徐 佳，夏惠誠(chéng)

（海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018）

高技術(shù)條件下的海戰(zhàn)中，艦載指控系統(tǒng)面臨的作戰(zhàn)任務(wù)是一類(lèi)復(fù)雜任務(wù)，具有突現(xiàn)性、不穩(wěn)定性、非線性、不確定性、不可預(yù)測(cè)性和影響因素復(fù)雜等諸多特點(diǎn)。這就要求，艦載指控系統(tǒng)能夠依據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的變化，實(shí)時(shí)修改、調(diào)整作戰(zhàn)計(jì)劃，使高技術(shù)條件下海上作戰(zhàn)演變?yōu)橐环N以“任務(wù)為中心”的非相鄰、非線式、動(dòng)態(tài)化戰(zhàn)場(chǎng)行動(dòng)。為了達(dá)到高技術(shù)條件下海戰(zhàn)的要求，需要針對(duì)動(dòng)態(tài)的、不確定的作戰(zhàn)任務(wù)，建立起艦載指控系統(tǒng)與作戰(zhàn)任務(wù)匹配分析模型，并進(jìn)行必要的仿真計(jì)算，得到匹配分析的結(jié)果。

艦載指控系統(tǒng)與作戰(zhàn)任務(wù)匹配的測(cè)度涉及的方面較多，匹配需求和約束條件也不盡相同。本文將艦載指控系統(tǒng)能否完成作戰(zhàn)任務(wù)作為匹配的測(cè)度標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)艦載指控系統(tǒng)與作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行匹配分析。

1 基本思路和步驟

作戰(zhàn)過(guò)程中，作戰(zhàn)任務(wù)的多樣性和不確定性可能會(huì)使得艦載指控系統(tǒng)與作戰(zhàn)任務(wù)不匹配。因此，艦載指控系統(tǒng)與作戰(zhàn)任務(wù)匹配分析需要對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的考慮，將動(dòng)態(tài)的作戰(zhàn)任務(wù)與艦載指控系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，以是否完成作戰(zhàn)任務(wù)作為匹配與否的依據(jù)，對(duì)艦載指控系統(tǒng)與作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行匹配分析。

根據(jù)上面的思路，可以認(rèn)為對(duì)艦載指控系統(tǒng)和作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行匹配分析主要包括以下幾個(gè)步驟：

1）建立艦載指控系統(tǒng)模型和作戰(zhàn)任務(wù)模型；

2）結(jié)合艦載指控系統(tǒng)模型和作戰(zhàn)任務(wù)模型，增加相應(yīng)的輸入輸出模塊，得到艦載指控系統(tǒng)與作戰(zhàn)任務(wù)匹配分析模型；

3）在仿真工具中，確定相應(yīng)的監(jiān)視器（Monitor）,設(shè)置統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)生成機(jī)制；

4）通過(guò)仿真計(jì)算，得到最終結(jié)果并進(jìn)行匹配分析。

2 匹配分析建模過(guò)程

2.1 有色Petri網(wǎng)和CPN Tools簡(jiǎn)介

一個(gè)有色 Petri網(wǎng)（CPN）是一個(gè)多元組(Σ,P,T,A,N,C,G,E,I)，其中：

1）Σ是非空類(lèi)型的有限集合，也稱(chēng)為顏色集。

2）P是位置的有限集合。

3）T是變遷的有限集合。

4）A是弧的有限集合，使得P∩T=P∩A=T∩A=Φ。

5）N是節(jié)點(diǎn)函數(shù)，從A映射到P∪T×T∪P。

6）C是顏色函數(shù)，從P映射到Σ。

7）G是關(guān)卡函數(shù)，從T映射到表達(dá)式，使得:

8）E是弧表達(dá)式函數(shù)，從A映射到表達(dá)式，使得：，其中p是N(a)的位置。

9）I是初始化函數(shù)，從P映射到閉合表達(dá)式，使得：

其中，Type( )表示變量或者表達(dá)式的類(lèi)型，Var( )表示表達(dá)式的變量集。

長(zhǎng)期以來(lái)，CPN作為一種有效的離散事件建模方法，建立了許多的仿真模型，同時(shí)也不乏與之相配的仿真工具，CPN Tools就是CPN仿真工具之一。CPN Tools是丹麥的奧胡斯大學(xué)（University of Aarhus）和美國(guó)宇航局于2000年4月聯(lián)合推出的基于CPN的仿真軟件[1]。CPN Tools具備良好的用戶接口，提供了一套方便用戶使用的工具，包括模型編輯器、結(jié)構(gòu)/行為描述語(yǔ)言、仿真執(zhí)行器、系統(tǒng)分析工具、報(bào)告產(chǎn)生器等。適用于建立模型、對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(行為產(chǎn)生)、對(duì)模型行為進(jìn)行分析處理、修改模型、再實(shí)驗(yàn)、分析……不斷反復(fù)的全過(guò)程。它還可以通過(guò)接口與BRITNeY Animation、gnuplot等軟件共同完成動(dòng)畫(huà)演示、圖形輸出等功能[2-3]。

