胡 磊，閆世強，許 松，黃曉斌，劉 輝

（空軍預警學院，武漢 430019）

基于DoDAF與Petri網(wǎng)的預警衛(wèi)星系統(tǒng)建模分析*

胡 磊，閆世強，許 松，黃曉斌，劉 輝

（空軍預警學院，武漢 430019）

預警衛(wèi)星系統(tǒng)在彈道導彈防御系統(tǒng)中處在最前沿，在戰(zhàn)爭中起著其他裝備無法替代的作用。依據(jù)DoDAF和預警衛(wèi)星系統(tǒng)的作戰(zhàn)流程，構(gòu)建了預警衛(wèi)星系統(tǒng)作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換（OV-6b）模型，以描述預警衛(wèi)星系統(tǒng)作戰(zhàn)過程的時序關(guān)系、各作戰(zhàn)節(jié)點的狀態(tài)轉(zhuǎn)換以及信息流關(guān)系?；赑etri網(wǎng)將各節(jié)點OV-6b模型轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行模型進行驅(qū)動，并構(gòu)建和分析了各Petri網(wǎng)模型的可達圖，結(jié)果表明，建立的OV-6b模型和Petri網(wǎng)模型是合理的、正確的。

預警衛(wèi)星系統(tǒng)，DoDAF，作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)，作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述，Petri網(wǎng)，可達圖

引言

在系統(tǒng)研制建設(shè)前，依據(jù)軍事需求建立起體系結(jié)構(gòu)模型并對其進行驗證檢驗，對于保證系統(tǒng)的互操作性、降低研制風險等方面有著重要的意義。為了解決體系結(jié)構(gòu)模型應該從哪些角度和方面描述、以及如何描述整個系統(tǒng)才是完備的問題，美國先后頒布了C4ISR體系結(jié)構(gòu)框架1.0和2.0、國防部體系結(jié)構(gòu)框架（DoDAF）1.0、1.5和2.0［1-3］，為復雜系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)建模提供了相應的規(guī)范和指導。應用中，通常采用UML的不同視圖來描述武器系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的相關(guān)產(chǎn)品［4］，若干不同視圖的組合就可以完整地描述所建造的系統(tǒng)。然而，UML視圖是不可執(zhí)行的，缺乏嚴格的語義描述，而Petri網(wǎng)在離散事件動態(tài)系統(tǒng)中是一種邏輯層次的建模方法，很適于描述并行和異步發(fā)生的事件，能較好地描述系統(tǒng)的功能、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的動態(tài)行為及其系統(tǒng)各部分之間的交互作用［5］，可以根據(jù)產(chǎn)品之間的關(guān)聯(lián)，把產(chǎn)品的UML視圖轉(zhuǎn)換為Petri網(wǎng)的可執(zhí)行仿真模型，通過系統(tǒng)動態(tài)行為仿真模型的執(zhí)行，分析體系結(jié)構(gòu)的時序關(guān)系、信息流關(guān)系和接口關(guān)系的合理性，驗證系統(tǒng)功能是否滿足需求，系統(tǒng)狀態(tài)的變化是否正確，從而有效、合理地評估系統(tǒng)的性能。本文以DoDAF為指導，依據(jù)彈道導彈早期預警與概略引導場景下預警衛(wèi)星系統(tǒng)的作戰(zhàn)流程，采用UML視圖構(gòu)建預警衛(wèi)星系統(tǒng)作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)動態(tài)行為產(chǎn)品：作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述OV-6b，以描述預警衛(wèi)星系統(tǒng)的作戰(zhàn)時序和節(jié)點的狀態(tài)變換，最后采用Petri網(wǎng)對OV-6b進行轉(zhuǎn)換驅(qū)動，以驗證構(gòu)建模型的的邏輯合理性。

