中国指挥与控制学会会刊 
随着联合作战样式向着信息化战争变革,国防和军队的信息化改革程度不断加深,信息通信要素在联合作战中的重要性不断凸显,研究联合作战条件下信息通信保障对国防和军队建设具有重要意义。战争形态的改变使得以往的战法战例对人们进行信息通信保障相关研究的支撑不足,在这种条件下,兵棋推演以其灵活的想定、科学的反馈、直观的态势等优势[1]成为更为合适并被广泛运用的建模研究工具。
在推演系统方面,目前已有许多成熟可用的产品,如《鱼叉》《猛禽》《人民的胜利》系列等传统桌面兵棋[2],墨子·联合作战推演系统、“棋战1号”陆军战术兵棋推演系统、联合战区级模拟系统(Joint Theater Level Simulation, JTLS)、“指挥:现代海空行动”(Command: Modern Air/Naval Operations, CMANO)等计算机兵棋,“庙算·智胜”战术兵棋、墨子·AI版、“CASIA-先知V1.0”等AI对抗兵棋。在理论研究方面,高桂清等人运用UML建模语言对导弹部队装备维修保障兵棋推演系统进行了需求分析和系统设计[3];Edward等人将博弈论引入网络防御兵棋推演,为推演双方提供成本-效用收益矩阵和渗透概率矩阵,辅助决策生成[4];Minwoo等人针对计算机生成兵力(CGF)可能面临的多种作战环境进行建模,运用强化学习方法训练CGF的战略战术[5];贺筱媛等人提出一种基于角色-行动-场景(Actor-Operations-Scene, AOS)的建模框架,建立了指挥决策智能体的认知行为模型[6]。
上述的兵棋系统和理论研究成果中,对信息通信要素的抽象都较为分散,一般以通信设备模型、指挥通信流程和通信效能影响为主,没有对信息通信保障进行成体系的建模研究,且该领域的研究也面临着信息通信装备种类多迭代快、信息通信力量结构复杂、信息通信影响因素繁多等现实问题。信息通信兵棋的核心组成部分包括算子、地图、规则和随机过程[2],其中算子是推演双方在推演过程中可操控或可见的作战力量的抽象表示,是执行信息通信兵棋中各类行动的主体,本文从算子方面入手,研究建立信息通信兵棋算子模型,为信息通信兵棋系统建设提供部分思路和参考。
1 信息通信兵棋算子建模
1.1 有关概念
目前关于“信息通信兵棋算子”这一命题,在军事理论领域尚无权威的资料进行界定,为推动信息通信兵棋理论创新,促进理论和实践之间闭环回路的畅通,本文首先对“信息通信保障对抗推演”“信息通信保障对抗推演相关实体”“信息通信兵棋”和“信息通信兵棋算子模型”的内涵进行界定。
1)信息通信保障对抗推演是指对多方在信息通信领域内进行干扰破坏与反干扰破坏的决策行为对抗的仿真模拟。其中,红方主要任务为通信网系建立和信息通信保障,蓝方主要任务为通信干扰、网络攻击和火力毁伤。根据具体情况可将绿方(友方)、白方(中立方)加入推演。
2)信息通信保障对抗推演相关实体是指信息通信保障对抗推演中推演方实际可操控的作战力量。红方主要有合成作战力量和信息通信保障力量,蓝方主要有电子侦察力量、通信干扰力量、网络攻击力量及火力毁伤力量。其他方主要有电子侦察力量和通信干扰力量。
3)信息通信兵棋是指模拟联合作战条件下以红蓝双方为主的信息通信保障对抗推演全过程的计算机兵棋系统。信息通信兵棋通过对战场环境、信息通信保障力量及保障对象部署、信息通信保障行动过程、网络通联状态及战场偶然性等因素的模拟,对信息通信保障行动的结果及影响裁决,以实现对信息通信保障的建模研究。
4)信息通信兵棋算子模型是指由信息通信保障对抗推演相关实体抽象得出并应用于信息通信兵棋的、描述了推演人员可操作单元的主要属性的模型体系。信息通信兵棋算子模型就是利用建模语言对信息通信保障领域内兵棋算子的专业化描述,应当具有体系化的、数据化的、相对完备的表达形式,例如庙算兵棋中对各算子兵力规模、模型图标、算子图标等内容的定义与表示[7]。
1.2 信息通信兵棋算子建模框架
