基于信息驱动机制的导弹作战流程建模问题*

黄路炜 ，张 滨 ，李淑媛 ，郝 磊 ，李 轶

（1.解放军96658部队，北京 100094；2.火箭军工程大学，西安 710025；3.火箭军驻北京地区军事代表局，北京 100085）

0 引言

作战流程是导弹武器作战运用问题的核心内容。特别是对于新型武器，在研制阶段就很有必要从“好用、管用”角度深入开展作战流程研究，为武器研制和配套建设提供需求牵引，为作战能力形成奠定技术基础。

信息化作战理念的深化运用和信息化装备的飞速发展，使得导弹武器作战流程呈现出“更少的人工干预、更多的信息驱动”特点，流程自动化程度不断提高；现代战争从作战力量的“平台对抗”发展为“体系对抗”，参战武器装备体系规模的日益庞大使得作战流程变得更为复杂；在实现流程自动化执行的同时，作战的快速性、时效性需求又对流程控制的精细度提出了更高要求。针对上述导弹作战流程呈现出的“复杂度高、自动化程度高、控制精细度高”的显著特点，需要寻求有效的流程建模方法，更好的支撑后续流程量化分析。

导弹作战流程建模属于工作流建模范畴，常用的建模技术和方法［1-3］有基本流程图法（Flowcharts）、集成定义方法（IDEF0、IDEF3）、角色活动图法（RAD）、业务过程建模方法（BPMN）以及Petri网等。其中，基本流程图法、集成定义方法和角色活动图法都是基于可视化图形完成流程建模的方法，虽表述直观、建模简单且快速，但由于缺乏严格语义定义，模型分析源于图论，不能处理复杂的过程逻辑，难以量化描述时间、资源等约束；业务过程建模是基于软件语言的流程建模方法，模型分析功能强大，但往往难以将工作流程运用业务流程执行语言（BPEL）来很好表述。基本的Petri网建模方法在处理动态离散事件和复杂系统时具有图形表示和数学描述的双重功能，适合并行和并发行为的流程建模，支持流程的分析验证与优化［4］。但也会由于流程复杂度高、触发规则多等原因导致状态空间的膨胀，带来模型可解性与分析的困难。在此，针对当前导弹作战流程呈现出的新特点，对基本Petri网加以拓展，提出行之有效的流程建模思路和具体方法。

1 总体建模思路

基于拓展的层次有色赋时 Petri网（EHCTP-net）来完成导弹作战流程建模。其中，通过针对性的信息建模解决流程信息实时驱动问题，采用要素模型拓展和活动时间精确定义解决流程精确控制问题，运用分层建模思想解决流程复杂性问题。总体建模思路如图1所示。

遵循上述建模思路，依次完成要素模型和流程模型的建立。

2 作战流程要素模型建立

2.1 库所类要素模型

库所是作战流程中事物、条件或对象的抽象，是资源和信息的容器，是活动执行和发生的实体、通道或地理位置。提取导弹作战要素作为Petri网模型的库所，如指挥节点、武器系统、关键战位等，记作p。不同的库所可以描述处于不同状态下的同一作战要素。在此，对传统库所进行属性拓展，并将拓展后的库所抽象成实体类模型。在此约定，M（p）表示库所p的状态，M表示库所集p的状态。

2.1.1 模型定义

1）静态属性描述

静态属性是对库所固有信息的描述，包括：标识 ID、名称 Name、类型 EType、图标 Gra、地理位置Loc等。其中，类型可依据作战实际划分为指挥类、武器类等。

2）动态属性描述

动态属性描述作战过程中库所状态的变化，包括拥有的资源A、可接收或发送的信息I等，采用Petri网令牌描述，具体方法见下节令牌类要素模型。

考虑到作战过程中流转信息种类较多，在此采用颜色函数C进行描述，不同颜色的令牌描述不同类型的信息，具体表述为：。即库所p在变迁t发生后type类令牌的数量，其中Ktype表示库所p可容纳type类令牌的最大数量。

