基于 UML和 Petri网的防空反导系统建模

付志晔，瞿连政，陈 聪

(国防科技大学信息通信学院，湖北 武汉 430010)

摘 要 :以某型防空反导系统为对象,依据系统的作战流程从用例图、类图和活动图等方面对其进行了概念建模,并结合Petri网支持评估验证的特点,实现了从UML模型到Petri网模型的映射与转换,并从可达性、合理性、自由选择等多个方面对建模的过程进行了分析与验证,为下一步基于某型防空反导系统的实体仿真及优化研究铺垫了基础。

关键词 :军事概念建模;防空反导系统;UML;Petri网

作战仿真主要目的是实现现实世界到仿真模型的映射。其中,军事概念模型完成的工作主要是对现实世界完成抽象后,构建面向领域和面向设计的概念模型。采用概念建模,能够将军事专家非技术人员掌握的特定军事领域知识(Domain Knowledge)转化为被技术人员与军事运筹人员所理解的显性知识(Explicit Knowledge),为进行系统的仿真开发奠定良好的知识表示基础^[1]。统一建模语言(Unified Modeling Language,UML)是一种定义良好、易于表达、功能强大的建模语言,能够描述静态及动态面向对象系统^[2],也是用军事概念建模的重要工具。

本文以某型防空反导系统为例,采用UML对该型防空反导作战仿真概念建模进行初步的探讨,并对模型的合理性使用Petri网进行了验证。

1 某型防空反导系统的组成及任务流程

1.1 某型防空反导系统的组成

某型防空反导系统主要由指挥控制系统与火力单元组成,标准的反导系统是由6-8个火力单元配备一个指挥控制系统,而单个火力单元最多配备八辆导弹发射车并包含一部相控阵制导雷达。

第一，深化中国—东盟艺术高校国际化艺术人才培养改革。人才培养是高校办学的第一要务。要培养专业素质过硬、专业技术扎实、具有国际化视野的高级艺术专门人才，联盟各高校可加强其他成员的互动，相互借鉴人才培养改革经验，为本校人才培养注入活力。各校在制定人才培养目标、明确培养思路、确定培养形式、总结培养模式等人才培养改革各个环节引入联盟成员高校的成功经验，加强人才协同培养，促使国际化人才培养改革不断深化。

如图1所示，指挥控制系统由俄制C-ΠMY-2采用的30K6E改进而来,可同时指挥的火力单元数量由6个提升到8个。改进的指控系统包含一部作战指挥车以及一部大型相控阵雷达(远程预警雷达),可以在600 km距离上探测和跟踪战斗机巡航导弹等目标,并完成敌我识别、航迹跟踪等任务,此外还具有很强的抗干扰能力,能识别假目标，快速定位有源干扰机的方位。指挥系统可以同时控制8个火力单元,同时发射72枚导弹进行指导,打击36个目标。

废水通过粗格栅、细格栅进入格栅井，利用格栅拦截大的悬浮物和漂浮物，防止堵塞管道及泵体，保证后续处理设备正常运行。格栅渠出水流至调节池。

火力单元中选配一部备用预警雷达,可以将探测目标信息直接传给火控雷达,主要是使火力单元在没有外部信息支持下也具备一定独立作战能力。

图1 某型防空反导系统组成

1.2 某型防空反导系统拦截任务流程

在进行防空反导作战中,某型系统的作战实体主要由远程预警雷达、作战指挥车、火控雷达,装配各型号导弹的发射车组成, 其拦截的过程主要有如下几个环节组成。

实施拦截计划阶段,需要利用火控雷达对目标跟踪,所以指控中心将需要拦截的目标信息分别下发至各火力单元的火控雷达。一个火控单元内部署的导弹发射车包含多种射程的导弹,火控雷达会根据与目标的距离,在近程、中程以及中远程导弹中进行选择。由于导弹在一定拦截区域内具有最优拦截效果,所以火控雷达计算目标飞行轨迹在最佳拦截区域进行拦截,完成计算后所有信息将会被装订入导弹的导航和控制系统。

