面向任务的舰船系统信息流程仿真优化方法

岳林，项国富，胡伟浩

中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

面向任务的舰船系统信息流程仿真优化方法

岳林，项国富，胡伟浩

中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

针对目前舰船信息系统设计仍以功能集成实现为主，难以提升全舰总体信息交互与信息处理效率的问题，提出一种面向任务的舰船系统信息流程仿真优化方法。该方法进行全舰任务分解与舰员战位关联，然后采用DoDAF的体系结构视图技术建立面向战位任务的舰船系统信息流模型。实验表明，该方法既可检验信息流程的准确性和合理性，也可评估信息交互模型的关键节点和执行效率，可为舰船信息化总体方案验证优化提供一种有效的定量分析技术途径。

舰船系统；信息流程建模；人与系统模型；任务节点分解

0 引 言

随着信息技术的飞速发展及各种电子信息装备的大量应用，全舰信息系统集成优化对舰艇作战效能提高的促进作用愈发明显。美、英等国海军最新的舰船已突破仅从平台或作战角度单独考虑信息化建设的局限，全舰信息一体化集成与综合管理控制已成为技术发展趋势，例如：美国最新的CVN-78核动力航母及DDG-1000驱逐舰提出“全舰计算环境”（Total Ship Computing Environment，TSCE）概念［1］，并结合全舰任务对全舰信息化建设进行统筹考虑和规划，使全舰的作战指挥、操纵控制、损管、后勤保障、维修和训练等任务活动的执行实现综合管理控制，从而明显提高自动化水平与作战能力，并大幅减少了舰员数量（DDG-1000搭载舰员148人，而DDG-51 IIA为348人）［2］。

在DDG-1000的研制过程中，研制人员在开发初期不仅梳理了系统结构、作业流程、战位需求，明确各系统功能和性能的配置，而且还从任务的角度对全舰信息系统进行集成优化设计，并采用美国国防部体系结构框架（DoDAF）［3］视图技术进行建模，形成了全舰信息系统的集成工程模型（IEM）。

在IEM模型库中，每位舰员的任务线程行动都可以在全舰任务模型上得以识别，并且每一项确定的任务都根据其各种特性结合储存在任务仓库里的舰员行为规范与作业要求等数据进行“任务分析”，最终生成舰上工作量和人员需求的最优化结构图，从而在不影响使用性能的前提下实现了DDG-1000有限的148名舰员的合理配置［4］。

DDG-1000基于任务的系统工程建模方式从全舰每名舰员“任务线程”的角度分解系统功能，为海军提供一种公共模型和语言来描述舰上的各种任务，从而实现产品开发的一致性，提高系统集成、工程管理以及产品控制的效率［5］。事实上，DDG-1000并非是第1艘采用人与系统集成（HSI）设计理念进行全舰系统和人员建模的舰艇，但该设计理念却在其研发与建造过程中得到了极大的发展和完善，从而实现了大幅减员情况下的安全保证和战斗力提升［6］。

目前，舰船信息系统设计仍以功能实现为主，国内学者关于舰船系统建模仿真的研究大多局限于系统内部或某一类目标任务，例如舰船保障性工程建模［7］、动力系统/设备建模［8］、作战任务流程建模［9-10］，尚无相关从舰船总体层面的任务需求进行信息流程建模分析与优化的研究。为此，本文拟提出一种面向任务的舰船系统信息流程建模仿真与效能评估方法，实现从以往各功能系统设计向基于任务的全舰信息系统集成设计的转变，从全舰层次提升全舰信息化水平与信息使用效率。

1 任务分解与战位节点关联建模

与传统基于功能进行信息建模的设计方式不同，面向任务的信息交互流程建模首先需从战位节点任务作业角度，分析舰任务指挥执行过程中的系统交互流程，为此，首先需要建立战位节点任务模型，分析全舰舰员战位类型、作业任务、信息需求与指挥控制要求。

战位节点任务建模首先需建立全舰任务剖面框架，然后将战位节点与作业任务相关联，最终生成战位节点任务模型。其建模的主要过程如下。

1.1 全舰任务分解

根据舰使命任务和使用需求自上而下进行全舰任务分解，从“顶层使命任务层→舰使命任务层→舰任务剖面层→系统任务剖面层→任务活动模型层”进行任务层次划分，建立全舰任务层次模型，如图1所示。

