面向跨域作战的体系建模与生成方法

张萌萌 黄 洋 张晓雪 罗爱民 刘俊先

1.国防科学技术大学信息系统工程实验室 湖南 长沙 410072

当前,随着军事技术不断进步,战场空间不断扩展,作战对抗强度也越来越大.作战域从传统的陆地、海洋和空中拓展到太空、网络空间以及电磁频谱,信息环境、认知范畴等也越来越受到重视.由此带来战争特点规律和制胜机理发生了重大变化,新的作战方式不断涌现.基于此,如何有效利用全域作战资源,动态构建跨域作战体系,是应对美军新型作战概念、打赢未来局部战争的关键.

当前国内外相关研究主要阐述跨域作战等新型作战概念的特征与机理,在体系建模与分析方面研究不足,难以有效验证与运用跨域作战理念.本文紧抓指挥与控制内涵,结合跨域作战实际需求,从能力包建模与作战资源筛选等方面快速生成跨域作战方案,为扁平化指挥与控制提供技术支撑,为新型作战样式下的体系对抗作战验证提供手段.

1.1 跨域作战背景

为保持在全球的军事优势,特别是在应对中俄强大对手时占有军事优势,2016年10月,美军在陆军协会年会上首次提出“多域战”（multi-domain battle）的概念,促使美军从“空地一体战”、“空海一体战”等作战概念向多域战构想转变[1].2016年11月,美陆军发布纲领性文件《ADP3-0:一体化地面作战》,正式将多域战列入其中.多域战概念提出仅半年就得到其他军种的广泛认可.

美陆军认为,多域作战是在多个域和竞争空间战胜对手的作战行动,具体通过在时间和空间上的态势塑造、多域力量编组和部署、跨域能力汇聚等方式给对手制造战役和战术难题.多域作战打破了军种、领域之间的界限,各军种在陆、海、空、天、电及网络等领域拓展能力,以实现同步跨域火力和全域机动,夺取物理域、信息域、认知域和社会域方面的优势[2].

多域作战强调同一时间能够应付多个域或在多个域中处理事务.跨域（cross-domain）作战在多域作战概念的基础上,更加突出跨域之间的协同,强调从一个域进入另一个域并产生效果,如跨域火力、跨域机动、跨域杀伤等.

跨域作战相对单域作战或传统的联合作战而言,最突出的优势是支持跨域协同和跨域的分层选择[1-6].美军在联合作战介入概念中最早提出跨域协同（cross-domain synergy,CDS）的思想.跨域协同是指通过在不同域中对能力进行额外的使用来消除短板和薄弱环节,提升效能,在多个组合域中形成优势,保障使命任务活动的自由执行.互补效果的组合能够扰乱对手的执行能力,产生“1+1＞2”的综合效果.跨域分层选择能够扩大指挥员的选择空间,并给对手造成更大的复杂性和困扰,能够使指挥员采用一种出乎意料而不是单一的方式来发现对手的弱点,增加敌方的决策难度.因此,为获得未来战争的主动权,必须强调各作战域和跨域作战力量的集成融合和协同运用.跨域作战将成为我军未来作战中重要的作战形式,是联合作战发展的高级阶段,提高跨域作战能力是新时代我军作战能力建设的新方向和新要求.

我国在跨域作战、马赛克战、决策中心战等新型作战概念方面也开展了相应的研究.李强[7]等关注马赛克战概念分析以及在网络信息体系内的对抗研究.针对美军新型作战样式,张维明教授等人提出边缘作战概念思想,分析了边缘指挥与控制的历史进程、概念与机理[8-9].阳东升等分析了指挥与控制的宏观运用模式,在跨域作战方面提出基于PREA 环的作战过程[10].上述研究对于跨域作战体系的建模与分析具有指导意义.

1.2 跨域作战体系建模

作战体系建模方法多且杂,涉及体系整体、业务流程、服务、资源、组织结构等多个维度.按照体系的逻辑划分,作战体系建模可包括任务建模、能力建模、任务-资源匹配建模等多个层次.

