基于UML的聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃可視化視圖建模

朱旋　江澤強　陳睿

隨著信息技術在軍事領域的廣泛應用,現(xiàn)代戰(zhàn)爭呈現(xiàn)出戰(zhàn)場空間廣闊多維、指揮要素復雜多元、數(shù)據(jù)信息海量多樣等顯著特點,導致聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃制定規(guī)模以及復雜程度不斷提高.而傳統(tǒng)的基于文檔的指揮控制手段無法實現(xiàn)對海量戰(zhàn)場數(shù)據(jù)信息的有效處理,對各種作戰(zhàn)行動的描述不準確且文字表述容易產(chǎn)生歧義,已經(jīng)無法適應信息戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)要求.因此如何優(yōu)化創(chuàng)新指揮手段、切實提高指揮效率,成為各國軍事問題研究的重大課題.

國內(nèi)外相關領域研究及近期戰(zhàn)爭實踐表明,利用可視化視圖對戰(zhàn)場數(shù)據(jù)信息進行精準描述,能夠有效解決信息化條件下基于文檔的指揮控制手段暴露出的種種不足.在查閱資料的過程中發(fā)現(xiàn),國外可視化視圖研究具有顯著的系統(tǒng)性、實用性與高效性,早已投入實戰(zhàn)應用并經(jīng)過了多次迭代[1].相比之下,國內(nèi)可視化視圖的研究存在較大差距[2],尤其是在可視化視圖的建模及應用研究方面,還處于起步階段.

本文在指揮工程化理論[3]的基礎上將聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃可視化視圖明確為由空間、時間、信息組成的“三視圖”,并利用UML對“三視圖”進行建模,對指揮手段由“以文為綱”向“以圖為綱”的轉變進行探索與研究,為新形勢下我軍體系作戰(zhàn)指揮的優(yōu)化與創(chuàng)新提供思路.

1　概述

1.1　UML概述

UML是一種定義良好、易于表達、功能強大且普遍使用的標準化建模語言[4].通過UML提供的各種圖,用戶能夠建立相關問題在需求、設計和實現(xiàn)等多個流程的模型.UML提供的圖中包含了用來顯示各類模型元素符號的實際圖形,通過特定的排列組合,這些元素能夠對系統(tǒng)的某個特定部分或方面進行闡明.在各種圖中使用的概念被稱為模型元素.模型元素是通過語義,即該元素的正式定義或在該元素所代表的精確意義予以定義的.

常見的UML圖和UML模型元素如圖1所示,UML圖可以分成結構圖和行為圖兩大類.結構圖主要用于靜態(tài)建模,包括類圖、對象圖、構件圖、部署圖和包圖;行為圖主要用于動態(tài)建模,包括活動圖、協(xié)作圖、順序圖、用例圖和狀態(tài)圖等.模型元素包括類、用例、對象、接口、節(jié)點、狀態(tài)、包和構件等,還包括依賴、泛化、關聯(lián)、聚合等關系模型元素[5].

圖1　UML建模元素

1.2　需求分析

1.2.1　制定聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃需求分析及面臨問題

聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃是信息化條件下軍事行動的核心組成,決定了軍事行動的最終效果.在籌劃聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃的過程中,指揮人員需要獲得敵情、我情、戰(zhàn)場環(huán)境等眾多信息,在此基礎上,生成以下聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃信息:上級企圖和本部隊任務;友鄰任務及作戰(zhàn)分界線;各部隊的編成、配置和任務;作戰(zhàn)階段劃分等一系列方案計劃信息[6].這些問題歸納起來就是要求在制定聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃時要明確4個基本要素,即地點、時間、部隊、事件.

然而,當前在使用信息系統(tǒng)制定聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃的過程中存在以下幾個普遍問題:人機交互困難,信息系統(tǒng)往往忽視指揮人員信息需求;信息洪流導致聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃合理性降低,指揮人員丟棄了大量未被理解消化的數(shù)據(jù);使用文字無法有效描述復雜多變的信息化戰(zhàn)場,導致信息有效性降低.

