飛機檢查單的OPM軍事概念模型

劉志琦 曹 江

1.軍事科學院戰爭研究院 北京 100091

研究智能化戰爭,促進相關技術集成落地需要軍事理論與軍事技術融合,即理技融合. 軍事概念模型就是融合的橋梁,有利于軍事人員與技術人員互相溝通. 按照2011 版軍語之定義,軍事概念模型是對軍事事物、行為及關系等,用文字、表格、圖形等進行抽象描述的作戰模擬模型,是對軍事問題的第一次抽象,主要用于數學建模與軟件建模.

軍事概念模型按照不同開發目的各有側重. 不少文獻中的軍事概念模型以裝備發展和論證為目的,突出新裝備在作戰體系中的定位和作用,支撐頂層設計[1-4]；一些文獻中的軍事概念模型以建模、仿真、推演為目的,支撐作戰構想、輔助決策等[5-7]. 上述文獻的軍事概念模型描述的作戰活動往往側重裝備功能,而條令、條例、規程等規則對作戰活動的約束并不明顯.

軍事概念模型開發有多種規范化語言或架構框架可選. 其中,多視圖的系統建模語言（systems modeling language,SysML）,統一建模語言（unified model ing language,UML）[8]、美國國防部體系架構框架（DOD architecture framework,DoDAF）[9]等得到廣泛運用,而2002年提出的單一視圖的OPM[10]在軍事概念模型開發實踐中成果相對有限. OPM 比多視圖方法或架構框架更容易保持模型一致性,并且能夠轉換為DoDAF 作戰視圖各模型,有利于提高軍事概念模型開發效率[11].

在諸多軍事場景中,規則對作戰活動影響明顯.例如地勤維護飛機必須遵循航空工程條例（條令）和飛機維護規程等；空勤使用飛機必須遵循飛行員駕駛守則等；近距空中支援實施過程中,飛行員必須按照規定與聯合末端攻擊控制員完成通信和相關操作.目前已有的大部分軍事概念模型通常從宏觀角度建模,比較注重軍事概念模型的完整性,但容易忽視規則對作戰活動的影響. 在縮短殺傷鏈閉合時間的作戰實驗探索中,集成了一系列人工智能技術. 為了使這些技術運用更貼近軍事場景,在開發軍事概念模型時就需要側重作戰規則.

飛機維護規程、飛行員駕駛守則等規則通常與裝備相關. 之前的工作[12]以近距空中支援舉例,建立的OPM 軍事概念模型側重信息和作戰活動的關系,體現了美軍近距空中支援條令對作戰活動的約束,但對飛行員操縱飛機的過程和邏輯體現不足. 本文以美軍F-16C 飛機檢查單[13]為依據,建立并驗證飛行前檢查的軍事概念模型,改進已有工作的不足,豐富OPM 軍事概念模型的開發實踐成果,使先進技術的運用更符合作戰規則.

1 飛機檢查單及座艙設備

飛機維護和使用的具體操作依據是飛機維護規程、飛行員駕駛守則（飛機手冊、飛機檢查單）等文檔中的檢查程序. 在查閱多型飛機的相關文檔后發現,檢查程序的描述方式高度類似,因此,可以將F-16C 飛機檢查單作為典型案例. 它包含常規程序、熟悉程序、性能數據、應急程序和空中加油程序.常規程序中由飛行前、開車前、開車、開車后、滑行前、滑行、起飛前、起飛、下降/著陸前、著陸后、關車前、關車等檢查程序組成. 本文選擇常規程序中部分檢查程序為例,開發軍事概念模型. 檢查程序與飛機座艙設備相關,因此,還需要F-16C 飛機手冊[14]作為支撐.

飛行前的部分檢查程序摘錄如下所示,其中,開車后檢查測試面板的程序中,中文翻譯還參考了飛機手冊,補充了檢查程序.檢查程序的結構通常不超過3 個層次,1）檢查程序的時機,例如座艙內部檢查、開車前、開車等；2）座艙的部分或面板,例如左控制臺、測試面板等；3）座艙的面板或開關、旋鈕、手柄等,例如測試面板、火控雷達開關、備用起落架手柄等.

F-16C 飛機飛行前檢查程序摘錄座艙內部檢查左控制臺1. 皮托管加熱開關在關閉位置.……左輔助控制臺1. 備用起落架手柄在插入位置.……儀表板1. 滾轉開關在姿態保持位置.……右輔助控制臺1. 時鐘設置好.……右控制臺1. 傳感器電源開關全部在關閉位置.……座艙內部檢查后1. 主燃油開關在主位置.……開車前

