到总代价D为各分代价di的和(1≤i≤n),判断di和D是否满足V,若是,则满足灵活性要求;若否,则不能满足。

以上效用分析验证算法是通用模式,设计相对简单,实际应用中,仍需针对特定作战需求予以细化完善。以“对海目标合同打击任务”为例,整个作战任务共包括地面指挥所、水面舰艇、潜艇等8个作战节点,作战流程分为“情报获取→情报处理→指挥决策→兵力引导→武器控制→火力打击→毁伤评估”等7个环节。在时效性分析中,针对合同打击的使命任务,系统应具有较高的合同打击时效性,即各作战平台在火力打击环节应具有高度的一致性,那么,需要重点分析各作战平台从兵力引导到火力打击的信息时延,而不同作战平台的信息流转情况不同,且需考虑随机因素的影响,静态验证则采用倒序方式往前推,而动态验证通过动态执行可视化得出验证结果,优势显而易见。同样,在灵活性分析中,地面指挥所根据任务需求,由通过编队指挥所对作战平台指挥,改为直接指挥作战平台,此时,信息流动过程发生改变,考虑到作战节点改变对信息流转的影响,结构距离不能简单地加减1,可对各作战平台分别设置权重,那么总代价就是各分代价的线性或者非线性加权和。图3与图4分别为该案例的作战体系结构动态执行效果图和STK仿真效果图。

图4 STK仿真效果图

4 结束语

本文通过分析常见方法在动态验证方面的不足,以及面向实际需求的验证要求,提出了基于作战信息流程仿真的体系结构设计验证新思路。可以看出,该方法在描述作战体系内部作战活动和作战节点内部及之间的信息关系,以支持动态验证过程具有明显的优势。虽然本文仅对作战视图进行建模仿真,但本文的方法同样适用于系统视图等体系结构产品的验证工作。

下一步,将基于作战信息流程仿真构建更多的体系结构视图模型,并继续深入对体系结构设计的资源相关度量,如资源利用率、资源成本和额外资源的边际效用等,和可靠性相关度量如稳健性和可复原性等更多的验证指标开展研究,深入完善体系结构设计的验证要求。