作战任务分解策略与规范化描述方法研究*

常 青,刘德生,杨 阳

(航天工程大学复杂电子系统仿真重点实验室,北京 101416)

现代战争是信息化条件下的体系对抗,多作战域协同、多作战任务并发、多作战要素耦合已经成为新的作战形态,使得作战任务更加复杂。作战任务代表作战力量的作战目标和责任使命,是指挥决策的基本依据[1]。同时,作战任务是指挥员作战意图的宏观体现,需要进一步地详细分解和解释,通过将上级的意图抽象化为具体要求,并分解为各级子任务,最终获得能被作战单元直接理解并执行的元任务。任务分解作为作战方案决策流程的重要步骤,是将上级的意图抽象化为具体要求,最终获得能被作战单元直接理解并执行的元任务的过程。目前,作战任务分解主要存在两方面的困难:1)作战任务分解的精细程度,即分解颗粒度,过粗的分解颗粒度可能会导致作战单元无法准确理解,过细则会延长决策时间,影响作战任务执行;2)分解过程可能会导致作战任务失真,分解后得到的元任务无法完全涵盖原有作战任务或含义出现偏差,需要规范化描述。

作战任务的执行过程充满不确定性,对作战任务进行合理的分解和规范化描述是提升任务规划效率,保证任务完成质量的重要前提。针对作战任务的分解问题,彭亚飞[2]提出了基于“功能-任务”二元需求关系的分解方式,以功能需求为导向确定航天任务的分解颗粒度。董涛[3]提出了基于有向网络图的分解方式,以末段反导任务建立了作战任务属性数据表,进一步细化了反导作战任务。耿松涛[4]提出了基于扩展层级网络的分解方式,构建了作战能力需求列表和电子对抗任务列表,结合任务分解实施算法,根据能力需求获得相应的元任务列表。

本文以作战任务分解的概述为切入点,明确分解原则,提出了基于“霍尔三维结构”的作战任务分解策略,分解颗粒度细化至作战主体,更加贴合元任务定义。然后分别从元任务的属性和关系角度对元任务进行规范化描述,实现作战任务的分解以及规范化描述。本文提出的作战任务分解和规范化描述方法,在分解策略和流程方面更符合系统工程的思想,更适合解决复杂的作战体系的使命分解。

1 作战任务分解

作战任务的执行过程是一个复杂的系统过程,包含多个作战阶段、作战行动以及作战对象,执行各分支任务的作战力量也不尽相同;同时,作战任务又是宏观抽象的,一般不能直接交予具体的作战单元执行,需要对作战任务进行逐层分解,获得可直接由作战单元执行的子任务序列。

1.1 作战任务分解概述及原则

作战任务的分解作为作战方案制定的基础要素,一直被学者所重视。分解作战任务的方法是多样的,但其目的都是将作战任务按照一定的规则,分解成相对独立的元任务,并且全体元任务目标的集合一定能包含原作战任务的任务目标。作战任务的分解如图1所示。

图1 作战任务分解示意图Fig.1 Schematic diagram of operational mission decomposition

定义1:作战任务。作战任务作为指挥作战的基本依据,通常由指挥员根据战场态势、上级意图、作战样式等作战因素综合研判得出,并以命令或指令的形式下达。通常作战任务是较为宏观、模糊的,任务规划人员需要在理解上级意图的基础上,对作战任务进行详细分解、描述和完善。

定义2:子任务。子任务由作战任务分解获得,可以继续分解为其他子任务或元任务。

定义3:元任务。元任务是指无法进行分解或颗粒度达到要求的子任务,可以由作战单元直接执行,是构成作战任务的最基本的任务。

定义4:任务分解。按照一定的原则或策略,将作战任务进行细化和描述的过程,分解的最终结果是获得元任务清单。任务分解将某个抽象的复杂任务细化为多个更加精确、具体且相对独立的元任务,随着分解过程的进行,任务的颗粒度逐渐缩小,所包含的内容越具体、丰富[4]。

定义5:分解颗粒度。分解颗粒度是任务分解细化程度的度量,一般用元任务集合中最粗的颗粒度来表示。颗粒度若过粗,则导致任务分解过程不充分,作战单元难以理解;颗粒度过细,则会浪费不必要的计算资源和时间,甚至延误战机。

定义6:任务关系。作战任务执行过程中,各元任务之间存在复杂的交互关系,部分元任务的输入往往来自于其他元任务,执行过程由其他任务做支撑,这种任务间的协同关系称为任务关系。

