基于OPM的军事行动概念模型框架

胥秀峰,司光亚,王艳正

(国防大学,北京 100091)

作战概念(Operating Concept,OpCon)是对未来战争的设计,是以体系工程牵引军队长期建设的重要模式,需要有严格、严谨且科学的方法支撑。建模仿真作为先进的军事研究手段,在新型作战概念的提出、开发、验证、评估、更新等阶段都具有不可替代的作用。例如,从2014年开始,美国海军在兵棋推演中发现并提出了“分布式杀伤”(Distributed Lethality)概念,并不断通过兵棋、仿真实验对这一概念进行验证、完善。除“分布式杀伤”外,美军的“空海一体战”、“多域战”等概念的开发过程都离不开建模仿真。

模型框架作为战争建模的基础工具,需要不断适应战争的变化。随着战争形态日益向网络化、智能化的方向发展,需要对现有模型框架同步更新。

1 作战概念及模型框架

1)作战概念

作战概念的本质是设计战争。美军认为,OpCon通过合理假设未来的作战场景或示例,着眼于分析和验证未来5～15年作战涉及的人事、指挥控制、支援、组织和筹划等一系列问题。美国海军、空军、陆军、陆战队等军种都会发布各自的OpCon[1]。综合国内外主要观点,作者认为作战概念是对未来战争的总体设计,主要是从作战视角对未来的军队和战争进行构想,是引领军队建设的重要工具与手段。作战概念着眼于未来约15～30年[2-7],主要内容分为:未来作战框架、作战样式、作战要素、作战行动等四个方面。

2)战争模型框架

战争建模是将知识进行结构化的过程,战争本身的复杂性使得从现实到计算机模型的过程需要分层构建,用于军事的模型框架是战争领域的元模型,它为战争相关的建模提供一套规范、简洁的语言。如图1 a)所示,战争模型框架将战争规律模型化,并提供形式化的描述。由于战争的复杂性,这种形式化往往是经过多层抽象的结果,图1 b)是一种四层抽象结构,包括:模型框架(Model Framework)与元元模型(Meta-Meta Model)、元模型(Meta Model)、战争模型之间的层次关系。

元元模型位于顶层,抽象程度最高,可用于描述元模型,代表性的有EBNF(Extended Backus-Naur Form)、BNF(Backus-Naur Form)等;某种元模型可由一种或多种元元模型实例化得到,元模型的功能是提供一种形式化或可视化的语言,作为模型表达的工具。OPM(Object-Process Methodology)、SysML(Systems Modeling Language)、UML(Unified Modeling Language)等是比较有代表性的元模型,一般简单模型可以直接由元模型进行实例化。由于战争建模复杂程度高,且需求、建模对象等都在不断发展变化,模型的种类多、关系复杂，所以,可在战争模型与元模型之间增加一层抽象,即模型框架。

图1 战争模型框架的要素和抽象层次

3)新型作战概念对模型框架的新需求

在科技进步的推动下,未来战争将继续沿着网络化、智能化、体系融合三大趋势发展。近年来,以此三大趋势为特点的新型作战概念层出不穷,这些概念从不同角度重新定义了作战力量、指挥控制或作战方法等,有些颠覆性概念更是尝试对作战体系深度重塑。在此背景下,面对各种新兴的对象、过程、现象等,我们需要构建与之适应的新型建模仿真范式。适用于描述新型作战概念的模型框架就是其中的关键。而新型作战概念模型框架是关键之一。

2 基于OPM的军事行动概念模型框架

国外虽没有专门定义战争模型框架,但在解决军事建模仿真通用性、扩展性、互操作等问题过程中产生了很多实践成果，例如,CBML(Coalition Battle Management Language)、MSDL(Military Scenario Definition Language)以及CMMS (Conceptual Model of Mission Space)等。尽管这些成果的用途、形式、内容等不相同,但基础都是建立在战争模型框架之上。

