聯(lián)合作戰(zhàn)方案信息交換模型

孫光明,楊 光,馬政偉,趙鑫業(yè)

(1.海軍大連艦艇學院 作戰(zhàn)軟件與仿真研究所,遼寧 大連 116018;2.海軍大連艦艇學院 科研學術(shù)處,遼寧 大連 116018)

在高技術(shù)條件下的現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,指揮信息系統(tǒng)已經(jīng)成為基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)的重要基礎(chǔ)。為有效提高體系作戰(zhàn)效能,指揮信息系統(tǒng)逐漸向網(wǎng)絡(luò)化、一體化、智能化的方向發(fā)展,為作戰(zhàn)方案的處理及應用提供了全新的舞臺。基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)中,指揮信息系統(tǒng)呈現(xiàn)出多系統(tǒng)、多層次、分布式的同步協(xié)同作戰(zhàn)特點,作戰(zhàn)方案處理及應用過程中數(shù)據(jù)、信息、知識的交換、共享、復用等問題日益突出,成為制約體系作戰(zhàn)效能發(fā)揮的瓶頸問題之一。因此,作戰(zhàn)方案相關(guān)的信息交換模型迫切需要科學先進的描述理論與方法,以滿足體系作戰(zhàn)中共享與一致性理解、互操作與智能處理以及復用的巨大需求。

作戰(zhàn)方案是使用作戰(zhàn)兵力達成一定戰(zhàn)役或戰(zhàn)斗目的的計劃文件,是組織、指揮部隊作戰(zhàn)行動的依據(jù)性文件[1],也是作戰(zhàn)意圖和作戰(zhàn)決心的集中體現(xiàn)[2-3]。公共的規(guī)范和結(jié)構(gòu)化表示是作戰(zhàn)方案信息自動化交換的前提。結(jié)構(gòu)化信息以信息交換模型的形式來表示,以通用的方法學或技術(shù)(如統(tǒng)一建模語言(UML)、可擴展標記語言(XML)等)來建立及文檔化[4]。信息交換模型定義了信息(數(shù)據(jù))的標準元素,這些元素構(gòu)成了作戰(zhàn)方案輔助生成和評估系統(tǒng)與C4ISR系統(tǒng)之間互操作的基礎(chǔ)。

對作戰(zhàn)方案信息交換模型進行形式化描述,完整、準確、靈活地描述作戰(zhàn)兵力的突擊和保障等行動,使聯(lián)合作戰(zhàn)輔助決策系統(tǒng)在各級指揮所、各軍種兵力和指揮自動化系統(tǒng)之間無歧義地共享作戰(zhàn)方案數(shù)據(jù)與信息,有效地提升聯(lián)合作戰(zhàn)指揮輔助決策的水平,增強輔助決策系統(tǒng)作戰(zhàn)模型實現(xiàn)的一致性和作戰(zhàn)應用軟件的復用性,對推動聯(lián)合作戰(zhàn)輔助決策系統(tǒng)的發(fā)展具有重大理論和現(xiàn)實意義。

1 標準化信息交換模型的發(fā)展

統(tǒng)一標準是實現(xiàn)系統(tǒng)互連、互通、互操作以及信息資源共享的關(guān)鍵。模型設(shè)計采用仿真互操作標準組織(SISO)或國際通用的標準化軍事領(lǐng)域相關(guān)格式。對于作戰(zhàn)模擬分析評估系統(tǒng)及其互操作性而言,標準化具有戰(zhàn)略意義。

在信息化作戰(zhàn)條件下,北約集團的參與國、軍事工業(yè)部門和技術(shù)研究部門共同成立了一個研究組織,專門負責多邊互操作計劃(MIP)[5],希望通過戰(zhàn)場信息建模來實現(xiàn)指揮控制信息系統(tǒng)在戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)各個層次上的互聯(lián)互通,支持跨國多軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)。JC3IEDM(joint consultation,command,and control information exchange data model[6])是MIP定義的一個信息交換標準,旨在實現(xiàn)成員之間的指揮控制信息系統(tǒng)(C2IS)所有層次的跨國交互性。JC3IEDM當前的進化版本是MIM(MIP information model)[7]。

