IDEF與UML相結合的作戰任務建模方法

張 杰，宋虹興，傅 勉，李苗苗

（解放軍炮兵學院，安徽 合肥 230031）

作戰任務建模是作戰模擬系統設計與實現的橋梁，作戰任務需求獲取與分析有著深厚的作戰知識和背景，僅僅依靠技術人員很難完成一個真正反映作戰和指揮人員要求的作戰需求，為了保證系統分析、設計及維護的一致性，需要軍事專家和開發人員共同參與建模。由于軍事專家和開發人員所涉及的專業不同，因此，應該根據實際情況選擇適當的建模語言。目前常用的建模語言包括基于結構化方法的 IDEF建模語言和基于面向對象方法的UML建模語言。IDEF建模語言使用簡單、易于理解，尤其適合于軍事領域專家在建模初期描述作戰任務，可以保證建模質量，缺點為可重用性差；UML建模語言全面體現了面向對象的設計思想，貫穿于系統開發的需求分析、設計、構造以及測試等各個階段，而使得系統的開發標準化，同時具有很強的重用性和擴充性，但用 UML建模語言建立的系統模型復雜，需要具有較高水平的開發人員才能理解。基于兩種建模語言各有適合于作戰任務建模的特點，本文提出采用IDEF和UML相結合的一種作戰任務建模方法。

1 作戰任務建模需求及方法分析

1.1 作戰任務建模需求分析

作戰任務建模是一個非常復雜的建模過程，首先根據在真實世界中，最高層兵力實體遂行的軍事使命，確定其對應的軍事使命。軍事使命是軍事活動的綜合描述，為軍事活動提供了一個上下文的背景，使命的實現是通過任務和任務的分解來完成的，即通過使命-任務-動作的三層分解結構來實現（圖 1）。在分解過程中，除了對具體作戰任務本身的刻畫，還需要把任務之間的關系描述清楚。作戰任務可用其屬性從多個側面進行描述，一般可將任務屬性分為任務名稱、執行實體、輸入信息、輸出信息、控制條件等。任務之間的關系包括邏輯關系和時序關系，邏輯關系體現下層作戰任務的完成情況對上層任務甚至于頂層復雜任務的影響，時序關系則說明各任務執行時間的先后及相互間在時間上是否有跨接[1]。

1.2 作戰任務建模方法分析

為了滿足作戰任務建模需求，作戰任務建模方法需要具備以下功能：

1）自上而下的作戰任務分解功能；

2）作戰任務本身屬性信息刻畫功能；

3）作戰任務之間邏輯和時序關系描述功能。

作為 IDEF家族中的兩種常用方法，IDEF0和IDEF3正好滿足以上作戰任務建模功能需求。IDEF0和IDEF3均采用自頂向下、逐層分解的方法建立復雜任務過程模型，十分適合于描述作戰任務的分解。其中，IDEF0方法主要描述系統的功能活動和聯系，利用簡單的語法和語義能同時表達作戰任務本身屬性信息，IDEF3是一種描述活動和過程流程的強有力的可視化建模工具，借助于類型多樣的交匯點可以清楚地描述作戰任務之間的邏輯和時序關系。因此，在建模初期階段主要由軍事專家描述作戰任務需求時，宜選擇簡單、易于操作和理解的IDEF0和IDEF3建模方法進行任務分解和描述；為了使建立的任務模型便于將來系統開發和重用，需要將IDEF0和IDEF3模型轉化為面向對象UML模型。具體步驟為：

1）軍事專家采用IDEF0和IDEF3描述作戰任務模型，開發人員輔助建模；

2）開發人員將IDEF0和IDEF3模型根據一定的轉化規則轉化為UML模型。

圖1 作戰任務分解結構圖

2 IDEF和UML相結合的作戰任務建模方法

2.1 基于IDEF0,IDEF3的作戰任務建模

2.1.1 IDEF0和IDEF3的使用時機

文獻[2]研究指出，IDEF0適合于對頂層和較高層抽象系統的描述，而IDEF3更適合于較底層具體過程邏輯時序關系的描述。因此，對于一個復雜作戰任務的分解，可以采用IDEF0建立頂層作戰任務模型，在向下分解過程中，可以根據分解層的特點選擇IDEF0或IDEF3建模：如果分解層描述的作戰任務強調信息連接，則選用IDEF0；如果分解層描述的作戰任務之間有很強的邏輯時序關系，則選用IDEF3。當然，如果頂層作戰任務強調的是邏輯關系，也可以從IDEF3開始建模。

2.1.2 IDEF0建立作戰任務模型

IDEF0方法主要是描述系統的功能活動和聯系，IDEF0中的基本模型是活動，在圖2中用一個方框表示。IDEF0模型中一個活動的輸入可分為三類：輸入、控制和機制。輸入、控制、輸出和機制共同稱為ICOMs[3]。IDEF0模型利用ICOMs能同時表達作戰任務（用活動表示）、作戰任務的輸入輸出信息（用輸入輸出表示）、作戰任務的執行實體（用機制表示）、作戰任務的控制條件（用控制表示），所以采用 IDEF0模型能全面地描述作戰任務屬性信息。IDEF0的作戰任務模型如圖2所示，表示對應于作戰任務的某一個或多個輸入，在控制條件和機制的作用下，產生一個或多個輸出。

圖2 IDEF0模型表示作戰任務信息

2.1.3 IDEF3建立作戰任務模型

IDEF3的特色就在于描述過程流，它借助于交匯點機制說明各過程分支的邏輯和時序關系。IDEF3提供了細化說明功能幫助建模者對具體作戰任務信息進行輔助說明，因此，可以在IDEF3模型中通過細化說明詳細描述作戰任務的屬性信息，對應于IDEF0中的ICOMs信息。同時，對于某些使用IDEF3圖元無法清楚表示的邏輯時序關系，也可以借助IDEF3提供的細化說明輔助表示。

