軍事概念模型元素關系研究

丁曉劍，邢利菊

（信息系統工程重點實驗室，南京 210007）

軍事概念模型元素關系研究

丁曉劍，邢利菊

（信息系統工程重點實驗室，南京 210007）

概念模型元素及其關系是軍事建模過程中的一個重要環節。目前軍事概念模型的研究對模型元素關系的描述不夠細化。從軍事系統的概念內涵、作用與分類出發，分別探討了模型元素之間的基本關系和高級關系，利用OCL語言描述了高級關系的約束。最后用真實指控系統對模型元素關系進行了驗證分析。

概念模型，元素關系，對象約束語言

引言

仿真概念模型是開發者對于要仿真內容的信息描述，是仿真建模中十分重要的環節。軍事概念模型是軍事仿真系統的主要知識來源，是軍事人員和仿真開發人員溝通的紐帶，是軍事仿真系統開發的重要前提。描述軍事概念模型的重點是模型元素和其關系的描述，統一規范和描述一致的軍事概念模型元素和元素之間的關系，能夠讓系統開發人員清晰準確地把握軍事概念的內涵和外延［1］，開發出更適合用戶需求的軍事仿真模型。

很多研究人員對概念模型的建模過程進行了研究，文獻［2-5］給出了概念模型開發的4個步驟：①收集權威信息；②分解任務空間；③描述仿真元素；④確定仿真元素之間的關系。文獻［2］給出了概念模型需要描述的內容：仿真背景、任務空間和仿真空間，并簡要地描述了任務空間的組成：實體、動作、活動、作業和交互；文獻［3-5］描述了仿真的內容，如實體、行動、任務、過程和交互等。

上述文獻對軍事概念模型的開發過程和開發方法作了詳細研究，但對仿真元素和其關系的描述比較粗略，沒有詳細地展開。筆者所在的課題組一直從事軍事概念模型的研究，對軍事概念模型的元素及其特性已作詳細的研究，將軍事概念模型的5個核心元素擴展為14個元素，并分析了它們的特性，包括屬性、特征等要素［6］。本文將進一步研究概念模型元素之間的關系，以便更好地為仿真開發人員服務。

1 概念模型元素回顧

在研究概念模型元素關系之前，首先將課題組研究的元素簡要介紹一下。文獻［6］將概念模型描述內容分為任務、實體、目標、狀態和行為5個核心要素，如圖1所示。

圖1 概念模型元素

在圖1中，使用者、角色和對象都是特殊的實體要素，所以將這3種元素作為擴展單獨列出。同樣，使命和輸入/輸出要素由任務要素擴展得到，狀態轉移和事件要素由狀態要素擴展得到，手段要素由目標要素擴展得到，算法要素由行為要素擴展得到。模型元素主要有實體、使用者、角色、對象、狀態、狀態轉移、事件、使命、任務、目標、手段、輸入/輸出、算法。

2 模型元素關系

在軍事概念模型開發過程中，有許多現有的技術可以用來表示開發的概念模型，如“工作流圖，活動循環圖，petri網，UML”等，像UML方法已經成功用于CMMS、FEDEP和SEDEP等項目。UML提供了很多概念開發表圖（如用例，順序，構建，合作，類，狀態圖）表示一個模型的不同方面。由于UML是一種通用建模語言，它定義的標準和表示法在描述一些特定領域時會顯不足。對關系的含糊體現在對聚合以及一般的整體局部關系的實際語義說得很少。事實上，語義的不清晰在UML中是普遍的。這就使得不同的建模者在使用UML建模工具建模特定關系時結果往往不同，妨礙了語義的表達。UML的標準擴展機制profile在擴展UML時受到很多的限制，由profile定義的新語言結構的類型機制以及定義這些結構之間關系的能力非常有限，既不能修改UML的元模型也不可去掉UML元模型中的約束。

