基于体系结构设计的空战系统任务元模型建模

高 悦, 茹 乐, 迟文升, 周 庆

(1.空军工程大学装备管理与无人机工程学院, 陕西 西安 710051;2.中国航空无线电电子研究所航空电子系统综合技术重点实验室, 上海 200030)

0 引 言

空战作为空军作战的主要样式,近年来空战需求不断提升,特别是在高新技术的推动下,战争形态发生深刻变革,现代空战逐步形成了一个较为完备的空战体系架构[1]。随着分布式作战[2]、有人/无人机协同作战[3]、多域战[4]等新型作战概念的提出,空战的体系架构和组成形态不断更迭和变化。由于空战系统本身具有复杂性和涌现性,难以通过抽象的数学模型精确描述和准确预测空战体系的行为特征和发展态势,而强调体系对抗的体系结构设计方法能够从复杂空战中抽取参与要素、逻辑关系和行为结构等关键特征,为综合化、智能化、自主化的空战系统的顶层设计提供分析来源和验证依据[5]。

为保证复杂军事系统开发的规范性,各国先后提出了指导体系结构设计的产品,如C4ISR(command, control, communication、computer, intelligence, surveillance and reconnaissance)自动化指挥系统架构规范2.0、美国国防部体系结构框架(department of defense architecture framework,DoDAF)(DoDAF 1.0,1.5,2.0版)[6-8]、英国国防部体系结构框架(ministry of defense architectural framework, MoDAF)(MoDAF 1.2版)[9]等,这些框架通过多视图方法论的核心思想统一了武器装备系统的需求描述格式[10],从而规范了体系架构设计,但设计人员多采用不同的建模语言进行需求描述如SysML、UML等,不同的描述语言都有各自的描述规范,容易形成系统设计的交互壁垒;并且即使对同一系统采用相同产品的描述规范,由于设计人员对产品的经验和理解差异,仍然可能选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数据基础,难以交换和重用[11]。目前,国内外对于武器装备体系作战任务建模相关研究成果颇丰,如基于UML、基于IDEF的任务模型[12-15]和基于DoDAF的装备体系任务模型[16],这些方法提高了体系任务仿真建模的科学性,但存在以下不足:① 上述方法主要针对各自目标任务,缺乏通用性,当任务需求变化时,所建模型便难以适用,造成大量重复性劳动和建模成本的增加;② 未将模型设计作为系统设计的核心,缺乏模型驱动的理念;③ 没有处理好所应用作战概念下体系设计各阶段模型数据之间的迭代关系[17]。

面对空战环境复杂化、作战样式多元化、作战概念体系化的发展趋势,本文利用基于模型的系统工程(model based systems engineering,MBSE)方法替代传统以文档为中心(document centric,DC)的系统方法对统一在一个体系结构框架的空战系统进行体系结构设计,从典型使命任务出发,结合DoDAF元模型(DoDAF meta-model,DM2),采用源图软件进行任务架构快速开发，以超视距(beyond visual range,BVR)空战系统为例，构建智能空战系统的通用任务元模型，从而适应未来空战不同作战概念下的组成形态和体系架构的更迭变化,在保证模型底层数据关联性、完备性和一致性的基础上,解决系统作战设计逻辑难以执行验证等问题,实现作战概念需求引导下作战任务模型的快速组合及复用,为作战任务需求关联、传递到空战系统功能设计奠定基础。

1 基于体系结构设计的任务元模型建模

1.1 任务元模型概念

元模型并非新生事物,从系统架构设计方法向基于模型的方法转变的时候,元模型概念就应运而生。在不同领域根据需要,建立该领域相对应的建模语言及建模环境,能够从建模效率、复用机制、规范化表达、需求一致性等多个维度保证需求质量。任务元模型是用来定义和刻画使命任务领域建模语言的一种模型,相当于提供了适用于该领域的标准语法和语义[18],本质上是在军事作战系统的体系结构设计过程中依据框架标准建立起的具有严谨逻辑规则的数据要素,并且定义了专业术语的底层数据存储规范,可有效积累和帮助迭代优化论证的数据资源形成权威的任务资源库,如图1所示。在军事系统信息化设计过程中,为了消除对元模型的“经验式”定义和“认知不确定性”使用,在国际国防企业体系结构规范(international defense enterprise architecture specification,IDEAS)指导下构建的“以数据为中心”的DM2代替了以框架为基础开发的核心体系结构数据模型(core architecture data model,CADM),将可复用的最小单元变为数据,提高了描述复杂事物本质的科学性,降低了需求论证的难度[19]。基于体系结构设计的空战系统任务元模型构建以DM2为基础,结合体系结构视图描述,引入具有使命任务特点的新元素,能够有效减少空战系统仿真模型的复杂性而保持仿真结果有效性,为建立可执行、可验证、可重用的空战系统使命任务模型提供了数据支撑和逻辑基础。