明确了信息通信兵棋算子的建模对象和建模目标等相关概念后,需要对信息通信兵棋算子建模过程进行描述,为此本文结合信息通信兵棋算子建模的实际需要,设计了信息通信兵棋算子建模框架,如图1 所示。
信息通信兵棋算子建模在流程上主要可分为三个步骤,第一步是实体解构,需要将信息通信保障对抗推演相关实体根据其内在的组织结构进行分解,实体解构的产品主要包括图1 中所示的合成作战力量、信息通信保障力量、电子侦察力量等相关实体,每类实体都是信息通信保障对抗推演相关实体中相对独立的一部分,且所有实体类组成信息通信兵棋算子建模框架中的结构层;第二步是属性提取,根据对信息通信保障对抗推演的影响程度,找出上一步分解得到的每一个实体类所具有的关键属性,属性提取的产品主要包括基本属性、技术属性、状态属性、保障属性等,各类属性在每一个实体类中的体现角度和具体的值都会有差别,所有属性类构成信息通信兵棋算子建模框架中的属性层;第三步是数据描述,需要运用计算机语言将之前结构层和属性层的内容转换为机器可理解的代码,要对各类及其关键属性进行声明并分别进行描述,一个类及其具有的复数个属性组成一块模型代码,并作为第三步的产品,所有模型代码构成信息通信兵棋算子建模框架中的实例层,并通过建立体系、有序汇总得到信息通信兵棋算子模型。
1.3 信息通信兵棋算子建模方法研究现状
目前关于信息通信兵棋算子建模的研究较少,但相关领域的研究中常采用基于DoDAF的建模方法、元数据建模方法、基于Agent的建模方法、本体建模方法等多种建模方法。高悦等人提出基于活动-能力联接的航空保障装备体系结构模型,借鉴面向服务的思想选取任务、能力、联接和服务四个视角,并利用DoDAF框架建立视图集,以提高维修保障智能化和服务化水平[8];王新尧等人提出基于DoDAF的MAV/UAV协同作战体系结构模型,对指挥控制链进行顶层、全面的描述,并结合DM2编写综合字典以解决内外部理解不统一的问题[9];张天琦等人设计了一种岸舰导弹武器装备体系结构模型,以能力为牵引从体系、系统、平台、单元四个层级分析装备体系,引用DoDAF全景视图、作战视图、能力视图、系统视图开发模型,并进行了完备性和一致性检验[10];游乐圻等人提出基于元数据的卫星通信装备本体模型,将元数据建模技术与本体建模技术融合,从元元模型层(S0)、元模型层(S1)、模型层(S2)、实例层(S3)四层对卫星通信装备展开描述,提高数据重用性和建模效率,并有效降低建模复杂度[11];尹丽丽等人提出基于多Agent的装备保障体系模型,设计了体系中Agent的种类、功能及相互之间的交互关系,在此基础上给出了体系结构模型并设计实现了仿真系统,验证了方法的可靠性[12];郝翎钧等人提出了基于核心体系结构数据的体系结构模型,以“5W1H”为指导捕获核心体系结构数据要素并形成综合词典,再根据用户需求设计开发后续视图产品[13];李亢等人提出了一种基于DM2的装备体系结构语义模型,结合本体建模技术将装备实体数据化,并通过语义集成处理构成语义装备体系,并进一步构建多视图模型,最后以海战场预警探测系统为例验证了方法的可行性[14]。
然而信息通信兵棋算子的抽象对象为信息通信保障对抗推演相关实体,与上述文献所研究的具体装备体系作战运用或单一功能装备仿真模型并不完全相同。一方面,信息通信兵棋算子模型所涉及的实体种类更多、内部结构更加复杂,这导致基于DoDAF的建模方法、基于Agent的建模方法和本体建模方法在信息通信兵棋算子建模框架的实体解构步骤无法科学准确地对实体进行划分;另一方面,信息通信兵棋算子模型的颗粒度不可局限于固定的大小,应灵活满足信息通信保障指挥员需求,这导致元数据建模方法在信息通信兵棋算子建模框架的属性提取步骤难以达到数据更为细致的层次。因此本文提出基于前分类本体的信息通信兵棋算子建模方法,对信息通信保障对抗推演相关实体进行研究,为信息通信兵棋后续开发建设工作提供部分思路和参考。
2 基于前分类本体的信息通信兵棋算子建模方法