1.2.2　聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”

為滿足指揮人員制定聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃中對地點、時間、部隊以及事件的信息需求,處理好目前信息系統(tǒng)暴露出的問題,本研究將指揮人員制定聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃的4個要素映射為信息系統(tǒng)的3個要素:空間、時間、信息.在指揮工程化理論的基礎上利用UML對“三視圖”建模,形成空間、時間、信息的“三視圖”系統(tǒng),在指揮人員與信息系統(tǒng)之間搭建起一座交互順暢的橋梁,優(yōu)化完善我軍傳統(tǒng)的以文為綱的指揮控制方式,為未來各級指揮機構在統(tǒng)一企圖下實現(xiàn)“同步、實時、共享、并行、互動”指揮提供思路.

2　聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”

2.1　“三視圖”概述

2.1.1　結構設計

傳統(tǒng)的方案計劃區(qū)分為作戰(zhàn)行動計劃與作戰(zhàn)保障計劃,在“三視圖”的設計中,作戰(zhàn)保障計劃主要作為行動條件或附件進行體現(xiàn),作戰(zhàn)行動計劃應該是“三視圖”關注及顯示的重點內(nèi)容.根據(jù)指揮人員需求以及聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃各類組成要素,“三視圖”分為空間視圖、時間視圖以及信息視圖.其中空中視圖是對空間要素的描述,它主要以作戰(zhàn)地域的矢量地圖(電子地圖、海圖等)為背景對戰(zhàn)場態(tài)勢進行描述;時間視圖是對時間要素的描述,主要通過甘特圖體現(xiàn),同時通過添加時間軸實現(xiàn)對系統(tǒng)運行過程的控制;信息視圖則主要以行動信息流圖為手段,實現(xiàn)對各單位行動過程中信息交互內(nèi)在聯(lián)系的可視化描述.利用各視圖對地點、時間、部隊、事件以及信息流程進行針對性展示,在滿足指揮人員應用需求的同時實現(xiàn)對聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃的精確描述.“三視圖”總體結構如圖2所示.

圖2　“三視圖”總體結構

2.1.2　“三視圖”特點

“三視圖”是根據(jù)各層級指揮人員的使用要求及系統(tǒng)應用的實際需求而研究設計,因此具有以下特點:

多維一體:著眼于新體制編制下戰(zhàn)區(qū)聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃制定的需要,在不同領域將各軍兵種部隊、作戰(zhàn)空間、數(shù)據(jù)結構連為一體.通過多維一體的體系結構數(shù)據(jù),顯著提高系統(tǒng)應用的擴展性和功能模塊的靈活性.

按需服務:利用“三視圖”生成和分發(fā)滿足不同級別部隊制作作戰(zhàn)方案計劃需要的戰(zhàn)場信息,以“個性化”服務滿足不同層級指揮機構和指揮員對信息的“個性”需求,從而破解信息洪流這一難題,走出人機交互不暢的困境.

“三視圖”關聯(lián)互動:各視圖以不同的方式向軍事人員顯示,但空間、時間、信息三者在邏輯結構上相互關聯(lián),互相影響,不可分割.其三者結構模型如圖3所示,任一時刻“三視圖”顯示的內(nèi)容都是此三維體系中的一個點,在這樣的基礎上對數(shù)據(jù)信息制定相應的標準,從而在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)信息基礎上實現(xiàn)聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”的整體聯(lián)動.關聯(lián)互動的內(nèi)在聯(lián)系能夠改變文字描述的不準確性,實現(xiàn)對信息化戰(zhàn)場的全景精確描述,有效提高制定聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃的效率和質(zhì)量.

