基于三維有限狀態(tài)機(jī)的作戰(zhàn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

江蓮　王鑫

摘? 要： 針對(duì)大型復(fù)雜裝備作戰(zhàn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)中按照整個(gè)作戰(zhàn)過(guò)程的時(shí)間順序進(jìn)行分組，分組試驗(yàn)合成效率低的問(wèn)題，本文提出一種基于三維有限狀態(tài)機(jī)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，考慮了時(shí)間、邏輯、認(rèn)知三個(gè)維度的約束條件，能夠真實(shí)體現(xiàn)作戰(zhàn)過(guò)程中的行為時(shí)間、戰(zhàn)法規(guī)則、作戰(zhàn)策略，滿(mǎn)足了作戰(zhàn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的需求。在工程實(shí)現(xiàn)上，建立了試驗(yàn)方案生成框架，保證了分組試驗(yàn)的合成效率，同時(shí)提高了試驗(yàn)的可操作性。以體系協(xié)同搜反潛為例進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)例證明，方法充分體現(xiàn)了行為的時(shí)間效應(yīng)、兵力對(duì)抗行為邏輯、多種作戰(zhàn)策略，明顯提升了試驗(yàn)效率。

關(guān)鍵詞： 有限狀態(tài)機(jī);試驗(yàn)設(shè)計(jì);作戰(zhàn)試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP391.41? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 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(dāng)前試驗(yàn)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，大多采用正交設(shè)計(jì)等經(jīng)典方法，采用析因、正交、列鏈表、超立方等方法[1]，可以得出多因素影響試驗(yàn)的整體解決方案，但應(yīng)用于作戰(zhàn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)中具有一定的局限性，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是作戰(zhàn)試驗(yàn)具有很強(qiáng)的時(shí)間相關(guān)性，傳統(tǒng)方法[2-6]將整個(gè)試驗(yàn)拆分成多個(gè)試驗(yàn)單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)法保證多個(gè)試驗(yàn)合成之后的效果，難以滿(mǎn)足作戰(zhàn)影響因素與作戰(zhàn)效果之間在時(shí)間順序上的因果關(guān)系;二是外場(chǎng)試驗(yàn)影響因素難以控制，不可能實(shí)施所有試驗(yàn)方案，真正的作戰(zhàn)試驗(yàn)只能在大量設(shè)計(jì)方案中優(yōu)選出代表性的方案進(jìn)行試驗(yàn)，因此試驗(yàn)資源的利用效率是作戰(zhàn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)需要考慮的重點(diǎn)問(wèn)題。現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)在降低外場(chǎng)試驗(yàn)樣本量要求方面仍然不能滿(mǎn)足實(shí)際需求[7]～[14]難以在工程上實(shí)踐應(yīng)用。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種三維有限狀態(tài)機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)定義行為-時(shí)間函數(shù)，集成行為邏輯規(guī)則，作戰(zhàn)策略認(rèn)知分析等步驟，建立三維聚合框架;根據(jù)作戰(zhàn)進(jìn)程中行為的時(shí)間、邏輯、認(rèn)知維度關(guān)聯(lián)性，聚合以多層級(jí)鏈路為架構(gòu)的試驗(yàn)過(guò)程，給出仿真試驗(yàn)方案。與現(xiàn)有正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)相比，克服時(shí)序分組試驗(yàn)的綜合集成率低、無(wú)法體現(xiàn)兵力對(duì)抗行為邏輯、難以體現(xiàn)多種作戰(zhàn)策略等缺點(diǎn)。

1? 基于三維有限狀態(tài)機(jī)的作戰(zhàn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

艦船裝備作戰(zhàn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)需要在時(shí)間、邏輯、認(rèn)知維度內(nèi)探索三類(lèi)不同的問(wèn)題，給出相應(yīng)的解決方案。在時(shí)間維度內(nèi)，各兵力的行為可以按照時(shí)間順序進(jìn)行規(guī)劃，體現(xiàn)行為的時(shí)間效應(yīng)，即行為是時(shí)間的函數(shù)。在邏輯維度內(nèi)，各兵力的行為之間具有多種規(guī)則，可形成不同的邏輯順序，即行為之間存在邏輯關(guān)系。在認(rèn)知維度內(nèi)，按照不同的認(rèn)知層次，可以劃分不同的作戰(zhàn)策略。

復(fù)雜系統(tǒng)可視為多種分系統(tǒng)或單元的不同行為在時(shí)間、邏輯、認(rèn)知維度上的有機(jī)關(guān)聯(lián)，根據(jù)三維空間內(nèi)變量之間的約束條件，可判斷試驗(yàn)空間內(nèi)存在可優(yōu)化的方案，使試驗(yàn)的效果達(dá)到目標(biāo)極值。因此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)并組成復(fù)雜系統(tǒng)中各單元的行為鏈路，使試驗(yàn)方案科學(xué)可行并且能夠反映試驗(yàn)的時(shí)間、規(guī)則、策略等特性。基于三維有限狀態(tài)機(jī)的作戰(zhàn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的具體步驟如下：

