張 澤，武富春，王 明，董祺寧，何澤源

（北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006）

0 引言

隨著信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的不斷發(fā)展，無人武器在戰(zhàn)場(chǎng)中開始嶄露頭角，在作戰(zhàn)任務(wù)復(fù)雜、作戰(zhàn)環(huán)境惡劣的情況下，使用無人武器可以降低戰(zhàn)場(chǎng)損耗也提升了作戰(zhàn)效率。在基于無人武器的作戰(zhàn)背景下，以作戰(zhàn)任務(wù)為中心的特點(diǎn)越來越突出，在此環(huán)境下，無人分隊(duì)的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)也變得格外重要，任務(wù)規(guī)劃的基礎(chǔ)是作戰(zhàn)任務(wù)的建模，如何用統(tǒng)一便捷的建模方式讓復(fù)雜多變的作戰(zhàn)任務(wù)變成通俗易懂、便于理解的作戰(zhàn)方案是本文的研究重點(diǎn)，為進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)語言打下基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)外軍事專家在任務(wù)建模方面已經(jīng)取得了一定的研究成果［1-2］，文獻(xiàn)［3-4］對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)的概念進(jìn)行形式化描述，形成作戰(zhàn)任務(wù)的高層本體并對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)的過程進(jìn)行了分析與描述，能夠滿足各作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)對(duì)任務(wù)的統(tǒng)一理解；文獻(xiàn)［5］依據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)的特點(diǎn)，提出了一種作戰(zhàn)任務(wù)形式化描述的流程，采用IDEF3模型表示任務(wù)的執(zhí)行過程；文獻(xiàn)［6］針對(duì)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下作戰(zhàn)任務(wù)不可預(yù)知的特點(diǎn)，對(duì)不確定性任務(wù)形式化描述進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，提出了不確定性任務(wù)形式化描述流程；文獻(xiàn)［7］為解決作戰(zhàn)任務(wù)的建模問題，提出了一種IDEF和UML建模語言相結(jié)合的建模方法。

查閱綜合的文獻(xiàn)，可以看出國(guó)內(nèi)外專家對(duì)無人分隊(duì)的不確定性作戰(zhàn)任務(wù)建模方面鮮有研究。因此，本文為解決作戰(zhàn)任務(wù)的不確定性對(duì)無人作戰(zhàn)分隊(duì)在實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)中執(zhí)行任務(wù)的影響，分析了作戰(zhàn)任務(wù)存在的不確定性因素，在經(jīng)典的系統(tǒng)分析理論方法IDEF的基礎(chǔ)上，選擇其中符合需求的IDEF0和IDEF3作為本次研究的建模方法，加入了作戰(zhàn)任務(wù)的不確定性因素，提出了一種基于IDEF0和IDEF3的不確定性作戰(zhàn)任務(wù)建模方法。

1 作戰(zhàn)任務(wù)的不確定性分析

無人分隊(duì)的作戰(zhàn)任務(wù)是一個(gè)復(fù)雜的、多變的過程，在作戰(zhàn)過程中，由于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變、信息不準(zhǔn)確等原因，會(huì)導(dǎo)致作戰(zhàn)任務(wù)遭到干擾甚至是失敗。因此，如何處理好作戰(zhàn)任務(wù)的不確定性因素是關(guān)鍵。本文主要考慮3個(gè)方面的不確定性:

1）作戰(zhàn)任務(wù)存在的不確定性。在無人分隊(duì)作戰(zhàn)中，總指揮員下達(dá)一個(gè)作戰(zhàn)命令，操作員將作戰(zhàn)任務(wù)輸入任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，由系統(tǒng)對(duì)任務(wù)進(jìn)行分解并分配給各個(gè)作戰(zhàn)單體，但由于情報(bào)、傳感器測(cè)量等因素的影響，任務(wù)可能是不存在的，因此，作戰(zhàn)任務(wù)是否存在具有不確定性。

2）任務(wù)之間的關(guān)系的不確定性。任務(wù)之間有著各類約束關(guān)系，如父任務(wù)對(duì)子任務(wù)有遞進(jìn)關(guān)系，子任務(wù)與子任務(wù)之間存在順序關(guān)系，也有與關(guān)系和或關(guān)系。任務(wù)之間的各種關(guān)系是任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)傳感設(shè)備反饋回來的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和情報(bào)信息進(jìn)行判斷的，導(dǎo)致任務(wù)之間具有不確定性。

3）任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的不確定性。包括任務(wù)開始、結(jié)束時(shí)間以及任務(wù)持續(xù)時(shí)間。不同任務(wù)對(duì)執(zhí)行時(shí)間有著不一樣的約束，而執(zhí)行時(shí)間受到很多因素的干擾，如戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、作戰(zhàn)環(huán)境、各單元作戰(zhàn)能力、協(xié)同作戰(zhàn)能力等，具有很強(qiáng)的不確定性。

當(dāng)然，在任務(wù)執(zhí)行過程中也會(huì)存在一些不確定性，如機(jī)械誤差、操作員失誤等，這些屬于不可避免的，在這里不作過多的研究。

2 不確定性作戰(zhàn)任務(wù)建模

2.1 作戰(zhàn)任務(wù)建模方法分析

IDEF是美國(guó)空軍在結(jié)構(gòu)化分析和設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上發(fā)展的一套系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)方法，是比較經(jīng)典的系統(tǒng)分析理論與方法。從IDEF0到IDEF14共有16套方法，每套方法都是通過建模程序來獲得某個(gè)特定類型的信息。

其中，IDEF0模型的基本思路是結(jié)構(gòu)化分析法，它能同時(shí)表達(dá)系統(tǒng)的活動(dòng)（用盒子表示）和數(shù)據(jù)流（用箭頭表示）以及它們的聯(lián)系，按照自頂向下，逐層分解的結(jié)構(gòu)化分析描述和建立系統(tǒng)的功能模型。而IDEF3建模方法則適用于并行工程中的過程描述和表示。

為滿足作戰(zhàn)需求，作戰(zhàn)任務(wù)建模需要滿足幾個(gè)要求:1）自上而下的分解功能；2）任務(wù)和任務(wù)之間的邏輯時(shí)序關(guān)系；3）作戰(zhàn)任務(wù)本身的屬性刻畫。

而IDEF0和IDEF3兩種建模方法可以滿足以上需求，因此，選用兩者相結(jié)合的建模法來進(jìn)行建模，組成如圖1所示的任務(wù)分解模型。為下一步開發(fā)人員將模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型奠定基礎(chǔ)。

圖1 任務(wù)分解模型

2.2 作戰(zhàn)任務(wù)屬性描述

作戰(zhàn)任務(wù)的形式化描述不僅要讓任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)識(shí)別并仿真，還要使作戰(zhàn)人員能夠理解使用。作戰(zhàn)任務(wù)是對(duì)作戰(zhàn)使命的細(xì)化，涉及的主要因素包括:1）作戰(zhàn)單元的作戰(zhàn)環(huán)境；2）作戰(zhàn)目的；3）作戰(zhàn)關(guān)系；4）作戰(zhàn)時(shí)間。

在對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行形式化描述，將其定義為由以下九元組組成:Task=＜Name，ID，Obejct，Type，Line，Number，Operation，Δt，Time＞。其中，Name表示任務(wù)名稱；ID表示作戰(zhàn)任務(wù)編號(hào)，是該作戰(zhàn)任務(wù)在任務(wù)庫的唯一標(biāo)識(shí)；Object表示作戰(zhàn)任務(wù)目標(biāo)對(duì)象；Type表示執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的單體類型，分為兩種:無人坦克和無人裝甲車；Line表示作戰(zhàn)任務(wù)的隊(duì)形選擇，比如:線性隊(duì)形、三角隊(duì)形、梯形隊(duì)形；Number表示作戰(zhàn)任務(wù)所需要的作戰(zhàn)單體的個(gè)數(shù)；Operation表示執(zhí)行任務(wù)所需要的能力；在任務(wù)分解的過程中，可能由于情報(bào)的不準(zhǔn)確而導(dǎo)致子任務(wù)不存在，因此，定義1:Δt=p（Tj/Ti），表示上層任務(wù)Ti存在的情況下子任務(wù)Tj存在的概率；Time表示 作 戰(zhàn) 任 務(wù) 時(shí) 間 Time=＜Time_Begin，Time_Last，Time_End＞，其中Time_Begin表示任務(wù)開始的時(shí)間，Time_End表示任務(wù)結(jié)束的時(shí)間，Time_Last表示執(zhí)行任務(wù)持續(xù)的時(shí)間。

2.3 基于IDEF0的作戰(zhàn)任務(wù)功能建模

IDEF0主要是通過簡(jiǎn)單的圖形符號(hào)和自然語言清楚、全面地描述系統(tǒng)功能活動(dòng)和數(shù)據(jù)流，以及各活動(dòng)、數(shù)據(jù)流之間的關(guān)系。

IDEF0模型中方框表示的是一個(gè)任務(wù)的具體屬性，其中輸入可以分為3種:輸入、控制和機(jī)制，三者共同組成ICOM，IDEF0模型利用ICOM能同時(shí)表達(dá)作戰(zhàn)任務(wù)、作戰(zhàn)任務(wù)的輸入輸出信息、作戰(zhàn)任務(wù)的執(zhí)行實(shí)體（用機(jī)制表示），以及作戰(zhàn)任務(wù)的控制條件（用控制表示），如圖2所示。作戰(zhàn)任務(wù)的輸入則為上一級(jí)任務(wù)的輸出，如果是頂層的作戰(zhàn)任務(wù)可以認(rèn)為輸入為指揮員發(fā)出的作戰(zhàn)指令，以及偵察得到的情報(bào)信息。機(jī)制是對(duì)活動(dòng)功能的制約和規(guī)定，在作戰(zhàn)任務(wù)中由裝備、隊(duì)形、數(shù)量組成，控制部分由作戰(zhàn)啟動(dòng)時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、執(zhí)行規(guī)則和執(zhí)行概率Δt組成，具體如圖3所示。

圖2 IDEF0模型示意圖

圖3 作戰(zhàn)任務(wù)的IDEF0模型

在對(duì)頂層任務(wù)進(jìn)行逐層分解后最終得到若干個(gè)不可再分解的任務(wù)，這些任務(wù)是子任務(wù)也是無人作戰(zhàn)分隊(duì)最終執(zhí)行的任務(wù)，子任務(wù)之間也存在一定的聯(lián)系和不確定性關(guān)系，利用IDEF0可以清楚地表示出作戰(zhàn)任務(wù)之間的關(guān)系以及數(shù)據(jù)流的走向。

2.4 基于IDEF3的作戰(zhàn)任務(wù)過程建模

IDEF3的特性在于可以通過過程流網(wǎng)來作為獲取、管理和顯示以過程為中心的知識(shí)的主要工具。在作戰(zhàn)任務(wù)中可以通過其來表示任務(wù)之間的邏輯時(shí)序關(guān)系，幫助細(xì)化作戰(zhàn)任務(wù)的屬性。

綜合之前學(xué)者們的研究，可以將作戰(zhàn)任務(wù)之間的關(guān)系歸納為4種邏輯關(guān)系，結(jié)合文獻(xiàn)［3］中提出的不確定性關(guān)系的描述方法，采用IDEF3提供的圖元可以準(zhǔn)確地表達(dá)各種邏輯關(guān)系，具體映射關(guān)系如表1所示。

表1 任務(wù)邏輯關(guān)系映射表

在無人分隊(duì)作戰(zhàn)任務(wù)的分解過程中，用表1所對(duì)應(yīng)的圖元建立不確定性任務(wù)分解模型，確定任務(wù)之間的邏輯時(shí)序關(guān)系。

3 不確定性作戰(zhàn)任務(wù)建模流程

本文首先歸納總結(jié)了作戰(zhàn)任務(wù)中存在的不確定性，然后介紹了IDEF0和IDEF3兩種建模方法，分析了如何用兩種方法對(duì)不確定性作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行建模，建模的流程如下:

1）對(duì)受領(lǐng)的總?cè)蝿?wù)進(jìn)行分解，得到下一層的子任務(wù)，并用IDEF0對(duì)頂層任務(wù)進(jìn)行建模；

2）根據(jù)任務(wù)要求判斷是否需要進(jìn)行下一步分解，若需要轉(zhuǎn)回步驟1），否則進(jìn)行步驟3）；

3）綜合獲取的情報(bào)資源計(jì)算分解后的子任務(wù)執(zhí)行概率；

4）分析分解過程中總?cè)蝿?wù)和子任務(wù)間以及子任務(wù)和子任務(wù)之間的邏輯關(guān)系，并用IDEF3對(duì)其進(jìn)行建模；

5）每一次分解得到子任務(wù)，分析其間的邏輯關(guān)系，并用IDEF0對(duì)其進(jìn)行建模。

通過該建模方法得到的作戰(zhàn)方案，充分考慮了在實(shí)際作戰(zhàn)過程中存在的由不確定性因素引起的突發(fā)情況，并以概率的方式表達(dá)，提出了不確定性作戰(zhàn)任務(wù)建模方法。讓作戰(zhàn)人員直觀地、明確地理解復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù)，提高了作戰(zhàn)人員的工作效率，也為進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電腦語言奠定基礎(chǔ)。

4 案例分析

下面給出一個(gè)具體的例子，對(duì)不確定性作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行建模分析。

假設(shè)紅藍(lán)雙方在主要奪控點(diǎn)僵持不下，紅方部隊(duì)要奪取主要控制點(diǎn)贏得戰(zhàn)機(jī)。紅方部署支線部隊(duì)繞過主要奪控點(diǎn)西側(cè)山脈至旁側(cè)行軍，截?cái)嗨{(lán)方后方部隊(duì)，但西側(cè)山脈地勢(shì)復(fù)雜，有85%的概率存在雷區(qū)，途中可能有藍(lán)方部隊(duì)的威脅；若從主要奪控點(diǎn)右側(cè)平原進(jìn)攻，雖然東側(cè)平原地勢(shì)較為明朗，但根據(jù)情報(bào)，有75%的概率存在雷區(qū)且確定有藍(lán)方導(dǎo)彈部隊(duì)在此設(shè)防；主戰(zhàn)場(chǎng)上，紅方部署主力部隊(duì)以防御藍(lán)方主力。因北面有藍(lán)方支援部隊(duì)正在前來，故紅方西側(cè)支線部隊(duì)需在6 h內(nèi)突破地形，到達(dá)北側(cè)A大路截?cái)嗨{(lán)方支援部隊(duì)。東側(cè)支線部隊(duì)則需清除障礙物，突破藍(lán)方封鎖線，支援主力部隊(duì)；主力部隊(duì)則需在主戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行防御或者視情況進(jìn)行進(jìn)攻。

從總體上看，該任務(wù)的目標(biāo)是突襲和防守反擊，首先建立整體任務(wù)的樹狀圖，對(duì)任務(wù)進(jìn)行分解分析，如圖4所示。再根據(jù)IDEF0和IDEF3的特點(diǎn)，首先使用IDEF0建立頂層攻占主要奪控點(diǎn)任務(wù)模型，如圖5所示。因?yàn)橥聦臃纸馊蝿?wù)存在一個(gè)流程，所以使用IDEF3建立作戰(zhàn)任務(wù)模型，如圖6所示。

圖4 任務(wù)分解樹狀圖

圖5 IDEF0建立頂層作戰(zhàn)模型

在用IDEF0建立頂層作戰(zhàn)模型后得到了下一步的作戰(zhàn)計(jì)劃，作戰(zhàn)計(jì)劃分為3個(gè)分支，有相互之間的關(guān)聯(lián)，因此，采用IDEF3建立分解任務(wù)模型。3個(gè)任務(wù)根據(jù)作戰(zhàn)需求均為必須完成的任務(wù)，執(zhí)行概率為100%。

圖6 任務(wù)分解的IDEF3模型

以西側(cè)突襲任務(wù)為例，利用IDEF0的特點(diǎn)建立底層作戰(zhàn)任務(wù)的模型。西側(cè)突襲任務(wù)往下分解為3個(gè)子任務(wù)，且其相互之間有一定優(yōu)先級(jí)的關(guān)聯(lián)，如圖7所示。

圖7 利用IDEF0為子任務(wù)建模

5 結(jié)論

本文以無人作戰(zhàn)分隊(duì)的不確定性任務(wù)建模作為研究目標(biāo)，分析了作戰(zhàn)任務(wù)存在的3種不確定性。在經(jīng)典的系統(tǒng)分析理論方法IDEF的基礎(chǔ)上，選擇其中符合需求的IDEF0和IDEF3作為本次研究的建模方法，加入了作戰(zhàn)任務(wù)的不確定性因素，給出了不確定性作戰(zhàn)任務(wù)建模方法。并選擇了一個(gè)紅藍(lán)雙方奪取主要控制點(diǎn)的案例，對(duì)其進(jìn)行了不確定性作戰(zhàn)任務(wù)建模，證明它是一種可行、有效的建模方法。該建模方法具有一定的研究前景。