基于DoDAF 的地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)概念設(shè)計(jì)方法

張 宇，郭齊勝

（1.陸軍裝甲兵學(xué)院演訓(xùn)中心，北京 100072；2.航天工程大學(xué)宇航科學(xué)與技術(shù)系，北京 101416）

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的加速發(fā)展，戰(zhàn)爭形態(tài)呈現(xiàn)出信息化、智能化復(fù)合發(fā)展的顯著特點(diǎn)，塑造智能化戰(zhàn)場(chǎng)，發(fā)展智能自主化無人裝備，成為世界軍事強(qiáng)國謀取未來戰(zhàn)爭優(yōu)勢(shì)的重要選擇［1］。在陸戰(zhàn)領(lǐng)域，替代作戰(zhàn)人員在危險(xiǎn)、枯燥、惡劣的條件下遂行作戰(zhàn)任務(wù)，拓展人類作戰(zhàn)潛力，奪取戰(zhàn)場(chǎng)不對(duì)稱優(yōu)勢(shì)，是地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)展的主要目標(biāo)［2］。近年來，人工智能技術(shù)加速迭代，智能化戰(zhàn)爭形態(tài)日新月異，作戰(zhàn)需求的不確定性大大增加［3］，單純依賴宏觀抽象的作戰(zhàn)概念描述，往往難以有效厘清作戰(zhàn)概念的要素構(gòu)成及其相互關(guān)系，不利于實(shí)現(xiàn)對(duì)作戰(zhàn)概念的邏輯分析和推演驗(yàn)證［4］，亟需采用結(jié)構(gòu)化的作戰(zhàn)概念設(shè)計(jì)方法，明確不同作戰(zhàn)概念要素具體內(nèi)容和交互關(guān)系的設(shè)計(jì)方法。為此，基于體系結(jié)構(gòu)框架方法，開展地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)概念設(shè)計(jì)方法研究，闡述地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)概念要素的設(shè)計(jì)與分析方法，為科學(xué)有效地錨定地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)需求提供方法支撐。

1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

作戰(zhàn)概念設(shè)計(jì)是作戰(zhàn)設(shè)計(jì)的重要組成部分，重點(diǎn)是解決“打什么仗”“怎么打仗”的問題，強(qiáng)調(diào)對(duì)未來作戰(zhàn)機(jī)理的前瞻性探究和創(chuàng)新性設(shè)計(jì)［5］，通過構(gòu)建典型的作戰(zhàn)場(chǎng)景，設(shè)計(jì)典型的交戰(zhàn)方法，明確未來作戰(zhàn)的對(duì)抗環(huán)境、作戰(zhàn)任務(wù)、交戰(zhàn)形式和能力特征，進(jìn)而牽引部隊(duì)的發(fā)展建設(shè)和作戰(zhàn)實(shí)踐。在武器裝備發(fā)展論證領(lǐng)域，以作戰(zhàn)概念創(chuàng)新為牽引，推動(dòng)武器裝備體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，促進(jìn)部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力生成模式轉(zhuǎn)變，也日益成為武器裝備發(fā)展論證的重要途徑［6］。傳統(tǒng)上，作戰(zhàn)概念創(chuàng)新多采用經(jīng)驗(yàn)歸納、頭腦風(fēng)暴等方法，集聚戰(zhàn)爭研究、軍事戰(zhàn)略、作戰(zhàn)指揮、裝備發(fā)展、作戰(zhàn)運(yùn)用、科學(xué)技術(shù)等多領(lǐng)域?qū)＜抑橇?yōu)勢(shì)，粗略描述未來作戰(zhàn)的基本場(chǎng)景，論證指出未來作戰(zhàn)的主要特征和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)化建模，可將作戰(zhàn)概念分解為作戰(zhàn)目標(biāo)（或效果）、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、作戰(zhàn)對(duì)手、戰(zhàn)斗方法、力量編組、作戰(zhàn)行動(dòng)、武器裝備等7 類典型要素及其相互關(guān)系的集合，如圖1 所示。

圖1 作戰(zhàn)概念要素構(gòu)成及關(guān)系

1）戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。是適應(yīng)未來戰(zhàn)爭發(fā)展趨勢(shì)和典型威脅特征的各種環(huán)境要素的集合，主要包括自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)電磁環(huán)境等。

