李 亢，李新明，劉 東

（裝備學(xué)院復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京101416）

基于語義元模型的裝備體系結(jié)構(gòu)建模方法

李 亢，李新明，劉 東

（裝備學(xué)院復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京101416）

根據(jù)以數(shù)據(jù)為中心的體系結(jié)構(gòu)建模思路，提出了一種裝備體系結(jié)構(gòu)語義模型——語義裝備體系。首先在DoDAF元模型（DoDAF meta-model，DM2）基礎(chǔ)上提出語義元模型，定義了裝備體系結(jié)構(gòu)的概念基礎(chǔ)類及關(guān)聯(lián)關(guān)系，給出了由類、關(guān)系、屬性和實(shí)例構(gòu)建四元組的本體描述框架；其次基于語義元模型構(gòu)建了作戰(zhàn)視圖本體模型、系統(tǒng)視圖本體模型、能力視圖本體模型，明確了體系組成要素在各視圖中的定義、關(guān)系和屬性的形式化描述；最后以海戰(zhàn)場(chǎng)預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)為例進(jìn)行了實(shí)例研究，驗(yàn)證了方法的可行性。

裝備體系；體系結(jié)構(gòu)建模；本體模型；DoDAF元模型；語義元模型

0 引 言

信息技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)軍事領(lǐng)域的變革產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，當(dāng)今戰(zhàn)爭(zhēng)的主要對(duì)抗形式已經(jīng)發(fā)展成為武器裝備體系（下稱“裝備體系”）之間的對(duì)抗，世界各國競(jìng)相開展了基于信息系統(tǒng)的裝備體系建設(shè)。裝備體系是指在一定的戰(zhàn)略指導(dǎo)、作戰(zhàn)指揮和保障條件下，為滿足一定的戰(zhàn)略需求或作戰(zhàn)需要，由功能上互相聯(lián)系、互相作用的各類武器系統(tǒng)組成的有機(jī)整體［1］。裝備體系結(jié)構(gòu)描述了體系的組成要素、組成要素的層次結(jié)構(gòu)和組成要素之間的相互關(guān)系等內(nèi)容［2-3］，是開展裝備體系研究的基礎(chǔ)和前提。

近年來，以數(shù)據(jù)為中心的體系結(jié)構(gòu)建模思路得到了廣泛的認(rèn)可，其思想是基于體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)各體系結(jié)構(gòu)的視圖模型，從而實(shí)現(xiàn)裝備體系綜合集成和互操作［4-5］。裝備體系中涉及到裝備實(shí)體數(shù)據(jù)、視圖數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)等多種類型的數(shù)據(jù)，具有結(jié)構(gòu)多樣、類型復(fù)雜、語義不一致的特點(diǎn)。目前裝備體系結(jié)構(gòu)建模的相關(guān)研究成果［6-9］，主要是在概念層面研究模型的設(shè)計(jì)與描述，很少有從數(shù)據(jù)層面解決體系結(jié)構(gòu)描述不規(guī)范問題的相關(guān)研究。

語義網(wǎng)［10］及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展為描述數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系提供了較好的解決方案，可以將其用于解決裝備實(shí)體描述和關(guān)聯(lián)的問題。美國國防部最新頒布的《國防部體系結(jié)構(gòu)框架》（DoDAF）2.0版本［11-12］和英國國防部推出的《國防部體系結(jié)構(gòu)框架》（MoDAF）1.2版本［13-14］都運(yùn)用了本體的思想對(duì)體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和管理。本文借鑒語義網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和本體的思想，提出裝備體系結(jié)構(gòu)的語義模型——語義裝備體系，給出語義裝備體系的相關(guān)概念和定義，提出裝備體系結(jié)構(gòu)語義元模型，并基于元模型構(gòu)建裝備體系的多視圖本體模型，最后以海戰(zhàn)場(chǎng)預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)為例說明本文方法的可行性。

1 語義裝備體系

語義裝備體系是基于現(xiàn)實(shí)世界已有裝備所構(gòu)建的裝備體系結(jié)構(gòu)模型，裝備實(shí)體在計(jì)算機(jī)世界中以數(shù)據(jù)記錄的形式存在，每一條數(shù)據(jù)記錄對(duì)應(yīng)一個(gè)裝備實(shí)體，將裝備實(shí)體數(shù)據(jù)通過語義集成的處理，將其轉(zhuǎn)化為相互關(guān)聯(lián)的裝備本體，使得所有裝備在體系中成為有機(jī)整體，從而構(gòu)成語義裝備體系?，F(xiàn)實(shí)世界中的裝備、計(jì)算機(jī)世界中的裝備實(shí)體數(shù)據(jù)、語義裝備體系中的裝備本體的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

