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        基于UML 的分布式防御作戰(zhàn)概念描述方法*

        2021-01-22 09:17:06彭斯明
        火力與指揮控制 2020年12期
        關(guān)鍵詞:概念活動(dòng)系統(tǒng)

        彭斯明,肖 剛,林 金

        (北京系統(tǒng)工程研究所,北京 100101)

        0 引言

        作戰(zhàn)概念作為未來軍事斗爭準(zhǔn)備的中心工作之一,目前正越來越受到研究人員的重視[1-4]。通過重組現(xiàn)有武器裝備,構(gòu)建新的作戰(zhàn)體系、作戰(zhàn)概念,不僅可以充分挖掘現(xiàn)有武器裝備的作戰(zhàn)潛力,還可以牽引武器裝備的研發(fā)工作。其次,作戰(zhàn)概念通過提出新的作戰(zhàn)樣式和武器裝備,還可以推動(dòng)對決定作戰(zhàn)能力建設(shè)的編制體制與之相適應(yīng),并對編制體制的生成、維護(hù)、建設(shè)等各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生影響。此外,條令條例是關(guān)于作戰(zhàn)行動(dòng)的規(guī)范依據(jù),作戰(zhàn)概念通過進(jìn)入條令條例得到固化,并以頒布關(guān)于能力、行動(dòng)、生活等方面的法規(guī)進(jìn)行體現(xiàn)。近年來,很多有影響力的典型作戰(zhàn)概念被陸續(xù)提出,如美軍的“分布式殺傷”、“多域戰(zhàn)”、“分布式防御”等[5-7],這些作戰(zhàn)概念的提出對美軍未來武器裝備的發(fā)展、編制體制、條令條例建設(shè)等均產(chǎn)生了重大影響。

        作戰(zhàn)概念通常涉及裝備、指控等眾多領(lǐng)域,屬于復(fù)雜系統(tǒng)范疇,為了便于不同領(lǐng)域研究人員之間有效的溝通和交流,采用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)框架和形式化建模語言是進(jìn)行作戰(zhàn)概念設(shè)計(jì)與描述的有效方法。文獻(xiàn)[1-2]以目前較為成熟的美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架(DoDAF)為基礎(chǔ),提出了裝備作戰(zhàn)概念的多視圖描述框架。由于DoDAF 包含的視圖產(chǎn)品較多而且不涉及具體的描述語言,導(dǎo)致相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)復(fù)雜度較高而且周期也往往較長。另一方面,目前主要的建模語言有IDEF0、UML、Petri 等[8-9]。其中,統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language,UML)是一種面向?qū)ο蟮臉?biāo)準(zhǔn)化建模語言,能夠從仿真系統(tǒng)開發(fā)的角度,以可視化和圖形化的表達(dá)方式描述復(fù)雜系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為。同時(shí),UML 的圖形和DoDAF 的視圖產(chǎn)品之間還存在較好的對應(yīng)關(guān)系[10-11],因而采用UML 來進(jìn)行作戰(zhàn)概念描述具有良好的應(yīng)用前景。目前,圍繞UML 在軍事概念建模中的研究也取得了一定的成果[12-17]。

        本文以UML 為基礎(chǔ),綜合利用UML 的用例圖、類圖、時(shí)序圖和活動(dòng)圖等視圖,對分布式防御作戰(zhàn)概念進(jìn)行形式化描述和驗(yàn)證,為科學(xué)開展作戰(zhàn)概念的設(shè)計(jì)和描述提供理論和方法支撐。

        1 作戰(zhàn)概念描述

        1.1 分布式防御

        分布式防御是2018 年1 月美軍繼“分布式殺傷”和“多域戰(zhàn)”之后提出的又一個(gè)新作戰(zhàn)概念。為了應(yīng)對對手日益嚴(yán)峻的空中和導(dǎo)彈威脅,美軍提出對其“一體化防空反導(dǎo)”作戰(zhàn)概念進(jìn)行升級,將分散部署的傳感器和火力單元通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成,從而建設(shè)一支更靈活、更有彈性和要素更為分散的防空反導(dǎo)部隊(duì)。