任务建模中,当前研究主要区分静态模型和动态模型.静态模型定义任务相关的要素及之间的信息流,提供对流程要素以及要素之间关系的基本刻画,辅助决策者主观理解.代表性的方法有层次任务网络方法、基于网络服务的方法等.动态模型旨在进行仿真分析和验证评估,包括Petri 网、业务流程建模,软件建模,系统建模等模型,基于多维动态规划算法以及各种仿真软件的建模方法[11-13].此外,耶鲁大学Tirumala S等设计了一种Brog 编程语言,允许开发者编码单个模型的逻辑时间依赖关系,从而支持构建事件驱动的任务模型[14].Li N 等为了提高指控行为模型的可重用性和互操作性,提出行为建模框架,设计指控模型的内部模块和基于联盟作战管理语言的互操作接口[15].

在能力建模方法中,当前方法包括基于改进连续空间元胞自动机的能力模型[16]、基于本体理论和多元线性规划模型构建的资源能力模型[17]、基于能力要素的目标作战能力建模[18]、基于体系结构的装备资源能力模型[19]、基于作战环的能力指标体系模型[20]等.

在任务-资源的匹配建模研究方面,国内外学者主要将该问题归纳为数学规划模型或网络模型,然后使用各类优化求解方法进行求解.代表性的方法有基于动态列表调度和遗传算法的方法[21]、基于动态规划的树状结构方法[22]、基于贝叶斯网络推理和案例推理的混合推理策略[23]及基于超网络的形式化定义和搜索方法[24]等.

在跨域背景下作战体系设计方面,美国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA）开展赛博物理系统共生设计项目、体系集成技术试验项目、跨域杀伤网项目等研究,强调开放式架构的设计,突破跨领域作战资源动态集成技术,并反复进行实验验证.国内方面多针对模型层面或者系统层面的跨域设计考虑,缺乏体系维度的跨域资源调度研究.例如,中国电子科学研究院的陈竹梅提出了效能主导的跨域协同设计的方法、基于模型的系统工程的多粒度模型体系构建方法论,突破了信息域和物理域之间难兼容的问题,为跨域作战体系的设计提供了一定的方法论基础[25].王涛等针对跨域融合中的系统架构设计问题,分析跨域协同合作的特征,提出了组织行为学与跨域协同作战的映射关系,为跨域协同作战体系设计提出了设计参考[26].

综上所述,在传统体系建模方面,国内外的研究较多,且成熟度较高.但是在跨域作战体系建模与动态构建方面,美军依托DARPA 与商业公司,不断进行设计理念的探索与实践,国内在该方面有一定差距.因此,研究跨域作战体系设计问题,是高效利用我军作战资源、应对外军先进作战概念的必要途径.

2.1 跨域作战体系数据元模型

体系建模的首要任务是确定包含的建模要素以及要素之间的关联关系.深入分析跨域作战体系内涵,对标美军“空海一体战”、“分布式杀伤”等作战手段,采用任务式驱动的理念,挖掘跨域作战体系数据元模型,如图1所示:黄色区域代表支撑跨域作战的核心数据要素,主要包括任务、能力包、作战活动、服务、作战资源以及信息资源等.下面进行详细解释.