（1）分析操作流程，按照時(shí)間限制條件連接試驗(yàn)中各單元的行為，建立行為的時(shí)序集。在時(shí)間維度內(nèi)，時(shí)序集是各作戰(zhàn)行為的時(shí)間約束條件，行為可以根據(jù)時(shí)序集內(nèi)的條件建立連接，形成行為串行結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

（2）分析行為規(guī)則，按照邏輯關(guān)系定義多種不同行為連接條件下的規(guī)則，建立行為規(guī)則集。在邏輯維內(nèi)，規(guī)則集是各種作戰(zhàn)行為之間互為前提、互為因果的約束條件，按照作戰(zhàn)常識(shí)定義規(guī)則集，如圖2所示，將行為的串行結(jié)構(gòu)通過(guò)規(guī)則連接在一起，形成以二維網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)的行為通路。

（3）分析系統(tǒng)的行為策略，按照認(rèn)知層次制定多種策略，建立行為策略集;在認(rèn)知維內(nèi)，策略集是對(duì)作戰(zhàn)意圖整體認(rèn)知的約束條件，每個(gè)作戰(zhàn)策略可以用一個(gè)或幾個(gè)二維行為通路來(lái)表達(dá)，如圖3所示，按照對(duì)作戰(zhàn)的理解與認(rèn)知約束條件，將不同的作戰(zhàn)行為通路組合，集成三維行為鏈路。

（4）按照時(shí)間-邏輯-認(rèn)知三維架構(gòu)，輸出試驗(yàn)設(shè)計(jì)文件，如圖4所示。

2? 三維有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)方法

2.1? 概念模型

其中 是各單元行為的集合;E是試驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)行為的有限狀態(tài)集合;f0是試驗(yàn)的起始狀態(tài)，標(biāo)識(shí)系統(tǒng)行為的開(kāi)始;ft是試驗(yàn)的終止?fàn)顟B(tài)，標(biāo)識(shí)系統(tǒng)行為的結(jié)束。 是一個(gè)從空間 到 的映射函數(shù)，與傳統(tǒng)二維有限狀態(tài)機(jī)[15]～[17]不同，三維有限狀態(tài)機(jī)包含三個(gè)映射函數(shù)，即在時(shí)間維、邏輯維、認(rèn)知維內(nèi)三類(lèi)約束條件，形成三個(gè)子函數(shù)

對(duì)于作戰(zhàn)過(guò)程可采取行為的數(shù)量是一定的， 是各單元行為的集合，為有限狀態(tài)集。映射函數(shù)相當(dāng)于作戰(zhàn)規(guī)則下輸入行為到輸出行為的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系，映射函數(shù)不變條件下，行為與行為之間的連接具有某種約束，即有些行為到行為的鏈路不能滿(mǎn)足實(shí)際作戰(zhàn)要求。因此，映射函數(shù) 將簡(jiǎn)單排列組合得出的行為鏈路中不符合作戰(zhàn)規(guī)則的行為鏈路排除在外，只保留了滿(mǎn)足映射規(guī)則的行為鏈路，從而實(shí)現(xiàn)了作戰(zhàn)行為有機(jī)聚合。

2.2? 仿真步驟

根據(jù)行為與行為之間的時(shí)間、規(guī)則、策略關(guān)聯(lián)，構(gòu)建行為聚合框架圖，聚合作戰(zhàn)行為鏈路。由于行

為在三維空間內(nèi)的連接存在組合爆炸問(wèn)題，因此，需構(gòu)建聚合框架用于試驗(yàn)方案篩選，把不符合現(xiàn)實(shí)行為邏輯的錯(cuò)誤鏈路剔除，聚合出具有實(shí)際意義的鏈路。仿真過(guò)程分為以下5個(gè)步驟，如圖5所示。

（1）采用基于進(jìn)程的架構(gòu)，定義最初的開(kāi)始行為 和終止行為 ;

（2）在開(kāi)始行為和終止行為中間，定義多個(gè)中間狀態(tài) ，行為之間可發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移;

（3）采用弧線連接各個(gè)行為，為每次行為分支選擇和行為狀態(tài)轉(zhuǎn)換提供通路;

（4）根據(jù)現(xiàn)有行為之間的約束條件，包含時(shí)間 、邏輯 、認(rèn)知 三個(gè)維度內(nèi)的約束條件，標(biāo)定從上一行為到下一行為連接弧線上的條件;

（5）從開(kāi)始行為到終止行為之間的多個(gè)弧線及節(jié)點(diǎn)組成行為聚合框架圖。

執(zhí)行上述步驟，如果一條行為鏈路能夠從開(kāi)始狀態(tài)經(jīng)過(guò)多個(gè)中間行為走到終止?fàn)顟B(tài)，則該行為鏈路符合實(shí)際作戰(zhàn)規(guī)則，可以作為試驗(yàn)備選方案，反之則不能。

2.3? 代碼實(shí)現(xiàn)

仿真步驟一及步驟二主要是對(duì)狀態(tài)的定義，采用枚舉法實(shí)現(xiàn)，代碼如下：

enum State

{

STATE_f0 ， STATE_ft ， STATE_fi

}

對(duì)于步驟三中的連接弧線可以看成是條件跳轉(zhuǎn)，在實(shí)現(xiàn)之前需要先對(duì)條件進(jìn)行分類(lèi)定義，代碼如下：

