王新堯1, 曹云峰1, 孫厚俊2, 韋彩色1, 陶 江1

(1. 南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院, 江蘇 南京 210016;2. 洛陽電光設(shè)備研究所, 河南 洛陽 471000)

摘 要: 有人/無人機(jī)(manned/unmanned aerial vehicle, MAV/UAV)協(xié)同作戰(zhàn)是未來戰(zhàn)場中重要的空中作戰(zhàn)模式。由于MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系系統(tǒng)復(fù)雜、涉及作戰(zhàn)節(jié)點多,需從系統(tǒng)工程的角度對整體作戰(zhàn)體系進(jìn)行頂層設(shè)計,并采用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)框架對該體系結(jié)構(gòu)建模。首先,引入美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架(Department of Defense architecture framework, DoDAF),提出一種體系結(jié)構(gòu)快速開發(fā)方法,并給出開發(fā)步驟。然后,利用視圖模型,對MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系的系統(tǒng)功能、作戰(zhàn)任務(wù)活動、各作戰(zhàn)節(jié)點的信息交互及組織關(guān)系等建立模型。最后,通過動態(tài)仿真對模型進(jìn)行驗證。結(jié)果表明,所提作戰(zhàn)體系的執(zhí)行狀態(tài)與預(yù)期的作戰(zhàn)流程一致,體系結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,系統(tǒng)內(nèi)各作戰(zhàn)節(jié)點定義及信息體系結(jié)構(gòu)描述具備一致性和協(xié)調(diào)性。

關(guān)鍵詞: 美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架; 有人/無人機(jī); 協(xié)同作戰(zhàn); 體系結(jié)構(gòu)

0 引 言

在傳統(tǒng)戰(zhàn)場中,有人機(jī)(manned aerial vehicle, MAV)執(zhí)行攻擊、探測等作戰(zhàn)任務(wù)時,操作員往往需要承擔(dān)較大的人身安全風(fēng)險。而無人機(jī)(unmanned aerial vehicle, UAV)因其具有低成本、良好的隱身性能、強(qiáng)抗過載能力等優(yōu)勢,可以在惡劣環(huán)境下執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù),進(jìn)而消除MAV操作員執(zhí)行任務(wù)的風(fēng)險,該優(yōu)勢使其成為未來戰(zhàn)場一種重要軍事力量[1]。

對于UAV系統(tǒng)而言,為提高UAV系統(tǒng)性能和智能水平,使其能夠脫離多個操作員控制一架UAV的控制模式,需大幅提高UAV自主控制水平。目前,UAV自主化仍是UAV技術(shù)發(fā)展的主流方向之一[2]。然而,由于技術(shù)條件的限制,目前UAV的自主化程度還較低,根據(jù)美國國防部的《2005—2030 UAV系統(tǒng)路線圖》[3]給出的UAV自主等級劃分方式,美軍的“全球鷹” UAV也僅達(dá)到2級自主程度。另一方面,UAV自主能力的增強(qiáng)會導(dǎo)致更高的系統(tǒng)復(fù)雜度(如:脆性、不透明等問題),并由此可能引發(fā)更多的事故。同時,UAV自主行為存在監(jiān)督問題,違背機(jī)器倫理[4]。因此,在未來較長的時間內(nèi),MAV與UAV之間必將是相互補(bǔ)充而非取而代之的關(guān)系。

當(dāng)前,MAV與UAV協(xié)同作戰(zhàn)模式已成為UAV作戰(zhàn)運(yùn)用研究中的一大熱點。美國國防部在《2013—2038年無人系統(tǒng)綜合路線圖》[5]中強(qiáng)調(diào)了有人/無人系統(tǒng)在未來戰(zhàn)場應(yīng)用中的重要性。其重點研究方向主要包括:體系結(jié)構(gòu)設(shè)計[6-9]、協(xié)同任務(wù)智能規(guī)劃[10-15]、協(xié)同成像偵察[16]、作戰(zhàn)效能評估[17-19]、協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[20]等。其中,體系結(jié)構(gòu)設(shè)計是各國武器裝備頂層設(shè)計的重要手段[21]。

