航空武器裝備頂層論證技術發展現狀與趨勢

李清， 閆娟， 朱家強， 黃濤， 臧精, *

1. 中國航空工業發展研究中心， 北京　100029

2. 中航工業航空總體論證科技重點實驗室， 北京　100029

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航空武器裝備頂層論證技術發展現狀與趨勢

李清1, 2， 閆娟1, 2， 朱家強1, 2， 黃濤1, 2， 臧精1, 2, *

1. 中國航空工業發展研究中心， 北京100029

2. 中航工業航空總體論證科技重點實驗室， 北京100029

摘要:航空武器裝備頂層論證是航空武器裝備論證的重要內容，是航空武器裝備發展的頂層設計與型號發展的先期論證。開展航空武器裝備頂層論證，是實現航空武器裝備體系對抗的需要，也是航空武器裝備由跟蹤發展向自主創新跨越的需要。分析了航空武器裝備頂層論證技術面臨的挑戰，回顧了航空武器裝備頂層論證技術從產生到逐步完善的發展歷程，剖析了航空武器裝備頂層論證當前面臨的技術難點與可能的應對策略，探討了航空武器裝備頂層論證技術當前及今后一個時期的研究重點與發展趨勢。

關鍵詞:航空武器裝備； 頂層論證； 需求工程； 體系設計； 效能評估； 推演仿真

航空武器裝備頂層論證，是隨著航空武器裝備論證的內涵不斷豐富、外延不斷擴展而出現的新概念，目前尚無明確定義。綜合相關研究，本文將航空武器裝備頂層論證定義為航空武器裝備平臺之上和型號立項之前的各項論證工作的統稱，是航空武器裝備發展的頂層設計與型號發展的先期論證，主要包括航空武器裝備發展戰略與規劃論證、航空武器裝備體系論證、航空武器裝備型號研制立項綜合論證等。開展航空武器裝備頂層論證，是實現航空武器裝備體系對抗的需要，也是實現航空武器裝備由跟蹤發展向自主創新跨越的必然選擇。

1航空武器裝備頂層論證技術面臨的挑戰

航空武器裝備頂層論證技術，是支撐航空武器裝備頂層論證的各種方法和手段的統稱，是航空武器裝備論證技術的豐富與擴展。隨著航空武器裝備論證的內涵外延的豐富與擴展，航空武器裝備頂層論證技術主要面臨下列挑戰。

1.1論證范疇發生變化

囿于歷史原因，國內航空武器裝備論證一度主要局限于瞄準國外具體產品的型號技術論證。近年來，隨著環境、任務和自身能力的演變，航空武器裝備論證已經明顯超出了型號技術論證的范疇。一般認為，航空武器裝備論證包括宏觀綜合論證、型號論證和有關專項論證[1]。航空武器裝備頂層論證囊括了宏觀綜合論證的全部內容和型號論證中的立項綜合論證。隨著航空武器裝備論證范疇的演變，航空武器裝備頂層論證從無到有。如何支撐航空武器裝備頂層論證，就成為了航空武器裝備頂層論證技術面臨的首要問題。以型號立項綜合論證為例，近年來發生了兩大變化：①型號技術論證向型號綜合論證擴展；②單一型號論證向體系論證擴展。從而使得型號體系定位及其對體系整體作戰能力的貢獻率，成為型號立項綜合論證必須首先明確的問題。如何為應對上述變化提供有效的技術支撐就成為了頂層論證技術必須關注和解決的重大現實問題。

1.2論證領域發生變化

如前所述，傳統的航空武器裝備論證關注的主要是技術問題。近年來，這種情況已經不復存在，繼技術論證和經濟性論證之后，軍事問題已經成為航空武器裝備論證不可回避的重要領域。軍事想定貫穿需求論證、體系設計、產品概念方案設計和效能評估的全過程，作戰視圖是指導體系設計和產品概念設計的重要工具，作戰流程、作戰時序與作戰信息交互關系等是確定產品功能、性能和戰技指標的重要依據。面對上述變化，軍事素養已經成為航空武器裝備頂層論證人員的必備素養，軍事想定編制、作戰視圖描繪等相關技術已經融入航空武器裝備頂層論證技術體系中，如何主動適應上述變化，已經成為航空武器裝備頂層論證技術必須面對和迫切需要解決的現實問題。

1.3論證方法發生變化

航空武器裝備論證具有一般產品論證的共性特點，也有自身的個性特點；及時吸納國內外產品論證共性理論的新進展，不斷總結自身實踐的新經驗，構建并不斷充實完善航空武器裝備頂層論證技術體系，是推動航空武器裝備論證技術不斷創新的必由之路。近年來，國外相關領域的三大進展值得關注：①起源于大型復雜軟件系統開發的需求工程技術新進展[2]；②起源于“企業”體系結構開發的體系結構框架新進展[3]；③基于模型的系統工程理論新進展。上述進展為構建和完善航空武器裝備頂層論證技術注入了新的活力，因此，如何立足國情實現引進消化再創新，構建適應形勢發展需要的航空武器裝備頂層論證技術體系的問題已經擺在了面前。

1.4論證要求發生變化

隨著人們對戰爭規律和武器裝備發展規律認識的不斷深化，對航空武器裝備論證的要求也在改變。按需求特點進行劃分，大致有3個層次：①滿足需求，即需求是明確的，論證的重點是如何通過發展適當的裝備以滿足需求；②開發需求，此時需求尚不明確，但客觀存在，需要通過論證工作予以明確，并通過發展裝備予以滿足；③創造需求，即通過設計戰爭，創新戰法，創造出對未來武器裝備的新需求，也即設計武器就是設計戰爭。對于前兩種情形，國內外已有大量經驗；對于第3種情形，國內近些年剛剛提出，還需要從認識論和方法論層面分別予以解決，其中方法論層面的問題就是航空武器裝備頂層論證技術應當予以關注和解決的。

2航空武器裝備頂層論證技術發展現狀

回顧歷史，航空武器裝備頂層論證技術不是憑空產生的，也不是一夜之間就得以建立和完善的。通用領域的相關成果為其提供了方法來源，國防領域的類似研究為其提供了有益借鑒，航空武器裝備的發展歷程為其提供了實踐基礎。伴隨著理論的逐漸完善和實踐經驗的不斷豐富，航空武器裝備頂層論證技術也從產生走向成熟。