遵循前文所写的“实体解构-属性提取-数据描述”信息通信兵棋算子建模流程,利用“两分法”弥补本体建模在实体抽象阶段中随机性较高的不足,再运用本体三元组对实体及其特征进行挖掘,构建“前分类本体”,最后使用OWL语言完成规范化描述,最终形成基于前分类本体的信息通信兵棋算子建模方法。
2.1 实体解构
信息通信保障对抗推演相关实体主要抽象自合成作战力量、信息通信保障力量、电子侦察力量、信息通信干扰力量、网络攻击力量、火力毁伤力量等,实体解构步骤实际上是要对信息通信保障对抗推演相关实体进行科学的分类梳理,以便于下一步对实体单元进行属性提取。同时,实体解构步骤要明确信息通信兵棋的算子层次,即为信息通信保障指挥员提供实际可操控的算子集合。
如图2 所示,信息通信保障对抗推演主要被解构为信息通信保障对象实体、信息通信保障力量实体和信息通信对抗力量实体三个大部分。实体级的解构层会进一步参与建模的后续特征提取过程,主要包括合成作战单元、指挥所、信息通信部分队、信息通信保障单元、信息通信装备、电子侦察单元、电子侦察装备、电子干扰单元、电子干扰装备、网络攻击单元、火力毁伤单元和装备承载平台。算子级的解构层用于明确信息通信保障指挥员在推演进程中可能使用到的算子的种类,主要包括合成作战单元、指挥所、信息通信部分队、信息通信保障单元、信息通信单兵装备、电子侦察单元、电子侦察单兵装备、电子干扰单元、电子干扰单兵装备、网络攻击单元、火力毁伤单元。
2.2 属性提取
指挥所本体模型表示为Command post,构建数据属性名称(Name)、编码(Code)、部署位置(Location)、机动速度(Maneuver speed)、保障级别(Support level)、行动状态(Action Status)、通信能力(Communication capacity)描述特征,构建隶属关系(SubordinateTo)、接替关系(Succeed)、保障关系(Support)、指挥关系(Command)与实例属性其他指挥所本体、信息通信保障部分队本体(Infocommunications support forces)、合成作战单元本体(Synthetic combat units)进行关联,如图3 所示。
信息通信部分队本体模型表示为Infocommunications support forces,使用数据属性名称、编码、部署位置、机动速度、行动状态、保障能力(Support capacity)描述特征,通过保障关系、指挥关系、组分关系(include)与实例属性指挥所本体、合成作战单元本体、其他信息通信部分队本体、信息通信保障单元本体(Infocommunications support units)、信息通信设备本体(Infocommunications equipment)进行关联,如图4 所示。
信息通信设备本体模型表示为Infocommunications equipment,使用数据属性名称、编码、通信手段(Means)、通信距离(Distance)、通信频率(Frequency)、通信带宽(Bandwidth)、用户数量(User limit)、装载类型(Loading mode)、部署位置、机动通信能力(Mobile networking capability)、行动状态描述特征,通过装载关系(load)、组分关系(include)与实例属性装载平台本体(Carrying platform)、信息通信部分队本体进行关联,如图5 所示。
对实体单元本体完成建模后,通过相同数据属性值查询、不同数据属性值对比、实例属性关联等途径可构建信息通信保障对抗相关实体体系,便于从整体的角度对信息通信保障对抗相关实体进行研究,并为后续数据描述步骤提供结构思路和规范需求。
2.3 数据描述
子步骤一:定义类与个体
由图2 信息通信保障对抗推演相关实体解构提炼得出信息通信保障对象、信息通信保障力量、信息通信对抗力量三个基础类并进行定义。以信息通信保障力量为例:
//定义信息通信保障力量
Declaration(Class(:信息通信保障力量))