图1 全舰任务层次模型示例Fig.1 The layered mode case of total ship mission

1）顶层使命任务层。

顶层使命任务一般包括国家目的、国家安全战略、国家安全目标、国家军事目标、海军使命任务、编队使命任务等，顶层使命任务即是任务分解的源头。

2）舰使命任务层。

由顶层使命任务层对任务逐层分解得到水面舰船的使命任务。水面舰船的使命任务一般包含实施战略威慑；打击和歼灭敌空海陆力量，夺取一定海域的制空权或制海权，保卫海上交通线，掩护潜艇出航，实现登陆作战支援；参加打击海盗、出访、救护等非战争军事行动等。

3）舰任务剖面层。

舰任务剖面层是根据舰使命任务和相关使用需求，分析舰使命任务下本舰应具备的种种任务或功能，如探测感知、航行操控等。

4）系统任务剖面层。

系统任务剖面层是结合系统任务剖面实现的功能类型，分解舰任务剖面层的每项任务，如探测感知任务可分解为数据处理、信息感知、感知设备遥控等。

5）任务活动模型层。

任务活动模型源于系统任务剖面的分解，各种任务活动实际对应的就是舰员所执行的一系列具体、明确的任务活动或过程，系统任务的分解可采用如下几类原则：

（1）工况原则：根据舰的常规工况，如备战备航、航渡、巡航、作战、返航等工况进行子任务的分解。

（2）功能原则：根据某系统任务剖面实现的功能类型进行分解。如舰船驾控保障任务根据实现的功能，主要从可达和可航行性、生命力需求、特殊舰船作业、浮标及浮筒部署等功能类型进行子任务分解。又如自防御任务可从导弹拦截、防潜反潜和电子对抗等功能进行子任务分解。

（3）目标原则：在进行作战管理任务或其他任务分解时，可以作战目标为依据进行子任务分解。比如舰艇攻击任务可依据登陆、消灭敌舰艇、切断运输航路等目标进行子任务分解。

（4）空间维度原则：在子任务的分解过程中，从作战空间的维度（包括陆、海、空、天、电磁等）进行子任务分解。

1.2 战位节点任务关联建模

基于以上任务层次模型与舰员战位模型，结合指挥组织关系，梳理不同战位人员的信息需求与指挥控制接口，将各战位节点与任务活动模型层的任务单元相关联，进行战位节点任务建模。战位节点任务关联模型主要描述：战位节点类型、指挥关系、信息需求、任务活动。如图2所示，以作战指挥任务涉及的几个战位为例，其分别关联信息收集、信息处理、态势生成、制定作战计划等任务活动。

图2 典型战位节点任务关联模型Fig.2 The activity relationship model for typical fight nodes

2 基于任务线程的系统信息交互建模仿真

本节结合上文提出的任务层次模型与战位节点任务关联模型，采用DoDAF的体系架构和视图技术进行面向任务的舰船系统信息交互流程建模与仿真设计。

DoDAF中的运作体系结构包含7类视图，采用面向对象的统一建模语言UML进行模型描述。本方法根据需要选用3类视图——运作节点连接图（OV-2）、运作活动图（OV-5）、运作状态时序变化图（OV-6c）描述面向战位节点的系统交互信息流模型。主要设计过程如下：

1）分析各战位节点任务运作活动。

结合战位节点任务模型，分析舰任务指挥控制执行过程涉及各战位节点的活动，生成面向任务的战位节点任务运作活动图（OV-5）。运作活动图主要反映作业流程、输入输出信息和战位节点对象，描述任务基本执行过程（图3）。

图3 作战指挥战位节点任务运作活动图（OV-5）Fig.3 The operation view of operational command nodes

2）梳理各战位节点连接关系。

针对战位节点任务活动与信息需求，分析各战位节点之间任务活动执行中相关的操作指令与信息交互，生成面向战位任务的节点连接图（OV-2）。战位节点连接图主要表现某项舰任务执行过程中战位节点间的信息交互内容、接口、连接关系以及指挥控制形式（下达指令或语音指挥）。

3）建立多战位节点协作的任务执行时序图。

2018年9月15日，第二十四次全国地方立法工作座谈会在浙江杭州召开。中共中央政治局常委、全国人大常委会委员长栗战书出席会议并讲话。他强调：“要以习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为指导，总结改革开放40年来我国立法工作特别是地方立法工作的成就和经验，推动地方立法工作与时代同步伐、与改革同频率、与实践同发展，为完善中国特色社会主义法律体系、推动地方经济社会发展作出新贡献。”