2.1需求工程技術

航空武器裝備需求工程，是應用已經證實的方法與手段，對尚待開發的航空武器裝備進行需求分析，確定用戶需求，定義其必備特征的工程技術[4]。需求工程由需求開發與需求管理兩部分組成，其中需求開發又包括需求獲取、需求分析、需求描述和需求驗證等環節。因此，航空武器裝備需求工程，也是支撐上述需求開發與需求管理活動的各種方法與手段的統稱。

航空武器裝備需求工程的產生與發展，得益于軍事需求工程與軟件需求工程的雙重推動。20世紀60年代初，美國國防部建立了規劃、計劃和預算系統(PPBS)，將系統工程方法引入了國防領域。20世紀80年代中期，美國國防部在武器裝備發展中全面推行需求生成系統(RGS)，軍事需求工程由此產生。2003年8月，為適應冷戰結束與進入信息化時代的需要，美國國防部推出聯合能力集成與開發制度(JCIDS)，基于能力成為推動需求發展的新動力。與此并行，隨著計算機與軟件工程的發展，20世紀80年代中期，軟件需求工程的概念開始出現。20世紀90年代，軟件需求工程成為軟件工程領域的新熱點。1996年，Springer-Verlag(全球第一大科技圖書、第二大科技期刊出版公司)創辦《Requirements Engineering》雜志，標志著軟件需求工程已經確立[5]。軟件需求工程理念與方法在軍事領域的運用，為軍事需求工程注入了新的活力；軍事需求工程運用于航空領域則產生了航空武器裝備需求工程。

航空武器裝備需求工程包括需求開發與需求管理兩部分內容，作為技術綜述，以下將圍繞需求開發技術展開。當前可用于航空武器裝備需求開發的方法主要有[6]：

1) 基于系統工程的需求開發

基于系統工程的需求開發方法，基于系統思想和系統原理，以大型復雜系統為研究對象，按一定的目的對系統構成要素、組織結構、信息交換和控制等進行分析、設計、開發、管理和控制，以達到總體效果最優。自20世紀80年代以來，出現了多種具有實際意義的需求開發方法，如以需求描述見長的結構化、形式化、面向對象、面向目標、場景驅動和本體建模等技術。其中，本體建模技術是近年來的新型技術，其特點是運用多本體建模技術以規范整個建模過程，實現領域知識的充分利用，顯著提高建模效率。

2) 基于多視圖的需求開發

為解決大型系統需求分析時難以獲得完整、準確、清晰的系統需求描述的問題，Zachman將多視圖的思想引入復雜信息系統的體系結構建模領域，即基于多視圖的需求開發方法。該方法源的基本思想是“分而治之”，即基于不同人員對研究對象的不同關注點，將復雜問題分解為多個相對獨立的小問題，然后通過建立諸多小問題及其相互關系模型來對研究對象進行分析和設計。例如，美軍以此為基礎建立了C4ISR體系結構框架。

3) 基于概念模型的需求開發

基于概念模型的需求開發方法，是為強化對軍事需求的規范化和一致性描述而引入的，基本思想是在需求分析過程中，先進行軍事使命需求采集，然后根據使命需求進行樹結構分解、獲得子使命集合并構建概念模型，最終建立可重復利用的概念模型庫。采用該方法的優點是：提高了軍事需求描述的準確性，使軍事需求建模具有了可重用性，在減輕建模工作量的同時使系統能夠進行流程再造和柔性組合。

4) 基于能力的需求開發

基于能力的需求開發方法，是針對航空武器裝備所隸屬的軍兵種與應用范圍，結合其軍事需求與作戰使命，規劃作戰能力，遵循“聯合作戰概念→軍事戰略與作戰使命→作戰能力→航空武器裝備→核心技術”的需求分析主線，確定航空武器裝備在未來作戰體系中所能提供的支持效果[7]。該方法在美空軍遠程作戰能力分析[8]、美空軍新一代戰術飛機裝備和技術概念研究以及美陸軍概念能力規劃之配送行動分析等項目中得到了實際運用。

基于體系結構的需求開發方法，即美國國防部體系結構框架(DODAF)，是為構建各類軍事系統而制定的一系列框架和指南。該方法從能力、作戰、服務、系統和技術標準等需求出發，設計武器裝備需求描述框架，進行需求獲取以及分析與建模，準確提煉系統需求。該方法目前正逐漸成為各國研發大型復雜軍事裝備所遵循的基本標準，其最大的特點是為武器裝備發展需求的準確描述，提供了一種軍事人員和技術人員都能理解的、標準化的共同語言。

6) 基于服務的需求開發

美軍在DODAF 2.0中明確提出了基于服務的體系結構(SOA)，將面向服務的思想引入能力需求分析。該方法是為了滿足未來一體化聯合作戰的需要，提出了面向服務的能力需求分析建模方法，目的是應對從高層需求描述到系統設計的映射問題。

2.2體系結構技術

體系結構[3](Architecture)，其概念源于建筑行業。工程中，體系結構是系統工程的基本組成部分。IEEE對體系結構的定義為：組成系統各部件的結構、相互關系以及制約它們設計隨時間演進的原則和指南。此3個方面囊括了系統的形態、屬性和研制要求。

體系結構技術，是規范、指導和約束體系結構開發的理論、方法和工具的總稱，提供了開發和表述體系結構的規則、指南和產品描述，以及理解和管理復雜的體系結構設計的機制，在體系研制、開發、試驗、采辦、部署、運行以及演化發展等全壽命周期中都發揮著極其重要的作用。

體系結構技術起源于企業體系結構。1987年，Zachman在《A framework for information systems architecture》[9]一文中首次提出了著名的Zachman框架，給出了經典的體系結構原理、公共詞匯和描述復雜信息系統體系結構的方法。此后，多種體系結構框架模型相繼出現。

國外對體系結構技術的研究主要分為兩類[10]：一類是企業信息系統體系結構框架，另一類是軍事領域的體系結構框架。兩者具有相同的方法論基礎，按照應用領域不同，提出了各自的體系結構框架模型。企業信息系統體系結構框架比較流行的包括Zachman框架、開放組織結構框架(TOGAF)、美國聯邦企業體系結構框架(FEAF)以及美國財政部企業體系結構框架(TEAF)等；軍事領域內比較有影響的體系結構框架有美軍C4ISR體系結構框架、DODAF，以及其他國家或組織提出的MODAF、NAF、AusDAF體系結構框架等。

