聯合作戰方案信息交換模型

孫光明,楊 光,馬政偉,趙鑫業

(1.海軍大連艦艇學院 作戰軟件與仿真研究所,遼寧 大連 116018;2.海軍大連艦艇學院 科研學術處,遼寧 大連 116018)

在高技術條件下的現代戰爭中,指揮信息系統已經成為基于信息系統的體系作戰的重要基礎。為有效提高體系作戰效能,指揮信息系統逐漸向網絡化、一體化、智能化的方向發展,為作戰方案的處理及應用提供了全新的舞臺。基于信息系統的體系作戰中,指揮信息系統呈現出多系統、多層次、分布式的同步協同作戰特點,作戰方案處理及應用過程中數據、信息、知識的交換、共享、復用等問題日益突出,成為制約體系作戰效能發揮的瓶頸問題之一。因此,作戰方案相關的信息交換模型迫切需要科學先進的描述理論與方法,以滿足體系作戰中共享與一致性理解、互操作與智能處理以及復用的巨大需求。

作戰方案是使用作戰兵力達成一定戰役或戰斗目的的計劃文件,是組織、指揮部隊作戰行動的依據性文件[1],也是作戰意圖和作戰決心的集中體現[2-3]。公共的規范和結構化表示是作戰方案信息自動化交換的前提。結構化信息以信息交換模型的形式來表示,以通用的方法學或技術(如統一建模語言(UML)、可擴展標記語言(XML)等)來建立及文檔化[4]。信息交換模型定義了信息(數據)的標準元素,這些元素構成了作戰方案輔助生成和評估系統與C4ISR系統之間互操作的基礎。

對作戰方案信息交換模型進行形式化描述,完整、準確、靈活地描述作戰兵力的突擊和保障等行動,使聯合作戰輔助決策系統在各級指揮所、各軍種兵力和指揮自動化系統之間無歧義地共享作戰方案數據與信息,有效地提升聯合作戰指揮輔助決策的水平,增強輔助決策系統作戰模型實現的一致性和作戰應用軟件的復用性,對推動聯合作戰輔助決策系統的發展具有重大理論和現實意義。

1 標準化信息交換模型的發展

統一標準是實現系統互連、互通、互操作以及信息資源共享的關鍵。模型設計采用仿真互操作標準組織(SISO)或國際通用的標準化軍事領域相關格式。對于作戰模擬分析評估系統及其互操作性而言,標準化具有戰略意義。

在信息化作戰條件下,北約集團的參與國、軍事工業部門和技術研究部門共同成立了一個研究組織,專門負責多邊互操作計劃(MIP)[5],希望通過戰場信息建模來實現指揮控制信息系統在戰役、戰術各個層次上的互聯互通,支持跨國多軍兵種聯合作戰。JC3IEDM(joint consultation,command,and control information exchange data model[6])是MIP定義的一個信息交換標準,旨在實現成員之間的指揮控制信息系統(C2IS)所有層次的跨國交互性。JC3IEDM當前的進化版本是MIM(MIP information model)[7]。

MIM的3.0版本于2015年3月發布[8],當前的最新版本4.0.1于2016年7月發布。MIM類基本概念如圖1所示,它定義了實體之間的關系及關系的約束,規范了模型中枚舉類型的取值范圍和模型中的業務規則。模型的核心由對象和行動組成,MIM總計定義了大約2 300個不同類型的對象和大于500個類型的行動。

圖1 MIM類基本概念Fig.1 MIM class basic concept

MIM以一種良好的結構化和規格化的方法對數據進行抽象,從概念數據模型、邏輯數據模型和物理數據模型3個層次上表達目標域的信息[4,9-10],如下所示:①概念數據模型是MIM的高層視圖,它們是一些通用概念,如行動、組織、人員、特征、設施、場所等;②邏輯數據模型在概念數據模型的基礎上,通過將高級概念分解為特定的常用信息,詳細地描述各個子實體的關系、字段、關鍵字等;③物理數據模型提供了生成物理模式所需要的詳細規格說明,它定義了數據庫的結構和具體的應用模式。

