飞机检查单的OPM军事概念模型

刘志琦 曹 江

1.军事科学院战争研究院 北京 100091

研究智能化战争,促进相关技术集成落地需要军事理论与军事技术融合,即理技融合. 军事概念模型就是融合的桥梁,有利于军事人员与技术人员互相沟通. 按照2011 版军语之定义,军事概念模型是对军事事物、行为及关系等,用文字、表格、图形等进行抽象描述的作战模拟模型,是对军事问题的第一次抽象,主要用于数学建模与软件建模.

军事概念模型按照不同开发目的各有侧重. 不少文献中的军事概念模型以装备发展和论证为目的,突出新装备在作战体系中的定位和作用,支撑顶层设计[1-4]；一些文献中的军事概念模型以建模、仿真、推演为目的,支撑作战构想、辅助决策等[5-7]. 上述文献的军事概念模型描述的作战活动往往侧重装备功能,而条令、条例、规程等规则对作战活动的约束并不明显.

军事概念模型开发有多种规范化语言或架构框架可选. 其中,多视图的系统建模语言（systems modeling language,SysML）,统一建模语言（unified model ing language,UML）[8]、美国国防部体系架构框架（DOD architecture framework,DoDAF）[9]等得到广泛运用,而2002年提出的单一视图的OPM[10]在军事概念模型开发实践中成果相对有限. OPM 比多视图方法或架构框架更容易保持模型一致性,并且能够转换为DoDAF 作战视图各模型,有利于提高军事概念模型开发效率[11].

在诸多军事场景中,规则对作战活动影响明显.例如地勤维护飞机必须遵循航空工程条例（条令）和飞机维护规程等；空勤使用飞机必须遵循飞行员驾驶守则等；近距空中支援实施过程中,飞行员必须按照规定与联合末端攻击控制员完成通信和相关操作.目前已有的大部分军事概念模型通常从宏观角度建模,比较注重军事概念模型的完整性,但容易忽视规则对作战活动的影响. 在缩短杀伤链闭合时间的作战实验探索中,集成了一系列人工智能技术. 为了使这些技术运用更贴近军事场景,在开发军事概念模型时就需要侧重作战规则.

飞机维护规程、飞行员驾驶守则等规则通常与装备相关. 之前的工作[12]以近距空中支援举例,建立的OPM 军事概念模型侧重信息和作战活动的关系,体现了美军近距空中支援条令对作战活动的约束,但对飞行员操纵飞机的过程和逻辑体现不足. 本文以美军F-16C 飞机检查单[13]为依据,建立并验证飞行前检查的军事概念模型,改进已有工作的不足,丰富OPM 军事概念模型的开发实践成果,使先进技术的运用更符合作战规则.

1 飞机检查单及座舱设备

飞机维护和使用的具体操作依据是飞机维护规程、飞行员驾驶守则（飞机手册、飞机检查单）等文档中的检查程序. 在查阅多型飞机的相关文档后发现,检查程序的描述方式高度类似,因此,可以将F-16C 飞机检查单作为典型案例. 它包含常规程序、熟悉程序、性能数据、应急程序和空中加油程序.常规程序中由飞行前、开车前、开车、开车后、滑行前、滑行、起飞前、起飞、下降/着陆前、着陆后、关车前、关车等检查程序组成. 本文选择常规程序中部分检查程序为例,开发军事概念模型. 检查程序与飞机座舱设备相关,因此,还需要F-16C 飞机手册[14]作为支撑.

飞行前的部分检查程序摘录如下所示,其中,开车后检查测试面板的程序中,中文翻译还参考了飞机手册,补充了检查程序.检查程序的结构通常不超过3 个层次,1）检查程序的时机,例如座舱内部检查、开车前、开车等；2）座舱的部分或面板,例如左控制台、测试面板等；3）座舱的面板或开关、旋钮、手柄等,例如测试面板、火控雷达开关、备用起落架手柄等.

F-16C 飞机飞行前检查程序摘录座舱内部检查左控制台1. 皮托管加热开关在关闭位置.……左辅助控制台1. 备用起落架手柄在插入位置.……仪表板1. 滚转开关在姿态保持位置.……右辅助控制台1. 时钟设置好.……右控制台1. 传感器电源开关全部在关闭位置.……座舱内部检查后1. 主燃油开关在主位置.……开车前

