基于UPDM的合同對海突擊作戰(zhàn)信息流程建模與仿真研究*

余舟川 胡高平 詹 武 郭穎輝

（1.中國人民解放軍91977部隊(duì) 北京 100036）（2.91918部隊(duì) 北京 102300）

1 引言

合同對海突擊作戰(zhàn)是保持和奪取海區(qū)制海權(quán)的基本進(jìn)攻作戰(zhàn)樣式，呈現(xiàn)戰(zhàn)場情況多變、兵力指揮復(fù)雜和作戰(zhàn)時(shí)機(jī)難以把握等特點(diǎn)［1]，是在單個(gè)指揮所統(tǒng)一指揮下的多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)，涉及多兵種之間的協(xié)同作戰(zhàn)問題，容易出現(xiàn)重復(fù)打擊、遺漏目標(biāo)、資源沖突等情況［2]，為了更好地研究驗(yàn)證其作戰(zhàn)概念、優(yōu)化作戰(zhàn)流程、檢查作戰(zhàn)計(jì)劃等體系動(dòng)態(tài)特性，必須對作戰(zhàn)信息流程進(jìn)行清晰描述和動(dòng)態(tài)驗(yàn)證。本文通過基于DODAF（美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架）和UPDM建模軟件的體系結(jié)構(gòu)建模方法，對合同對海突擊作戰(zhàn)信息流程進(jìn)行建模，并通過動(dòng)態(tài)仿真合同對海突擊從情報(bào)處理到導(dǎo)彈發(fā)射整個(gè)過程的情報(bào)、指控信息流程，驗(yàn)證了合同對海突擊作戰(zhàn)信息流程的可行性、合理性。

2 UPDM及研究現(xiàn)狀

為了更好地解決C4ISR系統(tǒng)互連互通問題，美軍在《C4ISR 體系結(jié)構(gòu)框架》［3]基礎(chǔ)上提出了DODAF 1.0版本［4]，并隨后升級形成了DODAF 1.5［5]和2.0版本［6]，不斷強(qiáng)調(diào)以數(shù)據(jù)為中心的設(shè)計(jì)方法，目前已被業(yè)界廣泛運(yùn)用。

裝備體系論證統(tǒng)一平臺(tái)（Unified Platform for Defense Modeling，UPDM）［7]是新一代裝備體系結(jié)構(gòu)建模與驗(yàn)證平臺(tái)，主要包括三個(gè)核心功能組件［8]：UPDM Architect、UPDM Designer和 UPDM Developer。UPDM Architect兼容了DODAF體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，嵌入DODAF開發(fā)包，支持作戰(zhàn)流程和復(fù)雜裝備體系建模仿真。UPDM Designer采用可視化建模語言SysML［9]為核心建模語言，可詳細(xì)描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為和接口關(guān)系，并用基于模型的系統(tǒng)工程流程對裝備建模仿真，具有動(dòng)態(tài)模型驗(yàn)證能力，可檢驗(yàn)系統(tǒng)行為交互和接口關(guān)系的正確性。UPDM Developer采用UML系統(tǒng)建模語言，對裝備中的復(fù)雜軟件進(jìn)行建模，可完整描述復(fù)雜系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)，構(gòu)建可執(zhí)行的實(shí)時(shí)框架，支持系統(tǒng)分析、動(dòng)態(tài)模型執(zhí)行和動(dòng)畫演示，并能自動(dòng)生成完整的應(yīng)用程序、關(guān)聯(lián)模型和代碼，與仿真工具、設(shè)計(jì)工具通過API直接集成。UPDM以數(shù)據(jù)為中心的建模思想，與DOORS，System Architect，Simulink，STK 均有直接接口，可以與仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)兼容，實(shí)現(xiàn)體系建模與系統(tǒng)仿真的有機(jī)結(jié)合。

當(dāng)前，體系結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)可執(zhí)行的研究主要從兩個(gè)方面進(jìn)行，一是產(chǎn)品可執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如基于CPN的方法［10～12]、基于對象 Petri網(wǎng)的方法［13～14]、基于 ExtendSim的方法［15～16]等，這種方法雖然簡單，卻難以保證轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)可執(zhí)行模型的合理性；二是建模和仿真一體化的可執(zhí)行體系結(jié)構(gòu)［17～18]，該方法構(gòu)建的可執(zhí)行體系結(jié)構(gòu)模型較為復(fù)雜，專業(yè)性較強(qiáng)。本文提出的基于UPDM的體系結(jié)構(gòu)建模方法，很好地解決了這些問題，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：1）UPDM遵循DODAF標(biāo)準(zhǔn)，建模方法標(biāo)準(zhǔn)、成熟；2）UPDM使用SysML語言無歧義地表述系統(tǒng)架構(gòu)和行為，可自動(dòng)生成可執(zhí)行模型并確保模型的合理性。另外，UPDM既支持靜態(tài)結(jié)構(gòu)與接口的檢驗(yàn)分析，還支持動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)模型驗(yàn)證［19]，極大地提高了建模效率和質(zhì)量。

