基于IDEF0和UML的海上防空作戰(zhàn)軍事概念模型

張玉杰，葉江華，孫彥良，馬心意

(1.空軍指揮學院，北京 100097;2.空軍勤務學院，江蘇 徐州 221000)

海上作戰(zhàn)對維護海洋權益，解決領海爭端，具有十分重要的現(xiàn)實意義。隨著我國海上安全面臨的威脅日益突出，海上安全不僅是我國戰(zhàn)略利益的重要支撐，并日益成為國家安全的重要組成部分。2015年5月，我國發(fā)布的國防白皮書《中國的軍事戰(zhàn)略》中指出，“根據(jù)戰(zhàn)爭形態(tài)演變和國家安全形勢，將軍事斗爭準備基點放在打贏信息化局部戰(zhàn)爭上，突出海上軍事斗爭和軍事斗爭準備?！焙Ｉ戏揽兆鲬?zhàn)是海上作戰(zhàn)任務的重要組成部分，受海上艦艇編隊防空能力限制，必須針對海上作戰(zhàn)特點，充分整合陸、海、空、天等多維作戰(zhàn)資源，形成具有綜合作戰(zhàn)能力的防空體系。針對這一思路，本文重點對相關的軍事概念模型建模問題進行研究。

軍事概念模型是對軍事事物、行為及關系等，用文字、表格、圖形等進行抽象描述的作戰(zhàn)模擬模型，是對軍事問題的第一次抽象，主要用于數(shù)學建模與軟件建模［1］。軍事概念建模可分為軍事任務的格式化描述和形式化描述兩個層次［2］。格式化描述主要是由軍事人員用面向領域的概念進行表述，形式化描述主要是仿真人員用形式化的建模規(guī)范進行表述。軍事概念形式化描述方法有集成定義(Integration Definition，簡稱IDEF)、統(tǒng)一建模語言(Universal Modal Language，簡稱UML)和Petri網等方法。其中，IDEF方法針對不同的應用已發(fā)展成從 IDEF0到 IDEF14的一個系列［2］。IDEF0用于描述系統(tǒng)的功能，能夠較直觀地反映作戰(zhàn)過程，UML側重于從技術開發(fā)角度以各種視圖表達作戰(zhàn)行動過程，兩者結合使用有助于更好地進行軍事概念建模。

1 海上防空作戰(zhàn)軍事概念模型格式化描述

完整的軍事概念格式化描述包括概念定義、規(guī)則描述及數(shù)據(jù)需求三部分，以文字、圖表等形式，完成作戰(zhàn)想定和任務空間、實體、結構、狀態(tài)、行為及交互6類要素的描述［3］。限于篇幅，本文重點對海上防空作戰(zhàn)想定、相關作戰(zhàn)實體和活動進行描述。

1.1 作戰(zhàn)想定

本文以敵方來襲飛機為假想攔截作戰(zhàn)對象，我方海上防空力量是在天基、空基、海基預警以及技偵等信息支援下，主要由預警機、指揮控制平臺、攔截飛機和海上艦艇編隊組成。我方作戰(zhàn)目的是針對某一重要海域進行防空，保衛(wèi)我方預警機、艦艇及海上重要目標的安全。

1.2 作戰(zhàn)實體

基于分辨率適度、有狀態(tài)向量、有交互行為3條原則，確定海上防空作戰(zhàn)實體有:預警機、指揮控制平臺、攔截飛機、艦艇等。這里指揮控制平臺實體是一個邏輯意義上的作戰(zhàn)實體，指揮控制平臺可以基于艦艇平臺或預警機平臺上，通信可以采用衛(wèi)星、短波、超短波通信和JIDS數(shù)據(jù)鏈等方式。為了便于研究問題，使實體的功能盡可能相互獨立，這里專門提取出指揮控制平臺這一邏輯實體賦予信息融合與處理、指揮控制和目標引導等功能。

1.3 實體主要活動

海上防空作戰(zhàn)中，各種實體根據(jù)不同的作戰(zhàn)階段和任務進行一系列活動，如表1所示。

表1 海上防空作戰(zhàn)實體主要活動表

2 海上防空作戰(zhàn)軍事概念模型形式化描述

海上防空作戰(zhàn)軍事概念模型可綜合運用IDEF0和UML建模方法。首先采用IDEF0方法從軍事角度描述海上防空作戰(zhàn)過程，然后基于UML從技術開發(fā)與實現(xiàn)角度進行海上防空作戰(zhàn)的形式化描述。

2.1 IDEF0建模

IDEF0建模方法是從系統(tǒng)頂層需求開始，逐層分解，最終得到系統(tǒng)詳細描述。IDEF0模型是通過活動、輸入、輸出、控制、機制等要素進行描述。如圖1所示，中間的活動是海上防空作戰(zhàn)，左邊的輸入是敵方飛機目標信息，右邊的輸出是攔截結果，上方的控制是防空作戰(zhàn)的任務和原則，下方的機制是防空作戰(zhàn)平臺等執(zhí)行環(huán)境。

圖1 海上防空作戰(zhàn)任務頂層示意圖

在頂層設計的基礎上，可以進一步分解得到如圖2所示的細節(jié)圖，這里將防空作戰(zhàn)平臺具體細分為預警機、艦艇、攔截機和指揮控制平臺，并對其各自的功能進行描述。