图1 空战系统任务设计原理

1.2 体系结构模型构建

作战体系结构设计是以实现预期使命任务为目的,在作战概念指导下自上而下地进行作战体系能力需求的逐层分解与分析以及自下而上地作战能力获取的过程,具体体现为利用统一框架提供的模型采集特定数据,映射DM2的实体、关系和属性,形成视图的过程。体系结构模型构建是在体系结构分析和设计的基础上,将复杂抽象系统的体系结构数据归纳为多个相互联系的、可视化的、便于管理的视图模型。描述一个完整的作战体系结构,具备完整的数据,条件是生成任务元模型的基础。进行体系结构建模应考虑3个方面,即确定体系结构用途,确定体系结构范围和确定支持体系结构开发所需的数据[20]。本文根据DoDAF 2.0的框架,利用DM2提供的逻辑数据模型、概念数据模型和物理交换规范,结合多视图理论[21-22]和空战系统分析设计经验对空战系统任务执行流程及任务样式进行分析和抽象,提出一套多视图体系结构建模方法,对空战系统体系结构需求描述加以捕获,进行体系结构数据的采集和组织,分别从作战概念、能力和任务3个方面开展体系结构模型的构建,具体构建流程如图2所示。

图2 基于体系结构设计的任务元模型构建流程

1.2.1 作战概念建模

作战概念是对某时空下的某一类作战问题的本质特征加以抽象概括并采取应对措施的总结,是体系结构设计的顶层概念,是作战体系存在的根本和基础。作战概念建模应该包括3类要素,即作战问题的描述、作战问题的解决和作战能力需求。作战概念建模主要内容如图3所示。作战问题的描述根据典型的任务场景,进行作战全背景分析,分析出作战时间、作战区域、作战目标、威胁对象、战场环境等综合作战要素,形成目标线,即根据目标预期打击效果形成任务完成标准。作战问题的解决是由不同装备为共同达成某个作战目标,实现预期打击效果而进行一系列相互联系作战活动的有序集合。作战问题的解决从作战成分的拆解开始,明确作战方向、对抗手段(软/硬杀伤)、作战策略、作战周期,根据描述的作战过程中双方杀伤链对抗方式,形成作战决策产生的作战线;作战能力需求建立在作战问题的描述与作战问题的解决的基础上,遵循观察、定位、决策、行动(observation,orientation,decision and action,OODA)环理论,对执行任务场景所产生的“任务-活动”进行分析,根据预期打击效果,调整各作战节点的作战活动,逐条完善每个细分任务节点的应用能力需求,得出使命任务矩阵。

图3 作战概念建模主要内容

1.2.2 能力视图建模

作战能力视图建模是根据作战概念的建模分析结果进行作战能力分析。作战能力关注的是为完成某项作战任务而所需具备的某种作战属性,从作战体系中来,并回归到武器装备。作战能力视图建模是作战体系结构需求开发的核心,在体系结构设计中实现作战概念建模到任务视图建模的过渡。从对作战体系的顶层能力进行分析开始,明确作战全生命周期各阶段依赖的作战武器系统的能力需求,并将抽象的体系能力需求逐步细化和分解,得到具体的底层子能力需求,理清能力依赖关系,考虑不同时间点内计划到达的能力,进行能力阶段划分。通过作战能力分析,可构建一整套体系能力视图模型,展示体系的能力构想、能力分解、能力依赖关系等,为后续完成任务到能力的映射,形成对应的能力需求目录提供依据。

1.2.3 任务视图建模

任务视图建模依据作战概念建模的使命、任务分析结果和作战能力分析结果,主要分析从作战层面需要哪些作战单元来共同达到体系能力需求,作战单位如何完成作战任务、展现作战能力并将作战任务与各作战单元进行关联,以及为完成作战使命所需执行的作战活动。然后分析作战模型中模型属性和作战属性既定的约束条件,并基于约束条件考虑在实战对抗因素下的体系作战流程设计,最后分析作战单位所执行的各个状态之间的迁移关系,使不同作战单元能够相互配合完成相应作战任务,得到作战单元的作战活动、时序、接口关系,状态转换规则等。根据不同的作战场景,可以构建不同的任务视图。