MIM的3.0版本于2015年3月發(fā)布[8],當前的最新版本4.0.1于2016年7月發(fā)布。MIM類基本概念如圖1所示,它定義了實體之間的關(guān)系及關(guān)系的約束,規(guī)范了模型中枚舉類型的取值范圍和模型中的業(yè)務(wù)規(guī)則。模型的核心由對象和行動組成,MIM總計定義了大約2 300個不同類型的對象和大于500個類型的行動。

圖1 MIM類基本概念Fig.1 MIM class basic concept

MIM以一種良好的結(jié)構(gòu)化和規(guī)格化的方法對數(shù)據(jù)進行抽象,從概念數(shù)據(jù)模型、邏輯數(shù)據(jù)模型和物理數(shù)據(jù)模型3個層次上表達目標域的信息[4,9-10],如下所示:①概念數(shù)據(jù)模型是MIM的高層視圖,它們是一些通用概念,如行動、組織、人員、特征、設(shè)施、場所等;②邏輯數(shù)據(jù)模型在概念數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上,通過將高級概念分解為特定的常用信息,詳細地描述各個子實體的關(guān)系、字段、關(guān)鍵字等;③物理數(shù)據(jù)模型提供了生成物理模式所需要的詳細規(guī)格說明,它定義了數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)和具體的應用模式。

2 信息交換模型的設(shè)計

針對聯(lián)合作戰(zhàn)輔助決策系統(tǒng)中關(guān)于作戰(zhàn)方案信息交換模型存在的問題,本文創(chuàng)建一種形式化的信息交換模型描述方法,對信息交換模型進行統(tǒng)一、規(guī)范、靈活的形式化描述,以提高聯(lián)合作戰(zhàn)輔助決策系統(tǒng)對作戰(zhàn)方案數(shù)據(jù)的兼容性和可靠性,進一步提升各軍兵種裝備的作戰(zhàn)效能和維護效率,為作戰(zhàn)應用軟件的發(fā)展提供支持。對信息交換模型的形式化描述必須要支持模型的自動執(zhí)行和自行檢查。

2.1 總體設(shè)計思路

通過對作戰(zhàn)方案的分析,可以得出作戰(zhàn)方案是“兵力機動+火力運用”的結(jié)論。

兵力機動可視為作戰(zhàn)兵力從A點出發(fā)經(jīng)過一段時間到達B點,用時間去除AB間的距離即兵力移動的速度,待機可視為AB2點重合?；鹆\用的范圍比較廣泛,從形式化的角度出發(fā),火力運用可視為裝備的戰(zhàn)術(shù)動作,如使用雷達對海面搜索、使用艦炮對海面目標攻擊等。將最基本的裝備運用形式化為原子作戰(zhàn)行動,按時間順序?qū)⒃幼鲬?zhàn)行動排序,形成的行動序列就可以描述作戰(zhàn)方案的過程。由于兵力可擁有多種裝備,其原子行動可能是并發(fā)執(zhí)行的,因此作戰(zhàn)方案的戰(zhàn)術(shù)過程存在并發(fā)路徑,如航渡過程中對海空搜索與艦炮對海面目標攻擊的過程,按原子行動描述為2個并發(fā)的路徑。由于作戰(zhàn)行動既有順序的行為又有并發(fā)的行為,因此作戰(zhàn)行動的完整過程構(gòu)成了一個原子作戰(zhàn)行動的網(wǎng)絡(luò)。

作戰(zhàn)方案包含作戰(zhàn)任務(wù)、作戰(zhàn)階段、作戰(zhàn)兵力、作戰(zhàn)資源以及時間、空間、協(xié)同關(guān)系等要素,這些要素可抽象為客觀實體及它們之間的聯(lián)系,使用面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計技術(shù)不難進行形式化。作戰(zhàn)方案可以區(qū)分為不同的作戰(zhàn)階段,其實質(zhì)是為達成一定目的的作戰(zhàn)行動群組。具有多個分支方案的作戰(zhàn)方案(或子方案)不僅是對所需完成任務(wù)的分解及所需完成任務(wù)次序的規(guī)劃,還是一種選擇關(guān)系,可選擇其中之一執(zhí)行,也可選擇部分執(zhí)行。協(xié)同關(guān)系對作戰(zhàn)行動的約束實質(zhì)是一種事件驅(qū)動關(guān)系。

