李龍躍,劉付顯

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,陜西 西安 710051)

為實現(xiàn)各軍種之間信息的無縫流通及互操作,美軍在 C4ISR體系結(jié)構(gòu)框架的基礎(chǔ)上,于 2003年 1月頒布了國防部體系結(jié)構(gòu)框架;DoDAF(Department of Defense Architecture Framework)1.0版。之后,又于 2007年 4月頒布了國防部體系結(jié)構(gòu)框架 1.5版(DOD AF 1.5)。2009年,在DOD AF 1.5版的基礎(chǔ)上,美國防部開發(fā)了DOD AF 2.0版。DOD AF 2.0版擴充了視圖和產(chǎn)品,共包括 8個視圖和 51種產(chǎn)品。美國國防部 DoDAF定義了一個用于作戰(zhàn)過程的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)描述、開發(fā)、表示和系統(tǒng)集成的通用方法,用來指導(dǎo)國防運作過程的集成系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計。DoDAF所描述的體系結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)建設(shè)的藍圖,是復(fù)雜信息系統(tǒng)建設(shè)中必須遵循的標(biāo)準(zhǔn),它在系統(tǒng)的整個生命周期中都發(fā)揮重要作用[1]。一般而言,作戰(zhàn)體系尤其是反導(dǎo)作戰(zhàn)體系是一個極其復(fù)雜的作戰(zhàn)系統(tǒng),彈道導(dǎo)彈攔截系統(tǒng)是典型離散事件系統(tǒng),作戰(zhàn)過程由一系列事件和活動組成,如目標(biāo)預(yù)警、搜索與跟蹤、攔截、殺傷效果評估,等等。

統(tǒng)一建模語言(UML,Unified Modeling Language)是對象管理組織(OMG,Object Management Group)確定的面向?qū)ο蠼ＵZ言標(biāo)準(zhǔn)。其表達能力豐富、嚴(yán)謹并具有較強的擴充性,能夠描述、說明、建立文檔和可視化構(gòu)造軟件或仿真系統(tǒng)開發(fā)的各個階段,所有參與人員均可從 UML中無歧義地獲取所需信息[2]。

本文在借鑒美國 DoDAF框架視圖產(chǎn)品規(guī)范的基礎(chǔ)上,結(jié)合 UML語言對反導(dǎo)作戰(zhàn)的概念模型與仿真系統(tǒng)設(shè)計開展研究。

1 建模思路

DoDAF提供了一個推進和實施體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的一體化的概念、指南,特別在面向決策者的數(shù)據(jù)語言選擇和根據(jù)面向服務(wù)架構(gòu)設(shè)計的要求等方面進行了改進,提供了以全視圖(AV)、作戰(zhàn)視圖(OV)、系統(tǒng)視圖(SV)和標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)視圖(TV)四種類型視圖為主的視圖產(chǎn)品集,DoDAF各個視圖的概念和關(guān)系如圖 1所示。UML中定義了 5類模型圖,包括用例圖、靜態(tài)圖(對象圖、類圖和包圖)、行為圖(狀態(tài)圖和活動圖)、交互圖(協(xié)作圖和順序圖)、實現(xiàn)圖(構(gòu)件圖和配置圖)[3]。基于UML與DoDAF的作戰(zhàn)軍事概念建模就是建立 DoDAF產(chǎn)品和 UML圖的映射,反映軍事需求,從面向?qū)ο蠓椒ㄕ撋辖o出一個設(shè)計表示規(guī)范。為了更系統(tǒng)、更全面地描述建模對象,UML提供多視點建模機制,進行多視圖建模,將UML模型分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型兩大類,圖2給出了UML建模的基本框架。