        具體而言,分布式防御作戰(zhàn)概念包括以下7 個(gè)方面的主要內(nèi)容[7]:

        1)以網(wǎng)絡(luò)為中心。通過將傳感器和火力發(fā)射單元通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接,從而擴(kuò)大防空反導(dǎo)的作戰(zhàn)范圍和區(qū)域;

        2)要素分散。通過利用網(wǎng)絡(luò)集成,將現(xiàn)有的火力單元重新進(jìn)行調(diào)整,使其部署在更大范圍內(nèi),同時(shí)也使指揮員的指揮更為靈活;

        3)混合裝載。通過導(dǎo)彈和發(fā)射裝置之間相互通用的方式,使發(fā)射裝置不依賴于攔截彈,從而帶來更大的靈活性和分層防御深度;

        4)攻防一體發(fā)射器。通過將打擊和防御武器裝載在同一個(gè)發(fā)射單元或發(fā)射器內(nèi)來更好地應(yīng)對威脅;

        5)多任務(wù)導(dǎo)彈。通過在導(dǎo)彈上安裝不同類型的彈頭,以實(shí)現(xiàn)任意導(dǎo)彈對任意目標(biāo)的打擊,提高打擊的靈活性并降低作戰(zhàn)成本;

        6)集裝箱式發(fā)射裝置。通過將網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)射裝置隱藏在普通貨物集裝箱中,實(shí)現(xiàn)任何發(fā)射裝置在任意地點(diǎn)發(fā)射,同時(shí)增大對手的發(fā)現(xiàn)難度;

        7)欺騙式被動(dòng)防御。通過利用集裝箱數(shù)量眾多的特點(diǎn),采用分散部署的虛擬發(fā)射裝置模擬真實(shí)裝備的光學(xué)、熱能和電磁特征,對敵人進(jìn)行欺騙,增加對手的作戰(zhàn)成本。

        以上內(nèi)容構(gòu)成了分布式防御作戰(zhàn)概念的核心,并且相互補(bǔ)充,以增強(qiáng)系統(tǒng)彈性和模塊化,實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的攻防一體化性能。

        1.2 作戰(zhàn)概念描述語言

        作為一種標(biāo)準(zhǔn)化的建模語言,UML 的目標(biāo)是以面向?qū)ο髨D的方式來描述任何類型的系統(tǒng),在仿真建模領(lǐng)域也得到廣泛的研究與應(yīng)用。它能提供多種模型圖供用戶從不同角度來理解系統(tǒng),具有定義良好、易于表達(dá)、功能強(qiáng)大且普遍適用等特點(diǎn)[8,12]。

        2 分布式防御作戰(zhàn)概念描述

        美軍的分布式防御作戰(zhàn)概念白皮書只是給出了該作戰(zhàn)概念的基本定義和主要內(nèi)容,對于各要素之間如何連通并沒有進(jìn)行具體的介紹。因而本節(jié)首先對分布式防御作戰(zhàn)概念涉及的主要內(nèi)容進(jìn)行抽象,然后按照指揮作戰(zhàn)的一般流程進(jìn)行建模,并綜合運(yùn)用UML 的不同視圖對分布式防御作戰(zhàn)概念進(jìn)行描述。

        2.1 功能需求模型描述

        在UML 中,系統(tǒng)的功能模型通常采用用例圖進(jìn)行描述。用例圖是從用戶角度表達(dá)系統(tǒng)的功能性需求或行為,其核心元素包括參與者、用例、關(guān)系。通過展示參與者與用例、用例與用例之間的關(guān)系對系統(tǒng)的功能進(jìn)行建模。

