基于SysML的作戰(zhàn)計(jì)劃可視化建模

劉冰雁，劉湘?zhèn)ィㄅ睿鲁擅?/p>

（電子工程學(xué)院，合肥230037）

0 引 言

作戰(zhàn)計(jì)劃是部隊(duì)作戰(zhàn)行動(dòng)的基本依據(jù)，是指揮員決心的具體體現(xiàn)。隨著計(jì)劃制定規(guī)模和復(fù)雜程度的不斷提高，傳統(tǒng)的基于文檔的計(jì)劃必將產(chǎn)生越來(lái)越多各種不同的文檔，它面臨的困難也將愈加明顯：

（1）計(jì)劃的完整性和一致性以及信息之間的關(guān)系難于評(píng)估和確定，因?yàn)樗鼈兩⒉加诟鞣N不同的數(shù)量巨大的文檔中。

（2）各種作戰(zhàn)行動(dòng)難于描述。行動(dòng)是動(dòng)態(tài)的，有交互的，而僅用文字描述相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于復(fù)雜多變的行動(dòng)很難清晰描述。

（3）信息表述難以準(zhǔn)確，容易產(chǎn)生歧義、難以從海量文檔中查找所需信息、不利于作戰(zhàn)計(jì)劃的分發(fā)和下達(dá)。

（4）文檔難于更改。由于文檔的數(shù)量巨大，要確保所需更改的內(nèi)容都得到更改，將是個(gè)艱巨的工程。

如何將作戰(zhàn)計(jì)劃從軍事自然語(yǔ)言描述最終轉(zhuǎn)換成可視化建模，以便于計(jì)劃的自動(dòng)生成、推理驗(yàn)證，是一個(gè)亟待解決的迫切問(wèn)題。

1 SysML可視化語(yǔ)言

近年國(guó)際對(duì)象管理組織（OMG）在UML2.0的子集進(jìn)行重用和擴(kuò)展的基礎(chǔ)上，提出了一種新的系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言——SysML。SysML［1］是一種可視化體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)語(yǔ)言，能夠支持各種復(fù)雜系統(tǒng)的詳細(xì)分析、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和說(shuō)明。SysML定義了9種基本圖形來(lái)表示模型的各個(gè)方面。從模型的不同描述角度可劃分為結(jié)構(gòu)圖、參數(shù)圖、需求圖和行為圖。這為作戰(zhàn)計(jì)劃提供了規(guī)范化、可視化、圖形化的系統(tǒng)建模支持。

SysML的主要目的是改善系統(tǒng)開(kāi)發(fā)生命周期中各環(huán)節(jié)的溝通，減少歧義、消除差錯(cuò)和減少文檔、表述信息說(shuō)明中的不一致性。如圖1所示［2］，作為UML在系統(tǒng)工程領(lǐng)域應(yīng)用的補(bǔ)充，SysML的語(yǔ)法更具針對(duì)性，模型元素更精簡(jiǎn)，能更好地對(duì)作戰(zhàn)計(jì)劃進(jìn)行可視化建模：

（1）新的參數(shù)圖能夠更好地描述作戰(zhàn)角色的作戰(zhàn)能力，包括其火力和機(jī)動(dòng)的能力。

（2）對(duì)活動(dòng)圖重新定義，將功能、數(shù)據(jù)流和控制流描述集于一體，以更加豐富的語(yǔ)義表達(dá)能力支持作戰(zhàn)行動(dòng)過(guò)程的建模。

（3）擴(kuò)展UML的類圖來(lái)描述參數(shù)約束，讓作戰(zhàn)資源、環(huán)境約束圖形更加自然、明確，便于理解。

（4）SysML采取更為準(zhǔn)確的系統(tǒng)信息分析方法，消除了不同方法在表達(dá)和術(shù)語(yǔ)上的差異，避免了符號(hào)表示和理解上不必要的混亂。

（5）SysML能輔助計(jì)劃制定人員對(duì)作戰(zhàn)意圖、事件和行動(dòng)過(guò)程等進(jìn)行分析與建模，符合作戰(zhàn)計(jì)劃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求和特點(diǎn)。

