張 毅,詹 武,郭穎輝,余舟川,趙 玥

(1.中國人民解放軍91977部隊,北京 100006;2.中國船舶重工集團有限公司第714研究所,北京 100101)

作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計是對作戰(zhàn)體系的模型化描述,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于作戰(zhàn)過程推演、軍事需求分析等領(lǐng)域[1]。作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證用于檢查作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計,確定體系結(jié)構(gòu)描述是否滿足作戰(zhàn)體系的功能需求和非功能需求[2]。通過驗證,及時發(fā)現(xiàn)和完善作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中不規(guī)范、不正確、不合理的部分,對提高作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量,并最終提升作戰(zhàn)能力發(fā)揮重要作用。

體系結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證主要是對體系邏輯、行為和性能特征的驗證。文獻[3]總結(jié)了目前五種比較常見的驗證方法:專家評審法、矩陣分析法、體系結(jié)構(gòu)折中分析法、形式化驗證評估法以及體系結(jié)構(gòu)可執(zhí)行驗證評估法。這五種方法從不同側(cè)重點對體系結(jié)構(gòu)進行驗證分析,具體分析在文獻中已十分詳盡,在此不做贅述。需要強調(diào)的是,前四種方法均是靜態(tài)驗證,但體系結(jié)構(gòu)動態(tài)行為及體系結(jié)構(gòu)性能需動態(tài)驗證;可執(zhí)行驗證評估法建立的可執(zhí)行驗證過程人工干預(yù)因素較多,且不能直觀、全面、有效地展示體系作戰(zhàn)中作戰(zhàn)節(jié)點、作戰(zhàn)活動之間復(fù)雜動態(tài)的信息交互關(guān)系。另外,傳統(tǒng)的系統(tǒng)建模方式是以體系內(nèi)各系統(tǒng)節(jié)點為主線,通過直接定義節(jié)點間存在的相互依賴、相互制約、相互作用的關(guān)聯(lián)方式和內(nèi)容來描述節(jié)點間關(guān)系。顯然,這種建模方式以系統(tǒng)節(jié)點模型為重點,不能直觀且完整地描述作戰(zhàn)信息流程及信息交互關(guān)系,不能較好地支持以信息流為主線的動態(tài)驗證過程。

作戰(zhàn)信息流程是指各類信息在作戰(zhàn)體系內(nèi)各節(jié)點間流轉(zhuǎn)的過程?；谧鲬?zhàn)信息流程的仿真,則是根據(jù)使命任務(wù)或作戰(zhàn)想定,以信息流為主線,通過作戰(zhàn)體系內(nèi)各節(jié)點間的信息關(guān)系表示各節(jié)點之間連通性、信息交互內(nèi)容及次序的建模仿真方法。基于作戰(zhàn)信息流程仿真的驗證方法通過信息流描述體系內(nèi)信息的傳遞過程及活動特征,具有較靈活的動態(tài)仿真特性,能夠較好地描述作戰(zhàn)體系內(nèi)部實體間關(guān)系,更高效地支持動態(tài)驗證過程。因此,本文在對作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證要求分析的基礎(chǔ)上,提出了基于作戰(zhàn)信息流程仿真的作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證新思路。

1 作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證要求

體系結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證是檢查體系結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足體系實際需求。那么,驗證指標(biāo)應(yīng)與設(shè)計需求緊密關(guān)聯(lián)。在不同的文獻中,體系結(jié)構(gòu)驗證的指標(biāo)有所不同,并沒有十分權(quán)威的定義[4]。綜合目前對體系結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證的相關(guān)研究,本文在一般性體系結(jié)構(gòu)驗證要求基礎(chǔ)上,結(jié)合作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計需求,主要從完備性分析、一致性分析和效用分析三個方面開展作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證分析。其中,完備性分析與一致性分析是驗證的基礎(chǔ),效用分析則是驗證的重點和難點。

1.1 完備性分析

完備性分析用于分析體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中是否缺少描述和構(gòu)建體系結(jié)構(gòu)所需的相關(guān)數(shù)據(jù)[2],主要包括兩個方面：一是分析整個作戰(zhàn)體系各實體數(shù)據(jù)的描述是否完整,如作戰(zhàn)節(jié)點、作戰(zhàn)活動的關(guān)鍵屬性是否有缺項;二是分析實體數(shù)據(jù)間引用和指派關(guān)系描述是否完備,如作戰(zhàn)活動是否指派給具體的作戰(zhàn)節(jié)點[5]。

