基于UPDM 的防空反导系统时效性分析

张萌萌，陈洪辉，罗爱民，舒　振

（国防科学技术大学信息系统与管理学院信息系统工程重点实验室，湖南　长沙 410072）

基于UPDM的防空反导系统时效性分析

张萌萌，陈洪辉，罗爱民，舒振

（国防科学技术大学信息系统与管理学院信息系统工程重点实验室，湖南长沙 410072）

现代战争中，时效性是评价防空反导系统战略预警、指挥决策等性能的重要指标。提出了一种基于仿真的防空反导系统时效性分析方法，从体系结构的角度评估防空反导系统的时延对反导成功率的影响。为此，首先提出防空反导系统时效性分析方法与过程，然后采用UPDM（unified platform of defense model）工具对防空反导流程进行体系结构相关产品的设计，最后利用所提方法对防空反导体系结构进行仿真，分析时延因素对防空反导成功率的影响，为时延分配、作战流程优化提供思路。

防空反导系统；UPDM；时延；时效性分析

网址：www.sys-ele.com

0　引　言

现代战争是信息化战争，战场态势越来越呈现多样化、动态化与复杂化的特点。如何抢占先机、料敌制胜，如何在有限时间内进行指挥决策与响应执行，是时效性研究的主要内容。

防空反导系统是集预警探测、情报侦查、指挥控制、火力打击与通信为一体的指挥信息系统。防空反导作战时，空战的突然性为防空反导时效性提出了更大的挑战。如何分配系统时延，如何根据作战结果优化作战流程，是时效性分析的深层次内涵。

当前时效性研究一部分从指标权重综合或静态算法出发，未直面时效性的动态性本质，导致分析结果说服性不强；一部分采用动态仿真方法进行分析，但未做到设计与仿真的一体化，无法直接为优化设计提供输入。

本文从作战仿真角度出发，提出时效性分析方法，并采用UPDM（unified platform of defense model）工具进行系统设计与仿真。UPDM是一个集体系描述、分析、设计与仿真为一体的建模工具，前身是Rational Rhapsody，它通过构建系统相关视图，继而转换为可执行模型进行仿真，达到“所见即所得”的效果。

1　防空反导系统时效性

当前，时效性多从医疗救助［1 3］、食品救助［4］、系统发布订阅［5］、金融能源［6 7］、作战指控［8 9］等方面展开，采用过程模型、网络模型、组织模型等多种方法进行分析。本文着重从军事领域作战时效性出发，其他领域的分析方法为本文时效性分析奠定了基础。

文献［10］早在1995年就对C3I系统的时效性进行了研究，指出时效性研究存在以下问题：信息总是被公理化地假设为及时的，没有强调时效性概念；片面重视C3I系统组成部分的时间特性，而对C3I系统总体的时效性未给予充分的重视。文献［10］从系统响应时间、操作速度两种时间因素出发，通过机会窗口指标分析了时效性对系统效能的影响。

文献［11］针对当前C4ISR系统结构网络化与扁平化趋势，提出OPDAR系统结构建模方法，从情报流时延、指控流时延、协同流时延3个方面分析对系统效用的影响，并通过具体案例对所提方法进行验证。

针对目标信息的生命周期及对应的时效性，文献［12］提出信息的时效性概念，通过分析不同情况下信息效用随时间的变化，得到信息效用对决策质量、毁伤概率的影响，并讨论了信息用于作战和决策的时效性。

文献［13］认为指挥机构的指挥时效性是指挥人员可用的有效指挥决策时间与允许决策时间的比率，假定有效指挥决策时间是服从β分布的随机变量，通过分析不同信息交流形式下的时效性，为指挥规模进行优化。

文献［14］针对地对空雷达对抗系统，把系统时延分为情报获取时延、情报处理时延、辅助决策时延、命令下达时延、干扰站目标确定时延和干扰准备时延。并把系统时延作为系统空间的主要衡量指标，通过SEA方法分析系统空间与使命空间的重叠，进而得到对作战的影响。

文献［15］从情报保障时间、指挥控制时间、订阅分发时间、态势共享时间、系统反应时间5个方面分析系统结构的时效性，通过仿真实验，分析了影响C4ISR系统结构时效性的因素，并对不同类型的系统结构进行了比较。

