何紅悅，蔣 猛，李瑞陽

（陸軍工程大學(xué)指揮控制工程學(xué)院，南京 210007）

0 引言

在體系對抗時(shí)代，指揮信息系統(tǒng)需要各個(gè)子系統(tǒng)在相應(yīng)條令條例的指導(dǎo)下相互協(xié)作，最大限度地發(fā)揮整體作戰(zhàn)效能，完成體系作戰(zhàn)任務(wù)。各個(gè)子系統(tǒng)之間的相互協(xié)作會在體系層面產(chǎn)生涌現(xiàn)行為，涌現(xiàn)行為會影響作戰(zhàn)任務(wù)的完成情況［1］。通過對指揮信息系統(tǒng)的涌現(xiàn)行為進(jìn)行研究，可以進(jìn)一步認(rèn)識指揮信息系統(tǒng)涌現(xiàn)行為產(chǎn)生的機(jī)理，從而更加有效地促使涌現(xiàn)行為朝著有利于作戰(zhàn)任務(wù)的方向發(fā)展，最終更好地指導(dǎo)指揮信息系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)體系作戰(zhàn)。

目前對指揮信息系統(tǒng)的涌現(xiàn)行為進(jìn)行分析，主要應(yīng)用DoDAF 的相關(guān)產(chǎn)品模型。但這些產(chǎn)品模型是以數(shù)據(jù)為中心構(gòu)建的，各個(gè)產(chǎn)品模型之間強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的一致性，而忽略了行為模型的仿真能力。如果要對這些模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，需要將它們轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的仿真模型（例如Petri 網(wǎng)模型），在行為模型到仿真模型的轉(zhuǎn)換過程中會造成語義丟失，影響仿真效果。

基于Petri 網(wǎng)和各種擴(kuò)展Petri 網(wǎng)的仿真方法，是廣泛應(yīng)用的行為模型分析方法。如果行為模型是采用面向?qū)ο笳Z言構(gòu)建的，例如：UML、SysML 等，則要定義UML 或SysML 模型元素到Petri 網(wǎng)模型元素的映射規(guī)則，然后再將相應(yīng)的模型（例如：類圖、活動(dòng)圖等）形式化為Petri 網(wǎng)模型，但目前還沒有一個(gè)通用的自動(dòng)分析系統(tǒng)行為模型的方法及工具［2］。美國George Mason 大學(xué)C3I 研究中心將面向?qū)ο蠹夹g(shù)和Petri 網(wǎng)相結(jié)合，使面向離散事件的建模方法能夠支持自底向上或由頂而下的建模，又增強(qiáng)了模型的可重用性［3］。文獻(xiàn)［4］使用元胞自動(dòng)機(jī)來研究武器裝備體系的涌現(xiàn)模型。文獻(xiàn)［5］則利用本體技術(shù)和對象Petri 網(wǎng)來研究C4ISR 體系結(jié)構(gòu)可執(zhí)行模型的構(gòu)建與驗(yàn)證方法。但基于Petri 網(wǎng)的模型仿真方法存在狀態(tài)空間爆炸、模型轉(zhuǎn)換過程中丟失語義等問題。

進(jìn)程代數(shù)是關(guān)于通信并發(fā)系統(tǒng)的代數(shù)的統(tǒng)稱，是用代數(shù)方法研究系統(tǒng)行為的一門學(xué)科。近年來，各種改進(jìn)的進(jìn)程代數(shù)模型不斷推出，進(jìn)程代數(shù)理論正在被越來越多地應(yīng)用于各種復(fù)雜并發(fā)系統(tǒng)的仿真分析中。代飛等［6］以ACP（Algebra of Communicating Process）為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了軟件演化模型代數(shù)，來研究分析軟件的演化行為。郭峰等［7］融合了進(jìn)程代數(shù)與Petri 網(wǎng)模型，設(shè)計(jì)了一種新的融合進(jìn)程代數(shù)特征的Petri 網(wǎng)模型——進(jìn)程網(wǎng)模型。趙峰等［8］使用性能評價(jià)進(jìn)程代數(shù)來對防空指揮系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。進(jìn)程代數(shù)的并發(fā)機(jī)制可以很好地描述系統(tǒng)的并發(fā)行為和交互行為。

本文研究了指揮信息系統(tǒng)涌現(xiàn)行為的產(chǎn)生機(jī)理，將其總結(jié)為以下規(guī)律：

1）作戰(zhàn)活動(dòng)根據(jù)事件（或信息）作出反應(yīng)，對輸入進(jìn)行處理并產(chǎn)生最終的輸出（或信息），復(fù)雜的作戰(zhàn)活動(dòng)可能會有多個(gè)輸入，并產(chǎn)生若干個(gè)不同的輸出。

