反導作戰預案形式化建模研究*

范海雄，劉付顯，鄒志剛

(空軍工程大學防空反導學院，陜西西安 710051)

0 引言

彈道導彈憑借其高速運動特性，對防御它的武器系統在作戰決策的實時性和準確性方面提出了很大的挑戰。但由于彈道導彈整個飛行過程具有相對固定彈道，保衛目標和防御資源部署有重點、有選擇等特性，使得通過戰前作戰預案制定和戰時預案應用等環節，來提高決策的實時性和準確性成為一種有效的解決策略［1-2］。該策略中作戰預案是問題解決的關鍵和首要條件。近年來，針對軍事領域作戰計劃(或方案)形式化建模和描述的研究，主要涉及海上編隊作戰［3］、作戰工程保障［4］、聯合作戰計劃［5］和空軍進攻作戰計劃［6］等領域，應用的建模方法和語言主要包括XML(extensible markup language)［6］，SysML(systems modeling language)［7］和UML(united modeling language)［8］等。

但目前專門針對反導作戰預案形式化建模的研究還很少，且現有文獻資料都將建模和驗模作為相互獨立的環節，忽略了建模過程中模型驗證的必要性和實際意義。本文以反導作戰預案形式化建模的軍事需求為牽引，在分析反導作戰預案關鍵要素的基礎上，結合系統建模語言(SysML)［9-10］，OWL_DL(web ontology language_description logic)［11］和基于案例標記語言(case-basedmarkuplanguage，CBML)［12］等形式化建模語言和工具，研究了反導作戰預案形式化建模方法和模型一致性驗證環節。

1 反導作戰預案形式化描述方法

1.1 現有方法問題分析

根據所研究的作戰領域不同，現有文獻資料對作戰計劃和案例提出了相應的形式化建模的流程及方法，但這些方法尚存在如下問題:

(1)均以非完全形式化語言為建?；A和描述工具，由于其缺乏精確的形式語義，所建模型各視圖間容易產生不一致性和冗余性［13］。

(2)作戰計劃和方案涉及因素種類眾多、關系復雜，對其建模是一項系統的工作，模型中存在的問題完全靠系統工程師來發現和解決是一項不現實的工作［14］。且現有方法都將建模和驗模相互分離，這無形中增加了建模和驗模人員間的溝通環節，增加了模型構建的時間，降低了建模的效率。

1.2 具有模型驗證環節的建模方法設計

針對現有方法的不足，本文在分析總結現有形式化建模語言的基礎上，采用SysML和CBML建模語言，并充分利用OWL_DL語言語義表達和邏輯推理能力，提出了一種具有模型一致性驗證環節的預案形式化建模方法，其流程如圖1所示，具體包括以下步驟:

圖1 反導作戰預案形式化建模流程Fig.1 Antimissile preparative solution formal modeling flow

(1)預案概念因素分析

從分析反導作戰預案的應用流程出發，研究反導作戰預案的關鍵要素，提煉與反導作戰預案相關的重要軍事概念，為下一步進行反導作戰預案概念層建模奠定物質基礎。

(2)基于SysML的概念層建模

以SysML為建模工具，在定義預案概念及要素向SysML模型轉化規則的基礎上，構建反導作戰預案概念的定義塊圖，界定各要素間關系，并確定要素所涉及的數據類型。

(3)基于OWL_DL本體的概念模型驗證

以OWL_DL為本體描述語言，根據所給出的SysML塊定義圖向描述邏輯轉化的映射規則，構建反導作戰預案概念本體模型，并應用本體推理機進行概念一致性驗證。若模型不完善，則返回(2)修改概念模型;若完善，則進入下一建模環節。

(4)基于CBML的預案邏輯層和物理層建模

以CBML為預案數據形式化表達的指導，在定義SysML向XML Schema轉化的影射規則的基礎上，構建反導作戰預案的XML Schema文件，并以模式文檔結構為依據，生成反導作戰預案形式化內容文檔。

2 反導作戰預案分析

2.1 反導作戰預案及其應用過程

定義1 反導作戰預案是指通過場景設定、初步方案設計、仿真驗證和評估優化等環節得到，以傳感器任務規劃和火力任務規劃決策子方案為核心內容，為反導作戰提供決策支持的關于反導作戰行動實施的具體設想。

在實時反導作戰中，作戰管理系統依據來自預警衛星和遠程預警雷達等預警裝備的前期預警信息，確定彈道目標的種類、數量、運動軌跡和預測落點等目標特性，并根據這些信息和上級任務信息，在預案庫中迅速進行預案匹配。在得到最相似預案的情況下，通過案例修改環節得到最終的作戰方案;若沒有對應預案，則通過快速實時規劃和修改得到最終作戰方案，其具體應用流程如圖2所示。

圖2 反導作戰預案應用過程Fig.2 Antimissile preparative solution using process

2.2 反導作戰預案要素分析

作為實際行動的具體設想，反導作戰預案與其他作戰方案和作戰計劃相比，其更加注重對于來襲目標、上級任務、傳感器和火力單元決策規劃等要素的描述，主要包括如下幾個方面:

(1)預案說明(Case_Annotation)

主要包括預案的編號、名稱、類型、制定的時間和單位等說明，以此區別不同的預案，便于案例的應用。

(2)上級任務(Superior_Tasks)

主要包括需要防御的重要點目標和區域目標的編號、主要威脅方向和防御等級等，用于描述反導作戰預案需要完成的上級指定任務。

(3)來襲目標(Attack_Objectives)

主要包括目標編號、類型和目標特性等的描述，其中，目標特性涉及發射點、預測落點、再入角、末速度、誘餌類型、突防和干擾方式等。

(4)作戰實體(Combat_Entities)

分為傳感器(制導雷達和預警雷達等)和火力單元(高低2層攔截武器系統)2個子類，主要包括實體的編號、類型，部署情況、戰備狀態、實體關系(指揮、控制和通信等)、組織編成和戰技指標(制導精度、殺傷概率、高低界、遠近界、轉火時間、發射間隔)等。

(5)預期效果(Expectant_Effect)

用于描述預案能夠達到效果的期望結果，主要包括攔截概率和探測概率。

(6)傳感器規劃(Sensor_Programme)

是指根據作戰任務、資源條件和規劃原則，對參與反導作戰傳感器實體的各任務環節進行決策優化，并輸出最優傳感器任務序列。主要包括傳感器的部署、協同目標探測跟蹤(探測時間、空間和協同原則)、協同識別(識別時機和融合方法)、制導引導方式以及與其他實體的交互關系等。

(7)火力規劃(Firepower_Programme)

是指對反導作戰火力單元實體的各任務環節進行決策優化，并輸出最優火力攔截任務序列。主要包括火力單元部署、攔截策略、攔截方法(如:評估后攔截、邊評估邊攔截、下放攔截等)、目標分配(攔截時機、火力/目標編號等)、發射決策(包括發射方式、干預方式等)以及各單元之間組織交互關系等。

(8)最終效果(Effectivenss_Describe)

描述作戰預案結果和實際效能(傳感器協同效能和火力單元攔截效能)等。

3 反導作戰預案形式化描述

3.1 基于SysML的案例概念層建模

從預案匹配和修改等具體流程看，反導作戰預案應用類似于基于案例推理(case-based reasoning，CBR)中案例的應用過程。在CBR中案例的表示一般分為案例情景、解決方案和方案結果描述三大部分［15］。借鑒CBR系統中案例表達的方法，結合反導預案要素的特點，將整個反導作戰預案的結構概括為:①預案注釋(即預案說明);②預案情景描述(包括上級任務、來襲目標、預期結果和作戰實體);③預案解決策略描述(包括火力任務規劃和傳感器任務規劃方案);④預案結果描述(即最終結果描述)。

為在SysML塊定義圖中正確表達反導作戰預案的要素及其關系，需要建立要素和塊定義圖元素之間的對應關系。本文定義并采用表1的對應規則，將反導作戰要素在SysML塊定義圖中進行描述，其具體如圖3所示。

3.2 基于OWL_DL的概念層模型驗證

在建立反導作戰預案SysML塊定義圖模型的基礎上，針對SysML作為一種半形式化建模語言，沒有精確的形式化語義，使所建模型中容易產生不一致性的缺點，本文采用OWL_DL語言建立反導作戰預案概念的本體模型，并進行模型的語義一致性驗證，其中，SysML塊定義圖向OWL_DL本體模型轉化的規則如表2所示。

表1 反導作戰預案要素和SysML塊定義圖的對應規則Table 1 Corresponding rules of solution elements and SysML blocks

圖3 基于SysML塊定義圖的反導作戰預案描述Fig.3 Antimissile preparative solution description based on SysML block

為說明基于OWL_DL的概念模型驗證方法的有效性，以反導作戰預案中攔截打擊系統和來襲目標相互關系的塊定義圖為例?，F假設兩者的關系如圖4所示，其中攔截打擊系統和來襲目標各含有2個泛化關系。

圖4所示的關系結構可用OWL_DL語言描述為:

High_Level_Anti-Missile_System?Interceptor_Kill_System

圖4 攔截系打擊系統和來襲目標的相互關系Fig.4 Relation between anti-missile system and attack target

Low_Level_Anti-Missile_System?Interceptor_Kill_System

TBM?Attack_Objective

Aerodynamics_Objective?Attack_Objective

High_Level_Anti-Missile_System≡{Interceptor_Kill_System∩?intercept.TBM}

Low_Level_Anti-Missile_System≡{Interceptor_Kill_System∩?intercept.(Aerodynamics_Objective∪TBM)}

表2 SysML塊定義圖向OWL_DL本體轉換的映射規則Table 2 Corresponding rules of SysML blocks and OWL_DL ontology SysML

對上述關系應用Racer推理機自帶一致性驗證模式進行驗證，推理后彈出如圖5所示提示，表明高層反導武器系統在概念上存在不一致性。經分析發現，低層反導武器系統的概念涵蓋了高層反導武器系統的概念，即現有模型表達中兩者之間不是相互獨立的類屬關系，這與實際不符。在實際作戰中，高低兩層反導武器系統間的相互協同(cooperate)關系在模型定義中被忽略。

增加協同關系后的正確模型用OWL_DL語言描述為:

High_Level_Anti-Missile_System?Interceptor_Kill_System

Low_Level_Anti-Missile_System?Interceptor_Kill_System

TBM?Attack_Objective

Aerodynamics_Objective?Attack_Objective

High_Level_Anti-Missile_System≡{Interceptor_Kill_System∩?intercept.TBM∩?cooperate.Low_Level_Anti-Missile_System}

Low_Level_Anti-Missile_System≡{Interceptor_Kill_System∩?intercept.(Aerodynamics_Objective∪TBM)∩?cooperate.High_Level_Anti-Missile_System}

圖5 Racer推理機推理不一致結果提示Fig.5 Alarm result feedback by Racer

3.3 基于CBML的案例邏輯和物理層建模

反導作戰預案最終的應用過程是面向作戰管理系統，需要一種便于計算機理解且具有良好文檔結構特性的形式化描述語言，本文采用基于XML的案例標記語言CBML，它將案例結構和內容分離，形成獨立文檔，用案例結構文檔指導內容文檔的結構化生成過程，并驗證其結構的正確性。其中，結構文檔是通過XML Scheme定義和轉化得到的，即應用CBML進行案例形式化描述的第一步是建立XML Scheme文檔。結合預案構成要素特性，定義反導作戰預案SysML塊定義圖向XML Schema轉換的映射規則如表3所示。

表3 SysML塊定義圖向XML Schema轉換的映射規則Table 3 Corresponding rules of SysML blocks and XML Schema SysML

按照表3的規則，將圖3中的反導作戰預案概念層模型轉化為基于XML Scheme的邏輯模型，其在XMLSpy中的具體結構如圖6所示(由于篇幅所限，只給出部分結構圖)。

按照圖6所示的XML Scheme文檔，利用XMLSpy中從xsd文檔自動生成xml內容的功能，生成的預案內容文檔結構，即反導作戰預案的物理層模型如下所示:

圖6 反導作戰案例XML Schema文檔結構圖Fig.6 Antimissile preparative solution XML Schema structure diagram

4 結束語

本文針對當前缺乏反導作戰預案形式化建模研究的現實需求，綜合應用SysML，OWL_DL和CBML等形式化建模語言和工具，對反導作戰預案形式化建模方法進行了研究。在分析反導作戰要素和具體應用流程的基礎上，提出了一種新的預案形式化建模方法。依據新方法的具體流程，以SysML為中心，定義了塊定義圖、預案要素、OWL_DL和XML Scheme元素之間的映射規則，建立了反導作戰預案概念層模型、邏輯層模型、物理層模型和預案本體模型，并應用預案本體模型對概念層模型了進行了模型一致性驗證。所提出的方法為解決反導作戰預案形式化建模開辟了道路，所構建的模型為進一步研究反導作戰預案建模奠定了基礎。

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