1 Petri網(wǎng)

Petri網(wǎng)是一個雙重有向圖，有兩類節(jié)點類型，稱為庫所P（place）和變遷T（transition），庫所用圓圈表示，用于描述可能的系統(tǒng)局部狀態(tài)；變遷用矩形表示或粗杠來表示，用于描述修改系統(tǒng)狀態(tài)的事件。庫所可以包含零個或者多個托肯（token，或稱令牌），托肯用一個黑點表示，系統(tǒng)的動態(tài)特性使用token標識，token表示為包含在庫所節(jié)點中的圓點，它們在庫所中的動態(tài)變化表示了系統(tǒng)的不同狀態(tài)［6］。

定義 1.1：Petri網(wǎng)是一個四元組 N=（P，T，F(xiàn)，M0），其中，P={p1，p2，…，pn}是Petri網(wǎng)中所有庫所pi（i=0，1，2，…，n）的集合；T={t0，t1，…，tm}是Petri網(wǎng)中所有變遷ti（i=0，1，2，…，m）的集合，并且，P∪T≠?，P∩T≠?；F={f0，f1，…，fr}是Petri網(wǎng)中所有有向弧fi（i=0，1，2，…，r）的集合；M0={M0（p0），M0（p1），…，M0（pn）}是系統(tǒng)的初始狀態(tài)，或初始標識。

定義1.2：對于任一庫所pi，pi包含的托肯的數(shù)目為k（k=0，1，2，…），記M（pi）=k。所有庫所的托肯數(shù)的集合稱為狀態(tài)，也稱為標識，并記為M={M（p0），M（p1），…，M（pn）}。

定義1.3（點火規(guī)則）：設(shè)Petri網(wǎng)N=（P，T，F(xiàn)，M0），標識M授權(quán)t發(fā)生，則變遷t在M上可以啟動，從M發(fā)生變遷t得到新的標識M'，并且?p（p∈*t∨p∈t*），M'（p）=M（p）-w（p，t）+w（t，p）。

2 預警衛(wèi)星系統(tǒng)作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換建模

DoDAF1.0中定義了作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)（OV）、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（SV）和技術(shù)體系結(jié)構(gòu)（TV），用這3個不同的側(cè)面來描述系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)［3］。其中作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務是確定系統(tǒng)的作戰(zhàn)任務、作戰(zhàn)行動和作戰(zhàn)要素完成軍事作戰(zhàn)要求的信息流。與之對應的作戰(zhàn)視圖主要有作戰(zhàn)概念圖OV-1、作戰(zhàn)節(jié)點連接描述OV-2、作戰(zhàn)節(jié)點信息交換矩陣OV-3、組織關(guān)系圖OV-4、作戰(zhàn)活動模型OV-5、作戰(zhàn)規(guī)則模型OV-6a、作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述OV-6b、作戰(zhàn)事件跟蹤描述OV-6c、邏輯數(shù)據(jù)描述OV-7等9個方面。其中OV-5和OV-6是描述作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)的動態(tài)行為產(chǎn)品。本文主要以彈道導彈早期預警與概略引導場景為例，構(gòu)建預警衛(wèi)星系統(tǒng)OV-6b，以描述預警衛(wèi)星系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的時序關(guān)系、信息流關(guān)系以及各節(jié)點狀態(tài)變化。

2.1 預警衛(wèi)星系統(tǒng)作戰(zhàn)過程描述

預警衛(wèi)星系統(tǒng)由指揮中心、空間預警衛(wèi)星、通信系統(tǒng)、固定地面站、移動地面站等組成。指揮中心主要負責整個系統(tǒng)作戰(zhàn)的全局規(guī)劃和指揮；空間預警衛(wèi)星裝載紅外探測器和可見光探測器等遙感裝置，根據(jù)固定地面站的控制指令對指定區(qū)域的彈道導彈發(fā)射進行探測監(jiān)視；通信系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，負責地面站和空間預警衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)傳送；固定地面站是整個系統(tǒng)的核心，主要負責對空間預警衛(wèi)星的調(diào)度和情報數(shù)據(jù)的處理與分發(fā)；移動地面站主要負責接收和處理特定區(qū)域衛(wèi)星的情報數(shù)據(jù)。

