基于體系結構設計的空戰系統任務元模型建模

高 悅, 茹 樂, 遲文升, 周 慶

(1.空軍工程大學裝備管理與無人機工程學院, 陜西 西安 710051;2.中國航空無線電電子研究所航空電子系統綜合技術重點實驗室, 上海 200030)

0 引 言

空戰作為空軍作戰的主要樣式,近年來空戰需求不斷提升,特別是在高新技術的推動下,戰爭形態發生深刻變革,現代空戰逐步形成了一個較為完備的空戰體系架構[1]。隨著分布式作戰[2]、有人/無人機協同作戰[3]、多域戰[4]等新型作戰概念的提出,空戰的體系架構和組成形態不斷更迭和變化。由于空戰系統本身具有復雜性和涌現性,難以通過抽象的數學模型精確描述和準確預測空戰體系的行為特征和發展態勢,而強調體系對抗的體系結構設計方法能夠從復雜空戰中抽取參與要素、邏輯關系和行為結構等關鍵特征,為綜合化、智能化、自主化的空戰系統的頂層設計提供分析來源和驗證依據[5]。

為保證復雜軍事系統開發的規范性,各國先后提出了指導體系結構設計的產品,如C4ISR(command, control, communication、computer, intelligence, surveillance and reconnaissance)自動化指揮系統架構規范2.0、美國國防部體系結構框架(department of defense architecture framework,DoDAF)(DoDAF 1.0,1.5,2.0版)[6-8]、英國國防部體系結構框架(ministry of defense architectural framework, MoDAF)(MoDAF 1.2版)[9]等,這些框架通過多視圖方法論的核心思想統一了武器裝備系統的需求描述格式[10],從而規范了體系架構設計,但設計人員多采用不同的建模語言進行需求描述如SysML、UML等,不同的描述語言都有各自的描述規范,容易形成系統設計的交互壁壘;并且即使對同一系統采用相同產品的描述規范,由于設計人員對產品的經驗和理解差異,仍然可能選用不同的建模方法和工具如IDEF、BPMN,使得所建模型缺乏格式一致的數據基礎,難以交換和重用[11]。目前,國內外對于武器裝備體系作戰任務建模相關研究成果頗豐,如基于UML、基于IDEF的任務模型[12-15]和基于DoDAF的裝備體系任務模型[16],這些方法提高了體系任務仿真建模的科學性,但存在以下不足:① 上述方法主要針對各自目標任務,缺乏通用性,當任務需求變化時,所建模型便難以適用,造成大量重復性勞動和建模成本的增加;② 未將模型設計作為系統設計的核心,缺乏模型驅動的理念;③ 沒有處理好所應用作戰概念下體系設計各階段模型數據之間的迭代關系[17]。

面對空戰環境復雜化、作戰樣式多元化、作戰概念體系化的發展趨勢,本文利用基于模型的系統工程(model based systems engineering,MBSE)方法替代傳統以文檔為中心(document centric,DC)的系統方法對統一在一個體系結構框架的空戰系統進行體系結構設計,從典型使命任務出發,結合DoDAF元模型(DoDAF meta-model,DM2),采用源圖軟件進行任務架構快速開發，以超視距(beyond visual range,BVR)空戰系統為例，構建智能空戰系統的通用任務元模型，從而適應未來空戰不同作戰概念下的組成形態和體系架構的更迭變化,在保證模型底層數據關聯性、完備性和一致性的基礎上,解決系統作戰設計邏輯難以執行驗證等問題,實現作戰概念需求引導下作戰任務模型的快速組合及復用,為作戰任務需求關聯、傳遞到空戰系統功能設計奠定基礎。

