基于領(lǐng)域建模語言的作戰(zhàn)概念描述方法*

彭斯明，于芹章，李澤民

（軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院系統(tǒng)總體研究所，北京 100101）

0 引言

作戰(zhàn)概念是一個集軍事理論、軍事科技、軍事裝備等多要素為一體的復(fù)雜巨系統(tǒng)，為確保對作戰(zhàn)概念形成統(tǒng)一的理解和認識，需要不同領(lǐng)域研究人員，如作戰(zhàn)人員、頂層設(shè)計人員和裝備論證人員等，對作戰(zhàn)概念設(shè)計過程中的相關(guān)問題進行反復(fù)溝通和交流［1-2］。傳統(tǒng)基于文本和基于圖形的作戰(zhàn)概念描述方法雖然人們較為熟悉，但往往還面臨修改和維護較為困難、無法進行動態(tài)邏輯分析和仿真驗證等問題?；谀Ｐ万?qū)動的體系結(jié)構(gòu)描述方法，通過采用標(biāo)準化建模語言、方法和工具軟件，支持采用形式化方法對系統(tǒng)全壽命周期的需求獲取、設(shè)計、分析，以及校驗和驗證活動進行建模，近年來正逐漸受到研究人員的關(guān)注［3］。

統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）和系統(tǒng)建模語言（System Modeling Language，SysML）是模型驅(qū)動的體系結(jié)構(gòu)描述中常用的建模語言，并且在軍事體系結(jié)構(gòu)和軍事概念模型描述中得到了較為廣泛的研究和應(yīng)用［4-6］。但作為一種通用建模語言，UML 主要針對軟件工程領(lǐng)域開發(fā)，其很多模型元素并不能較好地適用于其他領(lǐng)域建模。很多真實的系統(tǒng)都無法通過UML 進行建模，所以人們往往需要根據(jù)特定領(lǐng)域建立適合于該領(lǐng)域的建模語言，也即領(lǐng)域建模語言（Domain Specific Language，DSL），以便更好地對專業(yè)系統(tǒng)進行建模，促進不同專業(yè)背景項目成員之間的溝通交流［7-9］。SysML自帶的Profile 機制是一種實現(xiàn)SysML 輕量級擴展的方法，通過擴展已有的UML 和SysML 元模型，來適應(yīng)特定領(lǐng)域的建模需求。此外，使用這種方法創(chuàng)建的模型，可以被所有SysML 建模平臺理解和表示。本文以分布式殺傷作戰(zhàn)概念為研究背景，利用SysML Profile 擴展機制，對SysML 模型元素進行了擴展和定制，設(shè)計了適于作戰(zhàn)概念描述的領(lǐng)域建模語言，為有效提升不同背景研究人員之間的溝通交流提供了理論支撐。

1 分布式殺傷

1.1 概念背景

“分布式殺傷”作戰(zhàn)概念是2015 年1 月由美國海軍水面艦隊高層在一次研討會上正式提出，其旨在提成水面艦隊的殺傷力，部署大量可威脅敵方水面艦船、飛機或海岸設(shè)施的海軍艦船，為潛在敵人制造難以控制的瞄準問題［10］。該概念于2017 年被美國海軍正式確認為水面作戰(zhàn)部隊的行動和組織原則，圍繞分布式殺傷作戰(zhàn)概念，美軍也持續(xù)開展了大量深化研究。2019 年12 月，美國知名智庫——戰(zhàn)略預(yù)算與評估中心（CSBA）發(fā)布“重回海上——改造美國水面艦隊，實施以決策為中心的戰(zhàn)斗”，提出了分布式海上作戰(zhàn)（DMO），將分布式殺傷進一步拓展為海上方向聯(lián)合作戰(zhàn)概念［11］。因而，圍繞分布式殺傷作戰(zhàn)概念開展研究對于前瞻未來作戰(zhàn)樣式，牽引武器裝備發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。

1.2 概念內(nèi)涵

分布式殺傷主要是通過提升水面編隊各作戰(zhàn)單元的進攻力量來實現(xiàn)，并將它們以一種分散進攻的方式進行部署，也稱為“水面獵人”行動群（Hunter-killer SAG）。

