基于UML 的分布式防御作戰(zhàn)概念描述方法*

彭斯明，肖 剛，林 金

（北京系統(tǒng)工程研究所，北京 100101）

0 引言

作戰(zhàn)概念作為未來(lái)軍事斗爭(zhēng)準(zhǔn)備的中心工作之一，目前正越來(lái)越受到研究人員的重視［1-4］。通過重組現(xiàn)有武器裝備，構(gòu)建新的作戰(zhàn)體系、作戰(zhàn)概念，不僅可以充分挖掘現(xiàn)有武器裝備的作戰(zhàn)潛力，還可以牽引武器裝備的研發(fā)工作。其次，作戰(zhàn)概念通過提出新的作戰(zhàn)樣式和武器裝備，還可以推動(dòng)對(duì)決定作戰(zhàn)能力建設(shè)的編制體制與之相適應(yīng)，并對(duì)編制體制的生成、維護(hù)、建設(shè)等各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生影響。此外，條令條例是關(guān)于作戰(zhàn)行動(dòng)的規(guī)范依據(jù)，作戰(zhàn)概念通過進(jìn)入條令條例得到固化，并以頒布關(guān)于能力、行動(dòng)、生活等方面的法規(guī)進(jìn)行體現(xiàn)。近年來(lái)，很多有影響力的典型作戰(zhàn)概念被陸續(xù)提出，如美軍的“分布式殺傷”、“多域戰(zhàn)”、“分布式防御”等［5-7］，這些作戰(zhàn)概念的提出對(duì)美軍未來(lái)武器裝備的發(fā)展、編制體制、條令條例建設(shè)等均產(chǎn)生了重大影響。

作戰(zhàn)概念通常涉及裝備、指控等眾多領(lǐng)域，屬于復(fù)雜系統(tǒng)范疇，為了便于不同領(lǐng)域研究人員之間有效的溝通和交流，采用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)框架和形式化建模語(yǔ)言是進(jìn)行作戰(zhàn)概念設(shè)計(jì)與描述的有效方法。文獻(xiàn)［1-2］以目前較為成熟的美國(guó)國(guó)防部體系結(jié)構(gòu)框架（DoDAF）為基礎(chǔ)，提出了裝備作戰(zhàn)概念的多視圖描述框架。由于DoDAF 包含的視圖產(chǎn)品較多而且不涉及具體的描述語(yǔ)言，導(dǎo)致相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)復(fù)雜度較高而且周期也往往較長(zhǎng)。另一方面，目前主要的建模語(yǔ)言有IDEF0、UML、Petri 等［8-9］。其中，統(tǒng)一建模語(yǔ)言（Unified Modeling Language，UML）是一種面向?qū)ο蟮臉?biāo)準(zhǔn)化建模語(yǔ)言，能夠從仿真系統(tǒng)開發(fā)的角度，以可視化和圖形化的表達(dá)方式描述復(fù)雜系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為。同時(shí)，UML 的圖形和DoDAF 的視圖產(chǎn)品之間還存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系［10-11］，因而采用UML 來(lái)進(jìn)行作戰(zhàn)概念描述具有良好的應(yīng)用前景。目前，圍繞UML 在軍事概念建模中的研究也取得了一定的成果［12-17］。

本文以UML 為基礎(chǔ)，綜合利用UML 的用例圖、類圖、時(shí)序圖和活動(dòng)圖等視圖，對(duì)分布式防御作戰(zhàn)概念進(jìn)行形式化描述和驗(yàn)證，為科學(xué)開展作戰(zhàn)概念的設(shè)計(jì)和描述提供理論和方法支撐。

1 作戰(zhàn)概念描述

1.1 分布式防御

分布式防御是2018 年1 月美軍繼“分布式殺傷”和“多域戰(zhàn)”之后提出的又一個(gè)新作戰(zhàn)概念。為了應(yīng)對(duì)對(duì)手日益嚴(yán)峻的空中和導(dǎo)彈威脅，美軍提出對(duì)其“一體化防空反導(dǎo)”作戰(zhàn)概念進(jìn)行升級(jí)，將分散部署的傳感器和火力單元通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成，從而建設(shè)一支更靈活、更有彈性和要素更為分散的防空反導(dǎo)部隊(duì)。