圖1 DoDAF體系結(jié)構(gòu)視圖

圖2 UML建模框架

2 反導(dǎo)作戰(zhàn)軍事概念模型

2.1 反導(dǎo)攔截系統(tǒng)的構(gòu)成及作戰(zhàn)流程

反導(dǎo)武器系統(tǒng)作戰(zhàn),首先需要具備完善的預(yù)警網(wǎng),即由天基、空基、面基預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成的三維預(yù)警體系;其次,需要高效的指揮控制系統(tǒng),準(zhǔn)確、快捷地完成信息的處理與分發(fā);再次,攔截武器系統(tǒng)的性能對反導(dǎo)成敗影響巨大,當(dāng)前主要的反導(dǎo)武器是地空導(dǎo)彈。對TBM實施攔截過程可分為預(yù)警探測、跟蹤監(jiān)視、系統(tǒng)分析、指揮決策、適時攔截等幾個階段,當(dāng)來襲 TBM穿過稠密大氣層后,預(yù)警系統(tǒng)中的導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星或預(yù)警飛機上的紅外探測器就能探測到導(dǎo)彈火箭發(fā)動機的噴焰,跟蹤其紅外能量,直到熄火。經(jīng)過 60～90秒的監(jiān)視便能判定其發(fā)射位置或出水面處的坐標(biāo),跟蹤其彈道,并初步判定導(dǎo)彈的飛行方向和彈頭落點,向可能受到攻擊的地區(qū)及其防御系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號。預(yù)警衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈升空后,通過作戰(zhàn)管理/指揮、控制、通信和情報(BM/C3I)系統(tǒng),將目標(biāo)彈道的估算數(shù)據(jù)傳送給空間防御指揮中心,并向遠程地基預(yù)警雷達指示目標(biāo)。BM/C3I系統(tǒng)是整個防御系統(tǒng)運行的關(guān)鍵,它將多種探測器的探測和識別能力進行融合集成,做出包括人工參與的作戰(zhàn)決策,給攔截彈下達發(fā)射命令,負責(zé)各系統(tǒng)之間的通訊,監(jiān)測作戰(zhàn)過程,并對攔截彈的射擊效果進行評估。

2.2 DoDAF框架下的反導(dǎo)作戰(zhàn)UML模型

DoDAF框架下的反導(dǎo)作戰(zhàn)軍事概念建模,是指利用 UML模型元素,詳細描述 DoDAF框架作戰(zhàn)視圖和系統(tǒng)視圖的過程。DoDAF中的作戰(zhàn)概念視圖由UML用例分析來描述。用例分析是系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ),從宏觀上描述反導(dǎo)作戰(zhàn)過程并進行需求分析。根據(jù)用例描述,可得到反導(dǎo)系統(tǒng)概念視圖(圖3)。作戰(zhàn)概念視圖描述了反導(dǎo)作戰(zhàn)流程并突出了主要的運作節(jié)點,強調(diào)軍事活動的主要方面。由于僅從圖形上不能夠直接獲得隱含的許多必要信息,因此,除了給出圖形描述外,通常還需給出文字描述。作戰(zhàn)組織關(guān)系視圖闡明了預(yù)警探測系統(tǒng)、攔截系統(tǒng)之間等存在的各種關(guān)系。實際需求需要經(jīng)過簡化,突出體現(xiàn)主要模型,這符合UML的主要設(shè)計理念;分治和反饋。圖4為用類圖描述反導(dǎo)作戰(zhàn)組織間關(guān)系的視圖。

圖3 反導(dǎo)系統(tǒng)概念視圖

圖4 作戰(zhàn)組織關(guān)系視圖

UML中的用例、類、類操作都可以用來表示反導(dǎo)作戰(zhàn)中的作戰(zhàn)組織關(guān)系視圖。圖 4中 Sensor Networks、Warning Radar等都是系統(tǒng)中的實體類,其活動均通過訪問類的屬性和調(diào)用操作來完成。在建立類圖時要緊密結(jié)合用例圖,確保類屬性和類操作能完全覆蓋用例。根據(jù)面向?qū)ο笤O(shè)計的思想,所有的類應(yīng)該獨立封裝,盡量避免非法改動及類之間耦合[4]。對于每一個類都有非常詳細的屬性數(shù)和操作數(shù)。限于篇幅,這里僅以 TBM目標(biāo)參數(shù)及預(yù)警雷達的類圖[5]為例,根據(jù) TBM的目標(biāo)特性,可以將屬性分為時間、發(fā)射平臺、位置信息、速度、RCS、紅外輻射等,并可對其進行相關(guān)的計算操作。同樣,對預(yù)警雷達的屬性和操作也可定義,如圖5所示。

