基于三维有限状态机的作战试验设计方法

江莲　王鑫

摘  要： 针对大型复杂装备作战试验设计中按照整个作战过程的时间顺序进行分组，分组试验合成效率低的问题，本文提出一种基于三维有限状态机的试验设计方法，考虑了时间、逻辑、认知三个维度的约束条件，能够真实体现作战过程中的行为时间、战法规则、作战策略，满足了作战试验设计的需求。在工程实现上，建立了试验方案生成框架，保证了分组试验的合成效率，同时提高了试验的可操作性。以体系协同搜反潜为例进行试验设计，实例证明，方法充分体现了行为的时间效应、兵力对抗行为逻辑、多种作战策略，明显提升了试验效率。

关键词： 有限状态机;试验设计;作战试验

中图分类号： TP391.41    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.07.028

【Abstract】： To solve problem in operational test designing of large-scale and complex equipment， the test divided into groups have very powerful dependency， the inefficiency in compounding of tests divided into groups， the method of experiment designing method based on three-dimensional finite-state machine is present， the method brings in three dimensional constraint condition which describe the time， logic， perceiving， it can reflect really the behavior time， fighting rule and operational strategy in the process of war， it can satisfy the special requirement of operational test designing. In engineering， the method builds a frame which provide a integral scheme， it can pledge the efficiency of compounding of group tests and improved the maneuverability of test. Taking the example of test in which a systerm of multi-unit was design to cooperative search submarine， and the results show that the method can not only reflect the effect of behavior time， the logic of multi-unit fighting behavior， the variety of operational strategy， but also increase the efficiency of test.

【Key words】： Finite state machine; Experiment design; Operational test

0  引言

當前试验设计领域，大多采用正交设计等经典方法，采用析因、正交、列链表、超立方等方法[1]，可以得出多因素影响试验的整体解决方案，但应用于作战试验设计中具有一定的局限性，主要表现在两个方面：一是作战试验具有很强的时间相关性，传统方法[2-6]将整个试验拆分成多个试验单独进行设计，无法保证多个试验合成之后的效果，难以满足作战影响因素与作战效果之间在时间顺序上的因果关系;二是外场试验影响因素难以控制，不可能实施所有试验方案，真正的作战试验只能在大量设计方案中优选出代表性的方案进行试验，因此试验资源的利用效率是作战试验设计需要考虑的重点问题。现有试验设计技术在降低外场试验样本量要求方面仍然不能满足实际需求[7]～[14]难以在工程上实践应用。

针对上述问题，提出一种三维有限状态机试验设计方法，通过定义行为-时间函数，集成行为逻辑规则，作战策略认知分析等步骤，建立三维聚合框架;根据作战进程中行为的时间、逻辑、认知维度关联性，聚合以多层级链路为架构的试验过程，给出仿真试验方案。与现有正交实验设计技术相比，克服时序分组试验的综合集成率低、无法体现兵力对抗行为逻辑、难以体现多种作战策略等缺点。

1  基于三维有限状态机的作战试验设计方法

舰船装备作战试验设计需要在时间、逻辑、认知维度内探索三类不同的问题，给出相应的解决方案。在时间维度内，各兵力的行为可以按照时间顺序进行规划，体现行为的时间效应，即行为是时间的函数。在逻辑维度内，各兵力的行为之间具有多种规则，可形成不同的逻辑顺序，即行为之间存在逻辑关系。在认知维度内，按照不同的认知层次，可以划分不同的作战策略。

复杂系统可视为多种分系统或单元的不同行为在时间、逻辑、认知维度上的有机关联，根据三维空间内变量之间的约束条件，可判断试验空间内存在可优化的方案，使试验的效果达到目标极值。因此，试验设计的关键在于设计并组成复杂系统中各单元的行为链路，使试验方案科学可行并且能够反映试验的时间、规则、策略等特性。基于三维有限状态机的作战试验设计方法的具体步骤如下：

（1）分析操作流程，按照时间限制条件连接试验中各单元的行为，建立行为的时序集。在时间维度内，时序集是各作战行为的时间约束条件，行为可以根据时序集内的条件建立连接，形成行为串行结构，如图1所示。

（2）分析行为规则，按照逻辑关系定义多种不同行为连接条件下的规则，建立行为规则集。在逻辑维内，规则集是各种作战行为之间互为前提、互为因果的约束条件，按照作战常识定义规则集，如图2所示，将行为的串行结构通过规则连接在一起，形成以二维网络为结构的行为通路。

（3）分析系统的行为策略，按照认知层次制定多种策略，建立行为策略集;在认知维内，策略集是对作战意图整体认知的约束条件，每个作战策略可以用一个或几个二维行为通路来表达，如图3所示，按照对作战的理解与认知约束条件，将不同的作战行为通路组合，集成三维行为链路。

（4）按照时间-逻辑-认知三维架构，输出试验设计文件，如图4所示。

2  三维有限状态机实现方法

2.1  概念模型

其中 是各单元行为的集合;E是试验过程中系统行为的有限状态集合;f0是试验的起始状态，标识系统行为的开始;ft是试验的终止状态，标识系统行为的结束。 是一个从空间 到 的映射函数，与传统二维有限状态机[15]～[17]不同，三维有限状态机包含三个映射函数，即在时间维、逻辑维、认知维内三类约束条件，形成三个子函数

对于作战过程可采取行为的数量是一定的， 是各单元行为的集合，为有限状态集。映射函数相当于作战规则下输入行为到输出行为的严格对应关系，映射函数不变条件下，行为与行为之间的连接具有某种约束，即有些行为到行为的链路不能满足实际作战要求。因此，映射函数 将简单排列组合得出的行为链路中不符合作战规则的行为链路排除在外，只保留了满足映射规则的行为链路，从而实现了作战行为有机聚合。