具體而言，分布式防御作戰(zhàn)概念包括以下7 個(gè)方面的主要內(nèi)容［7］：

1）以網(wǎng)絡(luò)為中心。通過將傳感器和火力發(fā)射單元通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，從而擴(kuò)大防空反導(dǎo)的作戰(zhàn)范圍和區(qū)域；

2）要素分散。通過利用網(wǎng)絡(luò)集成，將現(xiàn)有的火力單元重新進(jìn)行調(diào)整，使其部署在更大范圍內(nèi)，同時(shí)也使指揮員的指揮更為靈活；

3）混合裝載。通過導(dǎo)彈和發(fā)射裝置之間相互通用的方式，使發(fā)射裝置不依賴于攔截彈，從而帶來(lái)更大的靈活性和分層防御深度；

4）攻防一體發(fā)射器。通過將打擊和防御武器裝載在同一個(gè)發(fā)射單元或發(fā)射器內(nèi)來(lái)更好地應(yīng)對(duì)威脅；

5）多任務(wù)導(dǎo)彈。通過在導(dǎo)彈上安裝不同類型的彈頭，以實(shí)現(xiàn)任意導(dǎo)彈對(duì)任意目標(biāo)的打擊，提高打擊的靈活性并降低作戰(zhàn)成本；

6）集裝箱式發(fā)射裝置。通過將網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)射裝置隱藏在普通貨物集裝箱中，實(shí)現(xiàn)任何發(fā)射裝置在任意地點(diǎn)發(fā)射，同時(shí)增大對(duì)手的發(fā)現(xiàn)難度；

7）欺騙式被動(dòng)防御。通過利用集裝箱數(shù)量眾多的特點(diǎn)，采用分散部署的虛擬發(fā)射裝置模擬真實(shí)裝備的光學(xué)、熱能和電磁特征，對(duì)敵人進(jìn)行欺騙，增加對(duì)手的作戰(zhàn)成本。

以上內(nèi)容構(gòu)成了分布式防御作戰(zhàn)概念的核心，并且相互補(bǔ)充，以增強(qiáng)系統(tǒng)彈性和模塊化，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的攻防一體化性能。

1.2 作戰(zhàn)概念描述語(yǔ)言

作為一種標(biāo)準(zhǔn)化的建模語(yǔ)言，UML 的目標(biāo)是以面向?qū)ο髨D的方式來(lái)描述任何類型的系統(tǒng)，在仿真建模領(lǐng)域也得到廣泛的研究與應(yīng)用。它能提供多種模型圖供用戶從不同角度來(lái)理解系統(tǒng)，具有定義良好、易于表達(dá)、功能強(qiáng)大且普遍適用等特點(diǎn)［8，12］。

2 分布式防御作戰(zhàn)概念描述

美軍的分布式防御作戰(zhàn)概念白皮書只是給出了該作戰(zhàn)概念的基本定義和主要內(nèi)容，對(duì)于各要素之間如何連通并沒有進(jìn)行具體的介紹。因而本節(jié)首先對(duì)分布式防御作戰(zhàn)概念涉及的主要內(nèi)容進(jìn)行抽象，然后按照指揮作戰(zhàn)的一般流程進(jìn)行建模，并綜合運(yùn)用UML 的不同視圖對(duì)分布式防御作戰(zhàn)概念進(jìn)行描述。

2.1 功能需求模型描述

在UML 中，系統(tǒng)的功能模型通常采用用例圖進(jìn)行描述。用例圖是從用戶角度表達(dá)系統(tǒng)的功能性需求或行為，其核心元素包括參與者、用例、關(guān)系。通過展示參與者與用例、用例與用例之間的關(guān)系對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行建模。