圖1 UPDM核心組件及性能

3 建模流程與模型

本文采用UPDM建模軟件，基于DODAF 1.5版本從作戰(zhàn)視角構(gòu)建體系結(jié)構(gòu)模型，描述作戰(zhàn)活動(dòng)全流程的作戰(zhàn)要素及信息交換。依據(jù)合同對海突擊作戰(zhàn)需求，結(jié)合DODAF模型相互之間數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系，確定建模流程：1）依據(jù)合同對海突擊作戰(zhàn)任務(wù)，分析指揮信息系統(tǒng)作戰(zhàn)概念，明確作戰(zhàn)任務(wù)、參戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)及指揮關(guān)系，通過作戰(zhàn)概念圖OV-1和組織關(guān)系圖OV-4來描述。2）依據(jù)合同對海突擊作戰(zhàn)流程、各作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作戰(zhàn)過程，構(gòu)建作戰(zhàn)活動(dòng)模型OV-5和作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型OV-6b。3）依據(jù)OV-5中作戰(zhàn)事件發(fā)生順序，構(gòu)建作戰(zhàn)事件追蹤模型OV-6c。4）作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)間信息關(guān)系詳細(xì)描述，通過作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)連接模型OV-2和信息交換矩陣OV-3來描述。建模流程如圖2所示。

圖2 體系結(jié)構(gòu)建模流程

表1 模型概要描述

4 信息流程建模實(shí)現(xiàn)

4.1 作戰(zhàn)概念描述

根據(jù)合同對海突擊作戰(zhàn)概念，合同對海突擊作戰(zhàn)任務(wù)為岸導(dǎo)、飛機(jī)、潛艇、艦艇、導(dǎo)彈艇等兵力，在指揮所統(tǒng)一組織指揮下合同突擊敵海上目標(biāo)。主要作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)包括情報(bào)中心（Intelligence Centre）、指揮所（Command Post）、艦艇（Destroy&Frigate）、導(dǎo)彈艇（Missile Boat）、飛機(jī)（Aircraft）、岸導(dǎo)（Missile Launching Vehicle）、潛艇（Submarine），如圖 3所示。

圖3 作戰(zhàn)概念圖OV-1

4.2 組織關(guān)系模型OV-4

合同對海突擊作戰(zhàn)的角色包括指揮所、情報(bào)中心、水面艦艇、導(dǎo)彈艇、飛機(jī)、岸導(dǎo)、潛艇。各兵力平臺(tái)在戰(zhàn)役指揮所統(tǒng)一指揮下行動(dòng)，如圖4所示。

圖4 組織關(guān)系模型OV-4

4.3 作戰(zhàn)活動(dòng)模型OV-5

OV-5從作戰(zhàn)使命任務(wù)出發(fā)，描述了為了完成合同對海突擊作戰(zhàn)任務(wù)而進(jìn)行的一系列作戰(zhàn)活動(dòng)、各活動(dòng)之間的關(guān)系。如圖5所示，合同對海突擊作戰(zhàn)活動(dòng)主要包括態(tài)勢綜合、指揮決策、兵力控制、武器協(xié)同和作戰(zhàn)效果評估5大活動(dòng)，5大活動(dòng)又劃分為目標(biāo)態(tài)勢生成與處理、作戰(zhàn)態(tài)勢信息處理、戰(zhàn)場環(huán)境信息處理、情況分析、方案擬制、火力規(guī)劃、綜合指揮控制、對海指揮控制、對空指揮控制、目標(biāo)指示下達(dá)、攻擊指令下達(dá)、目標(biāo)跟蹤、毀傷評估等21個(gè)二級子活動(dòng)。

圖5 作戰(zhàn)活動(dòng)模型OV-5

4.4 作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型OV-6b

OV-6b依據(jù)合同對海突擊典型作戰(zhàn)場景，描述指揮所、情報(bào)中心、水面艦艇、導(dǎo)彈艇、飛機(jī)、岸導(dǎo)、潛艇等實(shí)體的狀態(tài)轉(zhuǎn)移情況。包括各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)、觸發(fā)狀態(tài)改變的事件以及各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