对比当前时效性研究现状，主要从两个方向展开：从指标权重综合或针对所提模型的静态算法出发，分析时效性对作战效能的影响；从仿真角度分析不同情况下时效性对作战结果的影响，得出影响时效性的主要因素。基于防空反导作战任务，本文给出时效性定义如下：

定义1防空反导时效性：其他影响因素（系统组件可靠性、容错性）不变时，系统时延在随机取值下，防空反导系统完成作战任务的概率。

从时效性的动态性本质出发，本文从仿真的角度展开研究，首先构建防空反导系统作战视图，然后转换为可执行模型，输入系统中蕴含的各类时延，运行得到作战结果。

2　UPDM

UPDM提供了一套使用U ML、Sys ML或其他建模语言创建模型系统的虚拟建模环境，支持软件开发者、系统工程师和系统架构师创建嵌入式或实际的系统。主要功能包括：分析和驱动系统需求、体系结构，确定系统结构与行为；对需求进行跟踪，详细考虑架构、机制，设计体系结构；根据分析模型自动产生代码，编译运行；根据仿真结果在主机或远程对模型进行仿真分析。

UPDM工具中嵌入了DODAF开发包。DODAF是美国国防部颁布的体系结构描述框架，版本1.0［16］主要包括作战视图、系统视图、技术视图3部分，版本1.5［17］与2.0［18］增加了其他种类的视图，并更加强调以数据为中心的思想。UPDM自定义了一套DODAF描述模型的开发顺序，支持DODAF视图的设计与仿真。

UPDM定义的DODAF作战视图描述模型开发顺序如图1所示。需要注意的是，开发时序图（OV6c）时，需要根据作战活动流程（OV5）中包含的判断操作对应得到不同场景下的OV6c；开发作战节点连接图（OV2）时，首先根据高级作战概念图（OV1）得到只包含空作战节点的OV2，然后把多个OV6c中的操作更新到 OV2中，并按照 OV6c中作战节点之间的连接关系，绘制OV2中作战节点的连接线，得到完整的OV2。

图1　DODAF作战视图描述模型开发顺序

UPDM解决了体系设计与仿真的鸿沟，便于仿真结果直接应用于优化设计中，而且强调底层数据的兼容性与重用性，符合以数据为中心的思想。

3　防空反导系统时效性分析方法

3.1防空反导流程

根据文献［19-20］，本文假定防空反导系统由预警卫星、制导雷达、地面预警中心、旅指挥所、营指挥所、高炮连组成。首先由预警卫星探测到来袭目标，向地面预警中心发出告警信息，地面预警中心进行预警判断与落点计算等操作，并同时向落点区域内的制导雷达发出引导信息和向旅指挥所发出告警信息，制导雷达进一步跟踪目标并确定轨迹，旅指挥所下达作战准备命令并进行作战准备，当旅指挥所接收到制导雷达告警信息与下级各指挥所准备完成信息后，旅指挥所下达打击命令，各级指挥所接收并转发打击命令，由高炮连对目标实施打击。具体流程如图2所示。

由图2可知，存在3个方面的因素使该流程包含多个场景：地面预警中心进行虚警判断时，判断结果导致出现不同的场景；旅指挥所接收到雷达预警信息或下级作战准备完成信息的时间先后顺序不同，场景也不同；整个作战流程的执行时间与敌方导弹飞行的时间的先后顺序不同，场景也不同。因此，系统中存在的时延的不同取值直接决定作战流程，进而影响到作战结果。

3.2时延分类

由第3.1节可知，防空反导流程是由系统中存在的各种时间量串起来的。时延是由技术约束以及人为因素产生的，本文根据防空反导流程，把防空反导系统中存在的时延分为以下4类：

图2　防空反导流程

传输时延（Convey_Delay）：指侦察、监视探测装备获取的原始信息、融合后的情报态势信息、指挥机构的指控信息等在传输过程中所耗费的时间。体现在防空反导流程中包括预警卫星发送告警信息时延、地面预警中心发送引导信息时延、地面预警中心发送威胁信息时延、制导雷达发送告警信息时延、旅指挥所下达作战准备命令时延、营指挥所下达作战准备命令时延、高炮连上报作战准备完成信息时延、营指挥所上报作战准备完成信息时延、旅指挥所下达打击命令时延、营指挥所下达打击命令时延等。

