基于模糊-云模型的C4ISR系統(tǒng)效能需求建模與分析方法

王慶龍, 王智學, 何紅悅, 朱衛(wèi)星

(1. 解放軍理工大學指揮信息系統(tǒng)學院, 江蘇 南京 210007;2. 解放軍理工大學信息管理中心, 江蘇 南京 210007)

?

基于模糊-云模型的C4ISR系統(tǒng)效能需求建模與分析方法

王慶龍1, 王智學1, 何紅悅1, 朱衛(wèi)星2

(1. 解放軍理工大學指揮信息系統(tǒng)學院, 江蘇 南京 210007;2. 解放軍理工大學信息管理中心, 江蘇 南京 210007)

在C4ISR系統(tǒng)能力需求開發(fā)過程中,非功能性需求建模是一個難點,在綜合模糊統(tǒng)一建模語言(unifiedmodelinglanguage,UML)與云模型的基礎上,提出了一種面向C4ISR系統(tǒng)效能需求的建模與分析方法。首先,從系統(tǒng)效能需求建模入手,提出一種兼顧C4ISR系統(tǒng)功能和效能綜合建模的需求分析框架,并通過擴展傳統(tǒng)的UML來提高其領域適用性,實現對效能等模糊信息的建模。其次,結合該框架設計了一種效能云模型逆向生成算法,并提出基于云模型的綜合效能評估函數構建方法,可以實現對系統(tǒng)效能的定量分析,評價系統(tǒng)完成使命任務的效果。最后,通過一個精簡的區(qū)域防空系統(tǒng)案例驗證了方法的可行性與正確性。

模糊統(tǒng)一建模語言; 效能需求; 效能評估函數; 云模型

0　引　言

C4ISR(command,control,communication,computer,intelligence,surveillance,resonance)系統(tǒng)是一類典型的復雜系統(tǒng),各成員系統(tǒng)在系統(tǒng)開發(fā)、運行、管理中都有一定的獨立性,從而增加了C4ISR系統(tǒng)需求開發(fā)的難度[1]。并且C4ISR系統(tǒng)不只是一個軟件系統(tǒng),還是一個復雜的人機系統(tǒng),因而傳統(tǒng)用于軟件開發(fā)的需求工程方法很難直接應用在C4ISR系統(tǒng)的開發(fā)中。科學合理地提出包括功能、效能、結構等內容的系統(tǒng)需求方案,是決定系統(tǒng)開發(fā)成功與否的關鍵因素,而完整、正確、準確的系統(tǒng)需求,能夠有效地提高系統(tǒng)開發(fā)質量,降低系統(tǒng)開發(fā)風險,節(jié)省系統(tǒng)開發(fā)經費,縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，并且有助于系統(tǒng)后期的管理與演化[2-3]。

C4ISR系統(tǒng)開發(fā)過程包括將能力需求轉換為高層的C4ISR系統(tǒng)需求,并且評估C4ISR系統(tǒng)效能對能力需求的滿足程度[4-5]。其中,C4ISR系統(tǒng)的需求建模與驗證是一個關鍵問題。但是在C4ISR系統(tǒng)開發(fā)的初期,對抽象層次高的能力需求進行建模又是十分困難的。此外,C4ISR系統(tǒng)的需求中通常存在許多難以建模的模糊概念,例如系統(tǒng)需要探測范圍更廣、探測精度更高的雷達等。

目前,對于C4ISR系統(tǒng)的建模分析大多是在美國國防部體系結構框架(DepartmentofDefenseArchitectureFrameworkversion2.0,DoDAF2.0)[6]的規(guī)范下進行的,并且大多采用統(tǒng)一建模語言(unifiedmodelinglanguage,UML)[7]或者系統(tǒng)建模語言(systemmodelinglanguage,SysML)[8]等作為體系結構建模語言，對待建系統(tǒng)的功能性需求(functionalrequirements,FR)進行建模。但是此類方法大多缺少對系統(tǒng)效能需求等非功能性需求(non-functionalrequirements,NFR)建模的支持。因此,通常需要定義轉換方法將基于UML或者SysML建立的概念模型轉換為Petri網、可執(zhí)行UML(executableUML，xUML等可執(zhí)行模型,然后通過分析可執(zhí)行模型的仿真執(zhí)行結果，得到系統(tǒng)效能需求的滿足情況,對系統(tǒng)進行進一步的優(yōu)化設計[8-10]。但在系統(tǒng)概念模型與可執(zhí)行模型之間進行模型轉換通常存在語義等價性等問題。因此，在建模語言或者建模工具中集成C4ISR系統(tǒng)領域概念和驗證機制來實現系統(tǒng)效能的分析驗證就顯得十分重要了。

