空中突击部队装备体系作战任务建模方法研究

王宏宇，来国军，魏艳艳，王晓卫

（1.装甲兵工程学院，北京　100072；2.陆军航空兵学院，北京　101123）



空中突击部队装备体系作战任务建模方法研究

王宏宇1，2，来国军2，魏艳艳2，王晓卫2

（1.装甲兵工程学院，北京100072；2.陆军航空兵学院，北京101123）

摘要：空中突击部队是由多装备系统组成的装备体系，在执行任务过程中体现多阶段多任务的特点。基于DoDAF体系框架，结合美军空中突击部队装备体系作战任务展开研究。首先，通过作战任务的形式化描述，建立了装备体系作战任务的四元组描述模型；其次，在DoDAF体系框架下，提出建立空中突击部队装备体系作战任务的静态模型和动态模型；最后通过仿真方法对动态模型进行验证，证明了该模型的可信性。

关键词：空中突击部队，装备体系，任务建模，仿真

0　引言

空中突击部队，是指以陆军航空兵为骨干，运用航空火力进行空战或支援地面作战，以及运用直升机搭载陆军其他兵种部队实施机降作战或勤务支援的陆军合成部队［1］。以直升机为主要机动力量的空中突击部队，能够很好地克服地形障碍，实施中远程精确快速力量投送，最大限度地争得先机和主动。

空中突击部队是由多装备系统组成的装备体系，其装备完成战斗任务属于体系任务建模问题。与传统的体系作战任务相比，空中突击部队作战任务出现了许多新的特征，最主要表现在：空中突击部队在执行任务过程中包括多个阶段（如装载、机降、返航），同时每个任务阶段所涉及的装备也各不相同。如何在不同阶段将武器装备体系内的各装备有效协同、配合，使其任务成功性达到最大，是建立空中突击部队任务模型的关键。目前，对于任务的研究已经有很多可行的技术与仿真方法，如基于UML和基于IDEF的任务建模方法［2 - 3］、基于Petri网的任务建模与仿真方法［4］等。但是这些方法大多根据单个装备任务剖面对装备系统的任务进行分析，还无法解决装备体系内多阶段、多样化的任务模型。本文结合美军空中突击部队装备体系典型作战任务，基于美军国防部体系结构框架DoDAF（Department of Defense Architecture Framework，DoDAF）对空中突击部队装备体系任务建模进行研究。

1　作战任务形式化描述

作战任务的形式化描述属于概念建模的研究领域，国内外军事专家在概念建模和任务空间概念建模上取得了一定的研究成果［5-6］。

目前关于作战任务的概念可以定义［7］为：在一定的战场环境和时空约束下，作战单元为完成所承担的责任或达到特定的作战目的，而进行的一系列相互关联的作战行动的有序集合。武器装备体系为完成不同任务时会有多个任务活动，不同装备任务活动可能会是同时进行，也可能是交替进行。因此，要建立装备体系的任务模型，必须对装备体系内的任务活动进行形式化描述，得到作战想定的任务活动时序逻辑关系，并最终建立起一组规范化描述装备体系任务的视图产品。

作战任务形式化描述主要包括以下几个方面：

（1）作战目的：通过任务的执行以达到某种预期的状态，是对目标对象状态改变的一种函数关系判断。

（2）作战实体：指执行任务的作战单元以及任务作用的对象。

（3）作战行动：在特定战场环境下的不可分或不必要再分的基本战斗行为。

（4）作战关系：是指作战活动之间逻辑关系。作战行动在实施时存在一定的逻辑关系，如顺序关系（SeqR）、与关系（AndR）、或关系（OrR）、并发关系（ConcR）等。

针对以上分析，可将作战任务的形式化描述概括为4个方面的信息：任务目标描述、任务资源描述、任务活动描述以及活动关系描述，具体定义如表1所示：

表1　装备体系任务形式化描述

对于装备体系内的作战任务，均可以通过上述4类描述方式进行描述，因此，可以将上述描述方式通过四元组［8］来统一概括：OT=＜TO，TB，TA，TR＞

其中，TO=｛TO1，TO2，…，TOn｝，表示作战任务的目标集合，包含了最高层次的任务和子任务集合；TB=｛TB1，TB2，…，TBn｝，表示作战任务装备集合；TA= ｛TA1，TA2，…，TAn｝，表示作战任务的活动集合，包含各类分解任务；TR=｛TR1，TR2，…，TRn｝，表示作战任务时序关系的集合。

2　装备体系任务模型构建

目前，广泛采用体系结构框架作为装备体系的模型描述，DoDAF［9］体系框架是当今应用最为广泛和最为成熟的体系结构框架。目前最新的版本为DoDAF 2.0版本，该版本一共提出了7个视图共52个产品对体系结构进行描述。DoDAF架构框架各种视图之间的关系如图1所示。通过对作战视图、能力视图、系统视图等一系列产品的定义，实现了从作战领域到能力领域再到装备领域的有效转换。

