基于效果的舰船使命任务分解与检验方法*

韦正现 宋 敏 陈 霞

(1.中国船舶工业系统工程研究院 北京 100036) (2.北京外国语大学信息技术中心 北京 100089)(3.北京市西三环中路19号 北京 100841)

基于效果的舰船使命任务分解与检验方法*

韦正现1宋 敏2陈 霞3

(1.中国船舶工业系统工程研究院 北京 100036) (2.北京外国语大学信息技术中心 北京 100089)(3.北京市西三环中路19号 北京 100841)

提出了面向效果的舰船使命任务分解模式,给出了任务分解和效果分配的合理性检验机制,将使命任务的分解和使用效果的分配有机结合,建立了使命任务和使用效能的关联,描述了使命任务模型、使用效果指标关系链模型和使命任务分解模式,以便于对舰船使命任务及其使用效果进行分解、分析和精化。

舰船; 任务; 效果; 分解; 检验

Class Number TP311

1 引言

从系统总体的角度,作战舰船的任务分解与分析是系统分析设计的重点内容,也是困扰舰船及其相关系统领域的难题,业界对这两方面进行大量的研究。在舰船及其相关系统(如电子信息系统)的分析设计方面主要分为两类,一类是系统分析设计方法,其主要成果有SysML[1]、KAOS[2]、FAST[3]、FODA[4]和FORM[5]等;另一类是舰船使命任务的需求分析、设计与开发等框架的研究,其中典型代表有MoDAF[6]和DoDAF[7]。目前已有的方法中,对系统分析设计存在的主要问题表现为使命任务和使用效果的确定和论证没有结合一起,顶层任务向下分解没有与使用效果的分配相互结合起来,从而使使命任务和使用效果相互割裂。鉴于以上的问题,文章首先提出了一种基于效果的任务分解模式,它将使命任务的分解和使用效果的分配进行有机结合,能够指导舰船及其系统使命任务及其使用效果自顶向下地分解和分配;其次,文章通过对使命任务采用基于效果的任务分解模式进行分解后形成的任务分解层次有向模型图,给出良构任务分解模型图定义,实现了使命任务分解过程及结果语法合理性的检查,同时,对任务分解层次有向模型图的可实现性进行分析,实现了使命任务分解过程及结果的语义检验,在此基础上,形成了任务分解和效果分配的合理性检验机制;最后,文章总结并指出通过基于效果的任务分解模式与任务分解和效果分配的合理性检验机制,为有效实现舰船使命任务自顶向下进行分解、分析和精化提供一种有效途径和方法。

2 面向效能的作战任务分解模式

舰船及其系统需要从整体的使命任务出发,将使命任务不断自顶向下进行分解,最后形成完成相应使命任务需要的活动、流程、资源及操作等,在使命任务分解的同时也是将完成该使命任务需要达到的效果分配到各个影响因素(资源)中。

2.1 作战任务模型及其分解模式

舰艇作战领域中,任意可以被识别和操作的事物称为资源(resource)[8],例如信息(值、数据等)、物理实体(硬件、人等)、软件系统等。所有资源均可用一组特定的属性来表示。每个属性用于表征资源一个方面特性。资源的属性可以分成两类,固定属性和可变属性。固定属性是指在资源整个生命周期中,其值不随时间发生变化的属性,例如声纳设备本身的属性、鱼雷的参数属性等;而可变属性值将随外界条件的改变而发生变化,例如,舰艇所拥有鱼雷的数量会随着作战态势转换而不同。

定义1(资源) 舰船上资源可表示为

Res=(SAttr,DAttr,SARan,DARan,ValFuncafSAttr,VaIFuncofDAttr)

其中:

1)SAttr={sa1,…,san}表示舰船上可用资源的固定属性集;

2)DAttr={da1,…,dan}表示舰船上可用资源的可变属性集;

3)SARan={sv1,…,svn}表示舰船上可用资源固定属性的取值范围;

4)DARan={dv1,…,dvn}表示舰船上可用资源可变属性的的取值范围;

5)ValFuncofSAttr:SAttr→SARan表示舰船上可用资源固定属性的取值函数;

6)ValFuncofDAttr:DAttr→P(DARan)表示舰船上可用资源可变属性的取值函数,P(DARan)作为DARan的幂集。

为了方便,采用@表示资源和属性的从属关系,例如da@res表示资源res的一个可变属性da,sa@res表示资源res的一个固定属性sa。

对于舰船上某个可用资源的可变属性,当属性顺序确定时构成一个向量,称此向量为资源的可变属性向量。资源可变属性向量的任意一个有效取值为该资源的一个状态(state)。资源状态的变迁表现了资源受外界作用而发生的属性改变。