關于C4ISR系統(tǒng)的效能評估方法及模型的研究都是研究的熱點。目前,在效能評估方法方面,主要有基于層次分析法(analytichierarchyprocess,AHP)、系統(tǒng)效能分析法(availability,dependability,capability，ADC)、SEA(systemeffectivenessanalysis)方法等。AHP方法通過判斷矩陣確定各指標權重,然后與灰色理論、模糊綜合評判等方法完成對系統(tǒng)的效能分析。AHP方法構建具有自上而下、逐層傳遞的層次結構。C4ISR系統(tǒng)等復雜系統(tǒng)的能力指標體系通常不再是傳統(tǒng)的分層結構,而是網狀結構,因此傳統(tǒng)的AHP方法不適用。ADC方法隨著系統(tǒng)組成的復雜,系統(tǒng)狀態(tài)數的增加會極大增加問題的復雜性,計算工作量也隨之增大。SEA方法在系統(tǒng)進行效能分析時,需要選擇合適的性能度量(measuresofperformance,MOP),分析系統(tǒng)運行規(guī)律,并計算基于多維性能度量的系統(tǒng)效能,對具體系統(tǒng)進行效能分析的準確性取決于性能度量模型的好壞以及指標體系的完善性。這就需要對系統(tǒng)的結構、運行規(guī)律等進行詳細的分析,而對于C4ISR系統(tǒng)這類復雜系統(tǒng)在需求分析階段,很難有詳細與準確的系統(tǒng)分析,難以構建良好的性能度量模型。

針對C4ISR系統(tǒng)效能需求建模以及分析中存在的問題,在引入模糊UML與云模型的基礎上,提出一種針對C4ISR系統(tǒng)非功能性需求的建模與分析方法。首先從建立C4ISR系統(tǒng)能力分析框架入手,獲取領域知識,通過引入模糊UML(fuzzy-UML)[11]實現系統(tǒng)功能(能力)需求與非功能(效能)需求的綜合建模；然后利用云模型及其相關算法構建效能評估函數，實現對系統(tǒng)效能的定量評估；最后結合領域知識復用技術實現了對C4ISR系統(tǒng)功能需求與非功能需求的綜合建模分析。

1　效能需求建模

1.1能力需求分析框架

文獻[7]提出了能力需求的分析框架,該框架由元層、領域層和應用層等3層組成。在系統(tǒng)需求開發(fā)過程中,需求工程師通過使用該框架在高層的抽象概念和領域特定概念之間獲取領域知識,并且構建具有豐富語義且能充分體現系統(tǒng)體系需求和領域用戶需要的需求模型。本文在該框架的基礎上,提出了面向C4ISR系統(tǒng)能力需求分析框架,如圖1所示。

圖1　面向C4ISR系統(tǒng)建模的能力元模型Fig.1　Capability meta-model for C4ISR system

同樣,面向C4ISR系統(tǒng)能力需求分析框架分元層、領域層和應用層等3層對C4ISR系統(tǒng)能力需求進行建模。其中,元層與UML的M2層相對應,元層模型也就是能力元模型,由源自DoDAF2.0元模型數據組的體系結構概念及其相互關系組成。在此基礎上,本文增加和精化了部分概念,例如任務目標、能力、效能等概念,并且構建了面向C4ISR系統(tǒng)建模的能力元模型,如圖1所示。領域層對應于UML的M1層,領域層模型就是通過C4ISR系統(tǒng)能力元模型實例化后得到的領域模型,主要由C4ISR系統(tǒng)領域特定概念及關系組成,以城市防空領域為背景,其領域特定的概念有空情預警、目標打擊能力等。與M1層之下的M0層相對應的是應用層,應用層模型則是領域模型通過實例化后得到的系統(tǒng)需求模型。