該概念提出的主要想定是假設(shè)在2025 年，由一艘瀕海戰(zhàn)斗艦（Littoral Combat Ship，LCS）、一艘Flight III 阿利·伯克（Arleigh Burke）級驅(qū)逐艦、一艘朱姆沃特（Zumwalt）級驅(qū)逐艦組成的Hunter-killer SAG 被命令部署到一座小島附近進行守島作戰(zhàn)，其主要任務(wù)是對小島周邊的敵方水面、水下和海岸力量進行定位、瞄準，并最終將之消滅。該概念強調(diào)水面作戰(zhàn)編隊?wèi)?yīng)具備以下5 種能力：

1）對水面目標(biāo)打擊能力。通過加裝遠程反艦導(dǎo)彈（如LRSAM），可對敵方水面目標(biāo)，如水面艦艇編隊目標(biāo)進行打擊；

2）對陸打擊能力。為了有效達成戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)意圖，該概念要求水面編隊還應(yīng)具備一定的對陸打擊能力；

3）防空反導(dǎo)能力。為了提高生存能力，該概念要求水面編隊?wèi)?yīng)具備較強的防空反導(dǎo)能力，同時還能為其他作戰(zhàn)部隊提供空中支援和掩護；

4）戰(zhàn)場監(jiān)視能力。為了確保實時的戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力，該概念要求水面編隊?wèi)?yīng)能提供廣域的空中、海面和水下監(jiān)視能力；

5）反潛作戰(zhàn)能力。為了保證水下安全，該概念要求水面編隊具備定位并摧毀敵方潛艇威脅的能力。

2 領(lǐng)域建模語言

領(lǐng)域建模語言（DSL）是一種為解決特定領(lǐng)域問題而對某個特定領(lǐng)域概念進行抽象的專用語言，它使用該領(lǐng)域?qū)Ｓ械男g(shù)語對領(lǐng)域問題進行描述和驗證［7］。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：1）便于交流。領(lǐng)域建模語言使得建模人員和領(lǐng)域?qū)＜?，在對領(lǐng)域問題進行分析時有了一個共同語言，從而極大地方便了他們之間的交流；2）提高模型重用性。領(lǐng)域建模語言可以實現(xiàn)更高級別的抽象，能夠適應(yīng)整個領(lǐng)域，從而實現(xiàn)產(chǎn)品最大力度的重用；3）語義豐富。領(lǐng)域建模語言包含了領(lǐng)域知識和領(lǐng)域約束，從而使得模型的語義更加豐富。

SysML 是國際系統(tǒng)工程學(xué)會INCOSE 和對象管理組織OMG 為了滿足系統(tǒng)工程的實際需要，在對UML 的子集進行重用和擴展的基礎(chǔ)上，提出來的一種新的系統(tǒng)建模語言。作為系統(tǒng)工程領(lǐng)域標(biāo)準建模語言，SysML 支持對各種復(fù)雜系統(tǒng)進行詳細的說明、分析、設(shè)計以及驗證和確認［12-14］。

雖然利用SysML 創(chuàng)建的模型可以較好地表達系統(tǒng)的各個方面，但工程師往往需要專業(yè)的知識和技能來理解模型所包含的信息。因而使用標(biāo)準SysML 創(chuàng)建的模型在項目參與者之間只能共享有限的信息。為了將SysML 創(chuàng)建的模型更好的用于作戰(zhàn)概念描述，需要通過SysML 擴展來定制相應(yīng)的領(lǐng)域建模語言，以便不同背景研究人員可方便的通過模型進行交流。

利用SysML 的Profile 機制，擴展已有的UML和SysML 元模型，來適應(yīng)特定領(lǐng)域的建模需要，這種方法也被稱為SysML 的輕量級擴展。Profile 擴展機制主要包括3 條途徑，即：1）構(gòu)造型（Stereotypes），SysML 構(gòu)造型機制通過用新的屬性和約束來擴展現(xiàn)有的UML2 構(gòu)造型，從而定義新的建模元素；2）圖擴展（Diagram Extension），SysML 圖擴展通過定義新的圖表符號，用于補充從UML2 中重用的圖表符號；3）模型庫（Model Libraries），SysML 模型庫用于描述可供重用的專用模型元素。本文主要采用第1 種方法進行設(shè)計。

