趙小茹,楊任農(nóng)* ,閆孟達 ,劉曌宇,江蕭君

(1.空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院,西安,710051;2.空軍工程大學(xué)裝備管理與無人機工程學(xué)院,西安,710051;3.95876部隊,甘肅酒泉,735000)

戰(zhàn)場形勢日趨復(fù)雜,以“認(rèn)知、動態(tài)與分布”為特點的分布式體系化作戰(zhàn)模式正在逐步成型,通過將能力分解到多型武器平臺協(xié)同完成任務(wù)更有利于高效執(zhí)行任務(wù)。由少量高性能有人機(Manned Aircraft Vehicle)和大量自主無人機(Unmanned Aircraft Vehicle)組成的協(xié)同編組模式,成為未來空中作戰(zhàn)樣式的研究熱點,能夠提高空中作戰(zhàn)的靈活性、強韌性和經(jīng)濟可承受性等性能。同時各國也在開展研究,美國發(fā)布《無人系統(tǒng)綜合態(tài)勢圖2017-2042》[1]肯定了無人系統(tǒng)與有人系統(tǒng)的無縫協(xié)同能夠壓縮作戰(zhàn)人員的決策時間,降低風(fēng)險。俄羅斯也在2021年提出用蘇-57有人機指揮“獵人”無人機,以忠誠僚機的作戰(zhàn)樣式完成任務(wù)。2022年,德國慕尼黑大學(xué)在針對空中協(xié)同作戰(zhàn)研究時[2],對無人機系統(tǒng)在任務(wù)分配的時序模式進行分析,探究共享機制下任務(wù)分配原則。我國也在不斷探索有人-無人協(xié)同作戰(zhàn)在未來戰(zhàn)爭中的可能性。中航工業(yè)提出,未來六代機的作戰(zhàn)模式嘗試與無人戰(zhàn)斗機配合,構(gòu)建有人與無人共存的體系結(jié)構(gòu)。由于態(tài)勢變化的復(fù)雜性和任務(wù)的多樣化,有人-無人協(xié)同作戰(zhàn)存在操作混亂、協(xié)同忙亂和行動盲從的現(xiàn)象,所以針對有人-無人協(xié)同作戰(zhàn)的體系結(jié)構(gòu)框架設(shè)計是武器裝備體系研究的前提[3],它能夠?qū)⒏飨到y(tǒng)空中作戰(zhàn)能力進行有效整合,從而獲得作戰(zhàn)優(yōu)勢。

為此,美國國防部高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)在提出分布式空中作戰(zhàn)概念之后,相繼開展體系集成技術(shù)試驗項目(System of System Integration Technologe and Experiment,SoSITE)[4]、分布式作戰(zhàn)管理項目(Distributed Battle Management,DBM)等等,設(shè)計形成靈活開放的架構(gòu),最大限度的發(fā)揮協(xié)同機制優(yōu)勢。2010年,美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架(Department of Defense Architecture Framework,DoDAF)最新2.02版本以架構(gòu)數(shù)據(jù)為核心,能夠滿足體系結(jié)構(gòu)的快速開發(fā),在軍事研究中得到了廣泛的應(yīng)用[5-8]。其中,文獻[5]針對空戰(zhàn)中有人機-無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)進行了研究,考慮了有人機的人因因素和無人機的自主因素研究協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu),更多地關(guān)注作戰(zhàn)活動的時序邏輯問題,但是對過程中指揮控制和協(xié)同作戰(zhàn)的耦合,嵌套指揮控制關(guān)系缺乏描述。當(dāng)前,戰(zhàn)爭需求更加急切和復(fù)雜,需要更加靈活和貼合的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計。

