空中突擊部隊裝備體系作戰(zhàn)任務(wù)建模方法研究

王宏宇，來國軍，魏艷艷，王曉衛(wèi)

（1.裝甲兵工程學(xué)院，北京　100072；2.陸軍航空兵學(xué)院，北京　101123）

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空中突擊部隊裝備體系作戰(zhàn)任務(wù)建模方法研究

王宏宇1，2，來國軍2，魏艷艷2，王曉衛(wèi)2

（1.裝甲兵工程學(xué)院，北京100072；2.陸軍航空兵學(xué)院，北京101123）

摘要：空中突擊部隊是由多裝備系統(tǒng)組成的裝備體系，在執(zhí)行任務(wù)過程中體現(xiàn)多階段多任務(wù)的特點?；贒oDAF體系框架，結(jié)合美軍空中突擊部隊裝備體系作戰(zhàn)任務(wù)展開研究。首先，通過作戰(zhàn)任務(wù)的形式化描述，建立了裝備體系作戰(zhàn)任務(wù)的四元組描述模型；其次，在DoDAF體系框架下，提出建立空中突擊部隊裝備體系作戰(zhàn)任務(wù)的靜態(tài)模型和動態(tài)模型；最后通過仿真方法對動態(tài)模型進行驗證，證明了該模型的可信性。

關(guān)鍵詞：空中突擊部隊，裝備體系，任務(wù)建模，仿真

0　引言

空中突擊部隊，是指以陸軍航空兵為骨干，運用航空火力進行空戰(zhàn)或支援地面作戰(zhàn)，以及運用直升機搭載陸軍其他兵種部隊實施機降作戰(zhàn)或勤務(wù)支援的陸軍合成部隊［1］。以直升機為主要機動力量的空中突擊部隊，能夠很好地克服地形障礙，實施中遠程精確快速力量投送，最大限度地爭得先機和主動。

空中突擊部隊是由多裝備系統(tǒng)組成的裝備體系，其裝備完成戰(zhàn)斗任務(wù)屬于體系任務(wù)建模問題。與傳統(tǒng)的體系作戰(zhàn)任務(wù)相比，空中突擊部隊作戰(zhàn)任務(wù)出現(xiàn)了許多新的特征，最主要表現(xiàn)在：空中突擊部隊在執(zhí)行任務(wù)過程中包括多個階段（如裝載、機降、返航），同時每個任務(wù)階段所涉及的裝備也各不相同。如何在不同階段將武器裝備體系內(nèi)的各裝備有效協(xié)同、配合，使其任務(wù)成功性達到最大，是建立空中突擊部隊任務(wù)模型的關(guān)鍵。目前，對于任務(wù)的研究已經(jīng)有很多可行的技術(shù)與仿真方法，如基于UML和基于IDEF的任務(wù)建模方法［2 - 3］、基于Petri網(wǎng)的任務(wù)建模與仿真方法［4］等。但是這些方法大多根據(jù)單個裝備任務(wù)剖面對裝備系統(tǒng)的任務(wù)進行分析，還無法解決裝備體系內(nèi)多階段、多樣化的任務(wù)模型。本文結(jié)合美軍空中突擊部隊裝備體系典型作戰(zhàn)任務(wù)，基于美軍國防部體系結(jié)構(gòu)框架DoDAF（Department of Defense Architecture Framework，DoDAF）對空中突擊部隊裝備體系任務(wù)建模進行研究。

1　作戰(zhàn)任務(wù)形式化描述

作戰(zhàn)任務(wù)的形式化描述屬于概念建模的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外軍事專家在概念建模和任務(wù)空間概念建模上取得了一定的研究成果［5-6］。

目前關(guān)于作戰(zhàn)任務(wù)的概念可以定義［7］為：在一定的戰(zhàn)場環(huán)境和時空約束下，作戰(zhàn)單元為完成所承擔(dān)的責(zé)任或達到特定的作戰(zhàn)目的，而進行的一系列相互關(guān)聯(lián)的作戰(zhàn)行動的有序集合。武器裝備體系為完成不同任務(wù)時會有多個任務(wù)活動，不同裝備任務(wù)活動可能會是同時進行，也可能是交替進行。因此，要建立裝備體系的任務(wù)模型，必須對裝備體系內(nèi)的任務(wù)活動進行形式化描述，得到作戰(zhàn)想定的任務(wù)活動時序邏輯關(guān)系，并最終建立起一組規(guī)范化描述裝備體系任務(wù)的視圖產(chǎn)品。

