基于效果的艦船使命任務分解與檢驗方法*

韋正現 宋 敏 陳 霞

(1.中國船舶工業系統工程研究院 北京 100036) (2.北京外國語大學信息技術中心 北京 100089)(3.北京市西三環中路19號 北京 100841)

基于效果的艦船使命任務分解與檢驗方法*

韋正現1宋 敏2陳 霞3

(1.中國船舶工業系統工程研究院 北京 100036) (2.北京外國語大學信息技術中心 北京 100089)(3.北京市西三環中路19號 北京 100841)

提出了面向效果的艦船使命任務分解模式,給出了任務分解和效果分配的合理性檢驗機制,將使命任務的分解和使用效果的分配有機結合,建立了使命任務和使用效能的關聯,描述了使命任務模型、使用效果指標關系鏈模型和使命任務分解模式,以便于對艦船使命任務及其使用效果進行分解、分析和精化。

艦船; 任務; 效果; 分解; 檢驗

Class Number TP311

1 引言

從系統總體的角度,作戰艦船的任務分解與分析是系統分析設計的重點內容,也是困擾艦船及其相關系統領域的難題,業界對這兩方面進行大量的研究。在艦船及其相關系統(如電子信息系統)的分析設計方面主要分為兩類,一類是系統分析設計方法,其主要成果有SysML[1]、KAOS[2]、FAST[3]、FODA[4]和FORM[5]等;另一類是艦船使命任務的需求分析、設計與開發等框架的研究,其中典型代表有MoDAF[6]和DoDAF[7]。目前已有的方法中,對系統分析設計存在的主要問題表現為使命任務和使用效果的確定和論證沒有結合一起,頂層任務向下分解沒有與使用效果的分配相互結合起來,從而使使命任務和使用效果相互割裂。鑒于以上的問題,文章首先提出了一種基于效果的任務分解模式,它將使命任務的分解和使用效果的分配進行有機結合,能夠指導艦船及其系統使命任務及其使用效果自頂向下地分解和分配;其次,文章通過對使命任務采用基于效果的任務分解模式進行分解后形成的任務分解層次有向模型圖,給出良構任務分解模型圖定義,實現了使命任務分解過程及結果語法合理性的檢查,同時,對任務分解層次有向模型圖的可實現性進行分析,實現了使命任務分解過程及結果的語義檢驗,在此基礎上,形成了任務分解和效果分配的合理性檢驗機制;最后,文章總結并指出通過基于效果的任務分解模式與任務分解和效果分配的合理性檢驗機制,為有效實現艦船使命任務自頂向下進行分解、分析和精化提供一種有效途徑和方法。

2 面向效能的作戰任務分解模式

艦船及其系統需要從整體的使命任務出發,將使命任務不斷自頂向下進行分解,最后形成完成相應使命任務需要的活動、流程、資源及操作等,在使命任務分解的同時也是將完成該使命任務需要達到的效果分配到各個影響因素(資源)中。

2.1 作戰任務模型及其分解模式

艦艇作戰領域中,任意可以被識別和操作的事物稱為資源(resource)[8],例如信息(值、數據等)、物理實體(硬件、人等)、軟件系統等。所有資源均可用一組特定的屬性來表示。每個屬性用于表征資源一個方面特性。資源的屬性可以分成兩類,固定屬性和可變屬性。固定屬性是指在資源整個生命周期中,其值不隨時間發生變化的屬性,例如聲納設備本身的屬性、魚雷的參數屬性等;而可變屬性值將隨外界條件的改變而發生變化,例如,艦艇所擁有魚雷的數量會隨著作戰態勢轉換而不同。

定義1(資源) 艦船上資源可表示為

Res=(SAttr,DAttr,SARan,DARan,ValFuncafSAttr,VaIFuncofDAttr)

其中:

1)SAttr={sa1,…,san}表示艦船上可用資源的固定屬性集;

2)DAttr={da1,…,dan}表示艦船上可用資源的可變屬性集;

3)SARan={sv1,…,svn}表示艦船上可用資源固定屬性的取值范圍;

4)DARan={dv1,…,dvn}表示艦船上可用資源可變屬性的的取值范圍;

5)ValFuncofSAttr:SAttr→SARan表示艦船上可用資源固定屬性的取值函數;

6)ValFuncofDAttr:DAttr→P(DARan)表示艦船上可用資源可變屬性的取值函數,P(DARan)作為DARan的冪集。

為了方便,采用@表示資源和屬性的從屬關系,例如da@res表示資源res的一個可變屬性da,sa@res表示資源res的一個固定屬性sa。

對于艦船上某個可用資源的可變屬性,當屬性順序確定時構成一個向量,稱此向量為資源的可變屬性向量。資源可變屬性向量的任意一個有效取值為該資源的一個狀態(state)。資源狀態的變遷表現了資源受外界作用而發生的屬性改變。