1 基于體系結構設計的任務元模型建模

1.1 任務元模型概念

元模型并非新生事物,從系統架構設計方法向基于模型的方法轉變的時候,元模型概念就應運而生。在不同領域根據需要,建立該領域相對應的建模語言及建模環境,能夠從建模效率、復用機制、規范化表達、需求一致性等多個維度保證需求質量。任務元模型是用來定義和刻畫使命任務領域建模語言的一種模型,相當于提供了適用于該領域的標準語法和語義[18],本質上是在軍事作戰系統的體系結構設計過程中依據框架標準建立起的具有嚴謹邏輯規則的數據要素,并且定義了專業術語的底層數據存儲規范,可有效積累和幫助迭代優化論證的數據資源形成權威的任務資源庫,如圖1所示。在軍事系統信息化設計過程中,為了消除對元模型的“經驗式”定義和“認知不確定性”使用,在國際國防企業體系結構規范(international defense enterprise architecture specification,IDEAS)指導下構建的“以數據為中心”的DM2代替了以框架為基礎開發的核心體系結構數據模型(core architecture data model,CADM),將可復用的最小單元變為數據,提高了描述復雜事物本質的科學性,降低了需求論證的難度[19]。基于體系結構設計的空戰系統任務元模型構建以DM2為基礎,結合體系結構視圖描述,引入具有使命任務特點的新元素,能夠有效減少空戰系統仿真模型的復雜性而保持仿真結果有效性,為建立可執行、可驗證、可重用的空戰系統使命任務模型提供了數據支撐和邏輯基礎。

圖1 空戰系統任務設計原理

1.2 體系結構模型構建

作戰體系結構設計是以實現預期使命任務為目的,在作戰概念指導下自上而下地進行作戰體系能力需求的逐層分解與分析以及自下而上地作戰能力獲取的過程,具體體現為利用統一框架提供的模型采集特定數據,映射DM2的實體、關系和屬性,形成視圖的過程。體系結構模型構建是在體系結構分析和設計的基礎上,將復雜抽象系統的體系結構數據歸納為多個相互聯系的、可視化的、便于管理的視圖模型。描述一個完整的作戰體系結構,具備完整的數據,條件是生成任務元模型的基礎。進行體系結構建模應考慮3個方面,即確定體系結構用途,確定體系結構范圍和確定支持體系結構開發所需的數據[20]。本文根據DoDAF 2.0的框架,利用DM2提供的邏輯數據模型、概念數據模型和物理交換規范,結合多視圖理論[21-22]和空戰系統分析設計經驗對空戰系統任務執行流程及任務樣式進行分析和抽象,提出一套多視圖體系結構建模方法,對空戰系統體系結構需求描述加以捕獲,進行體系結構數據的采集和組織,分別從作戰概念、能力和任務3個方面開展體系結構模型的構建,具體構建流程如圖2所示。

圖2 基于體系結構設計的任務元模型構建流程

1.2.1 作戰概念建模

作戰概念是對某時空下的某一類作戰問題的本質特征加以抽象概括并采取應對措施的總結,是體系結構設計的頂層概念,是作戰體系存在的根本和基礎。作戰概念建模應該包括3類要素,即作戰問題的描述、作戰問題的解決和作戰能力需求。作戰概念建模主要內容如圖3所示。作戰問題的描述根據典型的任務場景,進行作戰全背景分析,分析出作戰時間、作戰區域、作戰目標、威脅對象、戰場環境等綜合作戰要素,形成目標線,即根據目標預期打擊效果形成任務完成標準。作戰問題的解決是由不同裝備為共同達成某個作戰目標,實現預期打擊效果而進行一系列相互聯系作戰活動的有序集合。作戰問題的解決從作戰成分的拆解開始,明確作戰方向、對抗手段(軟/硬殺傷)、作戰策略、作戰周期,根據描述的作戰過程中雙方殺傷鏈對抗方式,形成作戰決策產生的作戰線;作戰能力需求建立在作戰問題的描述與作戰問題的解決的基礎上,遵循觀察、定位、決策、行動(observation,orientation,decision and action,OODA)環理論,對執行任務場景所產生的“任務-活動”進行分析,根據預期打擊效果,調整各作戰節點的作戰活動,逐條完善每個細分任務節點的應用能力需求,得出使命任務矩陣。