目前,國內(nèi)外針對MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系的相關(guān)研究較少,還處于起步階段。文獻(xiàn)[22]指出美軍在無人系統(tǒng)投入使用的初期,有人/無人系統(tǒng)在協(xié)同作戰(zhàn)中暴露出了行動盲目、組織混亂、控制不力等嚴(yán)重問題。為改善這一問題,在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方面,國內(nèi)外開展了大量研究。2015年,美國國防部高級研究計劃局(defense advanced research projects agency,DARPA)推進(jìn)了“體系綜合技術(shù)和試驗系統(tǒng)(system of systems integration technology and experimentation, SoSITE)”項目[6],該項目主要目的是重新整合空中作戰(zhàn)能力,分解MAV功能至大量小型UAV并實現(xiàn)平臺間的信息共享、協(xié)同配合等能力以形成分布式空中作戰(zhàn)體系[7],該項目聚焦靈活、開放的架構(gòu)設(shè)計技術(shù),開發(fā)用于新技術(shù)快速集成的體系架構(gòu)設(shè)計工具,但具體方法未見發(fā)表。國內(nèi)方面,文獻(xiàn)[8]采用高層體系結(jié)構(gòu)(high level architecture, HLA)作為MAV/UAV協(xié)同對地攻擊指揮決策的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)環(huán)境,從交互通信角度,建立MAV/UAV指揮決策體系結(jié)構(gòu),主要用于系統(tǒng)建模與仿真應(yīng)用中。文獻(xiàn)[9]采用北約指揮控制通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框架,從指揮、控制和通信角度描述MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu),設(shè)計了通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和指揮控制結(jié)構(gòu)。

然而,MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系組織復(fù)雜,包含了作戰(zhàn)人員、MAV系統(tǒng)和UAV系統(tǒng)。同時,MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系需要考慮許多要素,例如作戰(zhàn)、指揮、控制、通信等。此外,隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場無人系統(tǒng)智能化和UAV種類多樣化的發(fā)展,MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系至少還需要考慮兩點要素:無人系統(tǒng)的智能因素和作戰(zhàn)人員的人因因素。然而,上述文獻(xiàn)只專注于各自單一角度,所提出的MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系的體系結(jié)構(gòu)難以涵蓋所有要素,尤其是無人系統(tǒng)的智能因素和作戰(zhàn)人員的人因因素,因此缺乏擴(kuò)展性和適用性。另一方面,MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系日益龐雜的趨勢和對協(xié)同作戰(zhàn)的要求也導(dǎo)致了對其互操作性的需求[23],上述文獻(xiàn)提出的方法均難以滿足。而美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架(Department of Defense architecture framework, DoDAF)為建立統(tǒng)一的MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)提供了可能。

因此,本文從頂層設(shè)計理念出發(fā),設(shè)計一種基于DoDAF的MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu),該設(shè)計將作戰(zhàn)體系統(tǒng)一在同一個體系結(jié)構(gòu)框架下,給出MAV/UAV協(xié)同對空作戰(zhàn)指揮控制鏈的頂層、全面的描述。結(jié)合DoDAF的元模型(DoDAF meta-model, DM2)提出一種快速開發(fā)體系結(jié)構(gòu)的方法,并基于DM2編寫綜合字典,解決了內(nèi)/外部理解不統(tǒng)一的問題,以提高不同系統(tǒng)、不同部門的互操作性,實現(xiàn)高效聯(lián)合作戰(zhàn)的目的,為未來實現(xiàn)跨域作戰(zhàn)打下基礎(chǔ)。此外,為了滿足不同自主等級的UAV和操作員狀態(tài)的作戰(zhàn)需求,在設(shè)計體系結(jié)構(gòu)時考慮了UAV的自主程度和操作員狀態(tài)對作戰(zhàn)模式的影響,對傳統(tǒng)的指揮作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擴(kuò)展,以適應(yīng)未來智能化戰(zhàn)場需求。

1 基于DoDAF的體系結(jié)構(gòu)建模方法

1.1 DoDAF概述

自2003年,自動化指揮系統(tǒng)(command、control、communication、computer、intelligence、surveillance and reconnaissance, C4ISR)架構(gòu)規(guī)范2.0版重新改寫為DoDAF 1.0版后,得益于該架構(gòu)的適用性不再受限在C4ISR范圍,而是擴(kuò)大至所有任務(wù)領(lǐng)域,使得DoDAF在軍事系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用[24-25],并逐漸成為武器裝備需求描述的建模標(biāo)準(zhǔn)[26]。2010年,頒布了最新的DoDAF 2.02版本,相比于早年的1.0版和1.5版,2.02版的核心從架構(gòu)產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到架構(gòu)數(shù)據(jù),并將核心架構(gòu)數(shù)據(jù)模型替換為DM2[27]。DM2主要提供邏輯數(shù)據(jù)模型、物理交換規(guī)范和概念數(shù)據(jù)模型,根據(jù)用戶需求收集組織數(shù)據(jù),并以此數(shù)據(jù)群為牽引,開發(fā)與數(shù)據(jù)映射的產(chǎn)品模型,為實現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的集成和描述系統(tǒng)內(nèi)部之間信息的語義一致性奠定了基礎(chǔ)[28]。