其次，游戲材料的選擇要與幼兒的實際生活相貼近。在幼兒的中班階段，益智區的游戲要與幼兒的現實生活緊密聯系起來，使幼兒在游戲中增加對生活的感知，進而開發幼兒的智力。比如實際生活中的水、土、樹葉、小草等都可以作為益智區游戲的材料，這些都是生活中常見的事物，那么它們各自有什么特點呢？又可以有什么新玩法呢？這些都可以成為幼兒的探索內容。棋類游戲在生活中也十分普遍，教師可以就近取材，利用棋類游戲開發幼兒的智力，選擇一些與幼兒的智力發展水平相符的棋類游戲，并在幼兒的玩耍過程中給予一定的指導。有些幼兒不太懂得棋類游戲的規則，教師的指導不僅能夠幫助他們理清思路，還能使幼兒與同伴之間進行友好的交往。

目前，體系結構框架模型中占據主導地位的主要有Zachman框架、TOGAF、FEAF、TEAF和DODAF這5個最具代表性的發展分支。

1) Zachman模型框架

Zachman模型框架是最早的體系結構框架模型之一，也是一個經典的企業體系結構框架。Zachman認為信息系統的設計和開發就如同建設一個復雜的建筑或建造一架飛機一樣，其中包含復雜的建設過程，并且建設過程涉及到各種人員。所以，在建設過程中必須由不同的人員以不同的目的按照不同的標準來描述系統。Zachman框架模型的主要特點是從多個不同的角度描述系統體系結構框架的不同方面，從而形成對系統體系結構的整體描述。其多視圖、多視點矩陣的分析理念對許多后續模型都產生了深刻影響。

2) TOGAF

TOGAF由開放組織(Open Group)在1995年開發。該體系結構框架以信息管理技術體系框架(TAFIM)為基礎，提供一個實用、方便的開發企業體系結構的工業標準方法。TOGAF模型偏重于技術體系結構，但最新發布的TOGAF版本增加了業務成分，開始向企業體系結構模型靠攏。

3) FEAF

FEAF是美國聯邦政府為指導各級政府機構信息系統開發，加強各政府部門之間的信息共享和互操作能力而建立的。此框架主要包括8個主要部分，分別為體系結構驅動、戰略方向、當前體系結構、目標體系結構、體系結構模型、體系結構段、變化過程和標準。框架的8個組成部分反映了一個評價現有條件和尋找目標問題解決方法的連續變化過程。FEAF框架中的體系結構模型和Zachman框架中的模型一致，也部分采用了多視圖、多視點的矩陣分析理念，但2003版之后已經基本消除了Zachman模型的痕跡。

4) TEAF

TEAF是依據信息技術管理改革法案(ITMRA)，由美國財政部等于1996年提出，主要目的是規范、指導財政部及其下屬機構的業務發展和使用、管理體系結構。此框架主要包括體系結構指導、體系結構描述和體系結構實現3部分，從計劃者、所有者、設計者和實現者4個視角對功能、信息、組織和設施4個視圖進行設計。其體系結構描述也利用類似Zachman框架的矩陣模型表示，其中的矩陣元素就是TEAF框架的工作產品。與Zachman框架模型相比，TEAF具有更好的可操作性。

5) DODAF[11]

DODAF是美國國防部提出的體系結構開發、使用與管理的通用指南。2009年5月頒布的DODAF 2.0版本，實現了以權威數據為基礎，以國防部元模型為中心，以靈活的方法為手段，以多種表示形式為途徑，以支持核心決策過程為出發點，以開發符合用戶需要的體系結構為根本目的，標志著以支持國防領域關鍵決策為目標的“體系結構框架”基本成熟。在聯合作戰構想框架下，依托作戰概念強化頂層設計，自上而下地管理作戰需求和裝備需求，實現聯合作戰能力，解決裝備建設方面資源浪費和能力冗余等問題，保證了復雜戰爭模式下武器采辦的正確性。在DODAF的基礎上，英國、北約、澳大利亞等結合各自需要，先后推出了各具特點的體系結構框架，如MODAF、NAF、AusDAF等。

國內對于體系結構技術的研究主要集中在武器裝備體系領域。1997年以來，為適應體系對抗的需要，國內在軍事電子信息領域率先開展了體系結構框架開發和應用研究，并于2010年4月正式頒布了GJB/Z《軍事電子信息系統體系結構設計指南》，填補了國內在體系結構框架研究、標準制定和工程應用方面的空白，推動了體系結構框架在國防領域的廣泛運用。隨著戰爭形態從“平臺對抗”發展到“體系對抗”，裝備使用部門和研制部門都越來越重視裝備體系的頂層設計和論證，大力倡導體系結構技術研究和應用。

2.3概念方案設計技術

航空武器裝備的概念方案設計是指根據裝備的作戰需求與使用要求，利用科學有效的設計方法，借鑒既往相同或相近裝備的設計經驗，進行總體參數選擇，開展初步總體方案的設計。在此基礎上，對已形成的單個或多個概念設計方案全面考慮各種因素，采用科學方法進行系統分析和綜合決策，以獲取最佳設計方案。

概念方案設計雖然僅從概念層面對未來裝備的布局形式、結構重量、動力和主要機載設備等進行初步決策，但是概念方案一經確定，后續工作只能在此框架內進行，不得擅自突破。就工作量與費用而言，概念方案設計占比不足20%，但其對后續方案技術可行性的影響卻超過了50%。概念方案設計對新裝備研制能否成功至關重要。

概念方案設計技術伴隨著航空武器裝備的發展經歷了3個階段。第1階段：早期，飛機系統簡單、綜合化水平不高，概念設計完全依賴設計師個人能力。第2階段：隨著航空技術逐漸成熟，裝備的功能和性能大幅度提升，系統越來越復雜，涉及專業越來越多，概念設計趨于標準化和規范化。第3階段：隨著信息技術的發展，概念設計開始向基于仿真的設計和總體綜合優化設計轉變，可實現快速多輪迭代，縮短設計周期，提高性能優化水平。