圖5 (圖4中)TBM目標(biāo)數(shù)據(jù)與預(yù)警雷達類圖

圖6 作戰(zhàn)事件跟蹤視圖

反導(dǎo)作戰(zhàn)事件跟蹤視圖可用 UML序列模型來描述。作戰(zhàn)時間跟蹤視圖描述了在特定場景下反導(dǎo)作戰(zhàn)各節(jié)點之間的序列關(guān)系,更好地定義了節(jié)點間交互和運作流程,保證各個作戰(zhàn)節(jié)點在適當(dāng)?shù)臅r間獲得所需的信息來執(zhí)行作戰(zhàn)活動。對各個節(jié)點序列模型,分別建立,體現(xiàn)了分治的思想,能更好描述反導(dǎo)作戰(zhàn)系統(tǒng)。圖6和表1分別為作戰(zhàn)事件跟蹤視圖和消息說明。

表1 (圖6中)消息說明

Info(5) { 戰(zhàn)術(shù)BM/C3對火力單元目標(biāo)分配、目標(biāo)指示信息 }Check { 射擊效果觀察,視情再次發(fā)射 }*Info(1) { 地基預(yù)警雷達目標(biāo)跟蹤信息;目標(biāo)識別、方位角、高低角、速度 }*Info(2) { 目標(biāo)跟蹤信息;目標(biāo)方位角、高低角、速度 }*Info(3) { 攔截武器對戰(zhàn)術(shù)BM/C3上報戰(zhàn)果 }*Info(4) { 戰(zhàn)術(shù)BM/C3I對戰(zhàn)區(qū)BM/C3上報戰(zhàn)果 }

表2是 DoDAF產(chǎn)品作戰(zhàn)視圖與系統(tǒng)視圖的UML表示對應(yīng)表。作戰(zhàn)系統(tǒng)活動的靜態(tài)結(jié)構(gòu)主要包括實體的組織結(jié)構(gòu),系統(tǒng)單位的編成等;動態(tài)行為主要表現(xiàn)為達成一定的軍事目的所采取的系統(tǒng)行動。上面給出的反導(dǎo)作戰(zhàn)概念視圖、組織關(guān)系視圖和作戰(zhàn)事件跟蹤視圖是DoDAF框架下多視圖的一部分。用UML模型可以較好地解決如何描述DoDAF產(chǎn)品(視圖)的問題。當(dāng)然,DoDAF框架下完整的產(chǎn)品集應(yīng)該是一系列視圖。對 DoDAF四大視圖,本文僅從反導(dǎo)作戰(zhàn)的系統(tǒng)和作戰(zhàn)兩方面建立軍事概念模型作為示例,實際反導(dǎo)作戰(zhàn)概念模型,仍需要對其它兩類視圖分別進行分析與建模。

表2 DoDAF產(chǎn)品作戰(zhàn)視圖與系統(tǒng)視圖的UML表示

3 基于 DoDAF視圖的反導(dǎo)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)設(shè)計

基于 DoDAF視圖的反導(dǎo)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計主要有以下4個步驟。

Step1:對作戰(zhàn)系統(tǒng)進行抽象,建立DoDAF反導(dǎo)系統(tǒng)視圖。系統(tǒng)的需求分析及結(jié)構(gòu)、功能描述可由用例圖來描述,用例圖是系統(tǒng)的頂層視圖,不涉及系統(tǒng)的細節(jié)。系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu),不同對象的類和類的接口、屬性、操作、結(jié)構(gòu)及類之間的關(guān)系則由類圖來描述。

Step2:對作戰(zhàn)系統(tǒng)交互關(guān)系、對象之間的通信聯(lián)系和消息傳遞進行描述,建立 DoDAF反導(dǎo)作戰(zhàn)視圖。除了順序圖和活動圖外,UML還提供包圖、協(xié)作圖、實施圖和構(gòu)件圖等,用戶可根據(jù)系統(tǒng)的具體特點選擇其中的一種或幾種。

Step3:系統(tǒng)設(shè)計人員對反導(dǎo)作戰(zhàn)系統(tǒng)建立DoDAF系統(tǒng)視圖和作戰(zhàn)視圖之后,用UML順序圖和活動圖制定系統(tǒng)的運行方案,每一個對象都對應(yīng)一個仿真單元,都需要編寫一個圖形仿真語言(GSL)程序框架來驅(qū)動架構(gòu)的仿真行為,并利用仿真單元間的通信協(xié)議進行交互[6]。