DoDAF 2.02版是一種頂層的框架,在該框架中定義了一種表示聯(lián)盟體系結(jié)構(gòu)的方法——視圖模型。視圖模型有8個,如圖1所示。

圖1 DoDAF 2.02視圖

Fig.1 DoDAF 2.02 viewpoint

該模型包括全景視圖(all viewpoint, AV)，數(shù)據(jù)與信息視圖(data and information viewpoint, DIV),標(biāo)準(zhǔn)視圖(standards viewpoint, StdV)，項目視圖(project viewpoint, PV),作戰(zhàn)視圖(operational viewpoint, OV),能力視圖(capability viewpoint, CV),服務(wù)視圖(services viewpoint, SvcV)和系統(tǒng)視圖(systems viewpoint, SV)[27]。

1.2 基于DoDAF的體系結(jié)構(gòu)建模步驟

本文采用7個DM2數(shù)據(jù)組設(shè)計了MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu),主要包括:活動(Activity),能力(Capacity),信息(Information),資源流(Resource),執(zhí)行者(Performer),規(guī)則(Rule)和度量(Measure)。分別簡寫為:A,C,I,R,P,Ru,M。每個視圖均為一個集合,其元素是DM2數(shù)據(jù)組,例如:MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)視圖模型的OV-1和OV-2視圖集合表示為OV-1={P,I}和OV-2={P,I,R}。

為得到MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)的視圖模型建模步驟,在建立MAV/UAV作戰(zhàn)的DoDAF體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品過程中需遵循以下4個原則,其優(yōu)先級按以下順序排列。

原則 1 先活動后系統(tǒng)。本文將DoDAF的8個視圖劃分為3大類:活動類,系統(tǒng)類和輔助類,如圖2所示。其中,本文建立MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)的DoDAF體系結(jié)構(gòu)主要涉及到活動類視圖和系統(tǒng)類視圖,按照先建立活動類視圖子再建立系統(tǒng)類視圖的原則進(jìn)行開發(fā)。

原則 2 由靜態(tài)到動態(tài)再到映射。DoDAF模型可劃分為7種類別:表格型、結(jié)構(gòu)型、行為型、映射型、本體型、圖片型和時間進(jìn)度型。其中,行為型模型是對體系結(jié)構(gòu)的動態(tài)行為特征進(jìn)行描述。映射型模型提供了兩種不同類型信息間的映射。其他類型的模型主要對體系結(jié)構(gòu)元素及其關(guān)系的靜態(tài)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行建模。本文主要將模型分為靜態(tài)模型、動態(tài)模型和映射模型,按照先建立靜態(tài)模型再建立動態(tài)模型,最后建立映射模型的原則開發(fā)MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)的DoDAF體系結(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖2 DoDAF模型分類
Fig.2 DoDAF model classification

由于圖2中輔助類未包含在本文研究范圍,因此輔助類中的視圖模型不作詳細(xì)分類,僅在活動類和系統(tǒng)類視圖中進(jìn)一步將視圖模型進(jìn)行分類。

原則 3 模型關(guān)系約束。文獻(xiàn)[29]給出了模型的約束關(guān)系,主要由DM2決定。本文為實現(xiàn)快速建模,避免復(fù)雜耦合關(guān)系,只考慮其中兩種顯而易見的情況:當(dāng)視圖集合中沒有元素重疊時,認(rèn)為視圖之間無明顯關(guān)聯(lián),此時不考慮其開發(fā)順序;當(dāng)視圖B依賴于視圖A時,則先開發(fā)視圖A,例如OV-2視圖均依賴于OV-1,因此首先開發(fā)OV-1。該原則的主要目的是在已分類模型組的基礎(chǔ)上進(jìn)一步確定該類模型的開發(fā)順序。

原則 4 協(xié)同關(guān)系反復(fù)迭代構(gòu)建。當(dāng)模型之間存在互相協(xié)同的關(guān)系時,則同時開發(fā)并迭代修改,如AV-2與CV-1、OV-1和AV-1,該反復(fù)迭代貫穿整個開發(fā)過程。