因此，分布式防御的功能模型可用用例圖進(jìn)行描述。如下頁(yè)圖1 所示，根據(jù)分布式防御作戰(zhàn)概念的主要內(nèi)容，系統(tǒng)外部參與者主要是作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)（Battle Command System），系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)4 個(gè)功能：一是防空作戰(zhàn)，主要用于防御無(wú)人機(jī)和有人機(jī)襲擊；二是反導(dǎo)作戰(zhàn)，主要是防御巡航導(dǎo)彈、彈道導(dǎo)彈和高超聲速助推滑翔飛行器等；三是進(jìn)攻作戰(zhàn)，主要是具備對(duì)海（艦）、對(duì)空和對(duì)地打擊能力；四是被動(dòng)防御，主要是通過欺騙、機(jī)動(dòng)和分散部署來(lái)躲避對(duì)手的打擊，保存自己。

圖1 分布式防御作戰(zhàn)概念用例圖

2.2 組成結(jié)構(gòu)描述

在UML 中，采用類圖、組件圖等描述系統(tǒng)的靜態(tài)模型。其中，類圖是一種通過顯示類的屬性、操作及類之間的關(guān)系，描述系統(tǒng)對(duì)象靜態(tài)結(jié)構(gòu)的建模方法。

根據(jù)分布式防御作戰(zhàn)概念的主要內(nèi)容，抽象出了對(duì)應(yīng)的8 個(gè)類，其中，分布式防御系統(tǒng)是基類，主要包含網(wǎng)絡(luò)（Network Centrism）、分散的火力單元（Element Dispersal）、混合裝載（Mixed Loads）、攻防一體發(fā)射器（Offense-defense Launchers）、多任務(wù)導(dǎo)彈（Multi-mission Shooters）、集裝箱式發(fā)射器（Containerized Launchers）、被動(dòng)防御系統(tǒng)（Passive Defense）等7 個(gè)子類。此外，分散的火力單元、攻防一體發(fā)射器、多任務(wù)發(fā)射器、集裝箱式發(fā)射器等和網(wǎng)絡(luò)之間存在著依賴關(guān)系，即通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相互連接。根據(jù)分布式防御作戰(zhàn)概念的要素特點(diǎn)，各個(gè)類還分別具有模塊化（M：Modular）、彈性（R：Resilient）和攻防一體化（ODI：Offense-Defense Integration）等屬性特征。

2.3 動(dòng)態(tài)行為描述

在UML 中，主要采用時(shí)序圖、活動(dòng)圖、狀態(tài)圖等描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。其中，時(shí)序圖用于描述系統(tǒng)中各個(gè)對(duì)象按照時(shí)間順序的交互過程，活動(dòng)圖可以被看作是一種特殊的狀態(tài)圖，主要用來(lái)描述動(dòng)作和動(dòng)作導(dǎo)致對(duì)象狀態(tài)改變的結(jié)果。因此，下面采用時(shí)序圖和活動(dòng)圖描述分布式防御作戰(zhàn)概念的動(dòng)態(tài)行為。

2.3.1 作戰(zhàn)過程描述

圖2 分布式防御作戰(zhàn)概念類圖

圖3 分布式防御作戰(zhàn)概念時(shí)序圖

在UML 中，時(shí)序圖是顯示對(duì)象之間交互的圖，通過描述對(duì)象之間的信息交互的時(shí)間順序顯示多個(gè)對(duì)象之間的動(dòng)態(tài)協(xié)作關(guān)系。基于UML 的動(dòng)態(tài)建模機(jī)制，分布式防御作戰(zhàn)過程用時(shí)序圖描述如圖3所示。