本文提出將管理學(xué)的基礎(chǔ)理論應(yīng)用于作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃中,建立作戰(zhàn)管理的基礎(chǔ)框架,通過內(nèi)核邏輯對有人-無人協(xié)同作戰(zhàn)流程進行剖析,分析其中的要素、層次和職能需求,建立任務(wù)-能力和能力-資源的屬性映射關(guān)系,厘清作戰(zhàn)過程中指揮編隊完成任務(wù)的嵌套關(guān)系,為作戰(zhàn)模式的高效運行和決策需求的持續(xù)保證提供了思路方法。設(shè)計一種基于作戰(zhàn)管理的有人-無人協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)框架,利用DoDAF框架將作戰(zhàn)目標(biāo)拆分、作戰(zhàn)能力整合,從戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、行動和戰(zhàn)術(shù)逐層進行作戰(zhàn)管理分析,完成各個子系統(tǒng)有效整合和輪轉(zhuǎn),從職能分析入手,快速闡明對抗樣式,明晰作戰(zhàn)流程和關(guān)鍵節(jié)點。

1 基于作戰(zhàn)管理的體系結(jié)構(gòu)建模方法

1.1 作戰(zhàn)管理的基礎(chǔ)理論

作戰(zhàn)管理(Battle Management,BM)概念起源于美國,但是至今沒有一個標(biāo)準(zhǔn)的定義[9]。本文認(rèn)為,作戰(zhàn)管理是以實踐性突出的管理科學(xué)理論方法為指導(dǎo),從戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、行動和戰(zhàn)術(shù)四個層級入手,用規(guī)劃、組織、指揮、協(xié)同、控制五大職能和理論、方法、流程、系統(tǒng)和工具作為邏輯切口,瞄準(zhǔn)大規(guī)模、高強度、快節(jié)奏和持續(xù)久的高端戰(zhàn)爭進行研究。作戰(zhàn)管理的內(nèi)容可以用霍爾三維結(jié)構(gòu)表示,如圖1所示。

圖1 作戰(zhàn)管理體系架構(gòu)

圖1所示層級、職能和要素三者之間存在著相互匹配和映射的關(guān)系,其中“層級-職能”和“職能-要素”的匹配圖如圖2、圖3所示。圖2可以體現(xiàn)作戰(zhàn)中“任務(wù)-能力”的屬性映射。通過作戰(zhàn)活動的層級剖析任務(wù)需求,再根據(jù)能力協(xié)同推動職能循環(huán)。戰(zhàn)略管理層級支持軍事、政治、外交等綜合情報信息綜合處理,確定戰(zhàn)略目標(biāo)和意圖,提供開展兵力組織的能力;戰(zhàn)役管理層級支持制定戰(zhàn)役計劃,根據(jù)作戰(zhàn)意圖分配完成任務(wù)的兵力,統(tǒng)計戰(zhàn)場態(tài)勢信息完成資源分配,提供確保軍種兵力協(xié)同的能力;行動管理層級支持制定階段性任務(wù)計劃,提供評估作戰(zhàn)效果的能力;戰(zhàn)術(shù)管理層級支持制定戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃,完成任務(wù)式指揮,提供協(xié)同兵力分配和作戰(zhàn)效果評估的能力。每個管理層級在職能的能力保證下進入作戰(zhàn)循環(huán),通過規(guī)劃前置,計劃協(xié)同,決策先行,實現(xiàn)對戰(zhàn)爭從設(shè)計、部署、運行到評估的管理閉環(huán),確保為作戰(zhàn)提供動態(tài)可持續(xù)的管理能力,完成能力到任務(wù)的快速映射。圖中的虛線認(rèn)知反饋的信息流,能夠?qū)⑾乱患壴诳刂齐A段的評估結(jié)果及時反應(yīng)給上一級作戰(zhàn)機構(gòu),推動實線代表的指導(dǎo)控制命令實時動態(tài)調(diào)整。

