基于CPN的面向任务指挥控制组织建模、仿真及优化方法研究

论文摘要

信息化条件下的联合作战对指挥控制组织提出了更高的要求,而现有的指挥控制体制是工业时代的产物。我军虽然在信息化建设中取得了一定的成果,但指挥控制组织的设置、运行上仍然还缺乏灵活性,无法适应复杂多变的信息化条件下的联合作战需求。目前针对这一问题已经提出了许多的指挥控制组织设计方法,而这些方法各有特点,也存在不足。如何迅速高效的分析评价所设计的指挥控制组织方案与使命环境之间的匹配程度并从中择优应用,是一个需要解决的问题。此外,当前的各种设计方法大都基于静态的使命环境进行设计,在动态变化的环境下具有很大的脆性,研究指挥控制组织在动态环境中的应对策略也是一个重要课题。针对指挥控制组织研究中的上述问题,本文提出面向任务指挥控制组织(TaskOriented Command and Control Organization,TOC2O)的概念,研究基于CPN建立TOC2O仿真模型的方法,分别从无使命环境、静态使命环境、动态使命环境三个角度对TOC2O进行建模,结合具体案例进行仿真分析TOC2O方案与使命环境之间的匹配关系,为TOC2O的设计方法、方案比较提供支持,研究动态使命环境下TOC2O的鲁棒性和适应性优化模型和算法,通过案例对算法进行验证。本文的主要工作和创新之处体现在以下几个方面:(1)提出了TOC2O的概念体系和仿真建模框架提出了TOC2O的概念,将TOC2O看成由使命任务、指挥控制资源和决策者三类实体构成的系统。分析了TOC2O的构建过程,对比了它与虚拟企业之间的异同点。通过分析使命任务、指挥控制资源和决策者之间的交互关系,建立了多层次的描述模型。结合面向对象思想和Petri网建模方法,采用UML的类图、顺序图和状态图建模,建立了TOC2O的仿真框架。(2)基于信息处理的观点研究了无使命环境条件下TOC2O结构性能在没有具体的使命环境条件下,TOC2O的组织结构成为主要的研究对象。依据计算数学组织理论思想中信息处理的观点,论文应用指挥控制组织中信息传递速度和质量这两个指标来分析指挥控制组织自身的尺度参数和性能指标。定义了指挥控制组织的时间延迟,应用已经建立的TOC2O模型,研究了基于网络信息熵的时间延迟模型;建立指挥控制组织结构的仿真模型,对比分析了不同指挥控制组织结构中的信息失真。(3)研究了建立无结构变化的TOC2O的CPN仿真模型方法,并研究了TOC2O与使命环境之间的匹配关系基于UML模型的仿真建模框架,研究了TOC2O的CPN仿真模型的构建方法。在CPN中引入模型变量,将TOC2O的各种设计参数以托肯的形式描述:引入控制变量,描述各种复杂的TOC2O的操作,保证了TOC2O的CPN仿真模型结构不会随着TOC2O的变化而发生变化,实现仿真模型的稳定性和建模过程的高效性。论文用具体案例建立了静态使命环境下不同方法获得的多个TOC2O方案的CPN仿真模型,通过仿真运行,从仿真时间、决策者负载、通信量与协调量等性能匹配参数对比分析了这些方案,实现了TOC2O与使命环境之间的匹配关系的度量。(4)建立了动态使命环境下TOC2O的鲁棒性、适应性优化模型,提出了相应的求解算法动态使命环境下,使命参数具有不确定性,使命环境动态变化的情况下TOC2O的CPN模型的仿真结果说明了进行优化设计的必要性。将使命任务动态变化的序列看成是一个个概率事件,建立鲁棒性优化数学模型,使TOC2O以较大的概率满足使命的需求。提出了求解鲁棒性优化模型的分组遗传算法。分析了动态使命环境下TOC2O的性能代价和结构变形代价,提出了适应性优化的目标是最小化性能代价和结构变形代价的加权和。研究了采用CPN仿真与动态窗口蚁群优化算法相结合的两阶段方法进行适应性优化设计的过程。案例对比分析验证了鲁棒性优化、适应性优化算法的准确性和效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 联合作战对指挥控制组织的要求
• 1.1.2 当前指挥控制组织面临的挑战
• 1.1.3 论文研究问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 面向任务的概念及面向任务指挥控制组织的四种设计方法
