王書齊，馬　良，蘇　琦，吳　琦

(海軍大連艦艇學(xué)院 艦船指揮系, 遼寧 大連　116018)

基于體系結(jié)構(gòu)建模的水面艦艇防空作戰(zhàn)流程設(shè)計(jì)

王書齊，馬良，蘇琦，吳琦

(海軍大連艦艇學(xué)院 艦船指揮系, 遼寧 大連116018)

摘要：針對(duì)水面艦艇防空作戰(zhàn)的緊迫性與復(fù)雜性的特點(diǎn)，依據(jù)美軍國防體系結(jié)構(gòu)框架的通用標(biāo)準(zhǔn)，研究了基于體系結(jié)構(gòu)建模的艦艇防空作戰(zhàn)流程設(shè)計(jì)方法。根據(jù)水面艦艇防空作戰(zhàn)任務(wù)要求和作戰(zhàn)過程，定制貼近用戶化需求的水面艦艇防空作戰(zhàn)流程，從軍事需求的角度出發(fā)，描述模型之間的導(dǎo)入導(dǎo)出模塊的接口關(guān)系，設(shè)計(jì)了基于平臺(tái)運(yùn)行的防空作戰(zhàn)流程，給出了防空作戰(zhàn)流程的模型驗(yàn)證方法。

關(guān)鍵詞：體系結(jié)構(gòu)建模；防空作戰(zhàn)流程；設(shè)計(jì)方法

在現(xiàn)代海戰(zhàn)中，對(duì)付來空中威脅的飛機(jī)和反艦導(dǎo)彈是水面艦艇防空作戰(zhàn)的重點(diǎn)之一。因此，加強(qiáng)主要作戰(zhàn)對(duì)手作戰(zhàn)特點(diǎn)研究，制定合理的單艦作戰(zhàn)戰(zhàn)法及流程十分必要。由于條件限制，單艦防空反導(dǎo)研究不能直接進(jìn)行試驗(yàn)，仿真成為單艦防空作戰(zhàn)能力研究的主要方法[1]?；谧鲬?zhàn)流程仿真平臺(tái)，可以為艦艇作戰(zhàn)提供一套試驗(yàn)方法與評(píng)估手段，能全面評(píng)估可變化的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)、作戰(zhàn)流程以及新技術(shù)發(fā)展對(duì)單艦作戰(zhàn)任務(wù)能力的影響。通過仿真實(shí)驗(yàn)，完成艦船作戰(zhàn)流程優(yōu)化及艦船人員的訓(xùn)練與評(píng)估。

利用仿真平臺(tái)，針對(duì)假想敵的典型對(duì)海作戰(zhàn)的方式作出想定，根據(jù)我方典型艦艇的作戰(zhàn)使用模式，制定不同作戰(zhàn)流程的作戰(zhàn)方案，對(duì)不同作戰(zhàn)方案進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，選擇作戰(zhàn)效能最好的作戰(zhàn)方案，這對(duì)于提高我水面艦艇作戰(zhàn)訓(xùn)練水平，充分發(fā)揮水面艦艇體系的防空效能有著重要的意義。

1體系結(jié)構(gòu)建模的設(shè)計(jì)與開發(fā)

利用體系建模工具開發(fā)單艦防空的作戰(zhàn)體系模型，通過體系模型規(guī)劃模型及其接口信息，用于指導(dǎo)后續(xù)仿真模型的開發(fā)。體系結(jié)構(gòu)定義了系統(tǒng)各部件的結(jié)構(gòu)、它們之間的關(guān)系以及制約它們?cè)O(shè)計(jì)和隨時(shí)間演化的原則和指南[2]。

隨著艦船武器裝備系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷提高，增加了人們理解的難度，不同職責(zé)的人員均可以把體系結(jié)構(gòu)作為理解系統(tǒng)的基礎(chǔ)，就有關(guān)問題相互交流、溝通，形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。體系結(jié)構(gòu)在武器裝備體系論證中的主要用途如下：

1) 體系結(jié)構(gòu)可作為總體規(guī)劃人員、系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員、模型開發(fā)人員等不同部門不同職能人員相互交流的手段，便于分析、理解和比較系統(tǒng)；

