基于體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的空戰(zhàn)系統(tǒng)任務(wù)元模型建模

高 悅, 茹 樂, 遲文升, 周 慶

(1.空軍工程大學(xué)裝備管理與無人機工程學(xué)院, 陜西 西安 710051;2.中國航空無線電電子研究所航空電子系統(tǒng)綜合技術(shù)重點實驗室, 上海 200030)

0 引 言

空戰(zhàn)作為空軍作戰(zhàn)的主要樣式,近年來空戰(zhàn)需求不斷提升,特別是在高新技術(shù)的推動下,戰(zhàn)爭形態(tài)發(fā)生深刻變革,現(xiàn)代空戰(zhàn)逐步形成了一個較為完備的空戰(zhàn)體系架構(gòu)[1]。隨著分布式作戰(zhàn)[2]、有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)[3]、多域戰(zhàn)[4]等新型作戰(zhàn)概念的提出,空戰(zhàn)的體系架構(gòu)和組成形態(tài)不斷更迭和變化。由于空戰(zhàn)系統(tǒng)本身具有復(fù)雜性和涌現(xiàn)性,難以通過抽象的數(shù)學(xué)模型精確描述和準確預(yù)測空戰(zhàn)體系的行為特征和發(fā)展態(tài)勢,而強調(diào)體系對抗的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法能夠從復(fù)雜空戰(zhàn)中抽取參與要素、邏輯關(guān)系和行為結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵特征,為綜合化、智能化、自主化的空戰(zhàn)系統(tǒng)的頂層設(shè)計提供分析來源和驗證依據(jù)[5]。

為保證復(fù)雜軍事系統(tǒng)開發(fā)的規(guī)范性,各國先后提出了指導(dǎo)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的產(chǎn)品,如C4ISR(command, control, communication、computer, intelligence, surveillance and reconnaissance)自動化指揮系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)范2.0、美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架(department of defense architecture framework,DoDAF)(DoDAF 1.0,1.5,2.0版)[6-8]、英國國防部體系結(jié)構(gòu)框架(ministry of defense architectural framework, MoDAF)(MoDAF 1.2版)[9]等,這些框架通過多視圖方法論的核心思想統(tǒng)一了武器裝備系統(tǒng)的需求描述格式[10],從而規(guī)范了體系架構(gòu)設(shè)計,但設(shè)計人員多采用不同的建模語言進行需求描述如SysML、UML等,不同的描述語言都有各自的描述規(guī)范,容易形成系統(tǒng)設(shè)計的交互壁壘;并且即使對同一系統(tǒng)采用相同產(chǎn)品的描述規(guī)范,由于設(shè)計人員對產(chǎn)品的經(jīng)驗和理解差異,仍然可能選用不同的建模方法和工具如IDEF、BPMN,使得所建模型缺乏格式一致的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),難以交換和重用[11]。目前,國內(nèi)外對于武器裝備體系作戰(zhàn)任務(wù)建模相關(guān)研究成果頗豐,如基于UML、基于IDEF的任務(wù)模型[12-15]和基于DoDAF的裝備體系任務(wù)模型[16],這些方法提高了體系任務(wù)仿真建模的科學(xué)性,但存在以下不足:① 上述方法主要針對各自目標任務(wù),缺乏通用性,當任務(wù)需求變化時,所建模型便難以適用,造成大量重復(fù)性勞動和建模成本的增加;② 未將模型設(shè)計作為系統(tǒng)設(shè)計的核心,缺乏模型驅(qū)動的理念;③ 沒有處理好所應(yīng)用作戰(zhàn)概念下體系設(shè)計各階段模型數(shù)據(jù)之間的迭代關(guān)系[17]。

