CN105787141B

CN105787141B - 一种复杂武器系统作战过程的协同仿真方法及系统

Info

Publication number: CN105787141B
Application number: CN201410827583.5A
Authority: CN
Inventors: 施国强
Original assignee: Beijing Simulation Center
Current assignee: Beijing Simulation Center
Priority date: 2014-12-25
Filing date: 2014-12-25
Publication date: 2018-08-24
Anticipated expiration: 2034-12-25
Also published as: CN105787141A

Abstract

本发明公开一种复杂武器系统作战过程的协同仿真方法及系统，该方法包括如下步骤：利用SysML建模语言描述和验证复杂武器系统作战过程时序，建立复杂武器系统作战过程时序的SysML视图模型；建立复杂武器系统各个分系统作战过程的时间Petri网模型；建立复杂武器系统作战过程HLA仿真联邦，进行复杂武器系统作战过程的分布式仿真。本发明所述技术方案解决了SysML和Petri网在复杂武器系统作战过程建模问题，复杂作战过程难以通过一个Petri网进行集中仿真的问题和多个作战单元的Petri网模型的分布式仿真问题。

Description

一种复杂武器系统作战过程的协同仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及复杂武器系统设计方法。更具体地，涉及一种复杂武器系统作战过程的协同仿真方法及系统。

背景技术

武器系统作战过程和分系统的内部作战过程是相辅相成的，由于复杂武器系统本身的高维数、非线性、多输入/输出与层次性等特点和分系统作战过程参数在设计初期的不完备性，使得武器系统作战过程指标至上而下分解的设计方式日益困难。武器系统研制部门内部需要以作战过程模型为基础，从总体与分系统协同的角度进行武器系统作战过程的设计与优化。

复杂武器系统外部的网络化作战要求使得复杂武器系统研制部门在作战过程论证过程中面临外部条件，例如上级指挥系统的多源信息、预警信息等和外部配套作战单元过程参数的不确定性。由于这些原因，论证过程中需要以建模、仿真为主要技术手段开展分析工作，聚焦影响作战过程的外部关键要素。

因此，需要提供一种复杂武器系统作战过程的协同仿真方法及系统。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种复杂武器系统作战过程的协同仿真方法。

本发明的另一个目的在于提供一种复杂武器系统作战过程的协同仿真系统。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种复杂武器系统作战过程的协同仿真方法，该方法包括如下步骤：

S1、利用SysML建模语言分别描述和验证复杂武器系统内部指挥控制单元对外部网络化作战的事件与信息的响应时序和复杂武器系统各个分系统作战过程中的协同时序，分别建立复杂武器系统内部指挥控制单元对外部网络化作战的事件与信息的响应时序的SysML视图模型和复杂武器系统各个分系统作战过程中的协同时序的SysML视图模型；

S2、根据复杂武器系统各个分系统作战过程中的协同时序的SysML视图模型，建立复杂武器系统各个分系统作战过程的时间Petri网模型；

S3、根据复杂武器系统内部指挥控制单元对外部网络化作战的事件与信息的响应时序的SysML视图模型、复杂武器系统各个分系统作战过程中的协同时序的SysML视图模型和复杂武器系统各个分系统作战过程的时间Petri网模型，建立复杂武器系统作战过程HLA仿真联邦，进行复杂武器系统作战过程的分布式仿真。

优选地，步骤S1中复杂武器系统内部指挥控制单元对外部网络化作战的事件与信息的响应时序的SysML视图模型和复杂武器系统各个分系统作战过程中的协同时序的SysML视图模型分别包括：作战过程静态结构视图模型和作战过程动态行为视图模型。

优选地，步骤S2进一步包括如下子步骤：

S2.1、将复杂武器系统各个分系统作战过程的时序要素转化为时间Petri网的要素；

S2.2、对于交互信息和作战资源的时间限制和数量限制，进行包含时间窗限制的单一token资源库所的Petri网建模和包含混合时间窗限制的多token资源库所的Petri网建模，建立复杂武器系统各个分系统作战过程的时间Petri网模型。

