联合作战方案信息交换模型

2018-09-21孙光明马政伟赵鑫业

系统仿真技术 2018年3期

孙光明,杨光,马政伟,赵鑫业

(1.海军大连舰艇学院作战软件与仿真研究所,辽宁大连 116018;2.海军大连舰艇学院科研学术处,辽宁大连 116018)

在高技术条件下的现代战争中,指挥信息系统已经成为基于信息系统的体系作战的重要基础。为有效提高体系作战效能,指挥信息系统逐渐向网络化、一体化、智能化的方向发展,为作战方案的处理及应用提供了全新的舞台。基于信息系统的体系作战中,指挥信息系统呈现出多系统、多层次、分布式的同步协同作战特点,作战方案处理及应用过程中数据、信息、知识的交换、共享、复用等问题日益突出,成为制约体系作战效能发挥的瓶颈问题之一。因此,作战方案相关的信息交换模型迫切需要科学先进的描述理论与方法,以满足体系作战中共享与一致性理解、互操作与智能处理以及复用的巨大需求。

作战方案是使用作战兵力达成一定战役或战斗目的的计划文件,是组织、指挥部队作战行动的依据性文件[1],也是作战意图和作战决心的集中体现[2-3]。公共的规范和结构化表示是作战方案信息自动化交换的前提。结构化信息以信息交换模型的形式来表示,以通用的方法学或技术(如统一建模语言(UML)、可扩展标记语言(XML)等)来建立及文档化[4]。信息交换模型定义了信息(数据)的标准元素,这些元素构成了作战方案辅助生成和评估系统与C4ISR系统之间互操作的基础。

对作战方案信息交换模型进行形式化描述,完整、准确、灵活地描述作战兵力的突击和保障等行动,使联合作战辅助决策系统在各级指挥所、各军种兵力和指挥自动化系统之间无歧义地共享作战方案数据与信息,有效地提升联合作战指挥辅助决策的水平,增强辅助决策系统作战模型实现的一致性和作战应用软件的复用性,对推动联合作战辅助决策系统的发展具有重大理论和现实意义。

1 标准化信息交换模型的发展

统一标准是实现系统互连、互通、互操作以及信息资源共享的关键。模型设计采用仿真互操作标准组织(SISO)或国际通用的标准化军事领域相关格式。对于作战模拟分析评估系统及其互操作性而言,标准化具有战略意义。

在信息化作战条件下,北约集团的参与国、军事工业部门和技术研究部门共同成立了一个研究组织,专门负责多边互操作计划(MIP)[5],希望通过战场信息建模来实现指挥控制信息系统在战役、战术各个层次上的互联互通,支持跨国多军兵种联合作战。JC3IEDM(joint consultation,command,and control information exchange data model[6])是MIP定义的一个信息交换标准,旨在实现成员之间的指挥控制信息系统(C2IS)所有层次的跨国交互性。JC3IEDM当前的进化版本是MIM(MIP information model)[7]。

MIM的3.0版本于2015年3月发布[8],当前的最新版本4.0.1于2016年7月发布。MIM类基本概念如图1所示,它定义了实体之间的关系及关系的约束,规范了模型中枚举类型的取值范围和模型中的业务规则。模型的核心由对象和行动组成,MIM总计定义了大约2 300个不同类型的对象和大于500个类型的行动。

图1 MIM类基本概念Fig.1 MIM class basic concept

MIM以一种良好的结构化和规格化的方法对数据进行抽象,从概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模型3个层次上表达目标域的信息[4,9-10],如下所示:①概念数据模型是MIM的高层视图,它们是一些通用概念,如行动、组织、人员、特征、设施、场所等;②逻辑数据模型在概念数据模型的基础上,通过将高级概念分解为特定的常用信息,详细地描述各个子实体的关系、字段、关键字等;③物理数据模型提供了生成物理模式所需要的详细规格说明,它定义了数据库的结构和具体的应用模式。

2 信息交换模型的设计

针对联合作战辅助决策系统中关于作战方案信息交换模型存在的问题,本文创建一种形式化的信息交换模型描述方法,对信息交换模型进行统一、规范、灵活的形式化描述,以提高联合作战辅助决策系统对作战方案数据的兼容性和可靠性,进一步提升各军兵种装备的作战效能和维护效率,为作战应用软件的发展提供支持。对信息交换模型的形式化描述必须要支持模型的自动执行和自行检查。

2.1 总体设计思路

通过对作战方案的分析,可以得出作战方案是“兵力机动+火力运用”的结论。

兵力机动可视为作战兵力从A点出发经过一段时间到达B点,用时间去除AB间的距离即兵力移动的速度,待机可视为AB2点重合。火力运用的范围比较广泛,从形式化的角度出发,火力运用可视为装备的战术动作,如使用雷达对海面搜索、使用舰炮对海面目标攻击等。将最基本的装备运用形式化为原子作战行动,按时间顺序将原子作战行动排序,形成的行动序列就可以描述作战方案的过程。由于兵力可拥有多种装备,其原子行动可能是并发执行的,因此作战方案的战术过程存在并发路径,如航渡过程中对海空搜索与舰炮对海面目标攻击的过程,按原子行动描述为2个并发的路径。由于作战行动既有顺序的行为又有并发的行为,因此作战行动的完整过程构成了一个原子作战行动的网络。