面對空戰(zhàn)環(huán)境復(fù)雜化、作戰(zhàn)樣式多元化、作戰(zhàn)概念體系化的發(fā)展趨勢,本文利用基于模型的系統(tǒng)工程(model based systems engineering,MBSE)方法替代傳統(tǒng)以文檔為中心(document centric,DC)的系統(tǒng)方法對統(tǒng)一在一個體系結(jié)構(gòu)框架的空戰(zhàn)系統(tǒng)進行體系結(jié)構(gòu)設(shè)計,從典型使命任務(wù)出發(fā),結(jié)合DoDAF元模型(DoDAF meta-model,DM2),采用源圖軟件進行任務(wù)架構(gòu)快速開發(fā)，以超視距(beyond visual range,BVR)空戰(zhàn)系統(tǒng)為例，構(gòu)建智能空戰(zhàn)系統(tǒng)的通用任務(wù)元模型，從而適應(yīng)未來空戰(zhàn)不同作戰(zhàn)概念下的組成形態(tài)和體系架構(gòu)的更迭變化,在保證模型底層數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性、完備性和一致性的基礎(chǔ)上,解決系統(tǒng)作戰(zhàn)設(shè)計邏輯難以執(zhí)行驗證等問題,實現(xiàn)作戰(zhàn)概念需求引導(dǎo)下作戰(zhàn)任務(wù)模型的快速組合及復(fù)用,為作戰(zhàn)任務(wù)需求關(guān)聯(lián)、傳遞到空戰(zhàn)系統(tǒng)功能設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

1 基于體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)元模型建模

1.1 任務(wù)元模型概念

元模型并非新生事物,從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方法向基于模型的方法轉(zhuǎn)變的時候,元模型概念就應(yīng)運而生。在不同領(lǐng)域根據(jù)需要,建立該領(lǐng)域相對應(yīng)的建模語言及建模環(huán)境,能夠從建模效率、復(fù)用機制、規(guī)范化表達、需求一致性等多個維度保證需求質(zhì)量。任務(wù)元模型是用來定義和刻畫使命任務(wù)領(lǐng)域建模語言的一種模型,相當于提供了適用于該領(lǐng)域的標準語法和語義[18],本質(zhì)上是在軍事作戰(zhàn)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中依據(jù)框架標準建立起的具有嚴謹邏輯規(guī)則的數(shù)據(jù)要素,并且定義了專業(yè)術(shù)語的底層數(shù)據(jù)存儲規(guī)范,可有效積累和幫助迭代優(yōu)化論證的數(shù)據(jù)資源形成權(quán)威的任務(wù)資源庫,如圖1所示。在軍事系統(tǒng)信息化設(shè)計過程中,為了消除對元模型的“經(jīng)驗式”定義和“認知不確定性”使用,在國際國防企業(yè)體系結(jié)構(gòu)規(guī)范(international defense enterprise architecture specification,IDEAS)指導(dǎo)下構(gòu)建的“以數(shù)據(jù)為中心”的DM2代替了以框架為基礎(chǔ)開發(fā)的核心體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型(core architecture data model,CADM),將可復(fù)用的最小單元變?yōu)閿?shù)據(jù),提高了描述復(fù)雜事物本質(zhì)的科學(xué)性,降低了需求論證的難度[19]。基于體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的空戰(zhàn)系統(tǒng)任務(wù)元模型構(gòu)建以DM2為基礎(chǔ),結(jié)合體系結(jié)構(gòu)視圖描述,引入具有使命任務(wù)特點的新元素,能夠有效減少空戰(zhàn)系統(tǒng)仿真模型的復(fù)雜性而保持仿真結(jié)果有效性,為建立可執(zhí)行、可驗證、可重用的空戰(zhàn)系統(tǒng)使命任務(wù)模型提供了數(shù)據(jù)支撐和邏輯基礎(chǔ)。

圖1 空戰(zhàn)系統(tǒng)任務(wù)設(shè)計原理

1.2 體系結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計是以實現(xiàn)預(yù)期使命任務(wù)為目的,在作戰(zhàn)概念指導(dǎo)下自上而下地進行作戰(zhàn)體系能力需求的逐層分解與分析以及自下而上地作戰(zhàn)能力獲取的過程,具體體現(xiàn)為利用統(tǒng)一框架提供的模型采集特定數(shù)據(jù),映射DM2的實體、關(guān)系和屬性,形成視圖的過程。體系結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建是在體系結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計的基礎(chǔ)上,將復(fù)雜抽象系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)歸納為多個相互聯(lián)系的、可視化的、便于管理的視圖模型。描述一個完整的作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu),具備完整的數(shù)據(jù),條件是生成任務(wù)元模型的基礎(chǔ)。進行體系結(jié)構(gòu)建模應(yīng)考慮3個方面,即確定體系結(jié)構(gòu)用途,確定體系結(jié)構(gòu)范圍和確定支持體系結(jié)構(gòu)開發(fā)所需的數(shù)據(jù)[20]。本文根據(jù)DoDAF 2.0的框架,利用DM2提供的邏輯數(shù)據(jù)模型、概念數(shù)據(jù)模型和物理交換規(guī)范,結(jié)合多視圖理論[21-22]和空戰(zhàn)系統(tǒng)分析設(shè)計經(jīng)驗對空戰(zhàn)系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行流程及任務(wù)樣式進行分析和抽象,提出一套多視圖體系結(jié)構(gòu)建模方法,對空戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)需求描述加以捕獲,進行體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的采集和組織,分別從作戰(zhàn)概念、能力和任務(wù)3個方面開展體系結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建,具體構(gòu)建流程如圖2所示。