1. 主电源开关在电池位置.……开车1. 喷气燃料启动机开关在启动2 位置.……开车后1. 检查测试面板.a. 皮托管加热熄灭.b. 皮托管加热开关在加热位置,确认皮托管过热告警灯开关在测试位置,确认皮托管过热告警灯亮起.c. 皮托管加热开关在关闭位置,确认皮托管告警灯熄灭.d. 按下火警与过热测试按钮,确认火警与过热告警灯亮起,然后松开测试按钮.e. 按下故障与舱内灯光测试按钮,确认舱内所有灯光亮起,然后松开测试按钮.2. 设置航电电源面板a. 主任务计算机开关在开位置.b. 挂点电源开关在开位置.c. 多功能显示器开关在开位置.d. 前上方控制器开关在开位置.e. 全球定位系统开关在开位置……滑行前……

上述检查程序与F-16C 飞机手册规定的座舱设备相关. F-16C 飞机座舱从左到右依次为左控制台、左辅助控制台、仪表板、右辅助控制台和右控制台5个区域,每个区域包含若干面板、开关、手柄等,例如左控制台包含检测开关面板、飞行控制面板、手动配平面板等. 面板上包含各种开关、旋钮、按钮等.例如图1（a）显示了F-16C 左控制台的测试面板,包含火警与过热测试按钮、氧气量测试开关、故障与舱内灯光测试按钮、皮托管加热开关等. 图1（b）显示了右辅助控制台的注意灯面板,包含了飞控故障、发动机故障、过热等注意灯. 图1（c）显示了右控制台的航电电源面板,包含主任务计算机开关、挂点电源开关、多功能显示器开关、前上方控制器开关、全球定位系统开关、惯导旋钮等.

图1 F-16C 飞机座舱的部分面板Fig.1 Partial cockpit panel of F-16C aircraft

2 检查程序的OPM 元模型

围绕规则对作战活动的约束这一侧重点开发检查程序的OPM 军事概念模型,需要建立元模型. 出于简洁考虑,本文使用OPCAT 4.2[15]建模并验证后,将模型按照OPM 语言使用VISIO 重新绘制. 由于检查程序描述方式高度类似,节选“开车后检查测试面板”建立元模型,具体步骤如下：

第1 步,建立对象、过程和状态的概念.“开车后”是指开车后的检查程序,与“检查测试面板”均属于过程,“测试面板”是物理对象.“a.皮托管加热开关在加热位置,确认皮托管过热告警灯熄灭. ”中的皮托管加热开关是物理对象,图1（a）显示它有加热、测试和关3 个状态,而皮托管过热告警灯位于右辅助控制台的注意灯面板,它有亮和灭两个状态. 该检查项也是一个将皮托管加热开关拨到加热位置的过程.

第2 步,建立对象、过程和状态之间的联系,过程让对象达到状态或过程改变状态是一种合理的描述. 例如,“将皮托管加热开关拨到加热位置”这一过程使“皮托管加热开关”这一物理对象位于“加热位置”的状态,且“皮托管过热告警灯”这一对象处于“灭”的状态.

第3 步,建立连贯的过程,信息驱动过程是一种合理的解释. 信息未必存在于每一步检查程序,但一定存在于飞行员的认知中. 只有飞行员认为完成上一步的检查程序,才会执行下一步. 例如,在检查测试面板的所有过程中,都会有相应灯光亮或灭,这既可以解释为对象状态的变化,也可以解释为信息. F-16C 飞机不仅有各种灯光,在仪表板上还有平视显示器和多功能显示器与飞行员交互,提供飞机姿态、武器参数、战场态势等信息,这里对象的状态和描述对象状态的信息之间是一致的,存在于飞行员认知中的信息主要是用来驱动执行下一步活动.

第4 步,建立对象之间、过程之间关系. 对象之间的关系由F-16C 飞机手册规定. 按照本文开发军事概念模型的侧重点,只需要建立座舱设备之间的组成关系,而无需建立座舱设备与飞机具体系统的关系. 例如本文仅需建立皮托管加热开关与测试面板之间的组成关系,而无需关注该开关与过热注意灯、皮托管之间的关系. 过程之间的关系由检查程序规定,主要是层次关系. 例如开车后检查包括检查测试面板、设置航电电源面板等过程.

按照第1-4 步,结合OPM 逐层细化的思路,F-16C 飞机飞行前检查程序的元模型可以分为如图2所示的两层. 上层元模型可以概括为“人员操纵设备执行过程,产生信息”. 在上层元模型的过程内部为下层元模型,概括为“信息驱动过程,过程改变状态”.注意下层元模型中,座舱设备处于检查程序的外部,这是因为同样的座舱设备也会出现在其他过程中.例如座舱内部检查时,测试面板上的皮托管加热开关位于关的位置,在开车后,该开关又分别位于加热、测试和关的位置.

图2 飞行检查的OPM 元模型Fig.2 The OPM meta-model of flight check procedure

3 检查程序的OPM 模型

在元模型的基础上建立检查程序的OPM 军事概念模型步骤如下.

