基于SysML的武器裝備體系能力需求建模分析方法

任浩亮, 張建超, 程會川

(中國航空發動機研究院仿真技術研究中心, 北京 101304)

0 引 言

在信息化、網絡化、體系化作戰時代,未來的協同作戰通常涉及跨域和跨軍種,復雜的協同作戰環境需要更加靈活的新型作戰框架[1-5],從集結性作戰模式向“無中心、自組網”的分布式結構轉變[6],從平臺之間的對抗發展成體系之間的對抗,體系成員之間信息共享,多兵力協同聯合,進而實現體系化多域作戰,以及作戰效能的明顯提升,提高武器裝備平臺整體的作戰能力與打擊效能[7]。

體系化作戰帶來的互聯、互通、發展演化等新問題也促使研究人員基于系統工程理論提出了體系工程的概念,通過體系工程研究確定武器裝備體系對能力的需求[8]。在基于能力的體系需求開發思想指導下,探索最優的體系能力解決方案及發展方案[9-10]。

裝備體系能力需求分析往往涉及作戰概念定義、使命任務分解、能力需求分類與識別、指標分析等多個環節,每個環節涉及不同的領域,因此裝備體系可以被看作是一類抽象的復雜巨系統。通過建模方法分析作戰概念,構建作戰場景,開展任務分解及能力分析等活動,不僅有助于不同背景的研究人員對裝備體系形成一致的理解,而且能夠保證獲得的體系能力滿足完成使命任務的需求。

目前,一些世界軍事強國已針對武器裝備體系需求深入開展了大量論證工作。早在2003年,美軍就開發了“基于能力”的“聯合能力集成和發展系統(joint capabilities integration and development system, JCIDS)”[11-12],該系統能夠將作戰需求精確轉化為裝備方案[13]。JCIDS采用自上而下的裝備需求模式,根據聯合作戰概念確定能力需求,并采用美國國防部體系結構框架(Department of Defense Architecture Framework, DoDAF)中的模型視圖來描述需求。盡管JCIDS給出了由功能領域、需求、解決方案以及事后獨立分析的結構化4步流程[14-15],在實踐過程中,仍存在許多具體細節模糊不清。國內近些年才開始開展關于武器裝備體系結構開發等問題的研究,對武器裝備體系需求論證等問題進行了有益的嘗試和探索,取得了一定的成果[16-18],但目前還缺乏健全、嚴密的裝備作戰需求相關規范,作戰需求生成工作在程序上相對隨意[13]。此外,現有基于體系結構的裝備體系需求分析僅考慮體系層面的建模問題,旨在導出裝備需求。然而,隨著基于模型的系統工程(model-based system engineering,MBSE)的日趨成熟,許多裝備的系統設計開始探索基于模型的正向研發模式。采用系統建模語言(system modeling language,SysML)建立系統模型,這與體系結構建模中廣泛應用的統一建模語言(unified modeling language, UML)[19-23]存在一定的差異。這種差異在一定程度上阻礙了模型跨層級貫通、追溯和重用,同時也增加了工程人員的使用難度和學習成本。

作為系統工程領域的標準建模語言,SysML已經在體系工程領域有一定的探索應用[24-28],具備規范化描述體系工程的能力,為此本文基于體系結構框架思想,借鑒已有裝備體系需求論證研究成果[2,29-30],開展裝備體系層級作戰場景、使命任務分解、能力需求以及指標分析等過程的規范化建模研究,并且基于作戰場景設計方法[2,31],構建了“海上防御型協同制空作戰場景”實例,對基于SysML開展武器裝備體系能力需求及指標建模的規范化描述方法進行驗證。

1 分析框架與流程

1.1 武器裝備體系能力需求分析框架

武器裝備體系能力需求分析框架用于指導開展武器裝備體系能力需求論證,從頂層規定了嚴謹的工作流程,通過構建框架可以明確需求分析的研究過程、內容、原則以及相關產品,并指導各領域人員協同開展工作。本文基于體系結構思想,借鑒已有研究成果,給出了武器裝備體系能力需求分析框架,如圖1所示。由圖1可知,武器裝備體系能力需求分析主要包括使命任務分析和體系能力需求建模兩部分,其中使命任務分析的輸入來源是國家戰略、軍事威脅及裝備使命,使命任務的分析主要包括作戰概念、作戰場景、任務分解和作戰活動4個方面。然后,建立作戰活動與體系能力需求的關聯對應關系,依次開展武器裝備體系能力需求分類、需求分析以及指標分析。最后,通過體系能力需求分析結果驗證使命任務能否完成。

圖1 武器裝備體系能力需求分析框架Fig.1 Capability requirements analysis framework of weapon equipment system

使命任務主要描述軍隊和武器裝備應該完成的任務使命和作戰目標,可以采用SysML中的用例圖、內部塊圖、活動圖進行建模。體系能力需求是指對武器裝備作戰體系提出的總體能力目標要求,可以采用SysML中的需求圖進行建模。