1.2UML建模方法的擴展

1.2.1基于模糊UML的模糊概念建模

在C4ISR系統(tǒng)需求開發(fā)中,效能需求通常是用來描述系統(tǒng)或者能力執(zhí)行特定任務的效果。但是,在效能需求描述中存在許多模糊、隨機等不確定概念,而經典的UML缺乏對這些概念進行建模描述的能力。并且在C4ISR系統(tǒng)能力需求的領域模型中,在描述一些領域概念時需要增加效能特征,這會使這些明確的概念變得模糊,例如“目標打擊能力”是明確的概念,而“快速作戰(zhàn)準備”是該能力的一種效能特征,要求盡可能快地完成作戰(zhàn)準備,也是一種模糊概念,因而難以確定某個準確的數量邊界來界定“快速”。還有許多會發(fā)生模糊化的領域概念,例如精確打擊能力、預警能力等。

為了解決模糊的領域知識的建模描述問題,可以引入面向對象數據庫中針對模糊信息建模中使用的fuzzyUML[11-12]。并且通過對fuzzyUML進行必要的擴展,使其能夠滿足對模糊的效能概念建模的需要。為了方便建模,本文劃分3層模糊性來定義模糊類(其中μ:X→[0,1]是隸屬度函數):

(1) 類本身是模糊的,一個對象是否屬于某個類是不確定的。通過在類的屬性欄中,增加隸屬度μ(0≤μ≤1)屬性項,來描述對象對于某個類的隸屬度。

(2) 類的某個屬性是模糊的,即屬性的值域是不確定的。通過在該模糊屬性前添加FUZZY關鍵字來表示其模糊性。

(3) 如果某個類的父類或者子類是模糊類,那這個類也會是模糊類?？梢酝ㄟ^在模糊類之間構建繼承關系來描述此類模糊性。

本文使用第一類模糊性來支持C4ISR系統(tǒng)效能需求建模,模糊的效能概念可以建模為具有模糊屬性的模糊類,并擁有一個隸屬度函數μ:X→[0,1],并且將模糊類的實線框變換為虛線框,如圖2所示。本文將在第二節(jié)詳細討論基于云模型的效能評估函數的構造方法,用來確定模糊對象的隸屬度μ。

圖2　城市防空的C4ISR系統(tǒng)領域知識模型Fig.2　Domain knowledge model of city air defense for C4ISR system

1.2.2提高UML的領域適用性

UML是一種常見的、適用領域廣泛的通用建模語言。在某些特定領域的建模中,UML會存在描述能力不足、描述精度有限等領域適用性問題。因此在某些特定領域建模中,通常需要通過添加領域本體來增加UML描述特定領域的建模語義。在圖1面向C4ISR系統(tǒng)建模的能力元模型中,提供了C4ISR系統(tǒng)領域本體,從而提升了UML的領域適用性。并且通過擴展模糊UML,實現同時對確定的和模糊的能力需求進行建模。通過利用UMLprofile機制,構建面向C4ISR系統(tǒng)能力需求分析的領域特定建模語言(domain-specificlanguage,DSL)。特定領域建模語言使用能力元模型中的概念作為構造子的構造型(sterotype),例如活動、能力、執(zhí)行者等。以城市防空領域為應用場景,在能力元模型的基礎,通過以上方法構建出城市防空的C4ISR系統(tǒng)領域知識模型,用以實現該領域的能力需求建模,其部分領域知識模型如圖2所示。

在城市防空領域中,城市防空任務需要預警能力,該能力的預期效果就是希望盡可能早地探測到空中目標,以提供盡可能好的預警效果?？梢娞崆邦A警是一個模糊的、不確定的概念,因此可以將其建模為一個模糊類,而對于其他類似的模糊概念,例如快速作戰(zhàn)準備、有效毀傷目標等同樣建模為模糊類。

2　基于云模型的效能評估函數

2.1基于云模型的效能計算

從概率角度看,效能是系統(tǒng)在規(guī)定的工作條件下和規(guī)定的時間內,能夠滿足預期效果的概率[13]。而效能評估函數就是系統(tǒng)將效能特征轉換為實現其相應預期效果概率值的計算函數。在效能需求建模中,效能值可以被建模為模糊類的第一層模糊性μ值。效能評估的一個重點和難點就是確定效能評估函數的形式。為了實現C4ISR系統(tǒng)的效能評估,本文提出了一種基于云模型的效能評估函數構建方法,以歷史數據和專家經驗數據作為輸入，通過該函數計算出能力的效能值,實現對C4ISR系統(tǒng)效能評估。