2.2　空間視圖構想

空間視圖是在數(shù)字地圖上形成數(shù)據(jù)關聯(lián)的聯(lián)合作戰(zhàn)行動計劃空間分布.空間視圖類似于過去的決心圖,二者都是以作戰(zhàn)地域地圖為依據(jù),都要標明各方部署、戰(zhàn)斗力信息及可能采取的行動.二者不同之處在于方案計劃空間視圖不是概略的、抽象的,而是以底層信息數(shù)據(jù)為支撐、能夠準確描述方案計劃的視圖.

圖3　“三視圖”關聯(lián)互動

為有效描述空間信息,需要在空間視圖中構建相應坐標系統(tǒng).在本文研究中,空間坐標系統(tǒng)由平面空間坐標與海拔高度坐標共同構成.根據(jù)使用需求平面空間坐標有網(wǎng)格坐標與經(jīng)線度坐標兩種表達方式.其中網(wǎng)格坐標利用全球多尺度網(wǎng)格技術[7],將地球表面進行4次切分并編碼而形成,它主要用于戰(zhàn)場空間協(xié)調(diào)以及作戰(zhàn)行動中快速定位地理區(qū)域,而經(jīng)線度坐標主要用于精確地理位置定位以及小于網(wǎng)格最小區(qū)域的描述.在此基礎上實現(xiàn)空間視圖顯示的縮放功能.圖4顯示了步兵某旅及其下屬步兵營在空間視圖中的空間坐標.

圖4　空間坐標

2.3　時間視圖構想

時間視圖通過任務部隊力量編組樹和時間軸將各任務部隊的任務內(nèi)容、順序和持續(xù)時間予以展示.其基本表達方式為線條圖,在該線條圖中縱軸表示部隊編組樹,橫軸則展示了整個任務期間部隊計劃內(nèi)容以及預期完成情況,計劃內(nèi)容主要來自通用任務清單.時間視圖橫軸需細化為兩條軸,分別是計劃任務時間軸和臨時任務時間軸.默認情況下只顯示計劃任務時間軸,當方案計劃執(zhí)行過程中產(chǎn)生處置情況的需要時,系統(tǒng)將相關情況的處置作為臨時任務,并以臨時任務時間軸的形式顯示在計劃任務時間軸的下方.利用任務分支線連接計劃任務與臨時任務,以此明確兩類任務間關系.

除了表述計劃行動進展情況之外,時間軸也是時間控制軸,是精確控制方案計劃進程及實現(xiàn)“三視圖”回放功能的主要手段.精確控制進程是在方案計劃自動推演的過程中,指揮人員通過對時序圖橫軸的定位控制實現(xiàn)對關鍵計劃行動的有效聚焦.方案計劃的回放功能是基于系統(tǒng)的自動記錄實現(xiàn)的,通過設計具體的操作界面實現(xiàn)對回放的控制,包括播放、暫停、加速、減速、停止等.時序圖回放功能實現(xiàn)了方案計劃的全過程全線索全景再現(xiàn)[8],具體表現(xiàn)形式如圖5所示.

2.4　信息視圖構想

信息視圖主要通過“內(nèi)部流轉、外部通聯(lián)”實現(xiàn)信息流程的精確描述.

內(nèi)部流轉是指在以信息流為軸的圖形中將各單位主要計劃行動的信息流通因果關系或支援關系標繪出來,形成以信息流為拓撲關系的圖形.行動信息流圖通過明確各行動在信息流上的因果或支援關系,實現(xiàn)對不同來源、要求和粒度信息之間的相互轉換以及信息反饋.為了明確信息的輸入與輸出,在本文研究的信息流圖應用中要將信源與信宿進行具體表述,同時要制定顯示的規(guī)則,位于信息軸上方的是輸入信息,位于信息軸下方的則屬于輸出信息,虛線表示沒有執(zhí)行的方案計劃,實線表示已經(jīng)執(zhí)行的方案計劃.以軍事行動中指揮所向任務部隊下達命令及部隊戰(zhàn)前準備為例,在對信源信息進行表述過程中,使用以下格式:

其中S:...、D:...分別是對信源及信宿的表述,C:...則表示信息內(nèi)容.若在同一時刻有多個信源或信宿,則通過對不同信源或信宿進行編號并利用列表進行顯示,如下例:

以一次空軍火力突擊行動為例,構建圖6行動信息流圖.