本文所述概念模型框架须区别于建模框架。目前,国内军事领域的建模仿真常用的框架有EBI(Entity Behavior Interaction)、EBNI(Entity-Behavior-Network Interaction)等。这些框架比较突出方法性,因此，称为建模框架[9-10]。概念模型框架,则主要为概念建模以及后续模型构建提供底层模板。

概念模型框架应该具有三个方面的要求:1) 严格以领域知识为基础;2) 框架具有通用性、一般性,需要兼顾当前与未来作战的底层逻辑;3) 框架采用的形式化描述,应便于使用、交流、检验以及后续扩展与实现。

基于以上背景,本文提出了一种通用的基于OPM军事行动概念模型框架。这种框架提供了描述作战行动的一般要素,具有通用性和扩展性,可实现在统一框架下对各类现有作战行动和新型作战概念的建模。这种通用框架为保证不同模型间的一致性和互操作提供了支撑。

2.1 OPM方法及语言

OPM最早由以色列Dov Dori教授提出,是一种非常适用于概念建模的语言和方法,与SysML一同作为国际系统工程协会的两种MBSE(Model-Based Systems Engineering)语言。2014年,OPM被采纳为国际标准化组织标准[11](ISO/PAS 19450)。目前OPM在国内应用相对较少,在国外已经被广泛用于各领域的建模。OPM的理论基础是一种最小化的通用本体,具有图形化(OPD,Object-Process Diagrams)和文本(OPL,Object-Process Language)两种语言形式。

OPM主要由三类要素组成——实体(Entity)、关系(Relation)和链接(Links)。

1)实体

实体分为对象、过程和状态三类,定义如下。

对象(Object)分为物理与信息两种类型,分别表示以物理或信息(抽象)的形式存在或可能存在的事物。

过程(Process)可分为物理与信息两种类型,表示使系统中一个或多个对象发生变换的事物。当其作用的对象至少一个为物理类型时,即为物理过程。

状态(State)为对象可能的位置和状态等。

OPM实体的符号如表1所示[11]。矩形表示对象,椭圆表示过程,圆角矩形表示状态。其中,有阴影的矩形和椭圆表示物理类的对象与过程,无阴影则表示信息类;另外,边框如果为虚线,则相应的对象或过程不是系统的内部要素,而是环境中的要素。

表1 OPM实体的符号表示

2)关系

关系是对象或过程的结构描述。基本有聚合-部分、表现-特征、泛化-特化、分类-实例等四类。除以上四类外,还可以自行定义单向关系或双向关系。

3)链接

链接位于过程与对象或对象的状态之间,表示过程与对象的单向或相互作用。OPM中,链接有9类,其中，常用的包括消耗/结果、效果、工具、代理、触发、条件等。

OPM中关系与链接的表示如表2所示[11]。

表2 OPM关系与链接的OPD、OPL表示

2.2 军事行动概念模型框架

军事行动概念模型框架(以下简称概念模型框架)基于对军事行动基本规律的理解,为便于在跨领域建模中方便沟通和交流,框架的描述与表达不仅需要通用,还应尽量符合军队习惯。因此,概念模型框架使用的词汇、术语、逻辑等均源于军队的各类知识库,如《中国人民解放军军语》、军事教材等文献资料。

军事行动概念模型框架分为顶层概念模型框架、作战实体模型框架、作战行动过程模型框架三部分。

顶层概念模型框架以军事行动为核心,用于描述作战行动涉及的各种要素和关系,为最基础的模型框架。后两部分是顶层概念模型框架的展开:作战实体模型框架描述的是军事行动的主要承担者——作战力量的组成要素和组织结构;作战行动过程模型框架将军事行动的过程进一步细化,提供了一种通用过程模型框架。

1)军事行动顶层概念模型框架

如图2所示,框架要素主要为上级指挥员和指挥机构,本级作战单位由本级指挥员、本级指挥机构、本级所属装备、设施、补给和若干下级单位构成。上级产生意图集,意图规定了军事行动的目的、时限、指导原则等属性。军事行动的期望是实现这些意图,即将意图集的状态从“未完成”转换为“完成”。作为行动的参与者,本级指挥员、指挥机构和下级单位等对象分别有相应的状态,这些状态作用与军事行动互相影响。