圖3 作戰概念建模主要內容

1.2.2 能力視圖建模

作戰能力視圖建模是根據作戰概念的建模分析結果進行作戰能力分析。作戰能力關注的是為完成某項作戰任務而所需具備的某種作戰屬性,從作戰體系中來,并回歸到武器裝備。作戰能力視圖建模是作戰體系結構需求開發的核心,在體系結構設計中實現作戰概念建模到任務視圖建模的過渡。從對作戰體系的頂層能力進行分析開始,明確作戰全生命周期各階段依賴的作戰武器系統的能力需求,并將抽象的體系能力需求逐步細化和分解,得到具體的底層子能力需求,理清能力依賴關系,考慮不同時間點內計劃到達的能力,進行能力階段劃分。通過作戰能力分析,可構建一整套體系能力視圖模型,展示體系的能力構想、能力分解、能力依賴關系等,為后續完成任務到能力的映射,形成對應的能力需求目錄提供依據。

1.2.3 任務視圖建模

任務視圖建模依據作戰概念建模的使命、任務分析結果和作戰能力分析結果,主要分析從作戰層面需要哪些作戰單元來共同達到體系能力需求,作戰單位如何完成作戰任務、展現作戰能力并將作戰任務與各作戰單元進行關聯,以及為完成作戰使命所需執行的作戰活動。然后分析作戰模型中模型屬性和作戰屬性既定的約束條件,并基于約束條件考慮在實戰對抗因素下的體系作戰流程設計,最后分析作戰單位所執行的各個狀態之間的遷移關系,使不同作戰單元能夠相互配合完成相應作戰任務,得到作戰單元的作戰活動、時序、接口關系,狀態轉換規則等。根據不同的作戰場景,可以構建不同的任務視圖。

1.3 任務元模型生成

依據作戰體系建模的實際過程獲取作戰體系任務需求中的核心概念,生成任務元模型,本質上就是提取任務相關的核心數據要素。DoDAF2.0將底層數據分為12大類,包括目標、能力、活動、執行者、服務、資源流、信息和數據、項目、訓練/技能、規則、度量和位置。為確保得到滿足需求的作戰任務體系結構需求的任務元模型,需要建立起語義完備的核心數據要素關系指導任務元模型的生成[5]。標準關系“5W1H”,即執行者(WHO)、特定位置(WHERE)、特定時刻(WHEN)、目的(WHY)、資源或事件(WHAT)和行動(HOW)描述了體系結構建模的6個不同方面,天然構成了體系結構數據要素分類模型,如表1所示,通常可以概括性的表述為:執行者為達成某種目的在特定位置和特定時刻下采取某種行動,產生資源或發生事件。本文根據視圖模型的任務關鍵特征及描述,圍繞標準關系5W1H,抽取任務核心數據要素,包括使命任務、作戰事件、作戰活動、作戰接口、人員類型、作戰單位狀態轉換,如圖4所示。以使命任務、作戰活動和作戰接口為例,使命任務數據組是任務元模型層中與某種作戰概念下的具體使命任務相關的基本術語的集合,能夠指導與具體作戰階段所要達成的作戰目標相關的數據的收集和邏輯關系分析,用于描述使命任務制定相關的高層次數據,回答了作戰體系任務需求WHY的問題。作戰活動數據組就是任務元模型層中與為完成某種使命任務,達成作戰目標的行動相關的基本術語的集合,能夠指導與具體作戰活動相關的數據的收集和邏輯分析,用于描述作戰活動的執行方式,回答了作戰體系任務需求HOW的問題。作戰接口數據組就是任務元模型中與作戰節點之間連接和信息交互相關基本術語的集合,能夠指導與作戰指令、作戰資源信息和數據連接、交互相關的數據的收集和邏輯分析,用于描述信息和數據的連接和交互方式。