圖1 SysML圖形元素

2 作戰(zhàn)計(jì)劃可視化建模

作戰(zhàn)計(jì)劃是敵對(duì)雙方依據(jù)特定的作戰(zhàn)意圖、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和外部隨機(jī)事件而部署的相應(yīng)行動(dòng)［3］。根據(jù)對(duì)作戰(zhàn)計(jì)劃的抽象，基于SysML建立作戰(zhàn)計(jì)劃模型，如圖2所示。

圖2 基于系統(tǒng)建模語(yǔ)言SysML的作戰(zhàn)計(jì)劃模型

2.1 作戰(zhàn)意圖建模

作戰(zhàn)意圖是指揮員想要達(dá)到的目標(biāo)。目標(biāo)序列是對(duì)作戰(zhàn)意圖的分解，可以細(xì)化為若干彼此關(guān)聯(lián)的軍事任務(wù)，其建模規(guī)則為：

規(guī)則1：分解每一層目標(biāo)，要確保下一層子目標(biāo)相互獨(dú)立；

規(guī)則2：下一層目標(biāo)是上一層目標(biāo)的分項(xiàng)、細(xì)化的體現(xiàn)；

規(guī)則3：最底層子目標(biāo)要具體且具備較強(qiáng)的可執(zhí)行性。

需求是指系統(tǒng)想要達(dá)到的能力或目標(biāo)，一個(gè)需求能夠分解為多個(gè)子需求［4］。SysML用需求模型將文本化的需求與其他模型元素結(jié)合起來(lái)，能夠很好地表達(dá)指揮員想達(dá)成的作戰(zhàn)意圖。

2.2 資源與環(huán)境建模

作戰(zhàn)資源是對(duì)作戰(zhàn)要素的抽象，而環(huán)境通常是復(fù)雜而難以描述的。所以，在作戰(zhàn)條件下，戰(zhàn)場(chǎng)資源和環(huán)境狀態(tài)是敵我雙方都竭力全面了解并掌控的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，是雙方?jīng)Q策的重要因素。用SysML的類圖來(lái)描述作戰(zhàn)資源與環(huán)境，其建模規(guī)則有：

規(guī)則1：作戰(zhàn)資源、環(huán)境標(biāo)識(shí)映射為類名稱。類名稱在全局具有唯一性。

規(guī)則2：作戰(zhàn)資源、環(huán)境屬性映射為類的屬性。類的屬性包括屬性名稱、屬性值和屬性類型。

規(guī)則3：作戰(zhàn)資源、環(huán)境角色映射為類的方法。類的方法包括方法名、方法函數(shù)、返回值3個(gè)部分。

2.3 組織關(guān)系建模

行動(dòng)的執(zhí)行者是軍事組織，各級(jí)組織可能存在著隸屬、分類和協(xié)同等關(guān)系，其結(jié)構(gòu)關(guān)系反映了軍事組織具有可分解和可組合的特性。

SysML包圖定義了塊的特征以及塊之間的關(guān)系，采用了一種樹狀模型的機(jī)制描述系統(tǒng)組成的層次和分類特征，有利于描述體系結(jié)構(gòu)中擔(dān)任主要角色的人、組織之間的指揮結(jié)構(gòu)或關(guān)系。圖3建立了預(yù)警、通信系統(tǒng)的組織及結(jié)構(gòu)關(guān)系，其建模規(guī)則如下：

規(guī)則1：作戰(zhàn)組織映射為SysML中的包圖。

規(guī)則2：作戰(zhàn)組織之間的關(guān)系映射為塊之間的依賴關(guān)系。

2.4 作戰(zhàn)事件追蹤建模

基于一定的意圖和環(huán)境，作戰(zhàn)事件跟蹤描述提供了多個(gè)作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)之間信息交互的時(shí)間序列，描述了某一場(chǎng)景或關(guān)鍵事件系列中的行動(dòng)蹤跡。作戰(zhàn)事件追蹤描述，采用圖4的序列圖進(jìn)行建模，它以特定場(chǎng)景的形式描述參與的作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)間信息交換的時(shí)序。其建模規(guī)則有：