2）指揮信息系統(tǒng)涉及到不止一種作戰(zhàn)活動(dòng)，多種作戰(zhàn)活動(dòng)相互交互構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，作戰(zhàn)活動(dòng)會在網(wǎng)絡(luò)中臨近的作戰(zhàn)活動(dòng)中產(chǎn)生影響。

3）多種作戰(zhàn)活動(dòng)連接起來，會產(chǎn)生一些存在相互作用作戰(zhàn)活動(dòng)的所有可能性的集合。

4）基本作戰(zhàn)活動(dòng)可以建立更復(fù)雜作戰(zhàn)活動(dòng)。

根據(jù)以上規(guī)律，抽象出作戰(zhàn)活動(dòng)、狀態(tài)、作戰(zhàn)活動(dòng)交互和體系行為4 個(gè)關(guān)鍵概念。針對這4 個(gè)概念，應(yīng)用分層描述思想，在系統(tǒng)交互層和體系展現(xiàn)層分別對涌現(xiàn)行為進(jìn)行描述。在系統(tǒng)交互層采用擴(kuò)展的UML 作為建模語言，在體系展現(xiàn)層，定義了業(yè)務(wù)進(jìn)程代數(shù)，使用進(jìn)程代數(shù)的跡來描述涌現(xiàn)行為。以此為基礎(chǔ)，本文采用本體技術(shù)和進(jìn)程代數(shù)仿真，從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面對指揮信息系統(tǒng)的涌現(xiàn)行為進(jìn)行分析，靜態(tài)分析檢查涌現(xiàn)行為的概念一致性，動(dòng)態(tài)分析則通過進(jìn)程項(xiàng)的跡的仿真，實(shí)現(xiàn)涌現(xiàn)行為的可執(zhí)行仿真。

1 一致性分析方法

為了驗(yàn)證涌現(xiàn)行為在系統(tǒng)交互層的概念一致性，需要將涌現(xiàn)行為在系統(tǒng)交互層的模型形式化為OWL DL 本體。參考DoDAF2.0 中國防部體系結(jié)構(gòu)框架元模型（DoDAF Meta-Model，DM2）與相關(guān)視圖元素的描述關(guān)系［9］。將構(gòu)建的涌現(xiàn)行為在系統(tǒng)交互層概念模型中的概念及其關(guān)系映射到OWL DL 本體中的類定義和關(guān)系定義，將構(gòu)建的涌現(xiàn)行為在系統(tǒng)交互層模型中的具體對象及其關(guān)系映射到OWL DL本體中的個(gè)體聲明和關(guān)系聲明，同時(shí)將涌現(xiàn)行為在系統(tǒng)交互層的一些規(guī)則信息用語義網(wǎng)規(guī)則語言描述成OWL DL 本體中的DL-Safe 規(guī)則（如圖1 所示），由此得到涌現(xiàn)行為系統(tǒng)交互層的OWL DL 本體。

在對概念模型中的概念和關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，定義了如下轉(zhuǎn)換算法：

將涌現(xiàn)行為在系統(tǒng)交互層的概念一致性定義為不同產(chǎn)品模型中同一種數(shù)據(jù)元素的描述必須一致。如果同一數(shù)據(jù)在不同模型中的描述有差別，則在構(gòu)建OWL DL 本體時(shí)，該數(shù)據(jù)元素會被聲明為兩個(gè)不同類概念的個(gè)體，會造成OWL DL 本體的不一致，OWL DL 本體的不一致可以通過本體推理工具如Pellet［10］等檢查出來。

2 可執(zhí)行仿真方法

圖2 進(jìn)程變遷樹

在BAPA 語義中，進(jìn)程項(xiàng)的變遷是由活動(dòng)或條件來驅(qū)動(dòng)的，每個(gè)進(jìn)程項(xiàng)都有自己的響應(yīng)活動(dòng)或響應(yīng)條件，進(jìn)程項(xiàng)只有在自己的響應(yīng)活動(dòng)或響應(yīng)條件發(fā)生時(shí)，才會發(fā)生變遷。進(jìn)程項(xiàng)p 的響應(yīng)活動(dòng)或響應(yīng)條件集合定義如下。

