飛機檢查單的OPM軍事概念模型

劉志琦 曹 江

1.軍事科學院戰(zhàn)爭研究院 北京 100091

研究智能化戰(zhàn)爭,促進相關(guān)技術(shù)集成落地需要軍事理論與軍事技術(shù)融合,即理技融合. 軍事概念模型就是融合的橋梁,有利于軍事人員與技術(shù)人員互相溝通. 按照2011 版軍語之定義,軍事概念模型是對軍事事物、行為及關(guān)系等,用文字、表格、圖形等進行抽象描述的作戰(zhàn)模擬模型,是對軍事問題的第一次抽象,主要用于數(shù)學建模與軟件建模.

軍事概念模型按照不同開發(fā)目的各有側(cè)重. 不少文獻中的軍事概念模型以裝備發(fā)展和論證為目的,突出新裝備在作戰(zhàn)體系中的定位和作用,支撐頂層設(shè)計[1-4]；一些文獻中的軍事概念模型以建模、仿真、推演為目的,支撐作戰(zhàn)構(gòu)想、輔助決策等[5-7]. 上述文獻的軍事概念模型描述的作戰(zhàn)活動往往側(cè)重裝備功能,而條令、條例、規(guī)程等規(guī)則對作戰(zhàn)活動的約束并不明顯.

軍事概念模型開發(fā)有多種規(guī)范化語言或架構(gòu)框架可選. 其中,多視圖的系統(tǒng)建模語言（systems modeling language,SysML）,統(tǒng)一建模語言（unified model ing language,UML）[8]、美國國防部體系架構(gòu)框架（DOD architecture framework,DoDAF）[9]等得到廣泛運用,而2002年提出的單一視圖的OPM[10]在軍事概念模型開發(fā)實踐中成果相對有限. OPM 比多視圖方法或架構(gòu)框架更容易保持模型一致性,并且能夠轉(zhuǎn)換為DoDAF 作戰(zhàn)視圖各模型,有利于提高軍事概念模型開發(fā)效率[11].

在諸多軍事場景中,規(guī)則對作戰(zhàn)活動影響明顯.例如地勤維護飛機必須遵循航空工程條例（條令）和飛機維護規(guī)程等；空勤使用飛機必須遵循飛行員駕駛守則等；近距空中支援實施過程中,飛行員必須按照規(guī)定與聯(lián)合末端攻擊控制員完成通信和相關(guān)操作.目前已有的大部分軍事概念模型通常從宏觀角度建模,比較注重軍事概念模型的完整性,但容易忽視規(guī)則對作戰(zhàn)活動的影響. 在縮短殺傷鏈閉合時間的作戰(zhàn)實驗探索中,集成了一系列人工智能技術(shù). 為了使這些技術(shù)運用更貼近軍事場景,在開發(fā)軍事概念模型時就需要側(cè)重作戰(zhàn)規(guī)則.

飛機維護規(guī)程、飛行員駕駛守則等規(guī)則通常與裝備相關(guān). 之前的工作[12]以近距空中支援舉例,建立的OPM 軍事概念模型側(cè)重信息和作戰(zhàn)活動的關(guān)系,體現(xiàn)了美軍近距空中支援條令對作戰(zhàn)活動的約束,但對飛行員操縱飛機的過程和邏輯體現(xiàn)不足. 本文以美軍F-16C 飛機檢查單[13]為依據(jù),建立并驗證飛行前檢查的軍事概念模型,改進已有工作的不足,豐富OPM 軍事概念模型的開發(fā)實踐成果,使先進技術(shù)的運用更符合作戰(zhàn)規(guī)則.

1 飛機檢查單及座艙設(shè)備

飛機維護和使用的具體操作依據(jù)是飛機維護規(guī)程、飛行員駕駛守則（飛機手冊、飛機檢查單）等文檔中的檢查程序. 在查閱多型飛機的相關(guān)文檔后發(fā)現(xiàn),檢查程序的描述方式高度類似,因此,可以將F-16C 飛機檢查單作為典型案例. 它包含常規(guī)程序、熟悉程序、性能數(shù)據(jù)、應(yīng)急程序和空中加油程序.常規(guī)程序中由飛行前、開車前、開車、開車后、滑行前、滑行、起飛前、起飛、下降/著陸前、著陸后、關(guān)車前、關(guān)車等檢查程序組成. 本文選擇常規(guī)程序中部分檢查程序為例,開發(fā)軍事概念模型. 檢查程序與飛機座艙設(shè)備相關(guān),因此,還需要F-16C 飛機手冊[14]作為支撐.