制定拦截计划阶段,指控中心通过获取的信息以及数据库对目标进行识别并分类,然后根据火力单元位置和距离制定拦截计划,并在拦截能力不足时优先拦截威胁较大的目标。

首先是警戒阶段,在此阶段系统获取早期预警信息的方法主要是通过远程预警雷达对空中目标探测,以及其他早期预警雷达所获取的信息。信息获取后会被传输至指挥中心分析处理。

Bandura的社会学习理论认为，人的侵犯行为倾向由早年学习获得。研究也证实，侵害有时由工作场所的偶然冲突引起，具有侵犯倾向的员工易被激怒而实施侵犯行为，而受害者会被污点化，他们因无法应对这种情境可能会持续受侵害[13]。研究证实遭受伤害的员工可能反过来以各种手段进行还击。研究者将受害者的应对方式分为四类：自我怀疑、消极应对、问题忽略和问题解决等。采取前两种应对方式的受害者会以类似方法对侵害者加以反击[14]。我们推测曾经有过侵犯行为的员工有可能还会实施侵犯行为，而受到过侵犯的员工可能还会受侵犯，或者他们会报复，或者他们会侵犯那些更容易受侵犯的员工。

对系统用例描述首先要进行明确UML用例的定义,然后进行用例的分析。

该型防空反导系统的火力单元配备多部地空导弹发射车和三坐标火控雷达以及一部较小的警戒雷达,在战斗状态下可以完成搜索、跟踪、制导、反电子干扰等任务。系统标配的导弹按射程分为远、中、近三个类型,远程导弹射程可达400 km,中远程的导弹射程250 km左右,近程导弹射程为40-120 km^[3]。

导弹完成打击后,需要由雷达收集目标信号以进行毁伤评估,如果没有拦截到目标,则跟踪目标开始发动第二轮打击。如图2所示。

图2 防空反导作战指挥流程图

2 基于UML的防空反导作战系统概念建模

用UML描述概念模型一般步骤如下^[1]:

Petri网的优势在于严谨的数学分析和清晰的图形显示,可以详细地描述系统在防空反导作战过程中内部运动机理^[5]。Petri网工作流模型检验的思路主要是:首先,完成UML活动图转化成Petri网;然后，对转换后的模型的合理性、自由选择性以及可达性进行分析,确定转换后模型是否逻辑合理,有无死循环。

第二步 明确第一步用例中的实体,并使用静态图进行描述:用类图对实体进行细化的描述;

第三步 明确第一步实体中的各种活动以及行为,使用动态图进行描述，可以选择的方式主要有时序图,活动图以及交互图等,对用例图完善。

2.1 防空反导作战建模中用例描述

预定时间导弹会被发射,同时为确保完成摧毁,一般使用两枚导弹对每个目标拦截,通常在第一枚导弹发射后的1 500 ms-5 000 ms时间段内发射第二枚导弹。发射导弹后,对于不同型号导弹需要导引方式不同,近程型号与远程型导弹需要火控雷达进行指令修正,直至导弹的主动雷达导引头开始运作,而中程型导弹在击中目标前都需要持续跟踪制导。

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UML用例的定义是:系统执行的一组动作序列,这些动作可以产生一个特定参与者可观察的数值结果。这些动作会涉及与多个参与者(用户和其他系统)的通信,以及在系统内部执行的计算和任务^[2]。

在某型防空反导作战系统的用例分析中,系统要实现的需求就是进行空中拦截,而系统为了完成功能的动作序列就是用例:由发现目标到打击包含侦察监视目标、制定作战方案、对导弹导引以及发射导弹等动作序列。具体的用例如图3所示。

图3 某型防空反导系统用例图

2.2 防空反导作战系统的对象组成

完成系统的功能需求定义以及需求分析之后,要进行面向对象建模核心工作,即对系统中的对象进行分离,已经明确系统由哪些对象所组成。

UML中的工作是:战役战术防空反导作战系统用例模型中的所有实体进行标识,对他们的关联关系进行分析。在俄军的某型系统中,实体主要有六个,分别是指控中心、远程预警雷达,以及备用预警雷达(选配)、火力单元、火控雷达、导弹系统,UML中用类图来表示这些实体,在类图的属性中描述实体的相关内容,用聚合表示系统中实体之间的组合关系,如火控雷达、导弹系统与备用预警雷达可聚合为火力单元。而需要一同完成作战任务的类,可以使用实现关系,如火控雷达制导导弹,所以用实现关系连接两者。因此,UML的类图如图4所示。