在C4ISR系統(tǒng)效能評估中,一些性能或者效能屬性是可以量化的,效能量化函數通過對這些屬性的計算從而得出其支持實現相應預期效果的概率。但是對于某些效能屬性而言,無法直接度量或者計算,大多只能由專家給出定性的描述。這種定量與定性混合的情況給系統(tǒng)效能分析帶來了一定困難。云模型的提出,為解決以上問題提供了途徑。

2.1.1云模型

云模型是在傳統(tǒng)模糊集和概率統(tǒng)計的理論基礎上,建立起的一種定性概念與定量描述之間雙向轉換的認知模型。

定義 1設U是一個用精確數值表示的定量論域,C是U上的一個定性概念,若定量值x∈U且x是定性概念C的一次隨機實現,x對C的確定度μ(x)∈[0,1]是具有穩(wěn)定傾向的隨機數。若μ:U→[0,1],?x∈U,x→μ(x),則x在論域U上的分布稱為云(cloud),每一個x稱為一個云滴[14]。云模型及云模型的數字特征如圖3所示。

圖3　云模型及云模型的數字特征Fig.3　Cloud model and its numerical characteristics

云模型是通過期望值Ex、熵En、超熵He 3個數字特征來描述的一個概念。其中,期望值Ex是定性概念的基本確定性的度量,是在論域中云滴分布的數學期望;熵En是定性概念不確定性的度量,既是定性概念隨機性的度量,反映了這個概念的云滴的離散程度,又是定性概念模糊性的度量,決定了能夠被概念接受的云滴的確定度;超熵He是熵的熵,也就是熵的不確定度量，對于某一概念而言,超熵越大,說明被普遍接受的程度越高,超熵越小,說明概念的分歧比較大,難以形成概念的共識[15]。

2.1.2正態(tài)云模型

定義 2設U是一個用精確數值表示的定量論域,C(Ex,En,He)是U上的定性概念,若定量值x(x∈U)是定性概念C的一次隨機實現,服從以Ex為期望、En′2為方差的高斯分布x～N(Ex,En′2)。其中,En′2又是服從以En為期望、He2為方差的高斯分布En′～N(En,He2)的一次隨機實現,且x對C確定度μ(x)滿足

則x在論域U上的分布稱為正態(tài)云[14]。

正態(tài)云模型是一種對稱云模型,同時也是最基本的云模型類型。與正態(tài)分布一樣,正態(tài)云模型也有著廣泛的應用[16]。對于C4ISR系統(tǒng)的效能需求中遇到模糊的信息,通過正態(tài)云模型可以將這些模糊信息轉換為精確的信息并且能夠進行定量評估,從而可以較好地實現系統(tǒng)的效能建模與分析。

2.2基于云模型的效能評估函數的構建

2.2.1效能評估函數的構建思路

針對目前C4ISR系統(tǒng)中一些系統(tǒng)效能評估的實際情況,本節(jié)運用云模型基礎理論,通過使用系統(tǒng)的測試數據以及專家的經驗數據等來構建效能評估函數,并對系統(tǒng)的各項效能進行評估分析,從而能夠客觀地反映C4ISR系統(tǒng)能力的執(zhí)行效果,如圖4所示。

圖4　基于云模型的效能評估過程Fig.4　Efficiency evaluation procedure based on cloud model

具體過程如下:

(1) 根據C4ISR系統(tǒng)效能評估的需求,采集系統(tǒng)有關效能數據(如系統(tǒng)某些測試數據、仿真數據、專家的經驗數據等),然后對采集到的數據進行預處理。

(2) 將描述系統(tǒng)效能的數據通過效能屬性云逆向生成器生成單個效能云模型。

(3) 對單個效能云進行合并，得到綜合效能屬性云模型。

(4) 求出綜合效能屬性云模型的期望函數,也就是系統(tǒng)效能的評估函數。利用效能評估函數可以綜合評估C4ISR系統(tǒng)的效能。

在構建效能評估函數時,考慮效能需求的相應特征,分析其效能評估函數的構成特點,然后理解系統(tǒng)的使命任務,詳細分析業(yè)務活動中,影響效能結果的各種因素,結合歷史數據以及領域經驗數據,將數據作為樣本點,利用效能云逆向發(fā)生器,確定效能評估函數的基本形式。