圖2 基于體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)元模型構(gòu)建流程

1.2.1 作戰(zhàn)概念建模

作戰(zhàn)概念是對某時空下的某一類作戰(zhàn)問題的本質(zhì)特征加以抽象概括并采取應(yīng)對措施的總結(jié),是體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的頂層概念,是作戰(zhàn)體系存在的根本和基礎(chǔ)。作戰(zhàn)概念建模應(yīng)該包括3類要素,即作戰(zhàn)問題的描述、作戰(zhàn)問題的解決和作戰(zhàn)能力需求。作戰(zhàn)概念建模主要內(nèi)容如圖3所示。作戰(zhàn)問題的描述根據(jù)典型的任務(wù)場景,進行作戰(zhàn)全背景分析,分析出作戰(zhàn)時間、作戰(zhàn)區(qū)域、作戰(zhàn)目標、威脅對象、戰(zhàn)場環(huán)境等綜合作戰(zhàn)要素,形成目標線,即根據(jù)目標預(yù)期打擊效果形成任務(wù)完成標準。作戰(zhàn)問題的解決是由不同裝備為共同達成某個作戰(zhàn)目標,實現(xiàn)預(yù)期打擊效果而進行一系列相互聯(lián)系作戰(zhàn)活動的有序集合。作戰(zhàn)問題的解決從作戰(zhàn)成分的拆解開始,明確作戰(zhàn)方向、對抗手段(軟/硬殺傷)、作戰(zhàn)策略、作戰(zhàn)周期,根據(jù)描述的作戰(zhàn)過程中雙方殺傷鏈對抗方式,形成作戰(zhàn)決策產(chǎn)生的作戰(zhàn)線;作戰(zhàn)能力需求建立在作戰(zhàn)問題的描述與作戰(zhàn)問題的解決的基礎(chǔ)上,遵循觀察、定位、決策、行動(observation,orientation,decision and action,OODA)環(huán)理論,對執(zhí)行任務(wù)場景所產(chǎn)生的“任務(wù)-活動”進行分析,根據(jù)預(yù)期打擊效果,調(diào)整各作戰(zhàn)節(jié)點的作戰(zhàn)活動,逐條完善每個細分任務(wù)節(jié)點的應(yīng)用能力需求,得出使命任務(wù)矩陣。

圖3 作戰(zhàn)概念建模主要內(nèi)容

1.2.2 能力視圖建模

作戰(zhàn)能力視圖建模是根據(jù)作戰(zhàn)概念的建模分析結(jié)果進行作戰(zhàn)能力分析。作戰(zhàn)能力關(guān)注的是為完成某項作戰(zhàn)任務(wù)而所需具備的某種作戰(zhàn)屬性,從作戰(zhàn)體系中來,并回歸到武器裝備。作戰(zhàn)能力視圖建模是作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)需求開發(fā)的核心,在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中實現(xiàn)作戰(zhàn)概念建模到任務(wù)視圖建模的過渡。從對作戰(zhàn)體系的頂層能力進行分析開始,明確作戰(zhàn)全生命周期各階段依賴的作戰(zhàn)武器系統(tǒng)的能力需求,并將抽象的體系能力需求逐步細化和分解,得到具體的底層子能力需求,理清能力依賴關(guān)系,考慮不同時間點內(nèi)計劃到達的能力,進行能力階段劃分。通過作戰(zhàn)能力分析,可構(gòu)建一整套體系能力視圖模型,展示體系的能力構(gòu)想、能力分解、能力依賴關(guān)系等,為后續(xù)完成任務(wù)到能力的映射,形成對應(yīng)的能力需求目錄提供依據(jù)。

