面向通用作战流程的任务元模型构建方法、数据库及装置与流程

1.本发明属于体系工程技术领域，具体涉及一种面向通用作战流程的任务元模型构建方法、数据库及装置。


背景技术：

2.近年来随着技术高速发展，现代战争逐步形成了一个较为完备的作战体系，呈现出体系对抗特征，面向作战需求的作战体系架构和组成形态不断更迭和变化。如何合理应用体系能力并根据作战发展需求研究作战体系能力建设成为国内外研究焦点。
3.作战体系作为一种复杂巨系统，是各种作战组分系统的有机结合，构成体系的要素在规模、技术层次、组成成分等多方面影响体系整体的能力实现，传统的需求分析方法和描述手段难以处理体系的复杂需求，利用抽象的数学模型也难以对体系进行准确的描述，且传统dc(document centric，以文档为中心)的系统方法存在二义性、无法验证和复用困难等缺陷。作战体系结构需求建模能够自上而下地进行作战体系能力需求的逐层分解与分析以及自下而上地作战能力获取，目前大多是借鉴美国dodaf相关思想，建立体系需求视图，采用多视图的方法对体系需求进行描述，但仍然存在挑战：
4.1.描述规范不尽相同，导致相应模型数据的底层存储格式完全不同，造成所建模型难以实现交流通用；
5.2.不同视图模型的特定数据之间缺少关联关系，难以支持对体系建模的可执行性评估和一致性检验等需求验证。
6.元模型的概念最早来源于软件工程领域，它是比模型更高层次的抽象，定义了模型要素之间的相互关系及语义，它的核心思想是按照需求定制特定领域的建模语言，生成该领域的建模语言工具。目前，很多领域都通过元建模技术建立了相应领域的建模语言，但是军事领域，特别是针对作战任务，还缺乏相应的建模语言。因此，有必要设计一种面向通用作战流程的任务元模型构建方法来构建服务于作战体系需求的面向通用作战流程的任务元模型，利用该语言进行规范统一的作战任务建模，从而解决上述技术问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种面向通用作战流程的任务元模型构建方法，旨在解决现有作战体系任务模型存在的构建效率低、难以验证和复用的技术问题。
8.本发明的第一个目的是提供一种面向通用作战流程的任务元模型构建方法，包括以下步骤：
9.s1、利用作战场景逻辑实体、数据、模型进行操作，构建作战概念模型；
10.s2、构建能力构想模型；
11.s3、构建使命任务-能力矩阵模型；
12.s4、构建作战活动分解树和作战活动模型；
13.s5、构建能力和作战活动的映射矩阵模型，建立作战能力与作战活动的映射关系，
通过任务到能力的映射形成能力需求目录；
14.s6、将步骤s1-s5分别建立的作战概念模型、能力构想模型、使命任务-能力矩阵模型、作战活动模型和映射矩阵模型进行整合，生成全局数字字典，即得到任务元模型。
15.优选的，步骤s1的具体步骤为：建立体系要素间的关联关系，根据作战概念需求，将作战问题的描述和解决转化为作战能力需求，形成作战体系总体架构，获得使命任务分解情况，描述任务组成和层级关系，从任务执行层面以高层次图形描述空战想定方案，建立空战系统各个作战单元以及各单元之间的信息数据的交互关系，得到作战概念模型。
16.优选的，步骤s2的具体步骤为：将作战能力需求转化为作战全生命周期各阶段体系结构需要的所有能力的可视化视图，并细化和分解体系能力，规划能力层次和依赖关系，得到能力构想模型；步骤s3的具体步骤为：根据作战概念规划作战使命任务阶段，根据作战概念进行作战能力分析，获取阶段能力需求，形成能力需求目录，建立二维映射矩阵，强化不同作战任务与能力的关联关系，验证所提出的作战能力的归属性，明确作战全生命周期各阶段依赖的各作战能力需求量和各作战能力在各阶段的需求次数，得到任务-能力矩阵模型。
17.优选的，步骤s4的具体步骤为：构建作战活动分解树，形成活动间层次关系和输入输出关系，形成阶段性作战活动模型，建立作战单位之间的控制流和数据流，表达作战业务逻辑，构建作战资源流描述和作战资源交互矩阵，组织作战节点信息、资源交互，构建作战规则模型和作战状态转移描述模型以及作战事件跟踪描述，确定约束作战节点完成作战使命和作战活动的业务规则，定义作战节点关键作战事件的时序特征和作战活动的变化关系，得到作战活动模型。
