肖雙愛,吳 浩,王積鵬,李欽富

(中國電子科學(xué)研究院,北京 100041)

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工程與應(yīng)用

基于多層次建模的綜合電子信息系統(tǒng)效能評估研究

肖雙愛,吳 浩,王積鵬,李欽富

(中國電子科學(xué)研究院,北京 100041)

本文以綜合電子信息系統(tǒng)效能評估為應(yīng)用目的，研究開展系統(tǒng)效能評估的仿真試驗環(huán)境構(gòu)建以及層次化評估模型構(gòu)建。針對綜合電子信息系統(tǒng)多層次效能評估的需求，本文提出了綜合仿真想定層次化描述、裝備系統(tǒng)多粒度建模方法以及層次化評估建模技術(shù)的綜合電子信息系統(tǒng)效能評估框架體系，并依此設(shè)計思路和方法實現(xiàn)了相應(yīng)的仿真系統(tǒng)，可以對不同級別的綜合電子信息系統(tǒng)進(jìn)行效能評估。

信息系統(tǒng)；效能評估；多層次建模；仿真設(shè)計

0 引 言

綜合電子信息系統(tǒng)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的兵力倍增器和作戰(zhàn)部隊粘合劑，如何認(rèn)清綜合電子信息系統(tǒng)在作戰(zhàn)中的地位和作用，找出制約其效能發(fā)揮的因素，以提高自身和使用效能？即如何對其進(jìn)行效能評估，一直是備受關(guān)注的問題[1-3]。且隨著網(wǎng)絡(luò)信息體系的發(fā)展，單裝單平臺的效能評估已不能滿足裝備體系在論證、研制、試驗、作戰(zhàn)使用研究等方面的需求，基于信息網(wǎng)絡(luò)的多裝、多平臺系統(tǒng)整體效能評估需求也日益增強(qiáng)。

綜合電子信息系統(tǒng)涉及指揮控制、情報偵察、預(yù)警探測、通信導(dǎo)航、電子對抗、綜合保障等多個信息功能領(lǐng)域，涉及國家級、戰(zhàn)區(qū)級、戰(zhàn)術(shù)級等多級作戰(zhàn)指揮層次，涉及總部、諸軍兵種各種信息系統(tǒng)[1]?？傊?，它是一個由多級指揮、多層情報處理和多個基本作戰(zhàn)單元構(gòu)成的復(fù)雜體系，從不同的觀察視角與研究重點出發(fā)，對體系的剪裁也不相同，系統(tǒng)效能評估也需要在不同層次上展開，要求建立系統(tǒng)不同層次或不同描述程度的模型。

要提高體系作戰(zhàn)能力，電子信息系統(tǒng)整體能力和效能的發(fā)揮是關(guān)鍵，因此迫切需要開展綜合電子信息系統(tǒng)體系級效能評估及仿真試驗。同時為提高綜合電子信息系統(tǒng)各領(lǐng)域能力，促進(jìn)其裝備發(fā)展，綜合電子信息系統(tǒng)級和裝備級效能評估與仿真仍需深入研究。由此，本文針對綜合電子信息系統(tǒng)體系級/系統(tǒng)級/裝備級評估三個層次，進(jìn)行了相應(yīng)仿真建模技術(shù)研究。

1 多層次建模技術(shù)研究

1.1 仿真建模研究

為適應(yīng)滿足體系級、系統(tǒng)級以及裝備級等多層次評估仿真需求，本文采用了層次化描述方法來表征仿真想定實體及其關(guān)系。仿真實體層級關(guān)系描述包括編隊號、平臺號、搭載電子設(shè)備/搭載導(dǎo)彈武器、設(shè)備號等信息。具體仿真實體屬性描述包括平臺屬性、設(shè)備屬性和武器屬性等三個方面：平臺實體屬性描述信息包括實體號、搭載平臺、屬性、類型、名稱、型號、狀態(tài)、所屬編組等；設(shè)備實體屬性描述信息包括實體號、類型、名稱、型號、工作狀態(tài)、工作參數(shù)等；武器實體屬性描述信息包括實體號、類型、名稱、型號、數(shù)量等。仿真時通過加載不同層級仿真實體的想定，可支撐不同層次評估需求。