图1　DoDAF架构框架视图关系图

可见，通过对选取合适的视图产品就可以对装备体系作战任务进行规范化描述，在描述过程中，不仅需要描述完成使命的作战任务序列及其关系，还要描述执行任务需要什么作战节点，履行哪些作战活动，有哪些信息需求等。针对以上描述要求，建立起基于DODAF的装备体系任务模型可总结为4个步骤。

步骤1：建立作战概念描述模型。

作战概念描述模型根据作战概念分析使命任务，并确定作战样式，然后以文本、图形和图像的方式描述装备体系作战样式、战场环境和作战任务等，以便于指挥人员和技术人员之间的交流。高级作战概念图（OV-1）的主要用途就是通过直观、形象的描述，给设计人员以直观、形象的信息。针对空中突击部队机降突击这一典型任务，通过作战环境及主要能力分析，高级作战概念图OV-1如下页图2所示。

步骤2：装备体系编制分析与建立组织关系模型。

图2　空中突击部队高级作战概念图

组织是指具有一定使命的行政管理机构。组织具有极广的含义，包括军事组织部队、作战设施，甚至政府。组织关系是指用来体现组织内部结构或者组织之间关系的连线，表示组织之间的隶属关系，或者指控关系以及协调等。组织关系图（OV-4）描述了在体系结构中起关键作用的组织或资源，其可通过树形结构图表示。

步骤3：作战节点连接关系模型与作战信息交换模型的建立。

一个作战节点是一个产生、使用、处理信息的作战体系结构的元素，它是作战任务的实施者，也是作战活动的完成者。作战节点的组成在体系结构中是多样化的，但并不限于表示一个作战/人员角色或组织类型。作战阶段连接描述中的信息说明了各作战节点之间如何交互，以及完成它们的作战活动。利用任务节点图（OV-2）和任务信息交换矩阵（OV-3）来描述作战资源的集合以及集合内元素间的信息交换。空中突击部队作为大装备体系，其内部可有多个装备节点构成，具体可分为基地指控节点、前线指控节点、综合保障节点、侦查情报节点、机动运输节点和火力攻击节点，节点间可以通过接口进行数据交互。

步骤4：任务分解与作战活动模型的建立。

作战体系是为完成一定的作战任务而由各武器系统组成的，作战任务决定了作战体系的构成和运行，是构建作战体系的依据。对作战任务进行分解，将抽象的、宏观的作战任务分解成具体的作战实体的作战任务，基本作战任务经过逐级分解形成不同层次的任务，各层次的任务由作战体系通过相应的作战活动来完成。在建模过程中，可以利用任务活动关系图（OV-5）来描述完成使命过程中进行的作战活动以及它们之间的信息流关系，利用任务事件跟踪描述图（OV-6c）来描述任务活动之间的时序信息。空中突击部队作战活动关系图如图3所示，图中各方框表示作战活动，每个泳道表示一个作战节点，不同作战节点之间的交互采用信息交互表示。

图3　空中突击部队作战活动关系图

时序关系图如图4所示，图中顶端上的对象是作战节点，每个节点有一个与其相关的生命线，生命线上的长条表示事件持续的时间，事件之间的单向箭头代表消息。

图4　空中突击部队作战事件跟踪描述图

根据装备体系任务的形式化描述，装备体系内作战任务可以通过任务目标、任务资源、任务活动和活动间关系四元组来描述。根据以上分析结构，可以在DoDAF框架中选取适当产品与作战任务需求相对应，任务描述的产品如表2所示。在这些产品中，OV-2、OV-3、OV-4和OV-5组成的产品集，用于构建装备体系任务静态模型；OV-5和OV-6c组成的产品，用于构建装备体系任务的动态模型。

表2　任务描述的DoDAF产品

3　装备体系任务动态模型建模与仿真

建立装备体系静态模型能全面描述装备体系任务的目标信息、资源信息和活动信息，是建模的基础。关于装备体系任务的静态模型，文献［9］和文献［10］中已经详细介绍过，本章主要研究利用IDEF3（Integrated Computer Aided Manufacturing DEFinition method 3）的方法建立装备体系任务动态模型。IDEF3［12］建模方法的核心是通过过程流网PFN（process flow network）来获取对过程的准确描述，显示手段就是过程流图。其基本元素包括：行为单元（UOB，Units of Behavior），交汇点（junction）和连接（link）。在建模过程中，要充分利用DoDAF体系框架下的作战视角产品。首先根据OV-5b建立起装备体系内的活动任务及任务间的层次关系，在根据OV-6c作战事件跟踪描述图描述作战事件之间的时序关系利用IDEF3进行建模，最后利用仿真软件对建模过程进行仿真分析。

通过静态模型分析基础，想定空中突击部队机降突袭这一任务，同时将任务分解为4个子任务：集结、转场、机降和突袭。根据装备体系任务的形式化描述结果，针对任务目标、任务资源、任务活动和活动间关系这4方面对空中突击部队装备体系进行分析。