雖然行動信息流圖能夠較好地反映信息流轉過程,但在方案計劃推演的過程中,僅憑圖6無法有效處理構設情況,因此在設計行動信息流圖的過程中還需要內(nèi)置處置情況集,如圖7所示,其內(nèi)容主要以方案計劃的構設情況為主.在方案計劃推演的過程中,處置情況集由于是內(nèi)置內(nèi)容而不予顯示,一旦有處置指令出現(xiàn),行動信息流圖就調(diào)用處置情況集中相應內(nèi)容并予以顯示,通過及時調(diào)整相關內(nèi)容,實現(xiàn)行動信息流圖的動態(tài)更新,確保了信息描述的準確性與時效性.

外部通聯(lián)是指通過在空間視圖中構建基于作戰(zhàn)數(shù)據(jù)鏈的信息傳輸連接線,從而將各作戰(zhàn)單元信息交互的輸入與輸出予以體現(xiàn).作戰(zhàn)單元間信息交互的持續(xù)時間即信息傳輸連接線的生命周期,一旦作戰(zhàn)單元信息交互結束,那么信息傳輸連接線就消失.

3　聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”建模

3.1　聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”建模需求描述

聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”是以信息系統(tǒng)為平臺,在保證數(shù)據(jù)一致的基礎上,利用“三視圖”實現(xiàn)對聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃的有效描述.“三視圖”的建模需求明確分為兩類:功能需求與性能需求[9].

3.1.1　功能需求

聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”所涉及到的參與者大體可分為3類:指揮人員、管理員以及“三視圖”系統(tǒng).指揮人員要具備的功能主要包括:席位登陸、查看視圖、輸入計劃信息、篩選信息、控制計劃過程等.管理員要具備的功能有:席位管理、權限管理、分發(fā)方案管理、戰(zhàn)場環(huán)境管理、系統(tǒng)維護等.功能服務系統(tǒng)要具備的功能有:權限管控、數(shù)據(jù)處理、視圖顯示、查看視圖、方案計劃制定、明確組織關系、明確任務關系、進程控制.

3.1.2　性能需求

1)系統(tǒng)整體的準確性與易用性:“三視圖”要提供清晰準確的方案計劃信息,人機界面要求友好且易于操作.

2)系統(tǒng)功能的科學性與可擴展性:方案計劃能夠得到客觀評估,作戰(zhàn)能力得到科學計算且系統(tǒng)通過模塊化設計可以具備良好的靈性,功能易于擴展.

圖5　力量編組任務時序圖

圖6　行動信息流圖

圖7　內(nèi)置處置情況集的作戰(zhàn)信息流圖

3)運行維護的可靠性與穩(wěn)定性:系統(tǒng)易于維護且具有較強的承載能力,同時要確保系統(tǒng)的安全,能夠避免信息泄漏并有效抵御各類攻擊行為.

4)應用服務的同步并行:各席位指揮人員能夠同時在線處理聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃,且“三視圖”能夠按照要求將各席位所需的方案計劃信息同時進行展現(xiàn).

3.2　聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”需求建模

需求建模是對“三視圖”進一步分析設計的基礎.通過分析“三視圖”各類需求描述,提取出與“三視圖”相關的有效信息,并以此為依據(jù)建立系統(tǒng)的用例圖[10].其主要內(nèi)容是確定系統(tǒng)中存在的參與者與用例,從而生成完整的用例圖.

