基于SysML的遠程專家保障裝備體系建模及結構評估

秦昌茂，孟 蘇，莫錦鶴

(中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

0 引言

隨著科學技術的發展，武器裝備智能化和信息化的程度越來越高，戰爭形態也發生了變化，未來聯合作戰呈現出體系對抗體系的特點[1]。體系包括作戰體系及裝備體系，裝備體系是由功能上相互聯系、相互作用、性能上相互補充的眾多系統組成的，這些系統之間關系復雜，相互作用明顯，相互制約多，相互影響大[2]，這是導致體系建模可靠性和效能分析有效性困難的主要原因之一。因此，對涉及的各類武器裝備作戰單元、作戰系統，在動態作戰環境下建立體系模型并進行效能評估，是裝備體系研究的重要方向[3]。

當前，對于體系結構建模的設計思想主要有兩種方式：以產品為中心和以數據為中心[4]。其中，C4ISR采取以產品為中心的方式，英國國防部體系架構框架(MODAF)、美國國防部體系框架(DoDAF)則采取以數據為中心的方式。雖然這些方法對體系結構產品和設計數據進行了較詳細的描述，但研究大多集中在信息系統領域，研究內容主要是體系結構框架，由于沒有給出規范化的定義，很多產品的描述內容是模糊的，特別是針對武器裝備體系開展結構建模及效能評估的研究較少。

SysML(Systems Modeling Language, 系統建模語言)同樣作為一種體系描述語言，提供了可視化的多種視圖，但更加傾向于對系統功能、數據和控制流等特征的描述與表示，描述形式規范易懂且更便于建立可執行模型和仿真應用[5-6]。

本文基于聯合作戰背景下的遠程專家保障裝備體系想定，從體系作戰需求角度出發，以SysML設計語言為基礎[7]，參照DoDAF，基于遠程專家保障裝備體系詳細設計了可描述靜態特性和動態行為的體系結構視圖產品集合，實現了裝備體系結構的規范化建模。依據遠程專家保障裝備體系結構視圖產品采用ExtendSim系統仿真軟件建立了可執行模型，并進行了仿真分析和結構評估。

1 基于SysML及ExtendSim的裝備體系建模及評估方法

1.1 基于SysML的體系結構視圖產品

SysML針對系統工程領域中系統設計與建模的特點，提供了規范化、可視化、圖形化的系統建模支持，相較于其他建模語言更加符合武器裝備體系結構設計的需求[7]。

為實現體系結構的規范化設計到仿真分析的過渡，在體系結構語法規范性和數據完備性的指導下，從體系的作戰需求角度給出了一組能夠完全描述體系靜態特性和動態行為所必需的作戰視圖產品集合，如表1所示。體系的特性分為靜態特性和動態行為，在所列9個產品中，OV-1、OV-2、OV-3、OV-4、OV-5以及SV-1和SV-2等7個產品都是對體系靜態特性的描述；OV-6a和 OV-6b兩個產品是對體系動態行為的描述。

表1 體系結構視圖產品集

1.2 基于ExtendSim 的體系結構建模和評估

ExtendSim建模的方法是典型的面向對象的建模方法，可將基于SysML的體系結構視圖產品經過適當改造直接建立模型，因此，較適合對武器裝備體系這類復雜系統進行仿真。

對體系結構的評估主要分為兩個方面[8]：

1)體系結構各個產品數據之間在邏輯上不存在沖突和死鎖，體現在生成的仿真模型能夠正確無誤地運行。

2)仿真運行過程中每項作戰活動的平均使用率。從裝備體系的實際作戰背景和所采用的仿真環境出發，作戰活動的平均使用率直接反映了體系結構設計的合理性，如果某個作戰活動一直處于忙碌狀態，則可能會導致堵塞，但若過于空閑，則又說明資源沒有得到有效利用[8]。

2 基于SysML的遠程專家保障裝備體系結構建模設計

在聯合作戰環境下，對發生故障或損壞的戰場作戰裝備進行及時的故障排除、診斷和維修，可有效提升戰場作戰能力。基于此作戰應用，遠程專家保障裝備體系已成為體系作戰中不可或缺的組成部分，主要用于快速解決裝備故障，確保裝備戰備完好性。遠程專家保障裝備體系主要分為3部分：現場維修保障系統、衛星通信網絡和遠程保障中心，各系統之間通過衛星通信網絡進行組網通信。作戰裝備配套表如表2所示。

表2 作戰裝備配套表

遠程專家保障體系開展維修保障的運行流程如下所示：

1)信息管理系統實時監控武器裝備工作狀態；

2)信息管理系統監測到武器裝備故障信號，命令搶修車前出；

3)搶修車前往故障現場途中組建遠程保障服務網絡；

4)搶修車到達后，搶修人員攜帶實時信息采集交互設備進入故障裝備現場，將現場的故障信息通過衛星通信鏈路實現與搶修車、遠程保障中心的交互；

5)遠程保障中心提供故障維修方案，指導現場排除裝備故障；

6)完成排故維修操作后，搶修車將信息統計、存檔。

基于SysML的體系結構視圖產品建立遠程專家保障裝備體系結構，表1中相關作戰視圖、系統視圖產品集合的示意圖和內容分別如圖1～8和表3所示。

表3 作戰信息交換矩陣(OV-5)產品

圖1 高級作戰概念圖(OV-1)產品示意圖Fig.1 Advanced operational concept view(OV-1)

3 基于ExtendSim的遠程專家保障裝備體系結構評估

依據規范化的體系結構產品集合，根據作戰事件跟蹤描述(OV-6b)產品，結合作戰活動模型(OV-2)和作戰節點連接描述(OV-4)基于ExtendSim建立起體系結構的仿真模型，仿真模型如圖9所示。

圖9 仿真模型圖 Fig.9 Simulation model

對仿真模型的相關輸入作如下設定：

1)仿真單位時間為min；

2)仿真單次時間為24 h；

3)仿真次數為10次。

每項作戰活動的執行時間滿足的正態概率分布(高斯分布)如表4所示。

圖2 作戰活動模型(OV-2)產品示意圖Fig.2 Operational activity model(OV-2)

圖3 組織關系圖(OV-3)產品示意圖Fig.3 Organization chart(OV-3)

圖4 作戰節點連接描述(OV-4)產品及節點塊定義示意圖Fig.4 Operational node connection description and node block definition diagram(OV-4)

圖5 作戰狀態轉換描述(OV-6a)產品示意圖Fig.5 Description of combat state transition(OV-6a)

圖6 作戰事件跟蹤描述(OV-6b)產品示意圖Fig.6 Operational event tracking description(OV-6b)

圖7 系統層次結構圖(SV-1)產品及塊定義示意圖Fig.7 System hierarchy diagram and block definition diagram(SV-1)

圖8 系統通信接口描述(SV-2)產品示意圖Fig.8 System communication interface description(SV-2)

表4 作戰活動的運行參數

對仿真模型進行運行表明，建立的仿真模型能夠正確無誤地運行，且各產品之間能夠保持數據靜態的一致性。仿真運行過程中每項作戰活動的平均使用率以及一次作戰(作戰環)統計時間結果如表5～6所示。

表5 一次作戰(作戰環)統計時間

由表6還可以看出，信息傳輸的平均使用率為維修指令的2倍，但在初始設置中，維修指令的執行時間為信息傳輸的5倍。因此，每項活動的平均使用率與作戰活動的執行時間相關，但并不完全由執行時間決定。

表6 作戰活動的平均使用率 %

由表6中可以看出，維修實施、信息采集、維修方案及故障分析占比較大，維修實施作為具體作業活動，占比較大的原因為活動時間長。信息采集、維修方案及故障分析均為遠程保障中心系統工作范疇，具有大數據存儲、處理能力的遠程保障中心系統作為體系關鍵環節，將直接關系到作戰活動能否順利開展。因此，有必要針對當前遠程保障中心系統能力進行優化提升，以促進整個遠程專業保障裝備體系能力的發展。

4 結論

本文以聯合作戰背景下的遠程專家保障裝備體系想定，從體系作戰需求角度出發，結合體系組成和體系運行流程，基于SysML詳細設計了能夠描述體系靜態特性和動態行為的體系結構視圖產品集合。針對體系結構視圖產品基于ExtendSim建立了可執行模型，并進行了體系結構仿真評估，依據評估結果提出相應的體系能力提升建議。

本文方法可形成武器裝備體系的建模、仿真、評估和優化方法，驗證武器裝備體系執行作戰任務的效果，為裝備作戰方案的制訂提供分析依據和決策參考。