处理时延（Handle_Delay）：指情报类信息、指控类信息以及协同类信息等在各作战节点中进行处理操作所花费的时间，类似于文献［10］提出的操作速度指标。体现在防空反导流程中包括预警卫星探测到敌方导弹的时延，地面预警中心信息处理、威胁评估、落点计算时延，制导雷达威胁探测时延，旅指挥所制定方案时延。

作战准备时延（Prepare_Delay）：本文给定的作战流程把作战准备阶段作为必不可少的阶段，主要指战备转换和物资装备到位花费的时间。流程中主要包括旅指挥所、营指挥所与高炮连进行作战准备所花费的时间。

控制反应时延（React_Delay）：主要指武器装备接收到指令后响应的时间，类似于文献［10］提出的系统响应指标，流程中包括我方导弹升空前花费的时间（Fire_Delay）与敌方导弹飞行时间（Fly_Delay）。

在系统运行过程中，控制反应时延是确定的，例如敌方导弹飞行时间是由卫星及雷达进行轨迹跟踪测得飞行轨迹与落点得到的，而我方导弹升空前所花费的时间是由多次试验得出的。传输时延、处理时延与作战准备时延都会根据信息量和作战任务而发生变化。

3.3时效性分析步骤

认为当整个作战流程运行的时间小于Fly_Delay时，即敌方导弹落下之前我方导弹已经发出时，作战流程是成功的，反之则是失败的。由第3.2节可知，Fly_Delay是确定的，而整个作战流程运行的时间是由流程中各个时延决定的，因此需要给定时延的取值。然而，传输时延、处理时延与作战准备时延是动态变化的，并且动态变化的区间不是平均分布的。直观看来，时延过长时，会导致作战流程运行时间增加，失败概率升高；时延过短时，信息处理或作战准备不充分，仍然会增加作战失败的概率。因此实际情况下，作战流程中动态变化的时延总是趋近于某区间。本文认为动态变化的时延服从正态分布（N（μ，σ2）），并且假定同类时延正态分布的参数一致。

因此，给出时效性分析步骤如下：

步骤1相关参数取值。输入数据包括Convey_Delay、Handle_Delay、Prepare_Delay的均值μ与方差σ2，以及Fire_Delay与Fly_Delay的具体值。

步骤2采用UPDM建立防空反导系统。按照图1流程，构建各DODAF描述模型，既要充分考虑各类时延在作战流程中的位置，也要详细考虑作战节点经过的各种状态，保证流程的准确性。

步骤3把数据加入流程中的对应位置。把随机出的时延值加入流程中的对应位置，作为作战节点的变量，参与到作战流程中进行仿真。

步骤4系统仿真。根据设定好的流程及时延值进行仿真，得到该情况下系统作战结果。重复进行多次仿真，分析防空反导系统时效性的优劣。

4　防空反导系统时效性研究

4.1相关参数取值

使命任务与作战流程参照第3.1节，假定输入数据如下所示（单位：s）：

4.2防空反导系统建模

按照图1所示的开发流程，根据图2防空反导流程，开发各DODAF描述模型。

（1）开发OV1。OV1描述使命或业务过程、高层作战设想。得到参与作战的节点包含敌方导弹、预警卫星、制导雷达、地面预警中心、旅指挥所、营指挥所、高炮连。这里不给出OV1图。

（2）根据OV1创建OV2。OV2描述作战节点完成的事件，它们之间的连接以及交换信息。由OV1创建的OV2只包含7个空的作战节点，作战节点内部的事件与节点之间的交互还需要通过OV6c确定。

（3）开发OV6c。根据OV5的判断操作可以生成多个不同场景的OV6c，由于UPDM的OV5也采用泳道图绘制，这里不再具体给出。OV6c定义作战节点自身的操作以及作战节点之间的触发关系，UPDM详细确定函数类型与返回值，便于之后的函数实现。OV6c可以有多个，图3是一个OV6c举例。