表1 底層數據與標準關系

圖4 數據要素抽取過程

2 DoDAF產品的選用及實現步驟

DoDAF2.0將體系結構劃分成了8個視圖,包括全景視圖(all viewpoint,AV)、能力視圖(capability viewpoint,CV)、作戰視圖(operational viewpoint,OV)、系統視圖(system viewpoint, SV)、項目視圖(project viewpoint,PV)、標準視圖(standards viewpoint,StdV)、數據與信息視圖(data and information viewpoint,DIV)和服務視圖(services viewpoint,SvcV)。不同的視圖分別以不同的形式反映體系結構的不同側面,如以呈現形態為標準可分為表格型、結構型、矩陣型、圖片型等,以是否包含時間要素為標準可分為靜態型和動態型等。根據作戰概念建模、作戰能力視圖建模和任務視圖建模的體系結構模型構建思路,選則DoDAF產品中的全景視圖、能力視圖、作戰視圖數據與信息服務視圖建立體系結構模型,針對使命任務的分析需求,增加對DoDAF框架的擴展視圖執行強化視圖(execute viewpoint,EV),分別為使命任務分解視圖EV-1和使命任務-能力矩陣視圖EV-2,通過這些視圖的構建,最終描述一個完整的作戰概念系統體系結構。GJB/Z 156—2011《軍事電子信息系統體系結構設計指南》提出在一般情況下根據產品的依賴關系的體系結構產品的基本邏輯開發順序[20],即從總體描述開始,在完成對作戰能力需求分析的基礎上進行系統作戰活動、數據描述與映射等分析與設計工作[23]。體系結構建模的具體實施步驟如下。

步驟 1根據作戰概念,進行作戰問題描述和解決,形成作戰能力需求,明確作戰體系總體架構,建立AV-1和OV-1;根據使命任務分解情況描述任務組成和層級關系,建立EV-1和OV-4。

步驟 2給出作戰全生命周期各階段體系結構需要的所有能力,建立CV-1;細化和分解體系能力,規劃能力層次和依賴關系,分別建立CV-2、CV-3和CV-4。

步驟 3建立EV-2,描述使命任務與作戰能力的映射關系。

步驟 4描述作戰活動間層次關系和輸入輸出關系,形成階段性作戰活動模型,建立OV-5a、OV-5b;組織作戰節點信息、資源交互,建立OV-2、OV-3;確定約束作戰節點完成作戰使命和作戰活動的業務規則,建立OV-6a;建立OV-6c和OV-6b定義作戰節點關鍵作戰事件的時序特征和作戰活動的變化過程。

步驟 5建立CV-6,通過建立能力和作戰活動的映射矩陣,描述作戰能力與作戰活動的映射關系,形成能力需求目錄。

步驟 6根據建立的體系架構模型,生成全局數字字典AV-2,描述整個體系架構中的術語與數據。

綜上,得到如圖5所示的任務元模型體系結構設計序列。

圖5 體系結構設計序列

3 BVR空戰系統體系結構設計

在新技術推動下,超視距(beyond visual range,BVR)空戰成為現代空戰的主流趨勢[24]。BVR是一種在視距范圍之外,戰機通過機載傳感器對目標進行探測鎖定,并使用中遠程空空導彈進行打擊的一種空戰模式。本文選取戰斗機及其作戰體系為對象,通過研究戰斗機在預警機支援下,單機突入敵前線縱深,利用隱身、超音速等能力帶來的攻擊優勢,消滅對方護航編隊的同時對對方預警機實施超視距打擊的作戰過程,設計BVR空戰體系結構,實現空戰系統任務元模型的構建。由于篇幅限制,本文選取部分體系結構建模過程進行說明。

3.1 BVR空戰概念建模

3.1.1 概述和摘要信息

概述和摘要信息AV-1是根據BVR空戰概念建模形成的文字說明,通過著重說明作戰區域、作戰環境、作戰時間、威脅目標以及作戰決策產生的使命任務等綜合作戰要素的具體內容,詳細刻畫了作戰想定,如圖6所示。