步驟 1 依次建立AV-1、CV-1、AV-2和OV-1,明確體系總體框架。

步驟 2 建立OV-4,明確組織背景、成員和之間關(guān)聯(lián)。

步驟 3 建立OV-2,描述作戰(zhàn)活動的資源交換;同時建立資源和資源交換的相關(guān)屬性描述矩陣模型OV-3。

步驟 4 建立CV-2,給出體系結(jié)構(gòu)需要的所有能力;在此基礎(chǔ)上建立OV-5a,將作戰(zhàn)活動標(biāo)識和分解。

步驟 5 建立CV-3和CV-4,規(guī)劃實現(xiàn)的能力,定義能力與邏輯分組間的依賴關(guān)系;建立CV-5,給出階段性的能力部署和互連,形成該階段的規(guī)劃方案;建立OV-5b,基于能力與活動、輸入、輸出間的關(guān)系建立作戰(zhàn)活動模型。

步驟 6 建立OV-6a,確定作戰(zhàn)約束規(guī)則;建立OV-6b和OV-6c描述作戰(zhàn)活動對時間序列的響應(yīng)。

步驟 7 建立CV-6,通過建立映射矩陣實現(xiàn)能力需求到作戰(zhàn)行動的追蹤,以展示特定作戰(zhàn)行動需要哪些具體的能力元素。

步驟 8 建立SV-4對系統(tǒng)功能和系統(tǒng)功能間的數(shù)據(jù)流進(jìn)行描述。

最終,得到如圖3所示的MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)序列。

圖3 MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)序列
Fig.3 Architecture development sequence of MAV/UAV cooperative combat system

2 MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)模型

MAV/UAV執(zhí)行的協(xié)同空空打擊任務(wù)是具有多控制節(jié)點、多階段協(xié)同行動特點的一種典型任務(wù),本文以協(xié)同作戰(zhàn)這一新的作戰(zhàn)形式為背景,分析MAV/UAV完成對空作戰(zhàn)任務(wù)所需的動態(tài)行為和結(jié)構(gòu)特征,建立體系結(jié)構(gòu)模型。由于篇幅限制,本文只展示部分關(guān)鍵體系結(jié)構(gòu)模型。

2.1 構(gòu)建綜合字典

綜合字典AV-2是體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)存儲庫,以分層方式采用文本的形式對體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和術(shù)語進(jìn)行定義。本文的AV-2包括DM2中的元素,以及由體系結(jié)構(gòu)描述引入的新元素,實現(xiàn)了跨體系結(jié)構(gòu)描述的一致性,以便體系結(jié)構(gòu)模型的開發(fā)、驗證、維護(hù)和重用。構(gòu)建MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系的綜合字典過程中,對MAV控制UAV的能力和UAV自主性能數(shù)據(jù)的收集和定義是有別于其他作戰(zhàn)體系的重要要素。

(1) 能力。針對MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)的作戰(zhàn)任務(wù)要求,確定和分析系統(tǒng)核心能力,主要包括:數(shù)據(jù)處理能力、通信能力、航跡規(guī)劃能力、態(tài)勢感知能力、任務(wù)管理能力、資源管理能力、飛行員作戰(zhàn)能力和MAV控制UAV的能力。

(2) 人員。在MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)中,主要包含:總指揮控制所,負(fù)責(zé)整體統(tǒng)籌規(guī)劃和協(xié)調(diào)、制作總體作戰(zhàn)計劃,為飛行員及其他協(xié)作人員和部門發(fā)布作戰(zhàn)任務(wù)和指令,擁有最高指揮控制權(quán)限;地面控制站,與MAV協(xié)同控制UAV,主要負(fù)責(zé)控制UAV起飛和降落過程;通信部門,包括地面通信站和通信衛(wèi)星,保障各部門的通信鏈路;UAV,負(fù)責(zé)執(zhí)行探測和攻擊任務(wù)。

(3) 活動。作戰(zhàn)活動主要包括:UAV起飛、UAV巡航至作戰(zhàn)區(qū)、UAV協(xié)同探測、MAV巡航至作戰(zhàn)區(qū)、作戰(zhàn)計劃離線制定、作戰(zhàn)計劃在線制定、UAV協(xié)同攻擊、作戰(zhàn)效果評估、UAV返航等。

(4) 資源流。資源流是活動之間暫時的且會引起信息、數(shù)據(jù)、物資、執(zhí)行者等對象的流動或互換。主要包括:作戰(zhàn)計劃信息指令、指揮指令、情報信息、態(tài)勢信息共享、UAV指揮控制信息、導(dǎo)航信息、攻擊指令等。