在信息的交互過程中，反映了分布式防御不同系統(tǒng)之間按時(shí)間順序排列的事件。垂直方向上，時(shí)間自上而下延伸，反映了系統(tǒng)之間事件間的先后順序。例如，作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)在收到預(yù)警信息后才會(huì)發(fā)出進(jìn)行被動(dòng)防御和對(duì)來(lái)襲武器進(jìn)行攔截，以及對(duì)對(duì)手發(fā)射架進(jìn)行打擊的指令。水平方向上，消息自箭尾向箭頭傳遞，反映了不同系統(tǒng)之間事件的激活關(guān)系。例如，網(wǎng)絡(luò)中分散部署的傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)防御區(qū)域進(jìn)行不間斷的偵察預(yù)警，一旦偵察到來(lái)襲武器，便會(huì)向指揮作戰(zhàn)系統(tǒng)傳遞預(yù)警信息，作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)再據(jù)此下達(dá)相應(yīng)的作戰(zhàn)指令。根據(jù)分布式防御作戰(zhàn)的主要內(nèi)容，其作戰(zhàn)過程主要分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是防御階段，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)獲取的來(lái)襲目標(biāo)信息，指揮相應(yīng)的火力單元進(jìn)行攔截，同時(shí)進(jìn)行機(jī)動(dòng)規(guī)避或隱藏；第二個(gè)階段則是在網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)探測(cè)到來(lái)襲目標(biāo)的發(fā)射位置信息后指揮相應(yīng)的火力單元進(jìn)行打擊，摧毀對(duì)手的發(fā)射架。

2.3.2 作戰(zhàn)活動(dòng)描述

在UML 中，活動(dòng)圖是描述用例要求所要進(jìn)行的活動(dòng)，以及活動(dòng)間的約束關(guān)系，有利于識(shí)別并行活動(dòng)。因此，基于UML 的動(dòng)態(tài)建模機(jī)制，分布式防御作戰(zhàn)活動(dòng)可用活動(dòng)圖描述。

根據(jù)分布式防御的主要構(gòu)成要素，可以將作戰(zhàn)活動(dòng)按照網(wǎng)絡(luò)、分散火力單元、攻防一體發(fā)射器、多任務(wù)導(dǎo)彈以及混合裝載系統(tǒng)5 個(gè)類進(jìn)行分組，構(gòu)建如下頁(yè)圖4 所示的泳道圖。采用泳道圖的形式，可以進(jìn)一步明確各個(gè)類所包含的主要活動(dòng)。

網(wǎng)絡(luò)主要活動(dòng)應(yīng)包括偵察預(yù)警和毀傷評(píng)估。偵察預(yù)警主要是將網(wǎng)絡(luò)中分散部署的傳感器節(jié)點(diǎn)獲取的目標(biāo)探測(cè)和定位信息分發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中的火力單元，同時(shí)，在完成對(duì)目標(biāo)的攔截和打擊任務(wù)后，對(duì)目標(biāo)的毀傷情況進(jìn)行評(píng)估，以決定是否需要進(jìn)行下一輪的攔截和打擊。分散的火力單元?jiǎng)t主要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)提供的目標(biāo)信息，選擇網(wǎng)絡(luò)中最有利的火力單元進(jìn)行作戰(zhàn)。根據(jù)是否發(fā)現(xiàn)對(duì)手發(fā)射架的準(zhǔn)確位置，火力單元可以分別完成防空反導(dǎo)攔截和對(duì)發(fā)射架的打擊任務(wù)。攻防一體發(fā)射器主要是將進(jìn)攻和攔截導(dǎo)彈集成在一個(gè)火力單元或者一個(gè)發(fā)射架內(nèi)，這樣根據(jù)任務(wù)需要，可以快速選擇采用防御或進(jìn)攻導(dǎo)彈作戰(zhàn)。多任務(wù)發(fā)射器主要是發(fā)射相應(yīng)的攔截導(dǎo)彈或進(jìn)攻導(dǎo)彈?；旌涎b載系統(tǒng)則在攔截或打擊任務(wù)完成后重新進(jìn)行導(dǎo)彈裝載。

圖4 分布式防御作戰(zhàn)概念活動(dòng)圖

3 結(jié)論

本文采用通用建模語(yǔ)言UML 對(duì)分布式防御作戰(zhàn)概念描述方法進(jìn)行了研究，通過利用UML 的不同視圖模型對(duì)分布式防御作戰(zhàn)概念的主要功能、基本結(jié)構(gòu)、作戰(zhàn)過程和作戰(zhàn)活動(dòng)進(jìn)行形式化描述，不僅有利于不同背景研究人員對(duì)該作戰(zhàn)概念的理解與交流，同時(shí)也為我軍未來(lái)作戰(zhàn)概念的設(shè)計(jì)開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。