1.2 一致性分析

一致性分析用于分析體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中是否存在相互矛盾的描述[2],主要包括兩個方面。一是體系結(jié)構(gòu)內(nèi)部實體關(guān)系的一致性分析,這里的實體關(guān)系分為兩類：一類是指同類數(shù)據(jù)實體間的關(guān)系,另一類是不同類數(shù)據(jù)實體間的關(guān)系[6]。其問題主要表現(xiàn)為可代替性問題、冗余性問題和沖突性問題等[2]。如在作戰(zhàn)節(jié)點的指揮層級關(guān)系一致性分析中,一個作戰(zhàn)節(jié)點不能同時是另一個作戰(zhàn)節(jié)點的上級和下級,且在一種作戰(zhàn)模式下,一個作戰(zhàn)節(jié)點只能有一個上級節(jié)點。二是作戰(zhàn)信息流程的一致性分析,即分析體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的整個作戰(zhàn)流程與作戰(zhàn)體系期望的作戰(zhàn)流程是否一致,是否存在意外終止、死循環(huán)或資源爭用等現(xiàn)象。

1.3 效用分析

效用分析是對作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)完整運行所具有的性能、效能是否達到系統(tǒng)設(shè)計要求的分析。效用可以設(shè)計為與能力需求相符的度量[7],本文選取時效性和靈活性兩個度量指標(biāo)開展效用分析。

1) 時效性分析

作戰(zhàn)信息流程的時效性分析是作戰(zhàn)流程執(zhí)行過程中,各類信息在各作戰(zhàn)節(jié)點間交互所產(chǎn)生的時延,能否滿足時間約束要求的分析。時延是由系統(tǒng)性能、業(yè)務(wù)約束以及人為設(shè)定等因素產(chǎn)生的,如信息傳輸時延、信息處理時延、響應(yīng)時延等[8]。針對不同的時延,可以根據(jù)作戰(zhàn)使命任務(wù)提出具體的約束要求,如針對某類信息的信息流時延約束,針對某個作戰(zhàn)節(jié)點的時延約束,針對整個作戰(zhàn)任務(wù)的整體時延約束等[9]。

2) 靈活性分析

作戰(zhàn)信息流程的靈活性分析是指作戰(zhàn)使命任務(wù)發(fā)生改變,作戰(zhàn)信息流程能否通過用戶限定的代價進行調(diào)整,以適應(yīng)新使命任務(wù)的作戰(zhàn)需求[10]。當(dāng)使命任務(wù)發(fā)生改變時,可能會引起數(shù)據(jù)實體間關(guān)系的一系列變動,如指揮層級由逐級指揮轉(zhuǎn)變?yōu)樵郊壷笓],作戰(zhàn)節(jié)點臨時添加作戰(zhàn)活動等。這些改變反映到作戰(zhàn)信息流程層面則表現(xiàn)為信息流的變動,即相關(guān)信息傳輸路徑和方向的變化。信息流通過調(diào)整邏輯結(jié)構(gòu),以靈活適應(yīng)新的作戰(zhàn)環(huán)境,為作戰(zhàn)提供必要的支持。

2 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計建模與仿真

基于作戰(zhàn)信息流程仿真的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計建模與仿真主要包括三個步驟:體系結(jié)構(gòu)建模、動態(tài)執(zhí)行及可視化仿真。體系結(jié)構(gòu)建模與動態(tài)執(zhí)行均基于UPDM工具,可視化仿真基于STK仿真工具。

2.1 基于UPDM的體系結(jié)構(gòu)建模與動態(tài)執(zhí)行

國防建模統(tǒng)一平臺(Unified Platform of Defense Model,UPDM),是基于DoDAF框架的體系建模與驗證平臺,能夠?qū)w系結(jié)構(gòu)各數(shù)據(jù)要素規(guī)范化描述,具有自動執(zhí)行可執(zhí)行模型并動態(tài)演示的體系結(jié)構(gòu)模型動態(tài)驗證功能。本文利用該平臺實現(xiàn)對體系結(jié)構(gòu)作戰(zhàn)視圖產(chǎn)品的規(guī)范化描述及動態(tài)驗證。

1) 體系結(jié)構(gòu)建模[11-12]