2）作戰(zhàn)對(duì)手。自古以來作戰(zhàn)都是對(duì)抗性行動(dòng)，作戰(zhàn)對(duì)手可以被忽視，但從不會(huì)消失。作戰(zhàn)對(duì)手的設(shè)計(jì)，既要考慮傳統(tǒng)的正規(guī)作戰(zhàn)力量，還要考慮各種非傳統(tǒng)的潛在作戰(zhàn)力量。同時(shí)，還要考慮作戰(zhàn)對(duì)手武器裝備的發(fā)展變化及其對(duì)作戰(zhàn)方式的變化。

3）作戰(zhàn)目標(biāo)（或效果）。根據(jù)設(shè)定的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和作戰(zhàn)對(duì)手，明確提出未來作戰(zhàn)的主要使命任務(wù)（或作戰(zhàn)企圖）以及要達(dá)成的作戰(zhàn)效果，是對(duì)作戰(zhàn)概念的戰(zhàn)略性宏觀設(shè)計(jì)，是指導(dǎo)戰(zhàn)斗方法、力量編組、作戰(zhàn)行動(dòng)和武器裝備設(shè)計(jì)的根本之道。

4）戰(zhàn)斗方法。是為實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)目標(biāo)（或效果）而對(duì)作戰(zhàn)運(yùn)用過程的整體設(shè)計(jì)，是作戰(zhàn)概念設(shè)計(jì)的靈魂，也是指導(dǎo)作戰(zhàn)力量編組并開展作戰(zhàn)行動(dòng)的依據(jù)。戰(zhàn)斗方法的設(shè)計(jì)，通常應(yīng)充分反映作戰(zhàn)的時(shí)代特征、作戰(zhàn)對(duì)手的主要特點(diǎn)和預(yù)期的作戰(zhàn)效果。戰(zhàn)法設(shè)計(jì)的核心是找準(zhǔn)敵人的短板或核心，發(fā)揮自身的作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)，達(dá)到快速、精確制敵的目的。

5）力量編組。達(dá)成作戰(zhàn)目標(biāo)（或效果）的具體作戰(zhàn)力量體系形態(tài)。當(dāng)前，應(yīng)順應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的組織指揮要求，以兵力小型分散化、指揮扁平去中心化、效能釋放一體化為主要目標(biāo)，科學(xué)設(shè)計(jì)未來作戰(zhàn)的作戰(zhàn)力量構(gòu)成和組織交互關(guān)系。

6）作戰(zhàn)行動(dòng)。為達(dá)成預(yù)期的作戰(zhàn)目標(biāo)（或效果），在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和作戰(zhàn)對(duì)手約束下，對(duì)作戰(zhàn)力量體系及其組成作戰(zhàn)單元具體運(yùn)用方式的描述，包括作戰(zhàn)行動(dòng)的構(gòu)成、關(guān)系及其主要指標(biāo)要求。

7）武器裝備。支撐作戰(zhàn)力量編組和作戰(zhàn)行動(dòng)實(shí)施的物質(zhì)基礎(chǔ)，包括武器裝備的功能、構(gòu)成、數(shù)量和相互關(guān)系。體系化聯(lián)合運(yùn)用是信息化、智能化條件下武器裝備運(yùn)用的基本要求，以信息網(wǎng)絡(luò)為支撐，以作戰(zhàn)能力構(gòu)建目標(biāo)，統(tǒng)籌各類武器裝備的功能構(gòu)成、功能范圍和相互關(guān)系，是科學(xué)構(gòu)建未來作戰(zhàn)武器裝備體系的關(guān)鍵。

2 設(shè)計(jì)框架

2.1 視圖選用

針對(duì)地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)概念的要素構(gòu)成及特點(diǎn)，遵循美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架（Department of Defense Architecture Framework，DoDAF）的“適用”原則［7］，主要從作戰(zhàn)視角、能力視角和系統(tǒng)視角3個(gè)視角，選用高級(jí)作戰(zhàn)概念圖（OV-1）、作戰(zhàn)活動(dòng)模型（OV-5b）等視圖作為作戰(zhàn)概念設(shè)計(jì)的基本模型，如下頁表1 所示。