彈道導彈早期預警與概略引導場景作戰(zhàn)流程簡述如下［7-8］：預警衛(wèi)星系統(tǒng)指揮中心根據(jù)上級命令下達反導預警任務，空間預警衛(wèi)星的星載探測器根據(jù)任務指令進行掃描探測以捕獲導彈尾焰輻射信息，當發(fā)現(xiàn)可疑目標時，調(diào)用衛(wèi)星凝視相機進行精確跟蹤，并將數(shù)據(jù)實時傳送到地面站，地面站根據(jù)測量參數(shù)對目標進行識別判斷，生成多級情報數(shù)據(jù)和實時戰(zhàn)場態(tài)勢，指揮中心根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢下達作戰(zhàn)計劃，地面站根據(jù)作戰(zhàn)計劃制定相應的情報分發(fā)策略，對遠程預警雷達以及攔截系統(tǒng)等進行引導，從而完成早期預警和概略引導的目的。

本文根據(jù)功能將固定地面站分解為信息處理系統(tǒng)、情報綜合系統(tǒng)、任務管控系統(tǒng)和情報收發(fā)系統(tǒng)等4部分。其作戰(zhàn)流程為：在反導預警任務的指引下，情報收發(fā)系統(tǒng)對接收到的衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)進行解密解碼處理，將所得探測數(shù)據(jù)送至信息處理系統(tǒng)，信息處理系統(tǒng)對探測數(shù)據(jù)進行信息處理，將所得目標信息傳給情報綜合系統(tǒng)進行情報綜合處理，得到預警信息。任務管控系統(tǒng)根據(jù)預警信息生成戰(zhàn)場態(tài)勢并對預警衛(wèi)星載荷進行實時調(diào)度，指揮中心收到戰(zhàn)場態(tài)勢后制定相應作戰(zhàn)計劃，任務管控系統(tǒng)根據(jù)作戰(zhàn)計劃生成情報分發(fā)策略，情報收發(fā)系統(tǒng)根據(jù)情報分發(fā)策略向相應的基地和部門傳送預警信息以及引導信息等，情報收發(fā)系統(tǒng)收到任務結(jié)束命令后地面站進入結(jié)束狀態(tài)。

2.2 預警衛(wèi)星系統(tǒng)作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型

作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型OV-6b主要以作戰(zhàn)事件跟蹤描述OV-6c為依據(jù)，OV-6b與OV-6c的關(guān)系如下［1，9］：①OV-6b中的作戰(zhàn)節(jié)點對應于OV-6c描繪的場景中的作戰(zhàn)節(jié)點；②OV-6b中的各狀態(tài)轉(zhuǎn)變響應的事件對應于OV-6c中相同作戰(zhàn)節(jié)點接收信息的事件序列；③OV-6b中的作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表示為以O(shè)V-6c中事件序列為基礎(chǔ)的作戰(zhàn)活動序列。限于篇幅，預警衛(wèi)星系統(tǒng)的作戰(zhàn)活動模型OV-5和作戰(zhàn)事件跟蹤描述OV-6c在此不再展開。以彈道導彈早期預警與概略引導為例，根據(jù)預警衛(wèi)星系統(tǒng)作戰(zhàn)流程分析，依據(jù)上述關(guān)系，以作戰(zhàn)節(jié)點為單位建立的預警衛(wèi)星系統(tǒng)作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換OV-6b如圖1所示。

圖1 作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述OV-6b

3 基于Petri網(wǎng)的作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換建模

由于OV-6b只是對預警衛(wèi)星系統(tǒng)動態(tài)行為的靜態(tài)描述，是不可執(zhí)行的，還需結(jié)合其他評估模型對體系進行評估。本文采用Petri網(wǎng)對預警衛(wèi)星系統(tǒng)OV-6b進行轉(zhuǎn)換，以此分析體系結(jié)構(gòu)的時序關(guān)系、信息流關(guān)系和接口關(guān)系的合理性，驗證系統(tǒng)功能是否滿足需求，以及各類模型的正確性和可行性。

