基于UML和Petri網(wǎng)的防空反導(dǎo)系統(tǒng)建模

付志曄，瞿連政，陳 聰

(國防科技大學(xué)信息通信學(xué)院，湖北 武漢 430010)

作戰(zhàn)仿真主要目的是實現(xiàn)現(xiàn)實世界到仿真模型的映射。其中,軍事概念模型完成的工作主要是對現(xiàn)實世界完成抽象后,構(gòu)建面向領(lǐng)域和面向設(shè)計的概念模型。采用概念建模,能夠?qū)④娛聦＜曳羌夹g(shù)人員掌握的特定軍事領(lǐng)域知識(Domain Knowledge)轉(zhuǎn)化為被技術(shù)人員與軍事運籌人員所理解的顯性知識(Explicit Knowledge),為進行系統(tǒng)的仿真開發(fā)奠定良好的知識表示基礎(chǔ)[1]。統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language,UML)是一種定義良好、易于表達、功能強大的建模語言,能夠描述靜態(tài)及動態(tài)面向?qū)ο笙到y(tǒng)[2],也是用軍事概念建模的重要工具。

本文以某型防空反導(dǎo)系統(tǒng)為例,采用UML對該型防空反導(dǎo)作戰(zhàn)仿真概念建模進行初步的探討,并對模型的合理性使用Petri網(wǎng)進行了驗證。

1 某型防空反導(dǎo)系統(tǒng)的組成及任務(wù)流程

1.1 某型防空反導(dǎo)系統(tǒng)的組成

某型防空反導(dǎo)系統(tǒng)主要由指揮控制系統(tǒng)與火力單元組成,標(biāo)準(zhǔn)的反導(dǎo)系統(tǒng)是由6-8個火力單元配備一個指揮控制系統(tǒng),而單個火力單元最多配備八輛導(dǎo)彈發(fā)射車并包含一部相控陣制導(dǎo)雷達。

如圖1所示，指揮控制系統(tǒng)由俄制C-ΠMY-2采用的30K6E改進而來,可同時指揮的火力單元數(shù)量由6個提升到8個。改進的指控系統(tǒng)包含一部作戰(zhàn)指揮車以及一部大型相控陣?yán)走_(遠程預(yù)警雷達),可以在600 km距離上探測和跟蹤戰(zhàn)斗機巡航導(dǎo)彈等目標(biāo),并完成敵我識別、航跡跟蹤等任務(wù),此外還具有很強的抗干擾能力,能識別假目標(biāo)，快速定位有源干擾機的方位。指揮系統(tǒng)可以同時控制8個火力單元,同時發(fā)射72枚導(dǎo)彈進行指導(dǎo),打擊36個目標(biāo)。

該型防空反導(dǎo)系統(tǒng)的火力單元配備多部地空導(dǎo)彈發(fā)射車和三坐標(biāo)火控雷達以及一部較小的警戒雷達,在戰(zhàn)斗狀態(tài)下可以完成搜索、跟蹤、制導(dǎo)、反電子干擾等任務(wù)。系統(tǒng)標(biāo)配的導(dǎo)彈按射程分為遠、中、近三個類型,遠程導(dǎo)彈射程可達400 km,中遠程的導(dǎo)彈射程250 km左右,近程導(dǎo)彈射程為40-120 km[3]。

火力單元中選配一部備用預(yù)警雷達,可以將探測目標(biāo)信息直接傳給火控雷達,主要是使火力單元在沒有外部信息支持下也具備一定獨立作戰(zhàn)能力。

圖1 某型防空反導(dǎo)系統(tǒng)組成

1.2 某型防空反導(dǎo)系統(tǒng)攔截任務(wù)流程

在進行防空反導(dǎo)作戰(zhàn)中,某型系統(tǒng)的作戰(zhàn)實體主要由遠程預(yù)警雷達、作戰(zhàn)指揮車、火控雷達,裝配各型號導(dǎo)彈的發(fā)射車組成, 其攔截的過程主要有如下幾個環(huán)節(jié)組成。

首先是警戒階段,在此階段系統(tǒng)獲取早期預(yù)警信息的方法主要是通過遠程預(yù)警雷達對空中目標(biāo)探測,以及其他早期預(yù)警雷達所獲取的信息。信息獲取后會被傳輸至指揮中心分析處理。

制定攔截計劃階段,指控中心通過獲取的信息以及數(shù)據(jù)庫對目標(biāo)進行識別并分類,然后根據(jù)火力單元位置和距離制定攔截計劃,并在攔截能力不足時優(yōu)先攔截威脅較大的目標(biāo)。