• 1.2.2 一般组织的建模仿真方法
• 1.2.3 指挥控制组织的建模仿真方法
• 1.2.4 基于CPN的动态系统建模及应用
• 1.3 本文的研究内容和组织结构
• 第二章 TOC20概念及仿真建模框架研究
• 2.1 TOC20相关概念
• 2.2 TOC20的构建过程
• 2.2.1 使命任务建模、指挥控制资源描述阶段
• 2.2.2 使命任务、指挥控制资源匹配阶段
• 2.2.3 指挥控制资源聚类及优化指挥控制资源组织结构阶段
• 2.3 TOC20与虚拟企业的对比分析
• 2.3.1 TOC20与虚拟企业的共同点
• 2.3.2 TOC20不同于虚拟企业的特点
• 2.4 TOC20的建模、仿真及优化过程
• 2.5 TOC20的仿真建模框架
• 2.5.1 TOC20仿真建模的需求和特点
• 2.5.2 TOC20的仿真建模过程
• 2.6 TOC20的描述模型
• 2.6.1 组织与使命环境交互关系模型
• 2.6.2 指挥控制组织的混合结构模型与组织中决策者模型
• 2.7 TOC20的UML建模及状态转移分析
• 2.7.1 TOC20的UML建模
• 2.7.2 指挥控制资源与使命任务状态转移分析
• 2.7.3 决策者与指挥控制资源状态转移关系分析
• 2.7.4 决策者之间协调关系分析
• 2.8 本章小结
• 第三章 无使命环境下基于信息流的指挥控制组织结构建模仿真方法研究
• 3.1 相关研究方法
• 3.2 指挥控制组织的时延分析
• 3.2.1 时间延迟的定义
• 3.2.2 时延的计算模型
• 3.2.3 时延计算案例
• 3.2.4 小结
• 3.3 指挥控制组织信息失真分析
• 3.3.1 指挥控制组织中决策者信息失真
• 3.3.2 基于信息流的指挥控制组织信息失真仿真分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 TOC20的CPN建模方法与仿真分析
• 4.1 CPN理论及CPN Tools简介
• 4.1.1 Petri网及着色Petri网
• 4.1.2 CPN tools工具简介
• 4.2 TOC20的CPN建模方法研究
• 4.2.1 TOC20结构的CPN模型
• 4.2.2 指挥控制资源的CPN模型
• 4.2.3 使命环境的CPN建模
• 4.3 TOC20仿真性能参数分析
• 4.3.1 时间度量
• 4.3.2 决策者负载
• 4.3.3 通信量与协调量
• 4.3.4 TOC20与使命环境匹配度量
• 4.4 静态使命环境下TOC20的仿真
• 4.4.1 静态仿真模型
• 4.4.2 静态仿真结果及分析
• 4.4.3 通信延迟敏感度分析
• 4.5 动态使命环境的CPN建模方法研究
• 4.5.1 简单使命任务关系的CPN建模
• 4.5.2 复合使命任务关系的CPN建模
• 4.6 动态使命环境下CPN模型仿真分析
• 4.6.1 使命任务参数变化的仿真分析
• 4.6.2 使命任务间关系和使命任务分解变化的仿真分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 基于CPN模型的TOC20优化方法研究
• 5.1 TOC20鲁棒性优化设计方法研究
• 5.1.1 TOC20的鲁棒性概念
• 5.1.2 TOC20鲁棒性优化的数学模型描述
• 5.1.3 遗传算法的应用
• 5.1.4 鲁棒性优化的分组遗传算法
• 5.1.5 TOC20鲁棒性优化案例研究
• 5.2 TOC20适应性优化设计方法研究
• 5.2.1 组织的适应性优化及相关研究
• 5.2.2 TOC20适应性优化问题的数学描述
• 5.2.3 蚁群算法的应用
• 5.2.4 适应性优化的动态窗口蚁群优化算法
• 5.2.5 适应性优化案例研究
• 5.3 优化的时机选择
• 5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 论文主要贡献
• 6.2 进一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者攻读博士学位期间发表的主要学术论文