第1 步,建立顶层模型. 如图3 所示,顶层模型可以表述为飞行员操纵F-16C 飞机座舱设备,执行飞行前检查,产生完成检查的信息.

第2 步,逐层细化F-16C 飞机座舱设备模型. F-16C 飞机座舱设备包括左控制台、左辅助控制台、仪表板、右辅助控制台、右控制台5 个物理对象,这是物理对象第二层,如图4（a）所示. 以右控制台举例,细化后它包括传感器电源面板、平显控制面板、航电电源面板等,这是物理对象第3 层,如图4（b）所示.以传感器电源面板举例,细化后它包括左挂点开关、右挂点开关、雷达高度计开关、火控雷达开关,这是物理对象第4 层. 以雷达高度计开关举例,它是一个三位开关,即有关、待机、雷达高度3 个状态,物理对象第4 层如图4（c）所示.

第3 步,逐步细化飞行前检查过程并建立联系.按照检查程序,飞行前检查包括座舱内部检查、开车前检查、开车、开车后检查、滑行前检查等过程组成,这是第2 层. 这些检查均需要细化,所以无需在这一层说明座舱设备状态的变化,每完成一个检查程序,就会产生对应的信息,驱动下一步检查程序,这个信息存在于飞行员认知中,可以不需要,过程第2 层如图5（a）所示. 以开车后检查举例,它包括检查测试面板、检查航电电源面板、惯导寻北等过程,这是第3 层. 这些过程中有的无需细化,例如惯导寻北的过程将惯导旋钮的状态由关改变为常规校准,过程第3 层如图5（b）所示. 第3 层有些过程需要继续细化,例如检查测试面板和启动航电设备,那么按照过程第2 层处理,它们的细化过程分别如图5（c）和图5（d）所示,注意图5（c）将飞行员观察到的灯光亮和灭作为信息,驱动下一步程序,当然这里也可以建立“皮托管过热注意灯”的物理对象,拥有“亮”和“灭”两个状态,“将皮托管加热开关拨到测试位置”这一过程与“亮”的状态连接. 如果这样处理,就需要逐一建立座舱所有灯光的物理对象及其所属状态,因为“按下故障与舱内灯光测试按钮”这一过程将点亮座舱内所有灯光. 如果采用信息,那么飞行员只需要扫视座舱,确认所有灯光点亮,在认知中生成“舱内所有灯光亮起”的信息. 这样处理有助于让本文更加易读. 作为对比,图5（d）中“启动航电设备”这一过程会分别将“主任务计算机开关”、“挂点电源开关”、“多功能显示器开关”等物理对象的状态更改为“开”,驱动过程的信息并不必要. 因此,在建立过程与状态、信息之间的联系时并无定论,有一定的灵活性.

图5 F-16C 飞行检查程序OPM 模型示例Fig.5 An example of OPM model of F-16C flight procedure

第4 步,验证模型. 一方面,利用OPCAT 4.2 的推演功能,可以观察整个军事概念模型的活动、信息、状态之间的转换,通过推演、修改、再推演迭代,确保模型合理正确. 另一方面,利用数字战斗模拟世界F-16C 模组这一桌面模拟飞行软件,同座舱设备交互,可以直观了解和体验飞行前检查程序,为建模提供支撑.

与已有的多种军事概念模型相比,飞行员依照检查单执行飞行前检查程序是一个小场景,参与的对象仅有F-16C 飞机和飞行员. 它也是一个特殊的场景,以规则对作战活动的约束为侧重点,其OPM军事概念模型突出检查程序这一活动与座舱设备状态之间的关系. 对这类场景建立军事概念模型,丰富了OPM 军事概念模型开发实践案例,在人工智能技术集成运用的作战实验探索中,起到使技术运用更符合作战规则的作用.

4 结论

军事概念模型是理技融合的桥梁,在缩短杀伤链闭合时间的作战实验探索中,为了使集成技术的运用更加贴近作战场景,需要重视规则对作战活动的约束. F-16C 飞机检查单作为其作战运用的规则之一,被当作为案例开发OPM 军事概念模型.

本文分析了检查程序和座舱设备,提出“人员操纵设备执行过程,产生信息”和“信息驱动过程、过程改变状态”两层元模型.

在元模型基础上建立并验证了检查程序的军事概念模型. 其中,座舱设备的模型仅需关注组成关系,用于驱动不同检查程序的信息则可以根据实际取舍,通过推演功能使模型合理,而在模拟飞行软件中能够直观体验检查程序,支撑模型开发.

建立飞机检查单的OPM 军事概念模型以规则对作战活动的约束为侧重点,突出活动和状态的关系,与其他军事概念模型相比,是一个具体而特殊的小场景,丰富了OPM 军事概念模型开发实践案例,能使先进技术集成运用更符合作战规则.