DoDAF 2.0提出了全景、能力、數(shù)據(jù)與信息、作戰(zhàn)、項目、服務(wù)、標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)8類視角。本文主要采用作戰(zhàn)視角技術(shù)構(gòu)建基于作戰(zhàn)信息流程仿真的體系結(jié)構(gòu)模型,即描述指導(dǎo)作戰(zhàn)所需的任務(wù)和活動、作戰(zhàn)要素以及資源流交換,這里資源流就是各類信息流。所需構(gòu)建的作戰(zhàn)視角模型包括高級作戰(zhàn)概念圖OV-1、作戰(zhàn)資源流描述OV-2、作戰(zhàn)資源流矩陣OV-3、組織關(guān)系圖OV-4、作戰(zhàn)活動分解樹OV-5a、作戰(zhàn)活動模型OV-5b、作戰(zhàn)規(guī)則模型OV-6a、狀態(tài)轉(zhuǎn)移描述OV-6b及事件追蹤描述OV-6c[13]。

具體模型設(shè)計如下:

OV-1:描述使命任務(wù)、作戰(zhàn)想定、重要作戰(zhàn)概念和作戰(zhàn)情況,及與其所處環(huán)境和其他外部系統(tǒng)的相互作用。其主要用于表示高層決策者的想法。通常由一個或多個圖形組成,并配以文字解釋。

OV-2:用于信息流的邏輯描述,即對作戰(zhàn)節(jié)點間各類信息連接關(guān)系的描述。其通過需求線表示信息的交換關(guān)系,箭頭表示信息流動方向。根據(jù)作戰(zhàn)設(shè)定,一條需求線可能指向多個作戰(zhàn)節(jié)點。

OV-3:描述OV-2中需求線定義的信息交換細節(jié),如信息交換對象、信息內(nèi)容、交換方式及其他細節(jié)信息。該矩陣確認了信息元素和信息交換的相關(guān)屬性,并將交換同生成與使用信息的作戰(zhàn)節(jié)點和活動相關(guān)聯(lián),同時將交換與需求線相關(guān)聯(lián)。用表格形式表示。

OV-4:描述體系結(jié)構(gòu)的組織關(guān)系,即明確各作戰(zhàn)節(jié)點間的指揮層次關(guān)系。

OV-5a與OV-5b:描述完成一項作戰(zhàn)使命所需進行的作戰(zhàn)活動及它們之間的關(guān)系。此模型與OV-2描述的信息交換存在一定的對應(yīng)關(guān)系,但如果信息的始端和末端均為同一作戰(zhàn)節(jié)點,則該信息交換在OV-2中就沒有定義。OV-5a利用樹形結(jié)構(gòu)展現(xiàn)活動,提供包含所有活動的整體圖景,OV-5b展現(xiàn)了通過資源流連接起來的活動,前者可作為后者的導(dǎo)航幫助。

OV-6a、OV-6b與OV-6c:OV-6a描述作戰(zhàn)執(zhí)行的規(guī)則約束,可用規(guī)則的語言描述。OV-6b描述作戰(zhàn)節(jié)點對不同事件的響應(yīng),以及狀態(tài)變化的過程。用狀態(tài)圖表示。OV-6c描述特定場景下的作戰(zhàn)節(jié)點間信息交換的時間、事件順序。

2) 體系結(jié)構(gòu)動態(tài)執(zhí)行

UPDM軟件可以自動將上述構(gòu)建的體系結(jié)構(gòu)模型,轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行模型,并予以動態(tài)執(zhí)行。通過同時運行所有作戰(zhàn)節(jié)點的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型OV-6b和事件追蹤模型OV-6c,實現(xiàn)狀態(tài)與時序相結(jié)合的動畫時序模型,動態(tài)顯示時序圖與狀態(tài)圖之間信息流動過程,達到“所見即所得”的效果。通過動態(tài)執(zhí)行驗證體系結(jié)構(gòu)設(shè)計,整個執(zhí)行過程為驗證提供計算輸入支持,具體描述詳見下一節(jié)。

2.2 STK可視化仿真

衛(wèi)星工具包(Satellite Tool Kit,STK)作為專業(yè)仿真平臺, 具有良好的二維、三維可視化效果和快速開發(fā)功能[14]。本文使用STK工具對UPDM工具構(gòu)建的可執(zhí)行模型進行三維仿真,動態(tài)演示整個作戰(zhàn)場景,為作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證提供可視化支持。圖1為STK場景界面圖。