飛行前的部分檢查程序摘錄如下所示,其中,開車后檢查測試面板的程序中,中文翻譯還參考了飛機手冊,補充了檢查程序.檢查程序的結(jié)構(gòu)通常不超過3 個層次,1）檢查程序的時機,例如座艙內(nèi)部檢查、開車前、開車等；2）座艙的部分或面板,例如左控制臺、測試面板等；3）座艙的面板或開關(guān)、旋鈕、手柄等,例如測試面板、火控雷達開關(guān)、備用起落架手柄等.

F-16C 飛機飛行前檢查程序摘錄座艙內(nèi)部檢查左控制臺1. 皮托管加熱開關(guān)在關(guān)閉位置.……左輔助控制臺1. 備用起落架手柄在插入位置.……儀表板1. 滾轉(zhuǎn)開關(guān)在姿態(tài)保持位置.……右輔助控制臺1. 時鐘設(shè)置好.……右控制臺1. 傳感器電源開關(guān)全部在關(guān)閉位置.……座艙內(nèi)部檢查后1. 主燃油開關(guān)在主位置.……開車前

1. 主電源開關(guān)在電池位置.……開車1. 噴氣燃料啟動機開關(guān)在啟動2 位置.……開車后1. 檢查測試面板.a. 皮托管加熱熄滅.b. 皮托管加熱開關(guān)在加熱位置,確認皮托管過熱告警燈開關(guān)在測試位置,確認皮托管過熱告警燈亮起.c. 皮托管加熱開關(guān)在關(guān)閉位置,確認皮托管告警燈熄滅.d. 按下火警與過熱測試按鈕,確認火警與過熱告警燈亮起,然后松開測試按鈕.e. 按下故障與艙內(nèi)燈光測試按鈕,確認艙內(nèi)所有燈光亮起,然后松開測試按鈕.2. 設(shè)置航電電源面板a. 主任務(wù)計算機開關(guān)在開位置.b. 掛點電源開關(guān)在開位置.c. 多功能顯示器開關(guān)在開位置.d. 前上方控制器開關(guān)在開位置.e. 全球定位系統(tǒng)開關(guān)在開位置……滑行前……

上述檢查程序與F-16C 飛機手冊規(guī)定的座艙設(shè)備相關(guān). F-16C 飛機座艙從左到右依次為左控制臺、左輔助控制臺、儀表板、右輔助控制臺和右控制臺5個區(qū)域,每個區(qū)域包含若干面板、開關(guān)、手柄等,例如左控制臺包含檢測開關(guān)面板、飛行控制面板、手動配平面板等. 面板上包含各種開關(guān)、旋鈕、按鈕等.例如圖1（a）顯示了F-16C 左控制臺的測試面板,包含火警與過熱測試按鈕、氧氣量測試開關(guān)、故障與艙內(nèi)燈光測試按鈕、皮托管加熱開關(guān)等. 圖1（b）顯示了右輔助控制臺的注意燈面板,包含了飛控故障、發(fā)動機故障、過熱等注意燈. 圖1（c）顯示了右控制臺的航電電源面板,包含主任務(wù)計算機開關(guān)、掛點電源開關(guān)、多功能顯示器開關(guān)、前上方控制器開關(guān)、全球定位系統(tǒng)開關(guān)、慣導旋鈕等.

圖1 F-16C 飛機座艙的部分面板Fig.1 Partial cockpit panel of F-16C aircraft

2 檢查程序的OPM 元模型

圍繞規(guī)則對作戰(zhàn)活動的約束這一側(cè)重點開發(fā)檢查程序的OPM 軍事概念模型,需要建立元模型. 出于簡潔考慮,本文使用OPCAT 4.2[15]建模并驗證后,將模型按照OPM 語言使用VISIO 重新繪制. 由于檢查程序描述方式高度類似,節(jié)選“開車后檢查測試面板”建立元模型,具體步驟如下：

第1 步,建立對象、過程和狀態(tài)的概念.“開車后”是指開車后的檢查程序,與“檢查測試面板”均屬于過程,“測試面板”是物理對象.“a.皮托管加熱開關(guān)在加熱位置,確認皮托管過熱告警燈熄滅. ”中的皮托管加熱開關(guān)是物理對象,圖1（a）顯示它有加熱、測試和關(guān)3 個狀態(tài),而皮托管過熱告警燈位于右輔助控制臺的注意燈面板,它有亮和滅兩個狀態(tài). 該檢查項也是一個將皮托管加熱開關(guān)撥到加熱位置的過程.