作戰(zhàn)任務(wù)形式化描述主要包括以下幾個方面：

（1）作戰(zhàn)目的：通過任務(wù)的執(zhí)行以達到某種預(yù)期的狀態(tài)，是對目標(biāo)對象狀態(tài)改變的一種函數(shù)關(guān)系判斷。

（2）作戰(zhàn)實體：指執(zhí)行任務(wù)的作戰(zhàn)單元以及任務(wù)作用的對象。

（3）作戰(zhàn)行動：在特定戰(zhàn)場環(huán)境下的不可分或不必要再分的基本戰(zhàn)斗行為。

（4）作戰(zhàn)關(guān)系：是指作戰(zhàn)活動之間邏輯關(guān)系。作戰(zhàn)行動在實施時存在一定的邏輯關(guān)系，如順序關(guān)系（SeqR）、與關(guān)系（AndR）、或關(guān)系（OrR）、并發(fā)關(guān)系（ConcR）等。

針對以上分析，可將作戰(zhàn)任務(wù)的形式化描述概括為4個方面的信息：任務(wù)目標(biāo)描述、任務(wù)資源描述、任務(wù)活動描述以及活動關(guān)系描述，具體定義如表1所示：

表1　裝備體系任務(wù)形式化描述

對于裝備體系內(nèi)的作戰(zhàn)任務(wù)，均可以通過上述4類描述方式進行描述，因此，可以將上述描述方式通過四元組［8］來統(tǒng)一概括：OT=＜TO，TB，TA，TR＞

其中，TO=｛TO1，TO2，…，TOn｝，表示作戰(zhàn)任務(wù)的目標(biāo)集合，包含了最高層次的任務(wù)和子任務(wù)集合；TB=｛TB1，TB2，…，TBn｝，表示作戰(zhàn)任務(wù)裝備集合；TA= ｛TA1，TA2，…，TAn｝，表示作戰(zhàn)任務(wù)的活動集合，包含各類分解任務(wù)；TR=｛TR1，TR2，…，TRn｝，表示作戰(zhàn)任務(wù)時序關(guān)系的集合。

2　裝備體系任務(wù)模型構(gòu)建

目前，廣泛采用體系結(jié)構(gòu)框架作為裝備體系的模型描述，DoDAF［9］體系框架是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛和最為成熟的體系結(jié)構(gòu)框架。目前最新的版本為DoDAF 2.0版本，該版本一共提出了7個視圖共52個產(chǎn)品對體系結(jié)構(gòu)進行描述。DoDAF架構(gòu)框架各種視圖之間的關(guān)系如圖1所示。通過對作戰(zhàn)視圖、能力視圖、系統(tǒng)視圖等一系列產(chǎn)品的定義，實現(xiàn)了從作戰(zhàn)領(lǐng)域到能力領(lǐng)域再到裝備領(lǐng)域的有效轉(zhuǎn)換。

圖1　DoDAF架構(gòu)框架視圖關(guān)系圖

可見，通過對選取合適的視圖產(chǎn)品就可以對裝備體系作戰(zhàn)任務(wù)進行規(guī)范化描述，在描述過程中，不僅需要描述完成使命的作戰(zhàn)任務(wù)序列及其關(guān)系，還要描述執(zhí)行任務(wù)需要什么作戰(zhàn)節(jié)點，履行哪些作戰(zhàn)活動，有哪些信息需求等。針對以上描述要求，建立起基于DODAF的裝備體系任務(wù)模型可總結(jié)為4個步驟。

步驟1：建立作戰(zhàn)概念描述模型。

作戰(zhàn)概念描述模型根據(jù)作戰(zhàn)概念分析使命任務(wù)，并確定作戰(zhàn)樣式，然后以文本、圖形和圖像的方式描述裝備體系作戰(zhàn)樣式、戰(zhàn)場環(huán)境和作戰(zhàn)任務(wù)等，以便于指揮人員和技術(shù)人員之間的交流。高級作戰(zhàn)概念圖（OV-1）的主要用途就是通過直觀、形象的描述，給設(shè)計人員以直觀、形象的信息。針對空中突擊部隊機降突擊這一典型任務(wù)，通過作戰(zhàn)環(huán)境及主要能力分析，高級作戰(zhàn)概念圖OV-1如下頁圖2所示。