1.2.3 任務(wù)視圖建模

任務(wù)視圖建模依據(jù)作戰(zhàn)概念建模的使命、任務(wù)分析結(jié)果和作戰(zhàn)能力分析結(jié)果,主要分析從作戰(zhàn)層面需要哪些作戰(zhàn)單元來共同達到體系能力需求,作戰(zhàn)單位如何完成作戰(zhàn)任務(wù)、展現(xiàn)作戰(zhàn)能力并將作戰(zhàn)任務(wù)與各作戰(zhàn)單元進行關(guān)聯(lián),以及為完成作戰(zhàn)使命所需執(zhí)行的作戰(zhàn)活動。然后分析作戰(zhàn)模型中模型屬性和作戰(zhàn)屬性既定的約束條件,并基于約束條件考慮在實戰(zhàn)對抗因素下的體系作戰(zhàn)流程設(shè)計,最后分析作戰(zhàn)單位所執(zhí)行的各個狀態(tài)之間的遷移關(guān)系,使不同作戰(zhàn)單元能夠相互配合完成相應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù),得到作戰(zhàn)單元的作戰(zhàn)活動、時序、接口關(guān)系,狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則等。根據(jù)不同的作戰(zhàn)場景,可以構(gòu)建不同的任務(wù)視圖。

1.3 任務(wù)元模型生成

依據(jù)作戰(zhàn)體系建模的實際過程獲取作戰(zhàn)體系任務(wù)需求中的核心概念,生成任務(wù)元模型,本質(zhì)上就是提取任務(wù)相關(guān)的核心數(shù)據(jù)要素。DoDAF2.0將底層數(shù)據(jù)分為12大類,包括目標、能力、活動、執(zhí)行者、服務(wù)、資源流、信息和數(shù)據(jù)、項目、訓(xùn)練/技能、規(guī)則、度量和位置。為確保得到滿足需求的作戰(zhàn)任務(wù)體系結(jié)構(gòu)需求的任務(wù)元模型,需要建立起語義完備的核心數(shù)據(jù)要素關(guān)系指導(dǎo)任務(wù)元模型的生成[5]。標準關(guān)系“5W1H”,即執(zhí)行者(WHO)、特定位置(WHERE)、特定時刻(WHEN)、目的(WHY)、資源或事件(WHAT)和行動(HOW)描述了體系結(jié)構(gòu)建模的6個不同方面,天然構(gòu)成了體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)要素分類模型,如表1所示,通常可以概括性的表述為:執(zhí)行者為達成某種目的在特定位置和特定時刻下采取某種行動,產(chǎn)生資源或發(fā)生事件。本文根據(jù)視圖模型的任務(wù)關(guān)鍵特征及描述,圍繞標準關(guān)系5W1H,抽取任務(wù)核心數(shù)據(jù)要素,包括使命任務(wù)、作戰(zhàn)事件、作戰(zhàn)活動、作戰(zhàn)接口、人員類型、作戰(zhàn)單位狀態(tài)轉(zhuǎn)換,如圖4所示。以使命任務(wù)、作戰(zhàn)活動和作戰(zhàn)接口為例,使命任務(wù)數(shù)據(jù)組是任務(wù)元模型層中與某種作戰(zhàn)概念下的具體使命任務(wù)相關(guān)的基本術(shù)語的集合,能夠指導(dǎo)與具體作戰(zhàn)階段所要達成的作戰(zhàn)目標相關(guān)的數(shù)據(jù)的收集和邏輯關(guān)系分析,用于描述使命任務(wù)制定相關(guān)的高層次數(shù)據(jù),回答了作戰(zhàn)體系任務(wù)需求WHY的問題。作戰(zhàn)活動數(shù)據(jù)組就是任務(wù)元模型層中與為完成某種使命任務(wù),達成作戰(zhàn)目標的行動相關(guān)的基本術(shù)語的集合,能夠指導(dǎo)與具體作戰(zhàn)活動相關(guān)的數(shù)據(jù)的收集和邏輯分析,用于描述作戰(zhàn)活動的執(zhí)行方式,回答了作戰(zhàn)體系任務(wù)需求HOW的問題。作戰(zhàn)接口數(shù)據(jù)組就是任務(wù)元模型中與作戰(zhàn)節(jié)點之間連接和信息交互相關(guān)基本術(shù)語的集合,能夠指導(dǎo)與作戰(zhàn)指令、作戰(zhàn)資源信息和數(shù)據(jù)連接、交互相關(guān)的數(shù)據(jù)的收集和邏輯分析,用于描述信息和數(shù)據(jù)的連接和交互方式。