本節將UML建模語言中的關系擴展為基本關系和高級關系，并給出相應的約束和其描述方法，以適應于軍事領域模型元素的描述。

2.1 基本關系

參考UML建模語言中的關系描述，軍事概念模型元素的基本關系分為：繼承關系，部分/整體關系，線性關系和擁有關系。

繼承關系是一個元素繼承另外一個元素的功能，并可以增加自己新的屬性。擁有普通屬性的元素是祖先，有新增屬性的元素是后代。后代繼承了祖先的所有屬性和行為。繼承是元素與元素之間的最常見的關系。

部分/整體關系用來表示元素的組成。整體元素由若干部分元素組成，整體元素的功能是由其部分元素完成的。在關系線兩端加上量詞描述表明部分/整體關系：0..1：0或1個元素；n..m：n到m各元素；0..*或*：沒有或任意元素；1或n：精確到1個或n個元素；1..*：任意個元素。

例如，當部分邊的量詞為“1”時，表示整體元素只能有一個部分元素。如果是“0..*”，表示整體元素可以擁有0或任意個部分元素。當整體邊的量詞為“1”時，表示部分元素只能被一個整體元素擁有。當整體邊的量詞為“1..*”時，表示部分元素可以被多個整體元素擁有。

線性關系用來定義軍事命令中的上級與下級關系。關系的“上級”端用箭頭指向，另外一端指向下級。一個實體不能是自身的上級。

擁有關系用來定義使用者和角色之間的關系。一個使用者可以擁有多個角色，一個角色也可以被多個使用者擁有。

2.2 高級關系

軍事概念模型元素的基本關系能夠描述元素之間通用的關系，對于元素與元素之間特有含義的表達，需要定義一些高級關系，如圖2所示。

圖2 高級關系

圖2為模型元素的高級關系圖，定義了元素之間的8種關系。下面描述這8種關鍵的語義，屬性及其約束。

負責關系代表的是角色和任務或使命之間的關系。與任務或使命有這種關系連接的角色要負責該任務或使命的執行。負責關系有一個約束條件，每個約束條件可用對象約束語言OCL（Object Constraint Language）描述。OCL是一種制定約束和查詢的文本語言，功能強大，除了可用于編寫導航表達式、布爾表達式和其他查詢語句以外，還可以用于構建約束、監護條件、動作、前置條件與后置條件。負責關系中利用OCL描述的約束如下：

（1）負責關系中，角色是源端，任務或使命是目標端。

context ResponsibleFor self.source.isTypeOf（Role）AND（self.target.isTypeOf（Task）OR self.target.isTypeOf（Mission））

實現關系代表的是角色和任務或使命之間的關系。與任務或使命有這種關系連接的角色要實現該任務或使命的執行。實現關系有一個約束條件，每個約束條件可用OCL語言描述如下：

（1）實現關系中，角色是源端，任務或使命是目標端。

context Realizes self.source.isTypeOf（Role）AND（self.target.isTypeOf（Task）OR self.target.isTypeOf（Mission））

擴展關系指定了擴展使命（源）定義的行為如何、何時插入被擴展使命（目標）定義的行為中。這種關系指定了一項使命（目標）的行為可被另一項使命（通常是補充性的）的行為擴展。擴展在被擴展使命定義的一個或多個具體的擴展點進行。

被擴展使命的定義、意義皆與擴展使命無關。另一方面，一般擴展使命定義的行為自身無需有意義。相同的擴展使命可擴展不止一項使命。此外，擴展使命自身也可以被擴展。

擴展關系有兩個約束條件，每個約束條件可用OCL語言描述如下：

（1）擴展關系中，一項使命為源端，另一項使命為目標端。

contextExtendsself.source.isTypeOf（Mission）AND（self.target.isTypeOf（Mission））

（2）擴展關系中，不能有相同的使命既是源端又是目標端。

context Extends Mission1=self.source AND Mission2=self.target implies not（Mission1=Mission2）