图1 导弹作战流程总体建模思路

综上，库所类要素模型（即实体类模型）可形式化为：

2.1.2 模型实例化

库所类要素模型实例化就是确定各属性的具体值。其中，静态属性根据实际情况赋值；动态属性根据仿真运行情况动态计算资源和信息各参数的值，采用列表形式描述。

因此，库所类要素实例可形式化为：

其中，ETypei选取于enum｛指挥类，武器类，…｝，为库所拥有的资源集，为库所接收或发送的信息集。资源集、信息集的具体描述见下节令牌类要素模型。

2.2 令牌类要素模型

令牌是Petri网中的动态对象，可以从一个库所转移到另外一个库所。令牌在库所中的分布决定了Petri网的状态，也是变迁是否触发的条件。考虑流程的信息实时驱动特点，各作战要素所占用的资源和传输的信息是动态变化的，是作战活动执行的驱动条件。在此，将主要作战要素所拥有的资源和传输的信息抽象为Petri网的令牌，对应于库所类要素模型的动态属性。

2.2.1 资源类令牌

资源类令牌存在于库所中，对应于实体类模型的动态属性，描述库所拥有的资源，可用多元组描述为：

2.2.2 信息类令牌

信息类令牌较为关键，体现流程信息驱动特点，用多元组统一描述为：

其中，来源 ERec和目标 EObj分别为信息的发出实体和接收实体；可靠度Rel和优先级Pri根据作战实际明确，记为、，用枚举值表示；类型Type可细化为指挥类、武器类等；Con表示信息内容。信息类型不同，信息内容区别较大。因此，需依据作战实际针对各类信息进行内容的分类描述。

2.3 变迁类要素模型

变迁是Petri网中的事件或活动，是状态发展变化的动力和原因。提取作战过程中的主要作战事件及活动作为Petri网模型的变迁，如接收关键信息、下达命令、作战准备等，记作t。在此，对传统变迁属性进行拓展，并将拓展后的变迁抽象成模型，即活动类模型。

活动类模型描述也包括静态属性和动态属性。其中，静态属性是对变迁固有信息的描述，包括标识ID、名称 Name、图标 Gra、阶段 Sta、执行实体 EO等。动态属性描述变迁发生的条件和结果，主要包括触发条件、触发机制、活动时间及变迁发生后各库所状态的变化等。下面针对各动态属性分别加以表述。

2.3.1 触发条件

变迁t触发的基本条件为：变迁前件库所中的资源数量大于等于变迁发生所需资源数量，且变迁后件库所的容量大于等于变迁产生资源数量与库所原有该类资源数量之和。记为Tri，表述为：

其中，库所p的状态M（p）随变迁t的发生而变化，采用权函数W（x，y）来表述。权函数规定每个变迁发生一次引起的有关资源数量上的变化。*t和t*分别为变迁t的前置集和后置集。

2.3.2 触发机制

考虑到流程控制精确化的特点，在此将变迁触发机制精确定义为如下3种。需要注意，部分作战活动可能需要多种触发机制的组合。

1）时间触发Tr

主要针对需要在预定时间或给定时间间隔内完成的作战活动，由控制时间的定时器来触发。若设定触发时间Tr，触发条件Trir则为早于或晚于触发时间Tr执行某作战活动，可形式化表示为：

2）人工触发Tp

主要针对需要人工参与决策的作战活动，触发条件Trip则为是否接收到人工触发信号。可采用表示已接收到人工触发信号，反之没有收到人工触发信号。

3）信息触发Ti

主要针对基于信息驱动的作战活动，这种机制是流程中最为主要的触发机制。由于信息存储于变迁活动发生的前件库所中，因此，设置触发条件为，即判定作战活动前件库所p是否接收到类型为type、ID为RefID的信息，可形式化表示为：

2.3.3 活动时间

为描述作战使用流程的时间信息，在活动类模型中增加时间属性，记作Rt。针对不同的作战活动，执行时间分别采用时间点r或时间段来精细表述。同时，在全局定义一个时间戳，使每个库所拥有的资源令牌、变迁都与时间关联。