2.2.2效能屬性云逆向生成器設計

通過運用云模型基礎理論,并在參考相應逆向云生成算法的基礎上[17],設計了C4ISR系統(tǒng)效能屬性云逆向生成器。

假設被評估的C4ISR系統(tǒng)共獲得m組數據,每組有Mi個數據對應;若將每個數據作為一個云滴,然后通過逆向云生成算法，即效能云逆向生成器，就可以生成m個效能云模型。

在對系統(tǒng)效能的評估中,系統(tǒng)有多個單一的效能云模型,需要將其合并為一個綜合的效能云模型。但是每個云模型的重要性不同,因此在合并的時候需要考慮其權值。本節(jié)通過引入加權百分比概念來反映每個云模型的重要性。

某個云模型的加權百分比等于該云模型所擁有的數據點個數之和除以總的數據點個數,可以稱之為加權百分比ωi,即

(1)

式中,N為總的數據點個數；mi為每個屬性云模型所擁有的數據點個數。

效能云模型逆向生成器算法如下:

輸入輸入數據樣本點Xi(xi1,xi2,…,xiMi)(i=1,2,…,m)。

輸出m個效能屬性云(EC1,EC2,…,ECm)的數字特征(Ex1,…,Exm,En1,…,Enm,He1,…,Hem)。

算法的具體步驟如下:

步驟 1根據Xi(xi1,xi2,…,xiMi)(i=1,2,…,m),計算每組數據的樣本均值:

(2)

步驟 2根據數據的樣本均值,得到每個云模型期望值為

步驟 3在期望值與樣本數據基礎上,每個云模型的熵值為

(3)

步驟 4對于每個云滴(xij,μi),計算:

(4)

(5)

因此,利用上述算法就可以很方便地求出每組數據組對應的各效能屬性云模型的數字特征ECi(Ex,En,He)。

2.2.3綜合的效能評估函數

為了實現對C4ISR系統(tǒng)的效能評估,需要得到對應的效能評估函數。在各組數據生成的單個效能云模型的基礎上,根據各單個效能云模型的權值,計算出綜合的效能評估云模型,然后通過求其期望函數得到效能評估函數。

首先,根據各效能屬性云模型的數字特征以及對應的權值可以計算出綜合的效能云模型的數字特征,計算公式為

(6)

由公式得到系統(tǒng)綜合的效能評估云的數字特征ECS(Ex,En,He),然后根據其數字特征,可以求出綜合的效能評估云的期望函數:

(7)

在期望曲線上,每一個點就是每個[xi,μ(xi)]對應的云滴的期望值Exi值。在C4ISR效能評估中,期望曲線也就是對某個定性模糊概念的定量描述,曲線的方程也就是效能評估函數。云模型的特點是云滴的確定度分布與概念的數字特征無關,也就是和概念的內涵無關。這正好說明雖然每個專家對同一個C4ISR系統(tǒng)效能概念上存在認知差異,但是他們總體的認知規(guī)律是一致的。這也就消除了專家知識的偏見,提高了系統(tǒng)效能評估結果的科學性和可信度。

3　案例分析

為了說明本方法的可行性,本文以假想的某城市防空系統(tǒng)為例,詳細說明基于模糊-云模型的C4ISR系統(tǒng)效能需求建模與分析方法的運用過程。

假設某中小城市在以重點防空區(qū)域為圓心,一定保護范圍為半徑劃定受防空保護區(qū)域。某導彈營來執(zhí)行該城市的防護任務,根據保護范圍的不同,該導彈營部署近程和中程兩種防空導彈。

在此場景的應用模型中,保護某城市的區(qū)域防空任務概念顯然是一個模糊概念,對城市的保護程度應該與城市的重要程度正相關,因此使用效能評估函數Importance(scope)來評估該城市重要程度(城市的重要程度與城市規(guī)模正相關)。同時,在分析城市區(qū)域防空任務的特點基礎之上,領域專家首先制定一條合理性規(guī)則:如果城市的重要程度為n(0≤n≤1),為了完成城市區(qū)域防空任務,那么執(zhí)行該任務的防空部隊的目標打擊能力的有效毀傷目標效能值不小于n。此外,為了更好地說明問題,可以附加兩個樣本點,當城市的防護范圍為10km的時候,Importance(10)效能值為0.9;當城市的防護范圍擴大到20km,那么Importance(20)效能值為0.8。根據假想的應用場景,首先使用OBCREAT1.0工具對待建的城市區(qū)域防空C4ISR系統(tǒng)進行建模,如圖5所示。