表1 底層數(shù)據(jù)與標準關(guān)系

圖4 數(shù)據(jù)要素抽取過程

2 DoDAF產(chǎn)品的選用及實現(xiàn)步驟

DoDAF2.0將體系結(jié)構(gòu)劃分成了8個視圖,包括全景視圖(all viewpoint,AV)、能力視圖(capability viewpoint,CV)、作戰(zhàn)視圖(operational viewpoint,OV)、系統(tǒng)視圖(system viewpoint, SV)、項目視圖(project viewpoint,PV)、標準視圖(standards viewpoint,StdV)、數(shù)據(jù)與信息視圖(data and information viewpoint,DIV)和服務(wù)視圖(services viewpoint,SvcV)。不同的視圖分別以不同的形式反映體系結(jié)構(gòu)的不同側(cè)面,如以呈現(xiàn)形態(tài)為標準可分為表格型、結(jié)構(gòu)型、矩陣型、圖片型等,以是否包含時間要素為標準可分為靜態(tài)型和動態(tài)型等。根據(jù)作戰(zhàn)概念建模、作戰(zhàn)能力視圖建模和任務(wù)視圖建模的體系結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建思路,選則DoDAF產(chǎn)品中的全景視圖、能力視圖、作戰(zhàn)視圖數(shù)據(jù)與信息服務(wù)視圖建立體系結(jié)構(gòu)模型,針對使命任務(wù)的分析需求,增加對DoDAF框架的擴展視圖執(zhí)行強化視圖(execute viewpoint,EV),分別為使命任務(wù)分解視圖EV-1和使命任務(wù)-能力矩陣視圖EV-2,通過這些視圖的構(gòu)建,最終描述一個完整的作戰(zhàn)概念系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。GJB/Z 156—2011《軍事電子信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計指南》提出在一般情況下根據(jù)產(chǎn)品的依賴關(guān)系的體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的基本邏輯開發(fā)順序[20],即從總體描述開始,在完成對作戰(zhàn)能力需求分析的基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)作戰(zhàn)活動、數(shù)據(jù)描述與映射等分析與設(shè)計工作[23]。體系結(jié)構(gòu)建模的具體實施步驟如下。

步驟 1根據(jù)作戰(zhàn)概念,進行作戰(zhàn)問題描述和解決,形成作戰(zhàn)能力需求,明確作戰(zhàn)體系總體架構(gòu),建立AV-1和OV-1;根據(jù)使命任務(wù)分解情況描述任務(wù)組成和層級關(guān)系,建立EV-1和OV-4。

步驟 2給出作戰(zhàn)全生命周期各階段體系結(jié)構(gòu)需要的所有能力,建立CV-1;細化和分解體系能力,規(guī)劃能力層次和依賴關(guān)系,分別建立CV-2、CV-3和CV-4。

步驟 3建立EV-2,描述使命任務(wù)與作戰(zhàn)能力的映射關(guān)系。

步驟 4描述作戰(zhàn)活動間層次關(guān)系和輸入輸出關(guān)系,形成階段性作戰(zhàn)活動模型,建立OV-5a、OV-5b;組織作戰(zhàn)節(jié)點信息、資源交互,建立OV-2、OV-3;確定約束作戰(zhàn)節(jié)點完成作戰(zhàn)使命和作戰(zhàn)活動的業(yè)務(wù)規(guī)則,建立OV-6a;建立OV-6c和OV-6b定義作戰(zhàn)節(jié)點關(guān)鍵作戰(zhàn)事件的時序特征和作戰(zhàn)活動的變化過程。

