基于DoDAF与Petri网的预警卫星系统建模分析*

胡 磊，闫世强，许 松，黄晓斌，刘 辉

（空军预警学院，武汉 430019）

基于DoDAF与Petri网的预警卫星系统建模分析*

胡 磊，闫世强，许 松，黄晓斌，刘 辉

（空军预警学院，武汉 430019）

预警卫星系统在弹道导弹防御系统中处在最前沿，在战争中起着其他装备无法替代的作用。依据DoDAF和预警卫星系统的作战流程，构建了预警卫星系统作战状态转换（OV-6b）模型，以描述预警卫星系统作战过程的时序关系、各作战节点的状态转换以及信息流关系。基于Petri网将各节点OV-6b模型转换成可执行模型进行驱动，并构建和分析了各Petri网模型的可达图，结果表明，建立的OV-6b模型和Petri网模型是合理的、正确的。

预警卫星系统，DoDAF，作战体系结构，作战状态转换描述，Petri网，可达图

引言

在系统研制建设前，依据军事需求建立起体系结构模型并对其进行验证检验，对于保证系统的互操作性、降低研制风险等方面有着重要的意义。为了解决体系结构模型应该从哪些角度和方面描述、以及如何描述整个系统才是完备的问题，美国先后颁布了C4ISR体系结构框架1.0和2.0、国防部体系结构框架（DoDAF）1.0、1.5和2.0［1-3］，为复杂系统体系结构建模提供了相应的规范和指导。应用中，通常采用UML的不同视图来描述武器系统体系结构的相关产品［4］，若干不同视图的组合就可以完整地描述所建造的系统。然而，UML视图是不可执行的，缺乏严格的语义描述，而Petri网在离散事件动态系统中是一种逻辑层次的建模方法，很适于描述并行和异步发生的事件，能较好地描述系统的功能、系统的结构、系统的动态行为及其系统各部分之间的交互作用［5］，可以根据产品之间的关联，把产品的UML视图转换为Petri网的可执行仿真模型，通过系统动态行为仿真模型的执行，分析体系结构的时序关系、信息流关系和接口关系的合理性，验证系统功能是否满足需求，系统状态的变化是否正确，从而有效、合理地评估系统的性能。本文以DoDAF为指导，依据弹道导弹早期预警与概略引导场景下预警卫星系统的作战流程，采用UML视图构建预警卫星系统作战体系结构动态行为产品：作战状态转换描述OV-6b，以描述预警卫星系统的作战时序和节点的状态变换，最后采用Petri网对OV-6b进行转换驱动，以验证构建模型的的逻辑合理性。

1 Petri网

Petri网是一个双重有向图，有两类节点类型，称为库所P（place）和变迁T（transition），库所用圆圈表示，用于描述可能的系统局部状态；变迁用矩形表示或粗杠来表示，用于描述修改系统状态的事件。库所可以包含零个或者多个托肯（token，或称令牌），托肯用一个黑点表示，系统的动态特性使用token标识，token表示为包含在库所节点中的圆点，它们在库所中的动态变化表示了系统的不同状态［6］。

定义 1.1：Petri网是一个四元组 N=（P，T，F，M0），其中，P={p1，p2，…，pn}是Petri网中所有库所pi（i=0，1，2，…，n）的集合；T={t0，t1，…，tm}是Petri网中所有变迁ti（i=0，1，2，…，m）的集合，并且，P∪T≠ø，P∩T≠ø；F={f0，f1，…，fr}是Petri网中所有有向弧fi（i=0，1，2，…，r）的集合；M0={M0（p0），M0（p1），…，M0（pn）}是系统的初始状态，或初始标识。

定义1.2：对于任一库所pi，pi包含的托肯的数目为k（k=0，1，2，…），记M（pi）=k。所有库所的托肯数的集合称为状态，也称为标识，并记为M={M（p0），M（p1），…，M（pn）}。

定义1.3（点火规则）：设Petri网N=（P，T，F，M0），标识M授权t发生，则变迁t在M上可以启动，从M发生变迁t得到新的标识M'，并且∀p（p∈*t∨p∈t*），M'（p）=M（p）-w（p，t）+w（t，p）。