根据战位节点连接图（OV-2）与各战位节点任务运作活动图（OV-5），即可建立多节点协作任务执行运作状态时序变化图（OV-6c）。任务执行时序变化图主要描述参与任务的战位节点对象、战位状态行为、信息跳转关系及任务执行时序顺序。

3 基于信息交互模型的仿真优化

基于系统信息交互模型，即可进行模型验证与效能仿真，模型验证主要是为了分析各战位节点所对应的作业线程执行过程中是否存在冲突、死锁、资源争用、丢失等问题，检验和分析信息交互流程的准确性和合理性；效能仿真则是通过设定仿真与环境参数，综合分析评估信息交互模型关键节点和执行效率，为方案对比分析与设计优化提供支持。

1）系统交互信息流模型流程验证。

模型流程验证主要对战位节点完成某项任务进行的信息交互和状态变化过程进行验证。利用建模仿真软件平台，针对某任务的系统交互信息流模型，在战位节点连接图（OV-2）中设定战位节点交互接口、通信方式、信息流向，并执行运作状态时序变化图（OV-6c）流程校验工具，顺序执行信息流程，当执行过程中发生冲突、死锁（死循环）、丢失（中断）时便会停止并跳出，准确定位流程中的错误节点。

系统交互信息流模型流程验证与建模设计是一个反复迭代的过程，即在系统初始信息交互流程设计方案的输入下，建立信息流模型，通过流程验证分析，反过来检验信息流模型，保证流程的正确性与合理性。

2）系统交互信息流模型效能仿真与优化。

模型效能仿真则是利用建模仿真平台，针对所建立的系统交互信息流模型，根据研究目的和内容制定相应的仿真试验项目，设置仿真参数并执行仿真模型，评估系统方案效能，支撑系统的设计优化。

模型仿真首先需结合研究目的与内容进行仿真参数设置，主要包括任务场景、仿真运行参数、事件状态转移仿真参数与任务执行成本参数等的设置。

（1）任务场景设置：设定舰船当前的工况、任务事件。

（2）仿真运行参数设置：进行仿真模型的初始化设置，如仿真次数、仿真时间。

（3）事件状态转移仿真参数设置：战位节点任务处理动作执行概率、状态转移条件等。

（4）任务执行成本参数设置：转移处理任务活动消耗成本，包括执行时间、人力需求、资源成本等。

通过以上参数设置，仿真运行系统交互信息流模型，即可统计分析各战位节点的平均使用率、任务的平均执行时间、平均消耗成本等指标，可确定任务执行过程关键节点，评估任务执行效能，从而综合验证评估信息交互模型效能。

4 模型效能仿真与分析实验

本节以舰船作战工况下的典型作战任务为例，选择IBM Rational Rhapsody为仿真建模平台，设定仿真与环境参数，进行信息流模型仿真分析，确定任务执行过程关键节点，分析评估不同信息交互方案下的任务执行效能，从而验证所提出的信息交互流程仿真优化方法的有效性。

4.1 仿真实验参数设定

1）任务场景设定。

假定舰船当前位于作战工况下，接收上级指示对所在海域执行区域防空任务，发现一架敌机从某方向进入我方领海，舰指挥员根据预定方案立即实施拦截，敌机被击落的时间窗口服从正态分布normal（25，8），其中25为期望值，8为方差。由此，可设定脚本函数如下：

CreateToken（“敌机”）；

SetTokenTime（“敌机”，normal（25，8））。

2）仿真运行参数设置。

进行任务执行仿真模型的初始化设置，主要进行以下参数设置：

SetSimTime（2500）；//将仿真总时间设置为2 500 s。

SetSimCount（100）；//将仿真次数设置为100。

3）事件状态转移仿真参数设置。

由于每个战位节点任务处理需要相关的执行概率、状态转移条件，即需设定相关条件转移脚本函数（normal为正态分布函数），如本文中反导事件下反导活动的总概率为1，其对应可执行电子干扰、导弹拦截、近程反导3种措施，各自的执行概率分别为 0.2，0.4和0.4，如表 1所示。

表1 任务执行概率设置Tab.1 The probability of mission performing

4）执行成本参数设置。

由于转移处理任务活动还需要消耗一定的作业时间、人力需求和资源开销（本实验暂定：成本＝战位人次×作业时间×资源开销），故需综合以上因素，对每个节点成本进行参数与脚本设置，如表2所示，其中任务活动编号与表1中的任务活动名称对应。