裝備體系是一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)，對(duì)其結(jié)構(gòu)的描述是多方面的［15］。從作戰(zhàn)的角度來看，裝備體系通過執(zhí)行一系列行為動(dòng)作完成特定的作戰(zhàn)任務(wù)；從體系的系統(tǒng)組成來講，裝備體系是支持作戰(zhàn)行動(dòng)的多種相互關(guān)聯(lián)的裝備集合；在體系能力表現(xiàn)方面，裝備體系具有完成某種任務(wù)的若干能力。語義裝備體系的組成要素和關(guān)系是基于真實(shí)數(shù)據(jù)的描述，需要在數(shù)據(jù)層面和語義層面將其集成為統(tǒng)一規(guī)范的有機(jī)整體［16］。因此，本文提出了裝備體系結(jié)構(gòu)的語義元模型，并在此基礎(chǔ)上從作戰(zhàn)、系統(tǒng)和能力視角構(gòu)建語義裝備體系各視圖的本體模型，如圖2所示。

圖1 語義裝備體系的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖2 語義裝備體系的描述框架

與現(xiàn)有的裝備體系結(jié)構(gòu)模型相比，語義裝備體系主要有兩大優(yōu)勢(shì)：一是基于真實(shí)裝備數(shù)據(jù)，建立實(shí)際裝備體系的數(shù)據(jù)映像，為開展裝備體系研究提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支撐；二是采用基于本體的語義描述方法，能夠用統(tǒng)一的語言描述裝備體系中的各個(gè)要素，消除體系內(nèi)語義異構(gòu)和語法異構(gòu)的問題，為實(shí)現(xiàn)裝備體系的綜合集成和互操作提供語義基礎(chǔ)和語法規(guī)范。

2 裝備體系語義元模型

語義裝備體系基于規(guī)范的元模型構(gòu)建裝備體系各視圖模型，從而保證了裝備體系內(nèi)數(shù)據(jù)和語義的一致性。DoDAF2.0版本重點(diǎn)提出了國防部體系結(jié)構(gòu)框架元模型（DoDAF meta-model，DM2），它以國際國防企業(yè)體系結(jié)構(gòu)規(guī)范（international defence enterprise architecture specification，IDEAS）為基礎(chǔ)，采用本體的思想收集、組織、存儲(chǔ)、共享體系內(nèi)的數(shù)據(jù)［17-18］。本文在DM2的基礎(chǔ)上提出語義元模型（semantic meta-model，SM2），給出了SM2在概念數(shù)據(jù)模型和邏輯數(shù)據(jù)模型兩個(gè)方面的描述，通過定義體系內(nèi)數(shù)據(jù)的描述規(guī)范，可以將裝備體系內(nèi)的組成要素集成為能夠相互理解的有機(jī)整體，為構(gòu)建語義裝備體系的各視圖模型提供了語義基礎(chǔ)。

2.1 SM2概念數(shù)據(jù)模型

SM2概念數(shù)據(jù)模型從宏觀的角度描述了語義裝備體系的組成要素及其之間的關(guān)系。根據(jù)應(yīng)用背景的實(shí)際需求，組成要素主要包括了裝備實(shí)體、性能指標(biāo)、作戰(zhàn)活動(dòng)、行動(dòng)規(guī)則、裝備系統(tǒng)、系統(tǒng)功能、能力元素和能力規(guī)劃，

表1給出了各組成要素的概念定義。

表1 語義裝備體系組成要素的概念定義

組成要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖3所示，其中箭頭的指向表示前者對(duì)后者的生成關(guān)系，下面對(duì)各關(guān)系分別進(jìn)行說明。

圖3 語義裝備體系組成要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系

關(guān)系1裝備實(shí)體所具有的功能特性和性能指標(biāo)。裝備實(shí)體根據(jù)功能特性在作戰(zhàn)活動(dòng)中發(fā)揮作用，其性能指標(biāo)的高低決定其完成任務(wù)的能力。

關(guān)系2裝備實(shí)體是進(jìn)行作戰(zhàn)活動(dòng)的基本單元。作戰(zhàn)活動(dòng)由一個(gè)或多個(gè)裝備實(shí)體在作戰(zhàn)想定條件下實(shí)施的一系列行動(dòng)組成。

關(guān)系3多個(gè)功能上相互依賴的裝備組成裝備系統(tǒng)。

關(guān)系4裝備實(shí)體在作戰(zhàn)活動(dòng)中需要遵循的行動(dòng)規(guī)則。作戰(zhàn)想定條件下裝備實(shí)體執(zhí)行作戰(zhàn)行動(dòng)的規(guī)則。

關(guān)系5性能參數(shù)到體系能力的映射。裝備體系的能力由各裝備所具有的性能指標(biāo)按照能力模型聚合而成。

關(guān)系6裝備系統(tǒng)所表現(xiàn)出的系統(tǒng)功能。

關(guān)系7裝備系統(tǒng)作為一個(gè)單元參與作戰(zhàn)活動(dòng)。作戰(zhàn)活動(dòng)中的作戰(zhàn)單元，既包括裝備實(shí)體也包括裝備系統(tǒng)。

