艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)武器通道時延分析技術(shù)

摘 要:武器通道時延是艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計中的一項重要的動態(tài)指標，本文利用著色Petri網(wǎng)(CPN)對武器通道的執(zhí)行過程進行動態(tài)建模，并研究了基于CPN模型對武器通道各種時延指標的計算方法。最后通過一個典型的防空武器通道的CPN建模和仿真計算驗證了艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)通道時延的動態(tài)計算方法。

關(guān)鍵詞:時延分析著色Petri網(wǎng)武器通道作戰(zhàn)系統(tǒng)

中圖分類號:E925.6 TP393文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(c)-0098-03

1介紹

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的武器通道是指能獨立執(zhí)行目標指示并完成攻擊任務(wù)的武器系統(tǒng)設(shè)備與信息流程。在艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計中武器通道的時延是一項重要的指標，是評價武器通道性能優(yōu)劣的一個重要依據(jù)。在作戰(zhàn)過程中，由于目標到達和指揮員決策的隨機性、武器通道中信息流程的并發(fā)性等因素，武器通道可以看作為一個離散隨機系統(tǒng)。在相關(guān)研究方面，李寶來，夏惠誠等在研究反導(dǎo)系統(tǒng)性能時，對武器通道的時延進行了指標分解，但并未給出各個指標的計算方法;羅雪山等研究了著色Petri網(wǎng)在C4ISR系統(tǒng)中進行性能分析的技術(shù)，提出了對指揮決策的時延分析方法。韓朝超等人利用著色Petri網(wǎng)隊聯(lián)合反導(dǎo)作戰(zhàn)系統(tǒng)進行建模，采用了分層建模的方法，簡化了建模難度，但該研究中并未給出時延的計算方法。另外，在作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計的工程實踐中，往往將各個武器系統(tǒng)設(shè)備信息處理時延進行簡單疊加得到武器通道時延，這種方法缺乏理論依據(jù)，并且無法對多目標到達和指揮員決策的隨機性、并發(fā)性進行處理。本文提出了一種基于著色Petri網(wǎng)(Colored Petri Net，以下簡稱為CPN)進行武器通道時延計算和分析的方法。該方法利用CPN的時鐘概念并通過對CPN模型的多次仿真運行，實現(xiàn)對武器通道中的隨機性和并發(fā)性進行處理。

本文第2節(jié)定義了艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)武器通道時延的指標;第3節(jié)研究了基于CPN的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)武器通道建模，以及武器通道時延指標的計算方法;第4節(jié)構(gòu)造了艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)中一個典型的反導(dǎo)武器通道的CPN模型，并對該CPN模型的時延指標進行計算和分析;第5節(jié)給出了本文研究的結(jié)論。

2 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)武器通道時延指標

在艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的性能評價中，武器通道的時延包括:設(shè)備處理時延、人員決策/操作時延等。本文定義了如圖1的指標分解模型。該模型包括對武器通道整體性能進行衡量的全通道時延指標，也包括了對武器通道各個組成部分的時延。下面分別對這些指標進行說明。

全通道時延:從艦艇首個傳感器發(fā)現(xiàn)目標到武器發(fā)射的時延。

設(shè)備處理時延:設(shè)備對信息的處理時延，根據(jù)設(shè)備的類型可分為傳感器、作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)、武器系統(tǒng)處理時延。

指揮員決策時延:指揮員觀察、判斷、決策和下達指令的時延。

3 基于CPN的武器通道建模和時延指標計算

著色Petri網(wǎng)(CPN)是一種高級Petri網(wǎng)，是對復(fù)雜系統(tǒng)進行建模和分析的一種有效手段。在艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)武器通道建模時，本文主要利用了CPN具有的如下關(guān)鍵特性:引入顏色集(Colorset)的概念能夠更容易對現(xiàn)實世界進行抽象，從而簡化了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度;具有層次化結(jié)構(gòu)使得建模人員可以自頂向下或自底向上的方式對復(fù)雜的問題進行分解和建模;擴充了時間概念，引入全局時鐘并允許每個令牌攜帶一個時間戳，指示令牌在什么時候能夠被轉(zhuǎn)移使用。特別第3個特性是進行時延分析的關(guān)鍵。本節(jié)從全局數(shù)據(jù)、模型層次化兩個方面對艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)武器通道的CPN建模進行說明，并給出計算時延指標的方法。