1. 主電源開關在電池位置.……開車1. 噴氣燃料啟動機開關在啟動2 位置.……開車后1. 檢查測試面板.a. 皮托管加熱熄滅.b. 皮托管加熱開關在加熱位置,確認皮托管過熱告警燈開關在測試位置,確認皮托管過熱告警燈亮起.c. 皮托管加熱開關在關閉位置,確認皮托管告警燈熄滅.d. 按下火警與過熱測試按鈕,確認火警與過熱告警燈亮起,然后松開測試按鈕.e. 按下故障與艙內燈光測試按鈕,確認艙內所有燈光亮起,然后松開測試按鈕.2. 設置航電電源面板a. 主任務計算機開關在開位置.b. 掛點電源開關在開位置.c. 多功能顯示器開關在開位置.d. 前上方控制器開關在開位置.e. 全球定位系統開關在開位置……滑行前……

上述檢查程序與F-16C 飛機手冊規定的座艙設備相關. F-16C 飛機座艙從左到右依次為左控制臺、左輔助控制臺、儀表板、右輔助控制臺和右控制臺5個區域,每個區域包含若干面板、開關、手柄等,例如左控制臺包含檢測開關面板、飛行控制面板、手動配平面板等. 面板上包含各種開關、旋鈕、按鈕等.例如圖1（a）顯示了F-16C 左控制臺的測試面板,包含火警與過熱測試按鈕、氧氣量測試開關、故障與艙內燈光測試按鈕、皮托管加熱開關等. 圖1（b）顯示了右輔助控制臺的注意燈面板,包含了飛控故障、發動機故障、過熱等注意燈. 圖1（c）顯示了右控制臺的航電電源面板,包含主任務計算機開關、掛點電源開關、多功能顯示器開關、前上方控制器開關、全球定位系統開關、慣導旋鈕等.

圖1 F-16C 飛機座艙的部分面板Fig.1 Partial cockpit panel of F-16C aircraft

2 檢查程序的OPM 元模型

圍繞規則對作戰活動的約束這一側重點開發檢查程序的OPM 軍事概念模型,需要建立元模型. 出于簡潔考慮,本文使用OPCAT 4.2[15]建模并驗證后,將模型按照OPM 語言使用VISIO 重新繪制. 由于檢查程序描述方式高度類似,節選“開車后檢查測試面板”建立元模型,具體步驟如下：

第1 步,建立對象、過程和狀態的概念.“開車后”是指開車后的檢查程序,與“檢查測試面板”均屬于過程,“測試面板”是物理對象.“a.皮托管加熱開關在加熱位置,確認皮托管過熱告警燈熄滅. ”中的皮托管加熱開關是物理對象,圖1（a）顯示它有加熱、測試和關3 個狀態,而皮托管過熱告警燈位于右輔助控制臺的注意燈面板,它有亮和滅兩個狀態. 該檢查項也是一個將皮托管加熱開關撥到加熱位置的過程.

第2 步,建立對象、過程和狀態之間的聯系,過程讓對象達到狀態或過程改變狀態是一種合理的描述. 例如,“將皮托管加熱開關撥到加熱位置”這一過程使“皮托管加熱開關”這一物理對象位于“加熱位置”的狀態,且“皮托管過熱告警燈”這一對象處于“滅”的狀態.

第3 步,建立連貫的過程,信息驅動過程是一種合理的解釋. 信息未必存在于每一步檢查程序,但一定存在于飛行員的認知中. 只有飛行員認為完成上一步的檢查程序,才會執行下一步. 例如,在檢查測試面板的所有過程中,都會有相應燈光亮或滅,這既可以解釋為對象狀態的變化,也可以解釋為信息. F-16C 飛機不僅有各種燈光,在儀表板上還有平視顯示器和多功能顯示器與飛行員交互,提供飛機姿態、武器參數、戰場態勢等信息,這里對象的狀態和描述對象狀態的信息之間是一致的,存在于飛行員認知中的信息主要是用來驅動執行下一步活動.

第4 步,建立對象之間、過程之間關系. 對象之間的關系由F-16C 飛機手冊規定. 按照本文開發軍事概念模型的側重點,只需要建立座艙設備之間的組成關系,而無需建立座艙設備與飛機具體系統的關系. 例如本文僅需建立皮托管加熱開關與測試面板之間的組成關系,而無需關注該開關與過熱注意燈、皮托管之間的關系. 過程之間的關系由檢查程序規定,主要是層次關系. 例如開車后檢查包括檢查測試面板、設置航電電源面板等過程.

按照第1-4 步,結合OPM 逐層細化的思路,F-16C 飛機飛行前檢查程序的元模型可以分為如圖2所示的兩層. 上層元模型可以概括為“人員操縱設備執行過程,產生信息”. 在上層元模型的過程內部為下層元模型,概括為“信息驅動過程,過程改變狀態”.注意下層元模型中,座艙設備處于檢查程序的外部,這是因為同樣的座艙設備也會出現在其他過程中.例如座艙內部檢查時,測試面板上的皮托管加熱開關位于關的位置,在開車后,該開關又分別位于加熱、測試和關的位置.

圖2 飛行檢查的OPM 元模型Fig.2 The OPM meta-model of flight check procedure

3 檢查程序的OPM 模型

在元模型的基礎上建立檢查程序的OPM 軍事概念模型步驟如下.