圖2 層級-職能匹配關(guān)系圖

圖3 職能-要素匹配關(guān)系圖

圖3所示,“職能-要素”匹配關(guān)系能夠建立“能力-資源”的屬性映射。從作戰(zhàn)意圖入手,以保證任務(wù)能力需求為出發(fā)點,職能到要素的匹配關(guān)系在不同層級涵蓋了多種技術(shù)。分布在理論、機構(gòu)、流程、方法和工具中,支撐作戰(zhàn)管理的職能實現(xiàn)。能力到資源的映射不止考慮交戰(zhàn)活動過程,更主動設(shè)計管理作戰(zhàn)全過程。其中“理論”資源主要涵蓋作戰(zhàn)過程中作戰(zhàn)管理人員參與指揮控制模式中的新型組織結(jié)構(gòu)創(chuàng)新,任務(wù)規(guī)劃過程中戰(zhàn)管人員如何提高任務(wù)規(guī)劃、資源分配的智能化創(chuàng)新;“機構(gòu)”涵蓋參與作戰(zhàn)過程的不同層級作戰(zhàn)力量;“流程”包含不同尺度下作戰(zhàn)過程的設(shè)計思路;“方法”和“工具”更多關(guān)注于實現(xiàn)作戰(zhàn)管理的具體工程方法和信息系統(tǒng)。

1.2 DoDAF概述和建模步驟

2003年,因為適用性的增強,DoDAF1.0版本在美國自動化指揮系統(tǒng)架構(gòu)(Command,Control,Communication,Computer,Intelligence,Surveillance and Reconnaissance,C4ISR)的基礎(chǔ)上確立,逐漸成為用于國防和航空航天行業(yè)的架構(gòu)建模標(biāo)準(zhǔn)[10-11]。2015年,美國國防部系統(tǒng)解釋了DoDAF2.02版本[12],結(jié)合元模型(domain meta-model,DM2)表示核心架構(gòu)數(shù)據(jù)模型,包含概念數(shù)據(jù)模型、邏輯數(shù)據(jù)模型和物理交換范式,以增強用戶理解的方式創(chuàng)建體系架構(gòu)。

作為適用于軍事的體系架構(gòu)框架,DoDAF通過視圖模型將能力、作戰(zhàn)、服務(wù)和信息等多個子系統(tǒng)整合,包含8類視圖、52種模型,分別是：全局視圖(All Viewpoint,AV)、能力視圖(Capability Viewpoint,CV)、作戰(zhàn)視圖(Operational Viewpoint,OV)、服務(wù)視圖(Services Viewpoint,SvcV)、系統(tǒng)視圖(Systems Viewpoint,SV)、標(biāo)準(zhǔn)視圖(Standards Viewpoint,StdV)、項目視圖(Project Viewpoint,PV)和數(shù)據(jù)與信息視圖(Data and Information Viewpoint,DIV)。8類視圖的開發(fā)從對象、地點、時序、參與人員、行動動機、實施方式出發(fā),運用模型和數(shù)據(jù)進行描述,建立體系結(jié)構(gòu)視圖。從開發(fā)的角度,得到視圖、模型和元模型的開發(fā)矩陣。

本文采用活動(Activity),能力(Capability),信息(Information),位置 (Location),度量 (Mea-sure),執(zhí)行者 (Performer),資源流 (Resource),規(guī)則 (Rule) 和條件(Condition) 9個元模型數(shù)據(jù)組作為綜合字典,設(shè)計了有人-無人協(xié)同空中作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu),步驟遵循圖4所示順序進行開發(fā)。

圖4 協(xié)同作戰(zhàn)管理體系結(jié)構(gòu)開發(fā)步驟

步驟1,依次建立AV-1,AV-2和CV-1,明晰體系架構(gòu)中數(shù)據(jù)組包含元素,提出能力的遠景展望。步驟2,建立OV-1(高級作戰(zhàn)概念圖),明確作戰(zhàn)總體構(gòu)想。步驟3,通過OV-5a(作戰(zhàn)活動分解樹)分析任務(wù)執(zhí)行中的能力-任務(wù)的映射關(guān)系。步驟4,建立OV-4(組織關(guān)系圖),描述組織與執(zhí)行者的邏輯關(guān)系,建立CV-2(能力分類)的基礎(chǔ)OV-2(作戰(zhàn)資源流描述),梳理體系結(jié)構(gòu)能力的分類。步驟5,建立OV-5b(作戰(zhàn)活動模型),根據(jù)空中作戰(zhàn)樣式進行時序邏輯梳理。步驟6,建立OV-6a(作戰(zhàn)規(guī)則模型),確定規(guī)則和約束,對作戰(zhàn)節(jié)點間交互進行描述得到OV-6c(事件跟蹤描述),作為描述具體執(zhí)行者狀態(tài)轉(zhuǎn)換說明OV-6b的基礎(chǔ)。步驟7,最后得到CV-6(能力-作戰(zhàn)活動映射),展示具體作戰(zhàn)活動需要的能力,同時建立SV-4(系統(tǒng)功能描述),對系統(tǒng)中包含的服務(wù)功能和模塊進行描述。