目前，概念方案設計技術的發展主要圍繞設計方法與設計手段兩個方面展開：

1) 原準機法

選擇既有裝備作為原準機，參照原準機的總體參數和有關資料，憑借設計師的經驗和判斷，選出適合的總體參數，開展概念方案設計。彭名華和張呈林[12]在此基礎上，提出了基于統計分析的概念設計方法。針對戰術通用直升機的特點，建立了總體參數數據庫，利用統計分析，進行重量、旋翼參數和功率分析，選擇總體參數，建立總體方案評價準則，并進行了算例驗證。賈偉力和陳仁良[13]針對前述方法未能將總體參數與設計要求很好地聯系起來的缺陷，提出了一種新的直升機總體概念設計方法。該方法根據主要設計要求來確定直升機總質量和發動機需用功率等主要總體參數；然后通過對氣動布局參數的統計與歸納，初步確定氣動布局參數，并利用這些參數對直升機總質量重新估算，經反復迭代后得到一組可以進行后續飛行性能以及操穩性計算使用的概念設計參數。

2) 多學科設計優化方法

20世紀60年代中期，人們開始將優化方法與計算機技術應用于概念設計。20世紀90年代初，AIAA正式提出多學科設計優化(MDO)方法。近20年來，國外政府、工業界和學術界高度重視MDO，進行了大量研究與工程開發。NASA已資助高校、工業界的研究人員開展多個MDO研究計劃。NASA與工業界合作研制了高速民機多學科設計優化系統HSCT[14]，推動了飛機總體MDO的發展；啟動了先進工程環境項目AEE，為新一代可重復使用空間飛行器的概念設計提供協同設計環境[15]。與此同時，歐洲開展了多個MDO計劃，探索分布式環境下集成各學科軟件的復雜航空產品設計方法和工具。研制了面向飛機總體設計的原型系統——計算設計引擎(CDE)；在歐盟第六框架下啟動了VIVAC項目，為飛機和發動機設計提供先進的虛擬協同設計環境[16]。波音公司開發了基于高精度分析模型的飛機MDO系統——MDOPT[17]；洛克希德公司研制了飛機快速概念RCD[18]。同時，MDO商用軟件也得到飛速發展，iSIGHT、ModelCenter、DAKOTO等設計軟件已實現商業化。

國內的MDO理論與應用研究方面，余雄慶[19]全面分析了MDO相關技術，研究了并行子空間優化算法，并將其應用于電動無人飛機的一體化設計。陳小前[20]提出了一種基于正交多項式的響應面多學科設計優化方法，并對兩種不同飛行器概念方案進行了比較。黃俊等[21]全面分析了多學科設計優化方法在飛機總體設計中的應用。

3) 概念方案評估方法

目前對航空武器裝備概念方案的評估已從單純的作戰性能參數對比發展到了綜合性能的解析評估，并不斷擴展到可靠性、維修性、保障性、安全性、生存力和壽命周期費用等方面。隨著評估對象的不斷擴展，評估過程中需要選擇多個因素或指標，目前主要適用的多指標評價方法有神經網絡、遺傳算法、粗糙集、熵、模糊數學與灰色關聯度等方法。

概念方案評估中，評估指標體系的建立是另一項重要工作。美國空軍系統司令部武器系統效能工業咨詢委員會將可靠性、維修性、保障性、生存力和固有能力等因素綜合為可用性、可信性和固有能力3個指標，提出了系統有效性的評價指標體系，成為應用最為廣泛的系統有效性的評價指標體系[22-23]。隨著航空裝備壽命周期費用的上漲，美國航空航天系統設計實驗室于1995年提出了綜合評價準則，把壽命周期費用作為評價指標之一，將經濟可承受能力、任務能力、可用性、戰時生存性和平時安全性作為作戰飛機總體方案評價與決策的5個評價指標[24]。

國內研究人員基于前述主要框架不斷完善評估指標體系。如在進行飛機生存力方案評估時，宋筆鋒和李為吉[25]提出了以飛機的安全性、維修性、可靠性、保障性、性能及費用等為約束條件、應用于飛機概念設計的飛機生存力效益/代價綜合評估方法。李壽安等[26]建立了敏感性、易損性、可靠性、維修性、保障性和壽命周期費用為評價指標的飛機生存力設計方案評估框架。李軍等[27]提出了基于分層體系的現代作戰飛機方案評估方法，確定了作戰飛機方案評估的5個層次并給出細化指標體系、評估模型和計算方法。

4) 概念設計軟件系統開發

1984年，NASA的蘭利研究中心開發了著名的飛機總體設計綜合分析與優化系統FLOPS，用于新型飛機的概念設計[28]。1990年，NASA艾姆斯研究中心聯合軍方、高校以及航空企業推出新版本的ACSYNT飛機綜合系統，適用于各種軍、民用飛行器(包括導彈)的概念設計[29]。1991年，美國堪薩斯大學的Roskam教授開發了先進飛機分析軟件AAA[30]。該軟件能對包括戰斗機、運輸機和公務機在內各類飛行器設計方案的質量、氣動、性能、操穩和成本進行分析。1992年，Raymer開發出了RDS飛行器概念設計系統[31]。該系統可對包括戰斗機、無人機和航天飛機在內的各類飛行器進行三維的初始布局設計，并能對設計方案進行氣動、質量、推進、操穩、性能和費用分析。此外，針對直升機概念設計的特殊需求，國外已積累了很多經驗和方法，從初期的直升機概念設計方法軟件HESCOMP發展到VASCOMP設計軟件以及GTPDP，這些軟件和方法主要采用綜合法進行直升機概念設計。近期，國外概念設計方法已經發展到集成飛行品質、飛行性能、質量估算等方面的多學科優化設計[13]。

國內圍繞概念設計系統方面公開發表的報告很少，學術界相關的研究工作相對較多。北京航空航天大學的劉虎開發了基于草圖的方法、用于飛機概念設計的原型系統SEACD，該系統可確定總體布局型式，綜合主要部件布置并將設計方案以統一的平面草圖和三維模型加以表示[32]。西北工業大學的王曉青開發了具有圖形人機用戶界面、具有分析設計能力、適用于軍民用運輸機與對地攻擊機的飛機總體設計軟件[33]。

