IDEF与UML相结合的作战任务建模方法

张 杰，宋虹兴，傅 勉，李苗苗

（解放军炮兵学院，安徽 合肥 230031）

作战任务建模是作战模拟系统设计与实现的桥梁，作战任务需求获取与分析有着深厚的作战知识和背景，仅仅依靠技术人员很难完成一个真正反映作战和指挥人员要求的作战需求，为了保证系统分析、设计及维护的一致性，需要军事专家和开发人员共同参与建模。由于军事专家和开发人员所涉及的专业不同，因此，应该根据实际情况选择适当的建模语言。目前常用的建模语言包括基于结构化方法的 IDEF建模语言和基于面向对象方法的UML建模语言。IDEF建模语言使用简单、易于理解，尤其适合于军事领域专家在建模初期描述作战任务，可以保证建模质量，缺点为可重用性差；UML建模语言全面体现了面向对象的设计思想，贯穿于系统开发的需求分析、设计、构造以及测试等各个阶段，而使得系统的开发标准化，同时具有很强的重用性和扩充性，但用 UML建模语言建立的系统模型复杂，需要具有较高水平的开发人员才能理解。基于两种建模语言各有适合于作战任务建模的特点，本文提出采用IDEF和UML相结合的一种作战任务建模方法。

1 作战任务建模需求及方法分析

1.1 作战任务建模需求分析

作战任务建模是一个非常复杂的建模过程，首先根据在真实世界中，最高层兵力实体遂行的军事使命，确定其对应的军事使命。军事使命是军事活动的综合描述，为军事活动提供了一个上下文的背景，使命的实现是通过任务和任务的分解来完成的，即通过使命-任务-动作的三层分解结构来实现（图 1）。在分解过程中，除了对具体作战任务本身的刻画，还需要把任务之间的关系描述清楚。作战任务可用其属性从多个侧面进行描述，一般可将任务属性分为任务名称、执行实体、输入信息、输出信息、控制条件等。任务之间的关系包括逻辑关系和时序关系，逻辑关系体现下层作战任务的完成情况对上层任务甚至于顶层复杂任务的影响，时序关系则说明各任务执行时间的先后及相互间在时间上是否有跨接[1]。

1.2 作战任务建模方法分析

为了满足作战任务建模需求，作战任务建模方法需要具备以下功能：

1）自上而下的作战任务分解功能；

2）作战任务本身属性信息刻画功能；

3）作战任务之间逻辑和时序关系描述功能。

作为 IDEF家族中的两种常用方法，IDEF0和IDEF3正好满足以上作战任务建模功能需求。IDEF0和IDEF3均采用自顶向下、逐层分解的方法建立复杂任务过程模型，十分适合于描述作战任务的分解。其中，IDEF0方法主要描述系统的功能活动和联系，利用简单的语法和语义能同时表达作战任务本身属性信息，IDEF3是一种描述活动和过程流程的强有力的可视化建模工具，借助于类型多样的交汇点可以清楚地描述作战任务之间的逻辑和时序关系。因此，在建模初期阶段主要由军事专家描述作战任务需求时，宜选择简单、易于操作和理解的IDEF0和IDEF3建模方法进行任务分解和描述；为了使建立的任务模型便于将来系统开发和重用，需要将IDEF0和IDEF3模型转化为面向对象UML模型。具体步骤为：

1）军事专家采用IDEF0和IDEF3描述作战任务模型，开发人员辅助建模；

2）开发人员将IDEF0和IDEF3模型根据一定的转化规则转化为UML模型。

图1 作战任务分解结构图

2 IDEF和UML相结合的作战任务建模方法

2.1 基于IDEF0,IDEF3的作战任务建模

2.1.1 IDEF0和IDEF3的使用时机

文献[2]研究指出，IDEF0适合于对顶层和较高层抽象系统的描述，而IDEF3更适合于较底层具体过程逻辑时序关系的描述。因此，对于一个复杂作战任务的分解，可以采用IDEF0建立顶层作战任务模型，在向下分解过程中，可以根据分解层的特点选择IDEF0或IDEF3建模：如果分解层描述的作战任务强调信息连接，则选用IDEF0；如果分解层描述的作战任务之间有很强的逻辑时序关系，则选用IDEF3。当然，如果顶层作战任务强调的是逻辑关系，也可以从IDEF3开始建模。

2.1.2 IDEF0建立作战任务模型

IDEF0方法主要是描述系统的功能活动和联系，IDEF0中的基本模型是活动，在图2中用一个方框表示。IDEF0模型中一个活动的输入可分为三类：输入、控制和机制。输入、控制、输出和机制共同称为ICOMs[3]。IDEF0模型利用ICOMs能同时表达作战任务（用活动表示）、作战任务的输入输出信息（用输入输出表示）、作战任务的执行实体（用机制表示）、作战任务的控制条件（用控制表示），所以采用 IDEF0模型能全面地描述作战任务属性信息。IDEF0的作战任务模型如图2所示，表示对应于作战任务的某一个或多个输入，在控制条件和机制的作用下，产生一个或多个输出。