2) 體系結(jié)構(gòu)可以提供系統(tǒng)設(shè)計(jì)者開發(fā)詳細(xì)設(shè)計(jì)的依據(jù)，制定詳盡的系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，及早發(fā)現(xiàn)并解決可能出現(xiàn)的問題，防止問題出現(xiàn)在后續(xù)仿真開發(fā)及使用階段；

3) 體系結(jié)構(gòu)描述了仿真模型之間的信息傳遞關(guān)系，模型開發(fā)人員必須以體系結(jié)構(gòu)為依據(jù)進(jìn)行開發(fā)，不同模型的開發(fā)人員只需知道自己所負(fù)責(zé)模型的約束，可以分離不同人員的工作重點(diǎn)。

1.1　體系結(jié)構(gòu)建模的方法描述

按照美軍DODAF國防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品如表1所示[3]。

表1　體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的模型分類及描述

續(xù)表

模型描述SV-6系統(tǒng)資源流矩陣提供在系統(tǒng)間被交換的系統(tǒng)資源流元素的細(xì)節(jié)和交換的屬性SV-7系統(tǒng)指標(biāo)矩陣針對(duì)合適時(shí)間框架的系統(tǒng)模型元素的度量(公制)SV-8系統(tǒng)演化描述從一套系統(tǒng)向另一套更高效系統(tǒng)遷移的已規(guī)劃步驟,或是當(dāng)前系統(tǒng)向未來系統(tǒng)演變的已計(jì)劃步驟SV-9系統(tǒng)技術(shù)和技能預(yù)測在一組時(shí)間框架預(yù)期投入實(shí)用以及將影響未來系統(tǒng)開發(fā)的新興技術(shù),軟件/硬件產(chǎn)品和技能SV-10a系統(tǒng)規(guī)則模型描述系統(tǒng)功能的三個(gè)模型之它標(biāo)識(shí)了由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方面原因作用于系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的約束SV-10b系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移描述描述系統(tǒng)功能的三個(gè)模型之一,它標(biāo)識(shí)了系統(tǒng)對(duì)事件的響應(yīng)SV-lOc系統(tǒng)事件跟蹤描述描述系統(tǒng)功能的三個(gè)模型之一,它以精練的序列方式標(biāo)識(shí)了特定系統(tǒng)在作戰(zhàn)視點(diǎn)中描述的事件DIV-1概念數(shù)據(jù)模型所需高層數(shù)據(jù)概念以及它們之間的關(guān)系DIV-2邏輯數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)需求和結(jié)構(gòu)化業(yè)務(wù)過程(活動(dòng))規(guī)則的文檔DIV-3物理數(shù)據(jù)模型邏輯數(shù)據(jù)模型實(shí)體的物理實(shí)現(xiàn)格式,例如,消息格式、文件結(jié)構(gòu)、物理模式等

根據(jù)國防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，體系結(jié)構(gòu)建模的總體設(shè)計(jì)方法如下：

1) 首先構(gòu)建AV-1描述項(xiàng)目總體信息，根據(jù)AV-1開發(fā)CV-1描述作戰(zhàn)能力需求，開發(fā)OV-1描述典型作戰(zhàn)場景、開發(fā)OV-4描述作戰(zhàn)中需要的人員配置關(guān)系；

2) 根據(jù)CV-1生成CV-3描述能力不同階段，開發(fā)CV-2描述能力的層次關(guān)系，根據(jù)OV-4和CV-2生成CV-6，描述作戰(zhàn)人員需要具備的能力；

3) 根據(jù)OV-1，開發(fā)OV-2描述作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)，開發(fā)OV-5描述作戰(zhàn)活動(dòng)，并自動(dòng)生成OV-3檢查作戰(zhàn)數(shù)據(jù)流關(guān)系。開發(fā)DIV-2描述作戰(zhàn)中數(shù)據(jù)信息，通過OV-5和CV-2自動(dòng)生成CV-6，描述作戰(zhàn)活動(dòng)承載的能力；對(duì)于重點(diǎn)作戰(zhàn)活動(dòng)或節(jié)點(diǎn)，可以選擇OV-6 3個(gè)視圖進(jìn)行補(bǔ)充描述。