2.2 總體框架

作戰(zhàn)概念設(shè)計(jì)涉及戰(zhàn)爭規(guī)律、軍事戰(zhàn)略、作戰(zhàn)指揮、裝備發(fā)展、科學(xué)技術(shù)多個(gè)領(lǐng)域，是對(duì)作戰(zhàn)概念各要素及其相互關(guān)系的結(jié)構(gòu)化建模，目的是為了從多個(gè)視角全面系統(tǒng)深入地描述作戰(zhàn)概念。通常采用圖示分析、結(jié)構(gòu)化分析、面向?qū)ο蟆⑦\(yùn)籌計(jì)算等方法，按照作戰(zhàn)概念的要素構(gòu)成，詳細(xì)分析各類作戰(zhàn)概念要素的具體內(nèi)容和相互關(guān)系，建立相應(yīng)的模型，進(jìn)而準(zhǔn)確勾畫作戰(zhàn)概念的具體運(yùn)用場(chǎng)景和運(yùn)用方式，形成具體、可操作的作戰(zhàn)概念方案。基于DoDAF 的作戰(zhàn)概念設(shè)計(jì)方法是一種典型的結(jié)構(gòu)化方法，總體框架如圖2 所示。

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境-作戰(zhàn)對(duì)手-戰(zhàn)斗方法設(shè)計(jì)。采用高級(jí)作戰(zhàn)概念圖（OV-1），以圖文結(jié)合方式，從宏觀上粗略描繪未來作戰(zhàn)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、作戰(zhàn)對(duì)手、戰(zhàn)斗方法等要素，幫助用戶盡快把握作戰(zhàn)概念的基本特征。

表1 地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)概念視圖選擇與定義

圖2 地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)概念設(shè)計(jì)總體框架

作戰(zhàn)目標(biāo)（或效果）設(shè)計(jì)。采用能力視角中的能力構(gòu)想（CV-1），從宏觀上提出作戰(zhàn)概念設(shè)計(jì)要達(dá)成的預(yù)期作戰(zhàn)目標(biāo)（或效果），形成指導(dǎo)作戰(zhàn)概念設(shè)計(jì)的頂層能力要求，結(jié)合戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、作戰(zhàn)對(duì)手和戰(zhàn)斗方法的定義情況，對(duì)其進(jìn)行體系化的分析，采用能力分類（CV-2）、能力隸屬關(guān)系（CV-4），明確作戰(zhàn)概念中應(yīng)達(dá)到的作戰(zhàn)能力具體指標(biāo)以及指標(biāo)間的相互關(guān)系。

作戰(zhàn)行動(dòng)設(shè)計(jì)。以能力構(gòu)想（CV-1）為指導(dǎo)，采用作戰(zhàn)活動(dòng)模型（OV-5b）進(jìn)行作戰(zhàn)行動(dòng)的分解及時(shí)序關(guān)系分析，確定作戰(zhàn)概念中各類主要行動(dòng)的主要內(nèi)容及其相互關(guān)需。

力量編組設(shè)計(jì)。采用作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)連接描述（OV-2）進(jìn)行作戰(zhàn)力量體系的編成結(jié)構(gòu)建模，明確各類、各層次作戰(zhàn)行動(dòng)的執(zhí)行主體及其隸屬關(guān)系；采用組織關(guān)系圖（OV-4）進(jìn)行各級(jí)作戰(zhàn)力量編成的組織指揮關(guān)系，為構(gòu)建完整的偵察、判斷、決策、行動(dòng)作戰(zhàn)鏈條提供支撐。

武器裝備設(shè)計(jì)。以作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)連接描述（OV-2）為依據(jù)，確定武器裝備體系的構(gòu)成和主要功能，分別采用系統(tǒng)接口描述（SV-1）和系統(tǒng)功能描述（SV-4）進(jìn)行建模。同時(shí)，通過構(gòu)建作戰(zhàn)活動(dòng)與系統(tǒng)追溯矩陣（SV-5b）模型，確定武器裝備體系及其功能對(duì)作戰(zhàn)行動(dòng)的匹配能力，進(jìn)一步優(yōu)化武器裝備體系構(gòu)成及功能組合。