實施攔截計劃階段,需要利用火控雷達對目標(biāo)跟蹤,所以指控中心將需要攔截的目標(biāo)信息分別下發(fā)至各火力單元的火控雷達。一個火控單元內(nèi)部署的導(dǎo)彈發(fā)射車包含多種射程的導(dǎo)彈,火控雷達會根據(jù)與目標(biāo)的距離,在近程、中程以及中遠程導(dǎo)彈中進行選擇。由于導(dǎo)彈在一定攔截區(qū)域內(nèi)具有最優(yōu)攔截效果,所以火控雷達計算目標(biāo)飛行軌跡在最佳攔截區(qū)域進行攔截,完成計算后所有信息將會被裝訂入導(dǎo)彈的導(dǎo)航和控制系統(tǒng)。

預(yù)定時間導(dǎo)彈會被發(fā)射,同時為確保完成摧毀,一般使用兩枚導(dǎo)彈對每個目標(biāo)攔截,通常在第一枚導(dǎo)彈發(fā)射后的1 500 ms-5 000 ms時間段內(nèi)發(fā)射第二枚導(dǎo)彈。發(fā)射導(dǎo)彈后,對于不同型號導(dǎo)彈需要導(dǎo)引方式不同,近程型號與遠程型導(dǎo)彈需要火控雷達進行指令修正,直至導(dǎo)彈的主動雷達導(dǎo)引頭開始運作,而中程型導(dǎo)彈在擊中目標(biāo)前都需要持續(xù)跟蹤制導(dǎo)。

導(dǎo)彈完成打擊后,需要由雷達收集目標(biāo)信號以進行毀傷評估,如果沒有攔截到目標(biāo),則跟蹤目標(biāo)開始發(fā)動第二輪打擊。如圖2所示。

圖2 防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮流程圖

2 基于UML的防空反導(dǎo)作戰(zhàn)系統(tǒng)概念建模

用UML描述概念模型一般步驟如下[1]:

第一步 逐級建立各種用例圖,尋找、建立該模型涉及的所有用例;

第二步 明確第一步用例中的實體,并使用靜態(tài)圖進行描述:用類圖對實體進行細化的描述;

第三步 明確第一步實體中的各種活動以及行為,使用動態(tài)圖進行描述，可以選擇的方式主要有時序圖,活動圖以及交互圖等,對用例圖完善。

2.1 防空反導(dǎo)作戰(zhàn)建模中用例描述

對系統(tǒng)用例描述首先要進行明確UML用例的定義,然后進行用例的分析。

UML用例的定義是:系統(tǒng)執(zhí)行的一組動作序列,這些動作可以產(chǎn)生一個特定參與者可觀察的數(shù)值結(jié)果。這些動作會涉及與多個參與者(用戶和其他系統(tǒng))的通信,以及在系統(tǒng)內(nèi)部執(zhí)行的計算和任務(wù)[2]。

在某型防空反導(dǎo)作戰(zhàn)系統(tǒng)的用例分析中,系統(tǒng)要實現(xiàn)的需求就是進行空中攔截,而系統(tǒng)為了完成功能的動作序列就是用例:由發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到打擊包含偵察監(jiān)視目標(biāo)、制定作戰(zhàn)方案、對導(dǎo)彈導(dǎo)引以及發(fā)射導(dǎo)彈等動作序列。具體的用例如圖3所示。

圖3 某型防空反導(dǎo)系統(tǒng)用例圖

2.2 防空反導(dǎo)作戰(zhàn)系統(tǒng)的對象組成

完成系統(tǒng)的功能需求定義以及需求分析之后,要進行面向?qū)ο蠼：诵墓ぷ?即對系統(tǒng)中的對象進行分離,已經(jīng)明確系統(tǒng)由哪些對象所組成。

UML中的工作是:戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)防空反導(dǎo)作戰(zhàn)系統(tǒng)用例模型中的所有實體進行標(biāo)識,對他們的關(guān)聯(lián)關(guān)系進行分析。在俄軍的某型系統(tǒng)中,實體主要有六個,分別是指控中心、遠程預(yù)警雷達,以及備用預(yù)警雷達(選配)、火力單元、火控雷達、導(dǎo)彈系統(tǒng),UML中用類圖來表示這些實體,在類圖的屬性中描述實體的相關(guān)內(nèi)容,用聚合表示系統(tǒng)中實體之間的組合關(guān)系,如火控雷達、導(dǎo)彈系統(tǒng)與備用預(yù)警雷達可聚合為火力單元。而需要一同完成作戰(zhàn)任務(wù)的類,可以使用實現(xiàn)關(guān)系,如火控雷達制導(dǎo)導(dǎo)彈,所以用實現(xiàn)關(guān)系連接兩者。因此,UML的類圖如圖4所示。