公共的規(guī)范和結(jié)構(gòu)化表示是信息自動化交換的前提。結(jié)構(gòu)化信息以信息交換模型的形式進行表示,以通用的方法學或技術(shù)建立及文檔化。數(shù)據(jù)模型定義了信息(數(shù)據(jù))的標準元素,這些元素構(gòu)成了信息交換模型設(shè)計的基礎(chǔ)。模型接口如圖2所示,包括對行動單元、籌劃節(jié)點、時間、地域等的增加、刪除、修改、查詢等應用接口函數(shù)(API)。

2.2 信息交換模型形式化類結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)籌劃根節(jié)點

籌劃根節(jié)點組織關(guān)系如圖3所示。籌劃根節(jié)點是描述作戰(zhàn)計劃的根節(jié)點,由一個籌劃樹型結(jié)構(gòu)和6類數(shù)據(jù)容器組成。6類數(shù)據(jù)容器涵蓋時間、地域、作戰(zhàn)單元、作戰(zhàn)行動、原子行動、籌劃節(jié)點的描述。

圖2 模型數(shù)據(jù)操作接口函數(shù)列表(Enterprise Architect設(shè)計圖)Fig.2 Model data operational interface function list (Enterprise Architect design diagram)

(2)時間節(jié)點

時間節(jié)點關(guān)系如圖4所示。時間節(jié)點是描述作戰(zhàn)時間的節(jié)點,可以實現(xiàn)對天文時刻、基準天文時刻、相對時刻的描述。圖中的ID為標識號。

(3)地域節(jié)點

地域節(jié)點關(guān)系如圖5所示。地域節(jié)點是描述作戰(zhàn)地域的節(jié)點,可以實現(xiàn)對點、線、多邊形、橢圓形、圓形圓環(huán)、扇形扇環(huán)的描述。

圖3 籌劃根節(jié)點關(guān)系Fig.3 Operational root node relationship

圖4 時間節(jié)點關(guān)系Fig.4 Time node relationship

圖5 地域節(jié)點關(guān)系Fig.5 Region node relationship

(4)作戰(zhàn)單元節(jié)點

作戰(zhàn)單元節(jié)點關(guān)系如圖6所示。作戰(zhàn)單元是作戰(zhàn)方案執(zhí)行的主體,可以是單兵力或兵力組。兵力有多個種類,如水面艦艇、潛艇、海軍航空兵等,這些具體的兵力可通過對兵力基類的泛化進行具體化。在編隊作戰(zhàn)中,可能由多個兵力參與行動,對兵力組使用組合模式進行描述,組合模式既可以表示單一兵力,又可以表示多個兵力。

(5)作戰(zhàn)行動節(jié)點

作戰(zhàn)行動節(jié)點關(guān)系如圖7所示。作戰(zhàn)行動是作戰(zhàn)單元的作戰(zhàn)行動描述,表示什么兵力,在什么時間、地域,使用什么裝備,針對什么目標,按什么要求,采用什么戰(zhàn)術(shù)動作或戰(zhàn)術(shù)動作序列,是完整作戰(zhàn)行動的描述。作戰(zhàn)行動并不說明兵力行動的目的,可以是單一的戰(zhàn)術(shù)動作,也可以是行動序列。這種設(shè)計能減少不必要的兵力說明或時間順序說明,因為兵力的后續(xù)動作是前次行動的后繼,可以按時間軸推算。