图1 跨域作战体系数据元模型Fig.1 Data meta-model of cross-domain battle system-of-systems

任务是指派给军事力量来执行的一项使命或行动,目的是达成一定的作战目标;任务指标主要描述完成所承担的任务需要哪些指标支持;能力包是指完成某一任务的体系配置方案,与能力指标相关联,用于判断是否可支持任务的完成;能力指标主要描述上述体系配置方案可以实现哪些指标;作战活动主要针对任务的总体情况中每一项作战任务,描述完成该任务所要执行的所有作战活动;活动属性主要用于支持描述作战活动完成的效果,从特征属性的角度出发对作战活动达到的效果进行表征;信息流详细描述作战活动间信息交换的细节,包括谁与谁交换什么信息,该信息的主要内容等特征;作战资源表示执行一定活动并提供一定能力的实体,可包括武器节点、信息系统节点等内容,与作战活动紧密相关;作战资源指标是性能指标描述,为实现作战任务提供支撑;接口关系描述作战资源、服务、信息资源等要素之间的接口关系,包含传递的信息类型;服务定义为系统功能的集合封装,服务提供者通过服务接口为服务消费者提供功能,服务支持完成作战活动;服务性能指标描述服务功能关联的性能指标,为作战活动的实现提供支撑;交互数据表示服务之间关联需要交互的数据,是对信息流更加详细的描述;信息资源是支撑服务实现的资源,可包括平台、软硬件、基础设施等;域是实现某一战术行动的功能区间,如陆军侦察域、空军侦察域、空军打击域等.

根据上述数据要素,可明确需要根据任务的输入寻找匹配的体系要素,达到快速高效遂行任务的目的.关键在于如何通过对全域作战资源的搜集与组合,支撑任务的动态实现.

2.2 跨域作战体系模型

基于上述数据元模型,本节主要从任务、能力、活动、服务、信息资源等5 个视角进行描述.

2.2.1 跨域作战体系任务建模

1）任务分解描述

描述任务多层级分解关系,常由一个跨域的联合任务分解为更细粒度的子任务.任务的属性应包括任务的名称与标识等内容.可采用树状图方式进行描述.

2）任务流程描述

描述子任务之间的信息流转关系,需明确子任务之间传输的信息类型,作为后续作战活动流程编排的依据.可采用IDEF0 流程图的方式进行描述.

3）任务效能描述

描述每一项子任务实现的具体要求,采用效能指标的方式表达,例如探测任务的效能指标可包括虚警率不超过5%等.任务效能描述可作为单独的模型进行描述,采用表格形式;也可以作为任务的属性进行描述.

4）任务实现领域描述

描述某任务由哪些领域的作战资源实现,实现领域可以是人为指定,或者通过体系生成之后得到的.可采用表格形式描述,反映作战任务与作战领域的映射关系.

2.2.2 跨域作战体系能力建模

1）能力包列表

描述当前体系内存储的能力包,包括名称、描述、域、作战资源、输入信息类型、输出信息类型、指标、指标值等,作为匹配任务实现的依据.可采用表格形式描述,反映当前系统中存在的能力包的集合.

2）能力包描述

描述组成能力包的作战资源、作战活动、服务、信息资源的集合,作为根据能力包生成作战体系的依据.可采用网络图的形式进行展示,分为作战活动、服务、信息资源3 个层次,描述层次内部的输入输出关系以及层次之间的映射关系.

2.2.3 跨域作战体系活动建模

1）域列表

描述当前跨域作战体系包含的所有领域,既可按照物理域进行划分,例如陆、海、空、天、电、网;也可按照军兵种领域进行划分,例如陆军、海军、空军等领域.跨域作战既体现为发生在某一物理域的任务由其他物理域的军兵种实现,也体现为一个任务可以由不同军兵种领域协同完成.可采用表格的形式描述,主要包括域名称、域描述、域标识等内容.

2）作战资源清单

描述某个领域包含的所有作战资源清单,按照作战资源、作战资源所属的域、作战资源的指标、作战资源的输入接口类型、作战资源的输出接口类型、作战资源的输入信息类型、作战资源的输出信息类型等内容表示.主要采用表格的形式展示上述内容.

3）作战活动流程

描述作战资源清单中各个作战资源对应的作战活动流程.一个作战资源常对应一个作战活动流程.可采用BPMN 泳道图的形式展示,其中,各泳道为作战资源,泳道中显示作战资源的作战活动,泳道之间根据作战资源的接口关系显示作战活动之间的输入输出信息流关系.根据作战资源的域特性,泳道图可以呈现出时间驱动以及事件驱动两种模式.

2.2.4 跨域作战体系服务建模

1）服务与作战活动的映射关系

描述作战活动对应的服务集合,为进行服务动态组合提供支撑.常采用映射矩阵的形式进行描述.一般而言,输入作战资源时已需要明确作战资源关联的服务集合,在业务活动流程编排方案确定之后,对应的服务组合方案也可以确定.