定义2(状态) 设资源res共有n个可变属性da1,…,dan,则res的一个状态为da@res=(val1,…,valn),其中,vali=ValFuncofDAttr(dai),i=1,…,n。

因为外界作用导致资源的状态发生变迁,用资源的状态变迁来表征这种外部作用,并称其为作用在资源上的一个活动(activity),即使用活动,一个使用活动表示一种作用在资源上的操作。

定义3(活动) 活动可以表示为一个三元组,Act:=(res,s0,s1),其中,res表示活动Act所作用的资源,s0表示活动作用前res的状态,s1表示活动作用后res的状态。

定义4(活动的可加性) 若存在活动Act1:=(res,s0,s1),Act2:=(res,s1,s2),则Act1与Act2可加。称Act1为Act2的一个直接前驱,Act2为Act1的直接后继,并且规定Act3:=(res,s0,s3)为Act1和Act2的复合活动,记为

Act3=Act1+Act2

由外部产生的或由内部活动产生的值得注意的出现情况称为事件(Event),状态和活动都可能导致事件的发生,事件的发生可能会导致状态的改变和新活动的产生,因此,状态、事件和活动共同推进了任务的完成。

一个任务的描述包含完成该任务所需要进行的活动、需要的资源、任务的执行状态和执行后的状态、活动中产生的事件以及完成该任务需要达到效果指标[9～10]五部分。资源部分描述该任务所有的可操作资源,用资源集表示;活动部分描述通过一系列的操作或运行而完成相应的功能,同时描述了希望资源状态变迁情况,用活动集表示;状态描述了活动的执行结果和资源状态的变迁情况,用状态集来表示;事件主要描述了活动的执行条件以及在活动执行和状态变化中需要注意的情况,用事件集表示;效果主要描述了完成任务需要达到(或预期)的程度,用效果指标表示。

定义5(任务) 任务可以表示为一个五元组:

Mission=(Act,Res,State,Event,EfficGoal)

其中:

1)Act是任务所含的活动集合;

2)Res是任务所有可操作资源构成的集合;

3)State是任务执行过程所含状态的集合;

4)Event是Act中每个活动的执行条件(资源某个时刻的状态),以及活动产生的需要注意结果的集合,在一定意义上它是状态的一个条件函数;

5)EfficGoal是完成任务所期望达到的效果指标集合。

任务可以分解为更小的子任务,将已有的任务分解方案进行总结、抽象,形成一种具有领域内通用性质的任务分解模式,由于活动的可加性,使得一个任务可以由多个活动构成。同样,多个任务根据一定条件、按照一定顺序也能构成更高层的任务。因此,对于大粒度的任务而言,一般总能由一些小粒度的子任务组合而成。这些子任务及其组合方式就是该大粒度任务的一个分解。

一个任务分解模式的描述包含子任务、任务完成条件等几部分。任务是由所有构成该任务的子任务组成的集合。任务完成条件部分用于给出子任务的执行条件,用资源状态的逻辑表达式集合来描述。

定义6(任务分解模式) 任务mission的一个分解模式可以表示为一个八元组:

MissionDecMod(mission)=(SubMissions,Act,State,Event,Prop,PropMissionofSubMissions,EfficGoal,EGRelLinkMissionofSubMissions)

其中:

1)SubMissions={mission1,…,missionn}是一组任务的集合,其中,missioni(1≤i≤n)是mission的一个子任务;

2)Act是子任务所含的活动集合;

3)State是子任务执行过程所含状态的集合;

4)Event是子任务中每个活动的执行条件(资源某个时刻的状态),以及活动产生的需要注意结果的集合;

6)PropMissionofSubMissions:SubMissions→Prop,是子任务的资源分配函数集合;

7)EfficGoal是完成子任务所期望达到的效果指标集合;

8)RelLinkMissionofSubMissions:SubMissions→EfficGoal是效果指标关系链函数集合。

2.2 使用效果指标关系链

效果指标是希望舰船及其系统能够完成的某种使命任务具有的可衡量的指标。效果指标随着任务分解而被分配到子任务中,一个任务的完成需要属于该任务的子任务相互配合,因此子任务之间所分配到的效果也就发生了联系,效果指标在任务与子任务之间具有的分配关联,以及子任务之间效果指标的相互实现关联,构成了效果指标的关系链。

定义7(效果指标关系链) 效果指标关系链定义为三元组:

EGRelLink=(EfficGoalofMission0,EfficGoalofMission1,RelLink)