2.4作戰效能評估技術

在航空武器裝備頂層論證中，效能評估是一項重要的論證工作。對武器裝備效能評估的研究已經開展多年，在航空領域也應用廣泛。常用的如ADC、指數法、層次分析法等傳統效能評估方法已經較為成熟，在工程中也應用較多[34-35]。這些方法較為依賴于經驗數據，同時受專家水平和主觀態度影響較大，通常不針對具體的裝備使用方式，但是仍然可以快速方便地進行初步的評估。而基于作戰仿真的效能評估方法已經成為基本的發展方向[36]，利用解析式的評估方法的作用在降低，更多的則是需要通過仿真得到各類統計數據來進行處理和分析。在建模仿真技術之外，評估方法的研究需要更多著重于數據的處理方式和關鍵指標的選取。

然而，無論是仿真還是非仿真的效能評估方法，大多數研究仍注重于對單個裝備的評估，在航空武器裝備的頂層論證中，更重要的是進行某型裝備對作戰體系的貢獻度的分析。目前，隨著體系(System of Systems)作戰成為研究熱點，對復雜系統和體系的效能評估方法的需求也越來越大。

雖然，目前尚沒有標準的評估方法，但國內外對體系評估已經開展了探索性的研究：Jackson等[37]通過選取自治系統的關鍵指標進行了體系效能預測算法的研究，評估了單個系統對體系效能的影響，并將系統性能指標映射到體系效能上；Xiong等[38]使用基于知識的可執行模型提出了一種體系架構的評估方法，該方法分為兩層，高層自底向上來計算體系的總體性能表現，低層通過建模和仿真獲得能力需求的實現程度；Huynh和Osmundson[39]使用系統建模語言(SysML)來進行體系建模和分析，并使其SysML表現的體系概念與執行模型相一致； Solazzi等[40]提出了一種綜合基于模型的系統工程(MBSE)和綜合保障(ILS)工程的方法以進行復雜系統的評估；陳立新[41]闡述了裝備體系的相關概念和典型問題，并分析了裝備體系效能評估和裝備體系能力評估的難點及潛在的解決方式；李志淮等[42]進行了基于DODAF能力視角的武器裝備體系評估方法的研究，直接從構建的體系結構中提取數據，從能力需求滿意度上對武器裝備體系進行評估；張亮等[43]通過灰色關聯分析法與層次分析法的集成對武器裝備體系的作戰效能進行了評估；高藝珊等[44]利用基于多層次的灰色綜合評價法對野營保障力量體系效能進行了評估；蔣德瓏和曹建軍[45]提出了一種基于模糊數學的武器裝備體系評估論證模型，該模型對武器裝備體系評估指標進行了嘗試性的改良、完善和歸類，提出了新的評估分析策略，將不同的模糊變換模型用于處理指標間聚合關系，建立了不同的目標層量化模型；崔榮和常顯奇[46]闡述了武器裝備體系效能的評估原理，并提出了一種基于模糊系統的體系效能評估方法。這些研究往往綜合應用了仿真方法和解析方法來進行評估以降低評估模型的復雜度。雖然以上成果不一定直接適用于航空武器裝備頂層論證，但將為相關研究工作提供有益參考。

2.5推演仿真技術

仿真能夠在裝備被制造出來之前對其作戰方式進行研究，其過程和結果能夠成為基于計算機的效能評估方法的輸入量，因此仿真技術也適用于航空武器裝備的頂層論證。由于早期論證階段尚沒有成型的設計方案，因此該階段的仿真應以全數字仿真為主。

國外對仿真技術的研究早已開展，目前有大量實用化的作戰仿真系統。例如，美軍聯合作戰仿真系統(JWARS)是設計用于戰役級的作戰仿真[47-49]；聯合仿真系統(JSIMS)可以對國家戰略、聯合作戰乃至戰術層次內容(包括兵力機動、部署、作戰、補給等任務)進行仿真[50]；聯合建模與仿真系統(JMASS)則是應用于戰術和工程設計層次上的建模與仿真系統[51]；美軍聯合戰區級模擬系統(JTLS)是計算機輔助的交互式模擬系統，最多可模擬10方參加的空戰、海戰、陸戰、后勤、特種部隊作戰和情報支援等行動[52]；聯合半自動兵力系統(JSAF)是目前美軍聯合作戰實驗和訓練的重要工具之一，支持測試與評估、訓練、實驗等多種應用[53]；戰士仿真系統(WARSIM2000)是美國陸軍的一個推演訓練仿真系統，能夠為在聯合作戰或合成作戰的作戰想定下進行訓練的營到戰區級的指揮員和參謀人員提供一個比較真實的仿真訓練環境[54]；擴展防空仿真系統(EADSIM)是一個集分析、訓練和作戰規劃于一體的多功能仿真系統[54]。國內在仿真系統的研發上也取得了一定的成果，比較典型的有基于組件的一體化建模仿真環境(CISE)[55]。

目前，較新一代的作戰仿真系統普遍采用了組件化的建模方式[56-57]，即將裝備分解為各個子系統分別進行參數化建模，并且可以方便地將各個子系統模塊進行組合形成不同的裝備類型。此外，引入諸如連線等圖形化的建模方式使得人機交互變得更為友好。優秀的作戰仿真軟件能夠為軍用航空裝備論證提供很好的支撐。雖然大多數作戰仿真系統最初是設計用于指揮人員的作戰訓練，但由于論證階段缺乏裝備設計細節的特點，這些成熟的仿真系統配合合適的模型也可用于裝備的頂層論證。

對于航空武器裝備頂層論證最需要的體系和復雜系統仿真，多分辨率建模和智能仿真的研究是其中的兩大熱點。

在多分辨率建模方面，Jain等[58]通過多分辨率建模的方式進行了供應鏈可持續性的分析；Song等[59]使用多分辨率建模進行了空間任務仿真；Wu等[60]采用多分辨率建模，以聚合和解聚的方式進行了快遞物流系統的仿真；Zhang等[61]提出了一種基于基本對象模型(BOM)的多分辨率模型以進行聯邦仿真；李元等[62]提出了3種基于BOM的多分辨率建模模式的思想，包括為同一個BOM開發多個不同分辨率的組件實現的多分辨率建模橋模式，基于BOM模式聚合的多分辨率建模組合模式以及基于BOM實例聚合的多分辨率建模共享模式；韓翃等[63]研究了幾種典型的多分辨率建模方法，并在分析戰役推演仿真系統結構的基礎上提出了一種面向多分辨率建模的仿真模塊體系結構。目前典型的多分辨率建模方法有聚合解聚法、視點選擇法、多分辨率實體法、IHVR法等[63]，并已經在部分仿真軟件中進行了應用。