步驟2：裝備體系編制分析與建立組織關(guān)系模型。

圖2　空中突擊部隊高級作戰(zhàn)概念圖

組織是指具有一定使命的行政管理機構(gòu)。組織具有極廣的含義，包括軍事組織部隊、作戰(zhàn)設(shè)施，甚至政府。組織關(guān)系是指用來體現(xiàn)組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者組織之間關(guān)系的連線，表示組織之間的隸屬關(guān)系，或者指控關(guān)系以及協(xié)調(diào)等。組織關(guān)系圖（OV-4）描述了在體系結(jié)構(gòu)中起關(guān)鍵作用的組織或資源，其可通過樹形結(jié)構(gòu)圖表示。

步驟3：作戰(zhàn)節(jié)點連接關(guān)系模型與作戰(zhàn)信息交換模型的建立。

一個作戰(zhàn)節(jié)點是一個產(chǎn)生、使用、處理信息的作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)的元素，它是作戰(zhàn)任務(wù)的實施者，也是作戰(zhàn)活動的完成者。作戰(zhàn)節(jié)點的組成在體系結(jié)構(gòu)中是多樣化的，但并不限于表示一個作戰(zhàn)/人員角色或組織類型。作戰(zhàn)階段連接描述中的信息說明了各作戰(zhàn)節(jié)點之間如何交互，以及完成它們的作戰(zhàn)活動。利用任務(wù)節(jié)點圖（OV-2）和任務(wù)信息交換矩陣（OV-3）來描述作戰(zhàn)資源的集合以及集合內(nèi)元素間的信息交換?？罩型粨舨筷犠鳛榇笱b備體系，其內(nèi)部可有多個裝備節(jié)點構(gòu)成，具體可分為基地指控節(jié)點、前線指控節(jié)點、綜合保障節(jié)點、偵查情報節(jié)點、機動運輸節(jié)點和火力攻擊節(jié)點，節(jié)點間可以通過接口進行數(shù)據(jù)交互。

步驟4：任務(wù)分解與作戰(zhàn)活動模型的建立。

作戰(zhàn)體系是為完成一定的作戰(zhàn)任務(wù)而由各武器系統(tǒng)組成的，作戰(zhàn)任務(wù)決定了作戰(zhàn)體系的構(gòu)成和運行，是構(gòu)建作戰(zhàn)體系的依據(jù)。對作戰(zhàn)任務(wù)進行分解，將抽象的、宏觀的作戰(zhàn)任務(wù)分解成具體的作戰(zhàn)實體的作戰(zhàn)任務(wù)，基本作戰(zhàn)任務(wù)經(jīng)過逐級分解形成不同層次的任務(wù)，各層次的任務(wù)由作戰(zhàn)體系通過相應(yīng)的作戰(zhàn)活動來完成。在建模過程中，可以利用任務(wù)活動關(guān)系圖（OV-5）來描述完成使命過程中進行的作戰(zhàn)活動以及它們之間的信息流關(guān)系，利用任務(wù)事件跟蹤描述圖（OV-6c）來描述任務(wù)活動之間的時序信息。空中突擊部隊作戰(zhàn)活動關(guān)系圖如圖3所示，圖中各方框表示作戰(zhàn)活動，每個泳道表示一個作戰(zhàn)節(jié)點，不同作戰(zhàn)節(jié)點之間的交互采用信息交互表示。

圖3　空中突擊部隊作戰(zhàn)活動關(guān)系圖

時序關(guān)系圖如圖4所示，圖中頂端上的對象是作戰(zhàn)節(jié)點，每個節(jié)點有一個與其相關(guān)的生命線，生命線上的長條表示事件持續(xù)的時間，事件之間的單向箭頭代表消息。

圖4　空中突擊部隊作戰(zhàn)事件跟蹤描述圖

根據(jù)裝備體系任務(wù)的形式化描述，裝備體系內(nèi)作戰(zhàn)任務(wù)可以通過任務(wù)目標(biāo)、任務(wù)資源、任務(wù)活動和活動間關(guān)系四元組來描述。根據(jù)以上分析結(jié)構(gòu)，可以在DoDAF框架中選取適當(dāng)產(chǎn)品與作戰(zhàn)任務(wù)需求相對應(yīng)，任務(wù)描述的產(chǎn)品如表2所示。在這些產(chǎn)品中，OV-2、OV-3、OV-4和OV-5組成的產(chǎn)品集，用于構(gòu)建裝備體系任務(wù)靜態(tài)模型；OV-5和OV-6c組成的產(chǎn)品，用于構(gòu)建裝備體系任務(wù)的動態(tài)模型。

