基于體系結構建模的水面艦艇防空作戰流程設計

王書齊，馬　良，蘇　琦，吳　琦

(海軍大連艦艇學院 艦船指揮系, 遼寧 大連　116018)

基于體系結構建模的水面艦艇防空作戰流程設計

王書齊，馬良，蘇琦，吳琦

(海軍大連艦艇學院 艦船指揮系, 遼寧 大連116018)

摘要：針對水面艦艇防空作戰的緊迫性與復雜性的特點，依據美軍國防體系結構框架的通用標準，研究了基于體系結構建模的艦艇防空作戰流程設計方法。根據水面艦艇防空作戰任務要求和作戰過程，定制貼近用戶化需求的水面艦艇防空作戰流程，從軍事需求的角度出發，描述模型之間的導入導出模塊的接口關系，設計了基于平臺運行的防空作戰流程，給出了防空作戰流程的模型驗證方法。

關鍵詞：體系結構建模；防空作戰流程；設計方法

在現代海戰中，對付來空中威脅的飛機和反艦導彈是水面艦艇防空作戰的重點之一。因此，加強主要作戰對手作戰特點研究，制定合理的單艦作戰戰法及流程十分必要。由于條件限制，單艦防空反導研究不能直接進行試驗，仿真成為單艦防空作戰能力研究的主要方法[1]。基于作戰流程仿真平臺，可以為艦艇作戰提供一套試驗方法與評估手段，能全面評估可變化的艦艇作戰系統、作戰流程以及新技術發展對單艦作戰任務能力的影響。通過仿真實驗，完成艦船作戰流程優化及艦船人員的訓練與評估。

利用仿真平臺，針對假想敵的典型對海作戰的方式作出想定，根據我方典型艦艇的作戰使用模式，制定不同作戰流程的作戰方案，對不同作戰方案進行仿真實現，選擇作戰效能最好的作戰方案，這對于提高我水面艦艇作戰訓練水平，充分發揮水面艦艇體系的防空效能有著重要的意義。

1體系結構建模的設計與開發

利用體系建模工具開發單艦防空的作戰體系模型，通過體系模型規劃模型及其接口信息，用于指導后續仿真模型的開發。體系結構定義了系統各部件的結構、它們之間的關系以及制約它們設計和隨時間演化的原則和指南[2]。

隨著艦船武器裝備系統復雜性的不斷提高，增加了人們理解的難度，不同職責的人員均可以把體系結構作為理解系統的基礎，就有關問題相互交流、溝通，形成統一認識。體系結構在武器裝備體系論證中的主要用途如下：

1) 體系結構可作為總體規劃人員、系統設計人員、模型開發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；

2) 體系結構可以提供系統設計者開發詳細設計的依據，制定詳盡的系統設計規范，及早發現并解決可能出現的問題，防止問題出現在后續仿真開發及使用階段；

3) 體系結構描述了仿真模型之間的信息傳遞關系，模型開發人員必須以體系結構為依據進行開發，不同模型的開發人員只需知道自己所負責模型的約束，可以分離不同人員的工作重點。

1.1　體系結構建模的方法描述

按照美軍DODAF國防設計標準，體系結構產品如表1所示[3]。

表1　體系結構產品的模型分類及描述

續表

模型描述SV-6系統資源流矩陣提供在系統間被交換的系統資源流元素的細節和交換的屬性SV-7系統指標矩陣針對合適時間框架的系統模型元素的度量(公制)SV-8系統演化描述從一套系統向另一套更高效系統遷移的已規劃步驟,或是當前系統向未來系統演變的已計劃步驟SV-9系統技術和技能預測在一組時間框架預期投入實用以及將影響未來系統開發的新興技術,軟件/硬件產品和技能SV-10a系統規則模型描述系統功能的三個模型之它標識了由于系統設計和實現方面原因作用于系統功能設計和實現的約束SV-10b系統狀態轉移描述描述系統功能的三個模型之一,它標識了系統對事件的響應SV-lOc系統事件跟蹤描述描述系統功能的三個模型之一,它以精練的序列方式標識了特定系統在作戰視點中描述的事件DIV-1概念數據模型所需高層數據概念以及它們之間的關系DIV-2邏輯數據模型數據需求和結構化業務過程(活動)規則的文檔DIV-3物理數據模型邏輯數據模型實體的物理實現格式,例如,消息格式、文件結構、物理模式等

