基于UML的联合作战方案计划可视化视图建模

朱旋　江泽强　陈睿

随着信息技术在军事领域的广泛应用,现代战争呈现出战场空间广阔多维、指挥要素复杂多元、数据信息海量多样等显著特点,导致联合作战方案计划制定规模以及复杂程度不断提高.而传统的基于文档的指挥控制手段无法实现对海量战场数据信息的有效处理,对各种作战行动的描述不准确且文字表述容易产生歧义,已经无法适应信息战争的作战要求.因此如何优化创新指挥手段、切实提高指挥效率,成为各国军事问题研究的重大课题.

国内外相关领域研究及近期战争实践表明,利用可视化视图对战场数据信息进行精准描述,能够有效解决信息化条件下基于文档的指挥控制手段暴露出的种种不足.在查阅资料的过程中发现,国外可视化视图研究具有显著的系统性、实用性与高效性,早已投入实战应用并经过了多次迭代[1].相比之下,国内可视化视图的研究存在较大差距[2],尤其是在可视化视图的建模及应用研究方面,还处于起步阶段.

本文在指挥工程化理论[3]的基础上将联合作战方案计划可视化视图明确为由空间、时间、信息组成的“三视图”,并利用UML对“三视图”进行建模,对指挥手段由“以文为纲”向“以图为纲”的转变进行探索与研究,为新形势下我军体系作战指挥的优化与创新提供思路.

1　概述

1.1　UML概述

UML是一种定义良好、易于表达、功能强大且普遍使用的标准化建模语言[4].通过UML提供的各种图,用户能够建立相关问题在需求、设计和实现等多个流程的模型.UML提供的图中包含了用来显示各类模型元素符号的实际图形,通过特定的排列组合,这些元素能够对系统的某个特定部分或方面进行阐明.在各种图中使用的概念被称为模型元素.模型元素是通过语义,即该元素的正式定义或在该元素所代表的精确意义予以定义的.

常见的UML图和UML模型元素如图1所示,UML图可以分成结构图和行为图两大类.结构图主要用于静态建模,包括类图、对象图、构件图、部署图和包图;行为图主要用于动态建模,包括活动图、协作图、顺序图、用例图和状态图等.模型元素包括类、用例、对象、接口、节点、状态、包和构件等,还包括依赖、泛化、关联、聚合等关系模型元素[5].

图1　UML建模元素

1.2　需求分析

1.2.1　制定联合作战方案计划需求分析及面临问题

联合作战方案计划是信息化条件下军事行动的核心组成,决定了军事行动的最终效果.在筹划联合作战方案计划的过程中,指挥人员需要获得敌情、我情、战场环境等众多信息,在此基础上,生成以下联合作战方案计划信息:上级企图和本部队任务;友邻任务及作战分界线;各部队的编成、配置和任务;作战阶段划分等一系列方案计划信息[6].这些问题归纳起来就是要求在制定联合作战方案计划时要明确4个基本要素,即地点、时间、部队、事件.

然而,当前在使用信息系统制定联合作战方案计划的过程中存在以下几个普遍问题:人机交互困难,信息系统往往忽视指挥人员信息需求;信息洪流导致联合作战方案计划合理性降低,指挥人员丢弃了大量未被理解消化的数据;使用文字无法有效描述复杂多变的信息化战场,导致信息有效性降低.

1.2.2　联合作战方案计划“三视图”

为满足指挥人员制定联合作战方案计划中对地点、时间、部队以及事件的信息需求,处理好目前信息系统暴露出的问题,本研究将指挥人员制定联合作战方案计划的4个要素映射为信息系统的3个要素:空间、时间、信息.在指挥工程化理论的基础上利用UML对“三视图”建模,形成空间、时间、信息的“三视图”系统,在指挥人员与信息系统之间搭建起一座交互顺畅的桥梁,优化完善我军传统的以文为纲的指挥控制方式,为未来各级指挥机构在统一企图下实现“同步、实时、共享、并行、互动”指挥提供思路.

2　联合作战方案计划“三视图”

2.1　“三视图”概述

2.1.1　结构设计

传统的方案计划区分为作战行动计划与作战保障计划,在“三视图”的设计中,作战保障计划主要作为行动条件或附件进行体现,作战行动计划应该是“三视图”关注及显示的重点内容.根据指挥人员需求以及联合作战方案计划各类组成要素,“三视图”分为空间视图、时间视图以及信息视图.其中空中视图是对空间要素的描述,它主要以作战地域的矢量地图(电子地图、海图等)为背景对战场态势进行描述;时间视图是对时间要素的描述,主要通过甘特图体现,同时通过添加时间轴实现对系统运行过程的控制;信息视图则主要以行动信息流图为手段,实现对各单位行动过程中信息交互内在联系的可视化描述.利用各视图对地点、时间、部队、事件以及信息流程进行针对性展示,在满足指挥人员应用需求的同时实现对联合作战方案计划的精确描述.“三视图”总体结构如图2所示.

