基于工作流網(wǎng)的指揮信息系統(tǒng)軍事需求分析系統(tǒng)研究?

方 群

1 引言

指揮信息系統(tǒng)軍事需求指在未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)，為實(shí)現(xiàn)預(yù)定軍事戰(zhàn)略目標(biāo)和戰(zhàn)爭(zhēng)目的，對(duì)指揮信息系統(tǒng)發(fā)展的基本要求，是規(guī)劃指揮信息系統(tǒng)發(fā)展和指導(dǎo)具體裝備建設(shè)的客觀依據(jù)。然而指揮信息系統(tǒng)軍事需求分析存在著指揮信息系統(tǒng)軍事需求不斷變更、指揮信息系統(tǒng)軍事用戶對(duì)需求表達(dá)不暢［1］等難點(diǎn)期待有所突破。指揮信息系統(tǒng)的開發(fā)過程實(shí)際上就是與軍事需求不斷變化做抵抗的過程。軍事設(shè)計(jì)不斷的修改、軍事秘密必須重寫或者重新調(diào)整軍事項(xiàng)目計(jì)劃將不利于指揮系統(tǒng)的發(fā)展［2］。為此本文提出在軍事需求分析中引入工作流系統(tǒng)，以期待對(duì)瓶頸問題有所突破。

工作流是工作流程的計(jì)算模型，指業(yè)務(wù)流程的自動(dòng)化或半自動(dòng)化的執(zhí)行，即通過工作過程線性化后的并行任務(wù)執(zhí)行過程。在此過程中，文檔、信息或者任務(wù)按照一定的過程規(guī)則流轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)組織成員間的協(xié)調(diào)工作，以期達(dá)到業(yè)務(wù)的整體目標(biāo)。工作流系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于可以迅速、便捷地建立一個(gè)基于協(xié)同工作和業(yè)務(wù)流程的應(yīng)用管理平臺(tái)，讓人員從繁瑣的流程流轉(zhuǎn)、任務(wù)分配、數(shù)據(jù)獲取中解脫出來(lái)，而專注于重要模塊的設(shè)計(jì)與開發(fā)。應(yīng)用工作流技術(shù)是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作（Computer Supported Cooperative，CSCW）的一種重要技術(shù)，它通過將業(yè)務(wù)流程分解成良好的定義活動(dòng)、角色和過程規(guī)則，并結(jié)合計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)施流程管理、流程分析和流程再造。

分析指揮信息系統(tǒng)軍事需求首先需建立需求分析流程，梳理需求要素組，明確不同需求要素的建模手段，從而形成一套完整的需求分析方法以指導(dǎo)需求開發(fā)。為此，本文提出基于工作流的指揮信息系統(tǒng)軍事需求分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)，給出了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型及功能設(shè)計(jì)并進(jìn)行了Petri過程模擬。

2 基于工作流指揮信息系統(tǒng)軍事需求分析的基本流程

指揮信息系統(tǒng)需求研究主要由威脅分析、作戰(zhàn)任務(wù)、能力需求和解決方案4個(gè)分析階段組成［3～4］?；诠ぷ髁飨到y(tǒng)中的指揮信息系統(tǒng)需求分析首先被描述成一系列的過程定義，然后過程定義再進(jìn)一步分解成若干活動(dòng)集合（圖1）。

圖1 工作流基本概念間的聯(lián)系

工作流管理系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用階段分為模型建立階段、模型實(shí)例化階段和模型執(zhí)行階段三個(gè)階段（圖2）。

圖2 工作流管理系統(tǒng)實(shí)施三階段

目前，有許多方法和工具可用于描述工作流過程模型，例如，活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖的方式、EPC的方式、Pe?tri網(wǎng)的方式等。其中基于Petri網(wǎng)基礎(chǔ)的工作流網(wǎng)建模方法有著較強(qiáng)的適切性［7～12］。作為一種從過程的角度出發(fā)描述和分析復(fù)雜系統(tǒng)的模擬工具，它具有形式化的語(yǔ)義定義、直觀的圖形表達(dá)、嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及基于狀態(tài)的描述等優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越廣泛應(yīng)用于業(yè)務(wù)過程建模和流程優(yōu)化。