2)作战实体概念模型框架

如图3所示,作战实体模型框架是对顶层概念模型框架中作战力量对象的展开,是对作战行动中力量编成结构的一般描述。

图2 军事行动顶层概念模型框架OPD

图3 作战实体(部队)概念模型框架OPD

作战单位是作战力量的主要组分。其中,状态包括主体的位置、时刻(某状态产生的时间)、物资集(现存武器、装备等项的清单)、人员集(现有人员情况清单)等。装备和设施包括虚拟空间设施与物理空间设施两类,前者分为网络、数据、软件等子类,后者分为固定设施、空间设施、舰船、飞行器、地面车辆等子类。类似地,物资集细分为油料、军需品、装备元件、弹药、器材以及其他等子类。

3)军事行动过程概念模型框架

军事行动过程概念模型框架用于描述战役、战术级军事行动的一般过程,具体细节如图4所示。过程被细分为指挥、计划、控制、执行四个子过程,各子过程分别产生指挥员意图、作战计划、命令、动作集等对象。类似地,敌军、友军也有各自的行动过程和动作集。当这些动作集产生时会触发效果发生过程,过程进而改变自然与社会环境及各类对象(指挥员、指挥机构、作战单位等)的状态。

图4 军事行动过程概念模型框架OPD

2.3 概念模型框架的优势

目前,国内不乏基于UML、SysML、IEDF、DoDAF等系统工程方法和工具的军事行动建模实践。但对涉及不同层次、多军兵种、多要素的作战行动建模,还缺乏通用的模型框架。此外,作战领域的建模仿真中,军事人员的深度参与至关重要。而国内现有的方法和手段,大多面向技术领域且较为复杂,不便于作战、指挥人员理解与使用。概念模型框架在上述背景下提出,既突出描述作战问题的能力,又便于作战人员掌握。归结起来,框架的优势主要有如下三个方面。

1)突出军事行动过程

概念模型框架是基于OPM的,在方法论层面突出了过程的地位。以UML、SysML等为代表的主流建模方法都没有同时从对象和过程两个方面去描述系统或体系,不能较好完成军事行动中对象和过程之间关系的建模。例如,面向对象思想主要关注有形或无形的实体,行为、过程等则作为实体的属性。相应地,在UML以及SysML中,过程的表示需要使用一系列概念:用例、活动、行为、方法等。实际上,这些概念都是不同类型的过程,但在面向对象方法中这些过程的定义与区分不够明确和清晰[13]。

相对传统主流方法,OPM将过程与对象并列为最基础的概念。其中，对象表示客观存在的事物,过程则依赖、使用、产生或销毁对象,或者改变对象的状态。这使得我们可以对军事行动的过程进行聚焦分析,便于清晰地反映军事行动中各类过程的分层、时序等关系。另外,“对象+过程”的建模范式也使框架的逻辑表达形式更接近自然语言,如表2中的OPL表示。

2)灵活性及可扩展性

为保证概念模型框架适用各类场景,就要合理抽象,使框架具有灵活性和可扩展性，主要表现为两方面。

①框架中关键对象和主要过程包含递归结构。如图3中,“作战力量”“作战单位”“下级单位”三个对象就具有自相似的递归结构。这样,框架可采用统一的模型结构描述不同层次的军事行动与作战实体。实际仿真过程中,可根据不同场景,分别将对象和过程进行实例化。如图4中,“执行过程”可由不同类型“下级单位”掌控,从而产生对应的“动作集”。

②框架的主要过程能支撑涌现行为。直观上,框架用整体与部分的方式表示了对象、过程的静态结构。但框架并未局限于还原论。例如,图4“军事行动过程”包含多个“子过程”,但“军事行动过程”不是这些子过程输入/输出的简单加和,而是所有子过程的有序活动涌现产生“军事行动过程”的整体行为。