作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述映射為Petri網(wǎng)模型的規(guī)則簡述如下：各節(jié)點作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述中的作戰(zhàn)狀態(tài)對應相同節(jié)點Petri網(wǎng)模型中的庫所，節(jié)點接收事件對應相同節(jié)點Petri網(wǎng)模型中的變遷。

根據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則和各作戰(zhàn)節(jié)點的作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述OV-6b模型，構(gòu)建的各個作戰(zhàn)節(jié)點作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的Petri網(wǎng)模型如下頁圖2所示，各Petri網(wǎng)模型對應的可達圖如圖3所示，Petri網(wǎng)模型中庫所和變遷的含義如第55頁表1所示。

從可達圖中可以得到各個作戰(zhàn)節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換的Petri網(wǎng)模型的特性：①各Petri網(wǎng)模型均是安全的、有界的，因為可達圖中沒有出現(xiàn)n，只有0和1；②各Petri網(wǎng)模型中的每個標識均是可達的；③各Petri網(wǎng)模型均是活的，不存在死鎖。因為各模型可達圖中出度為0的葉節(jié)點分別是M1-4、M2-5、M3-7和M4-7，且M1-4（o）=1，M2-5（o）=1，M3-7（o）=1和M4-7（o）=1，不符合Petri網(wǎng)的死鎖定義，所以該Petri網(wǎng)不會發(fā)生死鎖。

圖2 各個作戰(zhàn)節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換的Petri網(wǎng)模型

圖3 各Petri網(wǎng)模型可達圖

從可達圖中可以看出各Petri模型中存在著沖突：

（1）在M1-2標識會同時觸發(fā)兩個轉(zhuǎn)移t1-2和t1-3而到達M1-3標識，在M1-3標識會同時觸發(fā)兩個轉(zhuǎn)移t1-4和t1-5，分別到達M1-2和M1-4，這兩類沖突是相關(guān)聯(lián)的，指揮中心接收到戰(zhàn)場態(tài)勢和引導結(jié)果后，均會進入作戰(zhàn)指揮狀態(tài)，但是戰(zhàn)場態(tài)勢t1-2引發(fā)的作戰(zhàn)指揮生成的結(jié)果是作戰(zhàn)計劃t1-4，而引導結(jié)果t1-3引發(fā)的作戰(zhàn)指揮生成的結(jié)果是任務結(jié)束命令t1-5。這類沖突可以由指揮中心指揮員的主觀判斷解決；

（2）在M2-1標識會同時觸發(fā)兩個轉(zhuǎn)移t2-1和t2-2而到達M2-2標識，空間預警衛(wèi)星只有感受到導彈尾焰才能產(chǎn)生掃描數(shù)據(jù)，因此，轉(zhuǎn)移t2-1在轉(zhuǎn)移t2-2之前發(fā)生；在M2-3標識會同時觸發(fā)兩個轉(zhuǎn)移t2-4和t2-5，分別到達M2-4標識和M2-1標識，空間預警衛(wèi)星只有收到載荷調(diào)度指令才會轉(zhuǎn)到目標跟蹤狀態(tài)，否則仍然轉(zhuǎn)到目標搜索狀態(tài)；在M2-4標識會同時觸發(fā)兩個轉(zhuǎn)移t2-6和t2-7，分別到達M2-5標識和M2-2標識，空間預警衛(wèi)星在收到任務結(jié)束命令之前，會一直進行凝視跟蹤，并不斷對跟蹤數(shù)據(jù)進行處理和傳送至地面站，一旦收到任務結(jié)束命令，系統(tǒng)會自動進入常態(tài)模式。上述這些沖突由系統(tǒng)的自動優(yōu)先程序解決；