3 指揮信息系統(tǒng)軍事需求分析系統(tǒng)的工作流層次化模型建立

指揮信息系統(tǒng)軍事需求分析是一個(gè)復(fù)雜的過程。雖然Petri網(wǎng)具有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和規(guī)范化的語(yǔ)義，能夠?qū)κ录牟l(fā)、同步等建立模型，清楚地描述系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用，又能夠?qū)ο到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)（有界性、活性、可達(dá)性等）進(jìn)行分析，適合于描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，但是在大型、復(fù)雜的系統(tǒng)模型中，Petri網(wǎng)也存在著一些非常明顯的不足，其主要困難就是模型狀態(tài)空間的復(fù)雜性問題，將隨著實(shí)際系統(tǒng)的規(guī)模增大而呈指數(shù)性增長(zhǎng)［5］。為此運(yùn)用于指揮信息系統(tǒng)中的模型在其建立過程中，需要利用細(xì)化理論，對(duì)其進(jìn)行層次化建模和性質(zhì)分析。這里所謂的細(xì)化理論其基本思想就是由己知或容易分析的簡(jiǎn)單網(wǎng)（簡(jiǎn)單Petri網(wǎng)的活性、有界性和可達(dá)性等比較容易驗(yàn)證）開始，逐步地用更加詳細(xì)的子網(wǎng)代替初始簡(jiǎn)單網(wǎng)中的變遷或庫(kù)所，而新加進(jìn)去的子網(wǎng)并不改變?cè)染W(wǎng)的某些性質(zhì)。這種“自頂向下”、“逐步求精”的過程可重復(fù)進(jìn)行到建模人員想要的細(xì)化程度［6］。即從最高層次開始，過程不斷地被分解為子過程，反復(fù)地分解得到層次化的描述。層次化后的工作流模型是可靠的，其驗(yàn)證推理過程如下：

定義1 （Petri網(wǎng)）：Petri網(wǎng)是一個(gè)四元組PN=（P，T；F，MO），其中

1）P=｛p1，p2，…，pm｝是庫(kù)所的有限集合；

2）T=｛t l，t2，…，tn｝是變遷的有限集合；

3）P∪T≠?，P∩T=?；

4）F?（（P×T）∪（T×P））表示庫(kù)所和變遷之間的流關(guān)系；

5）dom（F）∪ cod（F）=P ∪ T（不存在孤立元素）；

6）映射M0：p→｛0，l，2，…｝是網(wǎng)的初始標(biāo)識(shí)。

有向網(wǎng)N=（P，T；F）是Petri網(wǎng)的基網(wǎng)，不包含初始標(biāo)識(shí)。一個(gè)Petri網(wǎng)也可以表示為（N，M0）。

Petri網(wǎng)是一種有向圖，由兩種類型的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，一種是庫(kù)所節(jié)點(diǎn)p，用圓圈來(lái)表示，另一種是變遷節(jié)點(diǎn)t，用方框來(lái)表示，節(jié)點(diǎn)之間用有向弧來(lái)連接。Petri網(wǎng)的狀態(tài)用托肯在庫(kù)所中的分布來(lái)表示。

定義2 （前置集和后置集）：設(shè)網(wǎng)N=（P，T；F），對(duì)x∈P∪T，記

稱*x為元素x的前置集，x*為x的后置集，*x∪x*為x的外延。

定義3 （狀態(tài)機(jī)）：稱網(wǎng)N=（P，T；F）為一個(gè)狀態(tài)機(jī)（state machine）當(dāng)且僅當(dāng) ?t∈T ，都有|*t|≤1∧|t*|。限定每一個(gè)變遷最多只有一個(gè)輸入庫(kù)所和一個(gè)輸出庫(kù)所的Petri網(wǎng)?？梢杂靡粋€(gè)含有多個(gè)輸出變遷的庫(kù)所來(lái)表示選擇沖突，但不能模擬并發(fā)。