2.2  仿真步骤

根据行为与行为之间的时间、规则、策略关联，构建行为聚合框架图，聚合作战行为链路。由于行

为在三维空间内的连接存在组合爆炸问题，因此，需构建聚合框架用于试验方案筛选，把不符合现实行为逻辑的错误链路剔除，聚合出具有实际意义的链路。仿真过程分为以下5个步骤，如图5所示。

（1）采用基于進程的架构，定义最初的开始行为 和终止行为 ;

（2）在开始行为和终止行为中间，定义多个中间状态 ，行为之间可发生状态转移;

（3）采用弧线连接各个行为，为每次行为分支选择和行为状态转换提供通路;

（4）根据现有行为之间的约束条件，包含时间 、逻辑 、认知 三个维度内的约束条件，标定从上一行为到下一行为连接弧线上的条件;

（5）从开始行为到终止行为之间的多个弧线及节点组成行为聚合框架图。

执行上述步骤，如果一条行为链路能够从开始状态经过多个中间行为走到终止状态，则该行为链路符合实际作战规则，可以作为试验备选方案，反之则不能。

2.3  代码实现

仿真步骤一及步骤二主要是对状态的定义，采用枚举法实现，代码如下：

enum State

{

STATE_f0 ， STATE_ft ， STATE_fi

}

对于步骤三中的连接弧线可以看成是条件跳转，在实现之前需要先对条件进行分类定义，代码如下：

enum Permit

{

Time_permit ，

Rule_permit ，

Strategy_permit

}

enum Time_permit

{

Time_permit_Ti

}

enum Rule_permit

{

Rule_permit_Ri

}

enum Strategy_permit

{

Strategy_permit _Si

}

分析作战行为约束条件，确定行为约束条件所属的维度类型;在该维度内匹配条件值，找出所有符合要求的行为，假设存在n个行为，逐一判断其是否符合行为的上下文条件;如果符合就转到下一阶段行为的定位和匹配，如果不符合就继续进行模式识别;直至找到模式匹配的行为链路，或遇到行为结束。采用Switch语句实现步骤四及步骤五，代码如下：

void 3DFSM：：link（Input input）

{

switch （Permit）

{

case Time_permit  %时间排序

if （input==fi）

{

find

if（Time_permit i< Time_permit i+1）

{

=

Time_permit_Ti=0

}

else

=

end

}

case Rule_permit  %规则列举

if （input==fi）

{

find   （ ）

if （nun（Rule_permit）==1）

{

= ;

Rule_permit_Ri= 0

}

else

for j=0：1：num（Rule_permit）

{

= [j];

Rule _permit_Ri=j+1

}

end

}

case Strategy _permit   %策略跳轉

if （input==fi）

{

find

if （Strategy_permit>0）

go to  ;

Strategy_permit _Si= Strategy_permit _Si+1

else

Strategy_permit _Si=0

end

}

else  result=“false”

}

else  if （input== ）

break;

end

end

3  实例

3.1  建立三维有限状态机

以体系协同搜反潜作战试验为例，说明试验设计方法。列举体系协同搜反潜任务中所有行为，分析时间、逻辑、认知三个维度内的行为约束条件，如图6所示。

3.1.1  行为时序分析

综合分析体系协同搜反潜作战过程的时间约束

条件，由于武器装备航路规划的有效性随时间增加而迅速降低，超出时间航路无效，攻击行为失败。因此如果采用发现即攻击战法，引导时间不能超过武器装备的时限要求。

3.1.2  行为规则分析

体系协同搜反潜作战行为规则与一般作战原则差异不大，主要区别在于引导后的行为选择上，在引导、搜索、攻击、防御行为中，比较各种行为互为前提的可能，得出7项行为规则如下：引导后搜索、搜索未发现后扩大范围继续搜索、搜索后紧急攻击、防御后应急攻击、攻击后迅速转入防御、攻击后发起二次攻击、搜索发现目标后转入防御。

3.1.3  作战策略分析

体系协同搜反潜作战策略分为以下两种：一是攻击主导的作战策略，探索平台发现目标后武器平台给予快速打击，并且在短时间内发起二次攻击，实现迅速消灭作战对手的目的;二是防御主导的作战策略，发现目标后随即转入进一步缩小范围精确搜索并转入防御状态。

3.2  试验方案生成

应用基于三维有限状态机的试验设计方法，绘制行为聚合框架图，见图7，根据聚合框架生成试验方案见表1。该试验方案共包含13次试验，根据实际作战试验需求对试验项目合理性、可操性进行分析，所有试验均满足要求。

3.3  方法性能对比

根据上述试验设计结果，可以将其与正交设计和传统的有限状态机法进行对比，三种方法在各个性能参数上的差异见表2。由表中数据可以看出，本文提出的方法在性能上优于其它方法，并且明显提升了试验效率。

4  结论

针对作战试验设计中时序分组试验的综合集成率低、无法体现兵力对抗行为逻辑、难以体现多种作战策略等难题，提出基于三维有限状态机的试验

设计方法，其特征如下：

（1）构设基于时间维、逻辑维、认知维的三维试验设计框架，充分考虑了试验中时间、规则、策略等约束条件，使试验方案更加可行，实现了由复合层级行为链路到复杂战场态势的准确还原表达。

（2）给出了基于三维有限状态机的实现方法，并通过体系协同搜反潜实例加以证明，说明本文方法具备工程上的可操作性。

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