基于系統(tǒng)工程思想的直升機軍事需求論證框架研究

婁本超

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

隨著武器裝備作戰(zhàn)向著體系化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化方向演進[1-2]，作為牽引裝備發(fā)展的軍事需求論證也越來越受到重視。近年來，武器裝備軍事需求論證經(jīng)歷了由“自發(fā)產(chǎn)生的形成階段”到“基于威脅的發(fā)展階段”再到“基于能力的變革階段”[3-5]。軍用直升機作為陸軍“機動作戰(zhàn)、立體攻防”的重要裝備[6]，研發(fā)人員立足未來作戰(zhàn)樣式，開展基于能力的軍用直升機需求分析，對于研制符合使用要求、融入作戰(zhàn)體系的直升機裝備具有重要意義。

目前，國內(nèi)許多學(xué)者開展了裝備軍事需求論證研究，也產(chǎn)生了大量的研究成果。郭齊勝等在裝備軍事需求論證方面開展了大量的研究，總結(jié)了需求論證的理論方法，并提出了工程化應(yīng)用的思想[7-8]；屈也頻等[9]提出了航母艦載機裝備體系及指標論證方法；鄭保華[10]等針對體系作戰(zhàn)，提出了水面艦艇作戰(zhàn)需求論證方法。此外，還有很多學(xué)者在使命任務(wù)分析，能力需求分析，需求論證的方法、工具方面做了大量研究，在此不一一贅述。

通過以上文獻可以看出，盡管國內(nèi)對于裝備需求論證方法研究較為成熟，卻尚無直升機軍事需求論證的相關(guān)研究。近年來，以系統(tǒng)工程為核心的正向設(shè)計思想已經(jīng)逐漸成為復(fù)雜裝備研制的重要思想，國內(nèi)也鮮見文章發(fā)表。

本文針對直升機軍事需求論證工作，運用系統(tǒng)工程思想，提出直升機軍事需求論證框架，得到直升機功能和性能分析流程，并建立元活動—能力指標—效能指標模型，提高論證效率和精確度。

1 直升機軍事需求論證流程框架

1.1 系統(tǒng)工程思想

近年來，隨著國內(nèi)系統(tǒng)工程的發(fā)展，“總體設(shè)計-分解-集成”思想與“黑盒-白盒”思想正成為復(fù)雜系統(tǒng)研制的重要思想[11]。

“總體設(shè)計-分解-集成”思想是通過對一個復(fù)雜的系統(tǒng)逐級進行詳細分析、設(shè)計，然后再從零組部件、分系統(tǒng)到系統(tǒng)逐級集成、驗證，最后得到滿足使用要求的產(chǎn)品，如圖1所示。

圖1 “總體設(shè)計-分解-集成”思想

“黑盒-白盒”思想，是先將待研究的對象看作為一個黑盒，其輸入、輸出和功能表現(xiàn)是已知的，但是內(nèi)部的實現(xiàn)是未知的或者不相關(guān)的，以確定其具體功能；之后開展內(nèi)部實現(xiàn)分析，建立內(nèi)部架構(gòu)，將整體功能分配給組成系統(tǒng)以及研究內(nèi)部。以此不斷開展，直至最后一層，具體如圖2所示。

1.2 直升機軍事需求論證框架

基于系統(tǒng)工程思想，結(jié)合工程問題“提出問題—分析問題—形成方案—評價方案—形成結(jié)論”的研究思路，提出一種直升機軍事需求論證框架，如圖3所示。

圖2 “黑盒-白盒”思想

由圖3可以看出，直升機軍事需求論證主要可分為三個階段：

1)使命-任務(wù)-構(gòu)想分析：使命-任務(wù)-構(gòu)想分析是需求論證的第一步，即由國內(nèi)外安全環(huán)境、國家戰(zhàn)略、軍事戰(zhàn)略、武器裝備發(fā)展戰(zhàn)略等出發(fā)，分析未來面臨的安全環(huán)境、軍事威脅和作戰(zhàn)環(huán)境，得到裝備體系的作戰(zhàn)使命；對作戰(zhàn)使命進行分解，得到作戰(zhàn)任務(wù)；在作戰(zhàn)任務(wù)下設(shè)計若干作戰(zhàn)想定。