2 预警卫星系统作战状态转换建模

DoDAF1.0中定义了作战体系结构（OV）、系统体系结构（SV）和技术体系结构（TV），用这3个不同的侧面来描述系统体系结构［3］。其中作战体系结构设计的任务是确定系统的作战任务、作战行动和作战要素完成军事作战要求的信息流。与之对应的作战视图主要有作战概念图OV-1、作战节点连接描述OV-2、作战节点信息交换矩阵OV-3、组织关系图OV-4、作战活动模型OV-5、作战规则模型OV-6a、作战状态转换描述OV-6b、作战事件跟踪描述OV-6c、逻辑数据描述OV-7等9个方面。其中OV-5和OV-6是描述作战体系结构的动态行为产品。本文主要以弹道导弹早期预警与概略引导场景为例，构建预警卫星系统OV-6b，以描述预警卫星系统体系结构的时序关系、信息流关系以及各节点状态变化。

2.1 预警卫星系统作战过程描述

预警卫星系统由指挥中心、空间预警卫星、通信系统、固定地面站、移动地面站等组成。指挥中心主要负责整个系统作战的全局规划和指挥；空间预警卫星装载红外探测器和可见光探测器等遥感装置，根据固定地面站的控制指令对指定区域的弹道导弹发射进行探测监视；通信系统作为整个系统的神经中枢，负责地面站和空间预警卫星之间的数据传送；固定地面站是整个系统的核心，主要负责对空间预警卫星的调度和情报数据的处理与分发；移动地面站主要负责接收和处理特定区域卫星的情报数据。

弹道导弹早期预警与概略引导场景作战流程简述如下［7-8］：预警卫星系统指挥中心根据上级命令下达反导预警任务，空间预警卫星的星载探测器根据任务指令进行扫描探测以捕获导弹尾焰辐射信息，当发现可疑目标时，调用卫星凝视相机进行精确跟踪，并将数据实时传送到地面站，地面站根据测量参数对目标进行识别判断，生成多级情报数据和实时战场态势，指挥中心根据战场态势下达作战计划，地面站根据作战计划制定相应的情报分发策略，对远程预警雷达以及拦截系统等进行引导，从而完成早期预警和概略引导的目的。

本文根据功能将固定地面站分解为信息处理系统、情报综合系统、任务管控系统和情报收发系统等4部分。其作战流程为：在反导预警任务的指引下，情报收发系统对接收到的卫星下传数据进行解密解码处理，将所得探测数据送至信息处理系统，信息处理系统对探测数据进行信息处理，将所得目标信息传给情报综合系统进行情报综合处理，得到预警信息。任务管控系统根据预警信息生成战场态势并对预警卫星载荷进行实时调度，指挥中心收到战场态势后制定相应作战计划，任务管控系统根据作战计划生成情报分发策略，情报收发系统根据情报分发策略向相应的基地和部门传送预警信息以及引导信息等，情报收发系统收到任务结束命令后地面站进入结束状态。

2.2 预警卫星系统作战状态转换模型

作战状态转换模型OV-6b主要以作战事件跟踪描述OV-6c为依据，OV-6b与OV-6c的关系如下［1，9］：①OV-6b中的作战节点对应于OV-6c描绘的场景中的作战节点；②OV-6b中的各状态转变响应的事件对应于OV-6c中相同作战节点接收信息的事件序列；③OV-6b中的作战状态转换表示为以OV-6c中事件序列为基础的作战活动序列。限于篇幅，预警卫星系统的作战活动模型OV-5和作战事件跟踪描述OV-6c在此不再展开。以弹道导弹早期预警与概略引导为例，根据预警卫星系统作战流程分析，依据上述关系，以作战节点为单位建立的预警卫星系统作战状态转换OV-6b如图1所示。

图1 作战状态转换描述OV-6b

3 基于Petri网的作战状态转换建模

由于OV-6b只是对预警卫星系统动态行为的静态描述，是不可执行的，还需结合其他评估模型对体系进行评估。本文采用Petri网对预警卫星系统OV-6b进行转换，以此分析体系结构的时序关系、信息流关系和接口关系的合理性，验证系统功能是否满足需求，以及各类模型的正确性和可行性。

作战状态转换描述映射为Petri网模型的规则简述如下：各节点作战状态转换描述中的作战状态对应相同节点Petri网模型中的库所，节点接收事件对应相同节点Petri网模型中的变迁。