表2　任務(wù)描述的DoDAF產(chǎn)品

3　裝備體系任務(wù)動態(tài)模型建模與仿真

建立裝備體系靜態(tài)模型能全面描述裝備體系任務(wù)的目標(biāo)信息、資源信息和活動信息，是建模的基礎(chǔ)。關(guān)于裝備體系任務(wù)的靜態(tài)模型，文獻［9］和文獻［10］中已經(jīng)詳細介紹過，本章主要研究利用IDEF3（Integrated Computer Aided Manufacturing DEFinition method 3）的方法建立裝備體系任務(wù)動態(tài)模型。IDEF3［12］建模方法的核心是通過過程流網(wǎng)PFN（process flow network）來獲取對過程的準(zhǔn)確描述，顯示手段就是過程流圖。其基本元素包括：行為單元（UOB，Units of Behavior），交匯點（junction）和連接（link）。在建模過程中，要充分利用DoDAF體系框架下的作戰(zhàn)視角產(chǎn)品。首先根據(jù)OV-5b建立起裝備體系內(nèi)的活動任務(wù)及任務(wù)間的層次關(guān)系，在根據(jù)OV-6c作戰(zhàn)事件跟蹤描述圖描述作戰(zhàn)事件之間的時序關(guān)系利用IDEF3進行建模，最后利用仿真軟件對建模過程進行仿真分析。

通過靜態(tài)模型分析基礎(chǔ)，想定空中突擊部隊機降突襲這一任務(wù)，同時將任務(wù)分解為4個子任務(wù)：集結(jié)、轉(zhuǎn)場、機降和突襲。根據(jù)裝備體系任務(wù)的形式化描述結(jié)果，針對任務(wù)目標(biāo)、任務(wù)資源、任務(wù)活動和活動間關(guān)系這4方面對空中突擊部隊裝備體系進行分析。

（1）任務(wù)目標(biāo)描述。對于空中突擊部隊機降突擊典型任務(wù)，其想定任務(wù)目標(biāo)是由4個子任務(wù)構(gòu)成的，具體可以表示為TO=｛集結(jié)、轉(zhuǎn)場、機降、突擊｝。

（2）任務(wù)資源描述。根據(jù)參加此任務(wù)所涉及的裝備系統(tǒng)，任務(wù)的資源（任務(wù)節(jié)點）可以表示為集合TA，集合內(nèi)元素可表示為TA=｛基地指控系統(tǒng)、前線指控系統(tǒng)、綜合保障系統(tǒng)、偵查情報系統(tǒng)、機動運輸系統(tǒng)、火力攻擊系統(tǒng)｝。

（3）任務(wù)活動描述。此典型任務(wù)的活動集合可以用TA表示，其具體表示為TA=｛選擇集結(jié)地點、裝備集結(jié)、飛行前保障、裝載、空中偵察、轉(zhuǎn)場、機降、野戰(zhàn)保障、情報偵查、突擊、重新集結(jié)、飛行檢查、撤離｝。

（4）任務(wù)的活動間關(guān)系描述。在機降突擊任務(wù)活動流程框圖中，包含3種任務(wù)活動間關(guān)系，分別為：順序關(guān)系（SeqR）、與關(guān)系（AndR）和并發(fā)關(guān)系（ConcR）。

在對空中突擊部隊機降突擊任務(wù)進行動態(tài)特性分析后，即可通過IDEF3建立裝備體系任務(wù)過程流圖，限于篇幅，這里僅以空中突擊過程中子任務(wù)集結(jié)為例給出其過程流圖，如圖5所示。

