基于因果關系回溯的兵棋系統(tǒng)OODA環(huán)提取方法

楊國強,張 昱

(軍事科學院戰(zhàn)爭研究院,北京 100091)

1 引言

美國陸軍上校約翰·博伊德提出的OODA(Observe Orient Decide Act)環(huán)[1,2]是對體系作戰(zhàn)行動整個過程的一種高度抽象,能較為清晰地描述整個體系作戰(zhàn)行動的全過程:“觀察(O)—判斷(O)—決策(D)—行動(A)”。觀察,就是運用各種探測手段進行目標情報收集,包括目標位置信息、目標狀態(tài)信息等;判斷,就是對收集的情報信息進行融合及分析,判明情報的真?zhèn)?研判當前形勢,分析目標意圖和威脅程度;決策,即基于當前形勢定下決心,制定行動計劃和任務方案;行動,即根據(jù)決策采取相應的行動。通過OODA環(huán)可以將各種作戰(zhàn)力量按照作戰(zhàn)流程進行整合,形成完整的作戰(zhàn)體系[3,4]。美軍提出的馬賽克戰(zhàn)概念[5,6]中,進一步將OODA功能分散到大量簡單功能單元,并根據(jù)軍事行動的類型和任務需要動態(tài)組合成OODA環(huán)和殺傷鏈,實現(xiàn)集群分布式協(xié)同感知、分布式智能決策和分布式火力打擊[7,8]。

隨著計算機技術的發(fā)展,基于計算機模擬的兵棋系統(tǒng)成為研究戰(zhàn)爭的重要手段[9,10]。兵棋系統(tǒng)對戰(zhàn)爭環(huán)境和戰(zhàn)爭過程進行模擬,可用于戰(zhàn)爭分析、戰(zhàn)爭人員訓練、戰(zhàn)爭所需武器裝備的采辦和研制等[11]。

兵棋系統(tǒng)在運行過程中將模擬結(jié)果數(shù)據(jù)等寫入文件或數(shù)據(jù)庫,其中與OODA環(huán)相關的數(shù)據(jù)通常僅包含單個仿真事件信息如探測事件、毀傷事件等,并沒有包含仿真事件之間的關聯(lián)信息如事件之間的因果關系。如果能夠從仿真事件中分析出事件間的因果關系,從而提取作戰(zhàn)過程中形成的OODA環(huán),將對作戰(zhàn)過程理解有很大幫助。

2 OODA事件與因果鏈

一次作戰(zhàn)行動通常由多個作戰(zhàn)實體協(xié)作完成。如圖1所示為一個典型防空反導作戰(zhàn)體系,T是目標實體,可能為敵方飛機或?qū)?S1和S2是具有探測功能實體,如預警雷達,S1同時具有情報融合功能;D是具有決策功能實體,如區(qū)域防空指揮中心;A是可以進行作戰(zhàn)行動的實體,如地空導彈發(fā)射架、機場或飛機。S2探測到目標T后,將關于目標T的情報信息通過通信鏈路發(fā)送給情報融合中心S1;S1自身也有傳感器探測到目標T從而生成目標T的情報信息;S1將多個來源的關于目標T的情報信息進行融合后得到融合情報信息,并通過通信鏈路發(fā)送給決策中心D;決策中心D收到融合情報信息后進行決策,制定行動計劃,并向A下達攻擊T的指控命令;A收到指控命令后對T采取作戰(zhàn)行動。這樣的協(xié)同作戰(zhàn)過程可以抽象為一個OODA環(huán),不同的作戰(zhàn)實體在OODA環(huán)的不同階段完成不同的作戰(zhàn)任務,并協(xié)同完成一次作戰(zhàn)行動。

圖1 OODA環(huán)示例

一個OODA環(huán)實際上由一系列事件組成,稱為OODA事件。如圖1中OODA環(huán)的事件包括:“S2探測到T”事件,“S2將對T的情報信息發(fā)送給S1”事件,“S1將對T的融合后情報信息發(fā)送給D”事件,“D向A1下達攻擊T命令”事件等。