3.1 全局數(shù)據(jù)設(shè)計

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的典型武器通道中主要處理和交換了以下幾類信息:原始目標、融合目標、目標指示指令、射擊控制指令等。在構(gòu)造武器通道的CPN模型時，本文涉及到的主要顏色集參見表1。

3.2 模型層次化設(shè)計

典型的武器通道由傳感器、指揮控制、武器三部分組成，在此基礎(chǔ)上，為了對武器通道的執(zhí)行提供外部激勵，并引入指揮員決策對武器通道時延的影響，本文采用層次化的建模方法將艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)武器通道的模型分為5類子模型:傳感器設(shè)備子模型、指揮控制設(shè)備子模型、武器設(shè)備子模型、指揮員決策子模型和目標生成子模型，各個子模型及其輸入輸出關(guān)系參見表2。傳感器、武器、指揮控制設(shè)備子模型根據(jù)設(shè)備對目標的處理流程進行建模;目標生成子模型按照給定的分布函數(shù)產(chǎn)生模擬的目標;指揮員決策子模型模擬指揮員在作戰(zhàn)過程中的決策時延。

3.3 時延指標的假設(shè)和計算

根據(jù)武器通道時延指標的分解模型，本節(jié)基于武器通道的CPN模型給出不同類型指標的計算方法。因為全通道時延指標的計算需要利用設(shè)備信息處理時延和指揮員決策時延的結(jié)果，因此，首先介紹獲得設(shè)備信息處理和指揮員決策時延指標的方法。

對于設(shè)備處理和指揮員決策時延，本文根據(jù)對信息處理流程的不同將處理或決策過程分解為不同的主要步驟，并給出這些主要步驟的時延分布函數(shù)假設(shè)，見表3。

在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，本文討論對全通道時延的計算方法。全通道時延的計算實際是對武器通道CPN模型的仿真運行并記錄相關(guān)時間信息得到。全通道時延利用武器發(fā)射時刻Te與目標達到時刻Ts的差值計算得到。本文利用了CPN-tools[5]對CPN模型進行建模和運行，并利用CPN-tools中的監(jiān)控器(Monitor)對數(shù)據(jù)進行采集和記錄，最終得到計算結(jié)果。在武器通道CPN模型中，可在武器系統(tǒng)子模型Weapon’Stop(1，{target})上設(shè)置Data collection模擬器，當Stop變遷發(fā)生時，記錄當前時刻為Te;在目標生成子模型中記錄目標達到時間Ts。利用，計算得到全通道時延。然而是單次執(zhí)行的結(jié)果，一般在計算全通道時延時，采用多次仿真運行，得到多組值，對其計算平均值和取最大值，得到全通道平均時延和全通道最大時延。另外，在CPN模型中還可以通過設(shè)置Data collection計算其它各種不同的時延指標。

4 仿真實例分析

本節(jié)利用第3節(jié)中的建模方法對一個典型的反導(dǎo)武器通道進行建模，并計算該通道的時延指標。

4.1 反導(dǎo)武器通道CPN模型

反導(dǎo)武器通道的CPN模型采用層次化的建模原則，包括1個頂層模型和6個子模型。圖2給出了頂層CPN模型。頂層模型包括6個子模型:目標生成器、搜索傳感器、跟蹤傳感器、作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)、反導(dǎo)武器系統(tǒng)、指揮員。這些子模型之間由庫所(Place)進行連接，每個庫所都定義了色集標識Token的類型。圖1中的反導(dǎo)武器通道頂層模型包括如下特性:搜索傳感器發(fā)現(xiàn)目標后，向跟蹤傳感器自動發(fā)送目標指示，引導(dǎo)跟蹤傳感器對導(dǎo)彈目標進行跟蹤;引入指揮員決策模型，指揮員從作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)獲取目標信息，通過判斷和決策向作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)作出目標指示或射擊控制命令。