圖5　某城市防空C4ISR系統(tǒng)應用模型Fig.5　Application model of city air defense C4ISR system

在對區(qū)域防空C4ISR系統(tǒng)建模之后,為進一步分析系統(tǒng)能否完成城市防空任務,需要對系統(tǒng)進行效能評估,首先利用基于云模型的效能評估函數的構建方法,從專家給出的經驗數據和系統(tǒng)試驗數據中構建出區(qū)域防空C4ISR系統(tǒng)某項效能的評估函數,然后針對不同的使命任務以及不同作戰(zhàn)環(huán)境對系統(tǒng)效能進行評估,最后根據評估結果,完成對系統(tǒng)的優(yōu)化設計。

為了完成該城市的區(qū)域防空任務,根據合理性的要求,防空導彈打擊能力的目標毀傷效能值必須大于Importance(scope)的效能值。目標打擊能力是擁有有效毀傷目標效能并具有打擊范圍(scope)屬性的明確概念,有效毀傷目標效能的效能評估函數為Destroy(scope),見圖2。在該城市的近程和中程兩類防空任務中,以近程防空為例,通過第2節(jié)提出的方法,構建其效能評估函數。首先由領域專家根據實驗和經驗數據給出4組樣本數據點,通過效能云模型逆向生成器得到4個單一效能屬性云模型,分別為EC1(10,6,0.5),EC2(12,7,0.5),EC3(14,8,0.5),EC4(16,9,0.5)，其4個單一效能屬性云模型如圖6所示。

利用綜合效能云模型計算方法,將4個單一效能云模型合并成為綜合效能云模型,然后再求出其期望曲線，從而得到效能評估函數Destroy(scope)。

圖6　單一效能屬性云模型Fig.6　Cloud model of single effectiveness attribute

根據綜合效能云模型計算方法可以求得合并后的綜合效能云模型的數字特征為ECS(Ex=13.4,En=7.8,He=0.5),其中ω1=0.2,ω2=0.2,ω3=0.3,ω4=0.3產生的綜合效能云模型如圖7所示。

圖7　近程防空導彈毀傷綜合效能云模型Fig.7　Comprehensive damage efficiency cloud model of short-range air defense missile

在圖7效能評估函數圖形中,容易觀察出完成近程防護任務導彈的最大打擊范圍大約是23km(隸屬度大于0.5),當打擊范圍在13km左右時,目標毀傷效果最優(yōu)。

假設系統(tǒng)的使命任務轉變?yōu)橹谐谭雷o任務,領域專家根據經驗數據給出中程防護任務樣本數據點,一共給出4組樣本數據點,因此通過逆向云生成器可以得到4個效能屬性云,分別是EC1(21,11,0.5),EC2(25,13,0.5),EC3(29,15,0.5),EC4(33,17,0.5)。

中程防空導彈計算步驟與近程防空導彈相同,得到其中程防護任務綜合效能云模型的數字特征為ECL(Ex=26.2,En=13.8,He=0.5),其中,ω1=0.3,ω2=0.3,ω3=0.2,ω4=0.2。

圖8比較了在近程和中程兩種區(qū)域防空任務下,系統(tǒng)的效能變化情況。通過觀察不難看出,當城市區(qū)域防空范圍為10km,城市重要程度Importance(10)的效能值為0.9,而執(zhí)行防護任務的X中程導彈的毀傷效果Destroy(10)是0.5,X近程導彈的毀傷效果Destroy(10)是0.9。顯然X中程導彈的有效毀傷目標效能值低于近程區(qū)域任務的最低要求值0.9,因而無法完成該任務,OBCREAT1.0工具模型驗證結果如圖5所示。當該城市區(qū)域防空的范圍擴大為20km時,城市重要程度Importance(20)的效能值為0.8,而執(zhí)行防護任務的X中程導彈的毀傷效果Destroy(20)是0.9,X近程導彈的毀傷效果Destroy(20)是0.7。顯然X近程導彈不再滿足中程區(qū)域防空任務要求,需要使用X中程導彈來完成新的任務。

在兩種不同的作戰(zhàn)任務條件下對區(qū)域防空C4ISR系統(tǒng)能力需求模型進行分析,從分析過程和結果說明來看,本文提出的基于模糊-云模型的效能建模分析方法在系統(tǒng)能力需求分析階段可以很好地實現模糊的效能概念建模,并且能夠支持系統(tǒng)的效能評估,驗證出系統(tǒng)需求中不滿足使命任務要求的非功能需求,優(yōu)化系統(tǒng)需求;同時,根據系統(tǒng)在不同的使命任務下的效能評估結果,可以優(yōu)化系統(tǒng)組成結構,提高系統(tǒng)整體效能。