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

}

分析作戰(zhàn)行為約束條件，確定行為約束條件所屬的維度類(lèi)型;在該維度內(nèi)匹配條件值，找出所有符合要求的行為，假設(shè)存在n個(gè)行為，逐一判斷其是否符合行為的上下文條件;如果符合就轉(zhuǎn)到下一階段行為的定位和匹配，如果不符合就繼續(xù)進(jìn)行模式識(shí)別;直至找到模式匹配的行為鏈路，或遇到行為結(jié)束。采用Switch語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)步驟四及步驟五，代碼如下：

void 3DFSM：：link（Input input）

{

switch （Permit）

{

case Time_permit? %時(shí)間排序

if （input==fi）

{

find

if（Time_permit i< Time_permit i+1）

{

=

Time_permit_Ti=0

}

else

=

end

}

case Rule_permit? %規(guī)則列舉

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(zhuǎn)

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? 實(shí)例

3.1? 建立三維有限狀態(tài)機(jī)

以體系協(xié)同搜反潛作戰(zhàn)試驗(yàn)為例，說(shuō)明試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。列舉體系協(xié)同搜反潛任務(wù)中所有行為，分析時(shí)間、邏輯、認(rèn)知三個(gè)維度內(nèi)的行為約束條件，如圖6所示。

3.1.1? 行為時(shí)序分析

綜合分析體系協(xié)同搜反潛作戰(zhàn)過(guò)程的時(shí)間約束

條件，由于武器裝備航路規(guī)劃的有效性隨時(shí)間增加而迅速降低，超出時(shí)間航路無(wú)效，攻擊行為失敗。因此如果采用發(fā)現(xiàn)即攻擊戰(zhàn)法，引導(dǎo)時(shí)間不能超過(guò)武器裝備的時(shí)限要求。

3.1.2? 行為規(guī)則分析

體系協(xié)同搜反潛作戰(zhàn)行為規(guī)則與一般作戰(zhàn)原則差異不大，主要區(qū)別在于引導(dǎo)后的行為選擇上，在引導(dǎo)、搜索、攻擊、防御行為中，比較各種行為互為前提的可能，得出7項(xiàng)行為規(guī)則如下：引導(dǎo)后搜索、搜索未發(fā)現(xiàn)后擴(kuò)大范圍繼續(xù)搜索、搜索后緊急攻擊、防御后應(yīng)急攻擊、攻擊后迅速轉(zhuǎn)入防御、攻擊后發(fā)起二次攻擊、搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后轉(zhuǎn)入防御。

3.1.3? 作戰(zhàn)策略分析

體系協(xié)同搜反潛作戰(zhàn)策略分為以下兩種：一是攻擊主導(dǎo)的作戰(zhàn)策略，探索平臺(tái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后武器平臺(tái)給予快速打擊，并且在短時(shí)間內(nèi)發(fā)起二次攻擊，實(shí)現(xiàn)迅速消滅作戰(zhàn)對(duì)手的目的;二是防御主導(dǎo)的作戰(zhàn)策略，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后隨即轉(zhuǎn)入進(jìn)一步縮小范圍精確搜索并轉(zhuǎn)入防御狀態(tài)。

3.2? 試驗(yàn)方案生成

應(yīng)用基于三維有限狀態(tài)機(jī)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，繪制行為聚合框架圖，見(jiàn)圖7，根據(jù)聚合框架生成試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。該試驗(yàn)方案共包含13次試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際作戰(zhàn)試驗(yàn)需求對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目合理性、可操性進(jìn)行分析，所有試驗(yàn)均滿(mǎn)足要求。

3.3? 方法性能對(duì)比

根據(jù)上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，可以將其與正交設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)的有限狀態(tài)機(jī)法進(jìn)行對(duì)比，三種方法在各個(gè)性能參數(shù)上的差異見(jiàn)表2。由表中數(shù)據(jù)可以看出，本文提出的方法在性能上優(yōu)于其它方法，并且明顯提升了試驗(yàn)效率。

4? 結(jié)論

針對(duì)作戰(zhàn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)中時(shí)序分組試驗(yàn)的綜合集成率低、無(wú)法體現(xiàn)兵力對(duì)抗行為邏輯、難以體現(xiàn)多種作戰(zhàn)策略等難題，提出基于三維有限狀態(tài)機(jī)的試驗(yàn)

設(shè)計(jì)方法，其特征如下：

（1）構(gòu)設(shè)基于時(shí)間維、邏輯維、認(rèn)知維的三維試驗(yàn)設(shè)計(jì)框架，充分考慮了試驗(yàn)中時(shí)間、規(guī)則、策略等約束條件，使試驗(yàn)方案更加可行，實(shí)現(xiàn)了由復(fù)合層級(jí)行為鏈路到復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的準(zhǔn)確還原表達(dá)。

（2）給出了基于三維有限狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法，并通過(guò)體系協(xié)同搜反潛實(shí)例加以證明，說(shuō)明本文方法具備工程上的可操作性。

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