艦艇作戰系統武器通道時延分析技術

摘 要:武器通道時延是艦艇作戰系統設計中的一項重要的動態指標，本文利用著色Petri網(CPN)對武器通道的執行過程進行動態建模，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系統通道時延的動態計算方法。

關鍵詞:時延分析著色Petri網武器通道作戰系統

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

艦艇作戰系統的武器通道是指能獨立執行目標指示并完成攻擊任務的武器系統設備與信息流程。在艦艇作戰系統設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劣的一個重要依據。在作戰過程中，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性等因素，武器通道可以看作為一個離散隨機系統。在相關研究方面，李寶來，夏惠誠等在研究反導系統性能時，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網在C4ISR系統中進行性能分析的技術，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網隊聯合反導作戰系統進行建模，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，在作戰系統設計的工程實踐中，往往將各個武器系統設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，并且無法對多目標到達和指揮員決策的隨機性、并發性進行處理。本文提出了一種基于著色Petri網(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，實現對武器通道中的隨機性和并發性進行處理。

本文第2節定義了艦艇作戰系統武器通道時延的指標;第3節研究了基于CPN的艦艇作戰系統武器通道建模，以及武器通道時延指標的計算方法;第4節構造了艦艇作戰系統中一個典型的反導武器通道的CPN模型，并對該CPN模型的時延指標進行計算和分析;第5節給出了本文研究的結論。

2 艦艇作戰系統武器通道時延指標

在艦艇作戰系統的性能評價中，武器通道的時延包括:設備處理時延、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現目標到武器發射的時延。

設備處理時延:設備對信息的處理時延，根據設備的類型可分為傳感器、作戰指揮系統、武器系統處理時延。

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(CPN)是一種高級Petri網，是對復雜系統進行建模和分析的一種有效手段。在艦艇作戰系統武器通道建模時，本文主要利用了CPN具有的如下關鍵特性:引入顏色集(Colorset)的概念能夠更容易對現實世界進行抽象，從而簡化了網絡的復雜程度;具有層次化結構使得建模人員可以自頂向下或自底向上的方式對復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移使用。特別第3個特性是進行時延分析的關鍵。本節從全局數據、模型層次化兩個方面對艦艇作戰系統武器通道的CPN建模進行說明，并給出計算時延指標的方法。

3.1 全局數據設計

艦艇作戰系統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，在此基礎上，為了對武器通道的執行提供外部激勵，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系統武器通道的模型分為5類子模型:傳感器設備子模型、指揮控制設備子模型、武器設備子模型、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系參見表2。傳感器、武器、指揮控制設備子模型根據設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產生模擬的目標;指揮員決策子模型模擬指揮員在作戰過程中的決策時延。

3.3 時延指標的假設和計算

根據武器通道時延指標的分解模型，本節基于武器通道的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備信息處理時延和指揮員決策時延的結果，因此，首先介紹獲得設備信息處理和指揮員決策時延指標的方法。

對于設備處理和指揮員決策時延，本文根據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假設，見表3。

在上述假設的基礎上，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時間信息得到。全通道時延利用武器發射時刻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中的監控器(Monitor)對數據進行采集和記錄，最終得到計算結果。在武器通道CPN模型中，可在武器系統子模型Weapon’Stop(1，{target})上設置Data collection模擬器，當Stop變遷發生時，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。然而是單次執行的結果，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

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

4.1 反導武器通道CPN模型

反導武器通道的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、作戰指揮系統、反導武器系統、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中的反導武器通道頂層模型包括如下特性:搜索傳感器發現目標后，向跟蹤傳感器自動發送目標指示，引導跟蹤傳感器對導彈目標進行跟蹤;引入指揮員決策模型，指揮員從作戰指揮系統獲取目標信息，通過判斷和決策向作戰指揮系統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:目標生成器模擬導彈目標到達搜索傳感器搜索范圍，并假設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，分別假設這三個步驟的時延均滿足正態分布，其分布函數為Normal(2.5，0.5)，即假設其對目標平均處理時間為2.5秒，方差為0.5;另外，假設以50%概率將目標識別導彈目標。

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，假設跟蹤的時延滿足正態分布，，其分布函數為Normal(2.5，0.5)。

作戰指揮系統子模型:作戰指揮系統對搜索傳感器上報的目標進行融合處理，假設融合的時延滿足常數分布，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，假設其決策時延滿足正態分布，其分布函數為Normal(2.5，0.5);假設指揮員的操作時延為常量分布，其時延為2s。

反導武器系統子模型:反導武器子系統包括系統準備、發射等步驟，并模擬了第二次開火的時間延時。在仿真運行時，假設上述步驟延時滿足正態分布，其分布函數為Normal(2.5，0.5)。

4.2 仿真結果及分析

本文對上述反導武器通道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組數據進行統計分析即可得到表4中的時延指標。另外，根據對100組數據的分析，對三類時延指標的一些特性進行說明，見表4。

5 結語

本文研究了基于CPN的艦艇作戰系統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備子模型、決策子模型的時延分布函數及參數的假設上的，而這些假設并未得到驗證。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及參數并進行仿真計算。

參考文獻

[1]戴自立，現代艦艇作戰系統[M]，北京:國防工業出版社，1999

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

[3]羅雪山，Petri網在C4ISR系統建模、仿真與分析中的應用[M]，國防科技大學出版社，2007

[4]韓朝超，黃樹彩，基于著色Petri網的聯合反導作戰系統建模，計算機工程與應用[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/.