1）邏輯關系

根據文獻[4]中歸納的7種基本作戰任務之間的邏輯關系，采用IDEF3提供的圖元可以準確地表達各種邏輯關系，具體映射關系如表1所示。

2）時序關系

設有作戰任務A與B，其起始時刻為SA和SB，終止時刻為TA和TB（TA＞SA，TB＞SB）。在任務執行過程中，各任務均遵循同一時間軸。根據這4 個時間點可總結出2個任務間可能存在的7種時序關系。根據文獻[5]中歸納的7種基本作戰任務之間的時序關系，采用IDEF3提供的圖元可以得到映射關系如表2所示。

表1 任務邏輯關系映射表

表2 任務時序關系映射表

2.2 IDEF0,IDEF3向UML模型轉換

UML是目前流行的軟件開發方法，它是一種面向對象的建模語言。UML提供了五類圖用于分析真實世界中的靜態對象關系、動態活動、時序關系。UML模型可用于系統研制的全過程，從需求分析到代碼實現具有很強的連續性，開發的系統具有很好的擴展性。當前介紹IDEF0、IDEF3向UML轉換的文獻有很多[6]，但均只是介紹了IDEF0、IDEF3和UML中各種圖形的對應關系，并沒有給出具體圖元轉化規則。而且，文獻所研究的建模問題大多為信息系統模型，和本文的作戰任務建模存在差異，在本文的作戰任務建模中并不涉及狀態圖，而且時序圖和協作圖之間可以互相轉換，因此，本文僅建立IDEF0、IDEF3向UML的用例圖、活動圖和時序圖的轉換規則，見表3。

表3 IDEF0,IDEF3與UML映射規則表

3 案例分析

下面以紅方對藍方實施海上軍事封鎖為例說明該建模方法。紅方作戰兵力為常規動力潛艇和偵察保障兵力。為確保藍方地區東北部海上交通線的安全，藍方海軍組成水面艦艇編隊進行巡邏護航，擔任對海面和水下警戒任務[7]。

從總體上看，潛艦對抗是一個封鎖和反封鎖的戰斗。限于篇幅，本文以藍方為例進行建模分析，首先由軍事專家采用操作簡單的IDEF0和IDEF3描述作戰任務模型，然后由開發人員將IDEF0和IDEF3模型根據一定的轉化規則轉化為 UML模型。藍方總體作戰使命為反封鎖，根據IDEF0和IDEF3的使用時機，首先使用IDEF0建立頂層反封鎖任務模型，如圖3所示。顯然，反封鎖作戰任務可以繼續分解，以更加詳細地描述反封鎖過程。因為反封鎖任務的下層子任務之間具有明顯的邏輯關系，故使用IDEF3建立相應模型，如圖4所示。藍方艦艇編隊的反封鎖策略，是在偵查監測的前提下，根據具體情況進行決策。其中，偵查監測、觀察敵情、執行警戒是動作，不再繼續分解，并使用不同于復合作戰任務的橢圓表示。而其中的“對潛艇攻擊任務”可以繼續分解，因為其強調信息交互，則使用IDEF0進行建模如圖5所示。最后，當所有作戰任務都分解完畢，使用映射規則將IDEF0和IDEF3模型轉換為相應的UML模型，如圖6-圖8所示。 這樣，通過操作簡單的IDEF建立作戰任務模型，方便了軍事專家之間的交流分析，提高了作戰任務分析的準確性。然后，在軍事人員達成一致認識的基礎上，將IDEF模型轉換為相應的UML模型，大大提高了模型的可重用性和擴展性。

圖3 藍方頂層作戰使命的IDEF0模型

圖4 反封鎖任務分解的IDEF3模型

圖5 對潛艇攻擊任務分解的IDEF0模型

圖6 頂層作戰任務的用例圖

圖7 反封鎖任務分解的活動圖

圖8 對潛艇攻擊任務分解的時序圖

4 結束語

本文深入研究了作戰任務的建模需求，在分析IDEF和UML兩種建模方法優缺點的基礎上，提出了采用二者相結合的作戰任務建模方法，并詳細介紹了該方法的建模過程。以潛艦對抗案例的作戰任務建模為例證明，采用IDEF和UML結合的建模方法可以清楚地描述作戰任務的分解和作戰任務之間的各種邏輯時序關系，具有較好的擴展性和重用性。

[1]張琦.使命空間功能描述理論和方法研究[D]. 長沙:國防科技大學研究生院, 2005.

[2]Hui Shen, Brian Wall. Integration of business modelling methods for enterprise information system analysis and user requirements gathering[J]. Computers in Industry.2003,33(1): 307-323.

[3]Zhang Meihua, Li Aiping. Integrated modelling and information mechanism of collaborative production information[C]. 2008 International Conference on Information Management, Innovation Management and Industrial Engineering. 2008: 67-70.

[4]李建軍,劉翔,等. 作戰任務高層本體描述及規劃[J].火力與指揮控制,2008,33(1):53-55.

[5]王文峰,黃卓,等.多階段復雜任務描述方法及其軟件實現[J].兵工自動化,2006,25(10):19-20.

[6]Cheol-Han Kim,R.H.Weston. The complementary use of IDEF and UML modelling approaches[J]. Computers in Industry.2003:35-56.

[7]何曉曄. 任務空間概念建模技術及其 VV&A研究[D].長沙:國防科技大學研究生院,2005.