圖6 概述和摘要信息視圖

3.1.2 高級作戰概念圖

高級作戰概念圖OV-1是在作戰概念建模成果的基礎上對AV-1作戰全局背景描述和架構概覽的勾畫,是BVR空戰作戰概念下空戰系統的總體設計。如圖7所示,從任務執行層面以高層次圖形給出了BVR空戰想定的解決方案,包括空戰系統各個作戰單元以及各單元之間的信息數據的交互情況。我方預警體系捕獲對方情報后,地面指揮中心和預警機進行協同任務規劃和任務分配;預警機獲取戰斗機指揮控制權,進行態勢感知、航路規劃和突防引導;戰斗機突破對方邊界后識別、跟蹤、鎖定對方預警機及護航編隊進行超視距打擊。

圖7 高級圖形作戰概念圖

3.2 BVR能力視圖建模

3.2.1 能力構想視圖

能力構想視圖CV-1描述了體系作戰能力的戰略背景和高層范圍。如圖8所示,在BVR空戰概念分析下,將體系架構生命周期劃分為地面準備、起飛組編、引導飛行、突入領空、探測識別、超視距攻擊和返航7個體系發展階段,對各個階段能力需求進行概括總結,得出任務規劃、指揮控制、通信、目標感知、火力打擊、防御、保障和機動8項一級能力,并建立階段與能力之間的歸屬關系。

圖8 能力構想視圖

3.2.2 能力分解視圖

能力分解視圖CV-2是從能力范圍出發對能力進行逐層分解,得到能力要素即底層子能力,建立能力結構樹,描述了能力的層級和組成關系。如圖9所示,以目標感知能力為例,突襲戰斗機能夠獨立或聯合搜索目標,根據搜索信號建立目標跟蹤,滿足態勢需求。所以將一級目標感知作戰能力進行細化分為目標定位、目標跟蹤、目標識別、威脅評估、綜合信息顯示和威脅告警6項二級能力,再將目標識別劃分為雷達識別、紅外識別、SAR識別和可見光識別4項三級能力。

圖9 能力分解視圖(節選)

3.2.3 能力依賴視圖

在對BVR空戰系統體系作戰能力分解的基礎上通過能力依賴視圖CV-4的構建,明確體系作戰能力之間的邏輯依賴關系。突襲戰斗機以數據鏈路作為通信支撐,在預警機的指揮引導下進行突防打擊,對敵方目標進行無源探測獲得位置信息后融合預警機態勢信息,形成機上引導方式,通過機動戰術占位獲取攻擊有利條件,在雷達識別鎖定目標后發射遠程導彈實施超視距打擊。如圖10所示,火力打擊能力依賴于通信能力、目標感知能力、指揮控制能力和機動能力。

圖10 能力依賴視圖

3.3 BVR任務視圖建模

3.3.1 作戰活動視圖

根據BVR空戰的使命任務和能力需求,建立作戰活動模型OV-5b。OV-5b主要描述了BVR空戰作戰單位之間的控制流和數據流,直觀地表達了復雜的作戰業務邏輯。圖11展示了活動模型中突襲戰斗機實施突防打擊對方目標的主要過程,規范了各作戰單元參與的作戰活動及作戰活動間關系的描述。突襲戰斗機到達對方領地邊界后,預警機實施威脅評估并生成突防方案;戰斗機在預警機的飛行引導下,以超音速巡航并快速接近目標;對方預警機發現后,指揮對方護航編隊對戰斗機實施攔截;戰斗機在組合探測和抗電子干擾能力的支持下,對對方編隊和預警機進行多目標跟蹤、鎖定和超視距打擊,并評估打擊結果。

圖11 作戰活動模型(子圖)

3.3.2 作戰事件跟蹤描述視圖

在確定了BVR空戰各作戰單位作戰活動的基礎上,依據作戰活動規則約束構建OV-6c,通過追蹤作戰單位之間的事件交互,生成各作戰單位隨著時間推移,按因果關系響應外界觸發的序列。如圖12所示,梳理了地面預警、突襲戰斗機、預警機、對方地面預警、對方護航編隊和對方預警機各節點作戰事件和信息交換的順序關系。