2 信息交換模型的設計

針對聯合作戰輔助決策系統中關于作戰方案信息交換模型存在的問題,本文創建一種形式化的信息交換模型描述方法,對信息交換模型進行統一、規范、靈活的形式化描述,以提高聯合作戰輔助決策系統對作戰方案數據的兼容性和可靠性,進一步提升各軍兵種裝備的作戰效能和維護效率,為作戰應用軟件的發展提供支持。對信息交換模型的形式化描述必須要支持模型的自動執行和自行檢查。

2.1 總體設計思路

通過對作戰方案的分析,可以得出作戰方案是“兵力機動+火力運用”的結論。

兵力機動可視為作戰兵力從A點出發經過一段時間到達B點,用時間去除AB間的距離即兵力移動的速度,待機可視為AB2點重合。火力運用的范圍比較廣泛,從形式化的角度出發,火力運用可視為裝備的戰術動作,如使用雷達對海面搜索、使用艦炮對海面目標攻擊等。將最基本的裝備運用形式化為原子作戰行動,按時間順序將原子作戰行動排序,形成的行動序列就可以描述作戰方案的過程。由于兵力可擁有多種裝備,其原子行動可能是并發執行的,因此作戰方案的戰術過程存在并發路徑,如航渡過程中對海空搜索與艦炮對海面目標攻擊的過程,按原子行動描述為2個并發的路徑。由于作戰行動既有順序的行為又有并發的行為,因此作戰行動的完整過程構成了一個原子作戰行動的網絡。

作戰方案包含作戰任務、作戰階段、作戰兵力、作戰資源以及時間、空間、協同關系等要素,這些要素可抽象為客觀實體及它們之間的聯系,使用面向對象的軟件設計技術不難進行形式化。作戰方案可以區分為不同的作戰階段,其實質是為達成一定目的的作戰行動群組。具有多個分支方案的作戰方案(或子方案)不僅是對所需完成任務的分解及所需完成任務次序的規劃,還是一種選擇關系,可選擇其中之一執行,也可選擇部分執行。協同關系對作戰行動的約束實質是一種事件驅動關系。

公共的規范和結構化表示是信息自動化交換的前提。結構化信息以信息交換模型的形式進行表示,以通用的方法學或技術建立及文檔化。數據模型定義了信息(數據)的標準元素,這些元素構成了信息交換模型設計的基礎。模型接口如圖2所示,包括對行動單元、籌劃節點、時間、地域等的增加、刪除、修改、查詢等應用接口函數(API)。

2.2 信息交換模型形式化類結構設計

(1)籌劃根節點

籌劃根節點組織關系如圖3所示。籌劃根節點是描述作戰計劃的根節點,由一個籌劃樹型結構和6類數據容器組成。6類數據容器涵蓋時間、地域、作戰單元、作戰行動、原子行動、籌劃節點的描述。

圖2 模型數據操作接口函數列表(Enterprise Architect設計圖)Fig.2 Model data operational interface function list (Enterprise Architect design diagram)

(2)時間節點

時間節點關系如圖4所示。時間節點是描述作戰時間的節點,可以實現對天文時刻、基準天文時刻、相對時刻的描述。圖中的ID為標識號。

(3)地域節點

地域節點關系如圖5所示。地域節點是描述作戰地域的節點,可以實現對點、線、多邊形、橢圓形、圓形圓環、扇形扇環的描述。

圖3 籌劃根節點關系Fig.3 Operational root node relationship

圖4 時間節點關系Fig.4 Time node relationship

圖5 地域節點關系Fig.5 Region node relationship

(4)作戰單元節點

作戰單元節點關系如圖6所示。作戰單元是作戰方案執行的主體,可以是單兵力或兵力組。兵力有多個種類,如水面艦艇、潛艇、海軍航空兵等,這些具體的兵力可通過對兵力基類的泛化進行具體化。在編隊作戰中,可能由多個兵力參與行動,對兵力組使用組合模式進行描述,組合模式既可以表示單一兵力,又可以表示多個兵力。