图2　“三视图”总体结构

2.1.2　“三视图”特点

“三视图”是根据各层级指挥人员的使用要求及系统应用的实际需求而研究设计,因此具有以下特点:

多维一体:着眼于新体制编制下战区联合作战方案计划制定的需要,在不同领域将各军兵种部队、作战空间、数据结构连为一体.通过多维一体的体系结构数据,显著提高系统应用的扩展性和功能模块的灵活性.

按需服务:利用“三视图”生成和分发满足不同级别部队制作作战方案计划需要的战场信息,以“个性化”服务满足不同层级指挥机构和指挥员对信息的“个性”需求,从而破解信息洪流这一难题,走出人机交互不畅的困境.

“三视图”关联互动:各视图以不同的方式向军事人员显示,但空间、时间、信息三者在逻辑结构上相互关联,互相影响,不可分割.其三者结构模型如图3所示,任一时刻“三视图”显示的内容都是此三维体系中的一个点,在这样的基础上对数据信息制定相应的标准,从而在统一的数据信息基础上实现联合作战方案计划“三视图”的整体联动.关联互动的内在联系能够改变文字描述的不准确性,实现对信息化战场的全景精确描述,有效提高制定联合作战方案计划的效率和质量.

2.2　空间视图构想

空间视图是在数字地图上形成数据关联的联合作战行动计划空间分布.空间视图类似于过去的决心图,二者都是以作战地域地图为依据,都要标明各方部署、战斗力信息及可能采取的行动.二者不同之处在于方案计划空间视图不是概略的、抽象的,而是以底层信息数据为支撑、能够准确描述方案计划的视图.

图3　“三视图”关联互动

为有效描述空间信息,需要在空间视图中构建相应坐标系统.在本文研究中,空间坐标系统由平面空间坐标与海拔高度坐标共同构成.根据使用需求平面空间坐标有网格坐标与经线度坐标两种表达方式.其中网格坐标利用全球多尺度网格技术[7],将地球表面进行4次切分并编码而形成,它主要用于战场空间协调以及作战行动中快速定位地理区域,而经线度坐标主要用于精确地理位置定位以及小于网格最小区域的描述.在此基础上实现空间视图显示的缩放功能.图4显示了步兵某旅及其下属步兵营在空间视图中的空间坐标.

图4　空间坐标

2.3　时间视图构想

时间视图通过任务部队力量编组树和时间轴将各任务部队的任务内容、顺序和持续时间予以展示.其基本表达方式为线条图,在该线条图中纵轴表示部队编组树,横轴则展示了整个任务期间部队计划内容以及预期完成情况,计划内容主要来自通用任务清单.时间视图横轴需细化为两条轴,分别是计划任务时间轴和临时任务时间轴.默认情况下只显示计划任务时间轴,当方案计划执行过程中产生处置情况的需要时,系统将相关情况的处置作为临时任务,并以临时任务时间轴的形式显示在计划任务时间轴的下方.利用任务分支线连接计划任务与临时任务,以此明确两类任务间关系.

除了表述计划行动进展情况之外,时间轴也是时间控制轴,是精确控制方案计划进程及实现“三视图”回放功能的主要手段.精确控制进程是在方案计划自动推演的过程中,指挥人员通过对时序图横轴的定位控制实现对关键计划行动的有效聚焦.方案计划的回放功能是基于系统的自动记录实现的,通过设计具体的操作界面实现对回放的控制,包括播放、暂停、加速、减速、停止等.时序图回放功能实现了方案计划的全过程全线索全景再现[8],具体表现形式如图5所示.

2.4　信息视图构想

信息视图主要通过“内部流转、外部通联”实现信息流程的精确描述.

内部流转是指在以信息流为轴的图形中将各单位主要计划行动的信息流通因果关系或支援关系标绘出来,形成以信息流为拓扑关系的图形.行动信息流图通过明确各行动在信息流上的因果或支援关系,实现对不同来源、要求和粒度信息之间的相互转换以及信息反馈.为了明确信息的输入与输出,在本文研究的信息流图应用中要将信源与信宿进行具体表述,同时要制定显示的规则,位于信息轴上方的是输入信息,位于信息轴下方的则属于输出信息,虚线表示没有执行的方案计划,实线表示已经执行的方案计划.以军事行动中指挥所向任务部队下达命令及部队战前准备为例,在对信源信息进行表述过程中,使用以下格式:

其中S:...、D:...分别是对信源及信宿的表述,C:...则表示信息内容.若在同一时刻有多个信源或信宿,则通过对不同信源或信宿进行编号并利用列表进行显示,如下例:

以一次空军火力突击行动为例,构建图6行动信息流图.