根據國防設計標準，體系結構建模的總體設計方法如下：

1) 首先構建AV-1描述項目總體信息，根據AV-1開發CV-1描述作戰能力需求，開發OV-1描述典型作戰場景、開發OV-4描述作戰中需要的人員配置關系；

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

3) 根據OV-1，開發OV-2描述作戰節點，開發OV-5描述作戰活動，并自動生成OV-3檢查作戰數據流關系。開發DIV-2描述作戰中數據信息，通過OV-5和CV-2自動生成CV-6，描述作戰活動承載的能力；對于重點作戰活動或節點，可以選擇OV-6 3個視圖進行補充描述。

4) 作戰視圖OV描述作戰活動，并不描述具體的仿真組成結構，具體的仿真模型及模型關系，數據流通過系統視圖SV描述，開發SV-4描述系統功能，開發SV-1描述系統組成，并生成SV-5檢查仿真系統是否完全滿足作戰需求。開發DIV-3描述系統交互數據，并生成SV-6檢查系統數據流關系。對于重要模型或流程，可以開發SV-10 3個視圖用于補充描述；

5) 在仿真前，通過CV-2、CV-4、OV-2的指導，完成效能評估指標體系的構建，包括層次結構及權重信息；

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

7) 通過分析CV-5、OV-5、SV-4可以通過不同的作戰活動實現需要的能力，再通過改變系統功能以實現不同的作戰活動，由于系統功能對應的是仿真組件功能，即實現了通過仿真達到優化作戰活動的目的；

8) 通過自動生成的矩陣OV-3、SV-3、SV-6，可以分析作戰和系統的資源信息流向，用以優化作戰流程，提高艦船裝備作戰效率。

1.2　體系結構產品的接口描述

體系結構產品的接口描述體現了與外部良好模型交互，其產品的接口描述的如圖1所示。

圖1　體系結構建模接口描述

利用體系結構建模軟件開發的體系結構，可導出Word、PPT、網頁格式的報告，利用辦公軟件查看；可將體系結構中與仿真相關的部分，導出成XML文件，供體系結構導出模塊接收、識別和使用。

1.3　體系結構的模型組合描述

體系模型導入建模工具后，包括作戰流程模型的輸入接口、輸出接口、監聽事件和產生事件，可直接生成C++代碼框架，調用作戰流程模型庫中的組件。對于作戰流程復合組件，與原子組件一樣，也需要定義輸入接口、輸出接口、監聽事件、產生事件。不需要生成代碼框架，將原子組件拖進復合組件，通過連接和映射的方式，將復合組件的接口與原子組件的接口連接，復合組件自動擁有了相應多個原子組件的功能[4]。

模型組合軟件完成把原子組件組裝成復合組件的工作。

圖2中共有5個模型，左側威脅判斷、輔助決策、防空導彈火控組成臺位1，電子戰、艦炮火力組成臺位2，仿真后會統計臺位1與臺位2的各項參數，如時間、信息量，整體操作時間等，進行效能評估。右側威脅判斷、輔助決策、電子戰組成臺位1，防空導彈火控、艦炮火控組成臺位2，仿真后統計同樣的參數進行效能評估，對比不同臺位組合的效能，得出臺位布置的最優化組合并生成作戰流程模型。

圖2　體系結構的模型組合

1.4　體系結構的模型驗證與仿真描述

體系模型組合后需要進行模塊導入和導出，在體系結構導出模塊導出的仿真模型中，可以進行修改和完善，其導入導出過程如圖3所示[5]。

組件有屬性、輸入接口、輸出接口、監聽事件和產生事件5個對外接口。名稱符合C++的命名規范，數據類型支持 C++ 標準數據類型，也支持列表、枚舉、結構體等用戶自定義數據類型[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仿真步長周期性發送和接收的數據稱，如機動模型向指控模型發布自身位置信息。監聽事件和產生事件不是周期性發送，而是隨事件變化接收和發送數據，如指控模型下達作戰指令、艦船發射艦空導彈等等。設計完成后，可加載基礎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　體系結構模型導入導出模塊

2防空作戰流程的軍事需求設計與開發

水面艦艇防空作戰流程的軍事需求設計應根據水面艦艇防空的作戰流程，從執行任務的起始時刻描述作戰行動，根據作戰行動所完成的動作設計相應的作戰模型，其作戰流程所需的模型如圖4所示。

圖4　水面艦艇防空作戰流程設計模型

根據水面艦艇防空作戰流程中的模型交互規則，建立相應的水面艦艇防空作戰模型庫，并對模型庫進行規范設計，軍事需求人員提供模型庫中子模型的輸入輸出需求，給工程設計人員提供明確的設計要求[7]。