18.优选的，步骤s5的具体步骤为：根据使命任务规划作战活动组成，以作战活动为列元素、作战能力为行元素，建立二维映射矩阵，得到映射矩阵模型；步骤s6的具体步骤为：参照dm2的通用术语和形式化语义结合空战系统领域特征，对整合后的模型的数据要素需求进行组织，抽取体系结构描述中必要的数据要素需求形成核心概念、概念关系和属性的逻辑类型，得到高层数据结构，即生成全局数字字典。
19.本发明的第二个目的是提供一种面向通用作战流程的任务元模型数据库，该任务元模型数据库通过提取建立的任务元模型中的特征核心数据构建得到。
20.优选的，所述特征核心数据包含使命任务、作战事件、作战活动、作战接口、人员类型、作战单位状态。
21.本发明的第三个目的是提供一种面向通用作战流程的任务元模型构建装置，所述装置包括：
22.模型设计基础环境模块，用于提供可视化的建模环境，支持用户以工程方式对模型进行管理，利用可视化的绘图面板创建作战场景逻辑分析所需的各种实体、数据、模型；
23.模型架构设计模块，用于支持用户遵循标准建模框架和建模语言对视图进行选择性构建，实现不同体系模型、系统模型之间的数据互联互通的能力，达到各种层次和粒度的系统建模与仿真过程，可通过数据引用实现元模型库的元模型数据引用，快速构建所需模型；
24.模型仿真验证模块，用于提供可视化的模型推演环境，支持用户观察模型的动态推演进程，可对仿真过程进行控制，并通过事件关系触发对构建的模型的逻辑自洽性进行
验证；
25.需求开发管理模块，用于根据模型数据按一定规则由模型生成条目化的需求文字，支持用户对系统研制需求开发，对系统研制需求、使命任务需求、分系统需求进行管理，对用户接收上层需求并开发下层需求的行为进行分析；
26.元模型管理模块，用于对任务元模型数据进行综合管理，提供数据引用接口，供建模环境对元模型进行调用。
27.优选的，所述标准建模框架为美国国防部体系架构框架dodaf2.0，标准建模语言为updm。
28.优选的，所述任务元模型数据采用xml文件格式，元模型的数据交换规范包括一组xsd文件，数据转换采用国际通用数据转换标准xmi以及基于xml的转化方式实现。
29.本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
30.(1)本发明提供的面向通用作战流程的任务元模型可适应战场态势快速变化的特点，面向任务动态变化，对作战能力进行统筹规划，调整作战流程，确定作战活动与能力的匹配关系；
31.(2)通过本发明建立的任务元模型库，通过数据引用选出任务相关作战事件、活动、接口等任务要素，在作战概念指导下能够快速构建任务模型，实现作战体系结构快速集成；
32.(3)通过本发明建立的任务元模型构建装置能够实现体系结构数据的有效积累、帮助迭代形成优化论证的数据资源，有利于体系结构数据资源的共享和重用。
附图说明
33.图1为本发明实施例提供的一种面向通用作战流程的任务元模型的设计原理示意图；
34.图2为本发明实施例中高层数据结构的框图；
35.图3为本发明实施例提供的一种面向通用作战流程的任务元模型构建装置图的结构图；
36.图4为本发明实施例中的无人高空侦察机发现目标时的图片；
37.图5为本发明实施例中的无人机协同探测目标时的图片；
38.图6为本发明实施例中的无人机对敌雷达实施电子干扰图片；
39.图7为本发明实施例中的协同制导火力打击图片；
40.图8为高级作战概念图片。
具体实施方式
41.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
42.任务元模型是刻画使命任务领域建模语言的一种模型，提供了军事作战系统的体系结构设计过程中的具有一定逻辑规则的标准语，是任务模型高层次的抽象，通过面向通
用作战流程的任务元模型设计方法可有效积累和帮助迭代优化论证的数据资源，形成权威的任务资源库。如图1所示，本发明实施例提供的面向通用作战流程的任务元模型的主体设计思路如下所示：
43.1、体系结构设计，基于omg的mof标准将作战任务场景实例化描述，将敌对双方杀伤链对抗方式转化为遵循dodaf2.0框架的视图化描述进行作战体系结构建模，基于时序图、活动图、状态图等视图在swt支持下对作战系统体系结构需求描述加以捕获，对作战系统任务执行流程及任务样式进行分析和抽象，设计体系结构模型，包括所定义体系组成系统成分、能力构成、接口关系，运行作战概念模型、能力视图模型和任务视图模型，得到dma结构框架。