第2 步,建立對象、過程和狀態(tài)之間的聯(lián)系,過程讓對象達到狀態(tài)或過程改變狀態(tài)是一種合理的描述. 例如,“將皮托管加熱開關(guān)撥到加熱位置”這一過程使“皮托管加熱開關(guān)”這一物理對象位于“加熱位置”的狀態(tài),且“皮托管過熱告警燈”這一對象處于“滅”的狀態(tài).

第3 步,建立連貫的過程,信息驅(qū)動過程是一種合理的解釋. 信息未必存在于每一步檢查程序,但一定存在于飛行員的認知中. 只有飛行員認為完成上一步的檢查程序,才會執(zhí)行下一步. 例如,在檢查測試面板的所有過程中,都會有相應(yīng)燈光亮或滅,這既可以解釋為對象狀態(tài)的變化,也可以解釋為信息. F-16C 飛機不僅有各種燈光,在儀表板上還有平視顯示器和多功能顯示器與飛行員交互,提供飛機姿態(tài)、武器參數(shù)、戰(zhàn)場態(tài)勢等信息,這里對象的狀態(tài)和描述對象狀態(tài)的信息之間是一致的,存在于飛行員認知中的信息主要是用來驅(qū)動執(zhí)行下一步活動.

第4 步,建立對象之間、過程之間關(guān)系. 對象之間的關(guān)系由F-16C 飛機手冊規(guī)定. 按照本文開發(fā)軍事概念模型的側(cè)重點,只需要建立座艙設(shè)備之間的組成關(guān)系,而無需建立座艙設(shè)備與飛機具體系統(tǒng)的關(guān)系. 例如本文僅需建立皮托管加熱開關(guān)與測試面板之間的組成關(guān)系,而無需關(guān)注該開關(guān)與過熱注意燈、皮托管之間的關(guān)系. 過程之間的關(guān)系由檢查程序規(guī)定,主要是層次關(guān)系. 例如開車后檢查包括檢查測試面板、設(shè)置航電電源面板等過程.

按照第1-4 步,結(jié)合OPM 逐層細化的思路,F-16C 飛機飛行前檢查程序的元模型可以分為如圖2所示的兩層. 上層元模型可以概括為“人員操縱設(shè)備執(zhí)行過程,產(chǎn)生信息”. 在上層元模型的過程內(nèi)部為下層元模型,概括為“信息驅(qū)動過程,過程改變狀態(tài)”.注意下層元模型中,座艙設(shè)備處于檢查程序的外部,這是因為同樣的座艙設(shè)備也會出現(xiàn)在其他過程中.例如座艙內(nèi)部檢查時,測試面板上的皮托管加熱開關(guān)位于關(guān)的位置,在開車后,該開關(guān)又分別位于加熱、測試和關(guān)的位置.

圖2 飛行檢查的OPM 元模型Fig.2 The OPM meta-model of flight check procedure

3 檢查程序的OPM 模型

在元模型的基礎(chǔ)上建立檢查程序的OPM 軍事概念模型步驟如下.

第1 步,建立頂層模型. 如圖3 所示,頂層模型可以表述為飛行員操縱F-16C 飛機座艙設(shè)備,執(zhí)行飛行前檢查,產(chǎn)生完成檢查的信息.

第2 步,逐層細化F-16C 飛機座艙設(shè)備模型. F-16C 飛機座艙設(shè)備包括左控制臺、左輔助控制臺、儀表板、右輔助控制臺、右控制臺5 個物理對象,這是物理對象第二層,如圖4（a）所示. 以右控制臺舉例,細化后它包括傳感器電源面板、平顯控制面板、航電電源面板等,這是物理對象第3 層,如圖4（b）所示.以傳感器電源面板舉例,細化后它包括左掛點開關(guān)、右掛點開關(guān)、雷達高度計開關(guān)、火控雷達開關(guān),這是物理對象第4 層. 以雷達高度計開關(guān)舉例,它是一個三位開關(guān),即有關(guān)、待機、雷達高度3 個狀態(tài),物理對象第4 層如圖4（c）所示.