虽然行动信息流图能够较好地反映信息流转过程,但在方案计划推演的过程中,仅凭图6无法有效处理构设情况,因此在设计行动信息流图的过程中还需要内置处置情况集,如图7所示,其内容主要以方案计划的构设情况为主.在方案计划推演的过程中,处置情况集由于是内置内容而不予显示,一旦有处置指令出现,行动信息流图就调用处置情况集中相应内容并予以显示,通过及时调整相关内容,实现行动信息流图的动态更新,确保了信息描述的准确性与时效性.

外部通联是指通过在空间视图中构建基于作战数据链的信息传输连接线,从而将各作战单元信息交互的输入与输出予以体现.作战单元间信息交互的持续时间即信息传输连接线的生命周期,一旦作战单元信息交互结束,那么信息传输连接线就消失.

3　联合作战方案计划“三视图”建模

3.1　联合作战方案计划“三视图”建模需求描述

联合作战方案计划“三视图”是以信息系统为平台,在保证数据一致的基础上,利用“三视图”实现对联合作战方案计划的有效描述.“三视图”的建模需求明确分为两类:功能需求与性能需求[9].

3.1.1　功能需求

联合作战方案计划“三视图”所涉及到的参与者大体可分为3类:指挥人员、管理员以及“三视图”系统.指挥人员要具备的功能主要包括:席位登陆、查看视图、输入计划信息、筛选信息、控制计划过程等.管理员要具备的功能有:席位管理、权限管理、分发方案管理、战场环境管理、系统维护等.功能服务系统要具备的功能有:权限管控、数据处理、视图显示、查看视图、方案计划制定、明确组织关系、明确任务关系、进程控制.

3.1.2　性能需求

1)系统整体的准确性与易用性:“三视图”要提供清晰准确的方案计划信息,人机界面要求友好且易于操作.

2)系统功能的科学性与可扩展性:方案计划能够得到客观评估,作战能力得到科学计算且系统通过模块化设计可以具备良好的灵性,功能易于扩展.

图5　力量编组任务时序图

图6　行动信息流图

图7　内置处置情况集的作战信息流图

3)运行维护的可靠性与稳定性:系统易于维护且具有较强的承载能力,同时要确保系统的安全,能够避免信息泄漏并有效抵御各类攻击行为.

4)应用服务的同步并行:各席位指挥人员能够同时在线处理联合作战方案计划,且“三视图”能够按照要求将各席位所需的方案计划信息同时进行展现.

3.2　联合作战方案计划“三视图”需求建模

需求建模是对“三视图”进一步分析设计的基础.通过分析“三视图”各类需求描述,提取出与“三视图”相关的有效信息,并以此为依据建立系统的用例图[10].其主要内容是确定系统中存在的参与者与用例,从而生成完整的用例图.

3.2.1　系统参与者

参与者描绘了一个与系统交互的外部用户,它既可能是人类用户,也可能是一个系统.在本研究中,参与者主要有指挥人员、管理员以及功能服务系统.

3.2.2　确定系统用例

用例定义了参与者与系统之间的交互序列,所以在需求建模过程中往往都从分析参与者开始.要将参与者使用系统的行为考虑进来.结合上述分析,综合得出系统的顶层用例图[11].如图8所示.

图8　“三视图”顶层用例图

图9　系统管理员用例

在顶层用例图的基础上,分别对3个用例进行细化.其中,系统管理涉及的用例有:系统登陆、席位信息管理、席位权限管理、分发方案管理、系统信息管理以及日常维护.所涉及的参与者是系统管理员,其用例如图9所示.

用户接口用例的细化有:席位登陆、制定方案计划、席位申请、修改席位信息、筛选信息、控制方案计划进程、回放计划,锁定视图、缩放视图、查询指挥员关键信息、目标定位、与各级部队通信[12],如图10所示.

功能服务用例的细化:权限管控、收集数据、数据分类、视图显示、更新视图、辅助制定计划、明确组织关系、明确任务关系、控制计划进程.如图11所示.

通过以上对系统参与者的用例分析与建模,能够得出完整的系统用例图,如图12所示.

3.3　联合作战方案计划“三视图”静态建模

联合作战方案计划“三视图”静态建模是根据功能需求以及问题领域分析,找出相关概念性的类以及它们之间的相互关系,主要用于对系统中的各概念进行建模并对其相互关系进行描述[13].通过对前面的需求分析以及建模可知,联合作战方案计划“三视图”的领域类主要有用户类、管理员类、视图类、态势类、方案计划类、查询信息类、对抗信息类、统计分析类、管控信息类以及分析类与类之间的关系等[14],其类图如图13所示.

