基于因果关系回溯的兵棋系统OODA环提取方法

杨国强,张 昱

(军事科学院战争研究院,北京 100091)

1 引言

美国陆军上校约翰·博伊德提出的OODA(Observe Orient Decide Act)环[1,2]是对体系作战行动整个过程的一种高度抽象,能较为清晰地描述整个体系作战行动的全过程:“观察(O)—判断(O)—决策(D)—行动(A)”。观察,就是运用各种探测手段进行目标情报收集,包括目标位置信息、目标状态信息等;判断,就是对收集的情报信息进行融合及分析,判明情报的真伪,研判当前形势,分析目标意图和威胁程度;决策,即基于当前形势定下决心,制定行动计划和任务方案;行动,即根据决策采取相应的行动。通过OODA环可以将各种作战力量按照作战流程进行整合,形成完整的作战体系[3,4]。美军提出的马赛克战概念[5,6]中,进一步将OODA功能分散到大量简单功能单元,并根据军事行动的类型和任务需要动态组合成OODA环和杀伤链,实现集群分布式协同感知、分布式智能决策和分布式火力打击[7,8]。

随着计算机技术的发展,基于计算机模拟的兵棋系统成为研究战争的重要手段[9,10]。兵棋系统对战争环境和战争过程进行模拟,可用于战争分析、战争人员训练、战争所需武器装备的采办和研制等[11]。

兵棋系统在运行过程中将模拟结果数据等写入文件或数据库,其中与OODA环相关的数据通常仅包含单个仿真事件信息如探测事件、毁伤事件等,并没有包含仿真事件之间的关联信息如事件之间的因果关系。如果能够从仿真事件中分析出事件间的因果关系,从而提取作战过程中形成的OODA环,将对作战过程理解有很大帮助。

2 OODA事件与因果链

一次作战行动通常由多个作战实体协作完成。如图1所示为一个典型防空反导作战体系,T是目标实体,可能为敌方飞机或导弹;S1和S2是具有探测功能实体,如预警雷达,S1同时具有情报融合功能;D是具有决策功能实体,如区域防空指挥中心;A是可以进行作战行动的实体,如地空导弹发射架、机场或飞机。S2探测到目标T后,将关于目标T的情报信息通过通信链路发送给情报融合中心S1;S1自身也有传感器探测到目标T从而生成目标T的情报信息;S1将多个来源的关于目标T的情报信息进行融合后得到融合情报信息,并通过通信链路发送给决策中心D;决策中心D收到融合情报信息后进行决策,制定行动计划,并向A下达攻击T的指控命令;A收到指控命令后对T采取作战行动。这样的协同作战过程可以抽象为一个OODA环,不同的作战实体在OODA环的不同阶段完成不同的作战任务,并协同完成一次作战行动。

图1 OODA环示例

一个OODA环实际上由一系列事件组成,称为OODA事件。如图1中OODA环的事件包括:“S2探测到T”事件,“S2将对T的情报信息发送给S1”事件,“S1将对T的融合后情报信息发送给D”事件,“D向A1下达攻击T命令”事件等。

一个OODA事件具有两个或三个相关实体,如“S2探测到T”事件有两个相关实体S2和T,而“S2将对T的情报信息发送给S1”事件则有三个相关实体S2、S1和T。在OODA事件的相关实体中必然有一个敌方实体,称为事件的目标实体;有三个相关实体的事件中有两个我方相关实体,分别称为事件的源实体和对象实体,情报或指控信息从源实体流向对象实体;有两个相关实体的事件中只有一个我方实体,称为源实体。如“S2将对T的探测信息发送给S1”事件中,T是目标实体,S2是源实体,S1是对象实体。

因此,一个OODA事件的要素包括:发生时间M,事件类型S,目标实体T,源实体A,对象实体B。其中事件类型决定了该事件具有两个还是三个相关实体。相关实体数为三个的事件有对象实体,而相关实体数为两个的事件没有对象实体。

以典型防空反导体系为例,涉及到的OODA事件按类型可分为(设事件的目标实体为T,源实体为A,对象实体为B):

● 探测到目标事件:实体A探测到了敌方实体T;

● 新建情报信息事件:实体A新建了关于敌方实体T的情报信息;

● 更新情报信息事件:实体A更新了关于敌方实体T的情报信息;

● 网络发送情报信息事件:实体A通过网络向实体B发送敌方实体T的情报信息信息;

