基于领域建模语言的作战概念描述方法*

彭斯明，于芹章，李泽民

（军事科学院系统工程研究院系统总体研究所，北京 100101）

0 引言

作战概念是一个集军事理论、军事科技、军事装备等多要素为一体的复杂巨系统，为确保对作战概念形成统一的理解和认识，需要不同领域研究人员，如作战人员、顶层设计人员和装备论证人员等，对作战概念设计过程中的相关问题进行反复沟通和交流［1-2］。传统基于文本和基于图形的作战概念描述方法虽然人们较为熟悉，但往往还面临修改和维护较为困难、无法进行动态逻辑分析和仿真验证等问题。基于模型驱动的体系结构描述方法，通过采用标准化建模语言、方法和工具软件，支持采用形式化方法对系统全寿命周期的需求获取、设计、分析，以及校验和验证活动进行建模，近年来正逐渐受到研究人员的关注［3］。

统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）和系统建模语言（System Modeling Language，SysML）是模型驱动的体系结构描述中常用的建模语言，并且在军事体系结构和军事概念模型描述中得到了较为广泛的研究和应用［4-6］。但作为一种通用建模语言，UML 主要针对软件工程领域开发，其很多模型元素并不能较好地适用于其他领域建模。很多真实的系统都无法通过UML 进行建模，所以人们往往需要根据特定领域建立适合于该领域的建模语言，也即领域建模语言（Domain Specific Language，DSL），以便更好地对专业系统进行建模，促进不同专业背景项目成员之间的沟通交流［7-9］。SysML自带的Profile 机制是一种实现SysML 轻量级扩展的方法，通过扩展已有的UML 和SysML 元模型，来适应特定领域的建模需求。此外，使用这种方法创建的模型，可以被所有SysML 建模平台理解和表示。本文以分布式杀伤作战概念为研究背景，利用SysML Profile 扩展机制，对SysML 模型元素进行了扩展和定制，设计了适于作战概念描述的领域建模语言，为有效提升不同背景研究人员之间的沟通交流提供了理论支撑。

1 分布式杀伤

1.1 概念背景

“分布式杀伤”作战概念是2015 年1 月由美国海军水面舰队高层在一次研讨会上正式提出，其旨在提成水面舰队的杀伤力，部署大量可威胁敌方水面舰船、飞机或海岸设施的海军舰船，为潜在敌人制造难以控制的瞄准问题［10］。该概念于2017 年被美国海军正式确认为水面作战部队的行动和组织原则，围绕分布式杀伤作战概念，美军也持续开展了大量深化研究。2019 年12 月，美国知名智库——战略预算与评估中心（CSBA）发布“重回海上——改造美国水面舰队，实施以决策为中心的战斗”，提出了分布式海上作战（DMO），将分布式杀伤进一步拓展为海上方向联合作战概念［11］。因而，围绕分布式杀伤作战概念开展研究对于前瞻未来作战样式，牵引武器装备发展具有重要指导意义。

1.2 概念内涵

分布式杀伤主要是通过提升水面编队各作战单元的进攻力量来实现，并将它们以一种分散进攻的方式进行部署，也称为“水面猎人”行动群（Hunter-killer SAG）。

该概念提出的主要想定是假设在2025 年，由一艘濒海战斗舰（Littoral Combat Ship，LCS）、一艘Flight III 阿利·伯克（Arleigh Burke）级驱逐舰、一艘朱姆沃特（Zumwalt）级驱逐舰组成的Hunter-killer SAG 被命令部署到一座小岛附近进行守岛作战，其主要任务是对小岛周边的敌方水面、水下和海岸力量进行定位、瞄准，并最终将之消灭。该概念强调水面作战编队应具备以下5 种能力：

1）对水面目标打击能力。通过加装远程反舰导弹（如LRSAM），可对敌方水面目标，如水面舰艇编队目标进行打击；

2）对陆打击能力。为了有效达成战略和战术意图，该概念要求水面编队还应具备一定的对陆打击能力；

3）防空反导能力。为了提高生存能力，该概念要求水面编队应具备较强的防空反导能力，同时还能为其他作战部队提供空中支援和掩护；

4）战场监视能力。为了确保实时的战场态势感知能力，该概念要求水面编队应能提供广域的空中、海面和水下监视能力；

5）反潜作战能力。为了保证水下安全，该概念要求水面编队具备定位并摧毁敌方潜艇威胁的能力。

2 领域建模语言

领域建模语言（DSL）是一种为解决特定领域问题而对某个特定领域概念进行抽象的专用语言，它使用该领域专有的术语对领域问题进行描述和验证［7］。其优势主要体现在：1）便于交流。领域建模语言使得建模人员和领域专家，在对领域问题进行分析时有了一个共同语言，从而极大地方便了他们之间的交流；2）提高模型重用性。领域建模语言可以实现更高级别的抽象，能够适应整个领域，从而实现产品最大力度的重用；3）语义丰富。领域建模语言包含了领域知识和领域约束，从而使得模型的语义更加丰富。