44.2、体系结构逻辑验证，基于体系运行控制模型，对体系运行时成员系统之间的交互规则进行检验，检测体系结构逻辑功能的一致性和完整性，对体系系统组成、能力结构、接口关系检验优化，进行体系建模的可执行性评估等需求验证。
45.3、任务元模型生成，基于视图模型的任务关键特征及描述和标准关系“5w1h”，抽取任务核心数据要素，包括使命任务、作战事件、作战活动、作战接口、人员类型、作战单位状态转换。
46.本发明实施例提供的任务元模型的构建从典型作战任务出发，根据战作战想定进行典型任务场景构建，完成体系功能架构的论证，通过构建作战概念模型、能力视图模型和任务视图模型等要素，将抽象系统的体系结构数据归纳为多个相互联系的、可视化的、便于管理的视图模型，具备生成任务元模型的完整数据基础，本发明实施例提供的面向通用作战流程的任务元模型的构建方法，具体具体包括以下步骤：
47.s1、通过平台支持的可视化建模环境，利用作战场景逻辑实体、数据、模型进行操作，构建作战概念模型；作战问题的描述包括通过作战时间和作战区域、作战目标、威胁对象和战场环境等综合作战要素形成目标线，即根据目标预期打击效果形成任务完成标准；解决作战问题由不同装备为共同达成某个作战目标，实现预期打击效果而进行的一系列相互联系的作战活动的有序集合的方案实施，作战能力需求为执行作战活动的必要基础，因此，可根据具体作战问题，形成作战能力需求，如超视距打击敌方目标，需要发射中远程导弹、目标跟踪等活动，即超视距攻击能力、目标感知能力，根据不同能力，映射到不同类型装备，如预警能力可映射到预警型uav、攻击能力映射到攻击型uav。不同类型装备组成作战体系总体架构，获得使命任务分解情况描述任务组成和层级关系，从任务执行层面以高层次图形描述空战想定方案，建立空战系统各个作战单元以及各单元之间的信息数据的交互关系；
48.s2、通过平台支持的可视化建模环境，构建能力构想模型；描述体系作战能力的战略背景和高层范围，将作战能力需求转化为作战全生命周期各阶段体系结构需要的所有能力的可视化视图，并细化和分解体系能力，规划能力层次和依赖关系。例如：在bvr空战概念分析下，将体系架构生命周期划分为地面准备、起飞组编、引导飞行、突入领空、探测识别、超视距攻击和返航7个体系发展阶段，对各个阶段能力需求进行概括总结，得出任务规划、指挥控制、通信、目标感知、火力打击、防御、保障和机动这8项一级能力，并建立阶段与能力之间的归属关系；
49.s3、通过平台支持的可视化建模环境，构建使命任务-能力矩阵模型；建立使命任
务与作战能力的映射关系。根据作战概念规划作战使命任务阶段，如将超视距空战分为地面准备、编队飞行、探测引导、突防打击等阶段，根据作战概念进行作战能力分析，获取阶段能力需求，形成能力需求目录，如电子对抗、战术规避、飞行管理等能力，以使命任务为列元素、作战能力为行元素，建立二维映射矩阵，强化bvr空战概念分解下不同作战任务与能力的关联关系，验证所提出的作战能力的归属性，明确作战全生命周期各阶段依赖的各作战能力需求量和各作战能力在各阶段的需求次数。
50.s4、通过平台支持的可视化建模环境，构建作战活动分解树和作战活动模型；构建作战活动分解树，如实施超视距打击活动，需要执行目标搜索、目标识别、威胁评估、武器准备、机动、攻击解算，导弹发射等活动，实施目标识别，需要执行红外识别、无源探测、机号分析等活动，形成活动间层次关系，即活动分解，前一活动的输出，如搜索目标，“目标信息“为“搜索目标“的输出、为“目标识别”的输入、输出为“识别信息”，“识别信息”为“威胁评估”的输入等等，形成输入输出关系，形成阶段性作战活动模型，建立作战单位之间的控制流和数据流，表达作战业务逻辑，构建作战资源流描述和作战资源交互矩阵，组织作战节点信息、资源交互，构建作战规则模型和作战状态转移描述模型以及作战事件跟踪描述，确定约束作战节点完成作战使命和作战活动的业务规则，定义作战节点关键作战事件的时序特征和作战活动的变化过程，通过追踪作战单位之间的事件交互，生成各作战单位随着时间推移，按因果关系响应外界触发的序列，检查作战方案的合理性和可实现性。
