【基于OPN的C4ISR系统的子网划分及建模过程】 美国建模大赛奖项划分

　　[摘 要]如何实现模块化可继承的建模,一直是C4ISR系统的建模及分析的难点之一。基于时间对象Petri网的建模,层次分明可视界面较强,各对象间层次关系明确,是实现C4ISR系统建模工作的基础。本文提出一种基于OTPN的C4ISR系统的子网划分规则,该规则的特点是以C4ISR系统的实际情况出发,对C4ISR系统的实际建模有较强的参考价值。
　　[关键词]C4ISR 对象petri网 C4ISR建模 C4ISR子网划分
　　[中图分类号]TP[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)02-0021-02
　　
　　引语
　　由C4ISR系统的概念、组成和工作原理,不难发现:C4ISR系统是基于信息的系统。[1]C4ISR系统绝大多数功能是与信息密切相关的,所以信息活动的描述是C4ISR系统建模、分析与仿真的基础。C4ISR系统功能除了离散事件的特性之外,还具有分布、并发、同步等特性,要完成C4ISR系统功能的建模,要求所采用的离散事件建模方法必须能恰当地描述这些功能特性。C4ISR系统的庞大及维数的复杂决定了,系统建模的方法必定以面向对象的子网组合最为有效,也对实际的建模工作最有指导意义。
　　面向对象技术[2\3]是一种自底向上的归纳和自顶向下的分解相结合的方法,是一种围绕真实世界的概念来组织模型的全新的思考方式。它符合人们的认知方式,在表现系统中的实体和用户需求等方面具有很大的优势。
　　1 对象时间Petri网的发展
　　面向对象技术具有模块化、多态、重用性和继承的特点,这种技术的出现,使Petri网在模块重用上的缺陷得到很大程度的改善,也使得基于Petri网的C4ISR系统建模的困难程度大大下降。从有色Petri网(EPN)向对象Petri网(OPN)转化的化过程[4]如下:
　　(l)先介绍CPN的定义,在添加置换变迁概念后,继而形成了层次有Petri网(HCPN);(2)在CPN基础上增加置换位置的概念,得到模块化有色Petir网(MCPN);(3)为了提高对多层次活动的描述,托肯不再是被动的对象,而是个封装了自己的行为和交互策略的子网,这就形成基于对象Petri网(OBPN);(4)在OBPN模型的基础上,考虑到继承、多态和动态绑定的性质,得到面向对象Petri网(OOPN);(5)增加了测试弧和禁止弧的概念,得到最后的OPN。
　　在有色Petri网系统定义的基础上[5],引入面向对象技术和时间映射机制,提出普通变迁和抽象变迁,其中抽象变迁具有层次意义的抽象,由活动变迁、状态位置和输入/输出函数组成。
　　2 对象时间Petri网的定义及特征
　　2.1 对象时间Petri网的定义[6]
　　对象时间Petri网是面向实时系统的建模和分析的模型,它将时间Petri网和面向对象技术结合起来,不仅具有封装、继承、多态和消息传递等面向对象的特点,同时也通过时间Petri网来描述系统的时间特性。
　　定义:OTPN=(OBS,R,C,T,D,MO)
　　其中:(l)对象网系统OBS=(OB1,OB2,…,OBM)其中OBi是与物理位置相对应的对象位置,且有:
　　Obi=(SPi,IMi,Omi,Ti,Prei,Posti),
　　・SPi是对象位置i中状态位置的有限集合;
　　・IMi是对象位置i中输入消息位置的有限集合;
　　・OMi是对象位置i中输出消息位置的集合,
　　・Ti是对象i中的活动变迁的有限集合;
　　・和
　　是对象位置i处的一个输入(输出)函数。
　　(2)对象之间的连接关系集合R=(…,Rij,…)。
　　(3)T表示加在模型上时间描述T=(SI,ST,SD)。其中SI表示活动变迁上时间延迟,。
　　(4)D表示加在模型上的时间约束。(5)MO是模型的初始状态标识。
　　2.2 对象Petri网面向对象的特征
　　OPN是以面向对象为基础进行定义的,实际上它的主要优势在于面向对象的子网划分和继承特性。(1)OPN的划分及C4ISR系统中的建模子网封装。OPN模型对内是一个结构完整的整体,对外则是一个功能明确、接口单一、在各种适合的环境下都能独立工作的有机单元。这是基于面向对象技术的封装概念,在实际的C4ISR子网封装的过程中,必需要考虑C4ISR系统的工作实际,从实际的角度出发建立子网划分的规则。这对C4ISR系统的建模工作,有重要的现实意义。(2)OPN的继承。继承是新对象使用现有对象功能的手段,也是实现软件重用的一种途径,继承是OPN在C4ISR系统建模中的重要优势之一。在OTPN中,子类直接继承父类的所有属性和方法,也可以改写方法,同时还有自己特有的方法。一个子类继承父类须满足下列要求:令i,k,n分别表示子类、父类和新定义和改写的方法,则。