圖1 STK場景界面圖

從圖1可以看到,STK工具能夠完成對整個作戰(zhàn)場景的實時仿真,通過顏色分類表示不同信息流,動態(tài)展現(xiàn)信息流流轉(zhuǎn)過程及主要參數(shù)實時變化情況,驗證過程直觀明確,效果顯而易見。

3 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證

整個設(shè)計驗證過程是通過動態(tài)運行可執(zhí)行模型及對整個過程可視化仿真實現(xiàn)的。其中,可執(zhí)行模型的動態(tài)執(zhí)行是依托UPDM工具,通過OV-6a作戰(zhàn)執(zhí)行的規(guī)則約束,以及運行前預(yù)設(shè)的條件參數(shù),遍歷OV-6b、OV-6c中作戰(zhàn)節(jié)點的狀態(tài)和參與的作戰(zhàn)活動或功能?？梢暬抡胬肧TK工具,通過其三維動態(tài)演示以及實時數(shù)據(jù)展現(xiàn),直觀進行分析。

具體分析步驟如下:

第1步:在UPDM工具編程中,根據(jù)使命任務(wù)和作戰(zhàn)想定,提前設(shè)置相應(yīng)的仿真參數(shù)(想定,時間,概率,資源分配等)、功能函數(shù)(動作函數(shù),事件處理函數(shù),傳輸函數(shù)等)及驗證模塊(觸發(fā)器,延時模塊等);

第2步:直接在UPDM工具中運行可執(zhí)行模型,觀察作戰(zhàn)流程運行過程是否完整,是否存在作戰(zhàn)活動及交互信息突然中止的情況,如果是則根據(jù)錯誤提示修改;

第3步:運行STK工具,觀察整個作戰(zhàn)信息流程的實時動態(tài)仿真狀況,以及系統(tǒng)參數(shù)和預(yù)設(shè)參數(shù)的實時變化情況。

第4步:根據(jù)UPDM工具和STK工具運行結(jié)果,逐個分析作戰(zhàn)節(jié)點的內(nèi)部邏輯關(guān)系,即遍歷所有作戰(zhàn)節(jié)點的作戰(zhàn)活動及外部接口傳遞的信息是否符合項目的各個作戰(zhàn)平臺作戰(zhàn)需求。

UPDM工具在動態(tài)執(zhí)行可執(zhí)行模型之前,會自動進行模型完備性和一致性分析,對實體數(shù)據(jù)屬性、實體數(shù)據(jù)間引用和指派關(guān)系描述不完整、實體數(shù)據(jù)間交互關(guān)系不一致等問題報錯,這樣能夠節(jié)省大量的人工檢查時間和精力。圖2為UPDM工具的錯誤提示信息示例,可根據(jù)錯誤提示信息定位具體問題。另外,在第II步執(zhí)行過程中,是否存在死鎖、并發(fā)沖突、資源爭用、丟失等邏輯問題導(dǎo)致運行中斷,如有,則為一致性問題。在第4步,根據(jù)生成的狀態(tài)時序圖,進行作戰(zhàn)信息流程一致性的可視化分析,判斷整個作戰(zhàn)流程與期望流程是否一致,如果有出入,則為一致性問題。

圖2 UPDM錯誤提示信息圖

效用分析需要根據(jù)作戰(zhàn)體系的任務(wù)能力需求,確定所選度量參數(shù)的閾值,開展時效性分析和靈活性分析。

1) 時效性分析

時效性分析包括總時延分析和分時延分析。根據(jù)實際作戰(zhàn)驗證需求,總時延分解為分時延是按照信息流轉(zhuǎn)過程來分,而不是按信息類型分。確定時延約束條件為A,根據(jù)OV-6c時序圖信息流轉(zhuǎn)過程,將總信息時延分為n段,n為信息流轉(zhuǎn)總共需經(jīng)過的作戰(zhàn)節(jié)點次數(shù),每一段包括該段作戰(zhàn)節(jié)點對信息接收、處理和發(fā)送的完整過程。由于各個作戰(zhàn)節(jié)點對流經(jīng)的不同類別信息接收、處理和發(fā)送過程是不確定的,會受作戰(zhàn)場景等約束條件以及隨機因素等不定條件的影響,因此,通過仿真計算得到第i段時延(1≤i≤n)為Ti。再根據(jù)作戰(zhàn)節(jié)點間不同的拓撲結(jié)構(gòu)連接,計算得到總時延T(具體算法由于篇幅關(guān)系不再深入),判斷分時延Ti和總時延T是否滿足A,若是,則滿足時效性要求;若否,則不能滿足。