關(guān)系8能力規(guī)劃明確作戰(zhàn)活動(dòng)各階段的體系能力需求。

關(guān)系9裝備體系在執(zhí)行作戰(zhàn)活動(dòng)時(shí)對(duì)不同時(shí)間段的體系能力進(jìn)行規(guī)劃。

關(guān)系10作戰(zhàn)活動(dòng)中裝備實(shí)體作戰(zhàn)行為的約束。

關(guān)系11裝備系統(tǒng)對(duì)體系能力的貢獻(xiàn)作用。

2.2 SM2邏輯數(shù)據(jù)模型

SM2邏輯數(shù)據(jù)模型是將高層的概念模型映射為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)模型。本節(jié)基于本體描述體系內(nèi)各要素及其之間的關(guān)系，參照Gomez Perez定義的本體模型，將SM2邏輯數(shù)據(jù)模型定義為類、關(guān)系、屬性和實(shí)例組成的四元組，如圖4所示，表示為SM2＝｛C，R，P，I｝，具體描述如表2所示。

圖4 SM2邏輯數(shù)據(jù)模型

表2 SM2邏輯數(shù)據(jù)模型的本體模型

描述體系結(jié)構(gòu)元模型的本體語言有多種，包括RDF、RDFS（RDF Schema）、DAML（DARPA agent markup language）＋OIL（ontology inference layer）、OWL（web ontology language）等。本文采用應(yīng)用最為廣泛的RDF語言構(gòu)建SM2邏輯數(shù)據(jù)模型。設(shè)置“http：∥www.honhoo.com／”為基礎(chǔ)統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符（uniform resource identifier，URI），URI可以唯一地標(biāo)識(shí)系統(tǒng)中的所有資源，這種資源可以是具體的也可以是抽象的，可以存在或是不存在。

步驟1構(gòu)建SM2類

SM2中默認(rèn)最基本的類是Thing，模型中的所有個(gè)體都是Thing的子類。首先構(gòu)建語義裝備體系基礎(chǔ)類，包括裝備實(shí)體、性能指標(biāo)、作戰(zhàn)活動(dòng)、行動(dòng)規(guī)則、裝備系統(tǒng)、系統(tǒng)功能、能力元素和能力規(guī)劃。示例描述如下：

∥定義裝備實(shí)體類

基礎(chǔ)類中可以包括多個(gè)級(jí)別的子類，子類隸屬于其上一級(jí)的類，子類可以將概念進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化。例如，裝備實(shí)體類中包括航天器、航空器、艦艇、導(dǎo)彈、裝甲車輛、偵察探測(cè)裝備、通信裝備等子類，用示例描述如下：

∥定義航天器類

步驟2構(gòu)造SM2關(guān)系

SM2的關(guān)系描述了語義裝備體系中類之間的關(guān)系、類與實(shí)例之間的關(guān)系、實(shí)例之間的關(guān)系等，如表3所示。SM2的關(guān)系提供了邏輯表示和推理的基礎(chǔ)，基于這些關(guān)系能夠構(gòu)建出語義裝備體系中的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

步驟3構(gòu)造SM2屬性

SM2屬性用于描述語義裝備體系中類的特征，分為外在屬性和內(nèi)在屬性。外在屬性表達(dá)了不同類之間的關(guān)系，用ObjectProperty（對(duì)象屬性）進(jìn)行描述；內(nèi)在屬性用具體數(shù)值表示類的特征，描述為DatatypeProperty（數(shù)據(jù)類型屬性）。示例描述如下：

表3 SM2的關(guān)系列表

步驟4 構(gòu)造SM2實(shí)例

SM2實(shí)例可以表示語義裝備體系中任何事物，是SM2類的具體實(shí)現(xiàn)。語義裝備體系是基于真實(shí)裝備數(shù)據(jù)構(gòu)建的。以雷達(dá)數(shù)據(jù)為例，SM2實(shí)例的RDF描述如下：

3 基于SM2的多視圖本體模型

本節(jié)基于SM2構(gòu)建裝備體系的作戰(zhàn)視圖本體模型、系統(tǒng)視圖本體模型和能力視圖本體模型［19］。首先，結(jié)合SM2概念數(shù)據(jù)模型中的基礎(chǔ)類，定義了各視圖本體模型的類、屬性和關(guān)系，基礎(chǔ)類與視圖模型的依賴關(guān)系如表4所示，其中√表示“必須”，×表示“沒有關(guān)系”，空格表示“可選”。然后，根據(jù)SM2邏輯數(shù)據(jù)模型中定義的類、關(guān)系、屬性和實(shí)例四元組，描述作戰(zhàn)視圖、系統(tǒng)視圖、能力視圖的本體模型。下面分別給出各視圖的本體模型。

表4 基礎(chǔ)類與視圖模型的依賴關(guān)系

3.1 作戰(zhàn)視圖本體模型

本節(jié)基于SM2構(gòu)建語義裝備體系的作戰(zhàn)視圖本體模型，如圖5所示，主要細(xì)化了作戰(zhàn)活動(dòng)基礎(chǔ)類和作戰(zhàn)規(guī)則基礎(chǔ)類，下面給出作戰(zhàn)活動(dòng)本體和作戰(zhàn)規(guī)則本體的定義、關(guān)系、屬性的形式化描述。