1.3 任务元模型生成

依据作战体系建模的实际过程获取作战体系任务需求中的核心概念,生成任务元模型,本质上就是提取任务相关的核心数据要素。DoDAF2.0将底层数据分为12大类,包括目标、能力、活动、执行者、服务、资源流、信息和数据、项目、训练/技能、规则、度量和位置。为确保得到满足需求的作战任务体系结构需求的任务元模型,需要建立起语义完备的核心数据要素关系指导任务元模型的生成[5]。标准关系“5W1H”,即执行者(WHO)、特定位置(WHERE)、特定时刻(WHEN)、目的(WHY)、资源或事件(WHAT)和行动(HOW)描述了体系结构建模的6个不同方面,天然构成了体系结构数据要素分类模型,如表1所示,通常可以概括性的表述为:执行者为达成某种目的在特定位置和特定时刻下采取某种行动,产生资源或发生事件。本文根据视图模型的任务关键特征及描述,围绕标准关系5W1H,抽取任务核心数据要素,包括使命任务、作战事件、作战活动、作战接口、人员类型、作战单位状态转换,如图4所示。以使命任务、作战活动和作战接口为例,使命任务数据组是任务元模型层中与某种作战概念下的具体使命任务相关的基本术语的集合,能够指导与具体作战阶段所要达成的作战目标相关的数据的收集和逻辑关系分析,用于描述使命任务制定相关的高层次数据,回答了作战体系任务需求WHY的问题。作战活动数据组就是任务元模型层中与为完成某种使命任务,达成作战目标的行动相关的基本术语的集合,能够指导与具体作战活动相关的数据的收集和逻辑分析,用于描述作战活动的执行方式,回答了作战体系任务需求HOW的问题。作战接口数据组就是任务元模型中与作战节点之间连接和信息交互相关基本术语的集合,能够指导与作战指令、作战资源信息和数据连接、交互相关的数据的收集和逻辑分析,用于描述信息和数据的连接和交互方式。

表1 底层数据与标准关系

图4 数据要素抽取过程

2 DoDAF产品的选用及实现步骤

DoDAF2.0将体系结构划分成了8个视图,包括全景视图(all viewpoint,AV)、能力视图(capability viewpoint,CV)、作战视图(operational viewpoint,OV)、系统视图(system viewpoint, SV)、项目视图(project viewpoint,PV)、标准视图(standards viewpoint,StdV)、数据与信息视图(data and information viewpoint,DIV)和服务视图(services viewpoint,SvcV)。不同的视图分别以不同的形式反映体系结构的不同侧面,如以呈现形态为标准可分为表格型、结构型、矩阵型、图片型等,以是否包含时间要素为标准可分为静态型和动态型等。根据作战概念建模、作战能力视图建模和任务视图建模的体系结构模型构建思路,选则DoDAF产品中的全景视图、能力视图、作战视图数据与信息服务视图建立体系结构模型,针对使命任务的分析需求,增加对DoDAF框架的扩展视图执行强化视图(execute viewpoint,EV),分别为使命任务分解视图EV-1和使命任务-能力矩阵视图EV-2,通过这些视图的构建,最终描述一个完整的作战概念系统体系结构。GJB/Z 156—2011《军事电子信息系统体系结构设计指南》提出在一般情况下根据产品的依赖关系的体系结构产品的基本逻辑开发顺序[20],即从总体描述开始,在完成对作战能力需求分析的基础上进行系统作战活动、数据描述与映射等分析与设计工作[23]。体系结构建模的具体实施步骤如下。

步骤 1根据作战概念,进行作战问题描述和解决,形成作战能力需求,明确作战体系总体架构,建立AV-1和OV-1;根据使命任务分解情况描述任务组成和层级关系,建立EV-1和OV-4。

步骤 2给出作战全生命周期各阶段体系结构需要的所有能力,建立CV-1;细化和分解体系能力,规划能力层次和依赖关系,分别建立CV-2、CV-3和CV-4。

步骤 3建立EV-2,描述使命任务与作战能力的映射关系。

步骤 4描述作战活动间层次关系和输入输出关系,形成阶段性作战活动模型,建立OV-5a、OV-5b;组织作战节点信息、资源交互,建立OV-2、OV-3;确定约束作战节点完成作战使命和作战活动的业务规则,建立OV-6a;建立OV-6c和OV-6b定义作战节点关键作战事件的时序特征和作战活动的变化过程。