圖3 體系結(jié)構(gòu)動態(tài)執(zhí)行效果圖

2) 靈活性分析

考慮到結(jié)構(gòu)距離可用于表示不同拓撲結(jié)構(gòu)之間的差異[5],因此,本文引入結(jié)構(gòu)距離作為作戰(zhàn)信息流程靈活性分析的度量主要因素。根據(jù)能力需求,確定體系結(jié)構(gòu)調(diào)整的限定代價為V,整個作戰(zhàn)體系共包括n個作戰(zhàn)節(jié)點,Ai為第i類信息在n個作戰(zhàn)節(jié)點邏輯連接的鄰接矩陣,Bi為其變動后的鄰接矩陣,變動前后矩陣差為Di=Bi-Ai,則該類信息變動前后的結(jié)構(gòu)距離di為Di矩陣中含有值為1的元素的個數(shù)。通過仿真,分別得到分代價di,那么得到總代價D為各分代價di的和(1≤i≤n),判斷di和D是否滿足V,若是,則滿足靈活性要求;若否,則不能滿足。

以上效用分析驗證算法是通用模式,設(shè)計相對簡單,實際應(yīng)用中,仍需針對特定作戰(zhàn)需求予以細化完善。以“對海目標(biāo)合同打擊任務(wù)”為例,整個作戰(zhàn)任務(wù)共包括地面指揮所、水面艦艇、潛艇等8個作戰(zhàn)節(jié)點,作戰(zhàn)流程分為“情報獲取→情報處理→指揮決策→兵力引導(dǎo)→武器控制→火力打擊→毀傷評估”等7個環(huán)節(jié)。在時效性分析中,針對合同打擊的使命任務(wù),系統(tǒng)應(yīng)具有較高的合同打擊時效性,即各作戰(zhàn)平臺在火力打擊環(huán)節(jié)應(yīng)具有高度的一致性,那么,需要重點分析各作戰(zhàn)平臺從兵力引導(dǎo)到火力打擊的信息時延,而不同作戰(zhàn)平臺的信息流轉(zhuǎn)情況不同,且需考慮隨機因素的影響,靜態(tài)驗證則采用倒序方式往前推,而動態(tài)驗證通過動態(tài)執(zhí)行可視化得出驗證結(jié)果,優(yōu)勢顯而易見。同樣,在靈活性分析中,地面指揮所根據(jù)任務(wù)需求,由通過編隊指揮所對作戰(zhàn)平臺指揮,改為直接指揮作戰(zhàn)平臺,此時,信息流動過程發(fā)生改變,考慮到作戰(zhàn)節(jié)點改變對信息流轉(zhuǎn)的影響,結(jié)構(gòu)距離不能簡單地加減1,可對各作戰(zhàn)平臺分別設(shè)置權(quán)重,那么總代價就是各分代價的線性或者非線性加權(quán)和。圖3與圖4分別為該案例的作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)動態(tài)執(zhí)行效果圖和STK仿真效果圖。

圖4 STK仿真效果圖

4 結(jié)束語

本文通過分析常見方法在動態(tài)驗證方面的不足,以及面向?qū)嶋H需求的驗證要求,提出了基于作戰(zhàn)信息流程仿真的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證新思路?？梢钥闯?該方法在描述作戰(zhàn)體系內(nèi)部作戰(zhàn)活動和作戰(zhàn)節(jié)點內(nèi)部及之間的信息關(guān)系,以支持動態(tài)驗證過程具有明顯的優(yōu)勢。雖然本文僅對作戰(zhàn)視圖進行建模仿真,但本文的方法同樣適用于系統(tǒng)視圖等體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的驗證工作。

下一步,將基于作戰(zhàn)信息流程仿真構(gòu)建更多的體系結(jié)構(gòu)視圖模型,并繼續(xù)深入對體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的資源相關(guān)度量,如資源利用率、資源成本和額外資源的邊際效用等,和可靠性相關(guān)度量如穩(wěn)健性和可復(fù)原性等更多的驗證指標(biāo)開展研究,深入完善體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的驗證要求。