基于OPM的兵棋推演行动方案建模方法研究

纪梦琪,董 倩,秦茂森,杨 峰

(国防科技大学,湖南长沙 410073)

作战行动方案兵棋推演是在作战行动实施前,按作战计划顺序和进程,逐步对各个作战阶段中作战部署和作战行动所造成的状态进行演练的过程[1],其本质是一种实验活动。兵棋推演系统作为辅助指挥官进行战术策略决策的重要手段正得到日益广泛的运用。美军的联合作战计划程序JOPP给出了制定作战计划的七大步骤,其中以COA(Course of Action)的制定、分析和推演为核心。传统模式的计算机兵棋推演进行COA推演前准备阶段一般进行大量繁杂的推演想定编辑,主要包括:对阵双方的作战背景、战前兵力部署、作战企图、先手方、增援/支援力量、对阵时间(回合数)、胜负评估标准等[2]。偏重基础数据录入,缺乏战法策略的设计和规划,缺少基于顶层任务分析的作战行动方案模型驱动推演进行,使得兵棋推演缺乏标准化的科学方法指导,限制了其应用范围。为完成作战使命任务,进行作战行动方案兵棋推演,必须建立一套基于规范概念定义并彼此相互关联的、具有层次结构的对象、活动和过程关系。通过作战行动方案建模,能够使指挥员及各级参谋人员以系统工程视角设计推演作战行动方案,为进行作战行动方案推演所需的策略战法分析提供支持指导。目前军事建模领域具有代表性的可视化建模方法主要有Petri网、IDEF系列、SysML和UML等[4-7]。从面向兵棋推演方案规划角度出发,其作战行动方案模型以作战任务为核心需要具有层次性、统一性和应用性。UML本身不具备层次建模能力;Petri网建模机制严格复杂不便于实际应用过程中参谋人员理解和沟通;SysML多视图描述系统结构功能和行为交互,易出现一致性错误且不利于模型构建的整体性表达等。

本文以OPM为建模框架,面向兵棋推演应用实践,构建作战行动方案模型,以作战任务为核心,分析界定了作战行动方案概念的构成要素,提出基于OPM元模型定义作战行动概念的作战行动方案建模方法,支持推演作战行动方案的顶层设计,表达简洁清晰,层次关联性强。最后以空中协同作战案例结合仿真推演平台对方法进行演示验证。

1 相关概念

1.1 作战行动方案要素分析

从作战态势的角度来看,作战方案是要创造利于己方的目标态势,对作战态势的综合评估是作战任务形成的依据,作战任务是驱动作战推进的核心主线,因此必须具备一致的理解和认识。传统的任务空间建模方法EATI,从作战态势的角度提取构成作战行动方案的实体、行为、任务和交互作为四大要素(EATI),而其中任务是对作战使命的细化,以任务为核心驱动的视角来看,作战行动方案主要构成元素包括:

1)作战实体:是执行作战任务、完成作战行动以及与其相关的一切物理构成,面向兵棋推演的作战实体,可以初步划分为作战编组和作战单元两大类。

2)作战行动:在特定战场环境下作战实体实施的具体战斗过程,是作战过程中抽象出来要素。有两种表现形式,动作和过程。动作是对任务空间中实体执行的原子的任务活动的描述。过程可以表示为一个四元组[8]:

PROCESS::=

其中,E表示执行动作的实体,{Ac}是动作的集合,{Proc}是子过程集合,ProSeq是动作和动作、动作和子过程以及子过程之间的序列约束。

交互:包括事件和条件,一个实体在某种条件下为完成某项任务与其他实体存在协作、配合、掩护、攻击等关系造成事件发生。一个事件往往和行动、实体状态的变化,态势状态相连接;而条件可以与任务和过程相关联,影响任务和过程的执行,定义为实体状态、常量或两者的结合。