3.2.1　系統(tǒng)參與者

參與者描繪了一個與系統(tǒng)交互的外部用戶,它既可能是人類用戶,也可能是一個系統(tǒng).在本研究中,參與者主要有指揮人員、管理員以及功能服務系統(tǒng).

3.2.2　確定系統(tǒng)用例

用例定義了參與者與系統(tǒng)之間的交互序列,所以在需求建模過程中往往都從分析參與者開始.要將參與者使用系統(tǒng)的行為考慮進來.結合上述分析,綜合得出系統(tǒng)的頂層用例圖[11].如圖8所示.

圖8　“三視圖”頂層用例圖

圖9　系統(tǒng)管理員用例

在頂層用例圖的基礎上,分別對3個用例進行細化.其中,系統(tǒng)管理涉及的用例有:系統(tǒng)登陸、席位信息管理、席位權限管理、分發(fā)方案管理、系統(tǒng)信息管理以及日常維護.所涉及的參與者是系統(tǒng)管理員,其用例如圖9所示.

用戶接口用例的細化有:席位登陸、制定方案計劃、席位申請、修改席位信息、篩選信息、控制方案計劃進程、回放計劃,鎖定視圖、縮放視圖、查詢指揮員關鍵信息、目標定位、與各級部隊通信[12],如圖10所示.

功能服務用例的細化:權限管控、收集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分類、視圖顯示、更新視圖、輔助制定計劃、明確組織關系、明確任務關系、控制計劃進程.如圖11所示.

通過以上對系統(tǒng)參與者的用例分析與建模,能夠得出完整的系統(tǒng)用例圖,如圖12所示.

3.3　聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”靜態(tài)建模

聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”靜態(tài)建模是根據(jù)功能需求以及問題領域分析,找出相關概念性的類以及它們之間的相互關系,主要用于對系統(tǒng)中的各概念進行建模并對其相互關系進行描述[13].通過對前面的需求分析以及建?？芍?聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”的領域類主要有用戶類、管理員類、視圖類、態(tài)勢類、方案計劃類、查詢信息類、對抗信息類、統(tǒng)計分析類、管控信息類以及分析類與類之間的關系等[14],其類圖如圖13所示.

圖12　完整的系統(tǒng)用例

圖13　系統(tǒng)類圖

其中,用戶類包括用戶姓名、用戶身份、用戶權限等信息.管理員類繼承用戶類.視圖類用于實現(xiàn)各類“三視圖”的顯示.態(tài)勢類記錄各方采取的行動計劃對戰(zhàn)場態(tài)勢的影響,具有態(tài)勢元素類型、范圍、狀態(tài)、數(shù)量、敵我標識等屬性,并且可對態(tài)勢元素進行刪除與修改等操作.方案計劃類用于實現(xiàn)方案計劃信息的輸入、生成以及分析等功能.查詢信息類用于實現(xiàn)對“三視圖”的查詢、定位等功能.對抗信息類記錄了對抗過程的詳細信息,包括對抗方式、內(nèi)容、手段、結果等.統(tǒng)計分析類主要是對采集到的數(shù)據(jù)信息進行統(tǒng)計與分析,為方案計劃的評估提供依據(jù).管控信息類涵蓋了方案計劃生成、推演以及評估的全部信息,管理信息以及誘導信息繼承管控信息類.

3.4　聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”動態(tài)建模

聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”動態(tài)建模主要通過建立“三視圖”的順序圖以及活動圖實現(xiàn)[15].順序圖按時間順序將對象之間的交互行為進行了描述,活動圖則是描述活動順序的流程圖,是一個活動到另一個活動的控制流.

3.4.1　順序圖

順序圖是對聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”中所有參與交互的對象及消息來往的順序進行描述,“三視圖”用例涉及的順序圖參與者是本級指揮機構,所涉及的對象有本級指揮機構,“三視圖”,功能服務系統(tǒng),各級指揮機構,管理系統(tǒng).聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”的順序圖如圖14所示.