第1 步,建立頂層模型. 如圖3 所示,頂層模型可以表述為飛行員操縱F-16C 飛機座艙設備,執行飛行前檢查,產生完成檢查的信息.

第2 步,逐層細化F-16C 飛機座艙設備模型. F-16C 飛機座艙設備包括左控制臺、左輔助控制臺、儀表板、右輔助控制臺、右控制臺5 個物理對象,這是物理對象第二層,如圖4（a）所示. 以右控制臺舉例,細化后它包括傳感器電源面板、平顯控制面板、航電電源面板等,這是物理對象第3 層,如圖4（b）所示.以傳感器電源面板舉例,細化后它包括左掛點開關、右掛點開關、雷達高度計開關、火控雷達開關,這是物理對象第4 層. 以雷達高度計開關舉例,它是一個三位開關,即有關、待機、雷達高度3 個狀態,物理對象第4 層如圖4（c）所示.

第3 步,逐步細化飛行前檢查過程并建立聯系.按照檢查程序,飛行前檢查包括座艙內部檢查、開車前檢查、開車、開車后檢查、滑行前檢查等過程組成,這是第2 層. 這些檢查均需要細化,所以無需在這一層說明座艙設備狀態的變化,每完成一個檢查程序,就會產生對應的信息,驅動下一步檢查程序,這個信息存在于飛行員認知中,可以不需要,過程第2 層如圖5（a）所示. 以開車后檢查舉例,它包括檢查測試面板、檢查航電電源面板、慣導尋北等過程,這是第3 層. 這些過程中有的無需細化,例如慣導尋北的過程將慣導旋鈕的狀態由關改變為常規校準,過程第3 層如圖5（b）所示. 第3 層有些過程需要繼續細化,例如檢查測試面板和啟動航電設備,那么按照過程第2 層處理,它們的細化過程分別如圖5（c）和圖5（d）所示,注意圖5（c）將飛行員觀察到的燈光亮和滅作為信息,驅動下一步程序,當然這里也可以建立“皮托管過熱注意燈”的物理對象,擁有“亮”和“滅”兩個狀態,“將皮托管加熱開關撥到測試位置”這一過程與“亮”的狀態連接. 如果這樣處理,就需要逐一建立座艙所有燈光的物理對象及其所屬狀態,因為“按下故障與艙內燈光測試按鈕”這一過程將點亮座艙內所有燈光. 如果采用信息,那么飛行員只需要掃視座艙,確認所有燈光點亮,在認知中生成“艙內所有燈光亮起”的信息. 這樣處理有助于讓本文更加易讀. 作為對比,圖5（d）中“啟動航電設備”這一過程會分別將“主任務計算機開關”、“掛點電源開關”、“多功能顯示器開關”等物理對象的狀態更改為“開”,驅動過程的信息并不必要. 因此,在建立過程與狀態、信息之間的聯系時并無定論,有一定的靈活性.

圖5 F-16C 飛行檢查程序OPM 模型示例Fig.5 An example of OPM model of F-16C flight procedure

第4 步,驗證模型. 一方面,利用OPCAT 4.2 的推演功能,可以觀察整個軍事概念模型的活動、信息、狀態之間的轉換,通過推演、修改、再推演迭代,確保模型合理正確. 另一方面,利用數字戰斗模擬世界F-16C 模組這一桌面模擬飛行軟件,同座艙設備交互,可以直觀了解和體驗飛行前檢查程序,為建模提供支撐.

與已有的多種軍事概念模型相比,飛行員依照檢查單執行飛行前檢查程序是一個小場景,參與的對象僅有F-16C 飛機和飛行員. 它也是一個特殊的場景,以規則對作戰活動的約束為側重點,其OPM軍事概念模型突出檢查程序這一活動與座艙設備狀態之間的關系. 對這類場景建立軍事概念模型,豐富了OPM 軍事概念模型開發實踐案例,在人工智能技術集成運用的作戰實驗探索中,起到使技術運用更符合作戰規則的作用.

4 結論

軍事概念模型是理技融合的橋梁,在縮短殺傷鏈閉合時間的作戰實驗探索中,為了使集成技術的運用更加貼近作戰場景,需要重視規則對作戰活動的約束. F-16C 飛機檢查單作為其作戰運用的規則之一,被當作為案例開發OPM 軍事概念模型.

本文分析了檢查程序和座艙設備,提出“人員操縱設備執行過程,產生信息”和“信息驅動過程、過程改變狀態”兩層元模型.

在元模型基礎上建立并驗證了檢查程序的軍事概念模型. 其中,座艙設備的模型僅需關注組成關系,用于驅動不同檢查程序的信息則可以根據實際取舍,通過推演功能使模型合理,而在模擬飛行軟件中能夠直觀體驗檢查程序,支撐模型開發.

建立飛機檢查單的OPM 軍事概念模型以規則對作戰活動的約束為側重點,突出活動和狀態的關系,與其他軍事概念模型相比,是一個具體而特殊的小場景,豐富了OPM 軍事概念模型開發實踐案例,能使先進技術集成運用更符合作戰規則.