圖8　近程、中程防空導彈毀傷效能評估函數對比曲線Fig.8　Damage efficiency evaluation function curves of short-range and intermediate-range air defense missile

4　結　論

目前,C4ISR系統(tǒng)的需求分析驗證多集中于系統(tǒng)的功能性需求且需要進行模型轉換來實現模型驗證,缺少對系統(tǒng)非功能性需求的建模分析,并且模型轉換也會帶來語義等價性證明等問題,使得系統(tǒng)需求難以綜合建模分析驗證。為了解決這些問題,本文提出了一種基于模糊-云模型的C4ISR系統(tǒng)效能需求建模與分析方法。首先通過定義一種兼顧能力的功能和效能建模的3層建模框架,并改進傳統(tǒng)的UML建模語言，使其能夠描述效能需求中存在的模糊信息；然后構建了面向C4ISR系統(tǒng)的領域知識模型,提高了建模語言的領域適用性,并且針對C4ISR系統(tǒng)效能評估難以定量描述的問題,設計了基于云模型效能評估函數構建方法,通過構建的效能評估函數實現對系統(tǒng)效能的定量評估,并根據評估結果,可以對系統(tǒng)組成結構進行進一步分析,優(yōu)化系統(tǒng)設計。方法實現了在C4ISR系統(tǒng)效能需求建模到驗證的全過程,支持了C4ISR系統(tǒng)效能需求的驗證評估。通過在系統(tǒng)需求開發(fā)初期進行系統(tǒng)效能建模與評估,能夠反映系統(tǒng)完成預期使命的情況,在此基礎之上,對系統(tǒng)需求進行調整優(yōu)化,得到更加完整、精確、準確的系統(tǒng)需求,有利地支持了后一階段系統(tǒng)的開發(fā)。

[1]EnderT,LeurckRF,WeaverB,etal.Systems-of-systemsanalysisofballisticmissiledefensearchitectureeffectivenessthroughsurrogatemodelingandsimulation[J].IEEE Systems Journal, 2010, 4(2): 156-166.

[2]KaiP,MahvishK,LefterisA.Reasonsforbottlenecksinverylarge-scalesystemofsystemsdevelopment[J].Information and Software Technology, 2014, 56(10): 1403-1420.

[3]FangYP,GuoQS,MuG,etal.Complexityofweaponsystemofsystemsrequirementdevelopmentanditssolution[J].Systems Engineering and Electronics,2014,36(7):1320-1327. (樊延平, 郭齊勝, 穆歌, 等. 武器裝備體系需求開發(fā)的復雜性及其解決方案[J].系統(tǒng)工程與電子技術, 2014, 36(7): 1320-1327.)

[4]DuanCY,ZhangWM,YeJL,etal.Researchondevelopingrequirementsofequipmentsystem:approachtomatchingcapabilitiestotasks[J].Systems Engineering and Electronics, 2010, 32(3): 527-532. (段采宇, 張維明, 葉劍良, 等. 裝備體系需求開發(fā)研究: 能力-任務匹配方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術, 2010, 32(3): 527-532.)

[5]GeBF,HipelKW,FangLP,etal.Aninteractiveportfoliodecisionanalysisapproachforsystem-of-systemsarchitectingusingthegraphmodelforconflictresolution[J].IEEE Trans. on Systems,Man,and Cybernetics-Part A:Systems,2014,44(10):1328-1346.

[6]DoDArchitectureFrameworkWorkingGroup.DoDArchitectureFramework,version2.0[R].USA:DepartmentofDefense, 2009.

[7]WangZX,DongQC,ZhuWX,etal.Anapproachforconceptualanalysisoncapabilityrequirementsconsistencyandreasonability[J].Chinese Journal of Computers, 2013, 36(1): 10-21. (王智學,董慶超,朱衛(wèi)星,等.一種支持能力需求概念一致性和合理性分析的方法[J].計算機學報,2013,36(1):10-21.)

[8]WangRZ,DagliCH.ExecutablesystemarchitectingusingsystemsmodelinglanguageinconjunctionwithcoloredPetrinetsinamodeldrivensystemsdevelopmentprocess[J].Systems Engineering, 2011, 14(4): 383-409.