3 分布式殺傷作戰(zhàn)概念描述

結(jié)合分布式殺傷作戰(zhàn)概念內(nèi)涵特點，利用SysML 的Profile 擴展機制，設(shè)計相應(yīng)的元模型，采用需求圖、用例圖、塊定義圖、活動圖、狀態(tài)圖、時序圖等，對分布式殺傷作戰(zhàn)概念的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為進行分析和描述。

3.1 需求分析

根據(jù)分布式殺傷的提出背景和內(nèi)涵特點，其軍事需求主要可以分為4 類，即抗擊對手的A2/AD 能力、進攻能力、平臺效能最大化以及靈活的戰(zhàn)術(shù)。其中，抗A2/AD 能力又可進一步派生出戰(zhàn)場支配能力、戰(zhàn)場生存能力、水面控制能力、戰(zhàn)場投送能力、主戰(zhàn)能力、補給能力和國家戰(zhàn)略需求能力等能力需求；平臺效能最大化可派生出水面作戰(zhàn)編隊小型化需求；戰(zhàn)術(shù)靈活可進一步派生出作戰(zhàn)要素分散、壓制對手、提升作戰(zhàn)優(yōu)勢和使對手的瞄準更為復(fù)雜等戰(zhàn)術(shù)。SysML 需求圖能夠描述需求和需求之間以及需求和其他建模元素之間的關(guān)系。SysML 用《Requirement》說明需求，其有兩個屬性，即text 和id，前者是需求的文本描述，后者是需求的標(biāo)識符。用戶可以定義需求的子類，如功能需求、性能需求等。使用導(dǎo)出關(guān)系《derive》表示一個需求可以從另一個需求產(chǎn)生或?qū)С?。為此，基于分布式殺傷作?zhàn)需求特點，擴展并導(dǎo)出了能力（Capacity）、戰(zhàn)略（Strategy）、戰(zhàn)術(shù)（Doctrine）等3 類需求元模型，實現(xiàn)對分布式殺傷軍事需求的描述，其需求圖如下頁圖1 所示。

圖1 分布式殺傷需求圖

3.2 功能要素分析

主要是采用SysML 用例圖對分布式殺傷的功能要素進行分析，用例圖是系統(tǒng)的一種黑盒視圖，它描述了外部參與者對系統(tǒng)的使用，并通過系統(tǒng)向參與者提供一系列服務(wù)來實現(xiàn)。用例圖包括用例、參與者以及他們之間的通訊。用例之間的關(guān)系有包含關(guān)系（include）、擴展關(guān)系（extend）和泛化關(guān)系（generalization）。使用用例圖可以顯示系統(tǒng)的各類元素及其關(guān)系，以描述系統(tǒng)提供的功能，以及需要服務(wù)的利益相關(guān)者信息。根據(jù)分布式殺傷作戰(zhàn)概念內(nèi)涵，以Hunter-killer SAG 水面編隊為例，體系的外部參與者主要是指揮官（下達作戰(zhàn)指令）和敵方作戰(zhàn)兵力（作戰(zhàn)對象），包括敵水面編隊、地面/部隊、潛艇、飛機及導(dǎo)彈等。體系內(nèi)部主要包括執(zhí)行打擊水面目標(biāo)、打擊陸上目標(biāo)、打擊水下目標(biāo)、攔截空中來襲飛機/導(dǎo)彈、戰(zhàn)場偵察監(jiān)視等功能，其用例圖如圖2 所示。

圖2 分布式殺傷功能要素分析

3.3 體系結(jié)構(gòu)分析

主要是對分布式殺傷作戰(zhàn)概念的武器裝備體系結(jié)構(gòu)進行分析。以分布式殺傷典型水面編隊Hunter-killer SAG 為例，其典型裝備配置包括1 艘瀕海戰(zhàn)斗艦、1 艘伯克級驅(qū)逐艦和1 艘朱姆沃特級驅(qū)逐艦，這些作戰(zhàn)單元均可獨立或聯(lián)合遂行防空作戰(zhàn)、反導(dǎo)作戰(zhàn)、反艦作戰(zhàn)、反潛作戰(zhàn)、對陸打擊等任務(wù)。此外，以伯克級驅(qū)逐艦為例，它主要由艦載雷達、魚雷、艦炮、導(dǎo)彈等武器和飛行器等裝備構(gòu)成，根據(jù)分布式殺傷作戰(zhàn)概念任務(wù)要求，伯克級驅(qū)逐艦主要裝配SM-6 和LRSAM 等武器，以及MH-60R反潛直升機。在SysML 中，塊（Block）被定義為系統(tǒng)描述的建模單元，是被描述系統(tǒng)的特征幾何，包括了被描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征和行為特征，如屬性和操作等。SysML 塊定義圖（Block Definition Diagram，BDD）定義了塊的特征即塊之間的關(guān)系，如關(guān)聯(lián)、泛化以及依賴等。使用SysML 塊定義圖能夠?qū)M成以及各組成要素的屬性、功能、接口等進行定義，并確定各組成部分之間的相互關(guān)系。為此，利用SysML的構(gòu)造型功能，并結(jié)合分布式殺傷作戰(zhàn)體系的結(jié)構(gòu)和要素特點，設(shè)計了武器裝備體系（EquipmentSoS）、武器裝備（Equipment）、傳感器（Sensors）、武器（Weapon）等4 個類元模型。其中，武器裝備體系主要是指為完成特定的作戰(zhàn)使命，由功能上相互聯(lián)系、相互作用的各軍兵種所屬不同的武器作戰(zhàn)實體，在聯(lián)合指揮控制和聯(lián)合保障下綜合集成的大系統(tǒng)，如本文中Hunter-killer SAG 可視為一類武器裝備體系；武器裝備是指用于作戰(zhàn)和保障作戰(zhàn)及其他軍事行動的武器、武器系統(tǒng)、電子信息系統(tǒng)等的統(tǒng)稱，如飛機、艦艇等；傳感器主要是指信息檢測裝置，如雷達等；武器通常是武器裝備的一部分，用來攻擊、威脅或防御的工具，如防空導(dǎo)彈、艦炮等?；诖?，其相應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)描述如下頁圖3～圖4 所示。

圖3 Hunter-killer SAG 水面作戰(zhàn)群裝備體系構(gòu)成

圖4 伯克級驅(qū)逐艦系統(tǒng)構(gòu)成

3.4 作戰(zhàn)活動及流程分析

根據(jù)分布式殺傷作戰(zhàn)概念，其典型水面編隊Hunter-killer SAG 的作戰(zhàn)行動主要包括以下幾個步驟：

1）朱姆沃特級驅(qū)逐艦派出1 架MQ-8 無人機對小島周邊敵情進行偵察；

2）MQ-8 無人機發(fā)現(xiàn)敵方水面編隊，將目標(biāo)信息回傳給Hunter-killer SAG 水面編隊；

3）Hunter-killer SAG 水面編隊接收到MQ-8 回傳目標(biāo)信息后，命令編隊中的瀕海戰(zhàn)斗艦、伯克級驅(qū)逐艦和朱姆沃特級驅(qū)逐艦，采用遠程反艦導(dǎo)彈（LRSAM）對敵方水面艦艇編隊進行打擊；

4）伯克級驅(qū)逐艦派出MH-60R 海馬直升機對敵方潛艇進行搜索；

5）Hunter-killer SAG 水面編隊利用其防空反導(dǎo)雷達對編隊上空區(qū)域，進行持續(xù)偵察和監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)敵方來襲反艦導(dǎo)彈后，發(fā)射SM-6 防空導(dǎo)彈對來襲導(dǎo)彈進行攔截；

6）MH-60R 反潛直升機發(fā)現(xiàn)敵方潛艇，并將潛艇定位信息發(fā)送給Hunter-killer SAG 水面編隊；

7）Hunter-killer SAG 水面編隊接收到MH-60R回傳的潛艇目標(biāo)信息后，命令伯克級驅(qū)逐艦發(fā)射魚雷，對敵方潛艇進行打擊；

8）MQ-8 無人機發(fā)現(xiàn)敵方登島部隊，將偵察信息回傳給Hunter-killer SAG 水面編隊；

9）Hunter-killer SAG 水面編隊收到MQ-8 回傳的敵方信息后，命令瀕海戰(zhàn)斗艦用艦炮對敵方登島部隊進行打擊。

SysML 活動圖和時序圖是系統(tǒng)的一種動態(tài)視圖，說明隨著時間的推移，系統(tǒng)行為和事件的發(fā)生序列的優(yōu)點能很好地表達系統(tǒng)各種復(fù)雜的行為活動，且可讀性強。時序圖和活動圖一樣，也表達了系統(tǒng)的一種動態(tài)視圖，這種視圖說明了隨著時間的推移而發(fā)生的行為和事件的序列，它是對行為的精確說明，適合用在詳細設(shè)計方面，表達系統(tǒng)之間的交互行為。

圖5 為根據(jù)Hunter-killer SAG 水面編隊的作戰(zhàn)想定分析得到的活動圖，其中，活動圖采用了泳道圖的形式，以便清晰地展現(xiàn)作戰(zhàn)過程中濱海戰(zhàn)斗艦、伯克級驅(qū)逐艦、朱姆沃特級驅(qū)逐艦等3 個對象之間的活動順序及交互關(guān)系。圖6 為以伯克級驅(qū)逐艦為例，對分布式殺傷作戰(zhàn)過程中其狀態(tài)轉(zhuǎn)換進行分析得到的狀態(tài)圖。其中，作戰(zhàn)過程狀態(tài)又可進一步分為兩個并發(fā)狀態(tài)，即防空反導(dǎo)作戰(zhàn)和反潛作戰(zhàn)，表示這兩種作戰(zhàn)狀態(tài)彼此獨立?；顒拥姆謱用枋鍪荢ysML 活動圖在表達能力上的一大優(yōu)勢，通過活動的分層描述，能把復(fù)雜的行為過程簡單化，從而達到增進理解的效果。圖7 為Hunter-killer SAG水面編隊的作戰(zhàn)時序圖，其主要給出了分布式殺傷作戰(zhàn)樣式中，涉及的幾類主要裝備，即朱姆沃特級驅(qū)逐艦、伯克級驅(qū)逐艦、濱海戰(zhàn)斗艦、MQ-8 無人偵察機和MH-60R 反潛直升機之間的信息傳遞時序關(guān)系，以及彼此之間的信息交換過程。通過將所構(gòu)建模型編譯運行得到的時序圖仿真結(jié)果和圖7 進行對比，可對模型的準確性進行驗證。

圖5 Hunter-killer SAG 水面編隊作戰(zhàn)活動圖

圖6 伯克級驅(qū)逐艦作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

圖7 Hunter-killer SAG 水面編隊作戰(zhàn)時序圖

4 結(jié)論

本文研究了基于領(lǐng)域建模語言的作戰(zhàn)概念形式化描述方法。文中模型都是基于IBM Rhapsody 平臺開發(fā)，該平臺的實時語法約束驗證功能為產(chǎn)品語法正確性提供了保證。通過對作戰(zhàn)概念相關(guān)要素進行分析和抽象，并利用SysML 的Profile 擴展機制設(shè)計對應(yīng)的領(lǐng)域元模型，對分布式殺傷作戰(zhàn)概念的軍事需求、功能要素、體系結(jié)構(gòu)和作戰(zhàn)活動及流程等進行了描述。本文對作戰(zhàn)概念的建模仿真及評估分析具有一定的借鑒作用，為下一步開發(fā)作戰(zhàn)概念演示驗證評估系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。同時，對于促進作戰(zhàn)概念研究過程中，不同領(lǐng)域研究人員之間的溝通交流，有效縮短作戰(zhàn)概念設(shè)計開發(fā)周期，具有一定的指導(dǎo)作用。