3防空作戰流程的仿真驗證

平臺運行基于高層體系結構(HLA)，實現分布式部署，運行過程中部署情況如圖5所示。

平臺運行包括基礎模型臺位、作戰使用模型臺位、仿真導控臺位、艙內顯示臺位及仿真場景顯示臺位。基礎模型臺位用于運行目標、機動、武器、探測等基礎模型；作戰使用模型臺位在仿真前將原子組件組合成復合組件，仿真過程中調用運行；仿真導控臺位在仿真前用于開發仿真想定、實樣樣本等，仿真過程中進行導調控制及數據記錄；艙內三維顯示臺位在仿真中顯示艦船艙內三維場景；仿真場景顯示臺位在仿真中顯示大環境中的單艦作戰外部場景。平臺使用流程驗證如圖6所示。

圖5　基于平臺運行的防空作戰流程

圖6　平臺使用流程驗證

根據平臺使用流程驗證過程，其實現步驟如下：

步驟1：利用體系結構建模工具，開發單艦作戰的體系結構模型，滿足DODAF體系結構框架；

步驟2：依據體系結構模型，利用體系結構導出工具，將體系結構中與仿真相關的元素導出成仿真模型；

步驟3：根據導出的仿真模型，在基礎模型庫中選擇偵察、平臺、武控、武器等模型；

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

步驟5：構建仿真想定，在二/三維場景中部署相應兵力，與仿真模型關聯；

步驟6：部署仿真想定，運行仿真，在仿真過程中進行相應控制，記錄仿真數據，分析仿真效能；

步驟7：根據仿真效能，選出效能最佳的仿真方案，開發艙內可視化模型，進行艙內可視化顯示；

步驟8：根據艙內可視化顯示結果，分析此方案是否可行，如果可行，進入下一環節，如果不可行，返回修改，進行效能仿真；

步驟9：對于可行方案，開發人機交互界面，進行人機交互仿真，得出仿真結果，分析結果是否滿足需求，如果不滿足，繼續進行人機交互仿真，如果滿足，得出結論，即最優化的作戰流程方案。

利用體系結構導出模塊，通過識別仿真數據、編輯數據等手段，將單艦作戰的體系模型數據導出并生成仿真平臺中的仿真模型框架，分別用它們對模型庫中的各個對應模型進行封裝，生成可供仿真使用的原子組件。利用模型組合工具對作戰流程模型進行組合，形成作戰流程復合組件，分析不同組合方式下作戰效能的優劣，再根據作戰效能得出可行的作戰流程組合方式。對可行的作戰流程組合方式，開發艙內可視化顯示場景，進行艙內可視化顯示驗證，開發真實的操作界面，人在回路進行控制，進一步驗證其可行性，最后得出真正可行的作戰流程組合方式。

4結束語

基于體系結構建模的水面艦艇防空作戰流程設計可以從系統的頂層設計出發，避免了不合理決策帶來的設計風險，滿足了用戶的設計需求。通過體系結構建模方法進行層次化統一設計可以很好地滿足系統功能顆粒度不統一的需求，從而大大改進了系統的操作效率。

參考文獻：

[1]莊嚴，張志祥，孔捷.高層體系結構與多智能體仿真集成研究[J].計算機仿真，2007，24(4)：95-99.

[2]尹全軍，杜湘瑜，張琦,等.基于HLA的智能Agent仿真環境研究[J].系統仿真學報,2005,17(4)：875-878.

[3]李龍躍,劉付顯.DODAF視圖下的反導作戰軍事概念建模與仿真系統設計[J].指揮控制與仿真,2012,34(5):76-79.

[4]劉忠，楊磊，黃金才,等.面向CGF對象的仿真建模方法[J].計算機工程，2007，33(15)：101-105.

[5]Sarit Kraus．Negotiation and cooperation in mulfi-ageat environments[J]．Artificial Intelligence,1997：79-97.

[6]徐忠富,王國良,姜芳.UML 在電子戰仿真建模中的應用研究[J].指揮控制與仿真,2009,31(5):73-77.

[7]陸波,華耀祖.應用 UML 進行反輻射導彈對抗仿真建模[J].計算機仿真,2003,20(12):17-18.

(責任編輯周江川)

收稿日期：2015-02-20

作者簡介：王書齊(1961—)，男，教授，碩士生導師，主要從事海軍兵種戰術研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.001

中圖分類號：E919

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0707(2015)07-0001-05

本文引用格式：王書齊，馬良，蘇琦，等.基于體系結構建模的水面艦艇防空作戰流程設計[J].四川兵工學報，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

______________________

【裝備理論與裝備技術】