表1 Petri網(wǎng)模型中庫所和變遷的含義

（3）在M3-1標識會同時觸發(fā)4個轉(zhuǎn)移t3-1、t3-2、t3-3和t3-4，分別到達M3-1標識、M3-2標識、M3-5標識和M3-7標識，固定地面站只有收到衛(wèi)星傳送的加密數(shù)據(jù)后才會得到解密的探測數(shù)據(jù)，同樣只有地面站生成戰(zhàn)場態(tài)勢后，才會收到作戰(zhàn)計劃以及任務結(jié)束指令，固定地面站操作員會根據(jù)信息的優(yōu)先級來確定點火的發(fā)生順序；在M3-5標識會同時觸發(fā)3個轉(zhuǎn)移t3-8、t3-9和t3-10，分別到達M3-1標識、M3-6標識和M3-1標識，在收到作戰(zhàn)計劃之前，地面站會繼續(xù)接收衛(wèi)星下傳的加密數(shù)據(jù)，收到作戰(zhàn)計劃后，地面站將生成情報分發(fā)策略進入概略引導狀態(tài)，一旦收到任務結(jié)束指令后，系統(tǒng)進入結(jié)束狀態(tài)，由指揮員根據(jù)信息的優(yōu)先級確定點火的發(fā)生順序。上述兩類沖突由固定地面站操作員的主觀判斷解決。移動地面站中的沖突和固定地面站中的沖突類似。

綜上分析可知，本文構(gòu)建的各Petri網(wǎng)模型是一個具有可達性、有界性、活性的網(wǎng)，根據(jù)Petri網(wǎng)理論［6，10］，具有這些特性的Petri網(wǎng)是合理的、可行的，雖然存在著沖突，但可以通過操作人員的主觀判斷或系統(tǒng)的自動優(yōu)先程序進行化解。由此可得，本文基于DoDAF構(gòu)建的預警衛(wèi)星系統(tǒng)作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述在邏輯上是合理的、正確的。

4 結(jié)束語

預警衛(wèi)星系統(tǒng)是彈道導彈防御系統(tǒng)的重要組成部分，建立預警衛(wèi)星系統(tǒng)作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)對于明確軍事需求和預警衛(wèi)星系統(tǒng)效能評估具有重要的意義。本文在DoDAF的指導下，從作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述對復雜預警衛(wèi)星系統(tǒng)作戰(zhàn)過程的時序、信息流以及狀態(tài)變換進行了描述分析，并構(gòu)建了作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的Petri網(wǎng)模型及相應的可達圖，驗證了本文設(shè)計模型的邏輯合理性和正確性。該模型直觀易懂、便于理解，對加強預警衛(wèi)星系統(tǒng)頂層設(shè)計有著重要作用。

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Modeling and Analyzing of Early Warning Satellite System Based on DoDAF and Petri Net

HU Lei，YAN Shi-qiang，XU Song，HUANG Xiao-bin，LIU Hui
（Air Force Early Warning Academy，Wuhan 430019，China）

Early warning satellite system is on the front edge of ballistic missile defense system，and played an indispensable role in wars.Operational state transition description view（OV-6b）models are established to describe the operational sequence in time of early warning satellite system，state transition and information relation of the operational points based on DoDAF and operational process. Petri net is used to change the OV-6b models to executable models，and the reachability graphs of the petri-net models are established and analyzed，the correctness of the OV-6b models and the Petri net models is showed by the result.

early warning satellite system，DoDAF，operationalarchitecture，operationalstate transition description，Petri net，reachability graph

TP391.9

A

1002-0640（2014）09-0051-05

2013-06-15

2013-08-07

軍內(nèi)科研重點基金資助項目（KJ2012228）

胡 磊（1985- ），男，江蘇宿遷人，在讀博士。研究方向：預警衛(wèi)星系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)建模與效能評估。