(5)作戰行動節點

作戰行動節點關系如圖7所示。作戰行動是作戰單元的作戰行動描述,表示什么兵力,在什么時間、地域,使用什么裝備,針對什么目標,按什么要求,采用什么戰術動作或戰術動作序列,是完整作戰行動的描述。作戰行動并不說明兵力行動的目的,可以是單一的戰術動作,也可以是行動序列。這種設計能減少不必要的兵力說明或時間順序說明,因為兵力的后續動作是前次行動的后繼,可以按時間軸推算。

(6)原子行動節點

原子行動節點關系如圖8所示。原子行動是戰術指揮的基本單位,也是形式化作戰行動的基本單位。從戰術指揮員的角度出發,形式化的粒度為裝備的戰術使用,不對設備開機、關機、戰前裝備檢查等形式化處理。具體到裝備使用的細節,一般都有比較完善的使用流程,不必在作戰計劃中列出。作戰類型包括對空作戰、對海作戰、對潛作戰等,具體作戰樣式可從原子行動中泛化。

(7)籌劃節點

籌劃節點關系如圖9所示。籌劃節點是具體類型的籌劃節點,用于支持作戰計劃不同指揮層級的細節隱藏或顯示,如作戰任務籌劃、情況判斷籌劃等。

(8)籌劃樹節點

籌劃樹節點是一個描述計劃、方案、子計劃、戰術片段關系的邏輯圖,主要用于指揮員籌劃作戰任務劃分、兵力選擇、突擊次序和子計劃關系等作戰進程。情節圖中的節點表示擁有后續節點的行動或連接后續節點的行動,當子節點為分支或協作時,表示擁有關系。

圖6 作戰單元節點關系Fig.6 Operational element node relationship

3 海上編隊作戰方案信息交換模型的應用

為驗證本文提出的聯合作戰方案信息交換模型的有效性,選取海上編隊作戰方案為應用對象,進行技術方法的實例應用。首先,進行作戰方案信息交換模型的需求分析;然后,利用所提出的技術方法對信息交換模型進行形式化描述。

海上編隊由若干海上戰斗群編成,具有海空一體、大縱深、多層次的火力配系。海上編隊作為一支遠離基地的獨立海上作戰力量,擁有很強的攻防能力編隊作戰計劃,組成要素主要包括作戰計劃說明、情況判斷、作戰任務、作戰資源、作戰效能等。

由于兵力可擁有多種裝備,其原子行動可能是并發執行的,作戰方案的戰術過程就存在并發路徑。由于作戰行動既有順序的行為又有并發的行為,因此作戰行動的完整過程構成了一個原子作戰行動的網絡。基于上述思想,海上編隊作戰方案應包含航渡和導攻2類作戰行動。航渡作戰行動包含點上分兵、點上合兵、線上航渡原子行動,導攻作戰行動包含點上導攻原子行動。

圖7 作戰行動節點關系Fig.7 Operational course-of-action node relationship

圖8 原子行動節點關系Fig.8 Operational atom course-of-action node relationship

4 結語

以海上編隊作戰方案數據描述為應用對象[11],運用本文所提方法可以實現對部隊演習和訓練中作戰方案信息交換模型的形式化描述,也可以很好地滿足作戰輔助決策系統對數據的計算與存儲需求,并能夠推廣應用到其他類型作戰方案的處理及應用。

圖9 籌劃節點關系Fig.9 Operational node relationship

通過形式化描述使聯合作戰方案信息交換模型的描述規范一致,在不同的指揮層次、不同的指揮系統平臺間實現并行的作戰事務處理,達到聯合作戰指揮自動化的目的。