51.s5、构建能力和作战活动的映射矩阵模型，建立作战能力与作战活动的映射关系，通过任务到能力的映射形成能力需求目录；根据使命任务规划作战活动组成，如将突防打击任务分为武器准备、多目标跟踪、目标瞄准、攻击解算、目标锁定、导弹发射、协同制导等活动，以作战活动为列元素、作战能力为行元素，建立二维映射矩阵，强化突防打击任务下不同作战活动与作战能力的关联关系，验证作战能力对作战活动的支撑性，明确各作战活动依赖的各作战能力需求量和各作战能力在各作战活动的需求次数。
52.s6、将步骤s1-s5分别建立的作战概念模型、能力构想模型、使命任务-能力矩阵模型、作战活动模型和映射矩阵模型进行整合，生成全局数字字典，即得到任务元模型；具体为参照dm2的通用术语和形式化语义结合空战系统领域特征，对对整合后的模型的数据要素需求进行组织，抽取体系结构描述中必要的数据要素需求形成核心概念、概念关系和属性的逻辑类型，得到高层数据结构，如图2所示，核心概念应包括“作战活动”、“度量”、“组织”、“系统”、“个体”、“作战资源”等，定义的关系包括：“期望效果指导作战活动”、“执行者执行的作战活动”、“执行者执行的作战活动的度量”、“作战活动改变作战资源”、“作战活动改变作战资源的度量”等，即生成全局数字字典，得到任务元模型。
53.本发明实施例还提供了一种面向通用作战流程的任务元模型数据库，该任务元模型数据库通过提取建立的任务元模型中的特征核心数据构建得到。具体为将建立的任务元模型中的底层数据(目标、能力、活动、执行者、服务、资源流、信息和数据、项目、训练/技能、规则、度量和位置)按标准关系“5w1h”，即who(执行者)、where(特定位置)、when(特定时刻)、why(目的)、what(资源或事件)和how(行动)，进行体系结构数据要素分类，概括性表述为：执行者(who)为达成某种目的(why)在特定位置(where)和特定时刻(when)下采取某种行动(how)，产生资源或发生事件(what)，然后围绕标准关系“5w1h”，抽取任务核心数据要素，包括使命任务、作战事件、作战活动、作战接口、人员类型、作战单位状态转换，得到任务
元模型数据库。
54.如图3所示，本发明实施例还提供了一种上述面向通用作战流程的任务元模型的构建装置，所述装置具体包括：
55.模型设计基础环境模块，用于提供可视化的建模环境，支持用户以工程方式对模型进行管理，利用可视化的绘图面板创建作战场景逻辑分析所需的各种实体、数据、模型，通过拖拽、连线、自动布局的方式快捷的完成各层次视图模型构建；
56.模型架构设计模块，用于支持用户遵循标准建模框架和建模语言对视图进行选择性构建，实现不同体系模型、系统模型之间的数据互联互通的能力，达到各种层次和粒度的系统建模与仿真过程，可通过数据引用实现元模型库的元模型数据引用，快速构建所需模型；
57.模型仿真验证模块，用于提供可视化的模型推演环境，支持用户观察模型的动态推演进程，可对仿真过程进行控制，并通过事件关系触发对构建的模型的逻辑自洽性进行验证；逻辑验证所采用的动态可执行模型满足国际可执统一建模语言模型标准fuml或者继承自开放式可执行框架oxf标准。
58.需求开发管理模块，用于根据模型数据按一定规则由模型生成条目化的需求文字，支持用户对系统研制需求开发，对系统研制需求、使命任务需求、分系统需求进行管理，对用户接收上层需求并开发下层需求的行为进行分析；
59.元模型管理模块，用于对任务元模型数据进行综合管理，提供数据引用接口，供建模环境对元模型进行调用。
60.标准建模框架为美国国防部体系架构框架dodaf2.0，标准建模语言为updm。
61.任务元模型数据采用xml文件格式，元模型的数据交换规范包括一组xsd文件，数据转换采用国际通用数据转换标准xmi以及基于xml的转化方式实现。
62.有人/无人机(manned/unmanned aerial vehicle)协同作战是由有人机和无人机组成的在侦察探测、指挥控制、火力打击等多方面深层次配合的编队体系的新型作战概念，具有分布式打击、动态适应性、杀伤链决策优势等特点，是未来空战发展的方向，由于mav/uav协同空战系统的复杂性，必须将作战想定作为输入，利用stk从时空域进行建模分析，在作战概念下对整个作战体系进行顶层设计，利用本发明实施例基于体系结构设计的任务元模型在任务元模型的构建装置上对该体系结构进行建模，得到mav/uav协同空战系统体系结构视图产品，本发明选取不同表达类型且最为重要的体系结构视图产品进行说明。