步骤 5建立CV-6,通过建立能力和作战活动的映射矩阵,描述作战能力与作战活动的映射关系,形成能力需求目录。

步骤 6根据建立的体系架构模型,生成全局数字字典AV-2,描述整个体系架构中的术语与数据。

综上,得到如图5所示的任务元模型体系结构设计序列。

图5 体系结构设计序列

3 BVR空战系统体系结构设计

在新技术推动下,超视距(beyond visual range,BVR)空战成为现代空战的主流趋势[24]。BVR是一种在视距范围之外,战机通过机载传感器对目标进行探测锁定,并使用中远程空空导弹进行打击的一种空战模式。本文选取战斗机及其作战体系为对象,通过研究战斗机在预警机支援下,单机突入敌前线纵深,利用隐身、超音速等能力带来的攻击优势,消灭对方护航编队的同时对对方预警机实施超视距打击的作战过程,设计BVR空战体系结构,实现空战系统任务元模型的构建。由于篇幅限制,本文选取部分体系结构建模过程进行说明。

3.1 BVR空战概念建模

3.1.1 概述和摘要信息

概述和摘要信息AV-1是根据BVR空战概念建模形成的文字说明,通过着重说明作战区域、作战环境、作战时间、威胁目标以及作战决策产生的使命任务等综合作战要素的具体内容,详细刻画了作战想定,如图6所示。

图6 概述和摘要信息视图

3.1.2 高级作战概念图

高级作战概念图OV-1是在作战概念建模成果的基础上对AV-1作战全局背景描述和架构概览的勾画,是BVR空战作战概念下空战系统的总体设计。如图7所示,从任务执行层面以高层次图形给出了BVR空战想定的解决方案,包括空战系统各个作战单元以及各单元之间的信息数据的交互情况。我方预警体系捕获对方情报后,地面指挥中心和预警机进行协同任务规划和任务分配;预警机获取战斗机指挥控制权,进行态势感知、航路规划和突防引导;战斗机突破对方边界后识别、跟踪、锁定对方预警机及护航编队进行超视距打击。

图7 高级图形作战概念图

3.2 BVR能力视图建模

3.2.1 能力构想视图

能力构想视图CV-1描述了体系作战能力的战略背景和高层范围。如图8所示,在BVR空战概念分析下,将体系架构生命周期划分为地面准备、起飞组编、引导飞行、突入领空、探测识别、超视距攻击和返航7个体系发展阶段,对各个阶段能力需求进行概括总结,得出任务规划、指挥控制、通信、目标感知、火力打击、防御、保障和机动8项一级能力,并建立阶段与能力之间的归属关系。

图8 能力构想视图

3.2.2 能力分解视图

能力分解视图CV-2是从能力范围出发对能力进行逐层分解,得到能力要素即底层子能力,建立能力结构树,描述了能力的层级和组成关系。如图9所示,以目标感知能力为例,突袭战斗机能够独立或联合搜索目标,根据搜索信号建立目标跟踪,满足态势需求。所以将一级目标感知作战能力进行细化分为目标定位、目标跟踪、目标识别、威胁评估、综合信息显示和威胁告警6项二级能力,再将目标识别划分为雷达识别、红外识别、SAR识别和可见光识别4项三级能力。

图9 能力分解视图(节选)

3.2.3 能力依赖视图

在对BVR空战系统体系作战能力分解的基础上通过能力依赖视图CV-4的构建,明确体系作战能力之间的逻辑依赖关系。突袭战斗机以数据链路作为通信支撑,在预警机的指挥引导下进行突防打击,对敌方目标进行无源探测获得位置信息后融合预警机态势信息,形成机上引导方式,通过机动战术占位获取攻击有利条件,在雷达识别锁定目标后发射远程导弹实施超视距打击。如图10所示,火力打击能力依赖于通信能力、目标感知能力、指挥控制能力和机动能力。

图10 能力依赖视图

3.3 BVR任务视图建模

3.3.1 作战活动视图

根据BVR空战的使命任务和能力需求,建立作战活动模型OV-5b。OV-5b主要描述了BVR空战作战单位之间的控制流和数据流,直观地表达了复杂的作战业务逻辑。图11展示了活动模型中突袭战斗机实施突防打击对方目标的主要过程,规范了各作战单元参与的作战活动及作战活动间关系的描述。突袭战斗机到达对方领地边界后,预警机实施威胁评估并生成突防方案;战斗机在预警机的飞行引导下,以超音速巡航并快速接近目标;对方预警机发现后,指挥对方护航编队对战斗机实施拦截;战斗机在组合探测和抗电子干扰能力的支持下,对对方编队和预警机进行多目标跟踪、锁定和超视距打击,并评估打击结果。