Step4:系統(tǒng)實現(xiàn)。根據(jù)具體 UML模型利用UML支持工具提供的代碼到處功能生成代碼,以java為例,添加各實體對象的仿真代碼,采用MFC對系統(tǒng)進行軟件實現(xiàn)。UML主要有IBM Rational Rose和Microsoft Visio,其中Rose是一個強大的面向?qū)ο笤O(shè)計軟件,可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的建模、設(shè)計和編碼,并且可以利用源代碼信息創(chuàng)建或更新模型,保證了模型與代碼的同步。下文中還給出了一段系統(tǒng)初始化代碼示例[7]。

通過上述 4個步驟的描述,可以給出基于DoDAF視圖的反導(dǎo)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)設(shè)計框架,如圖 7所示。利用該框架,結(jié)合分布交互仿真(HLA、DIS等)支撐系統(tǒng)建立完善有效的分布式仿真規(guī)則,包括協(xié)調(diào)一致的結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)庫等,可以支持 TBM攔截作戰(zhàn)的分析、設(shè)計、實驗等仿真。在HLA仿真中,消息傳遞中聯(lián)邦成員的訂購、公布等機制由RTI來決定;在 DIS仿真體系中,消息交互則通過仿真節(jié)點間發(fā)送 PDU實現(xiàn),操作人員對仿真的最后控制還需要友好的人機界面來完成。代碼重用性高、系統(tǒng)易于擴展、維護是UML面形對象的三個主要優(yōu)點,此外,代碼間直接移植、可以依靠繼承機制擴充新的類和單個類的修改不影響整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系等優(yōu)勢,使得基于 DoDAF的仿真系統(tǒng)設(shè)計效率大大得到提高。

在仿真系統(tǒng)正式建立之前可以進行測試,充分暴露出仿真方案設(shè)計中的缺陷,方便設(shè)計人員進行可行性和效率性評估。例如,可采集以往反導(dǎo)作戰(zhàn)試驗數(shù)據(jù),在仿真系統(tǒng)中通過數(shù)據(jù)驅(qū)動驗證設(shè)計方案及理論模型的不足之處,爾后修改系統(tǒng)模型,重新設(shè)計仿真系統(tǒng),最終得到優(yōu)化、可靠的方案。

系統(tǒng)初始化代碼示例：

圖7 基于UML的仿真系統(tǒng)設(shè)計框架

4 結(jié)束語

規(guī)范的體系結(jié)構(gòu)和軍事作戰(zhàn)描述方法,是指揮信息系統(tǒng)建設(shè)、運行的基礎(chǔ),旨在跨越不同的系統(tǒng),形成一體化的系統(tǒng)。因而,提高系統(tǒng)的互操作性和兼容度,必須應(yīng)用規(guī)范化的視圖產(chǎn)品,形成概念摸型。這些軍事概念模型是作戰(zhàn)系統(tǒng)兼容性、連通性、共享性和互操作性的基礎(chǔ),對建立規(guī)范的體系結(jié)構(gòu)十分必要。本文以彈道導(dǎo)彈防御作戰(zhàn)為對象,基于DoDAF建立軍事概念模型,并給出一種仿真系統(tǒng)設(shè)計方法,對研究其他類似軍事問題及指控系統(tǒng)的開發(fā)具有一定參考價值。

[1]李為民,辛永平.防空反導(dǎo)一體化作戰(zhàn)與軍事系統(tǒng)工程[J].軍事運籌與系統(tǒng)工程,2008,22(4):19-21.

[2]李 波,高曉光.基于 UML的空空導(dǎo)彈仿真建模[J].飛行力學(xué),2010,28(1):61-64.

[3]Ying Liang.From Use Cases to a Way of Building Object Model with UML [J].Information and Software Technology,2003,45(2):83-93.

[4]陸波,華耀祖.應(yīng)用UML進行反輻射導(dǎo)彈對抗仿真建模[J].計算機仿真,2003,20(12):17-18.

[5]徐忠富,王國良,姜芳.UML在電子戰(zhàn)仿真建模中的應(yīng)用研究[J].指揮控制與仿真,2009,31(5):73-77.

[6]徐剛,陸廷金,米繼承.UML可視化仿真方法及在武器中的應(yīng)用[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報,2007(3):24-27.

[7]李雪超.基于 DoDAF的防空反導(dǎo)指控系統(tǒng)模型研究[D].西安:空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)院學(xué)位論文,2010.