綜合電子信息系統(tǒng)體系級評估仿真以各功能領(lǐng)域系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行推演試驗。領(lǐng)域系統(tǒng)模型包括指控系統(tǒng)仿真模型、預(yù)警偵察系統(tǒng)模型、雷達(dá)對抗系統(tǒng)仿真模型、通信對抗系統(tǒng)仿真模型、武器系統(tǒng)仿真模型等等。各功能領(lǐng)域系統(tǒng)建模以體現(xiàn)描述系統(tǒng)對體系的能力貢獻(xiàn)、與其它系統(tǒng)的信息關(guān)聯(lián)等為主要內(nèi)容。例如指控系統(tǒng)體系級仿真模型，主要進(jìn)行作戰(zhàn)計劃制定、作戰(zhàn)任務(wù)分配、作戰(zhàn)命令下達(dá)等功能與流程仿真，而不關(guān)心不同層級指揮系統(tǒng)之間的信息流動。

系統(tǒng)級效能評估仿真以各功能領(lǐng)域系統(tǒng)裝備模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行推演試驗。各功能領(lǐng)域系統(tǒng)裝備建模以體現(xiàn)描述裝備功能及外特征、與其它裝備系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)為主要內(nèi)容。例如雷達(dá)對抗系統(tǒng)級模型，主要進(jìn)行某雷達(dá)對抗裝備對抗能力、雷達(dá)對抗效果的功能仿真。

裝備級效能評估仿真以各功能領(lǐng)域系統(tǒng)裝備的主要功能設(shè)備模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行仿真模擬。功能設(shè)備建模以系統(tǒng)裝備主要組成、主要功能及主要信息流程為仿真對象，對其進(jìn)行抽象描述。例如雷達(dá)裝備模型，主要進(jìn)行天線掃描、搜索探測、跟蹤識別、點跡處理等功能的模擬與仿真。

1.2 評估建模研究

1.2.1 層次化評估模型結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[5]將武器裝備體系劃分為體系級、平臺級、裝備級、關(guān)鍵技術(shù)級，并建立了不同層次的作戰(zhàn)能力評估模型。本文參考借鑒其思想方法，根據(jù)綜合電子信息系統(tǒng)及其應(yīng)用特點，針對體系級/系統(tǒng)級/裝備級不同層次的評估與仿真試驗，建立了綜合電子信息系統(tǒng)層次化仿真評估模型(具體見圖1)。包括體系效能評估、系統(tǒng)效能評估和裝備效能評估三個層級模型，每個層級建模都從評估指標(biāo)體系和評估算法兩個方面進(jìn)行?？紤]評估對象不同和試驗?zāi)康牟煌?，采用可編輯可定制方式進(jìn)行構(gòu)建評估指標(biāo)體系和評估算法模型，并研發(fā)相應(yīng)的模型軟件支撐工具。各層級之間指標(biāo)體系采用自頂向下分解方式，評估計算結(jié)果采用自下而上匯總方式。即體系級效能評估根據(jù)具體體系評估指標(biāo)，將其要素逐一分解落實到系統(tǒng)級效能評估中；系統(tǒng)級效能評估根據(jù)具體系統(tǒng)評估指標(biāo)，再將其要素逐一分解落實到裝備級效能評估中。而評估結(jié)果則是由裝備級效能評估計算后結(jié)果報送給系統(tǒng)級，系統(tǒng)級效能評估綜合計算后結(jié)果再上報給體系級，體系級再綜合各系統(tǒng)級報送結(jié)果進(jìn)行綜合評估。

圖1 綜合電子信息系統(tǒng)層次化評估模型

1.2.2 模型算法研究

(a)體系效能評估模型算法

以綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)評估為具體應(yīng)用，考慮電子對抗系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)效能構(gòu)成綜合電子信息系統(tǒng)整體綜合效能，見圖2。

圖2 綜合電子戰(zhàn)效能評估指標(biāo)層次模型

分析建立綜合電子信息系統(tǒng)整體綜合效能和各組成要素系統(tǒng)效能的關(guān)系：

(1)

Esos:體系效能，Ecounter：電子對抗系統(tǒng)效能，Ec2指控系統(tǒng)效能，f：電子對抗與指控效能之間的關(guān)系函數(shù)。

其中電子對抗系統(tǒng)效能包括雷達(dá)對抗、通信對抗兩部分，即：

(2)

ERc：雷達(dá)對抗效能，EComc：通信對抗效能。

(b)系統(tǒng)評估模型算法

指控系統(tǒng)效能評估從情報處理能力、態(tài)勢感知能力和指揮控制能力三個方面進(jìn)行評估，即：

(3)

Einfo：情報處理能力，Esense：態(tài)勢感知能力，Ecc：指揮控制能力。

(4)