图11 作战活动模型(子图)

3.3.2 作战事件跟踪描述视图

在确定了BVR空战各作战单位作战活动的基础上,依据作战活动规则约束构建OV-6c,通过追踪作战单位之间的事件交互,生成各作战单位随着时间推移,按因果关系响应外界触发的序列。如图12所示,梳理了地面预警、突袭战斗机、预警机、对方地面预警、对方护航编队和对方预警机各节点作战事件和信息交换的顺序关系。

图12 作战时序描述

3.3.3 作战状态转换视图

在OV-6c的基础上,通过建立作战状态转换描述OV-6b来反映某一作战节点的动态行为。每个节点的下一个状态取决于当前状态和所接收的事件或进行的操作,可以用于检查作战方案的合理性和可实现性。BVR空战系统体系架构设计包含地面预警、地面指挥所、突袭战斗机、预警机、对方地面预警、对方护航编队和对方预警机7个实体模型的状态转移设计,突袭战斗机作为主要的BVR打击主体,其作战状态转换视图如图13所示。

图13 突袭战斗机作战状态转换描述

3.4 扩展视图执行强化视图

在能力视图建模的基础上,建立使命任务和能力映射矩阵的扩展视图EV-2,如图14所示,强化了BVR空战概念分解下不同作战任务与能力的关联关系,验证所提出的作战能力的归属性,明确作战全生命周期各阶段对各作战能力的依赖程度和各作战能力在各阶段的需求次数。

图14 使命任务-能力矩阵视图(节选)

3.5 BVR空战体系结构的可执行验证

源图软件具备代码自动生成和事件处理引擎技术,可实现模型的可执行可验证操作。利用软件完成对装备能力、外部接口、作战流程、作战状态等模型化描述,通过代码自动生成技术,验证模型的逻辑正确性;通过事件处理引擎,对时序图中运用过程进行推演、对活动分支进行逻辑判断、对状态图的迁移结果进行测试仿真,如对OV-6b、OV-6c等模型进行结构对比和生成OV-6c动态时序图完成体系结构模型逻辑自洽性验证,检测体系结构逻辑功能的一致性和完整性。

4 模型架构快速组合、验证和复用

基于作战体系建模生成任务元模型,通过提取模型的特征数据,构建任务元模型库,如图15所示。对抗作战中,战场态势快速变化,但对于不同的作战任务,可能有相同的作战能力进行支撑,面向任务动态调整,梳理作战流程,可以确定作战活动与能力的匹配关系,后续可采用数据引用的方式,基于任务元模型库选出任务相关作战事件、活动、接口等任务要素,在作战概念指导下快速构建任务视图模型,实现作战体系结构快速集成。

图15 任务元模型库

DARPA为夺取未来空战优势提出分布式空中作战概念,如美军“体系集成技术试验”项目,旨在将高性能、高成本、多功能的有人战机的各类空战能力分解到大量低成本的自主无人机上,构建由少量高性能有人机和大量自主无人机组成的作战体系,希望以较低成本实现更高作战优势[25]。现有作战场景:高性能战斗机指挥控制4架无人机执行空空作战,前端的两架无人机对敌防空系统开展分布式电子攻击,后端的两架无人机进行侦察和打击任务。针对该场景,在BVR超视距空战生成的任务元模型库中选出电子对抗任务要素赋予前端两架无人机;提取雷达探测、目标识别和火力打击任务要素赋予后端两架无人机;提取超音速巡航、雷达探测、火力打击和指挥控制等任务要素赋予战斗机,完善作战流程,并进行可执行验证,实现任务模型架构快速构建。

5 结束语

本文提出了一种在DoDAF2.0标准框架下,通过作战概念建模、能力视图建模和任务视图建模,生成任务元模型的体系结构模型构建方法,以包含典型空战任务特征的BVR空战为例,得到BVR空战系统任务元模型,并生成任务元模型库。该方法以模型驱动思想为指导,能够实现作战概念需求引导下作战任务模型架构的快速构建,有效适应战场态势变化和任务需求变化,减少重复性建模成本。