定義1 進(jìn)程項(xiàng)p 的響應(yīng)活動(dòng)或響應(yīng)條件集合Resp（p）定義為：

進(jìn)程項(xiàng)在自己的響應(yīng)活動(dòng)或響應(yīng)條件發(fā)生時(shí)，依據(jù)進(jìn)程變遷規(guī)則發(fā)生變遷，根據(jù)這些進(jìn)程變遷規(guī)則來構(gòu)建進(jìn)程項(xiàng)的進(jìn)程變遷樹。

通過對初始進(jìn)程項(xiàng)的進(jìn)程變遷樹進(jìn)行遍歷，得到涌現(xiàn)行為的可執(zhí)行仿真過程。為了實(shí)現(xiàn)最終的涌現(xiàn)行為可執(zhí)行仿真，需要將執(zhí)行過程中的作戰(zhàn)活動(dòng)依次調(diào)用相關(guān)的動(dòng)作語義代碼進(jìn)行執(zhí)行。將涌現(xiàn)行為的可執(zhí)行仿真劃分成3 個(gè)階段：準(zhǔn)備階段、執(zhí)行階段和反饋階段，如圖3 所示。

圖3 涌現(xiàn)行為可執(zhí)行仿真

2.1 準(zhǔn)備階段

2.2 執(zhí)行階段

執(zhí)行階段除了需要準(zhǔn)備階段提供的初始進(jìn)程項(xiàng)的進(jìn)程變遷樹以外，還需要?jiǎng)幼髡Z義代碼庫、執(zhí)行對象集合和信息棧。本文研究的擴(kuò)展UML 建模語言定義了相關(guān)的動(dòng)作語義，為每個(gè)動(dòng)作語義編寫程序代碼，構(gòu)成動(dòng)作語義代碼庫。模型執(zhí)行時(shí)的相關(guān)對象則存放在執(zhí)行對象集合中，信息棧則存放模型執(zhí)行時(shí)產(chǎn)生的相關(guān)信息。在模型執(zhí)行階段，首先遍歷初始進(jìn)程項(xiàng)的進(jìn)程變遷樹來獲取活動(dòng)執(zhí)行序列，然后從活動(dòng)執(zhí)行序列中依次取出一個(gè)活動(dòng)，從動(dòng)作語義代碼庫中找到該活動(dòng)執(zhí)行時(shí)所需動(dòng)作語義的相關(guān)代碼。如果該活動(dòng)的執(zhí)行對象不在執(zhí)行對象集合中，調(diào)用對象動(dòng)作語義代碼產(chǎn)生執(zhí)行對象并添加到執(zhí)行對象集合中，然后調(diào)用執(zhí)行對象來執(zhí)行相關(guān)代碼。如果該活動(dòng)是發(fā)送信息活動(dòng)，則調(diào)用相關(guān)動(dòng)作語義代碼產(chǎn)生信息對象并添加到信息棧中，如果該活動(dòng)是接收信息活動(dòng)，則調(diào)用相關(guān)動(dòng)作語義代碼從信息棧中找到相關(guān)信息對象并讀取它。當(dāng)活動(dòng)執(zhí)行序列的活動(dòng)全部執(zhí)行結(jié)束后，調(diào)用相關(guān)動(dòng)作語義代碼刪除所有的執(zhí)行對象和信息對象。

2.3 反饋階段

這一階段的工作主要是將活動(dòng)執(zhí)行序列中每個(gè)活動(dòng)的執(zhí)行情況和模型的最終執(zhí)行結(jié)果反饋給用戶。

3 結(jié)論

指揮信息系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜體系，由于其行為的涌現(xiàn)特性，使得行為分析一直是需求分析中的難點(diǎn)。本文研究了指揮信息系統(tǒng)涌現(xiàn)行為的分層描述方法，從系統(tǒng)交互層和體系展現(xiàn)層對涌現(xiàn)行為進(jìn)行描述。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)涌現(xiàn)行為在兩個(gè)層次上的不同表示，采用不同方法分別進(jìn)行有針對性的分析。在系統(tǒng)交互層，應(yīng)用本體技術(shù)分析其概念一致性；在體系展現(xiàn)層，利用進(jìn)程代數(shù)仿真實(shí)現(xiàn)涌現(xiàn)行為的可執(zhí)行仿真。該方法從靜態(tài)概念和動(dòng)態(tài)行為兩方面對涌現(xiàn)行為進(jìn)行分析，探索了一個(gè)涌現(xiàn)行為分析的新方法。后續(xù)將針對涌現(xiàn)行為分析的內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展和細(xì)化，實(shí)現(xiàn)更細(xì)致的分析檢查。