在智能仿真方面，Yu等[64]基于多Agent技術開發了車輛虛擬現實智能仿真系統；Coradeschi等[65]與Saab Military Aircraft AB進行合作，通過建立智能Agent的決策模式和抽象Agent的行為研究了針對超視距戰斗空戰領域的智能Agent設計；Yang[66]研究了網絡化的多Agent作戰模型，并提供了實時可視化人在環的仿真允許作戰過程中的人為干預；胡艮勝等[67-68]提出了空間分群的多次聚類方法和一種基于模板匹配知識推理的行動認知算法，以用于智能化推演仿真；黃劍鋒等[69]針對空戰仿真系統中作戰飛機編隊的復雜決策問題，運用Agent方法建立了飛機編隊的決策行為模型；張貞等[70]針對海軍航空兵突防作戰的特點，將Agent技術應用于航空兵突防作戰仿真研究中。以Agent技術為代表的智能仿真已普遍應用于各類體系建模和仿真的研究中，可以為航空裝備頂層論證所需的體系仿真環境搭建提供支持。

3航空武器裝備頂層論證技術的研究重點及其發展方向

航空武器裝備頂層論證技術還在發展中，外部需求的新變化和自身發展的不完善，共同決定了航空武器裝備頂層論證技術當前和今后一個時期的研究重點與發展方向。

3.1需求工程技術

航空武器裝備需求工程主要解決需求“是什么”和“如何獲得”的問題，目的是全面、客觀、清晰地獲得未來航空武器裝備的發展需求。當前，面臨的主要困難是：客觀上，未來戰爭復雜多變，涉及多環境、多要素、多領域、多層次，具有極大的不確定性；主觀上，航空武器裝備需求開發涉及與航空武器裝備密切相關的各類人員，如軍事人員、體系結構設計人員、系統研發人員、專項技術攻關人員、系統采辦人員和項目管理人員等，他們在專業領域、知識結構和需求認知等方面上都存在較大差異，增加了達成共識的難度[71]。

為解決上述問題，國內外通行的基本思路如下[2]。

1) 需求開發規范化

要獲得全面、客觀、清晰的航空武器裝備發展需求，必須從需求生成制度、流程和方法等方面全面著手，多管齊下，實現需求生成的規范化。美國國防部從制度上規定了美軍的各項能力建設必須嚴格遵循聯合能力集成與開發制度(JCIDS)，圍繞聯合作戰，貫徹基于能力的方法，采用自頂向下的能力確認方法和流程，確保聯合作戰能力的有效生成。

2) 需求管理一體化

需求管理一體化有兩方面的含義：①將作戰需求、產品規格和技術方案作為一個整體進行優化；②將需求開發與需求管理作為一個整體，往復迭代、持續推進。法國國防部在其“前景研究”項目中，規范對未來作戰環境的分析，統籌遠中近期需求，實現能力需求、裝備建設與技術發展的緊密銜接；同時強調軍事需求開發與管理的協調性，避免或減少各方面的重復性勞動，實現相關工作、組織、進度、資金、技術等要素的總體協調。

綜合上述分析，未來航空武器裝備需求工程的研究重點與發展方向是：

1) 隨著航空武器裝備使命任務的不斷擴展及其體系交聯關系的日趨復雜，基于體系結構的需求開發方法可能成為需求開發的基本方法。

2) 隨著面向服務的能力建設思想的提出，建立在體系結構方法之上的面向服務的需求開發方法可能成為需求開發方法的新熱點。面向服務的需求開發具有松散耦合、平臺無關、動態綁定、業務流程隨需應變和支持應用系統高效融合等特點，有利于產品集成向服務集成的轉變。

3) 實現數據采集與積累的規范化可能成為基于體系結構的需求開發的重要工作。基于體系結構的需求開發方法的基本思路是通過規范需求分析流程與模型，力求實現相同數據條件下的需求描述的一致性，數據因此成為決定需求描述質量的關鍵性因素。如何實現數據采集與積累的規范化，可能成為未來的重要工作。

3.2體系結構技術

在航空武器裝備頂層論證中，體系結構技術以“需求驅動、結構主導”為特征[72]，為航空武器裝備體系設計和型號目標圖像論證提供了方法、流程和標準，有利于實現“設計驅動仿真，仿真驗證設計”的規范化論證。基于體系結構技術的航空武器頂層論證，依據DODAF等體系結構框架標準、利用建模平臺工具，自頂向下、從抽象到具體，從作戰概念設計開始，通過作戰體系結構概念模型和系統體系結構概念模型的開發和運行，逐次完成作戰概念和裝備概念邏輯、行為和性能層次的評估驗證。通過科學獲取武器裝備體系發展需求，設計并優化裝備體系結構，建立適當的裝備體系發展方案，提升裝備體系整體能力和作戰效能，為武器裝備體系建設和管理提供決策支持。

體系結構技術在當前航空武器頂層論證實踐中應用，主要面臨三大薄弱環節：

1) 裝備作戰概念設計方法落后。裝備的發展，已經由傳統的“軍事需求牽引”演進到了“作戰概念牽引”。裝備作戰概念設計是基于體系結構技術進行航空武器頂層論證的邏輯起點和關鍵步驟，需要準確把握未來軍事需求，提煉典型作戰場景，并將高層作戰概念細化成時序化作戰活動和作戰節點間的信息交互，形成詳細作戰需求并分配給各系統，形成系統需求。裝備作戰概念設計依賴對作戰的深刻理解、對未來需求的準確把握、以及設計者智慧和創新能力的充分發揮，要求極高、難度極大。美軍的作戰概念主要包含3個層次[73]：①依據未來可能存在的威脅所確認的裝備作戰使命，初步形成的作戰概念想法；②創造性構想設計的具體形象的、用文字、圖形、矩陣和活動圖等表示的作戰概念方案；③經過規范化開發與評估后正式頒布的作戰概念文件。相比之下，國內對裝備作戰概念的研究起步較晚，尚未形成作戰概念設計、開發和評估的完整、成熟的方法體系和操作流程。