3 設(shè)計(jì)方法

3.1 分解建模方法

包括作戰(zhàn)活動(dòng)建模、力量編組建模、作戰(zhàn)能力建模和裝備體系建模4 個(gè)方面。

3.1.1 基于分解的作戰(zhàn)行動(dòng)建模

作戰(zhàn)行動(dòng)是為滿足作戰(zhàn)目標(biāo)（或效果）要求由作戰(zhàn)力量體系主動(dòng)采取的行為。作戰(zhàn)行動(dòng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，通常是在考慮戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和作戰(zhàn)對(duì)手的情況下，根據(jù)作戰(zhàn)目標(biāo)（或效果）的要求對(duì)戰(zhàn)斗方法的具體化。對(duì)于相同的作戰(zhàn)目標(biāo)（或效果），因采取了不同的戰(zhàn)斗方法而形成不同的作戰(zhàn)行動(dòng)方案，作戰(zhàn)行動(dòng)方案中的作戰(zhàn)行動(dòng)的主要用途和實(shí)施方法也會(huì)呈現(xiàn)較大的差異。因此，作戰(zhàn)行動(dòng)建模時(shí)，應(yīng)基于作戰(zhàn)目標(biāo)（或效果）和戰(zhàn)斗方法，自頂向下，按照作戰(zhàn)目的、按照階段、作戰(zhàn)地域或作戰(zhàn)功能進(jìn)行作戰(zhàn)行動(dòng)的分解設(shè)計(jì)［8］。

作戰(zhàn)行動(dòng)分解建模通常可采用IDEF0 或UML等結(jié)構(gòu)化的建模語言，作戰(zhàn)行動(dòng)分解建模的結(jié)果形成初步的作戰(zhàn)行動(dòng)清單［9］。以某地面無人作戰(zhàn)平臺(tái)城市道路偵察突擊作戰(zhàn)為例，采用IDEF0 方法，可構(gòu)建如圖3 所示的作戰(zhàn)行動(dòng)分解結(jié)構(gòu)。

圖3 基于IDEF0 方法的作戰(zhàn)行動(dòng)分解示例

3.1.2 基于分解的作戰(zhàn)能力建模

依據(jù)能力構(gòu)想（CV-1） 分解生成能力分類（CV-2），是對(duì)宏觀的作戰(zhàn)目標(biāo)（或效果）的具體化。由于信息網(wǎng)絡(luò)的支撐作用，網(wǎng)絡(luò)中心化的作戰(zhàn)體系其能力指標(biāo)往往是網(wǎng)絡(luò)化的指標(biāo)體系，而不宜采用層次型的指標(biāo)體系［10］。根據(jù)前述復(fù)雜體系研究中還原論與整體論的關(guān)系可知，在能力需求建模中，首先，應(yīng)根據(jù)作戰(zhàn)能力的特點(diǎn)或用途進(jìn)行分解；然后，應(yīng)根據(jù)作戰(zhàn)能力之間的關(guān)系進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。以某小型地面無人作戰(zhàn)集群作戰(zhàn)能力分解為例，可形成如圖4 所示的網(wǎng)絡(luò)化能力結(jié)構(gòu)。

圖4 能力分解結(jié)構(gòu)示例

3.1.3 基于分解的力量編組建模

作戰(zhàn)力量編組具有顯著的層級(jí)結(jié)構(gòu)，采用作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)描述（OV-2）和組織關(guān)系圖（OV-4）模型。某無人分隊(duì)城市戰(zhàn)斗作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)描述（OV-2）如圖5 所示。

圖5 無人分隊(duì)城市戰(zhàn)斗作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)描述（OV-2）模型

3.1.4 基于分解的裝備體系建模

武器裝備體系的分解建模，采用系統(tǒng)接口描述（SV-1）和系統(tǒng)功能描述（SV-4）模型。其中，系統(tǒng)接口描述（SV-1）主要用于說明裝備體系的裝備種類構(gòu)成及其相互之間的關(guān)系。

某作戰(zhàn)分隊(duì)控制中心、偵察無人機(jī)、爬壁機(jī)器人和火力打擊系統(tǒng)4 類裝備及其相互關(guān)系的系統(tǒng)接口（SV-1）模型如圖6 所示。