1.2 面向兵棋推演的作战行动方案模型

兵棋推演的本质是“推演”,而推演是基于仿真与实验的作战分析方法之一。仿真兵棋推演系统建立在基于交战规则对实体执行的各作战行动进行过程建模的基础上。在联合作战筹划领域,存在“计划可推、方案不可推”的争议,这是由于目前军内使用的许多模拟系统不够灵活,缺乏从设计到推演的连贯分析方法,无法在方案层次进行策略研究,只能形成作战计划输入逐条指令才能进行仿真推演。针对单方战术级规模的兵棋推演,更多是作战人员以任务的规划、组织和实施为主线,进行作战行动设计和作战任务组织,更多关注作战单元执行作战任务的具体情况以及作战资源配置等信息。一般来说单方战术级的兵棋推演的特点主要体现在以下三方面:

1)在信息关注点方面,除了关注战场整体作战态势外,更关注作战单元自身的运动、武器装备等状态信息,以及这些信息与战场中其他平台之间及自身任务之间的关系[10];

2)在作战实体关注点方面,关注作战单元和作战编组执行任务过程中的行为决策过程,并可依据实际态势及时人工干预调整;

3)在系统输入操作方面,推演过程中可以以事件触发设定为牵引,作战任务分析编辑为驱动。

1.3 OPM建模框架支持优势

本文提出的面向兵棋推演的行动方案建模方法需满足以下内容:1)建模机制支持模型全生命周期的修改、扩展以及元模型定义;2)支持对模型的逻辑校验和定性仿真分析;3)保持语义的一致性;4)图形化描述和文本语义描述简洁易懂。

为支撑相应的方法要求,同时满足指挥参谋人员推演决策指挥意图与模型知识逻辑一致性等,满足上述要求,本文选择对象过程方法论(Object-Process Methodology, OPM)[11]作为面向辅助高层决策的作战行动方案推演案例建模方法,主要优势有:

1) OPM 将对象和过程相结合共同描述活动层次及其属性,统一静态结构和动态过程,将复杂的模型统一于一个综合框架;

2) OPM不仅支持图形化的建模语言,还可以对应生成结构化自然语言表示,并通过递归还原,有效地解决系统的复杂性管理[13];

3) OPM能够提供一种由顶至下的设计思维,能够层层剖析系统模型至核心,同时保持与模型核心的充分协调和产生新模型的能力。通过元模型建模,标准化定义各类特定方案设计问题;

4) OPM是ISO公开可用规范(PAS),即ISO19450国际标准,是基于模型系统工程的建模标准[13]。

2 OPM相关概念与建模

2.1 OPM介绍

OPM(Object-Process Methodology)对象过程方法论是Dori在2002年提出的通用建模方法[15],兼具图形表达和文字说明,符合标准(ISO19450) 的系统工程建模框架[16]。它结合面向对象和面向过程的建模范式,在同一参考框架下,基于同一视图建立系统整体结构模型和行为模型,有效地解决传统建模方法中多视图模型之间的所描述模型信息不一致的问题,支持作战行动方案从任务分析、顶层筹划到推演反馈、验证修正全周期建模。同时,在行动方案模型顶层添加模型,而不破坏系统核心框架。

2.2 OPM的基本建模元素

OPM的基本建模元素主要有对象(object)、状态(state)、过程(process)、结构连接和过程性连接,其基本建模元素和层次关系如图1所示。

对象:以矩形符号表示,表示存在的事物,可以是以物理方式存在或以概念或逻辑方式存在。

过程:以椭圆符号描述,是对象的转变形式,是唯一可以引起对象生成或消失并改变对象状态的建模元素,过程的发生需要消耗时间,至少需要与一个对象相连。

状态:以圆角矩形表示,属于较低层次的实体并隶属于对象,表示某一时间点可能所处的情况或取值。

结构连接:表达了在两个对象或两个过程之间持续的静态连接,如表1所示结构性连接包括四种基础性连接和两种一般连接。

表1 OPM结构性连接

过程性连接:用来描述系统的行为,包括支持连接、变换连接与事件连接。如图2所示，描述的系统行为主要包括:

1)过程与对象的转换,包括过程产生对象、过程消耗对象以及过程改变对象的状态;

2)对象在不被转换情况下可以触发过程;

