反导作战预案形式化建模研究*

范海雄，刘付显，邹志刚

(空军工程大学防空反导学院，陕西西安 710051)

0 引言

弹道导弹凭借其高速运动特性，对防御它的武器系统在作战决策的实时性和准确性方面提出了很大的挑战。但由于弹道导弹整个飞行过程具有相对固定弹道，保卫目标和防御资源部署有重点、有选择等特性，使得通过战前作战预案制定和战时预案应用等环节，来提高决策的实时性和准确性成为一种有效的解决策略［1-2］。该策略中作战预案是问题解决的关键和首要条件。近年来，针对军事领域作战计划(或方案)形式化建模和描述的研究，主要涉及海上编队作战［3］、作战工程保障［4］、联合作战计划［5］和空军进攻作战计划［6］等领域，应用的建模方法和语言主要包括XML(extensible markup language)［6］，SysML(systems modeling language)［7］和UML(united modeling language)［8］等。

但目前专门针对反导作战预案形式化建模的研究还很少，且现有文献资料都将建模和验模作为相互独立的环节，忽略了建模过程中模型验证的必要性和实际意义。本文以反导作战预案形式化建模的军事需求为牵引，在分析反导作战预案关键要素的基础上，结合系统建模语言(SysML)［9-10］，OWL_DL(web ontology language_description logic)［11］和基于案例标记语言(case-basedmarkuplanguage，CBML)［12］等形式化建模语言和工具，研究了反导作战预案形式化建模方法和模型一致性验证环节。

1 反导作战预案形式化描述方法

1.1 现有方法问题分析

根据所研究的作战领域不同，现有文献资料对作战计划和案例提出了相应的形式化建模的流程及方法，但这些方法尚存在如下问题:

(1)均以非完全形式化语言为建模基础和描述工具，由于其缺乏精确的形式语义，所建模型各视图间容易产生不一致性和冗余性［13］。

(2)作战计划和方案涉及因素种类众多、关系复杂，对其建模是一项系统的工作，模型中存在的问题完全靠系统工程师来发现和解决是一项不现实的工作［14］。且现有方法都将建模和验模相互分离，这无形中增加了建模和验模人员间的沟通环节，增加了模型构建的时间，降低了建模的效率。

1.2 具有模型验证环节的建模方法设计

针对现有方法的不足，本文在分析总结现有形式化建模语言的基础上，采用SysML和CBML建模语言，并充分利用OWL_DL语言语义表达和逻辑推理能力，提出了一种具有模型一致性验证环节的预案形式化建模方法，其流程如图1所示，具体包括以下步骤:

图1 反导作战预案形式化建模流程Fig.1 Antimissile preparative solution formal modeling flow

(1)预案概念因素分析

从分析反导作战预案的应用流程出发，研究反导作战预案的关键要素，提炼与反导作战预案相关的重要军事概念，为下一步进行反导作战预案概念层建模奠定物质基础。

(2)基于SysML的概念层建模

以SysML为建模工具，在定义预案概念及要素向SysML模型转化规则的基础上，构建反导作战预案概念的定义块图，界定各要素间关系，并确定要素所涉及的数据类型。

(3)基于OWL_DL本体的概念模型验证

以OWL_DL为本体描述语言，根据所给出的SysML块定义图向描述逻辑转化的映射规则，构建反导作战预案概念本体模型，并应用本体推理机进行概念一致性验证。若模型不完善，则返回(2)修改概念模型;若完善，则进入下一建模环节。

(4)基于CBML的预案逻辑层和物理层建模

以CBML为预案数据形式化表达的指导，在定义SysML向XML Schema转化的影射规则的基础上，构建反导作战预案的XML Schema文件，并以模式文档结构为依据，生成反导作战预案形式化内容文档。

2 反导作战预案分析

2.1 反导作战预案及其应用过程

定义1 反导作战预案是指通过场景设定、初步方案设计、仿真验证和评估优化等环节得到，以传感器任务规划和火力任务规划决策子方案为核心内容，为反导作战提供决策支持的关于反导作战行动实施的具体设想。

在实时反导作战中，作战管理系统依据来自预警卫星和远程预警雷达等预警装备的前期预警信息，确定弹道目标的种类、数量、运动轨迹和预测落点等目标特性，并根据这些信息和上级任务信息，在预案库中迅速进行预案匹配。在得到最相似预案的情况下，通过案例修改环节得到最终的作战方案;若没有对应预案，则通过快速实时规划和修改得到最终作战方案，其具体应用流程如图2所示。

图2 反导作战预案应用过程Fig.2 Antimissile preparative solution using process

2.2 反导作战预案要素分析

作为实际行动的具体设想，反导作战预案与其他作战方案和作战计划相比，其更加注重对于来袭目标、上级任务、传感器和火力单元决策规划等要素的描述，主要包括如下几个方面:

(1)预案说明(Case_Annotation)

主要包括预案的编号、名称、类型、制定的时间和单位等说明，以此区别不同的预案，便于案例的应用。

(2)上级任务(Superior_Tasks)

主要包括需要防御的重要点目标和区域目标的编号、主要威胁方向和防御等级等，用于描述反导作战预案需要完成的上级指定任务。

(3)来袭目标(Attack_Objectives)

主要包括目标编号、类型和目标特性等的描述，其中，目标特性涉及发射点、预测落点、再入角、末速度、诱饵类型、突防和干扰方式等。

(4)作战实体(Combat_Entities)

分为传感器(制导雷达和预警雷达等)和火力单元(高低2层拦截武器系统)2个子类，主要包括实体的编号、类型，部署情况、战备状态、实体关系(指挥、控制和通信等)、组织编成和战技指标(制导精度、杀伤概率、高低界、远近界、转火时间、发射间隔)等。

(5)预期效果(Expectant_Effect)

用于描述预案能够达到效果的期望结果，主要包括拦截概率和探测概率。

(6)传感器规划(Sensor_Programme)

是指根据作战任务、资源条件和规划原则，对参与反导作战传感器实体的各任务环节进行决策优化，并输出最优传感器任务序列。主要包括传感器的部署、协同目标探测跟踪(探测时间、空间和协同原则)、协同识别(识别时机和融合方法)、制导引导方式以及与其他实体的交互关系等。

(7)火力规划(Firepower_Programme)

是指对反导作战火力单元实体的各任务环节进行决策优化，并输出最优火力拦截任务序列。主要包括火力单元部署、拦截策略、拦截方法(如:评估后拦截、边评估边拦截、下放拦截等)、目标分配(拦截时机、火力/目标编号等)、发射决策(包括发射方式、干预方式等)以及各单元之间组织交互关系等。

(8)最终效果(Effectivenss_Describe)

描述作战预案结果和实际效能(传感器协同效能和火力单元拦截效能)等。

3 反导作战预案形式化描述

3.1 基于SysML的案例概念层建模

从预案匹配和修改等具体流程看，反导作战预案应用类似于基于案例推理(case-based reasoning，CBR)中案例的应用过程。在CBR中案例的表示一般分为案例情景、解决方案和方案结果描述三大部分［15］。借鉴CBR系统中案例表达的方法，结合反导预案要素的特点，将整个反导作战预案的结构概括为:①预案注释(即预案说明);②预案情景描述(包括上级任务、来袭目标、预期结果和作战实体);③预案解决策略描述(包括火力任务规划和传感器任务规划方案);④预案结果描述(即最终结果描述)。

为在SysML块定义图中正确表达反导作战预案的要素及其关系，需要建立要素和块定义图元素之间的对应关系。本文定义并采用表1的对应规则，将反导作战要素在SysML块定义图中进行描述，其具体如图3所示。

3.2 基于OWL_DL的概念层模型验证

在建立反导作战预案SysML块定义图模型的基础上，针对SysML作为一种半形式化建模语言，没有精确的形式化语义，使所建模型中容易产生不一致性的缺点，本文采用OWL_DL语言建立反导作战预案概念的本体模型，并进行模型的语义一致性验证，其中，SysML块定义图向OWL_DL本体模型转化的规则如表2所示。

表1 反导作战预案要素和SysML块定义图的对应规则Table 1 Corresponding rules of solution elements and SysML blocks

图3 基于SysML块定义图的反导作战预案描述Fig.3 Antimissile preparative solution description based on SysML block

为说明基于OWL_DL的概念模型验证方法的有效性，以反导作战预案中拦截打击系统和来袭目标相互关系的块定义图为例。现假设两者的关系如图4所示，其中拦截打击系统和来袭目标各含有2个泛化关系。

图4所示的关系结构可用OWL_DL语言描述为:

High_Level_Anti-Missile_System⊆Interceptor_Kill_System

图4 拦截系打击系统和来袭目标的相互关系Fig.4 Relation between anti-missile system and attack target

Low_Level_Anti-Missile_System⊆Interceptor_Kill_System

TBM⊆Attack_Objective

Aerodynamics_Objective⊆Attack_Objective

High_Level_Anti-Missile_System≡{Interceptor_Kill_System∩∀intercept.TBM}

Low_Level_Anti-Missile_System≡{Interceptor_Kill_System∩∀intercept.(Aerodynamics_Objective∪TBM)}

表2 SysML块定义图向OWL_DL本体转换的映射规则Table 2 Corresponding rules of SysML blocks and OWL_DL ontology SysML

对上述关系应用Racer推理机自带一致性验证模式进行验证，推理后弹出如图5所示提示，表明高层反导武器系统在概念上存在不一致性。经分析发现，低层反导武器系统的概念涵盖了高层反导武器系统的概念，即现有模型表达中两者之间不是相互独立的类属关系，这与实际不符。在实际作战中，高低两层反导武器系统间的相互协同(cooperate)关系在模型定义中被忽略。

增加协同关系后的正确模型用OWL_DL语言描述为:

High_Level_Anti-Missile_System⊆Interceptor_Kill_System

Low_Level_Anti-Missile_System⊆Interceptor_Kill_System

TBM⊆Attack_Objective

Aerodynamics_Objective⊆Attack_Objective

High_Level_Anti-Missile_System≡{Interceptor_Kill_System∩∀intercept.TBM∩∀cooperate.Low_Level_Anti-Missile_System}

Low_Level_Anti-Missile_System≡{Interceptor_Kill_System∩∀intercept.(Aerodynamics_Objective∪TBM)∩∀cooperate.High_Level_Anti-Missile_System}

图5 Racer推理机推理不一致结果提示Fig.5 Alarm result feedback by Racer

3.3 基于CBML的案例逻辑和物理层建模

反导作战预案最终的应用过程是面向作战管理系统，需要一种便于计算机理解且具有良好文档结构特性的形式化描述语言，本文采用基于XML的案例标记语言CBML，它将案例结构和内容分离，形成独立文档，用案例结构文档指导内容文档的结构化生成过程，并验证其结构的正确性。其中，结构文档是通过XML Scheme定义和转化得到的，即应用CBML进行案例形式化描述的第一步是建立XML Scheme文档。结合预案构成要素特性，定义反导作战预案SysML块定义图向XML Schema转换的映射规则如表3所示。

表3 SysML块定义图向XML Schema转换的映射规则Table 3 Corresponding rules of SysML blocks and XML Schema SysML

按照表3的规则，将图3中的反导作战预案概念层模型转化为基于XML Scheme的逻辑模型，其在XMLSpy中的具体结构如图6所示(由于篇幅所限，只给出部分结构图)。

按照图6所示的XML Scheme文档，利用XMLSpy中从xsd文档自动生成xml内容的功能，生成的预案内容文档结构，即反导作战预案的物理层模型如下所示:

图6 反导作战案例XML Schema文档结构图Fig.6 Antimissile preparative solution XML Schema structure diagram

4 结束语

本文针对当前缺乏反导作战预案形式化建模研究的现实需求，综合应用SysML，OWL_DL和CBML等形式化建模语言和工具，对反导作战预案形式化建模方法进行了研究。在分析反导作战要素和具体应用流程的基础上，提出了一种新的预案形式化建模方法。依据新方法的具体流程，以SysML为中心，定义了块定义图、预案要素、OWL_DL和XML Scheme元素之间的映射规则，建立了反导作战预案概念层模型、逻辑层模型、物理层模型和预案本体模型，并应用预案本体模型对概念层模型了进行了模型一致性验证。所提出的方法为解决反导作战预案形式化建模开辟了道路，所构建的模型为进一步研究反导作战预案建模奠定了基础。

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