优选地，步骤S21进一步包括子步骤：

S2.1.1、将各类事件和信息转化为瞬时令牌token在时间Petri网的库所place中应用；

S2.1.2、将时延转化为带时间窗的令牌token，带时间窗的令牌token为token通过变迁激发进入输出库所后输出库所的状态不能改变的时间。

优选地，步骤S3进一步包括如下子步骤：

S3.1、从复杂武器系统内部指挥控制单元对外部网络化作战的事件与信息的响应时序的SysML视图模型和复杂武器系统各个分系统作战过程中的协同时序的SysML视图模型中导入复杂武器系统作战过程时序中实体的的交互、状态和属性信息；

S3.2、基于复杂武器系统各个分系统作战过程的时间Petri网模型构建复杂武器系统作战过程HLA仿真系统中的联邦成员，基于复杂武器系统内部指挥控制单元对外部网络化作战的事件与信息的响应时序的SysML视图模型描述联邦成员之间的分布交互关系，建立复杂武器系统作战过程HLA仿真联邦；

S3.3、基于复杂武器系统作战过程HLA仿真联邦进行分布式仿真。

一种复杂武器系统作战过程的协同仿真系统，该系统包括：

作战过程SysML建模与验证模块，用于分别描述和验证复杂武器系统内部指控单元对外部网络化作战的事件与信息的响应时序和复杂武器系统各个分系统作战过程中的协同时序，分别建立复杂武器系统内部指控单元对外部网络化作战的事件与信息的响应时序的SysML视图模型和复杂武器系统各个分系统作战过程中的协同时序的SysML视图模型；

作战过程HLA仿真邦员Petri网建模与执行模块，用于根据复杂武器系统各个分系统作战过程中的协同时序的SysML视图模型，建立复杂武器系统各个分系统作战过程的时间Petri网模型；

作战过程仿真HLA仿真联邦构建模块，用于根据复杂武器系统内部指挥控制单元对外部网络化作战的事件与信息的响应时序的SysML视图模型和复杂武器系统各个分系统作战过程的时间Petri网模型，建立复杂武器系统作战过程HLA仿真联邦，进行复杂武器系统作战过程的分布式仿真。

优选地，复杂武器系统内部指控单元对外部网络化作战的事件与信息的响应时序的SysML视图模型和复杂武器系统各个分系统作战过程中的协同时序的SysML视图模型分别包括：作战过程静态结构视图模型和作战过程动态行为视图模型。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案一方面充分利用SysML的面向对象特性与可视化优势和Petri网的形式化特性与可执行优势，并且，根据复杂武器系统作战过程建模与仿真需求，拓展模型的建模要素；另一方面，通过模型转化和分布式Petri网仿真等新方法解决了SysML和Petri网在复杂武器系统作战过程建模问题、复杂作战过程难以通过一个Petri网进行集中仿真的问题和多个作战单元的Petri网模型的分布式仿真问题。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出复杂武器系统作战过程的协同仿真方法的流程图。

图2示出复杂武器系统作战过程的协同仿真系统的组成示意图。

图3示出作战过程的状态机建模原理图。

图4示出包含时间窗的单一token资源库所的建模原理图。

图5示出作战过程HLA仿真联邦的实现原理图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施方式提供的复杂武器系统作战过程的协同仿真方法，包括如下步骤：

S2、根据所述复杂武器系统各个分系统作战过程中的协同时序的SysML视图模型，建立复杂武器系统各个分系统作战过程的时间Petri网模型；

S3、根据所述复杂武器系统内部指挥控制单元对外部网络化作战的事件与信息的响应时序的SysML视图模型和复杂武器系统各个分系统作战过程的时间Petri网模型，建立复杂武器系统作战过程HLA仿真联邦，进行复杂武器系统作战过程的分布式仿真。

步骤S1的具体过程为：

利用SysML建模语言开发视图产品描述和验证复杂武器系统内部指控单元对外部网络化作战的事件与信息的响应时序和各个分系统作战过程中的协同时序，涉及到了交互信息内容、信息流向设计、交互周期设计、功能阶段划分、各阶段作战过程、组网作战过程等武器系统作战过程设计的主要内容，上述SysML建模语言开发视图产品包括作战过程静态结构视图模型和动态行为视图模型两大类。由于采用面向对象的方法，可以在论证环节解决总体与分系统作战流程协同设计的形式化描述和集成验证的问题；

步骤S2的具体过程为：

通过时延Petri网为系统引入系统作战过程时序的时间属性，并进行定量分析，扩充系统在时间特性上的建模能力，而着色Petri网引入颜色的概念，对作战过程涉及的主要资源进行描述，对同类的个体赋予相同的颜色，不同类的个体以不同的颜色加以区分。将复杂武器系统各个分系统作战过程中的时序和时延转化为时间Petri网，将各类事件和信息作为瞬时token在时间Petri网的库所place中应用；其次，对于交互信息和作战资源的时间限制和数量限制，进行包含时间窗限制的单一token资源库所的Petri网建模和包含混合时间窗限制的多token资源库所的Petri网建模，上述作战资源为软硬件设备；

步骤S3的具体过程为：

进行基于SysML模型的分布交互仿真的FOM/SOM建模，HLA系统中，联邦和成员都要建立自己的对象模型OM，即联邦对象模型(FOM)和仿真对象模型SOM。体系结构模型能够包含一个联邦内各成员间所有用于交换的数据，如公共的对象类及其属性，交互类及其关联的参数等信息；解析得到的结构化文件可以为每个成员仿真提供自身功能的详细说明，如FED文件。将系统作战过程时序转变HLA仿真中的FOM/SOM，以此重用SysML模型，保证SysML模型、Petri网模型和HLA仿真模型的一致性。

如图2所示，本实施方式提供的复杂武器系统作战过程的协同仿真系统，包括：作战过程SysML建模与验证模块、作战过程HLA仿真邦员Petri网建模与执行模块和作战过程仿真HLA仿真联邦构建模块；

作战过程SysML建模与验证模块，用于描述和验证复杂武器系统内部指控单元对外部网络化作战的事件与信息的响应时序和各个分系统作战过程中的协同时序，涉及到了交互信息内容、信息流向设计、交互周期设计、功能阶段划分、各阶段作战过程、组网作战过程等武器系统作战过程设计的主要内容。由于采用面向对象的方法，可以在论证环节解决总体与分系统作战流程协同设计的形式化描述和集成验证的问题；

作战过程HLA仿真邦员Petri网建模与执行模块，用于将复杂武器系统各个分系统作战过程中的时序和时延转化为时间Petri网，将各类事件和信息作为瞬时token在时间Petri网的库所place中应用；然后，对于交互信息和作战资源的时间限制和数量限制，进行包含时间窗限制的单一token资源库所的Petri网建模和包含混合时间窗限制的多token资源库所的Petri网建模,上述作战资源为软硬件设备；

作战过程仿真HLA仿真联邦构建模块，用于进行基于SysML视图模型和Petri网模型的分布交互仿真的FOM/SOM建模。将系统作战过程时序转变HLA仿真中的FOM/SOM，以此重用SysML模型，保证SysML模型、Petri网模型和HLA仿真模型的一致性。

下面通过一组实施例对本发明作进一步说明：

本实施例提供在XX复杂武器系统的作战过程设计中，采用本发明所述技术方案进行复杂武器系统作战过程的协同仿真，过程如下：

1、利用作战过程SysML建模与验证模块基于SysML的复杂武器作战系统作战过程SysML视图模型建模和系统作战过程时序验证。

武器系统作战过程设计、SysML视图产品的对应关系如下表所示。

表1武器系统作战过程设计内容与SysML视图的对应关系

在动态行为视图模型中，状态机图是体系结构模型的关键视图产品，其中信号的类型的包括：消息信号、时间信号、环境信号，消息信号是各个作战单元之间的消息，时间信号维护各个作战单元的逻辑事件，环境信号是作战单元相应验证模块的外界设置，如用户的选择操作。在武器分系统在主动时间推进的过程中还需要接受和发送作战消息给其他作战单元，通过重置时间器的方式保证多个作战单元交互时逻辑时间的一致性，即实现时序验证，状态机图的定义图示和模型图形示例如图3所示，时间器例如图3中的atnow+200。

采取Rational统一过程RUP过程，基于SysML建立视图模型，得到用例定义、属性定义、层次定义、端口定义和交互关系定义，模型以文档和图表为主。

2、利用作战过程HLA仿真邦员Petri网建模与执行模块基于复杂武器系统各个分系统作战过程时序和扩展Petri网的作战过程描述。

(1)将复杂武器系统各个分系统作战过程时序与Petri网的内容对应起来，如表2所示，复杂武器系统各个分系统作战过程时序包括复杂武器系统各个分系统作战过程时序的SysML视图模型及其验证结果；

表2将系统作战过程时序转化为Petri网

序号	分系统作战过程时序要素	Petri网要素
			1	时延	带时间窗的令牌token
2	发出和收到的信息	瞬时令牌token
			3	过程先后	变迁
4	分系统状态	Petri网状态(体现为令牌token的状态)

(2)建立Petri网模型；

建立作战过程的Petri网模型，首先要赋予Petri网时间概念，常见采用时间库所Petri网，即Timed Place Petri Net——TPPN网，是以下5元组：

TPPN＝{P,T，F，M₀，D}

其中，P,T,F和M₀与基本Petri网的定义相同，即P为库所集合，T为变迁集合，F为变迁触发函数(从库所中转移的令牌数量)，M₀为Petri网的初始状态；

D＝{d₁,…,d_n}为所有库所的时延集合，其中，d_i是p_i的时延，n是库所的数量,i为1至n中整数。TPPN网的变迁激发规则与基本Petri网在改变输入输出库所token数量上相同，但是通过变迁激发进入输出库所p_i的token必须要等待一定时间后才可以利用，这段时间等于库所的时延d_i。从令牌进入输出库所起d_i长的时间，这段时间库所的状态不能改变，只是局部状态的时间改变。在此期间，库所p_i不能作为其他变迁的前提条件，即不能使能其他变迁。在这段时间后，才能作为其他变迁的前提条件，即能使能其他变迁。

如图4所示，采用TPPN网描述任务，利用以下方式：即用两个变迁和一个具有时间值的库所表示任务，两个变迁分别表示任务的开始和结束。时间窗的建模思路：仿真过程中不仅需要判断资源中的token个数，同时还要分析仿真时间是否在图3中所示的资源库所决定的时间器at now+200中的绝对时间窗now至now+200内。

3、利用作战过程仿真HLA仿真联邦构建模块基于Petri网模型和SysML模型的作战过程分布式仿真。

(1)Petri网算法的设计思路；

在仿真中采用全局时间，并且全局时间是被动增加的。库所的token时间首先增加，结束变迁具有瞬时性质，即仿真时间到达任务结束时间，则一定要触发结束变迁。在仿真过程中，都是以库所为依据来判断下一步的情况，通过对开始变迁的输入库所进行判断来知道变迁是否可以激发；对那些已经激发的变迁，就需要判断它们是否可以向输出库所中传递token。可以把开始变迁的状态分为三种：

1)初始状态Initialed：此时的变迁没有满足条件，处于一种等待状态。这就是项目中的任务被创建，但还没有分配到足够的资源或者没有满足开始执行的条件。

2)运行状态Running：任务开始变迁满足的激发条件，被成功触发，但是由于任务库所的时延，会在一定时间内处于运行期间，这称为任务处在执行状态。

3)完成状态Completed：库所度过了时延，结束变迁触发，同时可以把token传递给输出库所，相当于任务实例达到完成的条件，提交任务。

经综合分析，基于Petri网模型和变迁的上述三种状态能对以下几种情况进行仿真：

a)当资源比较充足时，模型按计划正常运行，给出仿真运行后的结果；

b)模型中因为消耗性资源欠缺致使某天以后需要这类资源的任务无法进行，仿真中止退出，也就是说项目无法完成，并给出中止原因说明；

c)模型中因为资源被其他任务占用致使有些任务延时等待占用者释放这类资源token，但仿真仍能执行完毕，但是这种做法可能常常会引起连锁反应，导致后继的任务也会推迟运行，从而使整个过程延时，并标识出被推迟的任务；

d)模型中因为资源总量不够，也就是说即使等待释放后仍然不能满足资源需求，仿真中止退出，也就是说项目无法完成，并给出中止原因说明。

(2)分布式仿真实现途径；

途径如图5所示，具体实现包括：

a)作战单元的交互、状态、属性从SysML模型中导入。如图5所示，武器系统作战过程时序中实体的交互、状态、属性等内容是通过体系结构模型相关视图导出的，导出的结果产生FOM/SOM相关信息，进一步在仿真系统中得到应用；

b)HLA系统中，联邦和成员都要建立自己的对象模型OM，即联邦对象模型FOM和仿真对象模型SOM。体系结构模型能够包含一个联邦内各成员间所有用于交换的数据，如公共的对象类及其属性，交互类及其关联的参数等信息；解析得到的结构化文件可以为每个成员仿真提供自身功能的详细说明，如FED文件。最终的解析结果需要满足对象模型模板OMT标准，这样得到的解析结果能够满足HLA仿真对于重用和互操作的基本要求；

基于Petri网算法模型构建HLA联邦成员；基于外部网络化作战的事件与信息的响应时序是要体现在联邦对象模型FOM和仿真对象模型SOM中，描述分系统的Petri网模型，即联邦成员之间的分布交互关系；建立复杂武器系统作战过程HLA仿真联邦。

c)基于复杂武器系统作战过程HLA仿真联邦进行分布交互仿真。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种复杂武器系统作战过程的协同仿真方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S3、根据所述复杂武器系统内部指挥控制单元对外部网络化作战的事件与信息的响应时序的SysML视图模型、复杂武器系统各个分系统作战过程中的协同时序的SysML视图模型和复杂武器系统各个分系统作战过程的时间Petri网模型，建立复杂武器系统作战过程HLA仿真联邦，进行复杂武器系统作战过程的分布式仿真；

其中，步骤S2进一步包括如下子步骤：

2.根据权利要求1所述的复杂武器系统作战过程的协同仿真方法，其特征在于，所述步骤S1中复杂武器系统内部指挥控制单元对外部网络化作战的事件与信息的响应时序的SysML视图模型和复杂武器系统各个分系统作战过程中的协同时序的SysML视图模型分别包括：作战过程静态结构视图模型和作战过程动态行为视图模型。

3.根据权利要求1所述的复杂武器系统作战过程的协同仿真方法，其特征在于，步骤S2.1进一步包括子步骤：

4.根据权利要求1所述的复杂武器系统作战过程的协同仿真方法，其特征在于，步骤S3进一步包括如下子步骤：

5.一种执行如权利要求1所述方法的复杂武器系统作战过程的协同仿真系统，其特征在于，该系统包括：

作战过程HLA仿真邦员Petri网建模与执行模块，用于根据所述复杂武器系统各个分系统作战过程中的协同时序的SysML视图模型，建立复杂武器系统各个分系统作战过程的时间Petri网模型；

6.根据权利要求5所述的复杂武器系统作战过程的协同仿真系统，其特征在于，所述复杂武器系统内部指控单元对外部网络化作战的事件与信息的响应时序的SysML视图模型和复杂武器系统各个分系统作战过程中的协同时序的SysML视图模型分别包括：作战过程静态结构视图模型和作战过程动态行为视图模型。