SysML 是国际系统工程学会INCOSE 和对象管理组织OMG 为了满足系统工程的实际需要，在对UML 的子集进行重用和扩展的基础上，提出来的一种新的系统建模语言。作为系统工程领域标准建模语言，SysML 支持对各种复杂系统进行详细的说明、分析、设计以及验证和确认［12-14］。

虽然利用SysML 创建的模型可以较好地表达系统的各个方面，但工程师往往需要专业的知识和技能来理解模型所包含的信息。因而使用标准SysML 创建的模型在项目参与者之间只能共享有限的信息。为了将SysML 创建的模型更好的用于作战概念描述，需要通过SysML 扩展来定制相应的领域建模语言，以便不同背景研究人员可方便的通过模型进行交流。

利用SysML 的Profile 机制，扩展已有的UML和SysML 元模型，来适应特定领域的建模需要，这种方法也被称为SysML 的轻量级扩展。Profile 扩展机制主要包括3 条途径，即：1）构造型（Stereotypes），SysML 构造型机制通过用新的属性和约束来扩展现有的UML2 构造型，从而定义新的建模元素；2）图扩展（Diagram Extension），SysML 图扩展通过定义新的图表符号，用于补充从UML2 中重用的图表符号；3）模型库（Model Libraries），SysML 模型库用于描述可供重用的专用模型元素。本文主要采用第1 种方法进行设计。

3 分布式杀伤作战概念描述

结合分布式杀伤作战概念内涵特点，利用SysML 的Profile 扩展机制，设计相应的元模型，采用需求图、用例图、块定义图、活动图、状态图、时序图等，对分布式杀伤作战概念的静态结构和动态行为进行分析和描述。

3.1 需求分析

根据分布式杀伤的提出背景和内涵特点，其军事需求主要可以分为4 类，即抗击对手的A2/AD 能力、进攻能力、平台效能最大化以及灵活的战术。其中，抗A2/AD 能力又可进一步派生出战场支配能力、战场生存能力、水面控制能力、战场投送能力、主战能力、补给能力和国家战略需求能力等能力需求；平台效能最大化可派生出水面作战编队小型化需求；战术灵活可进一步派生出作战要素分散、压制对手、提升作战优势和使对手的瞄准更为复杂等战术。SysML 需求图能够描述需求和需求之间以及需求和其他建模元素之间的关系。SysML 用《Requirement》说明需求，其有两个属性，即text 和id，前者是需求的文本描述，后者是需求的标识符。用户可以定义需求的子类，如功能需求、性能需求等。使用导出关系《derive》表示一个需求可以从另一个需求产生或导出。为此，基于分布式杀伤作战需求特点，扩展并导出了能力（Capacity）、战略（Strategy）、战术（Doctrine）等3 类需求元模型，实现对分布式杀伤军事需求的描述，其需求图如下页图1 所示。

图1 分布式杀伤需求图

3.2 功能要素分析

主要是采用SysML 用例图对分布式杀伤的功能要素进行分析，用例图是系统的一种黑盒视图，它描述了外部参与者对系统的使用，并通过系统向参与者提供一系列服务来实现。用例图包括用例、参与者以及他们之间的通讯。用例之间的关系有包含关系（include）、扩展关系（extend）和泛化关系（generalization）。使用用例图可以显示系统的各类元素及其关系，以描述系统提供的功能，以及需要服务的利益相关者信息。根据分布式杀伤作战概念内涵，以Hunter-killer SAG 水面编队为例，体系的外部参与者主要是指挥官（下达作战指令）和敌方作战兵力（作战对象），包括敌水面编队、地面/部队、潜艇、飞机及导弹等。体系内部主要包括执行打击水面目标、打击陆上目标、打击水下目标、拦截空中来袭飞机/导弹、战场侦察监视等功能，其用例图如图2 所示。

图2 分布式杀伤功能要素分析

3.3 体系结构分析

主要是对分布式杀伤作战概念的武器装备体系结构进行分析。以分布式杀伤典型水面编队Hunter-killer SAG 为例，其典型装备配置包括1 艘濒海战斗舰、1 艘伯克级驱逐舰和1 艘朱姆沃特级驱逐舰，这些作战单元均可独立或联合遂行防空作战、反导作战、反舰作战、反潜作战、对陆打击等任务。此外，以伯克级驱逐舰为例，它主要由舰载雷达、鱼雷、舰炮、导弹等武器和飞行器等装备构成，根据分布式杀伤作战概念任务要求，伯克级驱逐舰主要装配SM-6 和LRSAM 等武器，以及MH-60R反潜直升机。在SysML 中，块（Block）被定义为系统描述的建模单元，是被描述系统的特征几何，包括了被描述系统的结构特征和行为特征，如属性和操作等。SysML 块定义图（Block Definition Diagram，BDD）定义了块的特征即块之间的关系，如关联、泛化以及依赖等。使用SysML 块定义图能够对组成以及各组成要素的属性、功能、接口等进行定义，并确定各组成部分之间的相互关系。为此，利用SysML的构造型功能，并结合分布式杀伤作战体系的结构和要素特点，设计了武器装备体系（EquipmentSoS）、武器装备（Equipment）、传感器（Sensors）、武器（Weapon）等4 个类元模型。其中，武器装备体系主要是指为完成特定的作战使命，由功能上相互联系、相互作用的各军兵种所属不同的武器作战实体，在联合指挥控制和联合保障下综合集成的大系统，如本文中Hunter-killer SAG 可视为一类武器装备体系；武器装备是指用于作战和保障作战及其他军事行动的武器、武器系统、电子信息系统等的统称，如飞机、舰艇等；传感器主要是指信息检测装置，如雷达等；武器通常是武器装备的一部分，用来攻击、威胁或防御的工具，如防空导弹、舰炮等。基于此，其相应的体系结构描述如下页图3～图4 所示。

图3 Hunter-killer SAG 水面作战群装备体系构成

图4 伯克级驱逐舰系统构成

3.4 作战活动及流程分析

根据分布式杀伤作战概念，其典型水面编队Hunter-killer SAG 的作战行动主要包括以下几个步骤：

1）朱姆沃特级驱逐舰派出1 架MQ-8 无人机对小岛周边敌情进行侦察；

2）MQ-8 无人机发现敌方水面编队，将目标信息回传给Hunter-killer SAG 水面编队；

3）Hunter-killer SAG 水面编队接收到MQ-8 回传目标信息后，命令编队中的濒海战斗舰、伯克级驱逐舰和朱姆沃特级驱逐舰，采用远程反舰导弹（LRSAM）对敌方水面舰艇编队进行打击；

4）伯克级驱逐舰派出MH-60R 海马直升机对敌方潜艇进行搜索；

5）Hunter-killer SAG 水面编队利用其防空反导雷达对编队上空区域，进行持续侦察和监视，发现敌方来袭反舰导弹后，发射SM-6 防空导弹对来袭导弹进行拦截；

6）MH-60R 反潜直升机发现敌方潜艇，并将潜艇定位信息发送给Hunter-killer SAG 水面编队；

7）Hunter-killer SAG 水面编队接收到MH-60R回传的潜艇目标信息后，命令伯克级驱逐舰发射鱼雷，对敌方潜艇进行打击；

8）MQ-8 无人机发现敌方登岛部队，将侦察信息回传给Hunter-killer SAG 水面编队；

9）Hunter-killer SAG 水面编队收到MQ-8 回传的敌方信息后，命令濒海战斗舰用舰炮对敌方登岛部队进行打击。

SysML 活动图和时序图是系统的一种动态视图，说明随着时间的推移，系统行为和事件的发生序列的优点能很好地表达系统各种复杂的行为活动，且可读性强。时序图和活动图一样，也表达了系统的一种动态视图，这种视图说明了随着时间的推移而发生的行为和事件的序列，它是对行为的精确说明，适合用在详细设计方面，表达系统之间的交互行为。

图5 为根据Hunter-killer SAG 水面编队的作战想定分析得到的活动图，其中，活动图采用了泳道图的形式，以便清晰地展现作战过程中滨海战斗舰、伯克级驱逐舰、朱姆沃特级驱逐舰等3 个对象之间的活动顺序及交互关系。图6 为以伯克级驱逐舰为例，对分布式杀伤作战过程中其状态转换进行分析得到的状态图。其中，作战过程状态又可进一步分为两个并发状态，即防空反导作战和反潜作战，表示这两种作战状态彼此独立。活动的分层描述是SysML 活动图在表达能力上的一大优势，通过活动的分层描述，能把复杂的行为过程简单化，从而达到增进理解的效果。图7 为Hunter-killer SAG水面编队的作战时序图，其主要给出了分布式杀伤作战样式中，涉及的几类主要装备，即朱姆沃特级驱逐舰、伯克级驱逐舰、滨海战斗舰、MQ-8 无人侦察机和MH-60R 反潜直升机之间的信息传递时序关系，以及彼此之间的信息交换过程。通过将所构建模型编译运行得到的时序图仿真结果和图7 进行对比，可对模型的准确性进行验证。

图5 Hunter-killer SAG 水面编队作战活动图

图6 伯克级驱逐舰作战状态转换图

图7 Hunter-killer SAG 水面编队作战时序图

4 结论

本文研究了基于领域建模语言的作战概念形式化描述方法。文中模型都是基于IBM Rhapsody 平台开发，该平台的实时语法约束验证功能为产品语法正确性提供了保证。通过对作战概念相关要素进行分析和抽象，并利用SysML 的Profile 扩展机制设计对应的领域元模型，对分布式杀伤作战概念的军事需求、功能要素、体系结构和作战活动及流程等进行了描述。本文对作战概念的建模仿真及评估分析具有一定的借鉴作用，为下一步开发作战概念演示验证评估系统奠定了基础。同时，对于促进作战概念研究过程中，不同领域研究人员之间的沟通交流，有效缩短作战概念设计开发周期，具有一定的指导作用。