（1）任务目标描述。对于空中突击部队机降突击典型任务，其想定任务目标是由4个子任务构成的，具体可以表示为TO=｛集结、转场、机降、突击｝。

（2）任务资源描述。根据参加此任务所涉及的装备系统，任务的资源（任务节点）可以表示为集合TA，集合内元素可表示为TA=｛基地指控系统、前线指控系统、综合保障系统、侦查情报系统、机动运输系统、火力攻击系统｝。

（3）任务活动描述。此典型任务的活动集合可以用TA表示，其具体表示为TA=｛选择集结地点、装备集结、飞行前保障、装载、空中侦察、转场、机降、野战保障、情报侦查、突击、重新集结、飞行检查、撤离｝。

（4）任务的活动间关系描述。在机降突击任务活动流程框图中，包含3种任务活动间关系，分别为：顺序关系（SeqR）、与关系（AndR）和并发关系（ConcR）。

在对空中突击部队机降突击任务进行动态特性分析后，即可通过IDEF3建立装备体系任务过程流图，限于篇幅，这里仅以空中突击过程中子任务集结为例给出其过程流图，如图5所示。

图5　空中突击部队任务集结过程流图

下面通过空中突击部队典型任务过程流图研究装备体系的任务可靠性。一般来说，狭义的任务可靠性是指产品（系统、设备）在规定的任务剖面中完成规定任务的能力。装备体系任务可靠性所指的不是单一系统或设备完成规定任务的能力，而是装备体系内的所有系统共同完成规定任务的能力。因此，装备体系所确定的任务剖面是体系内不同系统在规定时间内所经历的任务活动和环境的时序描述。任务可靠性仅考虑造成任务失败的故障影响，即只统计任务期间危机任务成功的故障，通常用任务可靠度（MR）或致命性故障间隔任务时间（MTBCF）来度量。任务可靠度（MR）是装备体系完成规定任务能力的度量，是描述任务可靠性的重要指标。

对于空中突击部队机降突袭这一典型任务而言，由若干子任务所构成集合TA=｛选择集结地点、装备集结、飞行前保障、装载、空中侦察、转场、机降、野战保障、情报侦查、突击、重新集结、飞行检查、撤离｝。文中选取对装备体系任务可靠性影响最大的6个关键活动进行分析，在IDEF3过程流图中用异或交汇点扇出连接，根据参考指标给出其任务可靠度，如下页表3所示。

完成此次装备体系任务可靠度的计算公式为：

MRsys=Ao平直·R装载·MR运直·Ao地装·MR突击·Ao战直

通过运算可得出完成此次任务的任务可靠度MRsys=0.523，即完成此次任务的任务成功率为52.3%。为了验证该模型的可信性，可以利用仿真软件Anylogic建立装备体系多阶段仿真模型，在建模过程中将每一件任务活动都作为一个离散事件，根据空中突击部队机降突击任务过程流图进行建模，仿真模型如图6所示。

表3　关键活动任务可靠度输入值表

将装备体系内关键活动的任务可靠度代入仿真模型，运行1 000次，其中成功任务749次，失败任务249次，任务成功率平均值为53%。如图2所示。同时，在图7中可以看出任务成功率仿真平均值结果不断向理论值逼近，说明该仿真结果具有一定可信性。

图6　空中突击部队机降突击仿真模型

图7　空中突击部队机降突击仿真结果

4　结论

空中突击部队装备体系建设是未来陆军主要发展方向，对其作战任务进行建模是装备体系内部论证的前提。本文借鉴作战任务和DoDAF建模思想，结合美军空中突击部队装备建设现状，就装备体系作战任务的建模方法进行深入研究，建立了空中突击部队装备体系任务模型，并通过IDEF3过程流模型构建空中突击部队动态模型，利用仿真结构验证了该模型的有效性。该方法对于基于DoDAF体系框架的任务建模与仿真分析具有一定的现实意义。

参考文献：

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Research on Mission Modeling for Equipment System of Army Air Assault

WANG Hong-yu1，2，LAI Guo-jun2，WEI Yan-yan2，WANG Xiao-wei2
（1. Academy of Armored Forces Engineering，Beijing 100072，China；2. Army Aviation Institute，Beijing 101123，China）

Abstract：The army air assault is the equipment system of systems（SoS）which is presented of phased mission. The paper is researched on mission of the army air assault under DoDAF. First of all，the mission model of equipment system is described by a quaternion model. And then，the static and dynamic model of the mission of equipment system is set up under the DoDAF framework. Finally，the dynamic model is verified by the simulation method，which is proved credible.

Key words：army air assault，equipment system of systems，mission model，simulation

中图分类号：TP302

文献标识码：A

文章编号：1002-0640（2016）05-0107-05

收稿日期：2015-03-25修回日期：2015-04-03

作者简介：王宏宇（1979-），男，辽宁沈阳人，博士生，讲师。研究方向：可靠性系统建模与分析。