[9]GeBF,HipelKW,YangKW,etal.Anovelexecutablemo-delingapproachforsystem-of-systemsarchitecture[J].IEEE Systems Journal, 2014, 8(1): 4-13.

[10]PiaszczykC.Modelbasedsystemsengineeringwithdepartmentofdefensearchitecturalframework[J].Systems Engineering, 2011, 14(3): 305-326.

[11]MaZM,ZhangWJ,MaWY.Extendingobject-orienteddatabasesforfuzzyinformationmodeling[J].Information Systems, 2004, 29(5): 421-435.

[12]MaZM,ZhangF,ChengJ,etal.RepresentingandreasoningonfuzzyUMLmodels:adescriptionlogicapproach[J].Expert Systems with Applications, 2011, 38(3): 2536-2549.

[13]GuoQS,ZhiZG,YangRP,etal. An introduction to armament efficiency evaluation[M].Beijing:NationalDefenseIndustryPress, 2005: 1-8. (郭齊勝, 郅志剛, 楊瑞平, 等. 裝備效能評估概論[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2005: 1-8.)

[14]LiDY,DuY. Artificial intelligence with uncertainty[M].Beijing:NationalDefenseIndustryPress,2005:137-185.(李德毅,杜鹢.不確定性人工智能[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005:137-185.)

[15]LiDY,LiuCY,GanWY.Anewcognitivemodel:cloudmodel[J].International Journal of Intelligent Systems, 2009, 24(3): 357-375.

[16]WangGY,XuCL,LiDY.Genericnormalcloudmodel[J].Information Sciences, 2014, 280(1): 1-15.

[17]ZhangSB,XuCX.Studyonthetrustevaluationapproachbasedoncloudmodel[J].Chinese Journal of Computers, 2013, 36(2): 422-431. (張仕斌, 許春香. 基于云模型的信任評估方法研究[J].計算機學報,2013, 36(2): 422-431.)

王智學(1961-),通信作者,男,教授,博士研究生導師,主要研究方向為指揮自動化理論、需求工程、系統(tǒng)工程。

E-mail:wzxcx@163.com何紅悅(1985-),男,講師,博士,主要研究方向為需求工程、模型驗證。

E-mail:hehy2008@sina.com

朱衛(wèi)星(1978-),男,副教授,博士,主要研究方向為指揮自動化理論與技術、需求工程。

E-mail:zhuwx999@126.com

ModelingandanalysismethodtoC4ISRsystemforefficiencyrequirementsbasedonfuzzycloudmodel

WANGQing-long1,WANGZhi-xue1,HEHong-yue1,ZHUWei-xing2

(1. College of Command Information System, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China;2. Information Manager Center, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

Themodelingproblemofnon-functionalrequirementsplaysasignificantroleinC4ISR(command,control,communication,computer,intelligence,surveillance,resonance)systemicefficiencyanalysis.AmodelingandanalysismethodtoC4ISRsystemforefficiencyrequirementsbasedonthefuzzyunifiedmodelinglanguage(UML)andcloudmodelisproposed.Firstly,arequirementsanalysisframeworkissuggested,whichcandefineintegratedrequirementsofbothsystemfunctionsandefficiency,andtheclassicUMLisextendedtoimprovethedomainapplicability.AndthefuzzyinformationcanbemodeledbythefuzzyUML.Secondly,abackwardgeneratorarithmeticofefficiencycloudmodelisdesigned,andaconstructiblemethodforefficiencyevaluationfunctionbasedonthecloudmodelissuggested,whichcanfacilitatetomakequantitativeanalysisfortheC4ISRsystemanddescribethecompleteeffectofthemission.Finally,acrispcaseofairdefenseisusedtofacilitateanddemonstratethecorrectnessandfeasibilityofthismethod.

fuzzyunifiedmodelinglanguage(UML);efficiencyrequirement;efficiencyevaluationfunction;cloudmodel

2015-04-14；

2016-02-28；網絡優(yōu)先出版日期：2016-05-12。

國家自然科學基金(61273210)；國防重點預研項目(51306010202)資助課題

E917;TP391.9

ADOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.09.14

王慶龍(1988-),男,博士研究生,主要研究方向為需求工程、模型驗證。

E-mail:jsxq901901@163.com

網絡優(yōu)先出版地址：http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160512.0912.010.html