鑒于 CPN方法在艦載指控系統(tǒng)建模方面的優(yōu)越性以及CPN Tools仿真工具的成熟性，本文的模型均用CPN方法建模，并且最終使用CPN Tools進(jìn)行仿真計(jì)算。

2.2 艦載指控系統(tǒng)模型

關(guān)于艦載指控系統(tǒng) CPN模型的研究有很多，A.H.Levis就提出了一個(gè)4級(jí)模型[4-6]，該模型用四個(gè)變遷對(duì)應(yīng)著四個(gè)決策過(guò)程。變遷SA表示態(tài)勢(shì)評(píng)估過(guò)程，變遷IF表示信息融合過(guò)程，變遷CI表示命令解釋過(guò)程，變遷 RS表示響應(yīng)決策過(guò)程。一般的，可以認(rèn)為艦載指控系統(tǒng)是由兩個(gè)決策者組成，一個(gè)為指揮員，另一個(gè)為指控系統(tǒng)裝備。在目標(biāo)信息輸入后，指揮員和指控裝備分別進(jìn)行威脅判斷，得到各自的態(tài)勢(shì)評(píng)估。同時(shí)，指揮員需要得到指控裝備關(guān)于態(tài)勢(shì)評(píng)估的信息，最后指揮員形成命令信息后通過(guò)指控裝備下達(dá)命令。結(jié)合圖1的模型，可以得到艦載指控系統(tǒng)的CPN模型，如圖1所示。圖1中，變遷SA1、IF1、CI1和RS1分別對(duì)應(yīng)決策者的四個(gè)決策過(guò)程，而變遷SA2、IF2、CI2和RS2則分別對(duì)應(yīng)著指控裝備的四個(gè)決策過(guò)程。

圖1 艦載指控系統(tǒng)CPN模型

2.3 作戰(zhàn)任務(wù)模型

由于作戰(zhàn)任務(wù)主要是由作戰(zhàn)目標(biāo)決定的，因此這里的作戰(zhàn)任務(wù)模型主要目的是產(chǎn)生不同的作戰(zhàn)目標(biāo)。為了體現(xiàn)出作戰(zhàn)任務(wù)的不確定性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，這些目標(biāo)是隨機(jī)產(chǎn)生的。本文建立的作戰(zhàn)任務(wù)模型如圖2所示。

圖2 作戰(zhàn)任務(wù)生成CPN模型

圖2中的模型主要是產(chǎn)生隨機(jī)的目標(biāo)，隨機(jī)目標(biāo)主要是通過(guò)函數(shù) NextArrival()產(chǎn)生的，根據(jù)實(shí)際需要可以對(duì) NextArrival()進(jìn)行修改，得到不同需求的隨機(jī)目標(biāo)。

2.4 艦載指控系統(tǒng)與作戰(zhàn)任務(wù)匹配分析模型

將上面得到的艦載指控系統(tǒng)模型和作戰(zhàn)任務(wù)模型用替代變遷（Substitution Transition）表示，并增加數(shù)據(jù)輸出位置（Place），就可以很方便的得到兩者的匹配分析模型，如圖3所示。圖3中，替代變遷DataPacketArrival對(duì)應(yīng)的就是作戰(zhàn)任務(wù)模型，替代變遷C2對(duì)應(yīng)的是艦載指控系統(tǒng)模型。位置DataReceived表示最后的數(shù)據(jù)輸出。該模型的輸入輸出關(guān)系在圖1中的艦載指控系統(tǒng)模型中已經(jīng)體現(xiàn)出來(lái)。

圖3 艦載指控系統(tǒng)與作戰(zhàn)任務(wù)匹配分析CPN模型

2.5 增加監(jiān)視器

圖3為最后的匹配分析模型，該模型能夠產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù)，是可執(zhí)行模型。但是，該模型還不能得到相應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)。為了最終得到匹配分析的數(shù)據(jù)，還需要得到模型的仿真數(shù)據(jù)。在CPN Tools中，仿真的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是由監(jiān)視器（monitor）來(lái)得到的[7]。CPN Tools中監(jiān)視器共有四種類(lèi)型，可以根據(jù)不同的需要選擇不同的監(jiān)視器或者監(jiān)視器組合，這需要結(jié)合實(shí)際需求來(lái)分析，

3 實(shí)例分析

將艦載指控系統(tǒng)與作戰(zhàn)任務(wù)匹配分析模型結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行仿真計(jì)算，即可得到艦載指控系統(tǒng)與作戰(zhàn)任務(wù)匹配分析的結(jié)果。為了進(jìn)一步的說(shuō)明，結(jié)合上面的模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。