圖5 作戰(zhàn)視圖本體模型

定義1作戰(zhàn)活動(dòng)本體：用于描述裝備體系按照作戰(zhàn)想定所進(jìn)行的一系列作戰(zhàn)行動(dòng)。表示為Activity，構(gòu)建面向?qū)ο髮傩詔arget On、equip With、locationIn、conditionIn、Ontime，分別表示關(guān)聯(lián)目標(biāo)、關(guān)聯(lián)我方裝備、關(guān)聯(lián)目標(biāo)所在位置、關(guān)聯(lián)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息、記錄活動(dòng)進(jìn)行時(shí)間，定義域（domains）定義為Activity，值域（ranges）分別定義為weapons、weapons、perform、perform、perform，示例描述如表5所示。

表5 作戰(zhàn)活動(dòng)本體

定義2作戰(zhàn)規(guī)則本體：用于描述裝備體系進(jìn)行作戰(zhàn)活動(dòng)時(shí)需要遵循的規(guī)則。表示為Rules，構(gòu)建數(shù)據(jù)類型屬性area、battlefield、time，分別表示位置信息、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、活動(dòng)時(shí)間。rules規(guī)定了屬性area、battlefield的ranges的取值只能在列出的范圍中選取，time的ranges定義為datetime，保證了體系內(nèi)規(guī)則描述的一致性，示例描述如表6所示。

表6 作戰(zhàn)規(guī)則本體

3.2 系統(tǒng)視圖本體模型

本節(jié)基于SM2構(gòu)建語義裝備體系的系統(tǒng)視圖本體模型，如圖6所示，主要細(xì)化了裝備實(shí)體基礎(chǔ)類、性能指標(biāo)基礎(chǔ)類、裝備系統(tǒng)基礎(chǔ)類和系統(tǒng)功能基礎(chǔ)類，下面分別給出裝備實(shí)體本體、性能指標(biāo)本體、裝備系統(tǒng)本體和系統(tǒng)功能本體的定義、關(guān)系、屬性的形式化描述。

圖6 系統(tǒng)視圖本體模型

定義3裝備實(shí)體本體：用于描述語義裝備體系中的裝備實(shí)體，表示為Weapon，構(gòu)建數(shù)據(jù)類型屬性WeaID、WeaName、WeaType、Load Time，分別表示裝備實(shí)體的編號(hào)、名稱、類型和服役時(shí)間，將這些屬性的domains定義為Weapon，ranges分別定義為any URI、string、string、datetime；構(gòu)建面向?qū)ο髮傩詇asPerform，描述裝備實(shí)體的性能參數(shù)，示例描述如表7所示。

表7 裝備實(shí)體本體

定義4性能參數(shù)本體：用于描述裝備實(shí)體的基本屬性及計(jì)量單位，表示為Perform，構(gòu)建數(shù)據(jù)類型屬性Firerange、accuracy、weight、velocity，分別表示裝備實(shí)體的作用范圍、作用精度、載重和運(yùn)行速度，將這些屬性的domains定義為Perform，ranges分別定義為int、float、int、int，計(jì)量單位分別定義為m、%、kg、km／h，示例描述如表8所示。

表8 性能參數(shù)本體

定義5裝備系統(tǒng)本體：用于描述功能上相互依賴、具有交互作用的多個(gè)裝備的集合，表示為System，構(gòu)建數(shù)據(jù)類型屬性SysID、SysName，分別表示裝備系統(tǒng)的編號(hào)和名稱，以保證其在全局的唯一性，domains定義為System，ranges分別定義為any URI和string，構(gòu)建面向?qū)ο髮傩詇asEntity表示裝備系統(tǒng)包括的裝備實(shí)體，domains定義為System，ranges定義為weapons，示例描述如表9所示。

表9 裝備系統(tǒng)本體

定義6系統(tǒng)功能本體：用于描述功能上相互依賴、具有交互作用的多個(gè)裝備的集合，表示為Function，構(gòu)建數(shù)據(jù)類型屬性Fun Type描述裝備系統(tǒng)的功能，domains定義為Function，ranges定義為warning、survey、tracing、strike；構(gòu)建面向?qū)ο髮傩詇asFunPer、hasFunIn，表示系統(tǒng)功能包括的裝備性能和關(guān)聯(lián)裝備系統(tǒng)功能作用的所在區(qū)域，domains定義為Function，ranges定義為Perform，示例描述如表10所示。

表10 系統(tǒng)功能本體

3.3 能力視圖本體模型

本節(jié)基于SM2構(gòu)建語義裝備體系的能力視圖本體模型，如圖7所示，主要細(xì)化了體系能力基礎(chǔ)類和能力規(guī)劃基礎(chǔ)類，下面給出體系能力本體和能力規(guī)劃本體的定義、關(guān)系、屬性的形式化描述。

圖7 能力視圖本體模型

定義7體系能力本體：用于描述在特定任務(wù)背景下裝備體系完成作戰(zhàn)任務(wù)的本領(lǐng)。表示為Capacity，構(gòu)建數(shù)據(jù)類型屬性CapID、Cap Name、Cap Type，分別表示體系能力的標(biāo)識(shí)符、名稱和類型，domains定義為Capacity，CapID和Cap Name，ranges定義為string，Cap Type的ranges定義為Cap Warning、CapSurvey、Cap Tracing、CapStrike，示例描述如表11所示。

表11 體系能力本體

定義8能力規(guī)劃本體：用于描述在特定任務(wù)背景下裝備體系完成作戰(zhàn)任務(wù)的本領(lǐng)，表示為CapPlan，構(gòu)建面向?qū)ο髮傩詐lan Acton、hasCap、plan Timeon，分別表示作戰(zhàn)活動(dòng)中生成的能力規(guī)劃、能力規(guī)劃中包括的體系能力以及體系能力的作用時(shí)間，domains定義為Cap Plan，ranges分別定義為Capacity和Rules；構(gòu)建數(shù)據(jù)類型屬性planID，表示能力規(guī)劃的標(biāo)識(shí)符，domains定義為Cap Plan，ranges定義為any URI，示例描述如表12所示。

表12 能力規(guī)劃本體

4 海戰(zhàn)場(chǎng)預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究

為了更好地說明語義裝備體系構(gòu)建的思路，本文以對(duì)海作戰(zhàn)為背景構(gòu)建一個(gè)具體的裝備體系——海戰(zhàn)場(chǎng)預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)。海戰(zhàn)場(chǎng)預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)是指在對(duì)海作戰(zhàn)中綜合運(yùn)用各類預(yù)警探測(cè)裝備對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探知和測(cè)量的系統(tǒng)，能夠通過偵察戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)獲取重要的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)信息，對(duì)于取得體系作戰(zhàn)條件下的信息優(yōu)勢(shì)具有至關(guān)重要的作用。海戰(zhàn)場(chǎng)預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)涉及了天基、空基、海基、地基的預(yù)警探測(cè)裝備，具有獨(dú)立性、復(fù)雜性、分布性等典型的體系特征［2021］。本節(jié)基于SM2和多視圖本體模型，研究海戰(zhàn)場(chǎng)預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)作戰(zhàn)視圖、系統(tǒng)視圖、能力視圖的開發(fā)及本體描述。

4.1 作戰(zhàn)視圖開發(fā)及本體描述

作戰(zhàn)視圖描述了裝備體系的使命任務(wù)、作戰(zhàn)過程、作戰(zhàn)要素及完成任務(wù)所需要的信息流，主要開發(fā)了高層作戰(zhàn)概念視圖（OV-1）和作戰(zhàn)活動(dòng)視圖（OV-5），用于描述海戰(zhàn)場(chǎng)預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)的作戰(zhàn)活動(dòng)，從作戰(zhàn)視角描述裝備體系組成要素的功能以及要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，然后給出了作戰(zhàn)視圖的本體描述。

4.2 高層作戰(zhàn)概念圖

高層作戰(zhàn)概念圖從宏觀層面描述裝備體系的使命任務(wù)、作戰(zhàn)想定和作戰(zhàn)過程，一般通過圖片或文檔的形式進(jìn)行描述。根據(jù)海戰(zhàn)場(chǎng)預(yù)警探測(cè)的實(shí)際任務(wù)需求，給出以對(duì)海防空反導(dǎo)為目標(biāo)的作戰(zhàn)想定：假設(shè)敵方于800 km外的太平洋某海域發(fā)射彈道導(dǎo)彈BGM-109F（戰(zhàn)斧），對(duì)我方東海沿岸重要設(shè)施進(jìn)行攻擊，導(dǎo)彈平均飛行速度為800 km／h，我方通過海戰(zhàn)場(chǎng)預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)，利用各種裝備對(duì)敵方導(dǎo)彈進(jìn)行偵察、監(jiān)視、預(yù)警、探測(cè)、跟蹤和攔截。作戰(zhàn)過程可以主要分為以下3個(gè)階段。

（1）遠(yuǎn)程偵察預(yù)警階段。結(jié)合掌握的敵方情報(bào)信息，通過天基、空基的電視探測(cè)裝備對(duì)可能出現(xiàn)戰(zhàn)事的重要敏感地區(qū)進(jìn)行全時(shí)域、全天候的偵察監(jiān)視，初步識(shí)別來襲導(dǎo)彈的類型特點(diǎn)，判斷其攻擊目標(biāo)。

（2）中近程探測(cè)跟蹤階段。在確定來襲導(dǎo)彈目標(biāo)后，綜合調(diào)用空基、海基、地基的雷達(dá)、光電等探測(cè)裝備對(duì)來襲導(dǎo)彈進(jìn)行高精度的探測(cè)跟蹤，分析和預(yù)測(cè)來襲導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)軌跡。

（3）反導(dǎo)攔截階段。指揮控制中心通過分析各裝備獲取的探測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)來襲導(dǎo)彈進(jìn)行高精度探測(cè)跟蹤，計(jì)算出攔截彈的飛行參數(shù)和發(fā)射時(shí)機(jī)，然后發(fā)射并引導(dǎo)攔截彈直至命中目標(biāo)。

4.2.1 作戰(zhàn)活動(dòng)視圖

作戰(zhàn)活動(dòng)視圖將描述為完成使命任務(wù)通常進(jìn)行的作戰(zhàn)活動(dòng)，給出了在想定條件下作戰(zhàn)活動(dòng)之間的關(guān)系。根據(jù)海戰(zhàn)場(chǎng)防空反導(dǎo)任務(wù)的作戰(zhàn)想定，建立包括指揮控制、偵察預(yù)警、探測(cè)跟蹤、反導(dǎo)攔截的作戰(zhàn)活動(dòng)視圖。其中指揮控制包括多源情報(bào)數(shù)據(jù)獲取、情報(bào)分析和數(shù)據(jù)融合、態(tài)勢(shì)分析和威脅判斷、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)監(jiān)控；偵察預(yù)警包括重要敏感地區(qū)偵察監(jiān)視、來襲導(dǎo)彈尾焰探測(cè)、獲取來襲導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)特性、獲取來襲導(dǎo)彈輻射頻率；探測(cè)跟蹤包括獲取雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)、獲取光電探測(cè)數(shù)據(jù)、目標(biāo)參數(shù)計(jì)算、鎖定跟蹤目標(biāo)；反導(dǎo)攔截包括來襲導(dǎo)彈目標(biāo)捕獲、裝載飛行參數(shù)、確定發(fā)射時(shí)機(jī)、發(fā)射攔截彈。每個(gè)作戰(zhàn)活動(dòng)都與相關(guān)的作戰(zhàn)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，如圖8所示。

4.2.2 作戰(zhàn)視圖本體描述

作戰(zhàn)視圖的本體描述可以分為作戰(zhàn)任務(wù)、指揮控制活動(dòng)、偵察預(yù)警活動(dòng)、探測(cè)跟蹤活動(dòng)、反導(dǎo)攔截活動(dòng)5個(gè)部分。

（1）作戰(zhàn)任務(wù)描述

根據(jù)作戰(zhàn)想定中描述的任務(wù)需求，將導(dǎo)彈來襲看作是一個(gè)作戰(zhàn)活動(dòng)，定義為一個(gè)Activity的實(shí)例act_Missle，結(jié)合Rules類和Weapon類的實(shí)例和屬性，描述任務(wù)的開始時(shí)間“2014-11-24-0900”、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境“air on sea”、作戰(zhàn)區(qū)域“Area_1”、作戰(zhàn)目標(biāo)“target_BGM-109F”等信息，下面給出關(guān)鍵部分的編碼：

（2）指揮控制活動(dòng)描述

指揮控制活動(dòng)貫穿整個(gè)作戰(zhàn)活動(dòng)，將其定義為一個(gè)Activity的實(shí)例act_Command，其輸入輸出在Rules類的實(shí)例rule_command給出，對(duì)于不同階段的子活動(dòng)用Activity子類Task的實(shí)例task_strike、task_survey、task_warning來描述，下面給出關(guān)鍵部分的編碼：

圖8 作戰(zhàn)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)樹

（3）偵察預(yù)警活動(dòng)描述

偵察預(yù)警活動(dòng)描述了天基和空基多種預(yù)警探測(cè)裝備的綜合運(yùn)用，將其定義為一個(gè)Activity的實(shí)例act_Waring，定義Weapon類的實(shí)例wea_E-2C、wea_HK-12描述所運(yùn)用的裝備信息，結(jié)合Rules類描述戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息，下面給出關(guān)鍵部分的編碼：

（4）探測(cè)跟蹤活動(dòng)描述

探測(cè)跟蹤活動(dòng)描述了空基、海基和地基多種預(yù)警探測(cè)裝備的綜合運(yùn)用，將其定義為一個(gè)Activity的實(shí)例act_Survey，定義Weapon類的實(shí)例wea_AN／SPS-48、wea_HK-12、wea_ARGOS-73描述所運(yùn)用的裝備信息，結(jié)合Rules類描述戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息，下面給出關(guān)鍵部分的編碼：

（5）反導(dǎo)攔截活動(dòng)描述

反導(dǎo)攔截活動(dòng)描述了海基、地基預(yù)警探測(cè)裝備以及反導(dǎo)武器系統(tǒng)的綜合運(yùn)用，將其定義為一個(gè)Activity的實(shí)例act_Strike，定義Weapon類的實(shí)例wea_E-2C和wea_DF-21描述所運(yùn)用的裝備信息，結(jié)合Rules類描述攔截導(dǎo)彈的發(fā)射時(shí)機(jī)和位置，下面給出關(guān)鍵部分的編碼。