其中:EfficGoalofMission0表示完成任务Mission0需要达到的效果指标;EfficGoalofMission1表示完成任务Mission1需要达到的效果指标;RelLink:=EfficGoalofMission0→EfficGoalofMission1表示效果指标关系链函数,RelLink∈RelLinkMissionofSubMissions。

效果指标关系链分为横向关系链和纵向关系链,横向关系链主要有两种,分别为: 1) 依赖关系:一个效果指标的实现必须以另一个效果指标的实现为前提,称前一任务的效果指标依赖于后一任务的效果指标,即前一任务的完成依赖于后一任务的完成; 2) 冲突关系:一个效果指标的实现阻止了另一个效果指标的实现,称前一效果指标干扰了后一个效果指标,即前一任务干扰了后一任务的完成。

依据定义6将舰船及其系统进行分解后,得到任务分解有向图,效果指标横向关系链主要作用在具有相同射出任务节点的两个子任务之间。纵向关系链是作用在互为分配的任务之间关系函数组成的关系链,分别有以下几种函数关系:

· 并关系:ET=EST1∪EST2∪…∪ESTn;其中ET表示上层任务的效果指标,τ=[EST1,EST2,…,ESTn]是以ET为射出的子任务。

· 交关系:ET=EST1∩EST2∩…∩ESTn。

· 选择关系:σ[Pred(RL)]:{τ}→{τ},σ[Pred(RL)]({τ})={τ|Pred(RelLink)},RL为效果指标关系链函数集合,Pred为效果指标关系链函数的条件表达式,σ表示获取那些满足效能指标关系链函数RelLink条件的任务。

· 投影关系:π[RLk,…,RLl]:{τ}→{τ},π[RLk,…,RLl]({τ})={τ1|τ中属于{RLk,…,RLl}的任务被保留,将它们作为τ1的任务},π除去τ中不需要的任务。

· 连接关系:∞:{τ}:{τ}→{τ},{τ1}∞[ETi∽ETj]{τ2}={∩(τ1,τ2)|τ1任务效果指标的实现与τ2中任务的效果指标的实现相互依赖},∽表示任务的效果指标实现的相互依赖关系。

3 作战系统任务模型构建和检验

根据任务分解模式将任务进行分解,是从一个(组)顶层任务集合MossionSet出发,建立使命任务的分解层次有向模型图(简称任务模型图),在构造好使命任务模型图[11]之后,需要对任务模型图进行分析和检验,检查任务分解和效果分配是否合理。在任务模型图中,将不带射入箭头节点称为根节点,不带射出箭头的节点称为叶子节点。

定义8(良构的模型图) 一个任务模型图满足如下条件:

1) 所有的根节点都是最顶层使命任务和预期效果(根节点代表作战系统的最高使命任务以及该任务所要达到的效果);

2) 所有的叶子节点都是一个原子活动所作用的原子任务和效能(所有任务都是要落实到一个可操作的活动以及资源属性上);

3) 所有的其它节点都可以通过任务分解链和效果指标关系链(或者分解链的序列)到达一个根节点(所有其它任务和活动都是为了实现作战系统的某个最高使命任务和效果而设置);

4) 任务分解链不能构成循环通路(不能自己实现自己);

5) 效果指标关系链不能构成循环通路(不能自己依赖自己)。

则称该作战任务模型图是良构模型图。

上面的定义构成了任务模型图语法上的合理性,同时还需要对模型图的语义进行分析,即任务分解和效果分配结果的可实现性分析。在模型图中冲突是不可避免的,模型图的可实现性分为强可实现性、弱可实现性和不可实现性。在讨论模型图的可实现性之前首先讨论任务可实现性的标记规则。

任务可实现性的标记规则:

1) 初始化标记:

(1)标记模型图中所有原子活动所对应的任务为“终止任务”;

(2)标记模型图中所有作为叶节点的非原子活动所对应的任务为“可分任务”。

2) “可分任务”传播:下述规则用于传播“可分任务”:

(1)如果M依赖于m,并且m是“可分任务”,则M也是“可分任务”;

(2)如果M存在唯一的一个与归结,则如果其中的一个子任务m为“可分任务”,则M也是一个“可分任务”。如果M存在多个与归结,其中的一个与归结的一个子任务m为“可分任务”,则标记M的这个与分支为“可分任务”,M是否为“可分任务”则要看下面一条规则;

(3)如果M所有或分支(或者子任务)都是“可分任务”,则M也是“可分任务”。

3) 可实现性初始标记:对模型图中的每个“终止任务”M:

(1)如果M的干扰任务集为空,或干扰集不为空,但其中所有的干扰任务都是“可分任务”,则M是强可实现性;

(2)如果M的干扰任务集不为空,并且至少存在一个干扰任务不是“可分任务”,则M是弱可实现性。

4) 可实现性传播:对任务模型图中的每一个任务M:

(1)如果M是“可分任务”,则M是不可实现的;

(2)如果M的所有依赖者都是强可实现的,并且所依赖的任务都是强可实现的,则M是强可实现的;

(3)否则,M是弱可实现的。

定义9(模型图的可胜任性) 令MissionSet为一个任务模型图,Root为它所有根任务集合。如果对所有的任务M∈Root,有M是强可实现的,则称MissionSet是强可胜任的;如果对所有的任务M′∈Root,有M是可实现的,但如果存在任务M′∈Root是弱可实现的,则称MissionSet是弱可胜任的;如果存在一个任务M∈Root是不可实现的,则称MissionSet是不可胜任的。

使命任务分解的过程就是对任务不断进行精化的过程,因此在对舰船及其系统任务进行分解后,得到一组子任务集合、一组效果指标集合以及一组任务模型图。在任务模型图是良构模型图的情况下,有以下性质1和2。

性质1 一组子任务m1,m2,m3,…,mn是任务M的完全精化,当且仅当以下条件满足:

m1,m2,m3,…,mnM(必要性)

m1,m2,m3,…,mn/False(一致性)

n>1 (非平凡性)

对任意j,1

性质2 一组效果指标e1,e2,e3,…,en是效果指标E的完全分解,当且仅当以下条件满足:

e1,e2,e3,…,enE(必要性)

e1,e2,e3,…,en/False(一致性)

n>1 (非平凡性)

对任意i和j,fre:ei→{sai@res,dai@res|sai@res⊆sa@res,dai@res⊆da@res,i=1,…,n},fre:ej→{saj@res,daj@res|saj@res⊆sa@res,daj@res⊆da@res,j=1,…,n},都有saj@res∩sai@res=∅,daj@res∩dai@res=∅(非重复性)。

fre表示效果指标到资源可变属性和固定属性的映射函数。

使命任务模型分析的意义在于分析结果可以进一步导引系统设计者修改或补充使用业务情况描述,以保证使命任务描述的完整性,提高舰船及其系统模型的质量。具体说,模型是可胜任的,说明设计者对舰船及其系统的使命任务描述是相对完整,可以进行下一步工作。目标模型是弱可实现的,需要进行进一步修改和完善。目标模型是不可胜任的,设计者描述的舰船及其系统的使命任务模型是不完整的,需要进一步补充。

4 结语

舰船及其系统使命任务和使用效果的确定、分析、抽象和精化是目前困扰舰船及其系统设计、开发和实现的主要问题。文章提出了基于效果的使命任务分解模式,给出了任务分解和效果分配结果的合理性检验机制,将传统的面向使命任务的方法中将使命任务分为任务(功能)和效果(能力指标)两方面进行有机结合,形成使命任务和使用效果为一体的任务能力包的形式,对使命任务进行分解、分析和精化,描述了任务模型、效果指标关系链模型和任务分解模式,建立了使命任务和使用效果指标的关联,实现了舰船及其使命任务分解过程及结果的语法合理性分析和语义可实现性验证,为在舰艇及其系统研制过程中能够以使命任务为基础,以使用效果为中心,实现舰船及其系统自顶向下的分解和设计提供一种有效的途径和方法。

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Navy Vessel Mission Decomposition and Verification Based on Efficiency

WEI Zhengxian1SONG Min2CHEN Xia3

(1. Ship System Engineering Research Institute, CSSC, Beijing 100036) (2. Information Technique Center, Beijing Foreign Studies University, Beijing 100089) (3. No. 19 Central Xisanhuan Road, Beijing 100841)

An way of navy vessel mission decomposition pattern and its verification based on efficiency are proposed in this paper, through which, navy vessel mission decomposition and efficiency assignment are combined, and relationship between mission and efficiency is established. In order to conveniently decompose the mission and efficiency, navy vessel mission model and efficiency relation model and mission decomposition pattern are described.

vessel, mission, efficiency, decomposition, verification

2014年6月9日,

2014年7月27日

韦正现,男,博士研究生,高级工程师,研究方向:体系结构、信息系统等。宋敏,女,博士,工程师,研究方向:体系结构、信息系统等。陈霞,女,硕士,高级工程师,研究方向:舰船电子与信息系统。

TP311

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.046