　　3 基于对象时间Petri网的C4ISR系统的子网划分及建模过程
　　3.1 C4ISR系统子网划分规则
　　在对C4ISR系统进行建模之前,应该充分认识到系统的军用特性。因此,从数据库建模的角度及后面自动化建模的需求出发,基于OTPN的子网封装应该符合以下几个规则:
　　(1)为解决模型的大规模建设,模型不易划分等问题。子网的划分应符合军队建制,方便数据库建立及完善,同级建制系统属于同级子网。定义:Obi=(SPi,IMi,Omi,Ti,Prei,Posti,Ji)其中增加Ji=(J0,J1,J2……Jn),表示子网的权重或子网的规模建制。
　　(2)以系统最高建制指挥系统为一级子网,且上一级建制的指挥所与下一级建制属于同级子网。以旅级作战系统为例,旅级指挥所与下属团为同级子网,即为系统的一级子网。团级指挥所与下属营为系统的二级子网,依次类推。
　　(3)系统中的直属建制单位在封装上与上级指挥系统为同级子网。例如旅级系统中的直属营,与旅级指挥所属于同级封装。
　　(4)同类子网的重复建模,是建模过程中容易出现的问题。为避免同类模型的重复建模,以及建模的不一致性,类似功能的子网应当符合同一子网划分规则。
　　(5)子网的划分应当基于信息的最优传输,同时在子网内的延时可取最小值。子网之间的信息传递延时大于或远大于子网内延迟。OTPN的时间描述T=(SI,ST,SD),其中,。
　　(6)同一子类继承同一父类特性。定义,,其中表示对父类的改写方法,而且。
　　(7)子网的触发规则,以变迁触发,避免了模型整体无序重复触发的问题。模块的耦合边界以事件(变迁)为触发,而不是状态(位置)。即子网i和子网j之间通过门进行消息传递,并必需符合顺序关系、并发关系、选择关系、同步关系、汇合关系中的一种或多种。
　　3.2 C4ISR系统的OTPN模型构建过程
　　依据C4ISR系统的建模实际,OTPN的构造过程如下图所示:(1)首先对目标系统进行建制分析,分辨出系统中的建制以及建制之间消息传递关系;(2)分析子网划分,按照规则对子网进行封装。(3)构造每个对象的内部子网模型,它用时间Petri网来描述,构造结束后存入资料库。(4)结合系统的需求分析和对象子网的功能要求,建立整个系统的对象网模型;(5)将对象网模型转换成OTPN模型;(6)对模型进行分析,包括对象子网模型和系统对象网模型的分析。(7)检查分析结果是否满足要求?若不满足,则需重新构造系统模型。若满足则可以进行系统设计,并定义好系统存入资料库。
　　4 结语
　　本文主要从C4ISR系统的实际建模特点出发,提出了一种基于OTPN模型的子网划分规则,在遵循该规则的基础上,本文提出了C4ISR系统建模的过程,该过程主要优点在于子网模型层次清晰便于构建、容易建立模型资料库从而实现整个系统建模、采取自上由下的建模
　　方式使建模过程简单明了,对C4ISR系统的其他类型级别的建模有较强的参考价值。
　　
　　[参考文献]
　　[1] 刘曙阳,程万祥.C3I系统开发技术.北京:国防工业出版社,1997.
　　[2] 邵维忠,杨芙清.面向对象的系统分析(第1版).北京:清华大学出版社,1998.
　　[3] 乔伊等著,梁金昆译.面向对象的系统分析与设计.北京:清华大学出版社.2005.
　　[4] LakosC. From Coloured Petri Nets to object Petri Nets.APPlieation and Theory of Petri Nets,Torino,Italy.1995:278-297.
　　[5] 蒋国银,何跃.基于高级对象Petri网的工作流过程建模研究.系统工程理论与实践,2005:P86-P95.
　　[6]江金龙,周献中.UML和Petri网建模方法及其在C4ISR系统中的应用.南京理工大学博士论文,P88-P90.
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文