图4 某型号防空反导系统类图

2.3 防空反导作战系统动态建模

从防空反导作战系统用例图中可以分析得到反导系统的主要行为,即警戒、制定计划、发射、引导。而从类图的对象关系中获取系统静态结构和部分系统行为信息。在此基础上,可以建立描述系统特殊行为的动态模型,从而展示对象在系统执行过程中不同阶段的动态交互^[4]。为完成UML中对动态活动交互进行建模,可以采用活动图、顺序图或协作图进行描述。这三种图侧重点不同,分别聚焦于工作描述、时间与空间。考虑到在实战中，某型防空反导作战系统聚焦于时间,而在仿真中更加聚焦于工作的流程,因此,本文采用2种图对系统的交互进行描述,分别是采用顺序图描述时间上的交互,采用活动图描述工作上的交互,此外在UML到Petri网的映射转换中,使用活动图更容易根据一定规则进行转换,而顺序图转换则较复杂不易实现。如图5所示,由于备用预警雷达主要在和指挥中心失去联系时使用,故在顺序图中无标识。

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图5 某型防空反导作战系统顺序图

活动图中建立工作流主要通过活动状态、控制流以及初始和结束状态。其中，活动状态、控制流、初始和结束状态分别采用系统圆角矩形、箭头实线以及默认的圆形图标标识。在工作流需要进行分叉或并发时,引入菱形和同步棒;菱形对应分叉,表示在此节点进行OR选择,会产生一个否定情况的工作流或者肯定情况的工作流。同步棒对应并发和分裂。表示此节点会产生一个共同作用的工作流,或者同时分裂的工作流,在时间上是同步的。反导系统的拦截过程涉及不同的作战模块,通过泳道,将模块进行区分。图6为某型防空反导作战活动图。

图6 某型防空反导系统活动图

3 采用Petri 网方法的模型验证

使用UML建立的某型防空反导系统的工作流模型,缺点在于没有足够的数学理论做支持,不能进行流程评估的验证,所以该模型可能存在缺陷,隐藏的缺陷在后期仿真中可能造成逻辑和架构错误,严重影响系统稳定性。因此在开发初期应进行查找和解决。

第一步 逐级建立各种用例图,寻找、建立该模型涉及的所有用例;

为了对防空反导系统军事概念模型进行验证,需要将UML活动图转化成Petri网模型,转换根据一定的规则^[7],具体方法如图7所示。本文采用Pipe 3.0建立Petri模型,其中Petri网的库所对应UML的活动状态,发生的变迁采用有向实线表示;Petri网的分支选择与合并选择对应菱形;同步分支和同步汇合用实心条形。

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图7 活动图转换规则

3.1 某型防空反导作战Petri网模型

根据转化规则,得到将某型防空反导系统活动图转换后的Petri网模型,图 8 即模型按规则转换结果。Petri网中P是位置节点的有限集合,在该系统中代表警戒雷达、指挥平台、引导系统，以及拦截导弹,而T表示变迁，指的是UML活动图中的活动,一共可以产生28种状态,具体变迁如表1所示。

3.2 系统的可达性与合理性分析

通过Petri 网的可达性分析主要是通过绘制可达图完成的,可达图也是系统业务过程的一种重要精确的表达形式,可以使系统的每一种状态,以及状态到达的顺序准确掌握。

多数的酒店管理层没有意识到对于员工的学习与培训的重要性，在人力资本的投入上是比较的不足。虽然知识型员工来自高校，受过高等教育和一定的服务技能的培训，但是毕竟实践经验不足。从学校到社会的一个过渡阶段也是他们想通过真实的社会以及工作过程去学习更多在学校学习不到的知识、经验、技能。有的酒店则急功近利，希望招到的员工一进酒店就能发挥作用，根本不做岗前培训。有些酒店甚至从未给员工任何学习培训或继续学习深造的机会，对知识型员工对自我发展的要求往往比较忽视，使员工感觉酒店的发展空间不大，影响到员工对职业生涯规划。而知识型员工的特征之一就是希望能够不断地更新自己的知识储备和能力，使自己提升到更高的层次。