(5) 規(guī)則。本文的規(guī)則數(shù)據(jù)主要針對UAV的活動約束,包括UAV飛行速度、故障情況下的飛行策略等。

(6) 度量。度量數(shù)據(jù)主要包括:UAV成本、UAV能力等級、UAV與MAV互操作性、傳感器性能,武器性能、UAV性能、通信鏈路性能等。

(7) 信息。對活動實施過程中相關(guān)和所需事物的表述。例如:紅藍(lán)雙方數(shù)量信息等。

至此,已經(jīng)初步得到了MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。值得注意的是,每個模型并不需要包含所有的元素,一般情況下,模型中只有一部分元素是必須包含的,其余元素均是可選擇的。

2.2 高級作戰(zhàn)概念圖

高級作戰(zhàn)概念圖OV-1以圖像和文字的形式直觀描繪頂層作戰(zhàn)設(shè)想,展現(xiàn)了作戰(zhàn)目的和架構(gòu),以及體系結(jié)構(gòu)和外部系統(tǒng)的相互作用。本文OV-1的主要元素包括人員和資源流,明確了作戰(zhàn)概念,強(qiáng)調(diào)了MAV/UAV與外部環(huán)境和其他系統(tǒng)的相互作用。OV-1是AV-1概覽和摘要信息書面內(nèi)容的圖形化表示,根據(jù)AV-1的綜合描述,繪制高級作戰(zhàn)概念圖OV-1,如圖4所示。

圖4 高級作戰(zhàn)概念圖OV-1
Fig.4 OV-1: high-level operational concept diagram

總指揮控制站指揮引導(dǎo)MAV飛行,發(fā)布總?cè)蝿?wù)給MAV和其他系統(tǒng)。UAV地面指揮站控制UAV飛至聚集點匯集,將UAV指揮控制權(quán)限轉(zhuǎn)交給MAV指揮員,并保留對UAV工作狀態(tài)和飛機(jī)路徑的監(jiān)視權(quán)。在作戰(zhàn)任務(wù)執(zhí)行過程中,MAV與UAV需要執(zhí)行協(xié)同探測(協(xié)同態(tài)勢感知、協(xié)同目標(biāo)跟蹤、協(xié)同目標(biāo)定位)、協(xié)同攻擊(協(xié)同火力攻擊、協(xié)同路徑規(guī)劃)、核實評估(協(xié)同戰(zhàn)場評估)等多個任務(wù)。

2.3 組織關(guān)系圖

組織結(jié)構(gòu)圖OV-4用于描述作戰(zhàn)節(jié)點、組織和人員之間的指揮結(jié)構(gòu)、指揮關(guān)系或其他關(guān)系。圖5給出了MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系的組織關(guān)系。根據(jù)綜合詞典AV-2關(guān)于執(zhí)行者的體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),作戰(zhàn)組織節(jié)點主要包括UAV地面指揮站、預(yù)警系統(tǒng)、情報支援系統(tǒng)、通信保障系統(tǒng)、總指揮控制中心、MAV和UAV平臺,其關(guān)系用連接線標(biāo)記,主要是協(xié)同關(guān)系和指揮控制關(guān)系。

圖5 組織關(guān)系圖OV-4
Fig.5 OV-4: organizational relationship diagram

2.4 資源流圖

資源流圖OV-2是用來描述資源流的邏輯模式,資源流可包括信息流、資金、人員和物資流。本文資源流圖OV-2如圖6所示,主要描述了MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)過程中數(shù)據(jù)、信息、物理流和作戰(zhàn)人員的邏輯模式,展示了執(zhí)行作戰(zhàn)活動的結(jié)構(gòu)。資源流圖OV-2中節(jié)點和節(jié)點之間用需求線連接。其中,需求線表明系統(tǒng)之間資源交換的需求和資源流向。

圖6 作戰(zhàn)資源流圖OV-2
Fig.6 OV-2: operational resource flow diagram

2.5 作戰(zhàn)活動模型

作戰(zhàn)活動模型OV-5b主要描述作戰(zhàn)活動之間的關(guān)系和資源交換過程。如圖7所示,基于MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系資源結(jié)構(gòu)和能力的需求,創(chuàng)建作戰(zhàn)活動圖OV-5b,通過描述活動間輸入輸出流,進(jìn)一步明確了作戰(zhàn)節(jié)點的職責(zé),對作戰(zhàn)活動和活動關(guān)系給出了規(guī)范性描述。總指揮控制中心發(fā)布總體任務(wù)給UAV地面指揮站和MAV;UAV地面指揮站提供UAV離線任務(wù)規(guī)劃并控制UAV起飛;MAV和UAV巡航飛至作戰(zhàn)區(qū)時,MAV開始在線任務(wù)規(guī)劃,指揮控制UAV協(xié)同探測和攻擊,評估作戰(zhàn)效果。

2.6 事件跟蹤描述

為了充分描述體系結(jié)構(gòu)的動態(tài)行為和事件特征,在OV-5b基礎(chǔ)上,創(chuàng)建OV-6a作戰(zhàn)規(guī)則模型,利用OV-6c和OV-6b描述作戰(zhàn)活動的關(guān)鍵時序和行為順序。其中,OV-6c主要描述節(jié)點間因果順序關(guān)系對外界觸發(fā)的響應(yīng)。本文采用順序圖來表示事件跟蹤描述OV-6c,如圖8所示。節(jié)點包括:總指揮控制中心、UAV地面指揮站、MAV、UAV和藍(lán)方戰(zhàn)機(jī)。

圖7 作戰(zhàn)活動模型OV-5b
Fig.7 OV-5b: operational activity model

2.7 作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述

作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述OV-6b采用狀態(tài)圖來實現(xiàn),其主要目的是強(qiáng)調(diào)各個作戰(zhàn)節(jié)點的動態(tài)行為。在MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)的各個環(huán)節(jié)中,UAV協(xié)同作戰(zhàn)過程是整個作戰(zhàn)的核心環(huán)節(jié),本文以進(jìn)入作戰(zhàn)狀態(tài)后的UAV作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述和MAV作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述為例,建立如圖9和圖10所示的OV-6b。其中,UAV自主能力是根據(jù)美國《UAV系統(tǒng)路線圖2005—2030》定義的,UAV自主等級分為9級:1級-遠(yuǎn)程引導(dǎo);2級-實時故障診斷;3級-故障自修復(fù)和飛行環(huán)境自適應(yīng);4級-機(jī)載航路重規(guī)劃;5級-多機(jī)協(xié)調(diào);6級-多機(jī)戰(zhàn)術(shù)重規(guī)劃;7級-多機(jī)戰(zhàn)術(shù)目標(biāo);8級-分布式控制;9級-機(jī)群戰(zhàn)略[3]。作戰(zhàn)人員可根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)對UAV自主等級的要求,確定UAV啟動全自主模式的條件。

圖8 事件跟蹤描述OV-6c
Fig.8 OV-6c: event-trace description

3 體系結(jié)構(gòu)模型驗證

本文仿真實驗驗證的目的,一是檢測提出的各組件功能是否能夠協(xié)同工作;二是在本文提出的應(yīng)用背景下,檢測體系結(jié)構(gòu)模型功能的完整性。

基于以上目的,在仿真平臺選擇方面,鑒于IBM Rational Rhapsody平臺可基于UML/SysML建模語言和國防統(tǒng)一建模平臺配置文件建立可執(zhí)行模型并運(yùn)行,支持作戰(zhàn)視圖中用活動圖、序列圖、狀態(tài)圖實現(xiàn)OV-5、OV-6c、OV-6b等模型的測試和仿真,為驗證本文體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與模型提供良好的驗證途徑。因此,在前文體系設(shè)計基礎(chǔ)上,利用Rhapsody驗證MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)模型,設(shè)置環(huán)境為微軟VC運(yùn)行庫(Microsoft Visual C++, MSVC)環(huán)境。

仿真中設(shè)置MAV與UAV作戰(zhàn)模式為單架MAV攜兩架UAV執(zhí)行攻擊兩個目標(biāo)物的作戰(zhàn)任務(wù),且每架UAV分別攜帶兩枚導(dǎo)彈。UAV工作模式分為半自主模式與全自動模式。其中,全自主模式是指UAV自主能力等級足夠支持其自主完成任務(wù),UAV將全自主完成作戰(zhàn)任務(wù);半自主模式是UAV在MAV的指揮控制下完成作戰(zhàn)任務(wù),MAV可根據(jù)UAV自主能力和作戰(zhàn)任務(wù)需求,只發(fā)送必要指令。本實驗假定作戰(zhàn)任務(wù)要求UAV自主能力不小于5級,當(dāng)UAV自主能力到達(dá)6級時,可實現(xiàn)UAV全自主完成作戰(zhàn)任務(wù)。圖11主要為操作員顯示當(dāng)前UAV攜帶導(dǎo)彈數(shù)量、攻擊目標(biāo)、態(tài)勢信息[30]、任務(wù)狀態(tài)等信息。

圖9 UAV作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述OV-6b
Fig.9 OV-6b: UAV combat state transition description

圖10 MAV作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述OV-6b
Fig.10 OV-6b: MAV combat state transition description

圖11 MAV指揮控制界面
Fig.11 MAV command and control interface

在模型可執(zhí)行驗證方面,對體系結(jié)構(gòu)模型編譯,利用代碼生成、編譯、運(yùn)行方式檢測設(shè)計的模型和數(shù)據(jù)的形式化語法,編譯成功則表明語法正確,才能生成可執(zhí)行程序。功能驗證主要通過OV-6b和OV-6c的對比來檢驗,在狀態(tài)圖OV-6b運(yùn)行的同時,打開事件跟蹤描述OV-6c的仿真圖,可得到OV-6c的仿真結(jié)果,如果該仿真結(jié)果與預(yù)期設(shè)計的OV-6c一致,說明了模型功能描述的一致性和正確性[31]。圖12的序列圖是由在Rhapsody平臺編輯的各個狀態(tài)圖自動生成,圖13的UAV作戰(zhàn)狀態(tài)圖是其中之一,主要反映MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)過程中總指揮控制中心、UAV地面指揮站、MAU和UAV之間的行為和響應(yīng)順序,其中六邊形表示狀態(tài),實線表示信息。

通過圖12的仿真序列圖與圖8的期望視圖OV-6c對比,可以看到:

(1) 在初始規(guī)劃階段,圖8中,總指揮控制中心執(zhí)行了創(chuàng)建任務(wù)、規(guī)劃任務(wù)動作,并分別發(fā)布任務(wù)和任務(wù)規(guī)劃信息給UAV地面指揮站和MAV,UAV地面指揮站規(guī)劃UAV航跡,MAV開始巡航。圖12中,總指揮控制中心執(zhí)行創(chuàng)建任務(wù),轉(zhuǎn)入任務(wù)規(guī)劃狀態(tài),分別發(fā)送任務(wù)及規(guī)劃信息給UAV地面指揮站和MAV,使得UAV地面指揮站轉(zhuǎn)入航跡規(guī)劃狀態(tài)引導(dǎo)UAV進(jìn)入巡航狀態(tài),MAV進(jìn)入任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)。在該階段,二者流程一致。

(2) 在探測階段,圖8中,UAV開始探測并發(fā)現(xiàn)目標(biāo),將目標(biāo)信息發(fā)送給MAV,MAV進(jìn)行態(tài)勢分析。圖12中,UAV在巡航過程中執(zhí)行探測任務(wù),當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時,將目標(biāo)信息反饋給MAV,MAV進(jìn)入作戰(zhàn)任務(wù)模式狀態(tài),執(zhí)行態(tài)勢分析。在該階段,二者流程一致。

圖12 MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)序列圖
Fig.12 MAV/UAV cooperative combat sequence diagram

圖13 單架UAV作戰(zhàn)狀態(tài)圖
Fig.13 Single UAV combat status diagram

(3) 在MAV決策階段,圖8中,MAV發(fā)給UAV啟動攻擊任務(wù)模式的信息,UAV等待MAV進(jìn)一步指令,MAV進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃并將結(jié)果發(fā)送給UAV。圖12中,MAV發(fā)布啟動指令通知UAV從巡航轉(zhuǎn)入攻擊作戰(zhàn)狀態(tài),UAV此時處在攻擊的子狀態(tài)，即等待MAV目標(biāo)分配結(jié)果狀態(tài)中;MAV進(jìn)入任務(wù)規(guī)劃狀態(tài),得到攻擊目標(biāo)指令發(fā)送給UAV。在該階段,二者流程一致。

(4) 在攻擊階段,圖8中,UAV接受攻擊目標(biāo)身份信息后,執(zhí)行打擊。圖12中,UAV收到攻擊目標(biāo)指令后,開始飛行控制狀態(tài);達(dá)到占位點后,進(jìn)入發(fā)射制導(dǎo)武器狀態(tài);發(fā)射完畢后,發(fā)送當(dāng)前攻擊結(jié)束信息給MAV。在該階段,圖12將圖8的執(zhí)行打擊過程進(jìn)一步細(xì)化,但二者流程仍保持一致。