4.3 系統(tǒng)視圖開發(fā)及本體描述

系統(tǒng)視圖描述了支撐作戰(zhàn)活動(dòng)的裝備體系的組成要素［22］，包括裝備、裝備系統(tǒng)及其之間的關(guān)系，主要開發(fā)了系統(tǒng)功能描述視圖（SV-4），用于描述海戰(zhàn)場(chǎng)預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)的裝備組成和功能，從系統(tǒng)視角描述裝備體系組成要素的功能以及要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，然后給出了系統(tǒng)視圖的本體描述。

4.3.1 系統(tǒng)功能描述視圖

系統(tǒng)功能描述視圖定義了在任務(wù)背景條件下體系中各要素的主要功能，從邏輯上描述了作戰(zhàn)活動(dòng)中作戰(zhàn)單元之間數(shù)據(jù)的流向。

海戰(zhàn)場(chǎng)預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)主要包括指揮控制功能、偵察預(yù)警功能、探測(cè)跟蹤功能、反導(dǎo)攔截功能，其中指揮控制功能包括信息接收與分發(fā)功能、數(shù)據(jù)整合與情報(bào)處理功能、輔助決策功能、作戰(zhàn)指揮功能；偵察預(yù)警功能包括紅外偵察功能、遠(yuǎn)程偵察功能、情報(bào)數(shù)據(jù)傳輸功能、目標(biāo)識(shí)別功能；探測(cè)跟蹤功能包括雷達(dá)探測(cè)功能、光電探測(cè)功能、目標(biāo)跟蹤功能、情報(bào)數(shù)據(jù)處理功能；反導(dǎo)攔截功能包括高精度探測(cè)跟蹤功能、發(fā)射控制功能、飛行參數(shù)計(jì)算功能、彈載制導(dǎo)功能。

海戰(zhàn)場(chǎng)預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)主要涉及的功能節(jié)點(diǎn)包括指揮控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、通信保障系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、衛(wèi)星偵察預(yù)警系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、預(yù)警機(jī)探測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、水面艦艇武器系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、地基探測(cè)跟蹤系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、防空反導(dǎo)武器系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)功能和節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)功能節(jié)點(diǎn)樹

4.3.2 系統(tǒng)視圖本體描述

系統(tǒng)視圖的本體描述主要包括裝備實(shí)體本體描述和裝備系統(tǒng)本體描述兩個(gè)部分。

（1）裝備實(shí)體本體描述

每個(gè)裝備實(shí)體由一個(gè)Weapon類的實(shí)例wea_X表示，結(jié)合Weapon類和Perform類中定義的FireRange、Accuracy、Wea Type等屬性描述裝備實(shí)體的性能參數(shù)，下面給出部分裝備實(shí)體的編碼：

（2）裝備系統(tǒng)本體描述

每個(gè)裝備系統(tǒng)由一個(gè)System類的實(shí)例sys_X表示，結(jié)合Function類和System類中定義的SysName、hasFunIn、hasEntity等屬性描述裝備系統(tǒng)的性能參數(shù)，下面給出部分裝備系統(tǒng)的編碼：

4.4 能力視圖開發(fā)及本體描述

能力視圖描述了裝備體系在特定標(biāo)準(zhǔn)和條件下完成作戰(zhàn)任務(wù)的能力規(guī)劃安排，明確能力的分類和實(shí)施階段，主要開發(fā)了能力分類視圖（CV-2）和能力規(guī)劃視圖（CV-3），用于描述為完成海戰(zhàn)場(chǎng)防空反導(dǎo)任務(wù)所需要的體系能力和能力規(guī)劃。

4.4.1 能力分類視圖

能力分類視圖定義了為滿足想定條件下的任務(wù)需求體系所需的能力，以及能力之間的支撐關(guān)系。

通過分析任務(wù)需求，海戰(zhàn)場(chǎng)防空反導(dǎo)能力可以分為跨軍種聯(lián)合作戰(zhàn)指揮控制能力、遠(yuǎn)程全天候偵察預(yù)警能力、高速空中目標(biāo)探測(cè)跟蹤能力、對(duì)海作戰(zhàn)防空反導(dǎo)攔截能力。其中，跨軍種聯(lián)合作戰(zhàn)指揮控制能力由跨軍種信息收發(fā)能力、多源異構(gòu)情報(bào)數(shù)據(jù)處理能力、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知能力、輔助決策能力支撐；遠(yuǎn)程全天候偵察預(yù)警能力由紅外偵察能力、情報(bào)數(shù)據(jù)傳輸能力、空基偵察預(yù)警能力、衛(wèi)星偵察預(yù)警能力支撐，高速空中目標(biāo)探測(cè)跟蹤能力由雷達(dá)探測(cè)跟蹤能力、光電探測(cè)跟蹤能力、誤差修正能力支撐；對(duì)海作戰(zhàn)防空反導(dǎo)攔截能力由機(jī)動(dòng)發(fā)射能力、打擊毀傷能力、攔截彈制導(dǎo)能力支撐。