图12　完整的系统用例

图13　系统类图

其中,用户类包括用户姓名、用户身份、用户权限等信息.管理员类继承用户类.视图类用于实现各类“三视图”的显示.态势类记录各方采取的行动计划对战场态势的影响,具有态势元素类型、范围、状态、数量、敌我标识等属性,并且可对态势元素进行删除与修改等操作.方案计划类用于实现方案计划信息的输入、生成以及分析等功能.查询信息类用于实现对“三视图”的查询、定位等功能.对抗信息类记录了对抗过程的详细信息,包括对抗方式、内容、手段、结果等.统计分析类主要是对采集到的数据信息进行统计与分析,为方案计划的评估提供依据.管控信息类涵盖了方案计划生成、推演以及评估的全部信息,管理信息以及诱导信息继承管控信息类.

3.4　联合作战方案计划“三视图”动态建模

联合作战方案计划“三视图”动态建模主要通过建立“三视图”的顺序图以及活动图实现[15].顺序图按时间顺序将对象之间的交互行为进行了描述,活动图则是描述活动顺序的流程图,是一个活动到另一个活动的控制流.

3.4.1　顺序图

顺序图是对联合作战方案计划“三视图”中所有参与交互的对象及消息来往的顺序进行描述,“三视图”用例涉及的顺序图参与者是本级指挥机构,所涉及的对象有本级指挥机构,“三视图”,功能服务系统,各级指挥机构,管理系统.联合作战方案计划“三视图”的顺序图如图14所示.

3.4.2　活动图

活动图是对复杂过程步骤序列的显示,它类似于传统的流程图,能够一步一步显示流程控制[16],但与传统流程图不同的是,活动图可以同时显示顺序和并发的控制流,这一点对“三视图”设计研究非常重要.

根据活动图的组成元素,联合作战方案计划“三视图”主要有制定联合作战方案计划、控制方案计划进程以及查询战场数据信息等活动.各类主要活动所对应的活动图如图15所示.

3.5　联合作战方案计划“三视图”物理建模

在完成“三视图”的逻辑建模后,要建立“三视图”的物理模型[17],有两种物理建模方法能够将逻辑设计图进行相应转化,这两种方法是构件图以及配置图.

3.5.1　构件图

构件图是对系统各部分功能职责与软件组成的描述,通过对各构件之间依赖关系的说明,能够有效地分析出系统的结构和功能.根据上文分析,可得出“三视图”主要构件如图16所示.

3.5.2　部署图

部署图是对系统中软件和硬件的物理架构描述.“三视图”是一种全新的辅助决策手段,这里采用的C/S架构组成,其具体配置图如图17所示.

图14　联合作战方案计划“三视图”顺序图

图15　联合作战方案计划“三视图”活动图

各级指挥机构通过与“三视图”服务器获得本级视图信息并予以显示,而“三视图”服务器则将指挥机构提交的数据发送给应用程序服务器,通过对消息的处理,将处理结果存储在数据库服务器中.

4　“三视图”应用

下面以一次航空兵对地火力突击方案计划为例对“三视图”应用进行说明.此次行动属于战术行动,因此选取经纬度坐标体系描述各作战单位的地理位置坐标.由于“三视图”根据战场情况动态变化,所以在此选取突击编队准备起飞时刻为研究对象进行说明.在视图显示过程中,分别以红色和蓝色标明我方及敌方作战单位以及信息.双方参战单位在“三视图”中的标示如表1.

图16　“三视图”构件图

图17　“三视图”部署图

在作战时间为01:30时刻,侦察卫星移动至(SX1,SY1,SZ1),相关工作准备就绪后,任务指挥所向火力突击编队下达起飞命令,卫星将相关情报及战场环境信息发送给火力突击编队.突击编队接收指令后准备从机场起飞,向目标飞去.在这一阶段,各个视图根据方案计划内容进行显示.图18展示了火力突击编队起飞阶段的“三视图”全图.

5　结论

图18　火力突击编队起飞阶段的“三视图”

在战场信息涉及范围广、信息量大、精度要求高的背景下,本文以创新指挥控制手段、打赢未来信息化战争为出发点,以实现方案计划可视化、切实提高指挥效率为目的,利用UML统一建模语言对联合作战方案计划“三视图”进行简化抽象并建立模型,描述了从需求分析、系统设计,到物理实现等内容,随后以一次航空兵对地火力突击方案计划为例进行了说明.通过UML对信息化条件下的联合作战方案计划“三视图”进行建模并展示,从而将多维复杂的战场数据信息进行简明表述,不仅为战场数据信息可视化的研究与开发提供了高效的表达形式,也为实现我军指挥手段跨越式发展提供了研究思路与方法.

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