1.2 武器裝備體系能力需求分析流程

基于武器裝備體系能力需求分析框架開展過程細化,給出了武器裝備體系能力需求分析流程,如圖2所示。以頂層作戰概念為輸入,依次開展作戰場景、任務分解以及作戰活動分析。其中,作戰場景采用SysML中內部塊圖和用例圖建模,任務分解采用用例圖建模,作戰活動分解采用活動圖建模。通過任務分解獲得子任務集合,針對每個子任務導出子任務需求,獲得子任務需求集。通過作戰活動分解獲得細化的作戰活動集合,對標子任務集合完成覆蓋性分析,確保所有子任務都有對應的活動來滿足。基于子任務需求集和作戰活動集合開展關聯分析,獲得作戰活動的定量指標約束,至此完成武器裝備體系能力需求框架中的使命任務分析階段并開始能力需求分析階段。

圖2 武器裝備體系能力需求分析流程Fig.2 Capability requirements analysis process of weapon equipment system

在不同的應用背景下,關于能力的定義存在差異,在裝備體系工程中,體系能力是指對體系裝備功能和性能的綜合,通過對裝備系統進行網絡化集成,從而獲得任何單一系統無法具備的能力,用于全面描述體系的本質。在DoDAF中,對體系能力的描述通常采用能力視圖來描述,從作戰體系設計者視角描述其能力、類別以及關系等核心要素內容。在進行體系能力需求分析時,首先采用SysML需求圖基于已有經驗對武器裝備體系能力需求進行分類,然后依次開展武器裝備體系能力需求分析,武器裝備體系能力指標分析,建立體系能力需求與前述作戰活動的關聯關系,結合作戰活動指標約束,獲得體系能力定量指標約束,基于此對體系能力需求分類進行確認,確保現有能力需求分類滿足能力指標要求,如果不能滿足,則需要識別作戰活動對體系新的能力需求類型并進行補充,最后通過對關聯關系的分析,完成對使命任務的全覆蓋驗證,至此完成整個武器裝備體系能力需求分析流程。整個流程中的個別分析環節需要借助建模工具中的分析模型,例如列表、關聯矩陣及追溯關系等完成,這些分析模型因建模工具而異,直接在文中使用,在此不再展開說明。

2 基于SysML的典型場景描述實例

2.1 作戰概念

未來空戰新概念主要包括作戰網絡、作戰云、多域戰場以及融合戰等,這些新概念的實現在軟件和硬件方面還存在著巨大的挑戰[6],在過去發生的實戰中,美國空軍曾于2014年首次實施F-22“猛禽”隱身戰機率領聯合空襲機群,對敘利亞境內的極端組織目標實施空襲作戰,這也標志著美國空軍已經開始了“作戰云”的實戰驗證。本文選取作戰云概念作為武器裝備體系能力需求分析構建分析背景。在整個作戰云中,參與作戰的海、空、天各個平臺可以向云端上傳信息,或者從云端下載所需的信息,實現跨域協同和數據共享。信息化作戰云可以顯著提升作戰態勢感知能力,發揮作戰體系的涌現性,復雜多變性,降低單個作戰節點對整體任務的影響力。在采用SysML進行建模時,可以用系統環境《system context》構造型描述作戰概念,如圖3所示。

圖3 海上防御型協同制空作戰紅藍對抗模式Fig.3 Red blue confrontation mode of maritime defense cooperative air control operation

2.2 作戰場景

基于作戰云概念,構建海上防御型協同制空作戰紅藍雙方對抗模式(見圖3)。海上防御型協同制空作戰采用用例模型表示,其利益相關方為紅方作戰裝備體系和藍方作戰裝備體系,用模塊表示。

基于海上防御型協同制空作戰用例,構建海上防御型協同制空作戰場景,如圖4所示。整個場景采用內部塊圖模型元素進行構建,用模塊表示作戰場景中的參與對象,同時采用接口模型的形式描述了參與對象之間的數據傳遞關系。例如,紅外海岸基地與紅方裝備體系之間存在雙向傳輸數據鏈,通過接口關系的描述,能夠捕獲作戰場景中各個參與對象的外部接口需求。

圖4 海上防御型協同制空作戰環境概念圖Fig.4 Concept map of maritime defense cooperative air control combat environment

2.3 任務分解

從上述制空作戰場景中分析紅方使命任務為。基于紅方使命任務,結合作戰場景分析,將紅方裝備體系使命任務分解為多個子任務,子任務的劃分需要基于戰術、技術、條令及標準操作程序來制定,每個子任務按一定的邏輯順序執行,最終完成頂層使命任務。采用SysML用例圖表示子任務,如圖5所示。圖5中共分解出8項子任務,每個子任務由紅方裝備體系完成,子任務的指揮方為紅方軍方。實際分解過程是一項非常復雜、繁瑣,且不斷迭代的創造性過程,具有很強的時效性和精確性,通常根據作戰經驗及實際需求的差異,存在不同的子任務分解方式,子任務的描述重在體現體系的目標價值。