一個OODA事件具有兩個或三個相關實體,如“S2探測到T”事件有兩個相關實體S2和T,而“S2將對T的情報信息發(fā)送給S1”事件則有三個相關實體S2、S1和T。在OODA事件的相關實體中必然有一個敵方實體,稱為事件的目標實體;有三個相關實體的事件中有兩個我方相關實體,分別稱為事件的源實體和對象實體,情報或指控信息從源實體流向?qū)ο髮嶓w;有兩個相關實體的事件中只有一個我方實體,稱為源實體。如“S2將對T的探測信息發(fā)送給S1”事件中,T是目標實體,S2是源實體,S1是對象實體。

因此,一個OODA事件的要素包括:發(fā)生時間M,事件類型S,目標實體T,源實體A,對象實體B。其中事件類型決定了該事件具有兩個還是三個相關實體。相關實體數(shù)為三個的事件有對象實體,而相關實體數(shù)為兩個的事件沒有對象實體。

以典型防空反導體系為例,涉及到的OODA事件按類型可分為(設事件的目標實體為T,源實體為A,對象實體為B):

● 探測到目標事件:實體A探測到了敵方實體T;

● 新建情報信息事件:實體A新建了關于敵方實體T的情報信息;

● 更新情報信息事件:實體A更新了關于敵方實體T的情報信息;

● 網(wǎng)絡發(fā)送情報信息事件:實體A通過網(wǎng)絡向?qū)嶓wB發(fā)送敵方實體T的情報信息信息;

● 被識別為威脅事件:實體A收到敵方實體T的情報信息后將實體T識別為威脅;

● 指定作戰(zhàn)目標事件:上級指揮實體A命令下級指揮實體B將敵方實體T作為作戰(zhàn)目標;

● 設定作戰(zhàn)目標事件:實體A將敵方實體T作為作戰(zhàn)目標;

● 交戰(zhàn)事件:實體A與敵方實體T進入交戰(zhàn)狀態(tài);

● 飛機起飛事件:飛機實體B從機場實體A起飛攻擊敵方實體T;

● 導彈發(fā)射事件:導彈發(fā)射實體A向敵方實體T發(fā)射導彈B;

● 實體被摧毀事件:實體A摧毀了敵方實體T;

● 導彈命中目標事件:導彈A命中了敵方實體T;

● 導彈爆炸事件:導彈A在向敵方實體T飛行過程中爆炸(原因可能是:命中、未命中、被攔截、故障等);

上述OODA事件的相關實體數(shù)為兩個或三個,其中導彈發(fā)射事件、飛機起飛事件、指定作戰(zhàn)目標事件、網(wǎng)絡發(fā)送情報信息事件的相關實體數(shù)為三個,其它類型的事件的相關實體數(shù)為兩個。

每個OODA事件類型對應OODA環(huán)的不同階段。Observe階段發(fā)生的事件包括:探測到目標事件;Orient階段發(fā)生的事件類型包括:網(wǎng)絡發(fā)送情報信息事件,新建情報信息事件,更新情報信息事件;Decide階段發(fā)生的事件類型包括:指定作戰(zhàn)目標事件,被識別為威脅事件;Act階段發(fā)生的事件類型包括:實體被摧毀事件,導彈命中目標事件,導彈爆炸事件,交戰(zhàn)事件,設定作戰(zhàn)目標事件,飛機起飛事件,導彈發(fā)射事件。

3 OODA事件的因果關系

OODA事件之間并不是孤立的,而是具有一定的因果關系。如果事件E2發(fā)生在事件E1之后,且事件E1是事件E2發(fā)生的必要條件,則事件E1與事件E2具有因果關系,事件E1是原因事件而事件E2是結(jié)果事件。

如圖1中兩個事件:“S2探測到T”事件E1和“S2將對T的探測信息發(fā)送給S1”事件E2,如果事件E1沒有發(fā)生則事件E2也不會發(fā)生,即事件E1是事件E2發(fā)生的必要條件,因此事件E1與事件E2具有因果關系。

OODA事件的類型決定了其原因事件可能有哪些類型。以典型防空反導體系為例,分析各類型事件可以得到各類型事件可能的原因事件類型:

● 實體被摧毀事件的原因事件類型包括:交戰(zhàn)事件,導彈命中目標事件;

● 導彈命中目標事件的原因事件類型包括:導彈爆炸事件,導彈發(fā)射事件;

● 導彈爆炸事件的原因事件類型包括:導彈發(fā)射事件;

● 導彈發(fā)射事件的原因事件類型包括:設定作戰(zhàn)目標事件,指定作戰(zhàn)目標事件,被識別為威脅事件;

● 飛機起飛事件的原因事件類型包括:設定作戰(zhàn)目標事件,指定作戰(zhàn)目標事件,被識別為威脅事件;

● 交戰(zhàn)事件的原因事件類型包括:交戰(zhàn)事件,飛機起飛事件,設定作戰(zhàn)目標事件,指定作戰(zhàn)目標事件,被識別為威脅事件,新建情報信息事件,更新情報信息事件;

● 設定作戰(zhàn)目標事件的原因事件類型包括:指定作戰(zhàn)目標事件,飛機起飛事件,被識別為威脅事件,新建情報信息事件,更新情報信息事件,網(wǎng)絡發(fā)送情報信息事件;

● 指定作戰(zhàn)目標事件的原因事件類型包括:指定作戰(zhàn)目標事件,設定作戰(zhàn)目標事件,被識別為威脅事件,新建情報信息事件,更新情報信息事件,網(wǎng)絡發(fā)送情報信息事件;

● 被識別為威脅事件的原因事件類型包括:新建情報信息事件,更新情報信息事件;

● 新建情報信息事件事件的原因事件類型包括:更新情報信息事件,探測到目標事件;

● 更新情報信息事件的原因事件類型包括:新建情報信息事件,更新情報信息事件,網(wǎng)絡發(fā)送情報信息事件,探測到目標事件;

● 網(wǎng)絡發(fā)送情報信息事件的原因事件類型包括:新建情報信息事件,更新情報信息事件,網(wǎng)絡發(fā)送情報信息事件,探測到目標事件;

● 探測到目標事件沒有原因事件類型。

各種事件類型之間的因果關系圖如圖2所示,圖中箭頭方向為從原因事件類型指向結(jié)果事件類型。

圖2 事件類型間因果關系圖

根據(jù)OODA事件因果關系定義,對于兩個OODA事件E1和E2,設其類型分別為S1和S2,發(fā)生時間分別為M1和M2,目標實體分別為T1和T2,源實體分別為A1和A2,對象實體分別為B1和B2。則E1是E2的原因事件的必要條件包括四條:

● M1

● 事件類型S1是事件類型S2的原因事件類型;

● T1和T2必須是同一個實體,即事件E1的目標實體與事件E2的目標實體相同;

● 如果E1的相關實體有三個,則B1和A2必須為同一個實體,即事件E1的對象實體必須與事件E2的源實體相同;如果E1的相關實體有兩個,則A1和A2必須為同一個實體,即事件E1的源實體必須與事件E2的源實體相同。

即事件E1必須要滿足上述時間、類型和相關實體約束條件,才可能是事件E2的原因事件。

具有因果關系的多個OODA事件構(gòu)成一個OODA事件因果鏈。例如,若事件E1為事件E2的原因事件,事件E2為事件E3的原因事件,則E1-E2-E3構(gòu)成一條OODA事件因果鏈。一個OODA環(huán)對應一條OODA事件因果鏈,然而并不是每個OODA事件因果鏈都對應一個OODA環(huán)。以圖1中作戰(zhàn)過程為例,假設發(fā)生了“S2探測到T”事件E1,“S2將對T的情報信息發(fā)送給S1”事件E2,“S1將對T的融合后情報信息發(fā)送給D”事件E3,而決策節(jié)點D判斷目標節(jié)點T不構(gòu)成威脅,并沒有向A下達攻擊T命令,則E1、E2、E3構(gòu)成了一個OODA事件因果鏈,但因為缺少Action階段事件,因此并沒有構(gòu)成一個完整的OODA環(huán)。

4 OODA環(huán)提取方法

兵棋系統(tǒng)在運行過程中會將模擬結(jié)果數(shù)據(jù)等寫入文件或數(shù)據(jù)庫,從中可以提取出各OODA事件的發(fā)生時間、事件類型、源實體、目標實體等信息,而OODA事件之間的因果關系及OODA環(huán)則不能從事件數(shù)據(jù)中直接獲得。

實際上,基于上一節(jié)中分析得到的OODA事件間因果關系的必要條件,對于每個事件E,可以通過回溯遍歷所有仿真事件尋找滿足四個約束條件的事件,從而得到事件E可能的原因事件。通過回溯遍歷尋找每個OODA事件的原因事件的過程如下:

設仿真事件E的發(fā)生時間為M,事件類型為S,源實體為A,目標實體為T;設事件類型S的原因事件類型為S1,S2,…,Sn;

對于每個原因事件類型Si(i=1,2…,n):若Si的相關實體數(shù)為2,則從所有仿真事件中尋找發(fā)生時間早于M,目標實體為T,且源實體為實體A的Si類型的事件E2;若Si的相關實體數(shù)為3,則從所有仿真事件中尋找發(fā)生時間早于M,且對象實體為實體A的Si類型的事件E2;將找到的事件E2放入事件E的原因事件集合。

一個事件的原因事件可能有多個,例如:導彈A命中目標T事件,原因事件可能有導彈A爆炸事件和實體B向目標T發(fā)射導彈A事件。通常只需要尋找一個原因事件即可,因為各原因事件之間也存在因果關系,例如:在上述兩個原因事件中,實體B向目標T發(fā)射導彈A事件是導彈A爆炸事件的原因事件。因此,在搜尋原因事件的過程中應優(yōu)先尋找最直接的原因事件類型,例如:上述兩個原因事件類型中,應優(yōu)先搜索導彈爆炸事件,若沒有搜索到導彈爆炸事件再搜索發(fā)射導彈事件。

在找到每個OODA事件的原因事件之后,就可以進一步根據(jù)事件之間的因果關系得到所有的OODA事件因果鏈。

由于只有探測到目標事件類型沒有原因事件類型,因此OODA事件因果鏈的第一個事件都是探測到目標事件。從一個探測到目標事件E1出發(fā),尋找原因事件集合中有E1的事件E2,原因事件集合中有E2的事件E3,……,直到找到事件En,沒有任何事件的原因事件集合中存在En,即En沒有結(jié)果事件,這樣就找到了一條OODA因果鏈:E1-E2-……-En。

重復上述過程即可找到所有的OODA因果鏈。由于并不是每條OODA事件因果鏈都對應一個OODA環(huán),需要對OODA事件因果鏈中所有事件的事件類型進行統(tǒng)計,判斷其包含哪些階段的事件,只有當其包含Observe、Orient、Decision、Action四個階段的事件才認為其構(gòu)成了一個完整的OODA環(huán)。

5 總結(jié)

本文介紹了一種基于因果關系回溯的兵棋系統(tǒng)OODA環(huán)提取方法,將兵棋系統(tǒng)輸出的各種OODA事件進行詳細分類,并對各類型事件間的因果關系進行深入分析;在此基礎上根據(jù)事件間因果關系的必要條件回溯尋找事件的原因事件,構(gòu)建OODA事件因果鏈,并進一步篩選出完整的OODA環(huán)。基于該方法,我們針對現(xiàn)有兵棋系統(tǒng)的輸出,設計并實現(xiàn)了兩個OODA環(huán)的可視化分析工具:基于事件的OODA環(huán)回溯分析工具、基于實體的OODA環(huán)回溯分析工具,對兵棋系統(tǒng)使用人員深入理解體系作戰(zhàn)運行機理提供了很大幫助。