基于SysML的作战计划可视化建模

刘冰雁，刘湘伟，郭建蓬，郝成民

（电子工程学院，合肥230037）

0 引 言

作战计划是部队作战行动的基本依据，是指挥员决心的具体体现。随着计划制定规模和复杂程度的不断提高，传统的基于文档的计划必将产生越来越多各种不同的文档，它面临的困难也将愈加明显：

（1）计划的完整性和一致性以及信息之间的关系难于评估和确定，因为它们散布于各种不同的数量巨大的文档中。

（2）各种作战行动难于描述。行动是动态的，有交互的，而仅用文字描述相对简单，对于复杂多变的行动很难清晰描述。

（3）信息表述难以准确，容易产生歧义、难以从海量文档中查找所需信息、不利于作战计划的分发和下达。

（4）文档难于更改。由于文档的数量巨大，要确保所需更改的内容都得到更改，将是个艰巨的工程。

如何将作战计划从军事自然语言描述最终转换成可视化建模，以便于计划的自动生成、推理验证，是一个亟待解决的迫切问题。

1 SysML可视化语言

近年国际对象管理组织（OMG）在UML2.0的子集进行重用和扩展的基础上，提出了一种新的系统工程标准建模语言——SysML。SysML［1］是一种可视化体系结构设计语言，能够支持各种复杂系统的详细分析、设计、验证和说明。SysML定义了9种基本图形来表示模型的各个方面。从模型的不同描述角度可划分为结构图、参数图、需求图和行为图。这为作战计划提供了规范化、可视化、图形化的系统建模支持。

SysML的主要目的是改善系统开发生命周期中各环节的沟通，减少歧义、消除差错和减少文档、表述信息说明中的不一致性。如图1所示［2］，作为UML在系统工程领域应用的补充，SysML的语法更具针对性，模型元素更精简，能更好地对作战计划进行可视化建模：

（1）新的参数图能够更好地描述作战角色的作战能力，包括其火力和机动的能力。

（2）对活动图重新定义，将功能、数据流和控制流描述集于一体，以更加丰富的语义表达能力支持作战行动过程的建模。

（3）扩展UML的类图来描述参数约束，让作战资源、环境约束图形更加自然、明确，便于理解。

（4）SysML采取更为准确的系统信息分析方法，消除了不同方法在表达和术语上的差异，避免了符号表示和理解上不必要的混乱。

（5）SysML能辅助计划制定人员对作战意图、事件和行动过程等进行分析与建模，符合作战计划结构设计的需求和特点。

图1 SysML图形元素

2 作战计划可视化建模

作战计划是敌对双方依据特定的作战意图、战场环境和外部随机事件而部署的相应行动［3］。根据对作战计划的抽象，基于SysML建立作战计划模型，如图2所示。

图2 基于系统建模语言SysML的作战计划模型

2.1 作战意图建模

作战意图是指挥员想要达到的目标。目标序列是对作战意图的分解，可以细化为若干彼此关联的军事任务，其建模规则为：

规则1：分解每一层目标，要确保下一层子目标相互独立；

规则2：下一层目标是上一层目标的分项、细化的体现；

规则3：最底层子目标要具体且具备较强的可执行性。

需求是指系统想要达到的能力或目标，一个需求能够分解为多个子需求［4］。SysML用需求模型将文本化的需求与其他模型元素结合起来，能够很好地表达指挥员想达成的作战意图。

2.2 资源与环境建模

作战资源是对作战要素的抽象，而环境通常是复杂而难以描述的。所以，在作战条件下，战场资源和环境状态是敌我双方都竭力全面了解并掌控的战场态势，是双方决策的重要因素。用SysML的类图来描述作战资源与环境，其建模规则有：

规则1：作战资源、环境标识映射为类名称。类名称在全局具有唯一性。

规则2：作战资源、环境属性映射为类的属性。类的属性包括属性名称、属性值和属性类型。

规则3：作战资源、环境角色映射为类的方法。类的方法包括方法名、方法函数、返回值3个部分。

2.3 组织关系建模

行动的执行者是军事组织，各级组织可能存在着隶属、分类和协同等关系，其结构关系反映了军事组织具有可分解和可组合的特性。

SysML包图定义了块的特征以及块之间的关系，采用了一种树状模型的机制描述系统组成的层次和分类特征，有利于描述体系结构中担任主要角色的人、组织之间的指挥结构或关系。图3建立了预警、通信系统的组织及结构关系，其建模规则如下：

规则1：作战组织映射为SysML中的包图。

规则2：作战组织之间的关系映射为块之间的依赖关系。

2.4 作战事件追踪建模

基于一定的意图和环境，作战事件跟踪描述提供了多个作战节点之间信息交互的时间序列，描述了某一场景或关键事件系列中的行动踪迹。作战事件追踪描述，采用图4的序列图进行建模，它以特定场景的形式描述参与的作战节点间信息交换的时序。其建模规则有：