作战任务的分解一般遵循以下原则:

1)层次性。作战任务的分解应具有层次性,以作战任务为顶点,自顶向下,逐层分解。

2)完整性。分解得到的各元任务应能完整描述原本的作战任务。

3)独立性。分解后得到的元任务之间应具有较高的区分度,能尽可能地区分作战力量的应用。

1.2 基于霍尔三维结构的分解策略

任务分解的方法有目标分解、过程分解、功能分解、域分解和混合分解等。选择不同的分解方法,会获得不同的元任务集合[3]。

霍尔三维结构由系统工程学家霍尔于1969年提出,目前被广泛应用于系统工业领域,目的是通过“时间维、逻辑维、知识维”三个维度构建解决复杂系统工程问题的体系。该体系主要分为七个阶段和步骤,将解决问题所需的知识贯穿于七个阶段和步骤中,最终形成一个解决复杂问题的全面方法[5]。

武器装备体系执行作战任务的过程是复杂系统工程问题,但作战任务本身并非系统工程问题,因此,并不能将霍尔三维结构直接应用于作战任务分解。然而,霍尔三维结构不仅是一种系统工程方法论,也是一种统一的思想方法,是形象描述系统工程研究的框架,因此,可以参考霍尔三维结构对作战任务进行三维结构的描述和分解。基于霍尔三维结构的作战任务分解框架如图2所示。

具体描述如下:

1)时间维。作战任务执行时,随时间顺序会产生任务类型、任务目标或任务活动等的变化,可以将作战任务按时间顺序划分为三个阶段:作战准备阶段、作战实施阶段以及作战结束阶段。

2)逻辑维。美国空军少校约翰·博伊德所提出的OODA作战理论可以清晰地描述整个体系的作战过程,即“观察(Observe)—判断(Orient)—决策(Decide)—执行(Act)”的一个闭合环路[6]。因此,可以将作战任务按照执行逻辑划分为四个环节:观察、判断、决策、执行。

3)活动维。作战活动指的是作战任务执行过程中具有原子性事务处理性质的活动单元[7]。与子任务、元任务等定义不同的是,作战活动是面向能力的活动单元,不受作战主体限制,一个作战活动的执行往往包含多个作战主体或装备。因此,当需要对一个作战任务进行分解时,直接以作战活动为参考进行分解得到的元任务颗粒度较大。本文以霍尔三维结构为参考,将作战任务按三个维度“时间-逻辑-活动”进行分解,解决了直接参考作战活动分解时得到元任务颗粒度较大的问题。

作战任务分解的主体思路是:以“时间-逻辑”形成的霍尔管理矩阵为基础,作战活动为主要对象,通过分析作战活动所在的作战时间阶段和作战逻辑环节,判断作战活动代表何种子任务。基于霍尔三维结构的作战任务分解流程步骤如下。

步骤1:霍尔管理矩阵构建。将时间维代表的三个任务阶段和逻辑维代表的四个作战环节结合起来,可以形成霍尔管理矩阵,如表1所示。矩阵中,时间维的每一阶段与逻辑维的每一环节所对应的点代表一项子任务。但此时的子任务并不完整,只包含了时间和逻辑两个维度上的含义,必须根据作战想定对其赋予具体的作战活动。

步骤2:作战活动确定。根据霍尔管理矩阵,将涉及的作战活动填入矩阵中。若矩阵中某元素并不涉及作战活动,则判断该子任务不存在;若矩阵中某元素涉及多个作战活动,则判断该子任务可继续分解。

步骤3:子任务确定。通过完善霍尔管理矩阵,明确作战活动所处的作战时间阶段和作战逻辑环节,可以获得子任务集。

步骤4:判断子任务是否可以继续分解,若是,则可将子任务定义为元任务并进行步骤5;否则,转步骤2。

步骤5:元任务规范化描述。此时获得的元任务只包含“时间-逻辑-活动”三种维度的描述,并不包含其他更加详细的元任务属性和关系,因此,需要根据规范化描述规则,形成包含元任务属性和关系的作战任务模型。

2 元任务描述

元任务的规范化描述是任务规划、作战方案制定、决策指令下达等活动的基础,是组织指挥作战的基本依据。元任务的规范化描述应包含任务定义、任务属性、任务指标以及任务关系,且必须具有通用性,以保证适应多种作战单元并能被不同的指挥决策人员理解。同时,元任务的规范化描述应具备全面性,要尽可能全面覆盖任务要素。

2.1 元任务属性规范化描述

杜伟伟[8]结合5W理论对作战任务进行规范化描述,本文针对其提出的描述方法进行了部分改善。

作战任务可针对任务名称、任务时间、任务空间、任务类型、任务主体、任务指标进行规范化描述。

因此,作战任务的规范化描述可表示为

Td=〈Ttype,Ttime,Tspace,Tsubject,Tindex〉

(1)

式中:Ttype为任务类型;Ttime为任务时间;Tspace为任务空间;Tsubject是任务主体;Tindex为任务指标。

任务类型Ttype是指作战任务在逻辑层面的分类。

Ttype=〈ptype,pname,pid〉

(2)

式中,ptype为类型名称,通常分为四个类别,即侦察预警、情报处理、指挥控制、响应执行;pname为任务名称,是作战任务描述的抽象简化;pid为任务编号,是区分任务的唯一标识。

任务时间Ttime是描绘任务时序关系的关键,是作战任务执行过程时间的体现。

Ttime=〈tsta,tend,tcon〉

(3)

式中,tsta为任务开始时间;tend为任务结束时间;tcon为任务持续时间。

任务空间Tspace是指任务目标所在的现实地理位置。

Tspace=〈stype,sxy〉

(4)

式中,stype为目标所处空间类型,包含陆上、水面、水下、空中、太空等各作战空间;sxy为目标坐标,本文为方便演示,将作战空间简化为二维平面,目标坐标简化为二维坐标,但实际作战过程中目标坐标是十分复杂的,根据作战背景的不同,所采取的参考系也不同。

任务主体Tsubject是指执行作战任务的主要装备和兵力。

Tsubject=〈uname,unumber〉

(5)

式中,uname为任务执行主体名称,unumber为任务需求数量。

任务指标Tindex是指任务对执行主体能力指标需求的情况,主要以需求向量的方式表示。

Tindex=〈i1,i2,…,in〉

(6)

式中,ik为第k个能力指标。

2.2 元任务关系规范化描述

1)元任务时序关系

在作战任务实施过程中,各元任务在时间维度上存在先后次序的关系。Allen[9]以区间代数作为工作流程时间关系的定义,同理,可以将作战任务时间维度上的次序关系定义为7种关系,如表2所示。

表2 作战任务时序关系Tab.2 Time Sequence of Operational Mission

2)元任务逻辑关系

除时序关系外,各元任务间还存在逻辑上的关系,例如,某些元任务存在与其对应的前置任务,因此,构建元任务关系时,还需要考虑逻辑层面。

①与-与关系。对于T1,T2∈T,存在关系rand_and(T1,T2),表示只有当任务集T1中所有任务均已完成后,任务集T2中的所有任务才能开始执行。

②与-或关系。对于T1,T2∈T,|T2|≥2,存在关系rand_or(T1,T2),表示只有当任务集T1中所有任务均已完成后,任务集T2中的部分任务才能开始执行。

③或-与关系。对于T1,T2∈T,|T1|≥2,存在关系ror_and(T1,T2),表示当任务集T1中部分任务完成后,任务集T2中的所有任务才能开始执行。

④或-或关系。对于T1,T2∈T,|T1|≥2∨|T2|≥2,存在关系ror_or(T1,T2),表示当任务集T1中部分任务完成后,任务集T2中的部分任务才能开始执行。

⑤循环关系。对于ti∈T,存在关系rloop(ti),表示当元任务ti完成后,后续的任务仍为其本身,陷入单任务循环。

3)元任务功能关系

各元任务间还存在功能上的关系,例如,某些元任务的执行需要其他任务进行信息或资源支持,因此,在构建元任务关系时,还需要考虑功能关系层面。

①依赖关系。对于ti,tj∈T,存在关系rdependent(ti,tj),表示元任务tj需要依靠ti提供信息、物质或效果才能执行。

②耦合关系。对于ti,tj∈T,存在关系rcouple(ti,tj),表示元任务ti和tj需要依靠彼此提供的信息、物质或效果才能执行。

③独立关系。对于ti,tj∈T,若元任务ti和tj彼此完全不需要对方提供任何支持就能执行,则称ti和tj二者独立,表示为rindependent(ti,tj)。

2.3 元任务规范化描述

通过以上对元任务属性和关系的描述,可以完成任务清单和任务网络的描述。任务清单是元任务的集合,侧重描述元任务自身属性,任务网络是元任务关系的集合,侧重描述元任务之间的各种关系。

任务清单可表示为

T=〈t1,t2,…,ti,…,tn〉

(7)

式中:ti为第i个元任务,n为元任务数。

任务网络可表示为

R=〈r1,r2,…,ri,…,rm〉

(8)

式中:ri为第i个元任务关系,m为元任务关系数。

3 应用示例

为了验证本文提出的作战任务分解法的可行性,以防空反导作战为例,对本文提出的方法进行案例验证。

3.1 作战想定

红方某区域遭受蓝方导弹空袭威胁,红方联合作战指挥部指挥各军兵种以及各战区部队进行联合反导作战,目的是保护区域目标安全,作战对象是蓝方空袭导弹。

3.2 作战流程

1)红方导弹预警卫星在预警监视区域进行搜索,通过系统搭载的红外传感器探测导弹火箭发动机尾焰,以此来判断是否为导弹发射。

2)红方导弹预警卫星发现监视区域内出现导弹发射行为,并进行探测和跟踪,将目标的特征数据进行识别,然后传至指挥决策系统。

3)指挥决策系统进行战场资源调度,并将进一步情报获取任务指令上注至侦察装备,各作战资源展开部署。

4)蓝方导弹穿过电离层,导弹预警卫星和空基、陆基预警雷达收集导弹的数量、运动参数、尾焰扰动情况等特征信息,并返回至情报融合系统。

5)情报融合系统将各情报收集系统获取的原始信息进行清洗融合,对比历史数据,进一步确定蓝方导弹的型号以降低虚警率,并对目标的弹道、飞行速度、弹头落地点、威胁等级等参数进行计算,然后将处理完成的情报信息发送至指挥决策系统。

6)指挥决策系统统筹分析所有来源的情报信息,结合红方各战区编队位置以及作战资源可用情况,制定作战方案,并向导航定位系统和火力打击系统下达作战指令。

7)导航定位系统根据目标引导信息,对目标进行跟踪并持续向指挥决策系统和火力打击系统回传目标实时弹道参数和速度信息。

8)火力打击系统接收命令,发射拦截弹,并根据制导系统回传的弹道参数以及拦截自身传感器的引导信息实时调整拦截弹航迹,最终拦截弹精确拦截来袭目标导弹。

9)天基、空基和陆基情报获取装备在整个拦截过程中搜集毁伤数据,并将情报信息实时传回指挥决策系统,指挥决策系统对作战方案进行更新,为下一个作战任务做准备。

3.3 作战任务分解

基于2.2节给出的作战任务分解策略以及分解步骤,对防空反导任务进行分解,得到霍尔管理矩阵如表3所示。

作战任务分解示意图和分解后得到的元任务清单如图3和表4所示。

表4 元任务清单Tab.4 List of meta missions

图3 防空反导任务分解示意图Fig.3 Schematic diagram of air defense and antimissile mission

根据作战流程,可以对元任务进行时间顺序上的分析,通过画出元任务时间轴能更加清晰地表示元任务间的时序关系。利用统一建模语言UML所提供的行为图建模方法,构建元任务时序关系图,元任务时间轴和元任务时序关系图如图4和图5所示。

图4 元任务时间轴图Fig.4 Meta missions timeline diagram

图5 元任务时序关系图Fig.5 Meta missions timing relation diagram

依据作战流程,结合3.2节所定义的元任务逻辑关系,构建元任务逻辑关系如图6所示。

图6 元任务逻辑关系图Fig.6 Logic relation diagram of meta missions

依据作战流程以及3.2节给出的元任务功能关系定义,利用IDEAF0建模方法画出元任务功能关系图,如图7和图8所示。

图7 元任务功能关系A-0层Fig.7 Meta missions function relation layer A-0

图8 元任务功能关系A-1层Fig.8 Meta missions function relation layer A-1

4 结束语

任务分解是作战方案制定的核心环节,构建合理的作战任务分解方法对制定辅助决策和加快作战进程具有重要意义。本文针对作战任务的分解问题,提出了基于霍尔三维结构的作战任务分解策略,从时间、逻辑、活动三个维度对作战任务进行分解。通过定义元任务属性规范化描述和元任务关系规范化描述,建立元任务清单和元任务网络。最后,通过实例验证了方法的有效性。