3)基于OPM的易用性

①概念模型框架采用OPM作为元模型,同时具有OPD图形、OPL文本两种等价表达形式,有助于具象和抽象两种思维的互补。

②框架支持模型动态推演。未来联合作战环境下,军事行动过程具有高度网络化、快节奏、对抗激烈等特征。这种背景下的复杂模型,极有必要在概念建模阶段通过推演进行初步校验和验证。

③框架便于向其他模型语言(XML、UML等)或仿真程序实例映射(当前,Opcat和OPCloud可直接将OPM模型映射为Java或SQL代码框架)。

④传统建模方法通常需要较长训练周期,概念模型框架基于军用术语习惯,采用OPM方法,其逻辑形式自然、简洁,便于军事人员掌握。例如,UML共有13种图形,完整的概念建模就需要使用其中4种以上图形。SysML是由UML发展而来,虽然在系统建模的通用性方面等进行了改进,但还是有多达9种图形,120余个符号,超过1600页ISO标准文献。并且,这两种语言均使用非形式化要素,不便于对模型进行逻辑检测。IEDF则包括16套用于不同阶段、不同场景建模的工具。

相比之下,OPM方法只有OPD一种图形,20余种符号,180页ISO标准文献,可采用“放大”与“缩小”、“展开”与“折叠”等功能实现层次化建模,逻辑规则接近自然语言，极大降低了学习、沟通和使用的成本。而且,统一视图建模易于维护模型元素的一致性[14-15]。

3 建模实例

3.1 “马赛克”战概念

“马赛克”战(Mosaic Warfare)是2018年美国高级研究计划局(DARPA)战略技术办公室(STO)提出的一种新概念,其目的是寻求在未来获得新的非对称优势,主要方法是将低成本传感器、多域指挥控制节点、协同有人和无人系统进行快速的网络化组合,将复杂性转化为强大的武器,并强加于对手[16-18]。

在“马赛克”概念中,陆、海、空、天、网电等各领域作战力量被集成到统一的框架中。其主要特征如下。

1)多域动态互联、互操作、自组织

近年来,多域联合作战的概念已经被普及并广泛接受,但概念的实现受各系统间互联、互通、互操作情况的限制。过去,提供作战能力的主要途径是通过增加、更新、改进、升级作战平台、系统等,但这种方式周期过长,难以应对新的作战对手。因此,DARPA认为需要一种新的作战能力生成模式,即不寻求新的平台、系统,而是将各类已有的低成本、不太复杂的系统通过多种方式动态链接,从而适应任何作战场景需求。因此,“马赛克”概念的关键不是新的平台和系统,而是一种多域动态互联、互操作、自组织的体系结构,是一种网络化、智能化的指挥控制及协同交互体制。

2)鲁棒且复杂的作战体系

顾名思义,“马赛克”概念中各作战平台、系统等可类比为拼贴画中的镶嵌模块,即“马赛克”单元。在“马赛克”作战体系中,各组成部分(“马赛克”单元)都是可消耗的,它们对作战体系整体的贡献是通过涌现产生的,这种涌现对每个个体的依赖度低。这意味着,即使对手可以破坏许多块“马赛克”,作战体系整体依然可根据需要立即做出响应。正如拼贴画中,丢失部分“马赛克”图块不会影响整个图片的理解和正常使用。因此,“马赛克”概念提供的是一种兼具鲁棒性和复杂性的作战体系。

“马赛克”概念不同于传统的SoS(System of Systems)模型,在传统的SoS模型中,每个组件都经过专门设计和集成以承担特定功能。“马赛克”概念构想的是自下而上生成作战能力,即将单个元素(如“马赛克”图案中的图块)组合在一起,以一种前所未有的方式(可能是动态的方式)产生效果。