步驟 5建立CV-6,通過建立能力和作戰(zhàn)活動的映射矩陣,描述作戰(zhàn)能力與作戰(zhàn)活動的映射關(guān)系,形成能力需求目錄。

步驟 6根據(jù)建立的體系架構(gòu)模型,生成全局數(shù)字字典AV-2,描述整個體系架構(gòu)中的術(shù)語與數(shù)據(jù)。

綜上,得到如圖5所示的任務(wù)元模型體系結(jié)構(gòu)設(shè)計序列。

圖5 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計序列

3 BVR空戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

在新技術(shù)推動下,超視距(beyond visual range,BVR)空戰(zhàn)成為現(xiàn)代空戰(zhàn)的主流趨勢[24]。BVR是一種在視距范圍之外,戰(zhàn)機通過機載傳感器對目標進行探測鎖定,并使用中遠程空空導(dǎo)彈進行打擊的一種空戰(zhàn)模式。本文選取戰(zhàn)斗機及其作戰(zhàn)體系為對象,通過研究戰(zhàn)斗機在預(yù)警機支援下,單機突入敵前線縱深,利用隱身、超音速等能力帶來的攻擊優(yōu)勢,消滅對方護航編隊的同時對對方預(yù)警機實施超視距打擊的作戰(zhàn)過程,設(shè)計BVR空戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu),實現(xiàn)空戰(zhàn)系統(tǒng)任務(wù)元模型的構(gòu)建。由于篇幅限制,本文選取部分體系結(jié)構(gòu)建模過程進行說明。

3.1 BVR空戰(zhàn)概念建模

3.1.1 概述和摘要信息

概述和摘要信息AV-1是根據(jù)BVR空戰(zhàn)概念建模形成的文字說明,通過著重說明作戰(zhàn)區(qū)域、作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)時間、威脅目標以及作戰(zhàn)決策產(chǎn)生的使命任務(wù)等綜合作戰(zhàn)要素的具體內(nèi)容,詳細刻畫了作戰(zhàn)想定,如圖6所示。

圖6 概述和摘要信息視圖

3.1.2 高級作戰(zhàn)概念圖

高級作戰(zhàn)概念圖OV-1是在作戰(zhàn)概念建模成果的基礎(chǔ)上對AV-1作戰(zhàn)全局背景描述和架構(gòu)概覽的勾畫,是BVR空戰(zhàn)作戰(zhàn)概念下空戰(zhàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計。如圖7所示,從任務(wù)執(zhí)行層面以高層次圖形給出了BVR空戰(zhàn)想定的解決方案,包括空戰(zhàn)系統(tǒng)各個作戰(zhàn)單元以及各單元之間的信息數(shù)據(jù)的交互情況。我方預(yù)警體系捕獲對方情報后,地面指揮中心和預(yù)警機進行協(xié)同任務(wù)規(guī)劃和任務(wù)分配;預(yù)警機獲取戰(zhàn)斗機指揮控制權(quán),進行態(tài)勢感知、航路規(guī)劃和突防引導(dǎo);戰(zhàn)斗機突破對方邊界后識別、跟蹤、鎖定對方預(yù)警機及護航編隊進行超視距打擊。

圖7 高級圖形作戰(zhàn)概念圖

3.2 BVR能力視圖建模

3.2.1 能力構(gòu)想視圖

能力構(gòu)想視圖CV-1描述了體系作戰(zhàn)能力的戰(zhàn)略背景和高層范圍。如圖8所示,在BVR空戰(zhàn)概念分析下,將體系架構(gòu)生命周期劃分為地面準備、起飛組編、引導(dǎo)飛行、突入領(lǐng)空、探測識別、超視距攻擊和返航7個體系發(fā)展階段,對各個階段能力需求進行概括總結(jié),得出任務(wù)規(guī)劃、指揮控制、通信、目標感知、火力打擊、防御、保障和機動8項一級能力,并建立階段與能力之間的歸屬關(guān)系。

圖8 能力構(gòu)想視圖

3.2.2 能力分解視圖

能力分解視圖CV-2是從能力范圍出發(fā)對能力進行逐層分解,得到能力要素即底層子能力,建立能力結(jié)構(gòu)樹,描述了能力的層級和組成關(guān)系。如圖9所示,以目標感知能力為例,突襲戰(zhàn)斗機能夠獨立或聯(lián)合搜索目標,根據(jù)搜索信號建立目標跟蹤,滿足態(tài)勢需求。所以將一級目標感知作戰(zhàn)能力進行細化分為目標定位、目標跟蹤、目標識別、威脅評估、綜合信息顯示和威脅告警6項二級能力,再將目標識別劃分為雷達識別、紅外識別、SAR識別和可見光識別4項三級能力。