圖5　空中突擊部隊任務(wù)集結(jié)過程流圖

下面通過空中突擊部隊典型任務(wù)過程流圖研究裝備體系的任務(wù)可靠性。一般來說，狹義的任務(wù)可靠性是指產(chǎn)品（系統(tǒng)、設(shè)備）在規(guī)定的任務(wù)剖面中完成規(guī)定任務(wù)的能力。裝備體系任務(wù)可靠性所指的不是單一系統(tǒng)或設(shè)備完成規(guī)定任務(wù)的能力，而是裝備體系內(nèi)的所有系統(tǒng)共同完成規(guī)定任務(wù)的能力。因此，裝備體系所確定的任務(wù)剖面是體系內(nèi)不同系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)所經(jīng)歷的任務(wù)活動和環(huán)境的時序描述。任務(wù)可靠性僅考慮造成任務(wù)失敗的故障影響，即只統(tǒng)計任務(wù)期間危機任務(wù)成功的故障，通常用任務(wù)可靠度（MR）或致命性故障間隔任務(wù)時間（MTBCF）來度量。任務(wù)可靠度（MR）是裝備體系完成規(guī)定任務(wù)能力的度量，是描述任務(wù)可靠性的重要指標(biāo)。

對于空中突擊部隊機降突襲這一典型任務(wù)而言，由若干子任務(wù)所構(gòu)成集合TA=｛選擇集結(jié)地點、裝備集結(jié)、飛行前保障、裝載、空中偵察、轉(zhuǎn)場、機降、野戰(zhàn)保障、情報偵查、突擊、重新集結(jié)、飛行檢查、撤離｝。文中選取對裝備體系任務(wù)可靠性影響最大的6個關(guān)鍵活動進行分析，在IDEF3過程流圖中用異或交匯點扇出連接，根據(jù)參考指標(biāo)給出其任務(wù)可靠度，如下頁表3所示。

完成此次裝備體系任務(wù)可靠度的計算公式為：

MRsys=Ao平直·R裝載·MR運直·Ao地裝·MR突擊·Ao戰(zhàn)直

通過運算可得出完成此次任務(wù)的任務(wù)可靠度MRsys=0.523，即完成此次任務(wù)的任務(wù)成功率為52.3%。為了驗證該模型的可信性，可以利用仿真軟件Anylogic建立裝備體系多階段仿真模型，在建模過程中將每一件任務(wù)活動都作為一個離散事件，根據(jù)空中突擊部隊機降突擊任務(wù)過程流圖進行建模，仿真模型如圖6所示。

表3　關(guān)鍵活動任務(wù)可靠度輸入值表

將裝備體系內(nèi)關(guān)鍵活動的任務(wù)可靠度代入仿真模型，運行1 000次，其中成功任務(wù)749次，失敗任務(wù)249次，任務(wù)成功率平均值為53%。如圖2所示。同時，在圖7中可以看出任務(wù)成功率仿真平均值結(jié)果不斷向理論值逼近，說明該仿真結(jié)果具有一定可信性。

圖6　空中突擊部隊機降突擊仿真模型

圖7　空中突擊部隊機降突擊仿真結(jié)果

4　結(jié)論

空中突擊部隊裝備體系建設(shè)是未來陸軍主要發(fā)展方向，對其作戰(zhàn)任務(wù)進行建模是裝備體系內(nèi)部論證的前提。本文借鑒作戰(zhàn)任務(wù)和DoDAF建模思想，結(jié)合美軍空中突擊部隊裝備建設(shè)現(xiàn)狀，就裝備體系作戰(zhàn)任務(wù)的建模方法進行深入研究，建立了空中突擊部隊裝備體系任務(wù)模型，并通過IDEF3過程流模型構(gòu)建空中突擊部隊動態(tài)模型，利用仿真結(jié)構(gòu)驗證了該模型的有效性。該方法對于基于DoDAF體系框架的任務(wù)建模與仿真分析具有一定的現(xiàn)實意義。

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Research on Mission Modeling for Equipment System of Army Air Assault

WANG Hong-yu1，2，LAI Guo-jun2，WEI Yan-yan2，WANG Xiao-wei2
（1. Academy of Armored Forces Engineering，Beijing 100072，China；2. Army Aviation Institute，Beijing 101123，China）

Abstract：The army air assault is the equipment system of systems（SoS）which is presented of phased mission. The paper is researched on mission of the army air assault under DoDAF. First of all，the mission model of equipment system is described by a quaternion model. And then，the static and dynamic model of the mission of equipment system is set up under the DoDAF framework. Finally，the dynamic model is verified by the simulation method，which is proved credible.

Key words：army air assault，equipment system of systems，mission model，simulation

中圖分類號：TP302

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-0640（2016）05-0107-05

收稿日期：2015-03-25修回日期：2015-04-03

作者簡介：王宏宇（1979-），男，遼寧沈陽人，博士生，講師。研究方向：可靠性系統(tǒng)建模與分析。