3.2 基于军事行动模型框架的“马赛克”战建模实例

相对军事行动模型框架,“马赛克”战有特殊性。首先,“马赛克”概念中的作战实体更突出平台与系统级;其次,为涌现出需要的功能,作战实体之间形成的指挥、支援和协同等关系更加网络化;最后,“马赛克”战过程主要体现在军事行动过程的执行子过程中,因为前面的过程是指挥人员主导的,而“马赛克”概念是一个分布式智能作战概念。其特殊性需要以军事行动模型框架为基础,从而突出其细节特征。

“马赛克”战概念模型中的主要元素与军事行动模型框架中的元素是继承与被继承的关系。本文使用的OPM建模工具是OPCAT 4.2,该工具可支持从OPM模型到面向对象语言的转换。因此,OPM中的元素也可用面向对象的方法进行理解分析。军事行动模型框架中的元素(所有Object与Process)用OOM(Object Oriented Modeling)方法可理解为类,基于“马赛克”战的核心思想,对这些类进行继承以及扩展,所得子类即“马赛克”战概念模型中的主要元素。

“马赛克”战概念模型的OPD表示如图5所示。其中,图5a)是“马赛克”战涉及的主要元素及相互关系的总体模型,主体对象为作战节点、分布-智能行动作战过程(“马赛克”战过程);图5b)则是“马赛克”节点与“马赛克”战过程更细粒度的模型。在“马赛克”概念模型中,主要元素作战节点、分布-智能作战行动过程等分别继承军事行动模型框架中的作战单位、军事行动过程的执行子过程(因为军事行动是战役、战术级过程,主要面向指挥员和机构,“马赛克”战是平台和系统级的过程)，并且，“马赛克”节点比作战单位多了任务和规则两个属性对象,其中，规则指各节点自主行为的规则。

分布-智能行动过程分为感知、通信、指控、执行四个子过程,各过程依次生成态势、信息、计划、动作,各子过程的执行由具有相应功能的节点承担。例如,指控过程必须至少有一个指控节点参与。

图5 “马赛克”战:分布-智能行动概念模型OPD

3.3 结论

“马赛克”战作为网络化、智能化及体系融合背景下的新型作战概念,是现有作战形式的延续,且极具颠覆性。

上述实例,在军事行动模型框架基础上,通过继承和扩展,建立了“马赛克”战过程的概念模型。概念模型保持了框架固有的特点,也体现了“马赛克”战本身的特殊性,主要有以下两方面。

1)便于描述“马赛克”战多域动态互联、互操作特性。如图5a)所示,概念模型将“马赛克”战过程中的各类实体统一抽象为作战节点,各节点不区分军种、兵种、隶属关系等属性,但通常会使用某种作战网络。图5b) 细粒度模型则强调作战节点的功能属性,也不区分具体作战域。这种概念模型中,不同作战域的实体在描述上保持了一致性,有利于描述“马赛克”战过程中各节点跨域动态组网,以及依托网络实现互操作的特性。

2)便于描述“马赛克”战自组织的特性。图5b)中，作战节点包括规则、状态、任务三个属性,这些属性可能会在“马赛克”战过程中动态变化,各作战节点根据这些属性进行自主调整,例如，其功能模块是否响应、脱离某一个作战任务的需求。

不仅仅具有以上优点,本文的“马赛克”战概念模型中各类对象与过程还可以继续展开,由于内容过多,不再详述。

4 结束语

战争演化和技术进步不断提升军事模型的复杂度,军事建模日益依赖跨领域的团队合作,集成不同领域的知识。为此,概念建模阶段需要统一的模型框架,以保证模型的一致性、互操作以及各领域参与者能准确、有效沟通。

面向上述需求,本文提出了一种基于OPM的军事行动概念模型框架,用以对多域、多维的战役、战术级军事行动进行概念建模，并基于框架建立了“马赛克”战的概念模型,说明了框架的实用性。总结起来,框架的优点有:可清晰、准确地将军事行动过程模型化;能根据具体场景灵活地实例化或扩展;易于学习使用。

模型框架的基础是战争中的基本规律性,不免受认识主体的影响。本文所提框架主要基于作战指挥人员视角,后续计划从其他视角对框架作进一步完善和改进。