2)基于作戰(zhàn)構(gòu)想的需求分析迭代：由第1階段生成若干作戰(zhàn)構(gòu)想，基于“黑盒-白盒”思想，對每一個構(gòu)想進行功能和性能迭代分析和驗證，得到該構(gòu)想下的能力需求。

3)能力需求生成與評價：由每一個構(gòu)想下的能力需求進行整合，得到若干構(gòu)想下的能力需求集?？梢灶A(yù)見的是，該能力需求集存在許多重復(fù)、沖突的能力，進行消解后，開展效能評估和體系貢獻率評估，對直升機能力需求進行評價，得到滿足任務(wù)需求的直升機能力需求方案。

以上框架中，使命-任務(wù)-構(gòu)想分析，主要采用分解方法，國內(nèi)學(xué)者對此做了大量研究，在此不再贅述[12-14]。基于作戰(zhàn)構(gòu)想的需求分析迭代和能力需求生成與評價是需求分析的重點工作，將在下文介紹。

2 基于作戰(zhàn)構(gòu)想的需求分析迭代

作戰(zhàn)構(gòu)想是關(guān)于作戰(zhàn)問題的處理方法或?qū)崿F(xiàn)作戰(zhàn)目標的措施與途徑的構(gòu)思性描述，根據(jù)研究目標的層次，可以分為作戰(zhàn)頂層構(gòu)想、作戰(zhàn)行動構(gòu)想、作戰(zhàn)功能構(gòu)想和作戰(zhàn)一體化構(gòu)想[15]。在直升機軍事需求論證中，主要考慮直升機在作戰(zhàn)體系中的功能和性能要求。因此，在這個階段可以分兩個步驟進行，即功能需求分析與驗證、性能需求分析與驗證。

2.1 功能需求分析與驗證

基于“黑盒-白盒”思想，參考美軍DODAF2.0框架[16-19]，由初步作戰(zhàn)構(gòu)想出發(fā)，提出體系作戰(zhàn)下的直升機功能需求分析與驗證框架，如圖4所示。

其主要步驟如下：

1)體系功能分析階段：將作戰(zhàn)體系看作黑盒，由初步作戰(zhàn)構(gòu)想，分析體系作戰(zhàn)的應(yīng)用流程、戰(zhàn)場分布態(tài)勢和戰(zhàn)場環(huán)境等信息，得到初步的體系作戰(zhàn)任務(wù)清單；開展作戰(zhàn)體系架構(gòu)設(shè)計，包括架構(gòu)組成、組織關(guān)系分析、架構(gòu)接口等；將作戰(zhàn)任務(wù)分配給架構(gòu)，得到每個組成單元的任務(wù)；開展作戰(zhàn)活動分析，得到初始作戰(zhàn)活動清單；最后進行體系架構(gòu)—作戰(zhàn)活動驗證與迭代，得到符合要求的體系架構(gòu)—作戰(zhàn)活動清單。

圖4 功能需求分析與驗證框架

2)裝備功能分析階段：將裝備架構(gòu)看作黑盒，由作戰(zhàn)活動清單，開展裝備體系架構(gòu)設(shè)計，包括架構(gòu)組成、組織關(guān)系分析、架構(gòu)接口等；將作戰(zhàn)活動分配給架構(gòu)，得到每個組成單元的活動；開展裝備功能分析，得到初始裝備功能清單；最后進行裝備架構(gòu)—裝備功能驗證與迭代，得到符合要求的裝備架構(gòu)—裝備功能清單。

需要注意的是，在同一個構(gòu)想下，每個裝備可能會重復(fù)同一個作戰(zhàn)活動，所以得到的裝備功能清單可能會存在重復(fù)內(nèi)容，而后續(xù)的性能需求分析需要結(jié)合具體的作戰(zhàn)活動考慮，因此，這里并不對功能清單進行整合。

2.2 性能需求分析與驗證

性能需求分析與驗證，是根據(jù)得到的裝備功能需求進行指標設(shè)計與驗證，具體框架如圖5所示。

圖5 性能需求分析與驗證框架

其主要步驟如下：

1)性能需求分析階段：根據(jù)前面得到的直升機初步作戰(zhàn)構(gòu)想下的功能清單，結(jié)合具體任務(wù)，設(shè)計直升機指標體系，進而設(shè)計戰(zhàn)技指標。

根據(jù)文獻[20]，指標可分為效益型、成本型、區(qū)間型、偏離型和偏離區(qū)間型等五類。

① 效益型指標：指標值越大越好的能力指標。

② 成本型指標：指標值越小越好的能力指標。

③ 區(qū)間型指標：指標值越接近某個固定區(qū)間(包括落入該區(qū)間)越好的能力指標。

④ 偏離型指標：指標值越偏離某個固定值越好的能力指標。

⑤ 偏離區(qū)間型指標：指標值越偏離某個區(qū)間越好的能力指標。

指標設(shè)計時，需要考慮實際作戰(zhàn)需求、指標相互約束、系統(tǒng)間相互關(guān)系以及技術(shù)發(fā)展等因素。在指標處理時，文獻[21]將指標分為專家評價類和計算仿真類，并給出了其滿意度處理方法，本文直接引用。

2)性能需求驗證階段：根據(jù)初步作戰(zhàn)構(gòu)想，設(shè)計作戰(zhàn)試驗，代入作戰(zhàn)體系和直升機功能、性能初步需求，進行指標驗證，經(jīng)過反復(fù)迭代，得到直升機性能需求。

由以上，對直升機功能、性能需求進行分析和驗證，可以得到某一作戰(zhàn)構(gòu)想下的直升機能力需求以及完善的作戰(zhàn)構(gòu)想。

3 能力需求生成與評價

對若干作戰(zhàn)構(gòu)想下的能力需求進行聚合，可得到所有構(gòu)想下的能力需求清單。然而，在多個作戰(zhàn)構(gòu)想下，會有重復(fù)的活動，或者不同的活動帶來的能力指標沖突，這就需要在聚合時設(shè)計聚合模型，以便得到最終的直升機能力需求。

3.1 聚合模型設(shè)計

根據(jù)不同的指標類型，分別進行聚合模型設(shè)計。

1)效益型指標

設(shè)多個作戰(zhàn)活動對應(yīng)的直升機能力指標均為同一個效益型指標，數(shù)值為I1,I2,…,Im(m為指標個數(shù))。則其聚合結(jié)果為

I=Max{I1,I2,…,Im}

(1)

2)成本型指標

設(shè)多個作戰(zhàn)活動對應(yīng)的直升機能力指標均為同一個成本型指標，數(shù)值為J1,J2,…,Jn(n為指標個數(shù))。則其聚合結(jié)果為

J=Min{J1,J2,…,Jn}

(2)

3)區(qū)間型指標(包含區(qū)間型、偏離型和偏離區(qū)間型)

①區(qū)間交聚合模型

設(shè)多個作戰(zhàn)活動對應(yīng)的直升機能力指標均為同一個區(qū)間型指標，數(shù)值為[K1l,K1h],[K2l,K2h],…[Kpl,Kph](p為指標個數(shù))。則其聚合結(jié)果為

[Kl,Kh]=[Max{K1l,K2l,…,Kpl},

Min{K1h,K2h,…,Kph}]

(3)

②區(qū)間并聚合模型

設(shè)多個作戰(zhàn)活動對應(yīng)的直升機能力指標均為同一個區(qū)間型指標，數(shù)值為[E1l,E1h],[E2l,E2h],…,[Epl,Eph](p為指標個數(shù))。則其聚合結(jié)果為

[El,Eh]=[Min{E1l,E2l,…,Epl},

Max{E1h,E2h,…,Eph}]

(4)

③區(qū)間加聚合模型

設(shè)多個作戰(zhàn)活動對應(yīng)的直升機能力指標均為同一個區(qū)間型指標，數(shù)值為[F1l,F1h],[F2l,F2h],…,[Fpl,Fph](p為指標個數(shù))。則其聚合結(jié)果為

[Fl,Fh]=[{F1l+F2l+…Fpl},

{F1h+F2h+…Fph}]

(5)

3.2 能力需求生成與評價

通過對不同構(gòu)想下的能力需求進行聚合，得到直升機能力需求清單；以完整的作戰(zhàn)構(gòu)想為背景，開展效能評估和體系貢獻率評估，對直升機能力需求清單進行評價。具體框架如圖6所示。

圖6 能力需求生成與評價框架

4 元活動-能力指標-效能指標庫構(gòu)建

4.1 構(gòu)建目的與應(yīng)用

直升機軍事需求論證的主要流程是由使命任務(wù)出發(fā)，構(gòu)建若干作戰(zhàn)構(gòu)想，在作戰(zhàn)構(gòu)想的基礎(chǔ)上，將使命任務(wù)逐步分解為作戰(zhàn)活動，并由作戰(zhàn)活動映射得到裝備功能，進而進行性能指標設(shè)計和驗證，最終得到直升機軍事需求方案，并基于作戰(zhàn)構(gòu)想進行評估指標設(shè)計，開展效能評估和體系貢獻率評估的過程。在此過程中，需要對每一個作戰(zhàn)活動進行映射得到直升機功能需求，并構(gòu)建評估指標體系，工作重復(fù)性高，結(jié)果描述不統(tǒng)一。

由上述不難發(fā)現(xiàn)，需求論證的關(guān)鍵要素為作戰(zhàn)活動、能力需求和指標體系。為了有效地提高論證效率，提升論證準確性，提出元活動—能力指標—效能指標庫構(gòu)建思路，為直升機軍事需求論證做支撐。

元活動是指是具有原子性事務(wù)處理性質(zhì)的、能夠?qū)崿F(xiàn)一定的作戰(zhàn)目標或者達到一定目的、相互獨立、互不包含的最小活動單元[22]。直升機軍事需求論證中的元活動—能力指標—效能指標庫生成與應(yīng)用如圖7所示。

圖7 元活動—能力指標—效能指標庫生成與應(yīng)用過程

4.2 元活動—能力指標—效能指標模型與構(gòu)建

如圖7所示，元活動—能力指標—效能指標庫應(yīng)根據(jù)直升機任務(wù)清單、部隊訓(xùn)練大綱、知識、歷史經(jīng)驗等建立，并由專家評審確定。一個元活動—能力—效能指標模型可以定義如下：

Meta_Activity=

其中，Name表示元活動名稱；Capacity表示元活動驅(qū)動的能力指標；Efficiency表示效能指標；Condition表示元活動的執(zhí)行條件；Input表示元活動的前置元活動；Output表示元活動的牽引元活動；Reactivity是指相關(guān)元活動。具體如圖8所示。

圖8 元活動—能力指標—效能指標模型

元活動能力指標是指期望元活動達到的效果或完成任務(wù)程度的度量；效能指標是指用于效能和體系貢獻率評估的指標；執(zhí)行條件是指影響元活動執(zhí)行水平的條件，如自然條件、電磁條件等；前置元活動是指能夠觸發(fā)該元活動或者引起該元活動狀態(tài)改變的元活動；牽引元活動是指該元活動所觸發(fā)的或者能夠引起其狀態(tài)改變的元活動；相關(guān)元活動是指與該元活動能力指標相互影響的元活動，如發(fā)動機安裝紅外抑制器對功率有影響，影響飛行速度。表1所示為一組典型的元活動—能力指標—效能指標數(shù)據(jù)。