图3 预警、通信系统的组织及结构关系

规则1：顶端上的条目是作战节点，通常代表组织、组织类型或人员，它们根据确定的事件类型采取行动。

规则2：每个节点有一个生命线，在生命线上标注了特定的时间点。

规则3：节点生命线之间的单向箭头代表一个事件。

规则4：事件与生命线的交点表示时间，在这些时间点上各节点产生各事件。

规则5：事件代表从一个生命线到另一个生命线的信息和与该事件有关的行动。事件的方向表示从一个节点到另一个节点的控制流。

图4 作战事件序列图

2.5 作战节点连接建模

作战节点连接［5］描述主要表述完成任务或活动的作战节点，以及为完成任务或活动，作战节点之间进行的信息交换。作战节点建模的层次或粒度主要的规则有：

规则1：要与行动计划的类型相关，行动过程的不同，作战节点描述的粒度有所不同；

规则2：要与作战活动模型、组织关系图的层次或粒度相适应。

图5为基于SysML块定义图［6］的体系结构作战节点连接建模示意图，主要描述了相关作战节点间的参考关联。

图5 作战节点连接建模示意图

2.6 作战行动过程建模

行动由作战平台的基本功能产生，是主体单个功能或功能组合的执行，是主体策略的基础。作战行动过程是交战主体对其控制环境、资源的改变以达到期望目标的行动序列，是对完成使命或任务所需的行动以及行动之间关系的描述。

SysML的活动图是另一种描述交互的方式，描述采取何种动作、做什么、何时发生以及在何处发生。其主要目的是描述动作及对象状态改变的结构。活动图提供了相应的图元与建模语义，为作战行动过程的建模提供了支持。其建模规则有：

规则1：作战行动之间的层次或分解关系映射到SysML的顺序、并行、选择关系。

规则2：虚拟执行中表示计划开始、结束、条件转移、合并同步以及分支同步与SysML活动图中的基本图元对应。作战行动关系与SysML的对应关系如图6所示。

规则3：使用泳道线变量的活动图可以集中表现多对象行动间的控制流。

图6 作战行动关系与SysML的对应关系

规则4：每个泳道线中的行动要与用例相关，且遵循作战节点所参与（或合作）的用例的顺序。

3 应用实例

本节以信息战为背景，以保护地面目标空袭、反空袭简要模型［7］为例，借助Rational Rose平台，说明基于SysML的作战计划可视化建模。

3.1 作战想定

我方为保护要地，需阻止敌方空中来袭。当我方预警雷达或预警机发现且识别目标后，利用数据链和无线电通信链路向指挥控制中心传送目标信息。指挥控制中心对信息进行处理，对态势进行评估，生成如图7的作战意图［7］：（1）利用地对空干扰机干扰来袭敌机，使其不能正常投弹；（2）控制中远程防空武器系统的指控雷达系统对目标进行定位，等待作战命令准备对目标进行锁定射击拦截；（3）制定空中拦截作战任务分配，对敌机实施空中拦截。

图7 作战想定

3.2 计划内容及行动过程

在明确我方要地保护的作战使命和意图后，用SysML类图说明计划内容。计划包含电子对抗、地对空作战和空对空作战，如图8所示。以类的形式对计划的主体内容进行建模，以说明文档对指定时间进行说明。并在此基础上建立基于SysML活动图的作战行动及行动过程模型，如图9所示。

图8 计划内容SysML建模

图9 要地保卫作战活动图

4 结束语

本文鉴于传统作战计划的问题，研究计划的可视化。通过分析、对比得知，SysML作为一种通用的、功能强大的标准建模语言，非常适合作战计划的表述与构建。提出基于SysML的建模规则，相对于UML，能够更为清晰地从作战意图、事件、行动过程等方面建立计划模型。通过实例证明，该建模方法对实现作战计划的模块化及可视化具有一定的指导意义，为后续模型转换及计划优选等相关研究奠定了基础。

［1］Object Modeling Group，Inc.（OMG）.System Modeling Language（SysML）Specification v.1.0alpha［EB／OL］.http：／／www.sysml.org／artifacts.htm，2005－08－08.

［2］何志辉.SysML系统设计的效能分析与评价［D］.武汉：华中科技大学，2006.

［3］汪江淮，卢利华.联合战役作战指挥［D］.长沙：国防科技大学出版社，1998.

［4］Hoffmann Hans Peter.UML 2.0－Based Systems Engineering Using aModel－Driven Development Approach［EB／OL］.http：／／www.ilogix.com／white papers／whitepapers.cfm，2005－03－21.

［5］王栋.基于SysML的武器装备体系结构建模与仿真方法研究［D］.长沙：国防科技大学，2009.

［6］OMG.Systems Engineering Domain Special Interest Group（SEDSIG）.UML for systems engineering RFP［EB／OL］.http：／／www.uml.org／cgi－bin／doc？ad／03－03A4 1，2003－03－01.

［7］曹志耀，邵国培，何俊，姚龙海，朱磊明.计算机作战模拟系统［M］.北京：解放军出版社，1999.