定義4 （狀態(tài)機(jī)工作流網(wǎng)）：若WF=（P，T；F）是一個(gè)工作流網(wǎng)，且對(duì) ?t∈T ，都有|*t|≤1∧ |t*|，則稱WF是狀態(tài)機(jī)工作流網(wǎng)，寫作SMWF。

狀態(tài)機(jī)工作流網(wǎng)的可靠性證明。

證明：網(wǎng)WF=（P，T；F）是一個(gè)狀態(tài)機(jī)工作流網(wǎng)，對(duì)?t∈T，都有|*t|≤1∧|t*|。根據(jù)工作流網(wǎng)的定義（2）其擴(kuò)展網(wǎng)WF’是強(qiáng)連通的，可知對(duì) ?t∈T∪｛t*｝，必有|*t|=|*t|=l。

對(duì) ? ti∈T ，|*t|=1，不防設(shè)*ti=pi，由擴(kuò)展網(wǎng)的強(qiáng)連通性則從庫(kù)所i到庫(kù)所pi存在一條有向路Ci=i，til，pil，ti2，pi2，…，pik-1，tik，pi。 其 中（i，ti1），（til，pil），…，（pik-1，tik），（tik，pi）∈F，令σi=ti1ti2…tik，設(shè)M=i［σi，則M（pi）=1，不存在死變遷。由于有每個(gè)變遷的發(fā)生恰好有一個(gè)庫(kù)所減少一個(gè)托肯而另一個(gè)庫(kù)所增加一個(gè)托肯，所以，只要i［σ＞M，不管σ是什么，總有，即在任何可達(dá)標(biāo)識(shí)下，只有一個(gè)庫(kù)所存在且僅存在一個(gè)托肯。對(duì)于?M∈R(i)，因?yàn)椴辉O(shè)防設(shè)M（pj）=1而M（p）=0對(duì)?p∈P｛pj｝。從庫(kù)所pj可達(dá)庫(kù)所o，設(shè)該有向路 C=pj，tj1，Pjl，tj2，…，tjs，o，令 σj=tj1tj2…tjs，則M［σj＞o。即對(duì)?M∈R(i)都存在一個(gè)變遷序列可達(dá)狀態(tài)o。進(jìn)一步根據(jù)，只要庫(kù)所o中有一個(gè)托肯，其他庫(kù)所的托肯數(shù)必然為零。

綜上所述，若一個(gè)工作流網(wǎng)中對(duì)?t∈T，都有|*t|≤1∧|t*|，則該工作流網(wǎng)必然是可靠的，即所有的狀態(tài)機(jī)工作流網(wǎng)SMWF都是可靠的。

下面以聯(lián)合防空作戰(zhàn)流程為例［4］（圖3），節(jié)選t1階段任務(wù)受領(lǐng)部分工作流過程描述為：接受聯(lián)合指揮中心下達(dá)防空指令，A防空群進(jìn)行發(fā)射攔截，B航空兵群進(jìn)行空中攔截，C對(duì)抗群進(jìn)行電子干擾。

圖3 聯(lián)合防空作戰(zhàn)流程

根據(jù)工作流網(wǎng)的基本定義，對(duì)這個(gè)過程進(jìn)行建模。得到如圖4所示工作流網(wǎng)模型。

圖4 工作流網(wǎng)模型

由于對(duì) ?t∈T ，都有|*t|≤1∧ |t*|，所建立的工作流模型必定是可靠的，在沒有異常發(fā)生的情況下能夠正確結(jié)束。

4 結(jié)語(yǔ)

Petri網(wǎng)的層次化建?？梢詭?lái)以下優(yōu)點(diǎn)：1）隱藏子網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在建模時(shí)集中于相應(yīng)的抽象層次。2）對(duì)于有相同結(jié)構(gòu)的子網(wǎng)，不必重復(fù)建模和分析。3）使業(yè)務(wù)流程模型具有良好的結(jié)構(gòu)，便于對(duì)其分析處理，有利于各個(gè)階段的獨(dú)立驗(yàn)證和確認(rèn)。

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