定義2(狀態) 設資源res共有n個可變屬性da1,…,dan,則res的一個狀態為da@res=(val1,…,valn),其中,vali=ValFuncofDAttr(dai),i=1,…,n。

因為外界作用導致資源的狀態發生變遷,用資源的狀態變遷來表征這種外部作用,并稱其為作用在資源上的一個活動(activity),即使用活動,一個使用活動表示一種作用在資源上的操作。

定義3(活動) 活動可以表示為一個三元組,Act:=(res,s0,s1),其中,res表示活動Act所作用的資源,s0表示活動作用前res的狀態,s1表示活動作用后res的狀態。

定義4(活動的可加性) 若存在活動Act1:=(res,s0,s1),Act2:=(res,s1,s2),則Act1與Act2可加。稱Act1為Act2的一個直接前驅,Act2為Act1的直接后繼,并且規定Act3:=(res,s0,s3)為Act1和Act2的復合活動,記為

Act3=Act1+Act2

由外部產生的或由內部活動產生的值得注意的出現情況稱為事件(Event),狀態和活動都可能導致事件的發生,事件的發生可能會導致狀態的改變和新活動的產生,因此,狀態、事件和活動共同推進了任務的完成。

一個任務的描述包含完成該任務所需要進行的活動、需要的資源、任務的執行狀態和執行后的狀態、活動中產生的事件以及完成該任務需要達到效果指標[9～10]五部分。資源部分描述該任務所有的可操作資源,用資源集表示;活動部分描述通過一系列的操作或運行而完成相應的功能,同時描述了希望資源狀態變遷情況,用活動集表示;狀態描述了活動的執行結果和資源狀態的變遷情況,用狀態集來表示;事件主要描述了活動的執行條件以及在活動執行和狀態變化中需要注意的情況,用事件集表示;效果主要描述了完成任務需要達到(或預期)的程度,用效果指標表示。

定義5(任務) 任務可以表示為一個五元組:

Mission=(Act,Res,State,Event,EfficGoal)

其中:

1)Act是任務所含的活動集合;

2)Res是任務所有可操作資源構成的集合;

3)State是任務執行過程所含狀態的集合;

4)Event是Act中每個活動的執行條件(資源某個時刻的狀態),以及活動產生的需要注意結果的集合,在一定意義上它是狀態的一個條件函數;

5)EfficGoal是完成任務所期望達到的效果指標集合。

任務可以分解為更小的子任務,將已有的任務分解方案進行總結、抽象,形成一種具有領域內通用性質的任務分解模式,由于活動的可加性,使得一個任務可以由多個活動構成。同樣,多個任務根據一定條件、按照一定順序也能構成更高層的任務。因此,對于大粒度的任務而言,一般總能由一些小粒度的子任務組合而成。這些子任務及其組合方式就是該大粒度任務的一個分解。

一個任務分解模式的描述包含子任務、任務完成條件等幾部分。任務是由所有構成該任務的子任務組成的集合。任務完成條件部分用于給出子任務的執行條件,用資源狀態的邏輯表達式集合來描述。

定義6(任務分解模式) 任務mission的一個分解模式可以表示為一個八元組:

MissionDecMod(mission)=(SubMissions,Act,State,Event,Prop,PropMissionofSubMissions,EfficGoal,EGRelLinkMissionofSubMissions)

其中:

1)SubMissions={mission1,…,missionn}是一組任務的集合,其中,missioni(1≤i≤n)是mission的一個子任務;

2)Act是子任務所含的活動集合;

3)State是子任務執行過程所含狀態的集合;

4)Event是子任務中每個活動的執行條件(資源某個時刻的狀態),以及活動產生的需要注意結果的集合;

6)PropMissionofSubMissions:SubMissions→Prop,是子任務的資源分配函數集合;

7)EfficGoal是完成子任務所期望達到的效果指標集合;

8)RelLinkMissionofSubMissions:SubMissions→EfficGoal是效果指標關系鏈函數集合。

2.2 使用效果指標關系鏈

效果指標是希望艦船及其系統能夠完成的某種使命任務具有的可衡量的指標。效果指標隨著任務分解而被分配到子任務中,一個任務的完成需要屬于該任務的子任務相互配合,因此子任務之間所分配到的效果也就發生了聯系,效果指標在任務與子任務之間具有的分配關聯,以及子任務之間效果指標的相互實現關聯,構成了效果指標的關系鏈。

定義7(效果指標關系鏈) 效果指標關系鏈定義為三元組:

EGRelLink=(EfficGoalofMission0,EfficGoalofMission1,RelLink)

其中:EfficGoalofMission0表示完成任務Mission0需要達到的效果指標;EfficGoalofMission1表示完成任務Mission1需要達到的效果指標;RelLink:=EfficGoalofMission0→EfficGoalofMission1表示效果指標關系鏈函數,RelLink∈RelLinkMissionofSubMissions。

效果指標關系鏈分為橫向關系鏈和縱向關系鏈,橫向關系鏈主要有兩種,分別為: 1) 依賴關系:一個效果指標的實現必須以另一個效果指標的實現為前提,稱前一任務的效果指標依賴于后一任務的效果指標,即前一任務的完成依賴于后一任務的完成; 2) 沖突關系:一個效果指標的實現阻止了另一個效果指標的實現,稱前一效果指標干擾了后一個效果指標,即前一任務干擾了后一任務的完成。

依據定義6將艦船及其系統進行分解后,得到任務分解有向圖,效果指標橫向關系鏈主要作用在具有相同射出任務節點的兩個子任務之間。縱向關系鏈是作用在互為分配的任務之間關系函數組成的關系鏈,分別有以下幾種函數關系:

· 并關系:ET=EST1∪EST2∪…∪ESTn;其中ET表示上層任務的效果指標,τ=[EST1,EST2,…,ESTn]是以ET為射出的子任務。

· 交關系:ET=EST1∩EST2∩…∩ESTn。

· 選擇關系:σ[Pred(RL)]:{τ}→{τ},σ[Pred(RL)]({τ})={τ|Pred(RelLink)},RL為效果指標關系鏈函數集合,Pred為效果指標關系鏈函數的條件表達式,σ表示獲取那些滿足效能指標關系鏈函數RelLink條件的任務。

· 投影關系:π[RLk,…,RLl]:{τ}→{τ},π[RLk,…,RLl]({τ})={τ1|τ中屬于{RLk,…,RLl}的任務被保留,將它們作為τ1的任務},π除去τ中不需要的任務。

· 連接關系:∞:{τ}:{τ}→{τ},{τ1}∞[ETi∽ETj]{τ2}={∩(τ1,τ2)|τ1任務效果指標的實現與τ2中任務的效果指標的實現相互依賴},∽表示任務的效果指標實現的相互依賴關系。

3 作戰系統任務模型構建和檢驗

根據任務分解模式將任務進行分解,是從一個(組)頂層任務集合MossionSet出發,建立使命任務的分解層次有向模型圖(簡稱任務模型圖),在構造好使命任務模型圖[11]之后,需要對任務模型圖進行分析和檢驗,檢查任務分解和效果分配是否合理。在任務模型圖中,將不帶射入箭頭節點稱為根節點,不帶射出箭頭的節點稱為葉子節點。

定義8(良構的模型圖) 一個任務模型圖滿足如下條件:

1) 所有的根節點都是最頂層使命任務和預期效果(根節點代表作戰系統的最高使命任務以及該任務所要達到的效果);

2) 所有的葉子節點都是一個原子活動所作用的原子任務和效能(所有任務都是要落實到一個可操作的活動以及資源屬性上);

3) 所有的其它節點都可以通過任務分解鏈和效果指標關系鏈(或者分解鏈的序列)到達一個根節點(所有其它任務和活動都是為了實現作戰系統的某個最高使命任務和效果而設置);

4) 任務分解鏈不能構成循環通路(不能自己實現自己);

5) 效果指標關系鏈不能構成循環通路(不能自己依賴自己)。

則稱該作戰任務模型圖是良構模型圖。

上面的定義構成了任務模型圖語法上的合理性,同時還需要對模型圖的語義進行分析,即任務分解和效果分配結果的可實現性分析。在模型圖中沖突是不可避免的,模型圖的可實現性分為強可實現性、弱可實現性和不可實現性。在討論模型圖的可實現性之前首先討論任務可實現性的標記規則。

任務可實現性的標記規則:

1) 初始化標記:

(1)標記模型圖中所有原子活動所對應的任務為“終止任務”;

(2)標記模型圖中所有作為葉節點的非原子活動所對應的任務為“可分任務”。

2) “可分任務”傳播:下述規則用于傳播“可分任務”:

(1)如果M依賴于m,并且m是“可分任務”,則M也是“可分任務”;

(2)如果M存在唯一的一個與歸結,則如果其中的一個子任務m為“可分任務”,則M也是一個“可分任務”。如果M存在多個與歸結,其中的一個與歸結的一個子任務m為“可分任務”,則標記M的這個與分支為“可分任務”,M是否為“可分任務”則要看下面一條規則;