给定Petri网(P ,T ,F ,M ₀)和标识M ,如果存在发射系列σ (σ =t ₁,t ₂,…,t _n )可以使M ₀变迁为M ,则称M ₀是可达的。所有可达标识的集合用[M ₀>或R (M ₀)表示。可达图是用图形来描述求取M ∈[M ₀>的过程。

表1 Petri网模型中变迁元素含义

图8中一共有28种状态,但是状态的发生之间是存在关联的。一个状态需要另一个状态触发。例如Petri网中t ₂分支为t ₃或t ₄,只有在信息融合后才能对目标身份进行确认,身份不确定与可达图中表示为仅在P (t ₃)的状态时,才会进入后续的P (t ₄)与P (t ₅)状态。因此存在发射系列σ (σ =t ₁,t ₂,…,t ₂₈)可以使M ₀变迁为M ,所以该模型满足了可达性。

图8 某型防空反导作战Petri网模型

Petri 网的合理性意味着,每个系统中的任务都会被完成,在图中就是输入start和结束end节点之间的路径上可以覆盖全部任务。为证明所有任务处于路径之上,首先,防空作战任务启动后,令牌由start向end变迁,而任务的状态也从起始向结束状态转变,而当作战任务结束时,令牌全部到达end节点,过程节点不存在令牌;然后可达图可以体现全部状态都可被执行,系统无死循环;所以从两点,证明该防空反导模型动态模型是合理的。

3.3 工作流的选择性分析

假设网络中的变迁t ₁和t ₂共享一个输入库所,即t ₁∩·t ₂≠Ø, 则该库所的分支选择状况包含这2个变迁,输入库所可对分支自由选择;所以,t ₁=·t ₂即变迁与输入库所相匹配。

在Petri网模型图8可见:变迁t ₃和t ₄共享输入库所P ₃;t ₇和t ₈共享输入库所P ₆;t ₁₁和t ₁₂共享输入库所P ₉;t ₂₄和t ₂₅共享输入库所P ₂₇,库所具有相同的输入集合,能够体现工作流网的选择性。

通过图8与图9的验证,证明基于UML对该防空反导作战建立的模型是可行的。

图9 某型防空反导作战的可达图

4 结束语

某型防空反导系统是近些年获得国际认可的新一代反导系统,并出口部署多个国家,也是未来我军发展区域防空反导系统的一个借鉴标杆。本文对该型系统的作战进行了概念建模研究,采用UML方法分别进行静态和动态活动建模,通过Petri网方法对某型号防空反导系统军事概念模型的合理性和有效性及自由性进行了验证。研究表明该方法切实可行,可为后续的深层次的作战流程仿真优化等研究铺垫基础,具有一定的现实意义。

参考文献 :

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Conceptual Modeling of Air-defense and Anti-missile Combat System Based on UML and Petri Net

FU Zhi-ye, QU Lian-zheng, CHEN Cong

(Academy of Information and Telecommunications, National University of Defense Technology,Wu han 430010,China)

Abstract :The air defense and anti-missile system is taken as the object. Based on the system’s operational process, it makes conceptual modeling from the use case diagram, class diagram and activity diagram. Combined with the characteristics of Petri net supporting evaluation and verification, the mapping and transformation from UML model to Petri net model are realized. The process of modeling is analyzed and verified from many aspects such as accessibility, rationality and free choice. It lays the foundation for the next step of based simulation and optimization of air defense and anti-missile system.

Key words :conceptual modeling； air-defense and anti-missile system； UML； Petri net

中图分类号 :TJ614；E917

文献标志码: A

DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2019.02.009

文章编号 ：1673-3819(2019)02-0046-07

收稿日期 ：2018-09-04

修回日期： 2018-10-31

作者简介 ：付志晔(1992-)，男，北京人，硕士研究生，研究方向为综合保障信息系统。瞿连政(1979-)，男，博士，副教授。

(责任编辑:胡志强)

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