3.4.2　活動圖

活動圖是對復雜過程步驟序列的顯示,它類似于傳統(tǒng)的流程圖,能夠一步一步顯示流程控制[16],但與傳統(tǒng)流程圖不同的是,活動圖可以同時顯示順序和并發(fā)的控制流,這一點對“三視圖”設計研究非常重要.

根據(jù)活動圖的組成元素,聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”主要有制定聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃、控制方案計劃進程以及查詢戰(zhàn)場數(shù)據(jù)信息等活動.各類主要活動所對應的活動圖如圖15所示.

3.5　聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”物理建模

在完成“三視圖”的邏輯建模后,要建立“三視圖”的物理模型[17],有兩種物理建模方法能夠將邏輯設計圖進行相應轉化,這兩種方法是構件圖以及配置圖.

3.5.1　構件圖

構件圖是對系統(tǒng)各部分功能職責與軟件組成的描述,通過對各構件之間依賴關系的說明,能夠有效地分析出系統(tǒng)的結構和功能.根據(jù)上文分析,可得出“三視圖”主要構件如圖16所示.

3.5.2　部署圖

部署圖是對系統(tǒng)中軟件和硬件的物理架構描述.“三視圖”是一種全新的輔助決策手段,這里采用的C/S架構組成,其具體配置圖如圖17所示.

圖14　聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”順序圖

圖15　聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”活動圖

各級指揮機構通過與“三視圖”服務器獲得本級視圖信息并予以顯示,而“三視圖”服務器則將指揮機構提交的數(shù)據(jù)發(fā)送給應用程序服務器,通過對消息的處理,將處理結果存儲在數(shù)據(jù)庫服務器中.

4　“三視圖”應用

下面以一次航空兵對地火力突擊方案計劃為例對“三視圖”應用進行說明.此次行動屬于戰(zhàn)術行動,因此選取經(jīng)緯度坐標體系描述各作戰(zhàn)單位的地理位置坐標.由于“三視圖”根據(jù)戰(zhàn)場情況動態(tài)變化,所以在此選取突擊編隊準備起飛時刻為研究對象進行說明.在視圖顯示過程中,分別以紅色和藍色標明我方及敵方作戰(zhàn)單位以及信息.雙方參戰(zhàn)單位在“三視圖”中的標示如表1.

圖16　“三視圖”構件圖

圖17　“三視圖”部署圖

在作戰(zhàn)時間為01:30時刻,偵察衛(wèi)星移動至(SX1,SY1,SZ1),相關工作準備就緒后,任務指揮所向火力突擊編隊下達起飛命令,衛(wèi)星將相關情報及戰(zhàn)場環(huán)境信息發(fā)送給火力突擊編隊.突擊編隊接收指令后準備從機場起飛,向目標飛去.在這一階段,各個視圖根據(jù)方案計劃內(nèi)容進行顯示.圖18展示了火力突擊編隊起飛階段的“三視圖”全圖.

5　結論

圖18　火力突擊編隊起飛階段的“三視圖”

在戰(zhàn)場信息涉及范圍廣、信息量大、精度要求高的背景下,本文以創(chuàng)新指揮控制手段、打贏未來信息化戰(zhàn)爭為出發(fā)點,以實現(xiàn)方案計劃可視化、切實提高指揮效率為目的,利用UML統(tǒng)一建模語言對聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”進行簡化抽象并建立模型,描述了從需求分析、系統(tǒng)設計,到物理實現(xiàn)等內(nèi)容,隨后以一次航空兵對地火力突擊方案計劃為例進行了說明.通過UML對信息化條件下的聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”進行建模并展示,從而將多維復雜的戰(zhàn)場數(shù)據(jù)信息進行簡明表述,不僅為戰(zhàn)場數(shù)據(jù)信息可視化的研究與開發(fā)提供了高效的表達形式,也為實現(xiàn)我軍指揮手段跨越式發(fā)展提供了研究思路與方法.

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