(6)原子行動節(jié)點

原子行動節(jié)點關(guān)系如圖8所示。原子行動是戰(zhàn)術(shù)指揮的基本單位,也是形式化作戰(zhàn)行動的基本單位。從戰(zhàn)術(shù)指揮員的角度出發(fā),形式化的粒度為裝備的戰(zhàn)術(shù)使用,不對設(shè)備開機、關(guān)機、戰(zhàn)前裝備檢查等形式化處理。具體到裝備使用的細節(jié),一般都有比較完善的使用流程,不必在作戰(zhàn)計劃中列出。作戰(zhàn)類型包括對空作戰(zhàn)、對海作戰(zhàn)、對潛作戰(zhàn)等,具體作戰(zhàn)樣式可從原子行動中泛化。

(7)籌劃節(jié)點

籌劃節(jié)點關(guān)系如圖9所示?；I劃節(jié)點是具體類型的籌劃節(jié)點,用于支持作戰(zhàn)計劃不同指揮層級的細節(jié)隱藏或顯示,如作戰(zhàn)任務(wù)籌劃、情況判斷籌劃等。

(8)籌劃樹節(jié)點

籌劃樹節(jié)點是一個描述計劃、方案、子計劃、戰(zhàn)術(shù)片段關(guān)系的邏輯圖,主要用于指揮員籌劃作戰(zhàn)任務(wù)劃分、兵力選擇、突擊次序和子計劃關(guān)系等作戰(zhàn)進程。情節(jié)圖中的節(jié)點表示擁有后續(xù)節(jié)點的行動或連接后續(xù)節(jié)點的行動,當子節(jié)點為分支或協(xié)作時,表示擁有關(guān)系。

圖6 作戰(zhàn)單元節(jié)點關(guān)系Fig.6 Operational element node relationship

3 海上編隊作戰(zhàn)方案信息交換模型的應用

為驗證本文提出的聯(lián)合作戰(zhàn)方案信息交換模型的有效性,選取海上編隊作戰(zhàn)方案為應用對象,進行技術(shù)方法的實例應用。首先,進行作戰(zhàn)方案信息交換模型的需求分析;然后,利用所提出的技術(shù)方法對信息交換模型進行形式化描述。

海上編隊由若干海上戰(zhàn)斗群編成,具有?？找惑w、大縱深、多層次的火力配系。海上編隊作為一支遠離基地的獨立海上作戰(zhàn)力量,擁有很強的攻防能力編隊作戰(zhàn)計劃,組成要素主要包括作戰(zhàn)計劃說明、情況判斷、作戰(zhàn)任務(wù)、作戰(zhàn)資源、作戰(zhàn)效能等。

由于兵力可擁有多種裝備,其原子行動可能是并發(fā)執(zhí)行的,作戰(zhàn)方案的戰(zhàn)術(shù)過程就存在并發(fā)路徑。由于作戰(zhàn)行動既有順序的行為又有并發(fā)的行為,因此作戰(zhàn)行動的完整過程構(gòu)成了一個原子作戰(zhàn)行動的網(wǎng)絡(luò)?；谏鲜鏊枷?海上編隊作戰(zhàn)方案應包含航渡和導攻2類作戰(zhàn)行動。航渡作戰(zhàn)行動包含點上分兵、點上合兵、線上航渡原子行動,導攻作戰(zhàn)行動包含點上導攻原子行動。

圖7 作戰(zhàn)行動節(jié)點關(guān)系Fig.7 Operational course-of-action node relationship

圖8 原子行動節(jié)點關(guān)系Fig.8 Operational atom course-of-action node relationship

4 結(jié)語

以海上編隊作戰(zhàn)方案數(shù)據(jù)描述為應用對象[11],運用本文所提方法可以實現(xiàn)對部隊演習和訓練中作戰(zhàn)方案信息交換模型的形式化描述,也可以很好地滿足作戰(zhàn)輔助決策系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的計算與存儲需求,并能夠推廣應用到其他類型作戰(zhàn)方案的處理及應用。

圖9 籌劃節(jié)點關(guān)系Fig.9 Operational node relationship

通過形式化描述使聯(lián)合作戰(zhàn)方案信息交換模型的描述規(guī)范一致,在不同的指揮層次、不同的指揮系統(tǒng)平臺間實現(xiàn)并行的作戰(zhàn)事務(wù)處理,達到聯(lián)合作戰(zhàn)指揮自動化的目的。