圖2 海上防空作戰(zhàn)任務細節(jié)示意圖

2.2 UML建模

UML是基于面向對象思想的圖形化建模語言，定義了九種視圖［2］，可以根據(jù)具體需求進行取舍。本文重點應用UML的類圖、活動圖和順序圖來建立海上防空作戰(zhàn)軍事概念的UML模型。

2.2.1 實體類屬性及操作分析

在明確任務和實體功能的基礎上，需要用UML類圖描述出作戰(zhàn)過程中的實體及其靜態(tài)關系，方便系統(tǒng)進行技術實現(xiàn)。系統(tǒng)中的實體是由屬性及其活動組成，對應于類中的屬性和操作。圖3為系統(tǒng)的類圖，其中，預警機和攔截機都繼承自作戰(zhàn)飛機這一基類，具有基類中的所有屬性和操作。

2.2.2 實體狀態(tài)及事件分析

根據(jù)上述所列實體主要活動，使用UML狀態(tài)圖詳細描述實體在海上防空作戰(zhàn)中有哪些狀態(tài)以及哪些事件引起狀態(tài)的改變，具體內容參見表2和圖4。

圖3 海上防空作戰(zhàn)實體及其關系類圖

2.2.3 實體活動分析

活動圖是狀態(tài)圖的一種形式，主要描述各實體所要進行的活動以及活動間的約束關系。如圖5為海上防空作戰(zhàn)行動活動總體圖。

根據(jù)觀察-判斷-決策-行動(Observe-Orient-Decide-Act，簡稱OODA)的作戰(zhàn)思想，可以將海上防空作戰(zhàn)活動劃分空中預警、空中攔截、艦隊防空三個子活動，指揮控制包含在以上三個子活動當中。其中各子活動還可進一步細化，限于篇幅，不再具體描述。

如圖6所示，空中預警活動主要包括起飛、飛向空域、預警探測、指揮引導、安全規(guī)避和返航等活動，主要任務是執(zhí)行預警探測，并按要求進行指揮引導活動，完成任務后返航。當有目標來襲時，如果攔截機和艦隊防空未成功攔截，預警機受威脅時則采取安全規(guī)避動作。

表2 海上防空作戰(zhàn)實體主要狀態(tài)和事件表

圖4 海上防空作戰(zhàn)實體狀態(tài)圖

圖5 海上防空作戰(zhàn)行動活動總體圖

圖6 空中預警活動圖

如圖7所示，空中截擊活動主要包括起飛、飛向空域、巡邏待戰(zhàn)、空戰(zhàn)、返航等活動，具體過程是在指揮控制平臺的指揮下，首先起飛出航到指定的作戰(zhàn)空域進行巡邏待戰(zhàn)，發(fā)現(xiàn)異常情況隨時向指揮控制平臺報告。然后，按命令和指揮引導指令與來襲敵機進行空戰(zhàn)，如果我機未被擊落，則按要求返航或者繼續(xù)巡邏待戰(zhàn)。

如圖8所示，艦隊防空作戰(zhàn)活動主要包括離港、駛向海域、防空警戒、防空作戰(zhàn)、返航等活動，具體過程是在指揮控制平臺的指揮下，駛向指定的作戰(zhàn)海域進行防空警戒，發(fā)現(xiàn)異常情況隨時向指揮控制平臺報告。然后，按命令和指示的目標進行防空作戰(zhàn)，若攔截任務完成則按要求返航或者繼續(xù)防空警戒。

2.2.4 實體交互分析

順序圖用來描述對象之間動態(tài)的交互關系，并著重體現(xiàn)對象間消息傳遞的時間順序。如圖9所示，消息傳遞順序:首先，預警機、海上巡邏艦艇或空中待戰(zhàn)飛機發(fā)現(xiàn)目標并把目標信息發(fā)送給指揮控制平臺。然后，指揮控制平臺負責信息處理和決策，下令飛機攔截或艦隊防空攔截，如果是飛機攔截，則給攔截飛機下達任務指令并實施指揮引導，攔截機將攔截情況反饋給指揮控制平臺。艦隊防空攔截情況與此類似。

圖7 空中截擊作戰(zhàn)活動圖

圖8 艦隊防空作戰(zhàn)活動圖

3 結束語

本文首先闡明了海上防空作戰(zhàn)的重要現(xiàn)實意義，根據(jù)海上防空作戰(zhàn)想定和任務，梳理出預警機、攔截機、艦艇編隊和指揮控制平臺等作戰(zhàn)實體和主要活動。然后運用IDEF0規(guī)范化建模方法描述了海上防空作戰(zhàn)主要任務。運用UML對海上防空作戰(zhàn)實體類屬性及操作、實體狀態(tài)及事件、實體活動、實體交互等進行了規(guī)范化描述，建立了海上防空作戰(zhàn)軍事概念模型，為海上防空作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)開發(fā)及作戰(zhàn)效能評估提供支撐。該方法有利于規(guī)范作戰(zhàn)行動建模過程，可行性和實用性較強，對開發(fā)作戰(zhàn)行動軍事概念模型具有較好的參考價值。

圖9 海上防空作戰(zhàn)順序圖

［1］軍事科學院.中國人民解放軍軍語［M］.北京:軍事科學出版社，2011:668.

［2］聶永革，等.空軍作戰(zhàn)行動仿真一體化建模［M］.北京:藍天出版社，2014:18-97.

［3］李大喜，等.基于IDEF0和UML的空基反導軍事概念模型［J］.系統(tǒng)仿真學報，2014，26(5):969-974.

［4］趙春剛.UML實用基礎教程［M］.北京:北京大學出版社，2013.