圖4 某型號防空反導(dǎo)系統(tǒng)類圖

2.3 防空反導(dǎo)作戰(zhàn)系統(tǒng)動態(tài)建模

從防空反導(dǎo)作戰(zhàn)系統(tǒng)用例圖中可以分析得到反導(dǎo)系統(tǒng)的主要行為,即警戒、制定計劃、發(fā)射、引導(dǎo)。而從類圖的對象關(guān)系中獲取系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)和部分系統(tǒng)行為信息。在此基礎(chǔ)上,可以建立描述系統(tǒng)特殊行為的動態(tài)模型,從而展示對象在系統(tǒng)執(zhí)行過程中不同階段的動態(tài)交互[4]。為完成UML中對動態(tài)活動交互進行建模,可以采用活動圖、順序圖或協(xié)作圖進行描述。這三種圖側(cè)重點不同,分別聚焦于工作描述、時間與空間。考慮到在實戰(zhàn)中，某型防空反導(dǎo)作戰(zhàn)系統(tǒng)聚焦于時間,而在仿真中更加聚焦于工作的流程,因此,本文采用2種圖對系統(tǒng)的交互進行描述,分別是采用順序圖描述時間上的交互,采用活動圖描述工作上的交互,此外在UML到Petri網(wǎng)的映射轉(zhuǎn)換中,使用活動圖更容易根據(jù)一定規(guī)則進行轉(zhuǎn)換,而順序圖轉(zhuǎn)換則較復(fù)雜不易實現(xiàn)。如圖5所示,由于備用預(yù)警雷達主要在和指揮中心失去聯(lián)系時使用,故在順序圖中無標(biāo)識。

圖5 某型防空反導(dǎo)作戰(zhàn)系統(tǒng)順序圖

活動圖中建立工作流主要通過活動狀態(tài)、控制流以及初始和結(jié)束狀態(tài)。其中，活動狀態(tài)、控制流、初始和結(jié)束狀態(tài)分別采用系統(tǒng)圓角矩形、箭頭實線以及默認(rèn)的圓形圖標(biāo)標(biāo)識。在工作流需要進行分叉或并發(fā)時,引入菱形和同步棒;菱形對應(yīng)分叉,表示在此節(jié)點進行OR選擇,會產(chǎn)生一個否定情況的工作流或者肯定情況的工作流。同步棒對應(yīng)并發(fā)和分裂。表示此節(jié)點會產(chǎn)生一個共同作用的工作流,或者同時分裂的工作流,在時間上是同步的。反導(dǎo)系統(tǒng)的攔截過程涉及不同的作戰(zhàn)模塊,通過泳道,將模塊進行區(qū)分。圖6為某型防空反導(dǎo)作戰(zhàn)活動圖。

圖6 某型防空反導(dǎo)系統(tǒng)活動圖

3 采用Petri 網(wǎng)方法的模型驗證

使用UML建立的某型防空反導(dǎo)系統(tǒng)的工作流模型,缺點在于沒有足夠的數(shù)學(xué)理論做支持,不能進行流程評估的驗證,所以該模型可能存在缺陷,隱藏的缺陷在后期仿真中可能造成邏輯和架構(gòu)錯誤,嚴(yán)重影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此在開發(fā)初期應(yīng)進行查找和解決。

Petri網(wǎng)的優(yōu)勢在于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)分析和清晰的圖形顯示,可以詳細地描述系統(tǒng)在防空反導(dǎo)作戰(zhàn)過程中內(nèi)部運動機理[5]。Petri網(wǎng)工作流模型檢驗的思路主要是:首先,完成UML活動圖轉(zhuǎn)化成Petri網(wǎng);然后，對轉(zhuǎn)換后的模型的合理性、自由選擇性以及可達性進行分析,確定轉(zhuǎn)換后模型是否邏輯合理,有無死循環(huán)。

為了對防空反導(dǎo)系統(tǒng)軍事概念模型進行驗證,需要將UML活動圖轉(zhuǎn)化成Petri網(wǎng)模型,轉(zhuǎn)換根據(jù)一定的規(guī)則[7],具體方法如圖7所示。本文采用Pipe 3.0建立Petri模型,其中Petri網(wǎng)的庫所對應(yīng)UML的活動狀態(tài),發(fā)生的變遷采用有向?qū)嵕€表示;Petri網(wǎng)的分支選擇與合并選擇對應(yīng)菱形;同步分支和同步匯合用實心條形。