首先，確定匹配分析的判定準(zhǔn)則。由于艦載指控系統(tǒng)是否完成作戰(zhàn)任務(wù)是由指控系統(tǒng)的效能來(lái)決定，而指控系統(tǒng)的效能指標(biāo)有很多。本文簡(jiǎn)單處理，就以平均處理速率這個(gè)單一指標(biāo)作為效能指標(biāo)進(jìn)行匹配的判斷。也就是說(shuō)，設(shè)定一個(gè)平均處理速率的標(biāo)準(zhǔn)值，如果仿真計(jì)算得到的平均處理速率達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)則說(shuō)明指控系統(tǒng)與作戰(zhàn)任務(wù)匹配，反之為不匹配。

仿真之前，需要對(duì)于目標(biāo)的生成函數(shù)進(jìn)行修改，這里也采取簡(jiǎn)單的處理，使得函數(shù) NextArrival()產(chǎn)生一個(gè)10到100的隨機(jī)整數(shù)，該整數(shù)為數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時(shí)間，從而使得目標(biāo)產(chǎn)生的時(shí)間為10到100的隨機(jī)整數(shù)。由于本文將平均處理速率作為匹配判定的準(zhǔn)則，因此在圖2中位置 DataReceived增加一個(gè)斷點(diǎn)監(jiān)視器（Breakpoint Monitor），設(shè)定當(dāng)位置DataReceived的標(biāo)志數(shù)（token）達(dá)到300時(shí)停止仿真。由于篇幅關(guān)系，斷點(diǎn)監(jiān)視器的具體寫(xiě)法這里不再介紹。這樣的處理可以將標(biāo)志數(shù)（這里統(tǒng)一為 300）除以仿真時(shí)間得到平均處理速率。

經(jīng)過(guò)以上的處理后，即可在CPN Tools中進(jìn)行仿真計(jì)算。為了得到仿真的統(tǒng)計(jì)值，這里將仿真次數(shù)設(shè)為1000次，步長(zhǎng)設(shè)為0.1s，最終得到每次仿真得到的平均處理速率結(jié)果如圖4所示。

圖4 仿真得到的平均處理數(shù)率分布結(jié)果

通過(guò)仿真結(jié)果可以知道平均處理速率的分布情況，繼而可以進(jìn)行匹配分析。如果標(biāo)準(zhǔn)的平均處理速率大于最大值，這說(shuō)明艦載指控系統(tǒng)與作戰(zhàn)任務(wù)不匹配；如果標(biāo)準(zhǔn)的平均處理速率小于最小值，則說(shuō)明是匹配的。如果標(biāo)準(zhǔn)的平均處理速率在仿真數(shù)據(jù)中，則可以統(tǒng)計(jì)在仿真次數(shù)中，仿真數(shù)據(jù)不小于標(biāo)準(zhǔn)的平均處理速率的次數(shù)，當(dāng)次數(shù)到達(dá)一定數(shù)值時(shí)說(shuō)明是匹配的，反之則不匹配。

4 結(jié)束語(yǔ)

艦載指控系統(tǒng)與作戰(zhàn)任務(wù)匹配分析是面向作戰(zhàn)任務(wù)的指控系統(tǒng)分析的重要研究方向之一。本文利用CPN建模方法建立了艦載指控系統(tǒng)與作戰(zhàn)任務(wù)匹配分析模型，并在CPN Tools仿真工具上進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到了艦載指控系統(tǒng)與作戰(zhàn)任務(wù)匹配分析的一種新的方法。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，為艦載指控系統(tǒng)與作戰(zhàn)任務(wù)匹配分析提供了一個(gè)新的解決途徑。

[1]李陽(yáng),武昌,曹洪權(quán).CPN-TOOLS在裝備維修規(guī)劃中的應(yīng)用研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006,18(1):200-203.

[2]Lisa Wells.Performance Analysis using CPN Tools.Value Tools ’06,October 11-13,2006.

[3]CPN Tools.Online: http://www.daimi.au.dk/CPNTools/

[4]羅雪山,羅愛(ài)民,張耀鴻，等.Petri網(wǎng)在C4ISR系統(tǒng)建模、仿真與分析中的應(yīng)用[M].長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社,2007,4:268-321.

[5]楊瑞平,郭齊勝,趙紅緒,等.C3I系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006,1:174-175.

[6]K.L.Boettcher,A.H.Levis,Modeling the Interacting Decisionmaker with Bounded Rationality[J].IEEE Trans.on Systems,Man,andCybernetics SMC-12,1982:334-344.

[7]Kurt Jensen,Lars M.Kristensen.Coloured Petri Nets Modelling and Validation of Concurrent Systems.Berlin Heidelberg:Springer-Verlag,2009:273-277.