圖12 作戰時序描述

3.3.3 作戰狀態轉換視圖

在OV-6c的基礎上,通過建立作戰狀態轉換描述OV-6b來反映某一作戰節點的動態行為。每個節點的下一個狀態取決于當前狀態和所接收的事件或進行的操作,可以用于檢查作戰方案的合理性和可實現性。BVR空戰系統體系架構設計包含地面預警、地面指揮所、突襲戰斗機、預警機、對方地面預警、對方護航編隊和對方預警機7個實體模型的狀態轉移設計,突襲戰斗機作為主要的BVR打擊主體,其作戰狀態轉換視圖如圖13所示。

圖13 突襲戰斗機作戰狀態轉換描述

3.4 擴展視圖執行強化視圖

在能力視圖建模的基礎上,建立使命任務和能力映射矩陣的擴展視圖EV-2,如圖14所示,強化了BVR空戰概念分解下不同作戰任務與能力的關聯關系,驗證所提出的作戰能力的歸屬性,明確作戰全生命周期各階段對各作戰能力的依賴程度和各作戰能力在各階段的需求次數。

圖14 使命任務-能力矩陣視圖(節選)

3.5 BVR空戰體系結構的可執行驗證

源圖軟件具備代碼自動生成和事件處理引擎技術,可實現模型的可執行可驗證操作。利用軟件完成對裝備能力、外部接口、作戰流程、作戰狀態等模型化描述,通過代碼自動生成技術,驗證模型的邏輯正確性;通過事件處理引擎,對時序圖中運用過程進行推演、對活動分支進行邏輯判斷、對狀態圖的遷移結果進行測試仿真,如對OV-6b、OV-6c等模型進行結構對比和生成OV-6c動態時序圖完成體系結構模型邏輯自洽性驗證,檢測體系結構邏輯功能的一致性和完整性。

4 模型架構快速組合、驗證和復用

基于作戰體系建模生成任務元模型,通過提取模型的特征數據,構建任務元模型庫,如圖15所示。對抗作戰中,戰場態勢快速變化,但對于不同的作戰任務,可能有相同的作戰能力進行支撐,面向任務動態調整,梳理作戰流程,可以確定作戰活動與能力的匹配關系,后續可采用數據引用的方式,基于任務元模型庫選出任務相關作戰事件、活動、接口等任務要素,在作戰概念指導下快速構建任務視圖模型,實現作戰體系結構快速集成。

圖15 任務元模型庫

DARPA為奪取未來空戰優勢提出分布式空中作戰概念,如美軍“體系集成技術試驗”項目,旨在將高性能、高成本、多功能的有人戰機的各類空戰能力分解到大量低成本的自主無人機上,構建由少量高性能有人機和大量自主無人機組成的作戰體系,希望以較低成本實現更高作戰優勢[25]。現有作戰場景:高性能戰斗機指揮控制4架無人機執行空空作戰,前端的兩架無人機對敵防空系統開展分布式電子攻擊,后端的兩架無人機進行偵察和打擊任務。針對該場景,在BVR超視距空戰生成的任務元模型庫中選出電子對抗任務要素賦予前端兩架無人機;提取雷達探測、目標識別和火力打擊任務要素賦予后端兩架無人機;提取超音速巡航、雷達探測、火力打擊和指揮控制等任務要素賦予戰斗機,完善作戰流程,并進行可執行驗證,實現任務模型架構快速構建。

5 結束語

本文提出了一種在DoDAF2.0標準框架下,通過作戰概念建模、能力視圖建模和任務視圖建模,生成任務元模型的體系結構模型構建方法,以包含典型空戰任務特征的BVR空戰為例,得到BVR空戰系統任務元模型,并生成任務元模型庫。該方法以模型驅動思想為指導,能夠實現作戰概念需求引導下作戰任務模型架構的快速構建,有效適應戰場態勢變化和任務需求變化,減少重復性建模成本。