圖4所示步驟順序幫助開發(fā)體系結(jié)構(gòu)的邏輯思路,視圖之間存在相互約束和協(xié)同,需要將迭代反復(fù)的貫穿整個開發(fā)過程。文章后續(xù)根據(jù)作戰(zhàn)管理在有人-無人協(xié)同戰(zhàn)斗過程的特點,構(gòu)建了相關(guān)模型視圖,能夠體現(xiàn)作戰(zhàn)管理概念理論在實際作戰(zhàn)體系中的具體過程。

2 有人-無人協(xié)同作戰(zhàn)管理體系結(jié)構(gòu)建模

有人-無人協(xié)同作戰(zhàn)具有多層級交叉、多職能耦合、多要素參與的特點,本文以作戰(zhàn)管理概念為基礎(chǔ),對 協(xié)同空中作戰(zhàn)任務(wù)進行分析,關(guān)注指揮控制關(guān)鍵層級和作戰(zhàn)活動動態(tài)規(guī)劃,建立體系結(jié)構(gòu)模型,對作戰(zhàn)活動視圖進行重點分析。

綜合字典AV-2等同于結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)資源存儲庫,能夠給出結(jié)構(gòu)建模所有術(shù)語的定義。為保證視圖模型建立過程中的一致性和連續(xù)性,本文建立的綜合字典主要根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)類型和作戰(zhàn)管理層級,利用DM2的9個元模型數(shù)據(jù)完成對體系結(jié)構(gòu)建模的描述,分別是活動、能力、信息、位置、度量、執(zhí)行者、資源流、規(guī)則和條件。

在有人-無人協(xié)同執(zhí)行空中作戰(zhàn)任務(wù)時,大部分?jǐn)?shù)據(jù)組元素都包含指揮控制和協(xié)同配合能力,所以指揮機構(gòu)的作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃能力是任務(wù)完成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.1 高級作戰(zhàn)概念圖

高級作戰(zhàn)概念圖OV-1能夠以圖像和文字的形式直觀地描述有人-無人協(xié)同空中作戰(zhàn)的全局構(gòu)想。按照戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、行動和戰(zhàn)術(shù)管理4個層級劃分,建立體系架構(gòu)、作戰(zhàn)主體和外部系統(tǒng)之間的互聯(lián)關(guān)系,如圖5所示。其中,要素包含戰(zhàn)略層級的指揮機構(gòu)和外部信息保障系統(tǒng),戰(zhàn)役層級的指揮機構(gòu),戰(zhàn)區(qū)指揮所和戰(zhàn)術(shù)層級地面指揮所、預(yù)警機、執(zhí)行任務(wù)的空中編隊。

圖5 高級作戰(zhàn)概念圖OV-1

根據(jù)圖5可知任務(wù)和信息協(xié)同,有人和無人配合執(zhí)行空中作戰(zhàn)任務(wù)過程中,從確定戰(zhàn)略目標(biāo),制定戰(zhàn)役計劃,設(shè)計行動計劃,到完成每日任務(wù)規(guī)劃的體系節(jié)點和職能要素,進而可以規(guī)劃完成協(xié)同偵察、協(xié)同探測、協(xié)同攻擊等多個任務(wù)。