3)过程或对象能够触发事件的调用过程。

图1 OPM建模元素和层次关系

2.3 OPM建模模型

OPM模型提供了图形和文本两种在语义上等价的表达方式,分别是OPD(Object-Process Diagram)和OPL(Object-Process Language)[13],如图2所示。每个OPM建模元素都对应到一个OPD符号和OPL中明确的语义,通过编辑OPD进行可视化概念建模的同时自动产生基于严格语义定义的OPL,与OPD元素一一对应。

图2 OPD和OPL的模型表示

同时,OPM模型通过组织分层对象过程图(OPDs)的三个机制来降低系统的复杂性:

1)以对象(Object)为主对事件的结构层次的折叠与展开(对象为主);

2)以过程(Process)为主展开事件、过程交互的内在细节(过程为主);

3)激活或未激活对象包含的状态集。

OPM模型支持对象和过程不同层次的展开和折叠机制,能够逐层对模型进行细化剖析。

3 基于OPM的作战行动方案模型

本文以OPM为建模方法构建基于作战行动概念元模型的作战行动方案模型。该模型界定了作战行动方案的基本概念,能够适用于多种典型作战样式的案例中。

3.1 作战行动方案元模型

元模型能定义特定领域的模型,是关于模型的模型，如图3。用于定义概念并提供用于创建该领域中的模型的构建元素,能够验证和校验模型的表达完整性。以作战任务为核心,并结合兵棋推演平台的仿真设计和推演模式特点,定义元模型的基础组成元素有:1)目标;2)资源;3)任务;4)战场环境;5)状态空间;6)事件;7)行动;8)交互。

图3 作战行动方案元模型

目标是信息类实体,是执行作战任务期望达到的作战目的,也是衡量是否满足作战终止条件的重要条件,不同作战行动所要达成的作战目标有所不同,例如“摧毁敌机XX架”,“攻占某一作战区域”,“摧毁敌xx区域xx机场设施”等具体条目。资源是物理类实体,包括战场所有可获取的作战单元和燃/油料,如坦克、飞机、舰艇等,其基本属性包括行进速度、OODA周期、地理位置、功能状态等。任务是信息类过程,指在一定的战场环境和时空约束下,作战单元为完成所承担的责任或达到特定的作战目的,而进行的一系列相互关联的作战行动的有序集合[17]。战场环境是物理类实体,包括地形特点、气象水文特点、电磁环境等,能够影响武器装备运作状态。状态空间是信息类实体,包括初始状态、终止状态和准备就绪等,用于控制作战行动的执行。事件是信息类过程,是由一系列行动导致的某一状态。交互由各连接表示,既可以表示某实体在某种条件下为完成某项任务的过程中与其他实体存在的协作、配合、掩护、攻击等关系,也可以表达过程与过程之间、过程与对象之间的逻辑关联。行动是信息类过程,行动集构成一个作战行动过程,可以看成是具有多属性构成的多元组,包括行动执行的开始与结束时间、行动执行先决条件和预期效果、行动序列以及行动过程输入、输出事件等。

3.2 面向兵棋推演的作战行动方案建模需求

由美军联合作战计划制定流程(JOPP)七大步骤定义可知,其中第四步骤是要对选定的行动方案(COA)进行分析和兵棋推演,其过程如图4所示,使指挥官、下级指挥官及各自参谋团队更好地认识和理解己方行动方案和方案中可能出现的威胁[17]。作战行动方案建模是兵棋推演的指导基础,兵棋推演的主要目的是为了验证通过实施既定方案能否达成预期目标,或方案设想的行动是否与实际战场情况相符。在领会上级意图和充分获悉战场态势情报后,通过任务编辑设定驱动作战行动进行。对作战行动方案进行OPM建模,能够完成在建模过程中进行方案分析,即:

•判断如何最大化地发挥己方作战效能,同时减少己方行动的风险和损伤;

•预判真实作战环境中出现的各类情况和潜在的应对措施;

•判断在何时、何处投入己方行动力量和资源;

•判断要达成行动目标和预期终止状态所需的力量和资源;