在頂層模型的約束下，本文進一步構(gòu)造了6個子模型，參見圖3。下面分別對6個子模型進行說明:

目標生成子模型:目標生成器模擬導(dǎo)彈目標到達搜索傳感器搜索范圍，并假設(shè)該到達時間滿足泊松分布。

搜索傳感器子模型:搜索傳感器中對目標處理分為探測、建航、識別三個步驟，分別假設(shè)這三個步驟的時延均滿足正態(tài)分布，其分布函數(shù)為Normal(2.5，0.5)，即假設(shè)其對目標平均處理時間為2.5秒，方差為0.5;另外，假設(shè)以50%概率將目標識別導(dǎo)彈目標。

跟蹤傳感器子模型:跟蹤傳感器接收到目標指示指令后，對目標進行跟蹤，假設(shè)跟蹤的時延滿足正態(tài)分布，，其分布函數(shù)為Normal(2.5，0.5)。

作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)子模型:作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)對搜索傳感器上報的目標進行融合處理，假設(shè)融合的時延滿足常數(shù)分布，其時延為2秒;融合后向指揮員子模型輸出，并等待指揮員決策;當接收到指揮員指令后，對指令進行解釋，并向武器系統(tǒng)輸入命令。

指揮員子模型:指揮員子模型模擬了指揮員的決策和操作時延，一個指揮員在同一時間只能處理一批目標，假設(shè)其決策時延滿足正態(tài)分布，其分布函數(shù)為Normal(2.5，0.5);假設(shè)指揮員的操作時延為常量分布，其時延為2s。

反導(dǎo)武器系統(tǒng)子模型:反導(dǎo)武器子系統(tǒng)包括系統(tǒng)準備、發(fā)射等步驟，并模擬了第二次開火的時間延時。在仿真運行時，假設(shè)上述步驟延時滿足正態(tài)分布，其分布函數(shù)為Normal(2.5，0.5)。

4.2 仿真結(jié)果及分析

本文對上述反導(dǎo)武器通道CPN模型仿真運行100次，每次仿真可以計算得到一組全通道時延、指揮員決策等待時延、指揮員決策時延，對100組數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析即可得到表4中的時延指標。另外，根據(jù)對100組數(shù)據(jù)的分析，對三類時延指標的一些特性進行說明，見表4。

5 結(jié)語

本文研究了基于CPN的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)武器通道時延分析方法，為武器通道的全通道時延的仿真和計算提供了方法，并以反導(dǎo)武器通道為例給出了建模和計算實例。該方法對計算全通道時延提供了基本的理論方法。但本文研究是建立在設(shè)備子模型、決策子模型的時延分布函數(shù)及參數(shù)的假設(shè)上的，而這些假設(shè)并未得到驗證。如果要真實的得到時延指標，需進一步確定較為真實的分布函數(shù)及參數(shù)并進行仿真計算。

參考文獻

[1]戴自立，現(xiàn)代艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)[M]，北京:國防工業(yè)出版社，1999

[2]李寶來，夏惠誠，李健，效用函數(shù)在艦空導(dǎo)彈通道性能分析中的應(yīng)用，艦船科學技術(shù)[J]，2005，27(1)

[3]羅雪山，Petri網(wǎng)在C4ISR系統(tǒng)建模、仿真與分析中的應(yīng)用[M]，國防科技大學出版社，2007

[4]韓朝超，黃樹彩，基于著色Petri網(wǎng)的聯(lián)合反導(dǎo)作戰(zhàn)系統(tǒng)建模，計算機工程與應(yīng)用[J]，2011，47(6)

[5]K.Jensen，et al，Design/CPN Manuals. Meta Software Corporation and Department of Computer Science， University of Aarhus， Denmark. Online version:http://www.daimi.aau.dk/designCPN/.