圖7 活動圖轉(zhuǎn)換規(guī)則

3.1 某型防空反導(dǎo)作戰(zhàn)Petri網(wǎng)模型

根據(jù)轉(zhuǎn)化規(guī)則,得到將某型防空反導(dǎo)系統(tǒng)活動圖轉(zhuǎn)換后的Petri網(wǎng)模型,圖 8 即模型按規(guī)則轉(zhuǎn)換結(jié)果。Petri網(wǎng)中P是位置節(jié)點的有限集合,在該系統(tǒng)中代表警戒雷達、指揮平臺、引導(dǎo)系統(tǒng)，以及攔截導(dǎo)彈,而T表示變遷，指的是UML活動圖中的活動,一共可以產(chǎn)生28種狀態(tài),具體變遷如表1所示。

3.2 系統(tǒng)的可達性與合理性分析

通過Petri 網(wǎng)的可達性分析主要是通過繪制可達圖完成的,可達圖也是系統(tǒng)業(yè)務(wù)過程的一種重要精確的表達形式,可以使系統(tǒng)的每一種狀態(tài),以及狀態(tài)到達的順序準(zhǔn)確掌握。

給定Petri網(wǎng)(P,T,F,M0)和標(biāo)識M,如果存在發(fā)射系列σ(σ=t1,t2,…,tn)可以使M0變遷為M,則稱M0是可達的。所有可達標(biāo)識的集合用[M0>或R(M0)表示。可達圖是用圖形來描述求取M∈[M0>的過程。

表1 Petri網(wǎng)模型中變遷元素含義

圖8中一共有28種狀態(tài),但是狀態(tài)的發(fā)生之間是存在關(guān)聯(lián)的。一個狀態(tài)需要另一個狀態(tài)觸發(fā)。例如Petri網(wǎng)中t2分支為t3或t4,只有在信息融合后才能對目標(biāo)身份進行確認(rèn),身份不確定與可達圖中表示為僅在P(t3)的狀態(tài)時,才會進入后續(xù)的P(t4)與P(t5)狀態(tài)。因此存在發(fā)射系列σ(σ=t1,t2,…,t28)可以使M0變遷為M,所以該模型滿足了可達性。

圖8 某型防空反導(dǎo)作戰(zhàn)Petri網(wǎng)模型

Petri 網(wǎng)的合理性意味著,每個系統(tǒng)中的任務(wù)都會被完成,在圖中就是輸入start和結(jié)束end節(jié)點之間的路徑上可以覆蓋全部任務(wù)。為證明所有任務(wù)處于路徑之上,首先,防空作戰(zhàn)任務(wù)啟動后,令牌由start向end變遷,而任務(wù)的狀態(tài)也從起始向結(jié)束狀態(tài)轉(zhuǎn)變,而當(dāng)作戰(zhàn)任務(wù)結(jié)束時,令牌全部到達end節(jié)點,過程節(jié)點不存在令牌;然后可達圖可以體現(xiàn)全部狀態(tài)都可被執(zhí)行,系統(tǒng)無死循環(huán);所以從兩點,證明該防空反導(dǎo)模型動態(tài)模型是合理的。

3.3 工作流的選擇性分析

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的變遷t1和t2共享一個輸入庫所,即t1∩·t2≠?, 則該庫所的分支選擇狀況包含這2個變遷,輸入庫所可對分支自由選擇;所以,t1=·t2即變遷與輸入庫所相匹配。

在Petri網(wǎng)模型圖8可見:變遷t3和t4共享輸入庫所P3;t7和t8共享輸入庫所P6;t11和t12共享輸入庫所P9;t24和t25共享輸入庫所P27,庫所具有相同的輸入集合,能夠體現(xiàn)工作流網(wǎng)的選擇性。

通過圖8與圖9的驗證,證明基于UML對該防空反導(dǎo)作戰(zhàn)建立的模型是可行的。

圖9 某型防空反導(dǎo)作戰(zhàn)的可達圖

4 結(jié)束語

某型防空反導(dǎo)系統(tǒng)是近些年獲得國際認(rèn)可的新一代反導(dǎo)系統(tǒng),并出口部署多個國家,也是未來我軍發(fā)展區(qū)域防空反導(dǎo)系統(tǒng)的一個借鑒標(biāo)桿。本文對該型系統(tǒng)的作戰(zhàn)進行了概念建模研究,采用UML方法分別進行靜態(tài)和動態(tài)活動建模,通過Petri網(wǎng)方法對某型號防空反導(dǎo)系統(tǒng)軍事概念模型的合理性和有效性及自由性進行了驗證。研究表明該方法切實可行,可為后續(xù)的深層次的作戰(zhàn)流程仿真優(yōu)化等研究鋪墊基礎(chǔ),具有一定的現(xiàn)實意義。