        因此,分布式防御的功能模型可用用例圖進(jìn)行描述。如下頁圖1 所示,根據(jù)分布式防御作戰(zhàn)概念的主要內(nèi)容,系統(tǒng)外部參與者主要是作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)(Battle Command System),系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)4 個(gè)功能:一是防空作戰(zhàn),主要用于防御無人機(jī)和有人機(jī)襲擊;二是反導(dǎo)作戰(zhàn),主要是防御巡航導(dǎo)彈、彈道導(dǎo)彈和高超聲速助推滑翔飛行器等;三是進(jìn)攻作戰(zhàn),主要是具備對海(艦)、對空和對地打擊能力;四是被動(dòng)防御,主要是通過欺騙、機(jī)動(dòng)和分散部署來躲避對手的打擊,保存自己。

        圖1 分布式防御作戰(zhàn)概念用例圖

        2.2 組成結(jié)構(gòu)描述

        在UML 中,采用類圖、組件圖等描述系統(tǒng)的靜態(tài)模型。其中,類圖是一種通過顯示類的屬性、操作及類之間的關(guān)系,描述系統(tǒng)對象靜態(tài)結(jié)構(gòu)的建模方法。

        根據(jù)分布式防御作戰(zhàn)概念的主要內(nèi)容,抽象出了對應(yīng)的8 個(gè)類,其中,分布式防御系統(tǒng)是基類,主要包含網(wǎng)絡(luò)(Network Centrism)、分散的火力單元(Element Dispersal)、混合裝載(Mixed Loads)、攻防一體發(fā)射器(Offense-defense Launchers)、多任務(wù)導(dǎo)彈(Multi-mission Shooters)、集裝箱式發(fā)射器(Containerized Launchers)、被動(dòng)防御系統(tǒng)(Passive Defense)等7 個(gè)子類。此外,分散的火力單元、攻防一體發(fā)射器、多任務(wù)發(fā)射器、集裝箱式發(fā)射器等和網(wǎng)絡(luò)之間存在著依賴關(guān)系,即通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相互連接。根據(jù)分布式防御作戰(zhàn)概念的要素特點(diǎn),各個(gè)類還分別具有模塊化(M:Modular)、彈性(R:Resilient)和攻防一體化(ODI:Offense-Defense Integration)等屬性特征。

        2.3 動(dòng)態(tài)行為描述

        在UML 中,主要采用時(shí)序圖、活動(dòng)圖、狀態(tài)圖等描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。其中,時(shí)序圖用于描述系統(tǒng)中各個(gè)對象按照時(shí)間順序的交互過程,活動(dòng)圖可以被看作是一種特殊的狀態(tài)圖,主要用來描述動(dòng)作和動(dòng)作導(dǎo)致對象狀態(tài)改變的結(jié)果。因此,下面采用時(shí)序圖和活動(dòng)圖描述分布式防御作戰(zhàn)概念的動(dòng)態(tài)行為。

        2.3.1 作戰(zhàn)過程描述

        圖2 分布式防御作戰(zhàn)概念類圖

        圖3 分布式防御作戰(zhàn)概念時(shí)序圖

        在UML 中,時(shí)序圖是顯示對象之間交互的圖,通過描述對象之間的信息交互的時(shí)間順序顯示多個(gè)對象之間的動(dòng)態(tài)協(xié)作關(guān)系?;赨ML 的動(dòng)態(tài)建模機(jī)制,分布式防御作戰(zhàn)過程用時(shí)序圖描述如圖3所示。

        在信息的交互過程中,反映了分布式防御不同系統(tǒng)之間按時(shí)間順序排列的事件。垂直方向上,時(shí)間自上而下延伸,反映了系統(tǒng)之間事件間的先后順序。例如,作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)在收到預(yù)警信息后才會發(fā)出進(jìn)行被動(dòng)防御和對來襲武器進(jìn)行攔截,以及對對手發(fā)射架進(jìn)行打擊的指令。水平方向上,消息自箭尾向箭頭傳遞,反映了不同系統(tǒng)之間事件的激活關(guān)系。例如,網(wǎng)絡(luò)中分散部署的傳感器節(jié)點(diǎn)對防御區(qū)域進(jìn)行不間斷的偵察預(yù)警,一旦偵察到來襲武器,便會向指揮作戰(zhàn)系統(tǒng)傳遞預(yù)警信息,作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)再據(jù)此下達(dá)相應(yīng)的作戰(zhàn)指令。根據(jù)分布式防御作戰(zhàn)的主要內(nèi)容,其作戰(zhàn)過程主要分為兩個(gè)階段,第一個(gè)階段是防御階段,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)獲取的來襲目標(biāo)信息,指揮相應(yīng)的火力單元進(jìn)行攔截,同時(shí)進(jìn)行機(jī)動(dòng)規(guī)避或隱藏;第二個(gè)階段則是在網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)探測到來襲目標(biāo)的發(fā)射位置信息后指揮相應(yīng)的火力單元進(jìn)行打擊,摧毀對手的發(fā)射架。

        2.3.2 作戰(zhàn)活動(dòng)描述

        在UML 中,活動(dòng)圖是描述用例要求所要進(jìn)行的活動(dòng),以及活動(dòng)間的約束關(guān)系,有利于識別并行活動(dòng)。因此,基于UML 的動(dòng)態(tài)建模機(jī)制,分布式防御作戰(zhàn)活動(dòng)可用活動(dòng)圖描述。

        根據(jù)分布式防御的主要構(gòu)成要素,可以將作戰(zhàn)活動(dòng)按照網(wǎng)絡(luò)、分散火力單元、攻防一體發(fā)射器、多任務(wù)導(dǎo)彈以及混合裝載系統(tǒng)5 個(gè)類進(jìn)行分組,構(gòu)建如下頁圖4 所示的泳道圖。采用泳道圖的形式,可以進(jìn)一步明確各個(gè)類所包含的主要活動(dòng)。

        網(wǎng)絡(luò)主要活動(dòng)應(yīng)包括偵察預(yù)警和毀傷評估。偵察預(yù)警主要是將網(wǎng)絡(luò)中分散部署的傳感器節(jié)點(diǎn)獲取的目標(biāo)探測和定位信息分發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中的火力單元,同時(shí),在完成對目標(biāo)的攔截和打擊任務(wù)后,對目標(biāo)的毀傷情況進(jìn)行評估,以決定是否需要進(jìn)行下一輪的攔截和打擊。分散的火力單元?jiǎng)t主要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)提供的目標(biāo)信息,選擇網(wǎng)絡(luò)中最有利的火力單元進(jìn)行作戰(zhàn)。根據(jù)是否發(fā)現(xiàn)對手發(fā)射架的準(zhǔn)確位置,火力單元可以分別完成防空反導(dǎo)攔截和對發(fā)射架的打擊任務(wù)。攻防一體發(fā)射器主要是將進(jìn)攻和攔截導(dǎo)彈集成在一個(gè)火力單元或者一個(gè)發(fā)射架內(nèi),這樣根據(jù)任務(wù)需要,可以快速選擇采用防御或進(jìn)攻導(dǎo)彈作戰(zhàn)。多任務(wù)發(fā)射器主要是發(fā)射相應(yīng)的攔截導(dǎo)彈或進(jìn)攻導(dǎo)彈?;旌涎b載系統(tǒng)則在攔截或打擊任務(wù)完成后重新進(jìn)行導(dǎo)彈裝載。

        圖4 分布式防御作戰(zhàn)概念活動(dòng)圖

        3 結(jié)論

        本文采用通用建模語言UML 對分布式防御作戰(zhàn)概念描述方法進(jìn)行了研究,通過利用UML 的不同視圖模型對分布式防御作戰(zhàn)概念的主要功能、基本結(jié)構(gòu)、作戰(zhàn)過程和作戰(zhàn)活動(dòng)進(jìn)行形式化描述,不僅有利于不同背景研究人員對該作戰(zhàn)概念的理解與交流,同時(shí)也為我軍未來作戰(zhàn)概念的設(shè)計(jì)開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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