2.2 組織關(guān)系圖

組織關(guān)系圖OV-4能夠描述作戰(zhàn)過程中控制節(jié)點和執(zhí)行者的組織結(jié)構(gòu)、組織元素和組織關(guān)系等信息,如圖6所示。其中組織元素包括空中、地面和機上等參戰(zhàn)力量,組織關(guān)系包括協(xié)同關(guān)系、指控關(guān)系和其他關(guān)系。圖中給出有人-無人協(xié)同作戰(zhàn)中執(zhí)行者和控制節(jié)點的組織關(guān)系圖。根據(jù)綜合字典中執(zhí)行者數(shù)據(jù)組描述,在作戰(zhàn)過程中,執(zhí)行者能夠提供地面保障能力、情報預(yù)警能力、通信保障能力、空中指揮能力和空中協(xié)同作戰(zhàn)能力,通過組織關(guān)系連接線標(biāo)注,由支援保障關(guān)系、協(xié)同關(guān)系和指揮控制關(guān)系組成。

圖6 組織關(guān)系圖OV-4

2.3 作戰(zhàn)資源流圖

作戰(zhàn)資源流圖OV-2主要描述資源流在作戰(zhàn)活動中進行交換和傳遞的過程。如圖7所示,圖中包含作戰(zhàn)過程中指令信息、信號數(shù)據(jù)和執(zhí)行者的演進模式。其中,綜合情報中心、通信保障機構(gòu)主要為戰(zhàn)區(qū)作戰(zhàn)指揮控制中心提供信息,預(yù)警中心需要同步態(tài)勢預(yù)警信息給各級指揮機構(gòu),根據(jù)戰(zhàn)區(qū)下發(fā)行動計劃,地面指揮所將規(guī)劃的任務(wù)分配給空中預(yù)警指控中心,再進一步將任務(wù)指令信息傳遞給作戰(zhàn)飛機編隊,圖中用資源需求線表示了資源的流向和互換。

圖7 作戰(zhàn)資源流圖OV-2

2.4 作戰(zhàn)活動模型

作戰(zhàn)活動模型OV-5b能夠呈現(xiàn)任務(wù)執(zhí)行中操作節(jié)點的輸入和輸出,圍繞作戰(zhàn)管理職能循環(huán)建立模型,初步描述典型作戰(zhàn)活動之間的流程。如圖8所示,作戰(zhàn)操作節(jié)點之間通過資源流推進任務(wù)執(zhí)行,職能的循環(huán)嵌套其中。觀察圖8可以發(fā)現(xiàn),作戰(zhàn)活動的職能屬性并不是分離獨立的,存在一定的重疊和耦合關(guān)系,是由于作戰(zhàn)過程的高復(fù)雜和快節(jié)奏,需要反復(fù)確認(rèn)態(tài)勢信息,實時跟進任務(wù)規(guī)劃,時序進行會有所重合。同時,因為作戰(zhàn)任務(wù)分平時和戰(zhàn)時,性質(zhì)決定了執(zhí)行的重點不同,所以職能和作戰(zhàn)活動的耦合性與復(fù)雜性也有所區(qū)別,平時耦合低、復(fù)雜性低,重訓(xùn)練,戰(zhàn)時耦合高、速度快,更重實戰(zhàn)與速度。

圖8 作戰(zhàn)活動模型OV-5b

作戰(zhàn)活動模型描述的是活動之間的關(guān)系和依賴關(guān)系,能夠為后續(xù)的事件跟蹤描述(OV-6c)提供認(rèn)知基礎(chǔ),利于進一步地表示作戰(zhàn)子系統(tǒng)之間的交互過程,對作戰(zhàn)活動推演細(xì)化。

2.5 事件跟蹤描述

事件跟蹤描述OV-6c一般采用時序圖,以任務(wù)為中心對作戰(zhàn)活動進行細(xì)致描述。如圖9所示,協(xié)同空中作戰(zhàn)活動呈現(xiàn)了以規(guī)劃、組織、指揮、協(xié)同和控制為循環(huán)的作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程。