•针对性的情报收集、处理和分析需求;

•判断行动方案的灵活性和容错性。

图4 行动方案的一般制定过程

3.3 基于OPM元模型的作战行动方案建模方法

一般来说,支持兵棋推演的作战行动方案包括作战背景和环境、作战任务和作战行动。其中作战任务是核心。如图5所示,作战任务以现阶段作战目标为导向设定,通过侦察活动获得全面的战场环境信息,综合研判战场态势,产生不同的事件触发作战任务在各个作战阶段的决策点上实现动态调整。作战任务的设计需要综合考虑交战重心、作战条令和战场资源分配等因素,通过行动集落实作战任务,行动集里的子行动按照既定作战线和优化的行动序列在既定的作战行动范围内实施一系列行动,导致战场态势的转变,推动作战态势由初始状态向终止状态演进。

图5 作战行动方案OPM模型通用描述

本模型描述了一般通用作战行动方案构成,具体输出/输出需求和应用背景可以根据具体作战场景确定,为方便读者理解本模型,与OPD图相对应的OPL自然语言描述如下:

战场环境是属于环境的,并且是物理实在的。

战场环境影响侦察。

作战状态可处于初始或终止等状态。

初始为初始状态。

终止为最终状态。

作战编队是物理实在的。

作战编队负责实施行动集。

作战行动范围是属于环境的。

作战线触发行动集。

行动时间和节奏是决策点。

双方重心是决策点。

战场资源是物理实在的。

战场资源是决策点。

作战条令是决策点。

作战任务包括行动集。

行动集需要作战行动范围与作战线。

行动集将作战状态的状态从初始改变为终止。

作战任务需要作战目标。

作战任务影响决策点。

侦察影响战场环境。

侦察激活事件集。

事件集激活作战任务。

通过定义的作战行动方案通用模型与OPM语义定义的分析,其主要建模元素对应说明如表2所示。

表2 主要建模元素对应说明

4 空中协同打击作战行动方案案例分析

本文以一个Alpha Strike模拟演习为背景,作战目标设定为对红方部队(敌方)的B-17号靶场内的机场和工厂目标实施一次协同空中打击。Alpha Strike在越南战争期间形成,因一艘航母甲板上所有的飞机参加打击而得名。通过力量分析可知,红方靶场区域海拔1250m,装备有大量的华约组织现代化武器系统包含一线战术战斗机和由早期预警雷达,机动防空和固定区域防空导弹构成的地面防空系统,具体包括:MiG-21和MiG-23战斗机;SA-2, SA-3和SA-6地对空导弹(SAM);各种型号高射炮(AAA)和远程早期预警雷达。我方的CVW-15中队配有战斗机,轻、中型攻击机,加油机,预警和电子战飞机,总计约有共40架作战飞机可以使用。

4.1 基于OPM的作战分析设计

图6描述了这次作战行动方案的顶层设计,以作战任务为牵引,按照阶段规划设定防空作战(AAW)任务、敌方防空火力压制打击(SEAD Patrol)任务、电子支援(Support)任务和对地打击(Ground Strike)任务。任务执行的先后顺序默认按照由上到下,但也可以根据过程之间的逻辑连接关系有所调整。依据前文定义的作战行动方案元模型,通过关联加载能够对具体的作战行动方案进行实例化建模,并在元模型的定义基础上进行隶属验证。如图6所示,作战资源对象映射元模型的资源,资源标签出现在作战资源对象的左上角表明所属元模型组件,这说明按照元模型定义,任务的执行需要资源作为支撑手段,资源的性质是实物隶属系统类拥有公共域。当前对阵方是CVW-15中队,负责完成所规划任务,其侦察预警和先发制人的能力影响其任务完成的效果,在电子对抗支援任务的掩护下,通过防空作战任务主要完成对敌方米格战机的空中打击,同时通过攻击机编队的敌方防空火力压制任务压制敌地空导弹,完成对地打击任务,实现摧毁敌地面标定设施的作战目标。