Range：情報處理范圍，dT：情報處理時間,g1: 關(guān)系函數(shù)。

(5)

L:情報連續(xù)性，Q：情報準(zhǔn)確性，g2:關(guān)系函數(shù)。

(6)

Tc：決策時間，Eff：指控有效性，g3: 關(guān)系函數(shù)。

雷達(dá)對抗從雷達(dá)對抗方干擾效能與雷達(dá)方探測兩個角度進(jìn)行效能評估，具體計算：

(7)

ERjam：雷達(dá)干擾效能，ERdect：雷達(dá)探測效能。

通信對抗從通信信號偵察和通信干擾對抗兩個方面進(jìn)行評估，具體計算：

(8)

EComdect：通信探測效能，EComjam：通信干擾效能。

(c)裝備效能評估模型算法

裝備效能評估主要是各裝備根據(jù)使命任務(wù)對其能力和效能進(jìn)行評估計算，包括情報處理范圍、情報處理時間、情報連續(xù)性、情報準(zhǔn)確性、決策時間、指控有效性、雷達(dá)干擾效能、雷達(dá)探測效能、通信干擾效能、通信探測效能等參數(shù)指標(biāo)的具體計算和評估，這里就不再一一詳述。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于多層次建模的綜合電子信息系統(tǒng)效能評估系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示。其中仿真環(huán)境是典型復(fù)雜巨系統(tǒng)的體系對抗仿真環(huán)境，是一個多粒度模型并存的分布式仿真系統(tǒng)，支持體系級、系統(tǒng)級和裝備級效能評估及仿真試驗，由多層次仿真模型以及仿真運行支撐組成。

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

多層次仿真模型部分包括指揮控制、武器系統(tǒng)、電子對抗、預(yù)警偵查、通信網(wǎng)絡(luò)等專業(yè)領(lǐng)域系統(tǒng)級/裝備級/設(shè)備級組件模型、仿真軟件以及相應(yīng)效能評估模型軟件，這些領(lǐng)域模型可根據(jù)實際評估任務(wù)需要進(jìn)行變換和調(diào)整。指控系統(tǒng)仿真模型和評估軟件，主要完成指揮控制系統(tǒng)的模擬仿真和效能計算；武器系統(tǒng)評估主要完成打擊武器系統(tǒng)的模擬仿真和打擊效果計算；電子對抗系統(tǒng)仿真主要完成雷達(dá)對抗和通信對抗系統(tǒng)及裝備的模擬仿真；預(yù)警偵察系統(tǒng)效能評估主要完成預(yù)警偵察裝備的效能計算和系統(tǒng)仿真；通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)效能評估主要完成通信網(wǎng)絡(luò)裝備效能計算和系統(tǒng)仿真。這些領(lǐng)域仿真系統(tǒng)可獨立運行，開展系統(tǒng)級和裝備級效能評估試驗；也可與其他系統(tǒng)協(xié)作參與大系統(tǒng)運行，開展體系級效能評估試驗。

仿真運行支撐部分主要包括仿真集成平臺、想定規(guī)劃、運行控制、綜合顯示、體系評估等主要功能軟件。體系仿真集成平臺是支撐體系評估仿真運行的平臺軟件，實現(xiàn)仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)集成等。系統(tǒng)想定規(guī)劃軟件是支撐開展系統(tǒng)效能評估仿真試驗的想定規(guī)劃工具，主要是研究利用人機(jī)交互手段，方便快捷地將文本想定劇本轉(zhuǎn)化為能夠驅(qū)動仿真系統(tǒng)運行的電子想定數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運行控制軟件主要是控制仿真運行過程，并將想定中設(shè)定的場景實時地演示出來。綜合顯示軟件主要是將系統(tǒng)整個運行過程以直觀、形象的方式展示給用戶。體系綜合評估軟件支持在線評估和事后評估兩種方式，在線評估通過數(shù)據(jù)采集得到實時數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫，事后評估能從數(shù)據(jù)庫中提取歷史數(shù)據(jù)，在專家系統(tǒng)輔助下，對體系效能進(jìn)行分析與評估。

2.2 運行使用

基于多層次建模的綜合電子信息系統(tǒng)效能評估系統(tǒng)運行使用流程見圖4所示，具體包括：

a)運行前準(zhǔn)備：用戶根據(jù)使用需求及需要提出軍事和仿真想定，利用想定規(guī)劃軟件制作產(chǎn)生各種電子想定文件，存儲在想定數(shù)據(jù)庫中。

b)系統(tǒng)運行控制

1)系統(tǒng)使用控制人員啟動各仿真成員軟件，例如指控系統(tǒng)仿真與評估、電子對抗系統(tǒng)仿真與評估、預(yù)警偵察效能仿真、通信網(wǎng)絡(luò)效能仿真、武器系統(tǒng)仿真與評估、綜合顯示、體系評估、運行控制等軟件，選擇加載效能評估試驗想定；