(5) 在評估階段,圖8中,MAV發(fā)送評估指令給UAV,UAV執(zhí)行評估,之后返回評估報告,MAV向總指揮控制中心報告當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)。圖12中,MAV處于處理UAV的請求信息狀態(tài),并發(fā)布評估指令通知UAV對攻擊效果進(jìn)行評估,UAV執(zhí)行評估任務(wù)并返回評估報告和評估任務(wù)結(jié)束信息,MAV將任務(wù)狀態(tài)信息發(fā)送給總指揮控制中心。在該階段,二者流程一致。

綜上所述,該仿真結(jié)果與設(shè)計的預(yù)期作戰(zhàn)流程OV-6c保持一致,因此MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

4 結(jié) 論

本文基于以數(shù)據(jù)為中心的設(shè)計思想和DM2的開發(fā)方法,在DoDAF 2.02框架下,提出一種快速體系結(jié)構(gòu)開發(fā)方法,確定了體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)步驟,并從作戰(zhàn)角度構(gòu)建了MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)模型。該模型能夠全面地描述MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)頂層體系結(jié)構(gòu),可以提高不同系統(tǒng)、不同部門的互操作性,最終實現(xiàn)高效聯(lián)合作戰(zhàn)目的。此外,針對MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系的特殊性,建立的體系結(jié)構(gòu)模型考慮了無人系統(tǒng)的智能因素和作戰(zhàn)人員的人因因素,使其適應(yīng)未來智能化戰(zhàn)場的需求。最后,基于IBM Rational Rhapsody平臺驗證了作戰(zhàn)活動的邏輯關(guān)系和行為關(guān)系的正確性。

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Modeling for cooperative combat system architecture of manned/unmanned aerial vehicle based on DoDAF

WANG Xinyao1, CAO Yunfeng1, SUN Houjun2, WEI Caise1, TAO Jiang1

(1. College of Astronautics, Nanjing University of Aeronautics andAstronautics, Nanjing 210016, China;2. Luoyang Institute of Electro-optic Equipment, Luoyang 471000, China)

Abstract: Manned/unmanned aerial vehicle (MAV/UAV) cooperative combat is an important air combat mode in the future battlefield. Due to the complexity of the system and many involved operational nodes for the MAV/UAV cooperative combat system, it is necessary to carry out top-level design for the entire combat system from the perspective of system engineering and adopt a unified structural framework to model the system architecture. Firstly, the Department of Defense architecture framework (DoDAF) is introduced. An system architecture rapid development procedure is proposed and the development steps are given. Secondly, the view model is used to model the system functions, operational mission activities, information interaction and organizational relationship of each combat node for the MAV/UAV cooperative combat system. Finally, the model is validated through dynamic simulation. The results show that the execution state of the proposed combat system is consistent with the expected combat flow. Moreover, the system architecture design is proved to be reasonable, which ensures the consistency and correspond performance of the information architecture description and the each combat node definition in the system.

Keywords: Department of Defense architecture framework (DoDAF); manned/unmanned aerial vehicle (MAV/UAV); cooperative combat; system architecture

收稿日期:2020-01-17;

修回日期:2020-04-11;網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期:2020-05-18。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址:http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20200518.1040.012.html

基金項目:裝備預(yù)研重點實驗室基金(614250402020317)；航空科學(xué)基金(20170752008)資助課題

引用格式: 王新堯, 曹云峰, 孫厚俊, 等. 基于DoDAF的有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)建模[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2020, 42(10):2265-2274.

Reference format: WANG X Y, CAO Y F, SUN H J, et al. Modeling for cooperative combat system architecture of manned/unmanned aerial vehicle based on DoDAF[J]. Systems Engineering and Electronics, 2020, 42(10):2265-2274.

中圖分類號: TP 302,V 219

文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2020.10.15

作者簡介：

王新堯(1992-),女,博士研究生,主要研究方向為復(fù)雜系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)建模、多武器平臺任務(wù)規(guī)劃。E-mail:15150671776@163.com

曹云峰(1964-),男,教授,博士,主要研究方向為無人機(jī)飛行控制、復(fù)雜系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)數(shù)字化。E-mail:cyfac@nuaa.edu.cn

孫厚俊(1979-),男,高級工程師,碩士,主要研究方向為控制工程、火力控制。E-mail:77813052@qq.com

韋彩色(1994-),女,碩士研究生,主要研究方向為無人機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)數(shù)字化。E-mail:1551607869@qq.com

陶 江(1991-),男,博士研究生,主要研究方向為飛行器模式識別。E-mail:tjnuaa@nuaa.edu.cn

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