图3　防空反导系统　OV6c图

（4）更新OV6c到OV2。把多个OV6c中包含的事件更新到OV2中，并根据OV6c作战节点的关系在OV2中绘制端口连接线，形成完整的OV2图，如图4所示。

（5）为每个作战节点创建OV6b。OV6b是作战节点的状态描述，贯穿与作战过程的整个生命周期，所以务必要全面考虑各状态之间的跳转关系。图5是旅指挥所的状态图，由于事先并不知道何时接收到雷达的告警信息与下级的准备完成信息，所以存在多种状态的执行过程；图6是高炮连的状态图，本文认为只有在敌方导弹落下之前我方导弹飞起，作战才会成功。详细给出各状态之间的跳转关系，涵盖了OV6c中定义的函数和OV2各作战节点内部的变量，通过C++代码实现。

图4　防空反导系统OV2图

图5　旅指挥所状态图

图6　高炮连状态图

4.3数据输入与仿真实现

根据数据与设计完成的系统进行仿真，仿真过程的部分显示如图7所示，它是由各个作战节点的状态与运行的作战时序组合而成的，表示各个作战节点之间的状态跳转关系。

根据高炮连状态图跳转到成功或失败状态作为作战结果判断标准，本文进行50次仿真，其中16次为仿真成功，34次为仿真失败，所以该系统在Fly_Delay=100 s时，系统的时效性为0.32，结果如图8所示。

记录每一次仿真的运行时间，得到运行时间集中在90～120 s之间，把Fly_Delay作为自变量，分析时效性与Fly_ Delay的映射关系，得到图9所示的分布图，可知Fly_Delay大于117 s时时效性为1，小于89 s时时效性为0，而在89～117 s之间时效性呈递增趋势。

由仿真结果可得出如下结论：

（1）分析Fly_Delay与防空反导系统时效性的关系，可以得到防空反导系统的运行时间区间，便于不同作战流程的比较；

（2）根据每次仿真的仿真过程（见图7），有助于找到系统的薄弱环节，对作战流程进行优化；

（3）当前系统越来越呈现网络化、扁平化的特点，须充分注意流程中的时效性因素，避免比如跨级指控时还未作战准备完成就下达打击命令的情况，做到刚性与柔性的结合。

图7　仿真过程部分显示

图8　Fly_Delay=100 s时仿真结果

图9　Fly_Delay与时效性的映射关系

5　结　论

本文针对防空反导系统，采用UPDM建模工具，分析了时延因素对作战流程成功率的影响，对作战流程的优化具有积极作用。下一步工作从两方面展开：时延因素与其他诸如可靠性、容错性指标的综合考虑分析；UPDM与STK、Matlab软件连接，使可视化能力加强。

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Timeliness analysis of antimissile system based on UPDM

ZHANGMeng-meng，CHEN Hong-hui，LUO Ai-min，SHU Zhen
（Department of Information System and Management，Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory，National Uniυersity of Defense Technology，Changsha 410072，China）

In modern warfare，timeliness is an important index to evaluate performances such as strategic warning and decision making in the antimissile system.A timeliness analysis method using simulation to assess the success rate with time delay of the antimissile system from the angle of architecture is proposed.Firstly，the timeliness analysis method and the process of the antimissile system are put forward.Secondly，the unified platform of defense model（UPDM）is used to design relative architecture products in the antimissile system.Finally，the proposed timeliness assessment method is worked well by simulating the antimissile system.The antimissile success rate is analyzed with the simulation result，which proposes thoughts for delay distribution and process optimization.

antimissile system；unified platform of defense model（UPDM）；delay；timeliness analysis

TP 393

A

10.3969/j.issn.1001-506X.2016.05.14

1001-506X（2016）05-1059-08

2015-02-05；

2015-08-13；网络优先出版日期：2015-12-23。

网络优先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20151223.1112.026.html

张萌萌（1990-），男，博士研究生，主要研究方向为指挥信息系统。

E-mail：377019128@qq.com

陈洪辉（1969-），男，教授，博士，主要研究方向为需求工程、体系结构。

E-mail：chh0808@gmail.com

罗爱民（1970-），女，教授，博士，主要研究方向为指挥信息系统、体系结构。

E-mail：amluo@gfkd.mtn

舒振（1977-），男，副教授，博士，主要研究方向为指挥信息系统、体系结构。

E-mail：sz_1226@sina.com