包含關系定義了一項使命容納另一項使命定義的行為。包含是兩項使命之間的一種定向關系，指被包含使命（目標）的行為被插入到包含使命（源）的行為中。包含使命可能僅取決于被包含使命的結果（值），這個結果（值）是通過執行被包含使命而獲得。被包含使命并非選擇性，而是包含使命正確執行所必需的。

兩項使命之間的包含關系意味著包含使命定義的行為被包含在基本使命的行為中。包含關系意圖用在當兩個或兩個以上使命的行為有共同部分的時候。共同部分將被提取到一個單獨的使命中，供所有含有這部分共同體的基本使命執行包含。被包含使命的執行與子程序調用類似。被包含使命的所有行為都在被包含使命中的單一位置執行，之后再繼續進行包含使命。包含關系有兩個約束條件，每個約束條件可用OCL語言描述如下：

（1）包含關系中，一項使命為源端，一項使命為目標端

context Includes self.source.isTypeOf（Mission）AND（self.target.isTypeOf（Mission））

（2）包含使命中，不能有相同使命既是源端又是目標端

context Includes Mission1=self.source AND Mission2=self.target implies not（Mission1=Mission2）

完成關系定義的是使命或任務與目標之間的關系。使命或任務可能有許多目標，當完成所有目標時，該使命或任務將被視為成功。完成關系有兩個約束條件，每個約束條件可用OCL語言描述如下：

（1）完成關系中，使命或任務是源端，目標為目標端。

context Achieves（self.source.isTypeOf（Task）OR self.source.isTypeOf（Mission）） AND （self.target. isTypeOf（Objective））

輸入關系用來表示執行任務所需的工作產品。一項任務可能要求輸入許多個工作產品。輸入是一種工作產品為源端、任務為目標端的定向關系。完成關系有一個約束條件，可用OCL語言描述如下：

輸入關系中，工作產品為源端，任務為目標端。

context InputTo self.source.isTypeOf（WorkProduct）AND（self.target.isTypeOf（Task））

生產關系用來代表任務執行后或期間的工作產品。任務輸出可能會有許多個工作產品。生產是一種任務為源、工作產品為對象的定向關系。生產關系有一個約束條件，可用OCL語言描述如下：

生產關系中，任務為源端、工作產品為目標端。

context Produces self.source.isTypeOf（Task）AND（self.target.isTypeOf（WorkProduct））

量化關系用來代表目標和度量標準之間的關系。目標的執行情況通過評估目標相連的度量標準來決定，由量化關系表示。量化關系有一個約束條件，可用OCL語言描述如下：

量化關系中，目標為源端，度量標準為目標端。

context QuantifiedBy self.source.isTypeOf（Objective）AND（self.target.isTypeOf（Measure））

下頁圖3為軍事系統的領域特征元模型，該元模型展示了元模型元素之間的繼承關系，關系和規則。

使命和任務之間是一種多對多關系。一項任務必須至少屬于一項使命，一項使命必須至少包括一項任務。任務之間存在組成關系，每個個體扮演任務節點（task Node）的角色。一項任務可能包括許多子任務，也可能是許多項任務的一部分。一項任務可能生產一份工作產品，零份或多份工作產品可能會輸入進一項任務中。

圖3 C4ISR指控系統建模實例

使命和任務都可能有一個或多個目標，通過完成關系起來。目標和度量標準之間是一種多對多關系。每個目標可用一條或多條度量標準來量化。一條度量標準必須與至少一個目標相關。一項使命可通過包含關系或擴展關系與其他使命關系。

一個角色實現或負責一項或多項使命。一個角色實現或負責一項或多項任務。角色和使用者之間的這種多對多關系意味著一個角色可能屬于許多個使用者，一個使用者也可能擁有許多個角色。一個使用者可以地位高于許多其他使用者，也可以是許多其他使用者的下屬。