2) 符合中國武器裝備頂層論證需求的體系結構框架尚未建立。體系結構框架是體系結構技術發展與應用的標志性成果。國外在體系結構方法論、企業信息系統和軍事領域的體系結構框架等方面，經過30余年的發展，實現了從感性認識到理性認識的躍升，體系結構框架日趨成熟，廣泛應用于政府部門和國防領域的核心決策過程。到目前為止，國內在體系結構框架方面主要形成了《軍事電子信息系統體系結構設計指南》，但在武器裝備總體的頂層設計領域尚未形成體系結構框架標準，在實踐中主要參照DODAF等體系結構框架標準。由于在指揮體制、系統研制程序和基礎條件等方面存在很大差別，國外體系結構框架并不完全適用于中國，制定符合中國國情的武器裝備體系結構框架迫在眉睫。

3) 適用中國國情的體系結構開發工具與應用環境薄弱。武器裝備頂層論證涉及的因素很多，美國軍方和軍工部門把認知域、信息域與物理域在理論上統一起來，把信息系統與武器平臺的論證融為一體，以殺傷鏈的優化為目的，支撐“作戰概念-體系分析-武器平臺”的統一論證，形成完整的開發應用環境和開發工具，并已經在多個大型武器裝備采辦項目中得到成功應用。與國外相比，國內武器裝備體系結構開發尚處于起步階段，裝備使用部門和研制部門的某些認識尚未完全統一，標準化、規范化的開發流程和模式有待建立，體系結構開發能力薄弱、支撐資源和工具手段不夠豐富，成果應用仍以項目級的方案論證與決策為重點，對發展戰略研究、裝備體系論證、武器裝備建設規劃論證的支持力度明顯不足。

綜合上述分析，未來體系結構技術領域的研究重點與發展方向是：

1) 加強體系需求開發和裝備作戰概念設計技術研究。研究不同于傳統系統需求分析技術的體系需求開發技術，開展基于能力的體系需求開發過程、基于核心數據和元模型的體系需求建模技術和基于價值的體系需求管理方法和技術等研究。在體系環境下，對裝備作戰概念涉及的任務背景、運用方式、能力需求、系統需求、技術需求等進行深入研究。

2) 開發適合中國航空武器裝備頂層論證需求的體系結構框架。面向中國武器裝備體系和裝備頂層論證需求，研究和借鑒國外成果，提出體系結構框架，形成體系整體結構的描述模型，提供統一、規范的體系結構框架的建模方法和技術，開展體系結構建模過程、體系結構建模方法、體系結構驗證方法等研究，建立體系結構開發的程序機制。

3) 重視面向航空武器裝備頂層論證的體系結構開發資源環境和應用研究。圍繞航空武器裝備頂層論證的任務架構、系統體系結構，研究相關上下游資源需求，如使命任務和能力體系標準化描述、作戰任務和作戰行動庫、及相關模型、標準庫等，支撐快速構建作戰概念、體系結構產品集構建。同時，推動體系結構成果應用，從以支持項目決策為主發展到以支持核心決策、表述新系統體系結構設想和支持系統總體方案的開發與決策。

3.3概念方案設計技術

新軍事革命和航空技術的發展使航空武器裝備需要滿足的需求越來越多、越來越高。裝備設計也從傳統的“面向性能的設計”向“面向經濟可承受性和質量的設計”轉變。概念方案設計技術的發展也要適應從關注裝備性能向追求系統綜合效能轉變、從考慮傳統學科向考慮新興學科轉變、從串行迭代設計向集成并行設計轉變，從而提高設計質量、縮短設計周期、降低設計風險[74]。

為應對裝備與技術發展帶來的挑戰，概念方案設計將借助信息技術的發展成果，深入、廣泛地應用多學科優化設計工具手段，采用并行設計模式，對概念方案進行智能化綜合評估論證。未來，概念方案設計技術將圍繞優化設計這一主軸，不斷擴大和提高多要素設計與智能化評估的應用范圍與技術水平。

綜合上述分析，未來概念方案設計技術的研究重點與發展方向是：

1) 多學科優化設計應用的不斷深化與拓展。為使優化獲得的方案具有穩健性，降低方案的技術風險，需要考慮設計模型、物理材料、生產制造以及裝備使用過程中存在的各種不確定因素，研究基于不確定性的MDO。為降低裝備的全壽命期費用，未來的航空裝備可能更多地采用通用性策略，形成裝備族。這就要求從更高層次考慮裝備設計模式，需要開展裝備族MDO的研究[75]。

2) 概念方案評估的智能化。航空裝備概念方案評估的內容非常廣泛，涉及系統分析、方案優化、綜合評價、決策、費用預測、效能評估、仿真論證等，傳統常規的評估理論、方法、手段已經不能完全滿足工作需求。為適應不斷發展的新形勢和新技術要求，提高評估論證的水平、質量和效率，需要以飛機總體設計評估準則為基礎，通過各種智能算法，對航空裝備概念方案進行優化評估[76]。

3.4作戰效能評估技術

在航空武器裝備的頂層論證階段，對效能評估提出特定的需求。在體系作戰中，不僅需要評估單個裝備的效能，更需要評估裝備對體系效能的影響，這在新裝備的論證中尤為重要，體系貢獻度更高的新裝備自然需要優先立項。

此外，隨著臨近空間高超聲速飛行器等新型航空器的出現，如何對其進行效能評估也成為航空武器裝備頂層論證不可回避的問題。目前缺乏可靠的模型，只能進行粗粒度的概略性能研究，難以進行較為精細的過程仿真與效能評估。

綜合上述分析，未來作戰效能評估技術的研究重點與發展方向是：

1) 由于受主觀影響小，結果直觀，適用于靈活的任務分析，基于仿真的效能評估方法可能成為航空武器裝備頂層設計與先期論證技術的主要發展方向。

2) 由于需要在規模更大、更接近真實應用條件下的復雜作戰體系中進行評估，指標體系的建立方式將成為基于仿真的效能評估的研究重點。尤其在較完整的再現整個戰場態勢，特別是信息化條件下的作戰，在傳統的平臺中心戰思想下建立的評估指標可能將不完全適用。

3) 在論證航空武器裝備的關鍵指標時，如何通過仿真手段有效地將裝備參數映射到裝備性能，再映射到裝備的作戰效能，直到對體系效能的影響也將成為航空武器裝備頂層論證效能評估方法的研究重點。