表1 元活動—能力指標—效能指標數(shù)據(jù)示例

5 應(yīng)用實例

下面以某運輸直升機A為例，對軍事需求論證框架進行驗證。

首先，構(gòu)建該運輸直升機元活動—能力指標—效能指標數(shù)據(jù)庫(具體內(nèi)容略)；其次，依據(jù)該直升機的使命任務(wù)和作戰(zhàn)樣式，初步擬定作戰(zhàn)構(gòu)想，如平原運輸任務(wù)、高原運輸任務(wù)等。以平原運輸任務(wù)為例，以運輸體系為黑盒，分析參與該任務(wù)的體系架構(gòu)，有陸航部隊、機場部隊、被運輸部隊、衛(wèi)星通信導(dǎo)航單元等，得到其體系架構(gòu)如圖9所示。詳細分析其作戰(zhàn)活動，得出該體系的作戰(zhàn)活動清單，并將其分配給各參戰(zhàn)單元，如圖10所示。

圖9 平原運輸任務(wù)體系架構(gòu)示例

對上述體系架構(gòu)進行仿真驗證，并迭代修改，得到各參戰(zhàn)單元的作戰(zhàn)活動清單，如表2所示。根據(jù)體系架構(gòu)和作戰(zhàn)活動清單，進行裝備架構(gòu)設(shè)計，具體如圖11所示。

表2 平原運輸任務(wù)各參戰(zhàn)單元作戰(zhàn)活動清單示例

進而，將陸航部隊作戰(zhàn)活動分配給A型運輸直升機和B型運輸直升機，開展系統(tǒng)功能分析。在此過程中，調(diào)用元活動-能力指標庫，快速生成待研究對象(A型運輸直升機)的功能清單。在功能清單的基礎(chǔ)上，初步設(shè)計性能指標，如表3所示，并對其進行裝備架構(gòu)仿真驗證。

圖10 平原運輸任務(wù)作戰(zhàn)活動分析示例

圖11 平原運輸任務(wù)裝備體系構(gòu)成

對上述性能指標開展驗證，并迭代優(yōu)化，得到該構(gòu)想下的能力需求，如圖12所示。

表3 平原運輸任務(wù)A型直升機功能清單

圖12 A型運輸直升機性能指標驗證

分析得到所有構(gòu)想下的能力需求，根據(jù)3.1節(jié)聚合模型對不同構(gòu)想下的能力需求進行聚合，得到最終的能力需求清單。將能力需求代入每個作戰(zhàn)構(gòu)想，調(diào)用能力指標—效能指標庫，生成指標體系，開展體系貢獻率評估，評價能力需求，如圖13所示。

圖13 A型運輸直升機體系貢獻率評估示例

得到底層數(shù)據(jù)之后，根據(jù)文獻[21]步驟，進行數(shù)據(jù)聚合，得到體系貢獻率評估結(jié)果。根據(jù)體系貢獻率評估結(jié)果，可對直升機能力需求做修正。

6 結(jié)論

1)本文基于系統(tǒng)工程思想，提出了由直升機使命任務(wù)分析出發(fā)，開展直升機使命-任務(wù)-構(gòu)想設(shè)計,基于作戰(zhàn)構(gòu)想的能力需求分析迭代、能力需求生成與評價的軍事需求論證框架，可滿足直升機軍事需求論證需求；

2)為提升軍事需求論證效率，本文建立了元活動-能力指標-效能指標庫模型，并提出了構(gòu)建方法，可用于軍事需求論證實踐；

3)本文為直升機軍事需求論證工程化、效能評估和體系貢獻率評估奠定一定基礎(chǔ)。