圖6 某作戰(zhàn)分隊(duì)裝備體系構(gòu)成及關(guān)系

3.2 映射關(guān)聯(lián)方法

通過建立能力與作戰(zhàn)行動(dòng)矩陣（CV-6）和作戰(zhàn)行動(dòng)與系統(tǒng)矩陣（SV-5b）2 類映射模型，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)域與能力域、作戰(zhàn)域與裝備域的關(guān)聯(lián)映射，即能力需求牽引作戰(zhàn)行動(dòng)設(shè)計(jì)，作戰(zhàn)行動(dòng)牽引武器裝備設(shè)計(jì)，武器裝備支撐作戰(zhàn)行動(dòng)實(shí)施，作戰(zhàn)行動(dòng)實(shí)施滿足能力需求，如圖7 所示。

圖7 基于映射的能力域、作戰(zhàn)域和裝備域關(guān)聯(lián)

3.2.1 能力與作戰(zhàn)行動(dòng)映射

以作戰(zhàn)行動(dòng)分解生成的作戰(zhàn)行動(dòng)清單和作戰(zhàn)能力分解提出的能力需求清單為輸入，采用二維矩陣方式，按照作戰(zhàn)行動(dòng)的層次和能力需求的層次逐層構(gòu)建關(guān)聯(lián)矩陣，以確認(rèn)作戰(zhàn)行動(dòng)產(chǎn)生的作戰(zhàn)能力是否與能力需求匹配。

某城市作戰(zhàn)中爬壁機(jī)器人潛入室內(nèi)實(shí)施火力偵察引導(dǎo)打擊的能力與作戰(zhàn)行動(dòng)映射矩陣如表2所示，“√”表示作戰(zhàn)行動(dòng)與能力需求之間存在映射關(guān)系，否則，表示無映射關(guān)系。

3.2.2 作戰(zhàn)行動(dòng)與武器裝備映射

以作戰(zhàn)行動(dòng)分解提出的作戰(zhàn)行動(dòng)清單和提出的武器裝備體系構(gòu)成清單為輸入，采用二維矩陣方式，選擇合適層次的作戰(zhàn)行動(dòng)與武器裝備構(gòu)建關(guān)聯(lián)矩陣，以確認(rèn)關(guān)鍵作戰(zhàn)行動(dòng)均已獲得合理的武器裝備支持。某城市作戰(zhàn)火力偵察引導(dǎo)打擊的作戰(zhàn)行動(dòng)與武器裝備映射矩陣如下頁表3 所示，“√”表示作戰(zhàn)行動(dòng)與武器裝備之間存在映射關(guān)系，否則，表示無映射關(guān)系。

3.3 交互優(yōu)化方法

針對(duì)作戰(zhàn)行動(dòng)之間的交互特征，建立作戰(zhàn)行動(dòng)交互模型（即作戰(zhàn)活動(dòng)模型OV-5b），確認(rèn)作戰(zhàn)行動(dòng)之間的制約或協(xié)同關(guān)系，實(shí)現(xiàn)由要素（或分系統(tǒng)）向體系整體的聚合涌現(xiàn)。

某城市作戰(zhàn)分隊(duì)的作戰(zhàn)行動(dòng)交互模型如圖8所示，反映了不同作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)（力量編組）遂行作戰(zhàn)行動(dòng)的邏輯關(guān)系。

表2 能力與作戰(zhàn)行動(dòng)映射矩陣舉例

表3 作戰(zhàn)行動(dòng)與武器裝備映射矩陣舉例

圖8 某城市作戰(zhàn)分隊(duì)作戰(zhàn)活動(dòng)模型（OV-5b）

4 結(jié)論

作戰(zhàn)概念設(shè)計(jì)是系統(tǒng)挖掘地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)需求的重要手段，設(shè)計(jì)效果的優(yōu)劣直接決定了地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)需求提出的準(zhǔn)確程度，進(jìn)而影響地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制和作戰(zhàn)運(yùn)用。基于體系結(jié)構(gòu)框架方法，以結(jié)構(gòu)化建模方式替代傳統(tǒng)的文檔描述方式，實(shí)現(xiàn)了地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)概念關(guān)鍵要素，及其關(guān)系的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)和半定量化分析，提高了作戰(zhàn)概念設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)性。由于地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)種類繁多，不同類型的地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)運(yùn)用需求差異很大，針對(duì)特定類型地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的預(yù)期技術(shù)特征和功能用途，有針對(duì)性地創(chuàng)造作戰(zhàn)需求并設(shè)計(jì)作戰(zhàn)概念，才能取得較好設(shè)計(jì)效果。