各基础类中包含若干子类,如信息通信保障力量中包括信息通信部分队、信息通信保障单元、信息通信装备,各子类根据需要也可进一步细分,通过函数SubClassOf说明子类关系。以信息通信装备为例:
//定义信息通信装备
Declaration(Class(:信息通信装备))
SubClassOf(:信息通信装备:信息通信保障力量)
类的成员即为个体,需要根据实际案例情况进行构建,以超短波电台为例:
//定义超短波电台
Declaration(NamedIndividual(:超短波电台))
ClassAssertion(:信息通信装备:超短波电台)
子步骤二:定义属性
OWL语言以ObjectProperty表明实体属性,以DatatypeProperty表明数据属性,并通过指定定义域(domain)和值域(range)来对属性进行限定,以实体属性组分关系和数据属性通信频率为例:
//定义组分关系_1
SubObjectPropertyOf(:组分关系_1 owl:topObjectProperty)
ObjectPropertyDomain(:组分关系_1:信息通信部分队)
ObjectPropertyRange(:组分关系_1:信息通信装备)
ObjectPropertyRange(:组分关系_1:信息通信保障单元)
//定义通信频率
SubDataPropertyOf(:通信频率 owl:topDataProperty)
DataPropertyDomain(:通信频率:信息通信装备)
DataPropertyRange(:通信频率 xsd:float)
子步骤三:描述个体属性
以超短波电台为例,对其部分属性进行描述:
//超短波电台与指挥控制营存在组分关系_1
ObjectPropertyAssertion(:组分关系_1:超短波电台:指挥控制营)
//超短波电台的通信频率值为200.0
DataPropertyAssertion(:通信频率:超短波电台 "200.0"^^xsd:float)
通过上述三个子步骤,可初步将信息通信保障对抗推演有关实体的本体模型转换为计算机可理解的语言描述,再加上命名空间、本体头部、属性特性与限制等其他描述要求,最终汇总得到信息通信兵棋算子模型。
3 实验分析
为更好地阐明基于前分类本体的信息通信兵棋算子建模方法,本文以岛屿进攻战役为背景,参考信息通信保障计划想定,对想定中信息通信保障对抗推演相关实体进行建模,得出具体的信息通信兵棋算子模型,并借助本体建模软件Protégé的可视化图谱进行研究。
首先对岛屿进攻战役想定中信息通信保障对抗推演的相关实体进行解构,根据前文划分的实体类,初步得到79个个体,采用辐射状树图,使用OntoGraf组件进行展示,如图6 所示。
其次对各类关键属性进行提取,以勤务支援旅指挥所、指挥控制营、超短波电台为例,对其实例属性和数据属性进行赋值和描述,如图7 所示。
最后形成对相关实体属性数据的OWL语言描述,以勤务支援旅指挥所、指挥控制营、超短波电台为例,查看.owl文件并截取部分关键代码,如图8 所示。
本节以岛屿进攻战役为背景,主要选取了指挥所、信息通信保障部分队、信息通信装备三类实体进行建模分析并展示。可以看出,上述三类算子层级不同、业务不同、能力不同,但都可以通过基于前分类本体的信息通信兵棋算子建模方法顺利构建相应的算子模型,充分显示出该方法规范统一、模型完整、结构适配的优势,较好地验证了该方法的科学性、可行性。
4 结束语
算子建模是开展信息通信兵棋系统建设研究的关键内容。本文设计了信息通信兵棋算子建模框架,明确了实体解构、属性提取、数据描述的建模步骤及对应产品,然后参考“两分法”的思路,结合本体建模理论,提出了基于前分类本体的信息通信兵棋算子建模方法,定义了实体单元的基础分类、不同实体的本体模型和算子的计算机语言描述,最后以岛屿进攻战役信息通信保障为例,借助本体建模软件Protégé进行了信息通信兵棋算子模型构建并展示部分建模内容,验证了该方法的可行性与科学性。后续工作中,该方法的数据完备性、模型可靠性应通过进一步的研究探索进行持续完善和优化。