以指揮所為例，由圖6可清晰得知指揮所的主要作戰(zhàn)活動(dòng)順序：接收綜合態(tài)勢信息、獲取各平臺(tái)武器狀態(tài)信息、制定方案、下達(dá)作戰(zhàn)命令、分發(fā)目標(biāo)態(tài)勢信息、發(fā)送指揮引導(dǎo)信息、下達(dá)攻擊指令、發(fā)送目指信息、獲取導(dǎo)彈航路規(guī)劃信息、跟蹤并獲取目標(biāo)毀傷信息、評估目標(biāo)毀傷狀態(tài)等。

圖6 指揮所作戰(zhàn)狀態(tài)圖

4.5 作戰(zhàn)事件追蹤模型OV-6c

OV-6c描述了合同對海突擊作戰(zhàn)中作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)間信息交換事件的時(shí)間順序。通過對合同對海突擊作戰(zhàn)任務(wù)、作戰(zhàn)活動(dòng)的細(xì)化，使信息流程更加清晰。

圖7所示態(tài)勢綜合階段：情報(bào)中心將綜合目標(biāo)態(tài)勢信息發(fā)送給指揮所；指揮決策階段：指揮所收到目標(biāo)信息后，經(jīng)分析研判后，進(jìn)行火力規(guī)劃，并接收各作戰(zhàn)平臺(tái)上報(bào)的平臺(tái)狀態(tài)信息，制定作戰(zhàn)計(jì)劃；攻擊階段：指揮所向各作戰(zhàn)平臺(tái)下達(dá)作戰(zhàn)命令，向艦艇、導(dǎo)彈艇、潛艇、飛機(jī)發(fā)送海上目標(biāo)信息，向各作戰(zhàn)平臺(tái)發(fā)送目標(biāo)指示信息，向艦艇、導(dǎo)彈艇、岸導(dǎo)火力單元下達(dá)導(dǎo)彈攻擊決策信息；作戰(zhàn)評估階段：情報(bào)中心向指揮所發(fā)送目標(biāo)毀傷信息，指揮所進(jìn)行打擊效果評估，并根據(jù)實(shí)時(shí)態(tài)勢和兵力情況，組織實(shí)施再次打擊或兵力撤收。

圖7 合同對海突擊作戰(zhàn)事件追蹤模型OV-6c

4.6 作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)間信息關(guān)系描述

將OV-6c中描述的合同對海突擊作戰(zhàn)中作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)信息交互順序更新到OV-2，生成作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)連接模型OV-2（如圖8）和信息交換矩陣OV-3（如表2），詳細(xì)描述了整個(gè)作戰(zhàn)任務(wù)中各作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)之間的信息關(guān)系，反映了合同對海突擊作戰(zhàn)的指揮流和信息流。

圖8 作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)接口模型OV-2

表2 信息交換矩陣模型

5 仿真與驗(yàn)證

基于UPDM的體系結(jié)構(gòu)建模，可自動(dòng)生成可執(zhí)行模型，并自動(dòng)進(jìn)行模型完備性和一致性分析，大量節(jié)省了人工檢查時(shí)間和精力，確保了可執(zhí)行模型邏輯合理性。一是檢查實(shí)體（作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)、作戰(zhàn)活動(dòng)等）數(shù)據(jù)描述是否完整；二是檢查實(shí)體數(shù)據(jù)間引用和指派關(guān)系是否完備；三是檢查實(shí)體關(guān)系是否一致；四是檢查設(shè)計(jì)的作戰(zhàn)流程與作戰(zhàn)體系期望的流程是否一致，是否存在信息中斷、死循環(huán)或資源爭用等情況。

本文對作戰(zhàn)事件追蹤模型OV-6c轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行模型，仿真合同對海突擊從情報(bào)處理到導(dǎo)彈發(fā)射整個(gè)過程的情報(bào)、指控信息交互過程，驗(yàn)證合同對海突擊作戰(zhàn)流程的動(dòng)態(tài)行為邏輯，結(jié)果表明，模型數(shù)據(jù)描述完整、信息關(guān)系指派完備、各實(shí)體關(guān)系描述一致、作戰(zhàn)信息流程符合預(yù)期，驗(yàn)證了合同對海突擊作戰(zhàn)流程合理可行。

圖9 合同對海突擊作戰(zhàn)流程模型仿真運(yùn)行

6 結(jié)語

本文運(yùn)用UPDM建模軟件對合同對海突擊作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，通過作戰(zhàn)視圖清晰描述了合同對海突擊作戰(zhàn)的作戰(zhàn)概念、指揮關(guān)系及各作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)間的信息關(guān)系，并仿真驗(yàn)證了合同對海突擊作戰(zhàn)信息流程的可行性、合理性，描述過程明晰，模型便于理解，對多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)的作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)建模與研究具有一定的借鑒意義。