4) 作戰(zhàn)視圖OV描述作戰(zhàn)活動(dòng)，并不描述具體的仿真組成結(jié)構(gòu)，具體的仿真模型及模型關(guān)系，數(shù)據(jù)流通過系統(tǒng)視圖SV描述，開發(fā)SV-4描述系統(tǒng)功能，開發(fā)SV-1描述系統(tǒng)組成，并生成SV-5檢查仿真系統(tǒng)是否完全滿足作戰(zhàn)需求。開發(fā)DIV-3描述系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)，并生成SV-6檢查系統(tǒng)數(shù)據(jù)流關(guān)系。對(duì)于重要模型或流程，可以開發(fā)SV-10 3個(gè)視圖用于補(bǔ)充描述；

5) 在仿真前，通過CV-2、CV-4、OV-2的指導(dǎo)，完成效能評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建，包括層次結(jié)構(gòu)及權(quán)重信息；

6) 在想定編輯階段，通過OV-2、OV-5及OV-6的3個(gè)視圖，可以輔助想定編輯人員編輯作戰(zhàn)想定，使編輯的想定符合艦船作戰(zhàn)的規(guī)范及流程；

7) 通過分析CV-5、OV-5、SV-4可以通過不同的作戰(zhàn)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)需要的能力，再通過改變系統(tǒng)功能以實(shí)現(xiàn)不同的作戰(zhàn)活動(dòng)，由于系統(tǒng)功能對(duì)應(yīng)的是仿真組件功能，即實(shí)現(xiàn)了通過仿真達(dá)到優(yōu)化作戰(zhàn)活動(dòng)的目的；

8) 通過自動(dòng)生成的矩陣OV-3、SV-3、SV-6，可以分析作戰(zhàn)和系統(tǒng)的資源信息流向，用以優(yōu)化作戰(zhàn)流程，提高艦船裝備作戰(zhàn)效率。

1.2　體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的接口描述

體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的接口描述體現(xiàn)了與外部良好模型交互，其產(chǎn)品的接口描述的如圖1所示。

圖1　體系結(jié)構(gòu)建模接口描述

利用體系結(jié)構(gòu)建模軟件開發(fā)的體系結(jié)構(gòu)，可導(dǎo)出Word、PPT、網(wǎng)頁格式的報(bào)告，利用辦公軟件查看；可將體系結(jié)構(gòu)中與仿真相關(guān)的部分，導(dǎo)出成XML文件，供體系結(jié)構(gòu)導(dǎo)出模塊接收、識(shí)別和使用。

1.3　體系結(jié)構(gòu)的模型組合描述

體系模型導(dǎo)入建模工具后，包括作戰(zhàn)流程模型的輸入接口、輸出接口、監(jiān)聽事件和產(chǎn)生事件，可直接生成C++代碼框架，調(diào)用作戰(zhàn)流程模型庫中的組件。對(duì)于作戰(zhàn)流程復(fù)合組件，與原子組件一樣，也需要定義輸入接口、輸出接口、監(jiān)聽事件、產(chǎn)生事件。不需要生成代碼框架，將原子組件拖進(jìn)復(fù)合組件，通過連接和映射的方式，將復(fù)合組件的接口與原子組件的接口連接，復(fù)合組件自動(dòng)擁有了相應(yīng)多個(gè)原子組件的功能[4]。

模型組合軟件完成把原子組件組裝成復(fù)合組件的工作。

圖2中共有5個(gè)模型，左側(cè)威脅判斷、輔助決策、防空導(dǎo)彈火控組成臺(tái)位1，電子戰(zhàn)、艦炮火力組成臺(tái)位2，仿真后會(huì)統(tǒng)計(jì)臺(tái)位1與臺(tái)位2的各項(xiàng)參數(shù)，如時(shí)間、信息量，整體操作時(shí)間等，進(jìn)行效能評(píng)估。右側(cè)威脅判斷、輔助決策、電子戰(zhàn)組成臺(tái)位1，防空導(dǎo)彈火控、艦炮火控組成臺(tái)位2，仿真后統(tǒng)計(jì)同樣的參數(shù)進(jìn)行效能評(píng)估，對(duì)比不同臺(tái)位組合的效能，得出臺(tái)位布置的最優(yōu)化組合并生成作戰(zhàn)流程模型。

圖2　體系結(jié)構(gòu)的模型組合

1.4　體系結(jié)構(gòu)的模型驗(yàn)證與仿真描述

體系模型組合后需要進(jìn)行模塊導(dǎo)入和導(dǎo)出，在體系結(jié)構(gòu)導(dǎo)出模塊導(dǎo)出的仿真模型中，可以進(jìn)行修改和完善，其導(dǎo)入導(dǎo)出過程如圖3所示[5]。