图2 IDEF0模型表示作战任务信息

2.1.3 IDEF3建立作战任务模型

IDEF3的特色就在于描述过程流，它借助于交汇点机制说明各过程分支的逻辑和时序关系。IDEF3提供了细化说明功能帮助建模者对具体作战任务信息进行辅助说明，因此，可以在IDEF3模型中通过细化说明详细描述作战任务的属性信息，对应于IDEF0中的ICOMs信息。同时，对于某些使用IDEF3图元无法清楚表示的逻辑时序关系，也可以借助IDEF3提供的细化说明辅助表示。

1）逻辑关系

根据文献[4]中归纳的7种基本作战任务之间的逻辑关系，采用IDEF3提供的图元可以准确地表达各种逻辑关系，具体映射关系如表1所示。

2）时序关系

设有作战任务A与B，其起始时刻为SA和SB，终止时刻为TA和TB（TA＞SA，TB＞SB）。在任务执行过程中，各任务均遵循同一时间轴。根据这4 个时间点可总结出2个任务间可能存在的7种时序关系。根据文献[5]中归纳的7种基本作战任务之间的时序关系，采用IDEF3提供的图元可以得到映射关系如表2所示。

表1 任务逻辑关系映射表

表2 任务时序关系映射表

2.2 IDEF0,IDEF3向UML模型转换

UML是目前流行的软件开发方法，它是一种面向对象的建模语言。UML提供了五类图用于分析真实世界中的静态对象关系、动态活动、时序关系。UML模型可用于系统研制的全过程，从需求分析到代码实现具有很强的连续性，开发的系统具有很好的扩展性。当前介绍IDEF0、IDEF3向UML转换的文献有很多[6]，但均只是介绍了IDEF0、IDEF3和UML中各种图形的对应关系，并没有给出具体图元转化规则。而且，文献所研究的建模问题大多为信息系统模型，和本文的作战任务建模存在差异，在本文的作战任务建模中并不涉及状态图，而且时序图和协作图之间可以互相转换，因此，本文仅建立IDEF0、IDEF3向UML的用例图、活动图和时序图的转换规则，见表3。

表3 IDEF0,IDEF3与UML映射规则表

3 案例分析

下面以红方对蓝方实施海上军事封锁为例说明该建模方法。红方作战兵力为常规动力潜艇和侦察保障兵力。为确保蓝方地区东北部海上交通线的安全，蓝方海军组成水面舰艇编队进行巡逻护航，担任对海面和水下警戒任务[7]。

从总体上看，潜舰对抗是一个封锁和反封锁的战斗。限于篇幅，本文以蓝方为例进行建模分析，首先由军事专家采用操作简单的IDEF0和IDEF3描述作战任务模型，然后由开发人员将IDEF0和IDEF3模型根据一定的转化规则转化为 UML模型。蓝方总体作战使命为反封锁，根据IDEF0和IDEF3的使用时机，首先使用IDEF0建立顶层反封锁任务模型，如图3所示。显然，反封锁作战任务可以继续分解，以更加详细地描述反封锁过程。因为反封锁任务的下层子任务之间具有明显的逻辑关系，故使用IDEF3建立相应模型，如图4所示。蓝方舰艇编队的反封锁策略，是在侦查监测的前提下，根据具体情况进行决策。其中，侦查监测、观察敌情、执行警戒是动作，不再继续分解，并使用不同于复合作战任务的椭圆表示。而其中的“对潜艇攻击任务”可以继续分解，因为其强调信息交互，则使用IDEF0进行建模如图5所示。最后，当所有作战任务都分解完毕，使用映射规则将IDEF0和IDEF3模型转换为相应的UML模型，如图6-图8所示。 这样，通过操作简单的IDEF建立作战任务模型，方便了军事专家之间的交流分析，提高了作战任务分析的准确性。然后，在军事人员达成一致认识的基础上，将IDEF模型转换为相应的UML模型，大大提高了模型的可重用性和扩展性。

图3 蓝方顶层作战使命的IDEF0模型

图4 反封锁任务分解的IDEF3模型

图5 对潜艇攻击任务分解的IDEF0模型

图6 顶层作战任务的用例图

图7 反封锁任务分解的活动图

图8 对潜艇攻击任务分解的时序图

4 结束语

本文深入研究了作战任务的建模需求，在分析IDEF和UML两种建模方法优缺点的基础上，提出了采用二者相结合的作战任务建模方法，并详细介绍了该方法的建模过程。以潜舰对抗案例的作战任务建模为例证明，采用IDEF和UML结合的建模方法可以清楚地描述作战任务的分解和作战任务之间的各种逻辑时序关系，具有较好的扩展性和重用性。

[1]张琦.使命空间功能描述理论和方法研究[D]. 长沙:国防科技大学研究生院, 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]李建军,刘翔,等. 作战任务高层本体描述及规划[J].火力与指挥控制,2008,33(1):53-55.

[5]王文峰,黄卓,等.多阶段复杂任务描述方法及其软件实现[J].兵工自动化,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]何晓晔. 任务空间概念建模技术及其 VV&A研究[D].长沙:国防科技大学研究生院,2005.