表2 执行成本设置Tab.2 The cost of perform

4.2 模型效能分析

仿真运行系统交互信息流模型，即可统计分析各战位节点的平均使用率、任务的平均执行时间、平均消耗成本等指标，从而综合验证评估信息流模型效能。

1）节点平均使用率分析。

根据仿真运行结果，相关节点的平均使用率（本试验中为各战位节点在多次任务仿真流程中的参与次数平均值）如图4所示。

图4 任务节点使用率Fig.4 The using ratio of mission nodes

可见，舰长指挥战位基本处于繁忙状态，说明在对空作战方面可以进行对空指挥决策授权或增加舰指挥处理节点，以缩短对空作战反应时间。

2）任务活动的平均执行时间。

根据仿真运行的统计结果，相关任务活动的平均执行时间（本试验中为各任务活动在多次任务仿真流程中的执行时间平均值）如图5所示。

图5 任务活动的平均执行时间统计Fig.5 The average time of mission activities

可见，信息处理活动所占用的执行时间相对较长，所以信息处理可视情增加执行战位节点、提高处理能力或改变处理方式（分类或并行处理），减少任务活动占用时间。

3）平均消耗成本。

根据仿真运行的统计结果，每个任务活动的平均消耗成本（本试验中为各任务活动在多次任务仿真流程中的消耗成本平均值）如图6所示。

图6 任务活动的平均消耗成本统计Fig.6 The average cost of mission activity

如图6所示，导弹攻击（9）、导弹拦截（11）的平均消耗成本较高，这是因为导弹资源成本较高，因此需在作战流程中加强作战方案设计，在保证相同命中概率的情况下进行武器使用规划。同时，作战计划的修改调整会极大地增加消耗成本，如若将“方案确认”原来的重确认机率从10%调整至20%，则相关任务活动成本约上升20%～30%。可见，在对空作战流程中，任务执行的关键节点在于作战计划的制定，需根据作战需求优化作战计划，提高任务执行效率。

接下来，针对以上方案（重确认10%）改变对空方案，即将电子干扰（8）、导弹拦截（11）和近程反导（12）执行概率改为0.4，0.2和 0.4，进行2种作战方案的成本评估分析，如图7所示。

图7 两种方案的效能对比Fig.7 The comparison of two schemes

从仿真结果可以看出，方案2的总体成本相比原方案降低了约4%。可见，通过统计分析不同方案模型的仿真结果，即可基于定量依据进行多种方案的效能对比与验证优化。

5 结 语

综上所述，通过采用面向任务的信息流程仿真优化方法对全舰任务执行过程进行仿真分析，即可确定任务执行过程关键节点，评估任务执行效能，为全舰任务执行过程中的系统信息交互流程优化与多方案对比提供有力支持。

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A mission-oriented simulating and optimizing method for the shipborne system information flow

YUE Lin，XIANG Guofu，HU Weihao
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Aiming at the problem that the design of ship information system is still based on the functional integration,whose overall information exchanging and disposal efficiency can be difficult to promote,a mission-oriented simulating and optimizing method for ship's system information flow is proposed.By dissecting the ship's missions and relating those to the fighting node,an information flow model of the shipborne system is established by adopting the technology of DoDAF architecture view.The simulation results show that the presented method is not only applicable in checking the veracity and rationality of the information flow,but is also capable of evaluating the key node and the efficiency of information exchanging models,which serves as a feasible method of quantitative analysis in validating and optimizing the scheme of ship informatization.

shipborne system；information flow modeling；human and system model；mission node resolving

中国分类号：U665.2

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.06.017

http∶//www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151110.1026.038.html期刊网址：www.ship-research.com

岳林，项国富，胡伟浩.面向任务的舰船系统信息流程仿真优化方法［J］.中国舰船研究，2015，10（6）：114-119，125.YUE Lin，XIANG Guofu，HU Weihao.A mission-oriented simulating and optimizing method for the shipborne system information flow［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（6）：114-119，125.

2015-03-11 网络出版时间：2015-11-10 10∶26

国家自然科学基金资助项目（61303238）

岳林（通信作者），男，1982年生，博士，工程师。研究方向：舰船信息化。E-mail：elfyue1982＠163.com

项国富，男，1984年生，博士，工程师。研究方向：舰船信息化。E-mail：15926415460＠163.com

喻 菁］