組件有屬性、輸入接口、輸出接口、監(jiān)聽事件和產(chǎn)生事件5個(gè)對(duì)外接口。名稱符合C++的命名規(guī)范，數(shù)據(jù)類型支持 C++ 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型，也支持列表、枚舉、結(jié)構(gòu)體等用戶自定義數(shù)據(jù)類型[6]。屬性為組件的基本信息，用于仿真模型的初始化；輸入和輸出接口根據(jù)仿真步長周期性發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)稱，如機(jī)動(dòng)模型向指控模型發(fā)布自身位置信息。監(jiān)聽事件和產(chǎn)生事件不是周期性發(fā)送，而是隨事件變化接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，如指控模型下達(dá)作戰(zhàn)指令、艦船發(fā)射艦空導(dǎo)彈等等。設(shè)計(jì)完成后，可加載基礎(chǔ)模型庫和指火控模型庫的，形成仿真可用的模型原子組件。

圖3　體系結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入導(dǎo)出模塊

2防空作戰(zhàn)流程的軍事需求設(shè)計(jì)與開發(fā)

水面艦艇防空作戰(zhàn)流程的軍事需求設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)水面艦艇防空的作戰(zhàn)流程，從執(zhí)行任務(wù)的起始時(shí)刻描述作戰(zhàn)行動(dòng)，根據(jù)作戰(zhàn)行動(dòng)所完成的動(dòng)作設(shè)計(jì)相應(yīng)的作戰(zhàn)模型，其作戰(zhàn)流程所需的模型如圖4所示。

圖4　水面艦艇防空作戰(zhàn)流程設(shè)計(jì)模型

根據(jù)水面艦艇防空作戰(zhàn)流程中的模型交互規(guī)則，建立相應(yīng)的水面艦艇防空作戰(zhàn)模型庫，并對(duì)模型庫進(jìn)行規(guī)范設(shè)計(jì)，軍事需求人員提供模型庫中子模型的輸入輸出需求，給工程設(shè)計(jì)人員提供明確的設(shè)計(jì)要求[7]。

3防空作戰(zhàn)流程的仿真驗(yàn)證

平臺(tái)運(yùn)行基于高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)，實(shí)現(xiàn)分布式部署，運(yùn)行過程中部署情況如圖5所示。

平臺(tái)運(yùn)行包括基礎(chǔ)模型臺(tái)位、作戰(zhàn)使用模型臺(tái)位、仿真導(dǎo)控臺(tái)位、艙內(nèi)顯示臺(tái)位及仿真場景顯示臺(tái)位。基礎(chǔ)模型臺(tái)位用于運(yùn)行目標(biāo)、機(jī)動(dòng)、武器、探測等基礎(chǔ)模型；作戰(zhàn)使用模型臺(tái)位在仿真前將原子組件組合成復(fù)合組件，仿真過程中調(diào)用運(yùn)行；仿真導(dǎo)控臺(tái)位在仿真前用于開發(fā)仿真想定、實(shí)樣樣本等，仿真過程中進(jìn)行導(dǎo)調(diào)控制及數(shù)據(jù)記錄；艙內(nèi)三維顯示臺(tái)位在仿真中顯示艦船艙內(nèi)三維場景；仿真場景顯示臺(tái)位在仿真中顯示大環(huán)境中的單艦作戰(zhàn)外部場景。平臺(tái)使用流程驗(yàn)證如圖6所示。

圖5　基于平臺(tái)運(yùn)行的防空作戰(zhàn)流程

圖6　平臺(tái)使用流程驗(yàn)證

根據(jù)平臺(tái)使用流程驗(yàn)證過程，其實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1：利用體系結(jié)構(gòu)建模工具，開發(fā)單艦作戰(zhàn)的體系結(jié)構(gòu)模型，滿足DODAF體系結(jié)構(gòu)框架；

步驟2：依據(jù)體系結(jié)構(gòu)模型，利用體系結(jié)構(gòu)導(dǎo)出工具，將體系結(jié)構(gòu)中與仿真相關(guān)的元素導(dǎo)出成仿真模型；