圖9 事件跟蹤描述OV-6c

遵循圖2所示的作戰(zhàn)管理層級-職能匹配圖,作戰(zhàn)任務(wù)的執(zhí)行[13]能夠通過職能5項的循環(huán)分解描述如下。

規(guī)劃階段,行動管理層級的戰(zhàn)區(qū)作戰(zhàn)指揮中心接收上級準(zhǔn)備作戰(zhàn)的決心后,收集情報和預(yù)警信息,制定作戰(zhàn)行動計劃,分解具體任務(wù)交給地面指揮所。以任務(wù)為中心,地面指揮所制定任務(wù)規(guī)劃下發(fā)具體的作戰(zhàn)平臺,完成作戰(zhàn)規(guī)劃。

組織階段,根據(jù)行動管理層級確定軍種級別作戰(zhàn)力量的分配,空軍部隊會根據(jù)空中態(tài)勢的分析和任務(wù)的分解組織地面保障力量、空中指揮及協(xié)同作戰(zhàn)力量,以支持后續(xù)指揮、監(jiān)控和任務(wù)執(zhí)行后評估等作戰(zhàn)環(huán)節(jié)。

指揮階段,在“組織”職能進行中,“指揮”職能開始發(fā)揮作用,地面指揮所根據(jù)任務(wù)的性質(zhì)和規(guī)劃的內(nèi)容,將下達任務(wù)分配指令、協(xié)同偵察指令、空域劃分指令等作戰(zhàn)指令,指揮空中預(yù)警指揮機起飛,根據(jù)對空中態(tài)勢的監(jiān)控和評估指導(dǎo),指揮空中作戰(zhàn)平臺起飛參與作戰(zhàn)任務(wù),并伴隨整個作戰(zhàn)活動過程。

協(xié)同階段,由于空中作戰(zhàn)節(jié)奏快,所以預(yù)警機在空中發(fā)揮指揮控制和作戰(zhàn)管理的作用,通過空中有人機和無人裝備之間規(guī)劃系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)共享和互操作,當(dāng)戰(zhàn)場態(tài)勢出現(xiàn)不確定因素或者突發(fā)情況時,預(yù)警機可以授權(quán)有人機進行決策,同時根據(jù)無人機的智能等級調(diào)整決策交互方式,實現(xiàn)多機空中配合和調(diào)度,發(fā)揮空中作戰(zhàn)能力。

控制階段,主要完成作戰(zhàn)任務(wù)的評估和再規(guī)劃決策。預(yù)警機在空中能夠得到實時的態(tài)勢信息和任務(wù)執(zhí)行反饋,通過空中監(jiān)視匯總上報地面指揮所,由地面任務(wù)規(guī)劃人員給出評估判斷任務(wù)是否完成,下發(fā)飛機返航指令,再匯總情報及戰(zhàn)術(shù)情況上報任務(wù)評估情況,進行作戰(zhàn)行動評估,判斷是否進行下一輪作戰(zhàn)職能循環(huán)。

3 結(jié)語

本文以作戰(zhàn)管理為理論基礎(chǔ),運用DoDAF體系結(jié)構(gòu)框架,建立有人-無人協(xié)同空中作戰(zhàn)的體系結(jié)構(gòu)模型。首先根據(jù)作戰(zhàn)管理層級、職能和要素的三維架構(gòu),建立“任務(wù)-能力”屬性映射和“能力-資源”的屬性映射;其次針對協(xié)同空中作戰(zhàn)特點和流程分析,構(gòu)建部分全景和作戰(zhàn)視圖模型,利用作戰(zhàn)管理概念分析戰(zhàn)斗過程,探究持續(xù)作戰(zhàn)內(nèi)核。構(gòu)建體系結(jié)構(gòu)框架有助于理順作戰(zhàn)活動實時需求和目標(biāo),更方便地統(tǒng)一作戰(zhàn)執(zhí)行人員的認(rèn)知,更高效地掌握作戰(zhàn)活動、能力和狀態(tài),為開展大規(guī)模、快節(jié)奏、高強度的高端戰(zhàn)爭提供輔助。