2）服务定义描述

描述服务的名称、接口、接入方式、功能、性能参数、QoS 指标等内容,作为匹配信息传输需求的依据.对于跨领域的信息传输需求,在任务分解与作战流程编排中已经明确传输的接口与信息类型,以此为依据匹配通信服务,并进而可以明确对应的信息资源.

3）服务组合描述

根据服务的接口关系,描述某一个作战资源关联的多个服务之间的组合关系.可采用网络图的形式进行描述,表达服务以及服务之间的接口关系.

2.2.5 跨域作战体系信息资源建模

1）信息资源清单

描述各领域包含的信息资源清单,用于支撑服务和作战活动的实现.常采用表格的形式描述,主要包括信息资源名称、标识、输入接口、输出接口、信息交换属性等内容.一般而言,当作战活动流程编配方案确定后,对应的服务组合和信息资源集成方案都已确定.主要需要明确通信服务对应的通信信息资源,是否存在对应的通信信息资源支撑服务数据的交互.

2）信息资源与服务映射关系

描述信息资源与服务的映射关系,作为信息资源集成的依据.常采用映射矩阵的形式进行描述.

上述模型展示了跨域作战体系构建需要的建模支撑,其中,任务建模作为输入,可以是既定的任务流程,也可以是动态的任务事件.能力、活动、服务、信息资源等视角是以作战资源为枢纽,形成的碎片化、不成体系的能力集群,因此,需要以任务为目标,以任务效能指标和作战资源指标为牵引,动态组合形成完成任务的跨域作战体系.

3.1 跨域作战体系生成过程

跨域作战体系生成的输入是作战任务,输出是明确作战资源交互的作战体系方案.在体系生成前,仍不确定某作战任务的具体实现方式,需要确定是某一域单独实现该任务或者是跨域实现.跨域作战体系生成过程如图2所示.

图2 跨域作战体系生成过程Fig.2 Generating process of cross-domain battle system-of-systems

1）任务建模

任务建模主要包括分解任务、明确任务指标、明确任务流转关系、确定任务基本流程等内容,对应前述任务建模中的任务分解描述、任务流程描述与任务效能描述.该步骤主要由用户确定,包括作战任务分解到哪一级、包含哪些任务指标等.

2）能力包搜索与筛选

该步骤研究对象是任务分解的每一个叶子任务.根据该叶子任务的能力指标（如虚警率）,搜索匹配的能力包,如果存在合适的能力包,可直接使用该能力包完成该叶子任务,能力包包含作战资源、作战活动、服务、信息资源等内容.如果不存在能力包,则可转为搜索作战资源.

3）作战资源搜索

搜索作战资源的输入是某叶子任务的任务名称、任务描述、任务指标等内容,匹配作战资源的内容包括作战资源名称、作战资源描述、指标等,在语义匹配时可以通过调整匹配相似度进行计算.通过作战任务与作战资源的语义匹配,输出可以实现该作战任务的作战资源集合.例如,对于情报侦察任务来说,搜索到的作战资源可包括侦察卫星、预警雷达、预警机等作战资源.

4）作战流程编排

根据某叶子任务的输入输出关系以及上述搜集得到的各作战资源之间的接口与信息输入输出关系,可得到满足该任务实现的作战流程.如情报侦察任务的输入为超视距信息,则在生成方案时只能选择输入为超视距信息的作战资源.通过任务的信息流转关系,采用深度搜索与宽度搜索相结合的方法来生成作战活动方案.

5）作战流程分析

实际情况中,作战流程方案比较复杂,很少出现一条链路执行到底的情况,需要多作战资源的协同处理.在根据信息类型与接口类型编排得到方案后,用户可以根据经验修改方案.

同时,对于上述编排算法得到的或者用户修改得到的作战流程方案,需要分析是否可以满足作战任务的能力指标.例如对于虚警率指标而言,计算方法可如下所示.