2)系統(tǒng)使用控制人員通過運行控制軟件對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，對仿真成員進(jìn)行仿真對時、想定分發(fā)；

3)各仿真成員準(zhǔn)備就緒后，運行控制操作人員下達(dá)仿真開始命令，系統(tǒng)開始運行后，監(jiān)視控制系統(tǒng)運行情況；

4)如有想定調(diào)整變更需要，系統(tǒng)使用控制人員根據(jù)想定變更要求進(jìn)行想定調(diào)整，并將調(diào)整信息分發(fā)給相應(yīng)仿真成員。

5)試驗完成后，系統(tǒng)使用控制人員下達(dá)仿真結(jié)束指令，可以準(zhǔn)備下次試驗。

c)系統(tǒng)評估

1)實時評估：仿真運行過程中，所有試驗數(shù)據(jù)存入試驗數(shù)據(jù)庫；同時，各系統(tǒng)將實時評估所需信息發(fā)送給體系評估軟件，可以進(jìn)行體系實時評估；

2)事后評估：仿真結(jié)束后，系統(tǒng)評估軟件根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對試驗進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和事后評估，并將評估結(jié)果存入評估數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行效能事后分析評估。

圖4 仿真運行流程示意圖

2.3 應(yīng)用案例

以某一熱點問題為應(yīng)用背景，設(shè)計編制仿真試驗想定，依托本效能評估仿真系統(tǒng)軟件，開展相關(guān)仿真試驗，進(jìn)行了綜合電子信息系統(tǒng)體系級和系統(tǒng)級效能評估。試驗結(jié)果示意見圖5。

圖5 體系級效能評估仿真試驗結(jié)果示意

4 結(jié) 語

本文結(jié)合信息系統(tǒng)裝備發(fā)展對效能評估的需求，在系統(tǒng)仿真建模、評估建模方面開展了技術(shù)研究，構(gòu)建了具備體系/系統(tǒng)/裝備三個層次仿真評估能力的綜合電子信息系統(tǒng)仿真環(huán)境，并以某一熱點問題為假想背景進(jìn)行了實踐應(yīng)用。但是綜合電子信息系統(tǒng)效能評估仿真是一項復(fù)雜工程，涉及范圍廣，本文研究只是冰山一角，旨在為開展信息系統(tǒng)效能評估和仿真提供一種思路和方法，后續(xù)在多尺度模型切換、評估模型算法等方面，仍需深入研究。

[1] 童志鵬,劉興,等編著. 綜合電子信息系統(tǒng)—信息化戰(zhàn)爭的中流砥柱[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2008.

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Research on Effectiveness Evaluation of Integrated Electronic Information System Based on Multi-level Modeling

XIAO Shuang-ai, WU Hao, WANG Ji-peng, LI Qin-fu

(China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China)

This paper studies simulation environment Construction and Multi-level modeling for the applied purpose of evaluating integrated electronic information system. In view of the multiple level evaluation requirement of integrated electronic information system, this paper presents comprehensive simulation scenario hierarchical description, equipment system multi granularity modeling method and the hierarchical evaluation modeling technology of integrated electronic information system, and based on this design concept completes the corresponding simulation system, it can be applied to evaluate the distinct information system.

Information System；Effectiveness Evaluation；Multi-level Modeling；Simulation Design

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.03.007

2017-04-01

2017-06-10

TP311.52

A

1673-5692(2017)03-257-05

肖雙愛(1977—),女，河北人，高級工程師，主要研究方向為系統(tǒng)仿真建模、多傳感器數(shù)據(jù)融合、算法研究等；

E-mail：xiaoshuangai@sina.com

吳 浩(1982—),男，四川人，高級工程師，主要研究方向為系統(tǒng)仿真建模、仿真系統(tǒng)開發(fā)等；

王積鵬(1959—),男，山東人，研究員高級工程師，主要研究方向為信息系統(tǒng)與仿真技術(shù)等；

李欽富(1969—),男，山東人，研究員高級工程師，主要研究方向為綜合電子信息系統(tǒng)總體設(shè)計、系統(tǒng)仿真建模、多傳感器數(shù)據(jù)融合等。