63.一、概述和摘要信息视图产品
64.本发明实施例基于体系结构设计的任务元模型在任务元模型的构建装置上开发的概览和摘要信息产品从作者、版本、作战区域、战场环境、作战时间、威胁目标、作战背景、背景链接和使命任务提炼了mav/uav协同空战想定的核心内容，该想定的具体内容如下：
65.2023年3月2日，y国出动1个侦察小分队、4辆坦克，在两架战机的掩护下，进入我国南部地区。敌方沿着山脉，在平均海拔5千米高度行进，企图袭击我边防预警设施。由于山地纵深，我米波雷达探测时断时续，只能大概提供敌目标的方位及动向等信息。地面指挥中心根据情报信息及战场态势向我方战机(mav/uav)等下达作战任务，混合编队起飞后在指定区域编组，地面控制站将uav编队控制权移交给有人机；无人高空侦察机在前方发现敌方编队进入我方控制区，如图4所示，指挥中心命令混合编队前出拦截，指挥有人机对作战方案
进行重新规划，带领uav编队改变当前航路飞往交战区域，利用探测设备搜索目标，如图5所示，进行综合识别。我方遭遇敌方雷达“截获”威胁，uav开启电子对抗设备对敌雷达进行欺骗性干扰，如图6所示，压制敌方雷达探测距离，并持续向前推进；在有人机的引导下，uav编队向敌方直升机发射武器，协同制导完成火力打击，如图7所示，mav在uav的配合下完成对敌方地面武装力量的消除；混合编队完成作战任务后，保持无线电静默，在地面指挥中心的引导下返航、着陆。
66.二、高级图形作战概念视图产品
67.本发明实施例基于体系结构设计的任务元模型在任务元模型的构建装置上开发的高级作战概念视图产品以高层次图形描述了mav/uav协同空战想定的任务执行剖面，明确了mav/uav协同空战系统包含的对象以及参与完成的作战任务，展现了作战目的和作战架构，以及空战系统和外部系统的相互作用，包括空战系统各个作战单元以及各单元之间的信息数据的交互情况，如图8所示。
68.二、能力构想视图产品
69.本发明实施例基于体系结构设计的任务元模型在任务元模型的构建装置上开发的能力构想视图产品描述了mav/uav空战系统作战能力的战略背景和高层需求范围。在mav/uav协同空战概念分析下，将体系架构生命周期划分为地面准备、起飞组编、引导飞行、突入领空、探测识别、协同作战和返航7个体系发展阶段，对各个阶段能力需求进行概括总结，得出任务规划、指挥控制、通信、目标感知、火力打击、防御、保障和机动8项一级能力，并建立各阶段与能力之间的归属关系。
70.四、作战能力与作战活动的映射视图产品
71.本发明实施例基于体系结构设计的任务元模型在任务元模型的构建装置上开发的作战能力与作战活动的映射视图产品强化了mav/uav协同空战概念分解下作战活动与体系能力的关联关系，作战活动为作战能力提供了需求依据，作战能力为作战活动提供行为支撑，验证了各作战能力在作战活动中的归属性和各作战活动对作战能力的依赖性，并且通过关联分析，明确了在作战活动各阶段依赖的作战能力需求量和各作战能力在作战活动各阶段的需求次数，在此基础上可以对体系能力和作战活动进行完善和优化。作战能力与作战活动的映射视图产品实际上联接了空战系统能力层面的高层级需求和作战任务层面的操作性需求。
72.综上所述，本发明实施例构建的任务元模型与任务元模型的构建装置相结合，以mav/uav协同空战想定为例，在作战概念指导和想定分析下将定义的空战系统元模型进行实例化组织成空战系统体系结构模型，通过规范化的体系结构建模仿真，开发了mav/uav协同空战系统体系结构视图产品，形成了“作战概念—作战能力—作战任务—系统功能”迭代的能力需求全覆盖的智能空战系统的设计方法，实现了体系结构数据共享和重用以及确保数据之间的一致性，提高了体系结构设计效率。
73.综上所述，本发明实施例提供的任务元模型可适应战场态势快速变化的特点，面向任务动态变化，对作战能力进行统筹规划，调整作战流程，确定作战活动与能力的匹配关系，基于任务元模型库，通过数据引用选出任务相关作战事件、活动、接口等任务要素，在作战概念指导下快速构建任务模型，实现作战体系结构快速集成。
74.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不
脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。