使用者從實體繼承而來。一個實體可能擁有許多屬性、能力、零個或一個狀態機（State Machine）。狀態機用來表示實體的行為，狀態是一個對象在生命過程中的一種情況或狀況，期間它滿足某些情況、執行某些活動、或等待某些事件。狀態被包含在狀態機中，狀態機描述了一個對象隨時間發展對事件的響應歷史。

一個實體可能通過關系（Association）、聚集（Aggregation）或泛化（Generalization）等關系與另一個實體相關。

3 建模實例

文獻［6］研究了概念模型元素及其特性，本文前述內容研究了元素的關系及其約束，本節將用軍事電子信息系統的實例對概念模型元素和元素之間的關系作出闡述。

以C4ISR指控系統為例，如圖3所示，指揮員是“使用者”，是負責執行使命的實體。然后識別3個使命：監視、偵查和通信，指揮員和這3個實體之間都為負責關系。監視使命有一個目標：實施監視，由實體“監視的性能”表示。實體監視和監視的性能之間有完成關系，后者用4個度量標準衡量。度量模型元素包括定義度量單元和在目標模型元素中定義目標完成的標準。度量標準包括覆蓋邊界的長度，覆蓋的時間，探測/識別/認可率，覆蓋的密度和花費。這些標準可以用“千米（km）”，“分鐘（min）”，“認可的威脅數目”/“探測的威脅數目”，“覆蓋邊界的面積”和“金錢花費多少”作為度量單元。使命的表現可以檢查這些度量標準來識別。當所有成功閾值都滿足時，認為該使命成功完成。如果“覆蓋邊界長度超過12 km”，“時間消耗小于20 min”，“探測/識別/認可率超過60%”，“覆蓋密度超過80%”和“金錢消耗小于10 000”同時滿足，認為監視目標是成功的。

4 結 論

作為軍事系統仿真建模開發過程的核心與基礎，模型元素和元素之間關系的研究對于正確開發概念模型有著重要的作用和意義。本文在課題組工作的基礎上，對概念模型元素的關系作了深入研究，建立了基本關系組和高級關系組，并對高級關系的約束利用OCL作了形式化的描述。在將來的工作中，課題組利用研究成果在軍事系統上進行驗證分析，分析其不足之處以作進一步改進。

［1］潘慶華.基于MDA的軍事仿真建模研究［M］.南京：解放軍理工大學，2009.

［2］王 勇，馬 萍，楊 明，等.仿真概念模型的開發過程研究［J］.系統仿真學報，2006，18（s2）:17-23.

［3］黃俊領，譚東風，張向波.軍事仿真概念模型開發研究［J］.計算機仿真，2005，22（2）:15-18.

［4］張向波，黃俊領.軍事仿真概念模型及其開發過程研究［J］.情報指揮控制系統與仿真技術，2004，26（2）:29-32.

［5］胡 軍，陳 新.軍事仿真概念模型的開發方法研究［J］.實驗科學與技術，2006（5）:14-17.

［6］丁曉劍，孫豐鑫.C4ISR系統概念模型元素研究［J］.微電子學與計算機，2014（5）：18-22.

Relationship Research of Military Conceptual Model Elements

DING Xiao-jian，XING Li-ju
（Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory，Nanjing 210007，China）

The elements of conceptual model and its relationships are essential part of the process of military system modeling，and less detailed description of model elements'relationships is available for conceptual model so far.This paper researchers the military system's connotation of conception，function and classification，and discussesthe basic relationships and advanced relationships respectively.OCL language is used to describe the constraints of advanced relationships.Finally real Command and Control system is conducted to verify the relationships of model elements.

conceptual model，elements relationship，OCL

TP391.9

A

1002-0640（2014）11-0004-04

2013-09-05

2013-11-07

丁曉劍（1982- ），男，江蘇沭陽人，博士。研究方向：概念模型，系統仿真技術。