圖9 能力分解視圖(節(jié)選)

3.2.3 能力依賴視圖

在對BVR空戰(zhàn)系統(tǒng)體系作戰(zhàn)能力分解的基礎(chǔ)上通過能力依賴視圖CV-4的構(gòu)建,明確體系作戰(zhàn)能力之間的邏輯依賴關(guān)系。突襲戰(zhàn)斗機以數(shù)據(jù)鏈路作為通信支撐,在預(yù)警機的指揮引導(dǎo)下進行突防打擊,對敵方目標進行無源探測獲得位置信息后融合預(yù)警機態(tài)勢信息,形成機上引導(dǎo)方式,通過機動戰(zhàn)術(shù)占位獲取攻擊有利條件,在雷達識別鎖定目標后發(fā)射遠程導(dǎo)彈實施超視距打擊。如圖10所示,火力打擊能力依賴于通信能力、目標感知能力、指揮控制能力和機動能力。

圖10 能力依賴視圖

3.3 BVR任務(wù)視圖建模

3.3.1 作戰(zhàn)活動視圖

根據(jù)BVR空戰(zhàn)的使命任務(wù)和能力需求,建立作戰(zhàn)活動模型OV-5b。OV-5b主要描述了BVR空戰(zhàn)作戰(zhàn)單位之間的控制流和數(shù)據(jù)流,直觀地表達了復(fù)雜的作戰(zhàn)業(yè)務(wù)邏輯。圖11展示了活動模型中突襲戰(zhàn)斗機實施突防打擊對方目標的主要過程,規(guī)范了各作戰(zhàn)單元參與的作戰(zhàn)活動及作戰(zhàn)活動間關(guān)系的描述。突襲戰(zhàn)斗機到達對方領(lǐng)地邊界后,預(yù)警機實施威脅評估并生成突防方案;戰(zhàn)斗機在預(yù)警機的飛行引導(dǎo)下,以超音速巡航并快速接近目標;對方預(yù)警機發(fā)現(xiàn)后,指揮對方護航編隊對戰(zhàn)斗機實施攔截;戰(zhàn)斗機在組合探測和抗電子干擾能力的支持下,對對方編隊和預(yù)警機進行多目標跟蹤、鎖定和超視距打擊,并評估打擊結(jié)果。

圖11 作戰(zhàn)活動模型(子圖)

3.3.2 作戰(zhàn)事件跟蹤描述視圖

在確定了BVR空戰(zhàn)各作戰(zhàn)單位作戰(zhàn)活動的基礎(chǔ)上,依據(jù)作戰(zhàn)活動規(guī)則約束構(gòu)建OV-6c,通過追蹤作戰(zhàn)單位之間的事件交互,生成各作戰(zhàn)單位隨著時間推移,按因果關(guān)系響應(yīng)外界觸發(fā)的序列。如圖12所示,梳理了地面預(yù)警、突襲戰(zhàn)斗機、預(yù)警機、對方地面預(yù)警、對方護航編隊和對方預(yù)警機各節(jié)點作戰(zhàn)事件和信息交換的順序關(guān)系。

圖12 作戰(zhàn)時序描述

3.3.3 作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換視圖

在OV-6c的基礎(chǔ)上,通過建立作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述OV-6b來反映某一作戰(zhàn)節(jié)點的動態(tài)行為。每個節(jié)點的下一個狀態(tài)取決于當前狀態(tài)和所接收的事件或進行的操作,可以用于檢查作戰(zhàn)方案的合理性和可實現(xiàn)性。BVR空戰(zhàn)系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計包含地面預(yù)警、地面指揮所、突襲戰(zhàn)斗機、預(yù)警機、對方地面預(yù)警、對方護航編隊和對方預(yù)警機7個實體模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移設(shè)計,突襲戰(zhàn)斗機作為主要的BVR打擊主體,其作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換視圖如圖13所示。

圖13 突襲戰(zhàn)斗機作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述

3.4 擴展視圖執(zhí)行強化視圖

在能力視圖建模的基礎(chǔ)上,建立使命任務(wù)和能力映射矩陣的擴展視圖EV-2,如圖14所示,強化了BVR空戰(zhàn)概念分解下不同作戰(zhàn)任務(wù)與能力的關(guān)聯(lián)關(guān)系,驗證所提出的作戰(zhàn)能力的歸屬性,明確作戰(zhàn)全生命周期各階段對各作戰(zhàn)能力的依賴程度和各作戰(zhàn)能力在各階段的需求次數(shù)。