(3)如果M所有或分支(或者子任務)都是“可分任務”,則M也是“可分任務”。

3) 可實現性初始標記:對模型圖中的每個“終止任務”M:

(1)如果M的干擾任務集為空,或干擾集不為空,但其中所有的干擾任務都是“可分任務”,則M是強可實現性;

(2)如果M的干擾任務集不為空,并且至少存在一個干擾任務不是“可分任務”,則M是弱可實現性。

4) 可實現性傳播:對任務模型圖中的每一個任務M:

(1)如果M是“可分任務”,則M是不可實現的;

(2)如果M的所有依賴者都是強可實現的,并且所依賴的任務都是強可實現的,則M是強可實現的;

(3)否則,M是弱可實現的。

定義9(模型圖的可勝任性) 令MissionSet為一個任務模型圖,Root為它所有根任務集合。如果對所有的任務M∈Root,有M是強可實現的,則稱MissionSet是強可勝任的;如果對所有的任務M′∈Root,有M是可實現的,但如果存在任務M′∈Root是弱可實現的,則稱MissionSet是弱可勝任的;如果存在一個任務M∈Root是不可實現的,則稱MissionSet是不可勝任的。

使命任務分解的過程就是對任務不斷進行精化的過程,因此在對艦船及其系統任務進行分解后,得到一組子任務集合、一組效果指標集合以及一組任務模型圖。在任務模型圖是良構模型圖的情況下,有以下性質1和2。

性質1 一組子任務m1,m2,m3,…,mn是任務M的完全精化,當且僅當以下條件滿足:

m1,m2,m3,…,mnM(必要性)

m1,m2,m3,…,mn/False(一致性)

n>1 (非平凡性)

對任意j,1

性質2 一組效果指標e1,e2,e3,…,en是效果指標E的完全分解,當且僅當以下條件滿足:

e1,e2,e3,…,enE(必要性)

e1,e2,e3,…,en/False(一致性)

n>1 (非平凡性)

對任意i和j,fre:ei→{sai@res,dai@res|sai@res?sa@res,dai@res?da@res,i=1,…,n},fre:ej→{saj@res,daj@res|saj@res?sa@res,daj@res?da@res,j=1,…,n},都有saj@res∩sai@res=?,daj@res∩dai@res=?(非重復性)。

fre表示效果指標到資源可變屬性和固定屬性的映射函數。

使命任務模型分析的意義在于分析結果可以進一步導引系統設計者修改或補充使用業務情況描述,以保證使命任務描述的完整性,提高艦船及其系統模型的質量。具體說,模型是可勝任的,說明設計者對艦船及其系統的使命任務描述是相對完整,可以進行下一步工作。目標模型是弱可實現的,需要進行進一步修改和完善。目標模型是不可勝任的,設計者描述的艦船及其系統的使命任務模型是不完整的,需要進一步補充。

4 結語

艦船及其系統使命任務和使用效果的確定、分析、抽象和精化是目前困擾艦船及其系統設計、開發和實現的主要問題。文章提出了基于效果的使命任務分解模式,給出了任務分解和效果分配結果的合理性檢驗機制,將傳統的面向使命任務的方法中將使命任務分為任務(功能)和效果(能力指標)兩方面進行有機結合,形成使命任務和使用效果為一體的任務能力包的形式,對使命任務進行分解、分析和精化,描述了任務模型、效果指標關系鏈模型和任務分解模式,建立了使命任務和使用效果指標的關聯,實現了艦船及其使命任務分解過程及結果的語法合理性分析和語義可實現性驗證,為在艦艇及其系統研制過程中能夠以使命任務為基礎,以使用效果為中心,實現艦船及其系統自頂向下的分解和設計提供一種有效的途徑和方法。

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Navy Vessel Mission Decomposition and Verification Based on Efficiency

WEI Zhengxian1SONG Min2CHEN Xia3

(1. Ship System Engineering Research Institute, CSSC, Beijing 100036) (2. Information Technique Center, Beijing Foreign Studies University, Beijing 100089) (3. No. 19 Central Xisanhuan Road, Beijing 100841)

An way of navy vessel mission decomposition pattern and its verification based on efficiency are proposed in this paper, through which, navy vessel mission decomposition and efficiency assignment are combined, and relationship between mission and efficiency is established. In order to conveniently decompose the mission and efficiency, navy vessel mission model and efficiency relation model and mission decomposition pattern are described.

vessel, mission, efficiency, decomposition, verification

2014年6月9日,

2014年7月27日

韋正現,男,博士研究生,高級工程師,研究方向:體系結構、信息系統等。宋敏,女,博士,工程師,研究方向:體系結構、信息系統等。陳霞,女,碩士,高級工程師,研究方向:艦船電子與信息系統。

TP311

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.046