圖3 預(yù)警、通信系統(tǒng)的組織及結(jié)構(gòu)關(guān)系

規(guī)則1：頂端上的條目是作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)，通常代表組織、組織類型或人員，它們根據(jù)確定的事件類型采取行動(dòng)。

規(guī)則2：每個(gè)節(jié)點(diǎn)有一個(gè)生命線，在生命線上標(biāo)注了特定的時(shí)間點(diǎn)。

規(guī)則3：節(jié)點(diǎn)生命線之間的單向箭頭代表一個(gè)事件。

規(guī)則4：事件與生命線的交點(diǎn)表示時(shí)間，在這些時(shí)間點(diǎn)上各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生各事件。

規(guī)則5：事件代表從一個(gè)生命線到另一個(gè)生命線的信息和與該事件有關(guān)的行動(dòng)。事件的方向表示從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制流。

圖4 作戰(zhàn)事件序列圖

2.5 作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)連接建模

作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)連接［5］描述主要表述完成任務(wù)或活動(dòng)的作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)，以及為完成任務(wù)或活動(dòng)，作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行的信息交換。作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)建模的層次或粒度主要的規(guī)則有：

規(guī)則1：要與行動(dòng)計(jì)劃的類型相關(guān)，行動(dòng)過(guò)程的不同，作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)描述的粒度有所不同；

規(guī)則2：要與作戰(zhàn)活動(dòng)模型、組織關(guān)系圖的層次或粒度相適應(yīng)。

圖5為基于SysML塊定義圖［6］的體系結(jié)構(gòu)作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)連接建模示意圖，主要描述了相關(guān)作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)間的參考關(guān)聯(lián)。

圖5 作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)連接建模示意圖

2.6 作戰(zhàn)行動(dòng)過(guò)程建模

行動(dòng)由作戰(zhàn)平臺(tái)的基本功能產(chǎn)生，是主體單個(gè)功能或功能組合的執(zhí)行，是主體策略的基礎(chǔ)。作戰(zhàn)行動(dòng)過(guò)程是交戰(zhàn)主體對(duì)其控制環(huán)境、資源的改變以達(dá)到期望目標(biāo)的行動(dòng)序列，是對(duì)完成使命或任務(wù)所需的行動(dòng)以及行動(dòng)之間關(guān)系的描述。

SysML的活動(dòng)圖是另一種描述交互的方式，描述采取何種動(dòng)作、做什么、何時(shí)發(fā)生以及在何處發(fā)生。其主要目的是描述動(dòng)作及對(duì)象狀態(tài)改變的結(jié)構(gòu)。活動(dòng)圖提供了相應(yīng)的圖元與建模語(yǔ)義，為作戰(zhàn)行動(dòng)過(guò)程的建模提供了支持。其建模規(guī)則有：

規(guī)則1：作戰(zhàn)行動(dòng)之間的層次或分解關(guān)系映射到SysML的順序、并行、選擇關(guān)系。

規(guī)則2：虛擬執(zhí)行中表示計(jì)劃開(kāi)始、結(jié)束、條件轉(zhuǎn)移、合并同步以及分支同步與SysML活動(dòng)圖中的基本圖元對(duì)應(yīng)。作戰(zhàn)行動(dòng)關(guān)系與SysML的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示。

規(guī)則3：使用泳道線變量的活動(dòng)圖可以集中表現(xiàn)多對(duì)象行動(dòng)間的控制流。

圖6 作戰(zhàn)行動(dòng)關(guān)系與SysML的對(duì)應(yīng)關(guān)系

規(guī)則4：每個(gè)泳道線中的行動(dòng)要與用例相關(guān)，且遵循作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)所參與（或合作）的用例的順序。

3 應(yīng)用實(shí)例

本節(jié)以信息戰(zhàn)為背景，以保護(hù)地面目標(biāo)空襲、反空襲簡(jiǎn)要模型［7］為例，借助Rational Rose平臺(tái)，說(shuō)明基于SysML的作戰(zhàn)計(jì)劃可視化建模。

3.1 作戰(zhàn)想定

我方為保護(hù)要地，需阻止敵方空中來(lái)襲。當(dāng)我方預(yù)警雷達(dá)或預(yù)警機(jī)發(fā)現(xiàn)且識(shí)別目標(biāo)后，利用數(shù)據(jù)鏈和無(wú)線電通信鏈路向指揮控制中心傳送目標(biāo)信息。指揮控制中心對(duì)信息進(jìn)行處理，對(duì)態(tài)勢(shì)進(jìn)行評(píng)估，生成如圖7的作戰(zhàn)意圖［7］：（1）利用地對(duì)空干擾機(jī)干擾來(lái)襲敵機(jī)，使其不能正常投彈；（2）控制中遠(yuǎn)程防空武器系統(tǒng)的指控雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，等待作戰(zhàn)命令準(zhǔn)備對(duì)目標(biāo)進(jìn)行鎖定射擊攔截；（3）制定空中攔截作戰(zhàn)任務(wù)分配，對(duì)敵機(jī)實(shí)施空中攔截。

圖7 作戰(zhàn)想定

3.2 計(jì)劃內(nèi)容及行動(dòng)過(guò)程

在明確我方要地保護(hù)的作戰(zhàn)使命和意圖后，用SysML類圖說(shuō)明計(jì)劃內(nèi)容。計(jì)劃包含電子對(duì)抗、地對(duì)空作戰(zhàn)和空對(duì)空作戰(zhàn)，如圖8所示。以類的形式對(duì)計(jì)劃的主體內(nèi)容進(jìn)行建模，以說(shuō)明文檔對(duì)指定時(shí)間進(jìn)行說(shuō)明。并在此基礎(chǔ)上建立基于SysML活動(dòng)圖的作戰(zhàn)行動(dòng)及行動(dòng)過(guò)程模型，如圖9所示。

圖8 計(jì)劃內(nèi)容SysML建模

圖9 要地保衛(wèi)作戰(zhàn)活動(dòng)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文鑒于傳統(tǒng)作戰(zhàn)計(jì)劃的問(wèn)題，研究計(jì)劃的可視化。通過(guò)分析、對(duì)比得知，SysML作為一種通用的、功能強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言，非常適合作戰(zhàn)計(jì)劃的表述與構(gòu)建。提出基于SysML的建模規(guī)則，相對(duì)于UML，能夠更為清晰地從作戰(zhàn)意圖、事件、行動(dòng)過(guò)程等方面建立計(jì)劃模型。通過(guò)實(shí)例證明，該建模方法對(duì)實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)計(jì)劃的模塊化及可視化具有一定的指導(dǎo)意義，為后續(xù)模型轉(zhuǎn)換及計(jì)劃優(yōu)選等相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。

［1］Object Modeling Group，Inc.（OMG）.System Modeling Language（SysML）Specification v.1.0alpha［EB／OL］.http：／／www.sysml.org／artifacts.htm，2005－08－08.

［2］何志輝.SysML系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效能分析與評(píng)價(jià)［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2006.

［3］汪江淮，盧利華.聯(lián)合戰(zhàn)役作戰(zhàn)指揮［D］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，1998.

［4］Hoffmann Hans Peter.UML 2.0－Based Systems Engineering Using aModel－Driven Development Approach［EB／OL］.http：／／www.ilogix.com／white papers／whitepapers.cfm，2005－03－21.

［5］王棟.基于SysML的武器裝備體系結(jié)構(gòu)建模與仿真方法研究［D］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2009.

［6］OMG.Systems Engineering Domain Special Interest Group（SEDSIG）.UML for systems engineering RFP［EB／OL］.http：／／www.uml.org／cgi－bin／doc？ad／03－03A4 1，2003－03－01.

［7］曹志耀，邵國(guó)培，何俊，姚龍海，朱磊明.計(jì)算機(jī)作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)［M］.北京：解放軍出版社，1999.