图6 Alpha Strike作战行动方案顶层设计

具体展开防空作战任务如图7所示,前期作战筹划时需要提前依据飞行计划给飞行编队下指令进行飞行准备,飞行编队到达设定巡逻区域后执行空中战斗巡逻任务,打开雷达进行一定范围的目标探测,当发现不明目标时依据探测信息综合研判,实施空中拦截。本行动方案模型支持对关键组成构建的再次展开。如图8所示的F-14战机展开图,展示了进行作战任务筹划时需要考虑的资源信息情况,其OODA周期会依据不同阶段作战重心的不同有所调整,战场环境情况也会对战机的物理性能和信号特征等因素有具体影响。

图7 防空作战任务展开图

图8 F-14A战机展开图

4.2 兵棋推演仿真分析

本文使用国防科技大学杨峰教授领导的开发团队开发的OCEAN仿真兵棋推演平台进行方案推演验证。OCEAN仿真兵棋推演平台拥有广泛而详尽的模拟数据库,忠于每项武器和传感器的实际能力以及局限性,基于详尽的空/海战场建模和传感器、物理、武器等损毁模型,能够在任务编辑的驱动下完成逼真兵棋推演仿真。首先按照顶层方案模型进行任务编辑设定如图9所示,对防空作战任务进行编辑设定包括分配作战资源、划定作战区域、确定编队规模、启动/完成时间和武器参数等。启动推演进行后,作战过程会按照任务设定展开,飞机准备就绪就会按照飞行计划起飞,前往作战区域完成任务,飞行航线既可以按照计划脚本执行,也能通过推演人员进行实时动态调整。例如开始推演时在任务编辑器里,根据OPM作战行动方案模型设定第一个防空作战任务,结合空中打击目标的机动性特点选取F-14A战斗机组成两机编队执行战斗任务,飞往作战区域的过程中打开雷达实时探测,执行既定作战任务。

图9 OCEAN仿真推演平台任务编辑

在推演过程中,依据作战行动方案模型进行任务设定,作战单元能依据所属任务自主执行目标探测、攻击目标和规避导弹等行动。同时可以通过事件编辑,当战场态势发展到某一状态时触发该事件并执行对应行动,或及时调整任务设定,修改任务内容。兵棋推演过程中的调整应作为一种实际验证反馈到行动方案模型中,修正模型的组成、逻辑和参数等元素,反复推演验证。

最后得出部分推演结果如表3所示,推演过程如图10所示。由最后的目标摧毁情况和最终评分结果可知该方案充分完成既定作战目标。推演步骤和策略依据OPM作战行动方案模型执行,由推演记录来看,按照OPM方案模型规划的作战任务进行推演,己方CVW-15中队从一开始就拥有先发制人的作战优势,处于连续得分状态,在作战行动方案模型策略的指导下取得优胜战绩,验证了作战行动方案模型的有效性。同时,从推演模拟的作战消耗情况观之,AGM-62B Walleye Ⅱ滑翔翼炸弹造价高昂,储备数量有限,因此在确定行动方案的执行情况具有明显优势的前提下,应改进方案模型中的挂载配置,降低己方损耗。定义的OPM作战行动方案元模型约束了作战行动方案中资源与任务的关系定义,即资源分配是任务设定实施的前提保证,同时也是作战任务重要的输入参数。

表3 部分推演评分记录

推演完成验证有效的作战行动方案模型可以结构化封装作为作战模型库资源,当有了同类型的作战行动方案筹划任务,以模型库中的行动方案模板为原型,结合具体实际修改模型参数即可快速设计新的作战行动方案模型,指导推演进行。

图10 OCEAN仿真推演平台防空作战任务执行过程

5 结束语

本文分析了作战行动方案的建模要素,通过构建基于OPM的作战行动方案元模型,定义了以作战任务为核心驱动的行动方案基本组成逻辑,提出面向辅助高层决策的作战行动方案建模方法,支持兵棋仿真推演过程中的推演方案规划,为实现作战“设计—推演—优化”大闭环提供一种可行思路。最后结合空中协同作战案例验证作战行动方案模型的有效性,完成了作战行动方案的设计到推演验证过程。