3.5推演仿真技術

在仿真技術方面，航空武器裝備頂層論證中的仿真目標對象較為模糊，不確定性較大，建模比較困難，同時目標裝備的應用方式也有不確定性。在進行裝備頂層論證時，需要對裝備的不同應用場景進行大量的設定和仿真，由于人工操作對人的軍事素養要求很高且可重復性較差，因此更適合采用人不在回路的自動推演模式。

綜合上述分析，未來推演仿真技術的研究重點與發展方向是：

1) 為滿足不同規模和精度需求的仿真推演，多分辨率建模將提供一種解決方案。多分辨率的模型可以適應不同的仿真需求，同時平衡不同階段的計算資源。但目前的多分辨率建模方法各有利弊，尚無普適的方法，因此在應用于體系仿真時需要綜合使用各類多分辨率模型。

2) 隨著仿真對象的增多，作戰規模和復雜度越來越高，建模難度急劇加大，同時作戰方案的設定也消耗大量的人力和時間。因此，體系仿真對系統的自主性需求越來越高，而智能仿真將會是仿真技術的重要發展方向。然而，諸如Agent等智能技術目前雖然具有廣泛的研究，但缺乏嚴謹定義，在仿真通用化方面會帶來一些問題。

3) 仿真的可信度仍然是一個重要問題，但是除了提升建模水平外，更多需要的是不斷進行數據的積累以實現模型的改進。

4) 近年來，隨著云計算、大數據等新興技術的出現，一方面為航空武器裝備頂層論證提供了新的技術手段，新技術的開發運用有望大大提升仿真的計算能力并方便對海量數據進行分析；另一方面催生了云作戰等創新性作戰概念，這些創新性作戰概念一旦成熟可能對現有作戰體系造成巨大沖擊，對此也需要有所關注、超前準備。

4結論

隨著體系對抗的興起與發展模式的轉變，航空武器裝備頂層論證應運而生。航空武器裝備頂層論證是航空武器裝備發展的頂層設計與型號發展的先期論證，涉及需求工程、體系結構、概念方案設計、效能評估與推演仿真等技術領域。目前，支撐航空武器裝備頂層論證的相關技術體系已經初步形成，有望與航空武器裝備頂層論證形成雙向互動。

航空武器裝備頂層論證技術的發展得益于通用領域的相關研究、國防領域的有益探索以及航空領域的經驗總結。面向未來，對航空武器裝備頂層論證的旺盛需求與其自身發展不完善之間的矛盾，依然是推動航空武器裝備頂層論證持續發展的內在動力。建立符合國情的體系結構框架、完善體系結構運行環境、實現體系結構與需求工程的有機融合、推進概念方案多學科優化設計與方案評估智能化、尋求適應體系對抗與頂層論證需要的效能評估與推演仿真的新方法/新工具/新手段，是當前航空武器裝備頂層論證技術研究的關注重點，其進展順利與否必將影響航空武器裝備頂層論證技術的未來走向。

伴隨著航空武器裝備頂層論證技術的進步，其相應的輸出成果將更加強有力地指引航空武器裝備總體設計工作的開展，進一步體現航空武器裝備頂層論證的導向作用，強化其在航空武器裝備發展全流程中的基礎地位和先導作用。

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李清男, 碩士, 研究員。主要研究方向： 軍事戰略與航空裝備發展戰略。

Tel: 010-57827755

E-mail: liqing0431@sohu.com

閆娟女, 碩士, 高級工程師。主要研究方向： 航空武器總體論證。

Tel: 010-57827736

E-mail: adr_yj@sina.cn

朱家強男, 博士, 副研究員。主要研究方向： 航空器體系論證。

Tel: 010-57827745

E-mail: zhujiaqiang@163.com

黃濤男, 博士, 高級工程師。主要研究方向： 航空飛行器總體論證。

Tel: 010-57827749

E-mail: huangtao111@sina.com

臧精男, 博士, 工程師。主要研究方向： 航空器效能評估與仿真。

Tel: 010-57827743

E-mail: zangjing2014@163.com

Received： 2015-08-28; Revised: 2015-09-25; Accepted: 2015-10-16; Published online: 2015-11-0214:54

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151102.1454.008.html

Foundation items： Aviation Industry Technological Innovation Foundation of China (2012A62827, 2013A6286R, 2014A62045)

State of art and development trends of top-level demonstration technology for aviation weapon equipment

LI Qing1, 2, YAN Juan1, 2, ZHU Jiaqiang1, 2, HUANG Tao1, 2, ZANG Jing1, 2,*

1. Aviation Industry Development Research Center of China, Beijing 100029, China 2. AVIC Aviation General Demonstration Laboratory, Beijing 100029, China

Abstract:The top-level demonstration, an important content of the aviation weapon equipment demonstration, is the initial demonstration for the top-level design of the aviation weapon equipment development and the model development. It satisfies the need of the aviation weapon equipment system-of-systems combat and the bridge from the tracking development to the independent innovation. The challenge of the top-level demonstration technology for aviation weapon equipment is described. The development history from the origin to the gradual improvement of the top-level demonstration technology for aviation weapon equipment is reviewed. The technical difficulties and the potential strategies of the aviation weapon equipment top-level demonstration are analyzed. The research priorities and development trends of the top-level demonstration technology for aviation weapon equipment in the near future are discussed.

Key words:aviation weapon equipment; top-level demonstration; requirements engineering; architectural design; effectiveness evaluation; deduction simulation

*Corresponding author. Tel.： 010-57827743E-mail: zangjing2014@163.com

作者簡介：

中圖分類號：V221

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6893(2016)01-0001-16

DOI：10.7527/S1000-6893.2015.0283

*通訊作者.Tel.： 010-57827743E-mail: zangjing2014@163.com

基金項目：中航工業技術創新基金 (2012A62827， 2013A6286R， 2014A62045)

收稿日期：2015-08-28; 退修日期: 2015-09-25; 錄用日期: 2015-10-16; 網絡出版時間: 2015-11-0214:54

網絡出版地址： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151102.1454.008.html

引用格式： 李清， 閆娟， 朱家強， 等. 航空武器裝備頂層論證技術發展現狀與趨勢[J]. 航空學報, 2016, 37(1): 1-16. LI Q, YAN J, ZHU J Q, et al. State of art and development trends of top-level demonstration technology for aviation weapon equipment[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(1): 1-16.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn