基于多分辨率的复杂体系运行流程仿真方法和系统

1.本技术涉及仿真技术领域，特别是涉及一种基于多分辨率的复杂体系运行流程仿真方法和系统。


背景技术：

2.由于军事任务的复杂性，决策者分析军事复杂体系时面临巨大挑战。军事复杂体系从组成上看，是多个平台构成的有机整体；从结构上看，是预警探测系统、通信系统、指挥决策系统、火力打击系统、电子对抗系统的嵌套和叠加。军事复杂体系具备以下特点：体系机动性、集成性显著；攻防协同信息地位突出；体系网络化特征明显；体系对抗动态多变。为此，试图从体系运行流程的角度,将复杂体系中各类实体在执行不同任务下的运行流程进行建模，以辅助决策者分析复杂体系运行机理。军事复杂体系流程建模旨在规范表达任务执行过程中繁杂的体系流程结构和关系，通过复现任务流程的实际发生步骤，帮助军事人员理解分析复杂体系的运行流程，进而对体系流程进行检验和优化。
3.面向复杂体系的流程建模目的是分析复杂体系中各类任务和实体的运行流程关系是否合理、资源配置是否优化、流程运行是否顺畅，进而对流程进行优化以提高复杂体系整体流程执行效率。目前传统的流程建模方法较多，主要有流程图、idef、petri网、uml、角色活动图等。近年来，国内外学者在流程建模领域开展了大量理论研究和实践探索，主要有基于petri网的流程建模、基于uml的流程建模方法和基于多agent的流程建模，并在作战指挥流程、装备维修流程等研究领域取得了广泛应用。
4.基于petri网的流程建模，将基于对象的建模技术和petri网技术相结合，但该方法对数学理论要求较高，建模步骤较为复杂，不适合用于复杂体系的流程建模。该方法在军事领域流程建模方面的应用较多，如针对战略预警指挥信息系统的情报处理与指挥控制流程建模、美军多功能支援力量火力旅的指挥流程建模、导弹武器系统的作战流程建模、基于层次有色赋时petri网的导弹作战流程建模，以及作战装备的维修保障流程建模等。
5.基于uml的流程建模方法，利用静态的结构视图、实例图以及动态的活动图来获取系统的组织结构、活动和性能等问题。在军事建模领域得到了广泛应用，有学者研究航空母舰上预警机的协同防空作战和反潜作战流程建模，基于uml的防空作战流程建模，军械装备的保障流程模型等。此外，还有研究采用uml与petri网结合来对舰载作战系统信息流进行建模和分析。
6.基于多agent的流程建模，通过模拟主体的自适应性，为主体赋予必要的参数和行为规则，并通过主体的行为准则、参数设置和学习过程在环境中发生相互作用，从而体现出系统的整个宏观现象。有学者研究基于多agent实现作战指挥决策流程建模，装甲协同作战指挥模型。
7.以上流程建模方法，主要是以流程描述功能为主，导致不能适应于复杂体系的流程仿真。


技术实现要素：

8.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够进行复杂体系运行流程仿真的基于多分辨率的复杂体系运行流程仿真方法和系统。
9.一种基于多分辨率的复杂体系运行流程仿真方法，所述方法包括：
10.获取复杂体系任务，将所述复杂体系任务划分为体系层任务、编组层任务和实体层任务；所述体系层任务为面向所述复杂体系任务的顶层任务，所述编组层任务为多个实体编组所执行的任务，所述实体层任务为单个实体执行的任务；
11.根据所述复杂体系任务的任务规划图，对所述体系层任务进行建模，得到任务规划模型；
12.根据每个编组层任务对应的编组任务流程图，利用指挥状态机对所述编组层任务进行建模，得到编组级流程模型；
13.根据实体层任务对应实体的实体任务流程图，利用行动状态机对所述实体层任务进行建模，得到实体级流程模型；所述指挥状态机和所述行动状态机均为有限状态机；
14.根据底层仿真引擎驱动所述任务规划模型、所述编组级流程模型和所述实体级流程模型，对所述复杂体系任务进行仿真。
15.在其中一个实施例中，还包括：对所述复杂体系任务进行分解，得到多个顶层任务，根据所述顶层任务的执行顺序，构建任务规划图，根据所述任务规划图，对所述体系层任务进行建模，得到任务规划模型。
16.在其中一个实施例中，还包括：根据所述编组层任务对应的编组任务和指挥实体，组合生成编组流程，根据所述编组流程建立编组任务流程图；设置编组层任务对应的流程参数，根据所述流程参数设置指挥状态机，利用指挥状态机和所述编组任务流程图对所述编组层任务进行建模，得到编组级流程模型。
17.在其中一个实施例中，还包括：根据各个实体的任务行动，构建各实体对应的行动状态机；根据实体层任务对应实体的实体任务流程图，利用行动状态机对所述实体层任务进行建模，得到实体级流程模型。
18.一种基于多分辨率的复杂体系运行流程仿真系统，所述系统包括：
19.体系流程数据库、体系流程建模模块、体系流程动态仿真模块、体系流程分析模块和体系流程显示模块；
20.所述体系流程数据库连接所述体系流程建模模块，所述体系流程建模模块分别连接所述体系流程动态仿真模块和体系流程分析模块，所述体系流程动态仿真模块用于执行上述基于多分辨率的复杂体系运行流程仿真方法；
21.所述体系流程显示模块用于显示体系流程数据库、体系流程建模模块和所述体系流程分析模块的中间数据。
22.在其中一个实施例中，所述体系流程数据库包括：工程数据子模块、模型数据子模块以及分析数据子模块，用于为其他模块的模型数据、工程数据以及分析数据的管理和维护。
23.在其中一个实施例中，所述体系流程建模模块包括：编组视图建模子模块、关系视图建模子模块、部署视图建模子模块、任务流程图建模子模块、项目管理子模块以及图元管理子模块；
24.所述体系流程建模模块用于通过编组视图、关系视图、部署视图、任务流程图，为体系流程分析模块和体系流程动态仿真模块提供模型数据分析基础。
25.在其中一个实施例中，体系流程分析模块通过计算体系流程建模模块导出的模型数据，对体系的脆弱性、体系运行演化、体系运行状态监控进行分析。
26.在其中一个实施例中，所述体系流程显示模块包括：项目显示子模块、图元显示子模块、模型产品显示子模块和分析结果显示子模块；体系流程显示模块用于与系统用户的交互，提供项目显示、图元显示、模型产品显示以及分析结构显示。
27.上述基于多分辨率的复杂体系运行流程仿真方法和系统，将复杂体系任务划分为体系层任务、编组层任务和实体层任务；体系层任务为面向所述复杂体系任务的顶层任务，编组层任务为多个实体编组所执行的任务，实体层任务为单个实体执行的任务；根据复杂体系任务的任务规划图，对体系层任务进行建模，得到任务规划模型；根据每个编组层任务对应的编组任务流程图，利用指挥状态机对编组层任务进行建模，得到编组级流程模型；根据实体层任务对应实体的实体任务流程图，利用行动状态机对所述实体层任务进行建模，得到实体级流程模型；指挥状态机和所述行动状态机均为有限状态机；根据底层仿真引擎驱动任务规划模型、编组级流程模型和实体级流程模型，对复杂体系任务进行仿真。本发明实施例，在仿真逻辑上是将任务分类三个层次，每个层次分别梳理其执行逻辑，并且利用有限状态机进行任务的执行，可以按照体系流程的不同粗粒度，可构建多种分辨率的流程模型，根据不同层级的业务需求，对流程进行建模仿真。
附图说明
28.图1为一个实施例中基于多分辨率的复杂体系运行流程仿真方法的流程示意图；
29.图2为一个实施例中基于多分辨率的复杂体系运行流程仿真系统的结构框图；
30.图3为一个实施例中体系流程建模与sysml和dodaf2.0模型的对应关系图；
31.图4为一个实施例中体系流程建模的流程图。
具体实施方式
32.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
33.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于多分辨率的复杂体系运行流程仿真方法，包括以下步骤：
34.步骤102，获取复杂体系任务，将复杂体系任务划分为体系层任务、编组层任务和实体层任务。
35.体系层任务为面向所述复杂体系任务的顶层任务，编组层任务为多个实体编组所执行的任务，实体层任务为单个实体执行的任务。
36.具体的复杂体系任务可以是汽车编队任务、无人机编队任务、舰船编队任务等。
37.步骤104，根据复杂体系任务的任务规划图，对体系层任务进行建模，得到任务规划模型。
38.在复杂体系任务确定之后，可以梳理出任务规划图，因此在进行体系层任务进行
建模，是基于任务规划图进行建模的，从而便于进行顶层任务的仿真。
39.步骤106，根据每个编组层任务对应的编组任务流程图，利用指挥状态机对编组层任务进行建模，得到编组级流程模型。
40.编组任务流程图在不同的编队层任务确定之后，可以随之确定，然后利用指挥状态机可以根据不同的状态，自动执行仿真过程。
41.步骤108，根据实体层任务对应实体的实体任务流程图，利用行动状态机对实体层任务进行建模，得到实体级流程模型。
42.指挥状态机和所述行动状态机均为有限状态机。
43.有限状态机(fsm，finite state machine)，是表示有限个状态以及这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型。每个状态存储了描述模型的一系列信息，在某些事件发生时，且满足一定条件时，系统从一个状态转移到另一个状态。
44.状态(state)指的是模型在仿真过程中的一种状况，模型处于某个特定状态时必然会满足某些条件、执行某些动作或等待某些事件。状态是由若干个动作组成的。组成状态的这些动作是否执行的条件只取决于上一个动作是否执行成功，即这些动作是按照顺序逐一执行的；动作(action)指的是状态中可以执行的那些原子操作，是不可再拆解或不准备进一步进行仿真的最小逻辑单元。所谓原子操作指的是它们在运行过程中不能被其他事件中断，必须一直执行下去；事件(event)指的是在时间和空间上占有一定位置，并且对状态机来讲具有意义的那些事情。事件通常会引起状态的迁移，促使状态机从一个状态转移到另一个状态；状态之间迁移时需要进行的活动称为转移(transition)，与转移绑定的就是条件，只有某个事件发生或满足特定条件才能从一个状态转移到另一个状态；条件(condition)可以分组，同一组内的各个条件是“与”的关系，不同组之间是“或”的关系。
45.步骤110，根据底层仿真引擎驱动任务规划模型、编组级流程模型和实体级流程模型，对复杂体系任务进行仿真。
46.上述基于多分辨率的复杂体系运行流程仿真方法中，将复杂体系任务划分为体系层任务、编组层任务和实体层任务；体系层任务为面向所述复杂体系任务的顶层任务，编组层任务为多个实体编组所执行的任务，实体层任务为单个实体执行的任务；根据复杂体系任务的任务规划图，对体系层任务进行建模，得到任务规划模型；根据每个编组层任务对应的编组任务流程图，利用指挥状态机对编组层任务进行建模，得到编组级流程模型；根据实体层任务对应实体的实体任务流程图，利用行动状态机对所述实体层任务进行建模，得到实体级流程模型；指挥状态机和所述行动状态机均为有限状态机；根据底层仿真引擎驱动任务规划模型、编组级流程模型和实体级流程模型，对复杂体系任务进行仿真。本发明实施例，在仿真逻辑上是将任务分类三个层次，每个层次分别梳理其执行逻辑，并且利用有限状态机进行任务的执行，可以按照体系流程的不同粗粒度，可构建多种分辨率的流程模型，根据不同层级的业务需求，对流程进行建模仿真。
47.在其中一个实施例中，对复杂体系任务进行分解，得到多个顶层任务，根据顶层任务的执行顺序，构建任务规划图，根据任务规划图，对体系层任务进行建模，得到任务规划模型。
48.在其中一个实施例中，根据编组层任务对应的编组任务和指挥实体，组合生成编组流程，根据编组流程建立编组任务流程图；设置编组层任务对应的流程参数，根据流程参
数设置指挥状态机，利用指挥状态机和编组任务流程图对编组层任务进行建模，得到编组级流程模型。
49.在其中一个实施例中，根据各个实体的任务行动，构建各实体对应的行动状态机；根据实体层任务对应实体的实体任务流程图，利用行动状态机对实体层任务进行建模，得到实体级流程模型。
50.下面以航母编队体系为例，给出复杂体系任务分解过程。航母编队体系从组成上看，是航母、舰载机、水面舰艇、潜艇等多个平台构成的有机整体；从结构上看，是多个预警探测系统、通信系统、指挥决策系统、火力打击系统、电子对抗系统的嵌套和叠加。编队作战体系的特点：体系机动性、集成性显著；攻防协同信息地位突出；体系网络化特征明显；体系对抗动态多变。航母编队典型作战样式可分为防空战、对陆作战、反舰作战、反潜作战等。根据具体样式可进一步细分不同的体系层任务、编组层任务和实体层任务。
51.顶层作战任务可分为防空战、对陆作战、反舰作战、反潜作战等。在顶层任务基础上，可根据具体的任务执行阶段进一步细化分解。任务层建模阶段最终生成面向复杂体系的任务规划模型。
52.编组层任务可以分为机动任务、区域巡逻、航线巡逻、电子干扰等。
53.实体层任务可以分为开始机动、停止机动、打击目标等。
54.针对上述流程建模框中的编组层任务和实体层任务，分别使用指挥状态机与行动状态机进行建模。其中，指挥状态机是针对指挥实体的编组任务进行构建，而行动状态机是针对作战实体即具体武器平台的战术级任务进行构建。以状态机来建模实体的作战流程，在构建状态机时仅是与实体级的作战任务相关，并不绑定具体的任务执行实体。具体的状态机内的动作也不绑定具体的实体。
55.状态机的具体编辑过程中，状态表示为节点，状态之间的转移表示为节点之间的链接，在链接关系之上定义了转移条件，同一连接上可以存在多组或多个转移条件，同一组内的转移条件之间为“与”关系，各组条件之间为“或”关系。
56.实体包括行动实体、指挥实体和武器实体。行动实体是体系运行流程图或网络中的叶子节点；指挥实体是非叶子节点，代表了由行动实体构成的编组；武器实体表示行动实体所挂载的武器。
57.在其中一个实施例中，如图2所示，提供一种基于多分辨率的复杂体系运行流程仿真系统，包括：
58.体系流程数据库、体系流程建模模块、体系流程动态仿真模块、体系流程分析模块和体系流程显示模块；
59.所述体系流程数据库连接所述体系流程建模模块，所述体系流程建模模块分别连接所述体系流程动态仿真模块和体系流程分析模块，所述体系流程动态仿真模块用于执行上述基于多分辨率的复杂体系运行流程仿真方法；所述体系流程显示模块用于显示体系流程数据库、体系流程建模模块和所述体系流程分析模块的中间数据。
60.在其中一个实施例中，所述体系流程数据库包括：工程数据子模块、模型数据子模块以及分析数据子模块，用于为其他模块的模型数据、工程数据以及分析数据的管理和维护。
61.在其中一个实施例中，所述体系流程建模模块包括：编组视图建模子模块、关系视
图建模子模块、部署视图建模子模块、任务流程图建模子模块、项目管理子模块以及图元管理子模块；所述体系流程建模模块用于通过编组视图、关系视图、部署视图、任务流程图，为体系流程分析模块和体系流程动态仿真模块提供模型数据分析基础。
62.在其中一个实施例中，体系流程分析模块通过计算体系流程建模模块导出的模型数据，对体系的脆弱性、体系运行演化、体系运行状态监控进行分析。
63.在其中一个实施例中，所述体系流程显示模块包括：项目显示子模块、图元显示子模块、模型产品显示子模块和分析结果显示子模块；体系流程显示模块用于与系统用户的交互，提供项目显示、图元显示、模型产品显示以及分析结构显示。
64.具体的，为保证体系流程数据的一致性和逻辑合理性，以sysml建模语言为基础，结合idef、uml等建模语言，以dodaf框架和统一体系结构框架(uaf，unified architecture framework)为指导思想，充分利用多视图以及不同抽象层次的idefx、组织结构图等建模规范，通过编组视图、关系视图、任务流程图、部署视图等形式对复杂体系进行分析、描述、设计与校验。
65.其中，复杂体系流程建模中的4种视图与dodaf2.0和sysml之间的对应关系，如图3所示。
66.编组视图扩展了dodaf的ov4，以及sysml的模块定义图，描述体系的组织结构。
67.关系图扩展了dodaf的ov
‑
2、ov
‑
3和sysml的内部模块图，描述组织单元之间的关系，包括通信关系、探测关系、交战关系、指控关系、电抗关系、支援关系、承载关系、后勤保障关系、防卫关系、打击关系等。
68.部署视图扩展了dodaf的ov
‑
1和sysml的参数图，同时利用gis地图，对作战概念进行图形化描述，同时也详细描述作战过程中实体的地理位置。
69.任务流程图扩展了dodaf的ov
‑
5和sysml的活动图，描述作战过程中的动态变化，同时为体系仿真与体系评估提供数据来源。
70.基于dodaf和sysml的体系流程产品建模必须遵循一定的开发顺序，先建立编组视图，在此基础上建立关系图和部署视图，然后建立任务流程图，最后在对所建立的模型进行动态仿真验证和评估分析，确保模型的正确性、规范性。体系流程建模的主要步骤如图4所示。
71.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
72.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛
盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
73.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。