根据转换规则和各作战节点的作战状态转换描述OV-6b模型，构建的各个作战节点作战状态转换的Petri网模型如下页图2所示，各Petri网模型对应的可达图如图3所示，Petri网模型中库所和变迁的含义如第55页表1所示。

从可达图中可以得到各个作战节点状态转换的Petri网模型的特性：①各Petri网模型均是安全的、有界的，因为可达图中没有出现n，只有0和1；②各Petri网模型中的每个标识均是可达的；③各Petri网模型均是活的，不存在死锁。因为各模型可达图中出度为0的叶节点分别是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网的死锁定义，所以该Petri网不会发生死锁。

图2 各个作战节点状态转换的Petri网模型

图3 各Petri网模型可达图

从可达图中可以看出各Petri模型中存在着冲突：

（1）在M1-2标识会同时触发两个转移t1-2和t1-3而到达M1-3标识，在M1-3标识会同时触发两个转移t1-4和t1-5，分别到达M1-2和M1-4，这两类冲突是相关联的，指挥中心接收到战场态势和引导结果后，均会进入作战指挥状态，但是战场态势t1-2引发的作战指挥生成的结果是作战计划t1-4，而引导结果t1-3引发的作战指挥生成的结果是任务结束命令t1-5。这类冲突可以由指挥中心指挥员的主观判断解决；

（2）在M2-1标识会同时触发两个转移t2-1和t2-2而到达M2-2标识，空间预警卫星只有感受到导弹尾焰才能产生扫描数据，因此，转移t2-1在转移t2-2之前发生；在M2-3标识会同时触发两个转移t2-4和t2-5，分别到达M2-4标识和M2-1标识，空间预警卫星只有收到载荷调度指令才会转到目标跟踪状态，否则仍然转到目标搜索状态；在M2-4标识会同时触发两个转移t2-6和t2-7，分别到达M2-5标识和M2-2标识，空间预警卫星在收到任务结束命令之前，会一直进行凝视跟踪，并不断对跟踪数据进行处理和传送至地面站，一旦收到任务结束命令，系统会自动进入常态模式。上述这些冲突由系统的自动优先程序解决；

表1 Petri网模型中库所和变迁的含义

（3）在M3-1标识会同时触发4个转移t3-1、t3-2、t3-3和t3-4，分别到达M3-1标识、M3-2标识、M3-5标识和M3-7标识，固定地面站只有收到卫星传送的加密数据后才会得到解密的探测数据，同样只有地面站生成战场态势后，才会收到作战计划以及任务结束指令，固定地面站操作员会根据信息的优先级来确定点火的发生顺序；在M3-5标识会同时触发3个转移t3-8、t3-9和t3-10，分别到达M3-1标识、M3-6标识和M3-1标识，在收到作战计划之前，地面站会继续接收卫星下传的加密数据，收到作战计划后，地面站将生成情报分发策略进入概略引导状态，一旦收到任务结束指令后，系统进入结束状态，由指挥员根据信息的优先级确定点火的发生顺序。上述两类冲突由固定地面站操作员的主观判断解决。移动地面站中的冲突和固定地面站中的冲突类似。

综上分析可知，本文构建的各Petri网模型是一个具有可达性、有界性、活性的网，根据Petri网理论［6，10］，具有这些特性的Petri网是合理的、可行的，虽然存在着冲突，但可以通过操作人员的主观判断或系统的自动优先程序进行化解。由此可得，本文基于DoDAF构建的预警卫星系统作战状态转换描述在逻辑上是合理的、正确的。

4 结束语

预警卫星系统是弹道导弹防御系统的重要组成部分，建立预警卫星系统作战体系结构对于明确军事需求和预警卫星系统效能评估具有重要的意义。本文在DoDAF的指导下，从作战状态转换描述对复杂预警卫星系统作战过程的时序、信息流以及状态变换进行了描述分析，并构建了作战状态转换的Petri网模型及相应的可达图，验证了本文设计模型的逻辑合理性和正确性。该模型直观易懂、便于理解，对加强预警卫星系统顶层设计有着重要作用。

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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

军内科研重点基金资助项目（KJ2012228）

胡 磊（1985- ），男，江苏宿迁人，在读博士。研究方向：预警卫星系统体系结构建模与效能评估。