2.3.4 库所状态变迁

库所状态的变化采用权函数W（x，y）来表述，变迁t发生后库所p的状态M'（p）可表示为：

综上，变迁类要素模型可形式化表述为：

变迁类要素实例化需根据作战实际对各属性赋值，变迁类要素实例可形式化表述为：

3 作战流程模型建立

在要素模型建立的基础上，依据流程时序，明确与每个作战活动关联的权函数W（x，y），采用关联矩阵描述库所与变迁之间的联系，记为B（p，t）。具体方法为：

同时，针对东风-5C核导弹作战使用流程的复杂性以及不同分辨率的作战使用流程演示需求，基于分层思想建立Petri网流程模型。

3.1 要素模型分层建立

Petri网要素建模时已将库所、令牌和变迁各要素融合于实体类和活动类模型中，要素模型的层次划分主要针对流程中的作战实体和作战活动。库所类要素模型层次主要表现在武器系统类作战实体中，如图2所示。

图2 武器系统类库所要素模型层次划分

可以看到，将作战实体划分为系统层和关键子系统层，分别对应Petri网建模中的子网库所和基本库所。其中，层次上不可再分的称为基本库所，可以进一步划分的称为子网库所。如需关注到更细节的关键设备，可对子系统层继续划分。

同样，针对不同层次的作战实体，将其作战活动相应划分为复合活动层和子活动层，分别对应Petri网建模中的子网变迁和基本变迁。以某个武器系统实体为例，层次划分如下页图3所示。

3.2 流程模型分层建立

基于要素模型分层建模，在流程模型中引入子网，对应要素模型的子网库所和子网变迁。子网代表一个完整的Petri网子模型，可以看作作战流程中的一个复合节点，有其内部结构、内部行为和内部状态，但行为、状态与主网保持一致。层次化建模使得Petri网模型具有良好的结构，便于所关注层面的不同分辨率建模，利于量化分析和流程演示。

综上，得到作战流程的层次有色赋时petri网模型，可描述为：

其中，∑为有色赋时Petri子网，SN是子网的替代节点。

图3 变迁要素模型层次划分示例

4 面向对象的作战流程模型组装

流程建模目的在于支撑后续的流程量化分析，因此，在建模之初就要考虑仿真分析需求。目前，复杂大型流程仿真大多需要开发相应的支撑系统，辅以可视化手段来完成。但导弹作战流程的形成是一个不断迭代的过程，特别是对于新型导弹武器，随着作战需求的变更和武器研制的推进，作战流程需要不断迭代调整。迭代调整后的新流程是否还能基于原来开发的仿真系统进行验证是需要关注的问题。此外，作战流程分析要具备不同粒度的可视化展示能力。基于此，提出面向对象的作战流程模型组装方法［5］，如图 4 所示。

上述方法的关键技术点可归纳为：

1）采用节点信息封装和接口应用方法实现要素模型封装，增加模型的可重用性，易于根据实际流程特点快速实现流程模型的实例化；同时，对于扩展的要素模型层明确要素模型编辑和定义模型管理接口，支持新要素的拓展，从而支撑流程变更后的新流程可靠验证。

2）针对不同层次的武器系统完成作战使用流程模型封装，并定义标准化的流程模型接口支撑流程可视化显示，从而满足不同粒度的流程可视化展示需求。

5 结论

基于信息驱动机制的导弹作战流程具有复杂度高、执行自动化程度高、控制精细度高的特点。本文结合拓展的Petri网技术和面向对象的模型组装方法，有针对性地完成了导弹作战流程建模。模型建立仅仅是作战流程分析的基础，后续还需要基于模型开发作战流程仿真分析软件，并通过流程仿真分析得出一系列有价值的结论，用于指导武器研制和作战使用。这些是后续需要开展的主要工作。

图4 面向对象的作战流程模型组装方法