步驟3：根據(jù)導(dǎo)出的仿真模型，在基礎(chǔ)模型庫中選擇偵察、平臺(tái)、武控、武器等模型；

步驟4：利用模型組合工具，將選定的作戰(zhàn)流程模型進(jìn)行組合，形成作戰(zhàn)流程模型組合方案；

步驟5：構(gòu)建仿真想定，在二/三維場景中部署相應(yīng)兵力，與仿真模型關(guān)聯(lián)；

步驟6：部署仿真想定，運(yùn)行仿真，在仿真過程中進(jìn)行相應(yīng)控制，記錄仿真數(shù)據(jù)，分析仿真效能；

步驟7：根據(jù)仿真效能，選出效能最佳的仿真方案，開發(fā)艙內(nèi)可視化模型，進(jìn)行艙內(nèi)可視化顯示；

步驟8：根據(jù)艙內(nèi)可視化顯示結(jié)果，分析此方案是否可行，如果可行，進(jìn)入下一環(huán)節(jié)，如果不可行，返回修改，進(jìn)行效能仿真；

步驟9：對(duì)于可行方案，開發(fā)人機(jī)交互界面，進(jìn)行人機(jī)交互仿真，得出仿真結(jié)果，分析結(jié)果是否滿足需求，如果不滿足，繼續(xù)進(jìn)行人機(jī)交互仿真，如果滿足，得出結(jié)論，即最優(yōu)化的作戰(zhàn)流程方案。

利用體系結(jié)構(gòu)導(dǎo)出模塊，通過識(shí)別仿真數(shù)據(jù)、編輯數(shù)據(jù)等手段，將單艦作戰(zhàn)的體系模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出并生成仿真平臺(tái)中的仿真模型框架，分別用它們對(duì)模型庫中的各個(gè)對(duì)應(yīng)模型進(jìn)行封裝，生成可供仿真使用的原子組件。利用模型組合工具對(duì)作戰(zhàn)流程模型進(jìn)行組合，形成作戰(zhàn)流程復(fù)合組件，分析不同組合方式下作戰(zhàn)效能的優(yōu)劣，再根據(jù)作戰(zhàn)效能得出可行的作戰(zhàn)流程組合方式。對(duì)可行的作戰(zhàn)流程組合方式，開發(fā)艙內(nèi)可視化顯示場景，進(jìn)行艙內(nèi)可視化顯示驗(yàn)證，開發(fā)真實(shí)的操作界面，人在回路進(jìn)行控制，進(jìn)一步驗(yàn)證其可行性，最后得出真正可行的作戰(zhàn)流程組合方式。

4結(jié)束語

基于體系結(jié)構(gòu)建模的水面艦艇防空作戰(zhàn)流程設(shè)計(jì)可以從系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)出發(fā)，避免了不合理決策帶來的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，滿足了用戶的設(shè)計(jì)需求。通過體系結(jié)構(gòu)建模方法進(jìn)行層次化統(tǒng)一設(shè)計(jì)可以很好地滿足系統(tǒng)功能顆粒度不統(tǒng)一的需求，從而大大改進(jìn)了系統(tǒng)的操作效率。

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(責(zé)任編輯周江川)

收稿日期：2015-02-20

作者簡介：王書齊(1961—)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事海軍兵種戰(zhàn)術(shù)研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.001

中圖分類號(hào)：E919

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-0707(2015)07-0001-05

本文引用格式：王書齊，馬良，蘇琦，等.基于體系結(jié)構(gòu)建模的水面艦艇防空作戰(zhàn)流程設(shè)計(jì)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(7):1-5.

Citation format:WANG Shu-qi, MA Liang, SU Qi，et al.Surface Warship Air Defense Combat Process Design Based on Architectural Modeling[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(7):1-5.

Surface Warship Air Defense Combat Process Design
Based on Architectural Modeling

WANG Shu-qi, MA Liang, SU Qi，WU Qi

(Department of Surface Ship Command, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

Abstract:Aimed at the characteristics of the complexity and the urgency of the surface warship air defense operation, according to the U.S. defense architecture framework of general standard, we discussed design method of warship air defense operation process based on the architectural modeling. According to surface warship air defense combat mission requirements and operation process, custom close to the user demand of surface warship air defense operation process was made. From the point of view of military requirements, the import and export module interface relationship was described. A model of air defense combat process validation method was presented based on the platform operation of air defense combat process.

Key words:architecture modelling; air defence combat process; design method

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【裝備理論與裝備技術(shù)】