第3 步,逐步細化飛行前檢查過程并建立聯(lián)系.按照檢查程序,飛行前檢查包括座艙內(nèi)部檢查、開車前檢查、開車、開車后檢查、滑行前檢查等過程組成,這是第2 層. 這些檢查均需要細化,所以無需在這一層說明座艙設(shè)備狀態(tài)的變化,每完成一個檢查程序,就會產(chǎn)生對應(yīng)的信息,驅(qū)動下一步檢查程序,這個信息存在于飛行員認知中,可以不需要,過程第2 層如圖5（a）所示. 以開車后檢查舉例,它包括檢查測試面板、檢查航電電源面板、慣導尋北等過程,這是第3 層. 這些過程中有的無需細化,例如慣導尋北的過程將慣導旋鈕的狀態(tài)由關(guān)改變?yōu)槌Ｒ?guī)校準,過程第3 層如圖5（b）所示. 第3 層有些過程需要繼續(xù)細化,例如檢查測試面板和啟動航電設(shè)備,那么按照過程第2 層處理,它們的細化過程分別如圖5（c）和圖5（d）所示,注意圖5（c）將飛行員觀察到的燈光亮和滅作為信息,驅(qū)動下一步程序,當然這里也可以建立“皮托管過熱注意燈”的物理對象,擁有“亮”和“滅”兩個狀態(tài),“將皮托管加熱開關(guān)撥到測試位置”這一過程與“亮”的狀態(tài)連接. 如果這樣處理,就需要逐一建立座艙所有燈光的物理對象及其所屬狀態(tài),因為“按下故障與艙內(nèi)燈光測試按鈕”這一過程將點亮座艙內(nèi)所有燈光. 如果采用信息,那么飛行員只需要掃視座艙,確認所有燈光點亮,在認知中生成“艙內(nèi)所有燈光亮起”的信息. 這樣處理有助于讓本文更加易讀. 作為對比,圖5（d）中“啟動航電設(shè)備”這一過程會分別將“主任務(wù)計算機開關(guān)”、“掛點電源開關(guān)”、“多功能顯示器開關(guān)”等物理對象的狀態(tài)更改為“開”,驅(qū)動過程的信息并不必要. 因此,在建立過程與狀態(tài)、信息之間的聯(lián)系時并無定論,有一定的靈活性.

圖5 F-16C 飛行檢查程序OPM 模型示例Fig.5 An example of OPM model of F-16C flight procedure

第4 步,驗證模型. 一方面,利用OPCAT 4.2 的推演功能,可以觀察整個軍事概念模型的活動、信息、狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換,通過推演、修改、再推演迭代,確保模型合理正確. 另一方面,利用數(shù)字戰(zhàn)斗模擬世界F-16C 模組這一桌面模擬飛行軟件,同座艙設(shè)備交互,可以直觀了解和體驗飛行前檢查程序,為建模提供支撐.

與已有的多種軍事概念模型相比,飛行員依照檢查單執(zhí)行飛行前檢查程序是一個小場景,參與的對象僅有F-16C 飛機和飛行員. 它也是一個特殊的場景,以規(guī)則對作戰(zhàn)活動的約束為側(cè)重點,其OPM軍事概念模型突出檢查程序這一活動與座艙設(shè)備狀態(tài)之間的關(guān)系. 對這類場景建立軍事概念模型,豐富了OPM 軍事概念模型開發(fā)實踐案例,在人工智能技術(shù)集成運用的作戰(zhàn)實驗探索中,起到使技術(shù)運用更符合作戰(zhàn)規(guī)則的作用.

4 結(jié)論

軍事概念模型是理技融合的橋梁,在縮短殺傷鏈閉合時間的作戰(zhàn)實驗探索中,為了使集成技術(shù)的運用更加貼近作戰(zhàn)場景,需要重視規(guī)則對作戰(zhàn)活動的約束. F-16C 飛機檢查單作為其作戰(zhàn)運用的規(guī)則之一,被當作為案例開發(fā)OPM 軍事概念模型.

本文分析了檢查程序和座艙設(shè)備,提出“人員操縱設(shè)備執(zhí)行過程,產(chǎn)生信息”和“信息驅(qū)動過程、過程改變狀態(tài)”兩層元模型.

在元模型基礎(chǔ)上建立并驗證了檢查程序的軍事概念模型. 其中,座艙設(shè)備的模型僅需關(guān)注組成關(guān)系,用于驅(qū)動不同檢查程序的信息則可以根據(jù)實際取舍,通過推演功能使模型合理,而在模擬飛行軟件中能夠直觀體驗檢查程序,支撐模型開發(fā).

建立飛機檢查單的OPM 軍事概念模型以規(guī)則對作戰(zhàn)活動的約束為側(cè)重點,突出活動和狀態(tài)的關(guān)系,與其他軍事概念模型相比,是一個具體而特殊的小場景,豐富了OPM 軍事概念模型開發(fā)實踐案例,能使先進技術(shù)集成運用更符合作戰(zhàn)規(guī)則.