圖14 使命任務(wù)-能力矩陣視圖(節(jié)選)

3.5 BVR空戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)的可執(zhí)行驗證

源圖軟件具備代碼自動生成和事件處理引擎技術(shù),可實現(xiàn)模型的可執(zhí)行可驗證操作。利用軟件完成對裝備能力、外部接口、作戰(zhàn)流程、作戰(zhàn)狀態(tài)等模型化描述,通過代碼自動生成技術(shù),驗證模型的邏輯正確性;通過事件處理引擎,對時序圖中運用過程進行推演、對活動分支進行邏輯判斷、對狀態(tài)圖的遷移結(jié)果進行測試仿真,如對OV-6b、OV-6c等模型進行結(jié)構(gòu)對比和生成OV-6c動態(tài)時序圖完成體系結(jié)構(gòu)模型邏輯自洽性驗證,檢測體系結(jié)構(gòu)邏輯功能的一致性和完整性。

4 模型架構(gòu)快速組合、驗證和復(fù)用

基于作戰(zhàn)體系建模生成任務(wù)元模型,通過提取模型的特征數(shù)據(jù),構(gòu)建任務(wù)元模型庫,如圖15所示。對抗作戰(zhàn)中,戰(zhàn)場態(tài)勢快速變化,但對于不同的作戰(zhàn)任務(wù),可能有相同的作戰(zhàn)能力進行支撐,面向任務(wù)動態(tài)調(diào)整,梳理作戰(zhàn)流程,可以確定作戰(zhàn)活動與能力的匹配關(guān)系,后續(xù)可采用數(shù)據(jù)引用的方式,基于任務(wù)元模型庫選出任務(wù)相關(guān)作戰(zhàn)事件、活動、接口等任務(wù)要素,在作戰(zhàn)概念指導(dǎo)下快速構(gòu)建任務(wù)視圖模型,實現(xiàn)作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)快速集成。

圖15 任務(wù)元模型庫

DARPA為奪取未來空戰(zhàn)優(yōu)勢提出分布式空中作戰(zhàn)概念,如美軍“體系集成技術(shù)試驗”項目,旨在將高性能、高成本、多功能的有人戰(zhàn)機的各類空戰(zhàn)能力分解到大量低成本的自主無人機上,構(gòu)建由少量高性能有人機和大量自主無人機組成的作戰(zhàn)體系,希望以較低成本實現(xiàn)更高作戰(zhàn)優(yōu)勢[25]?，F(xiàn)有作戰(zhàn)場景:高性能戰(zhàn)斗機指揮控制4架無人機執(zhí)行空空作戰(zhàn),前端的兩架無人機對敵防空系統(tǒng)開展分布式電子攻擊,后端的兩架無人機進行偵察和打擊任務(wù)。針對該場景,在BVR超視距空戰(zhàn)生成的任務(wù)元模型庫中選出電子對抗任務(wù)要素賦予前端兩架無人機;提取雷達探測、目標識別和火力打擊任務(wù)要素賦予后端兩架無人機;提取超音速巡航、雷達探測、火力打擊和指揮控制等任務(wù)要素賦予戰(zhàn)斗機,完善作戰(zhàn)流程,并進行可執(zhí)行驗證,實現(xiàn)任務(wù)模型架構(gòu)快速構(gòu)建。

5 結(jié)束語

本文提出了一種在DoDAF2.0標準框架下,通過作戰(zhàn)概念建模、能力視圖建模和任務(wù)視圖建模,生成任務(wù)元模型的體系結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建方法,以包含典型空戰(zhàn)任務(wù)特征的BVR空戰(zhàn)為例,得到BVR空戰(zhàn)系統(tǒng)任務(wù)元模型,并生成任務(wù)元模型庫。該方法以模型驅(qū)動思想為指導(dǎo),能夠?qū)崿F(xiàn)作戰(zhàn)概念需求引導(dǎo)下作戰(zhàn)任務(wù)模型架構(gòu)的快速構(gòu)建,有效適應(yīng)戰(zhàn)場態(tài)勢變化和任務(wù)需求變化,減少重復(fù)性建模成本。