作战方案包含作战任务、作战阶段、作战兵力、作战资源以及时间、空间、协同关系等要素,这些要素可抽象为客观实体及它们之间的联系,使用面向对象的软件设计技术不难进行形式化。作战方案可以区分为不同的作战阶段,其实质是为达成一定目的的作战行动群组。具有多个分支方案的作战方案(或子方案)不仅是对所需完成任务的分解及所需完成任务次序的规划,还是一种选择关系,可选择其中之一执行,也可选择部分执行。协同关系对作战行动的约束实质是一种事件驱动关系。

公共的规范和结构化表示是信息自动化交换的前提。结构化信息以信息交换模型的形式进行表示,以通用的方法学或技术建立及文档化。数据模型定义了信息(数据)的标准元素,这些元素构成了信息交换模型设计的基础。模型接口如图2所示,包括对行动单元、筹划节点、时间、地域等的增加、删除、修改、查询等应用接口函数(API)。

2.2 信息交换模型形式化类结构设计

(1)筹划根节点

筹划根节点组织关系如图3所示。筹划根节点是描述作战计划的根节点,由一个筹划树型结构和6类数据容器组成。6类数据容器涵盖时间、地域、作战单元、作战行动、原子行动、筹划节点的描述。

图2 模型数据操作接口函数列表(Enterprise Architect设计图)Fig.2 Model data operational interface function list (Enterprise Architect design diagram)

(2)时间节点

时间节点关系如图4所示。时间节点是描述作战时间的节点,可以实现对天文时刻、基准天文时刻、相对时刻的描述。图中的ID为标识号。

(3)地域节点

地域节点关系如图5所示。地域节点是描述作战地域的节点,可以实现对点、线、多边形、椭圆形、圆形圆环、扇形扇环的描述。

图3 筹划根节点关系Fig.3 Operational root node relationship

图4 时间节点关系Fig.4 Time node relationship

图5 地域节点关系Fig.5 Region node relationship

(4)作战单元节点

作战单元节点关系如图6所示。作战单元是作战方案执行的主体,可以是单兵力或兵力组。兵力有多个种类,如水面舰艇、潜艇、海军航空兵等,这些具体的兵力可通过对兵力基类的泛化进行具体化。在编队作战中,可能由多个兵力参与行动,对兵力组使用组合模式进行描述,组合模式既可以表示单一兵力,又可以表示多个兵力。

(5)作战行动节点

作战行动节点关系如图7所示。作战行动是作战单元的作战行动描述,表示什么兵力,在什么时间、地域,使用什么装备,针对什么目标,按什么要求,采用什么战术动作或战术动作序列,是完整作战行动的描述。作战行动并不说明兵力行动的目的,可以是单一的战术动作,也可以是行动序列。这种设计能减少不必要的兵力说明或时间顺序说明,因为兵力的后续动作是前次行动的后继,可以按时间轴推算。

(6)原子行动节点

原子行动节点关系如图8所示。原子行动是战术指挥的基本单位,也是形式化作战行动的基本单位。从战术指挥员的角度出发,形式化的粒度为装备的战术使用,不对设备开机、关机、战前装备检查等形式化处理。具体到装备使用的细节,一般都有比较完善的使用流程,不必在作战计划中列出。作战类型包括对空作战、对海作战、对潜作战等,具体作战样式可从原子行动中泛化。

(7)筹划节点

筹划节点关系如图9所示。筹划节点是具体类型的筹划节点,用于支持作战计划不同指挥层级的细节隐藏或显示,如作战任务筹划、情况判断筹划等。

(8)筹划树节点

筹划树节点是一个描述计划、方案、子计划、战术片段关系的逻辑图,主要用于指挥员筹划作战任务划分、兵力选择、突击次序和子计划关系等作战进程。情节图中的节点表示拥有后续节点的行动或连接后续节点的行动,当子节点为分支或协作时,表示拥有关系。

图6 作战单元节点关系Fig.6 Operational element node relationship

3 海上编队作战方案信息交换模型的应用

为验证本文提出的联合作战方案信息交换模型的有效性,选取海上编队作战方案为应用对象,进行技术方法的实例应用。首先,进行作战方案信息交换模型的需求分析;然后,利用所提出的技术方法对信息交换模型进行形式化描述。

海上编队由若干海上战斗群编成,具有海空一体、大纵深、多层次的火力配系。海上编队作为一支远离基地的独立海上作战力量,拥有很强的攻防能力编队作战计划,组成要素主要包括作战计划说明、情况判断、作战任务、作战资源、作战效能等。

由于兵力可拥有多种装备,其原子行动可能是并发执行的,作战方案的战术过程就存在并发路径。由于作战行动既有顺序的行为又有并发的行为,因此作战行动的完整过程构成了一个原子作战行动的网络。基于上述思想,海上编队作战方案应包含航渡和导攻2类作战行动。航渡作战行动包含点上分兵、点上合兵、线上航渡原子行动,导攻作战行动包含点上导攻原子行动。