● 被识别为威胁事件:实体A收到敌方实体T的情报信息后将实体T识别为威胁;

● 指定作战目标事件:上级指挥实体A命令下级指挥实体B将敌方实体T作为作战目标;

● 设定作战目标事件:实体A将敌方实体T作为作战目标;

● 交战事件:实体A与敌方实体T进入交战状态;

● 飞机起飞事件:飞机实体B从机场实体A起飞攻击敌方实体T;

● 导弹发射事件:导弹发射实体A向敌方实体T发射导弹B;

● 实体被摧毁事件:实体A摧毁了敌方实体T;

● 导弹命中目标事件:导弹A命中了敌方实体T;

● 导弹爆炸事件:导弹A在向敌方实体T飞行过程中爆炸(原因可能是:命中、未命中、被拦截、故障等);

上述OODA事件的相关实体数为两个或三个,其中导弹发射事件、飞机起飞事件、指定作战目标事件、网络发送情报信息事件的相关实体数为三个,其它类型的事件的相关实体数为两个。

每个OODA事件类型对应OODA环的不同阶段。Observe阶段发生的事件包括:探测到目标事件;Orient阶段发生的事件类型包括:网络发送情报信息事件,新建情报信息事件,更新情报信息事件;Decide阶段发生的事件类型包括:指定作战目标事件,被识别为威胁事件;Act阶段发生的事件类型包括:实体被摧毁事件,导弹命中目标事件,导弹爆炸事件,交战事件,设定作战目标事件,飞机起飞事件,导弹发射事件。

3 OODA事件的因果关系

OODA事件之间并不是孤立的,而是具有一定的因果关系。如果事件E2发生在事件E1之后,且事件E1是事件E2发生的必要条件,则事件E1与事件E2具有因果关系,事件E1是原因事件而事件E2是结果事件。

如图1中两个事件:“S2探测到T”事件E1和“S2将对T的探测信息发送给S1”事件E2,如果事件E1没有发生则事件E2也不会发生,即事件E1是事件E2发生的必要条件,因此事件E1与事件E2具有因果关系。

OODA事件的类型决定了其原因事件可能有哪些类型。以典型防空反导体系为例,分析各类型事件可以得到各类型事件可能的原因事件类型:

● 实体被摧毁事件的原因事件类型包括:交战事件,导弹命中目标事件;

● 导弹命中目标事件的原因事件类型包括:导弹爆炸事件,导弹发射事件;

● 导弹爆炸事件的原因事件类型包括:导弹发射事件;

● 导弹发射事件的原因事件类型包括:设定作战目标事件,指定作战目标事件,被识别为威胁事件;

● 飞机起飞事件的原因事件类型包括:设定作战目标事件,指定作战目标事件,被识别为威胁事件;

● 交战事件的原因事件类型包括:交战事件,飞机起飞事件,设定作战目标事件,指定作战目标事件,被识别为威胁事件,新建情报信息事件,更新情报信息事件;

● 设定作战目标事件的原因事件类型包括:指定作战目标事件,飞机起飞事件,被识别为威胁事件,新建情报信息事件,更新情报信息事件,网络发送情报信息事件;

● 指定作战目标事件的原因事件类型包括:指定作战目标事件,设定作战目标事件,被识别为威胁事件,新建情报信息事件,更新情报信息事件,网络发送情报信息事件;

● 被识别为威胁事件的原因事件类型包括:新建情报信息事件,更新情报信息事件;

● 新建情报信息事件事件的原因事件类型包括:更新情报信息事件,探测到目标事件;

● 更新情报信息事件的原因事件类型包括:新建情报信息事件,更新情报信息事件,网络发送情报信息事件,探测到目标事件;

● 网络发送情报信息事件的原因事件类型包括:新建情报信息事件,更新情报信息事件,网络发送情报信息事件,探测到目标事件;

● 探测到目标事件没有原因事件类型。

各种事件类型之间的因果关系图如图2所示,图中箭头方向为从原因事件类型指向结果事件类型。

图2 事件类型间因果关系图

根据OODA事件因果关系定义,对于两个OODA事件E1和E2,设其类型分别为S1和S2,发生时间分别为M1和M2,目标实体分别为T1和T2,源实体分别为A1和A2,对象实体分别为B1和B2。则E1是E2的原因事件的必要条件包括四条:

● M1

● 事件类型S1是事件类型S2的原因事件类型;

● T1和T2必须是同一个实体,即事件E1的目标实体与事件E2的目标实体相同;

● 如果E1的相关实体有三个,则B1和A2必须为同一个实体,即事件E1的对象实体必须与事件E2的源实体相同;如果E1的相关实体有两个,则A1和A2必须为同一个实体,即事件E1的源实体必须与事件E2的源实体相同。

即事件E1必须要满足上述时间、类型和相关实体约束条件,才可能是事件E2的原因事件。

具有因果关系的多个OODA事件构成一个OODA事件因果链。例如,若事件E1为事件E2的原因事件,事件E2为事件E3的原因事件,则E1-E2-E3构成一条OODA事件因果链。一个OODA环对应一条OODA事件因果链,然而并不是每个OODA事件因果链都对应一个OODA环。以图1中作战过程为例,假设发生了“S2探测到T”事件E1,“S2将对T的情报信息发送给S1”事件E2,“S1将对T的融合后情报信息发送给D”事件E3,而决策节点D判断目标节点T不构成威胁,并没有向A下达攻击T命令,则E1、E2、E3构成了一个OODA事件因果链,但因为缺少Action阶段事件,因此并没有构成一个完整的OODA环。

4 OODA环提取方法

兵棋系统在运行过程中会将模拟结果数据等写入文件或数据库,从中可以提取出各OODA事件的发生时间、事件类型、源实体、目标实体等信息,而OODA事件之间的因果关系及OODA环则不能从事件数据中直接获得。

实际上,基于上一节中分析得到的OODA事件间因果关系的必要条件,对于每个事件E,可以通过回溯遍历所有仿真事件寻找满足四个约束条件的事件,从而得到事件E可能的原因事件。通过回溯遍历寻找每个OODA事件的原因事件的过程如下:

设仿真事件E的发生时间为M,事件类型为S,源实体为A,目标实体为T;设事件类型S的原因事件类型为S1,S2,…,Sn;

对于每个原因事件类型Si(i=1,2…,n):若Si的相关实体数为2,则从所有仿真事件中寻找发生时间早于M,目标实体为T,且源实体为实体A的Si类型的事件E2;若Si的相关实体数为3,则从所有仿真事件中寻找发生时间早于M,且对象实体为实体A的Si类型的事件E2;将找到的事件E2放入事件E的原因事件集合。

一个事件的原因事件可能有多个,例如:导弹A命中目标T事件,原因事件可能有导弹A爆炸事件和实体B向目标T发射导弹A事件。通常只需要寻找一个原因事件即可,因为各原因事件之间也存在因果关系,例如:在上述两个原因事件中,实体B向目标T发射导弹A事件是导弹A爆炸事件的原因事件。因此,在搜寻原因事件的过程中应优先寻找最直接的原因事件类型,例如:上述两个原因事件类型中,应优先搜索导弹爆炸事件,若没有搜索到导弹爆炸事件再搜索发射导弹事件。

在找到每个OODA事件的原因事件之后,就可以进一步根据事件之间的因果关系得到所有的OODA事件因果链。

由于只有探测到目标事件类型没有原因事件类型,因此OODA事件因果链的第一个事件都是探测到目标事件。从一个探测到目标事件E1出发,寻找原因事件集合中有E1的事件E2,原因事件集合中有E2的事件E3,……,直到找到事件En,没有任何事件的原因事件集合中存在En,即En没有结果事件,这样就找到了一条OODA因果链:E1-E2-……-En。

重复上述过程即可找到所有的OODA因果链。由于并不是每条OODA事件因果链都对应一个OODA环,需要对OODA事件因果链中所有事件的事件类型进行统计,判断其包含哪些阶段的事件,只有当其包含Observe、Orient、Decision、Action四个阶段的事件才认为其构成了一个完整的OODA环。

5 总结

本文介绍了一种基于因果关系回溯的兵棋系统OODA环提取方法,将兵棋系统输出的各种OODA事件进行详细分类,并对各类型事件间的因果关系进行深入分析;在此基础上根据事件间因果关系的必要条件回溯寻找事件的原因事件,构建OODA事件因果链,并进一步筛选出完整的OODA环。基于该方法,我们针对现有兵棋系统的输出,设计并实现了两个OODA环的可视化分析工具:基于事件的OODA环回溯分析工具、基于实体的OODA环回溯分析工具,对兵棋系统使用人员深入理解体系作战运行机理提供了很大帮助。