4.4.2 能力規(guī)劃視圖

能力規(guī)劃視圖定義在作戰(zhàn)活動(dòng)過程中的能力規(guī)劃安排［23］。對(duì)海防空反導(dǎo)能力由多種能力構(gòu)成，作戰(zhàn)過程各階段對(duì)能力有不同的需求，如圖10所示。其中跨軍種聯(lián)合作戰(zhàn)指揮控制能力貫穿整個(gè)作戰(zhàn)過程（09：00－10：00）的始終，保障戰(zhàn)場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)收發(fā)和處理，提供戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知和輔助決策支持；遠(yuǎn)程全天候偵察預(yù)警能力保障偵察預(yù)警階段（09：00－09：15），通過綜合運(yùn)用紅外偵察能力、衛(wèi)星偵察能力、空基偵察預(yù)警能力對(duì)來襲導(dǎo)彈進(jìn)行遠(yuǎn)程預(yù)警，情報(bào)數(shù)據(jù)傳輸能力保障目標(biāo)信息能夠準(zhǔn)確及時(shí)地傳輸；高速空中目標(biāo)探測(cè)跟蹤能力保障探測(cè)跟蹤階段（09：15 -09：35），通過運(yùn)用雷達(dá)探測(cè)跟蹤能力和光電探測(cè)跟蹤能力，高精度地捕獲目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性信息，并不斷地進(jìn)行誤差修正；對(duì)海作戰(zhàn)防空反導(dǎo)攔截能力保障反導(dǎo)攔截階段（09：35－10：00），機(jī)動(dòng)發(fā)射能力保證攔截彈發(fā)射的時(shí)機(jī)，攔截彈發(fā)射后其制導(dǎo)能力保證命中概率，打擊毀傷能力保證對(duì)來襲導(dǎo)彈的毀傷程度。

圖10 能力規(guī)劃視圖

4.4.3 能力視圖本體描述

通過分析任務(wù)需求的特點(diǎn)，將任務(wù)按照能力規(guī)劃分解為不同階段需要的體系能力，通過一個(gè)CapPlan的實(shí)例capplan來表示。體系能力由Capability類的實(shí)例cap_ command、cap_warning、cap_survey、cap_strike來表示，并結(jié)合Rules類中定義的time等屬性，表示體系能力發(fā)揮作用的起始時(shí)間，下面給出關(guān)鍵部分的編碼：

5 結(jié) 論

裝備體系結(jié)構(gòu)建模是開展裝備體系研究的基礎(chǔ)和前提。本文按照以數(shù)據(jù)為中心的建模思路，提出了裝備體系結(jié)構(gòu)語義模型——語義裝備體系，首先基于DM2提出了SM2概念數(shù)據(jù)模型和邏輯數(shù)據(jù)模型，定義了裝備體系的基礎(chǔ)類及關(guān)聯(lián)關(guān)系，給出了以類、關(guān)系、屬性、實(shí)例四元組的本體描述框架；然后基于SM2構(gòu)建了作戰(zhàn)視圖本體模型、系統(tǒng)視圖本體模型、能力視圖本體模型，明確了各視圖中體系組成要素的定義、關(guān)系、屬性的形式化描述；最后以海戰(zhàn)場(chǎng)預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)為例，基于本體模型開發(fā)并描述了作戰(zhàn)視圖、系統(tǒng)視圖、能力視圖，說明了本文方法的可行性。

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李 亢（198-7- ），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)工程、數(shù)據(jù)集成、語義網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)。

E-mail：xtlikang1987＠126.com

李新明（1965- ），男，研究員，博士研究生導(dǎo)師，博士，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜系統(tǒng)、裝備體系、大數(shù)據(jù)。

E-mail：liyi1221＠263.net

劉 東（198-1- ），男，助理研究員，博士，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)工程、大數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析。

E-mail：ld5m＠163.com

Modeling method for weapon system of systems structure based on semantic meta-model

LI Kang，LI Xin-ming，LIU Dong
（Science and Technology on Complex Electronic System Simulation Laboratory，Equipment Academy，Beijing 101416，China）

According to the ideas of data-centric in architecture modeling，the semantic model of weapon system of systems architecture is proposed，which is named semantic weapon system of systems.Firstly，the semantic meta-model is proposed based on DoDAF meta-model（DM2），and the concept and relationship of base classes are defined in system of systems architecture.Then an ontology describe frame is given by classes，relationships，attributes and instances which are generated as quadruples.Secondly，ontology models of combat view，system view and capability view based on the semantic meta-model are constructed.In addition，the definitions，relationships and properties of constituent elements in each view are formally clarified.Finally，the early warning detection system in naval battlefield is studied as a case to verify the feasibility of the method.

weapon system of systems；architectural modeling；ontology model；DoDAF meta-model（DM2）；semantic meta-model

TP 391

A

10.3969／j.issn.1001-506X.2015.11.13

1001-506X（2015）11-2503-10

2014- 12- 09；

2015- 03- 11；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2015- 07- 09。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http：／／www.cnki.net／kcms／detail／11.2422.TN.20150709.1655.006.html

部委級(jí)基金資助課題