对于串联方案的虚警率计算,认为任务的虚警率为该作战流程方案中所有作战资源的虚警率的乘积,计算公式如下所示,其中,j 为每一个作战资源,Pj为该作战资源的虚警率.

对于并联方案的虚警率计算,认为串联作战资源仍按照上述串联方案计算,并联作战资源虚警率的计算按照下面公式进行,其中,j 为并联的各个作战资源.

根据上述不同类型的能力指标计算算法,可以分析并筛选编排得到的多种作战活动流程方案.

6）跨域作战体系方案生成

根据上述作战活动流程编排方案,结合服务与作战活动的映射关系模型以及信息资源与服务映射关系模型,可进一步得到服务的全域组合结构和信息资源的全域交互结构,最终形成包括任务层、能力层、活动层、服务层以及信息资源层的跨域作战体系方案.

3.2 基于能力包的跨域作战体系生成

根据上述跨域作战体系生成过程,跨域作战体系生成分为基于能力包的跨域体系生成以及基于资源发现的跨域体系生成两种途径.前者,是根据搜索当前存储的能力包进行流程重塑,后者,是根据作战资源的流程编排进行动态生成.

根据跨域作战体系数据元模型,基于能力包的跨域作战体系生成涉及的核心数据要素以及之间的关系如图3红色箭头所示,首先根据任务的指标寻找合适的的能力包,进一步提取梳理对应的作战资源、作战活动、服务以及信息资源等.

图3 基于能力包的跨域作战体系生成Fig.3 Cross-domain battle system-of-systems generating based on capability package

根据上述数据要素,以及它们和描述模型的关系,所涉及到的描述模型以及开发顺序如图4所示,首先进行任务分解、任务流程、任务效能等方面的设计,针对任务信息流转关系和效能指标,从能力包列表里面搜索匹配的能力包,通过筛选确定对应的能力包描述,并进而得到实现该任务的任务领域.能力包关联的作战资源、服务、信息资源等未在图中进行展示.

图4 基于能力包的跨域作战体系生成相关模型Fig.4 Relevant models of cross-domain battle system-of-systems generating based on capability package

3.3 基于资源发现的跨域体系生成

基于资源发现的跨域体系生成涉及的核心数据要素以及之间的关系如图5红色箭头所示.首先根据任务的相关描述搜索作战资源,并且根据任务指标分析作战资源的编排方案,进一步提取梳理对应的作战活动、服务以及信息资源,通过确定实现该任务的作战资源编排方案可以作为新的能力包存储,作为下一次任务实现的依据.

图5 基于资源发现的跨域作战体系生成过程Fig.5 Cross-domain battle system-of-systems generating based on resource discovery

上述数据要素涉及到的描述模型以及开发顺序如图6所示.首先进行任务分解、任务流程、任务效能等方面的描述,针对任务信息流转关系和效能指标,从作战资源列表里面搜索匹配的作战资源集合,通过作战资源流程编排与分析确定对应的作战活动流程,进而得到实现该任务的任务领域,同时更新实现任务的能力包,形成能力包描述模型.作战活动对应的服务与信息资源未在图中进行展示.

图6 基于资源发现的跨域作战体系生成相关模型Fig.6 Relevant models of cross-domain battle system-of-systems generating based on resource discovery

为支持跨域作战样式,应对未来局部战争,从跨域作战体系建模和跨域体系动态生成等角度进行了研究,为跨域作战理念的深化与实践提供思路支撑.

主要形成以下2 个方面的创新:

1）跨域作战体系建模研究,从任务、能力、活动、服务、信息资源等多个视角构建跨域作战体系建模框架,描述核心体系模型,为跨域作战体系动态构建提供模型与数据支撑.

2）跨域作战体系生成方法研究,根据上述模型数据,研究基于能力包与资源发现两种跨域体系生成方法,为实现作战过程中作战体系动态构建提供思路与方法支撑.

下一步将结合具体跨域作战案例,开展建模与体系生成研究,通过实例验证方法的有效性,并进一步论证实现这种新型作战样式的必要性.

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