圖5 裝備體系使命任務分解Fig.5 Mission and task decomposition of equipment system

對上述使命任務分解的過程同樣也是作戰想定的過程,通過該過程分析,可以把頂層使命任務需求分解到相應的子任務中,從而獲得每個子任務的需求描述。通過對上述8個子任務開展分析,共初步獲得12條子任務需求,經過反復迭代最終形成穩定的子任務需求清單,采用需求矩陣創建每個子任務到子任務需求間的關聯關系,如圖6所示。針對獲得的子任務需求清單,創建詳細的子任務需求模塊,基于作戰規劃給定每個子任務需求的能力指標,如圖7所示,采用SysML中需求圖表示紅方使命任務與子任務需求間的包含關系。

圖6 需求矩陣Fig.6 Requirements matrix

圖7 任務需求Fig.7 Mission requirements

2.4 作戰活動

采用SysML中活動圖描述作戰活動的分解和相互關系,在建立活動之間的關系之前,首先專注梳理完成每個子任務所需的所有活動,形成活動功能樹,如圖8所示。

圖8 對海偵查用例主要作戰活動Fig.8 Main operational activities of sea investigation

圖8示意性給出了完成對海偵查子任務所需的功能,實際功能樹需要結合專業背景及經驗反復討論迭代,最終形成穩定版本,其他子任務采用同樣的方法進行作戰活動分析,在此不再贅述。

在每個子任務作戰活動梳理完成基礎上,還要著重考慮作戰活動之間的相互關系,明確作戰活動的執行順序,圖9給出了對海偵查用例主要作戰活動之間的關系。

圖9 對海偵查用例主要作戰活動關系Fig.9 Relationship between sea investigation cases and main operational activities

其中,圖9(a)對海偵查描述主活動流程,包含兩個子活動,分別為小范圍精確偵查和寬范圍模糊偵查。繼續對這兩個子活動進一步展開,分別獲得圖9(b)小范圍精確偵查活動流程及圖9(c)寬范圍模糊偵查活動流程。以此方式根據需要可以對每個活動更進一步的分解,利用控制流描述活動的執行順序,通過活動的層次化分解完成不同層級活動流的創建,所有活動共同完成子任務要求及相應的需求。

圖10給出了完成上述8個子任務所需的所有作戰活動,一共梳理出92條作戰活動,每條活動和對應的子任務(用例)之間通過建模自動建立追溯關系。至此完成使命任務分析過程,從頂層使命任務經過嚴格的推導逐漸獲得完成使命任務需要執行的作戰活動。

圖10 主要作戰活動列表Fig.10 List of major operational activities

圖11給出了從使命任務到作戰活動的追溯關系,包含了SysML中定義的需求、用例、活動等元素,以及擁有關系和精化關系,通過按照語法規則讀圖,可以清晰的辨識完成每條子任務需求最終需要執行的活動。該追溯關系將整個使命任務分析過程以模型化的方式進行描述,明晰了作戰活動與使命任務之間的對應關系,此外還便于對使命任務需求進行覆蓋性檢查,同時當頂層任務需求發生變更時,能夠更加高效的分析對底層作戰活動的影響。

圖11 追溯關系Fig.11 Retroactive relationship

2.5 武器裝備體系能力需求分類

在進行體系能力需求分析時,首先基于已有經驗對體系能力進行分類,如圖12所示。對紅方體系能力需求進行分類,其中綠色模塊(ID=2)表示紅方作戰體系應該具備的能力需求,然后將體系能力需求進行分解,獲得更加詳細的體系能力需求。其中,粉色模塊描述的快速機動能力(ID=2.1)、偵查警戒能力(ID=2.2)、精確打擊能力(ID=2.3)和全維保障能力(ID=2.4)是目前體系已經具備的能力;紫色模塊描述的綜合隱身能力(ID=2.5)、“作戰云”共享能力(ID=2.6)、態勢感知能力(ID=2.7)和體系變化能力(ID=2.8)表示目前體系尚不具備,根據作戰活動梳理出的新的待研發的體系能力。新體系能力的獲取通過體系能力需求分析進行識別。每個能力需求均含有指標要求,這些指標要求通過下文指標分析可以獲得(由于模型的關聯性,圖12中直接包含了下文指標分析的結果)。

2.6 武器裝備體系能力需求分析

采用需求細化矩陣開展體系能力需求分析,如圖13所示。其中,行表示紅方體系能力需求,列表示本次使命任務需要完成的子任務(用例)以及每個子任務執行的作戰活動。由于篇幅限制,此處僅展示了火力打擊子任務的作戰活動,通過對作戰活動的分析,建立每個作戰活動與某一類體系能力的(Refine)關聯關系。如果某一作戰活動沒有合適的現有體系能力匹配,則說明需要新的體系能力來支撐作戰活動的完成,從而識別出新的體系能力,并在此基礎上進一步迭代完善新體系能力需求。

圖13 體系能力需求分析矩陣Fig.13 System capability requirements analysis matrix

2.7 武器裝備體系能力指標分析

通過建立紅方體系能力需求指標分析矩陣對體系能力需求指標進行分析,如圖14所示,該矩陣通過模型的描述方式將活動指標、能力需求、作戰任務聯系起來,更加清晰的表明作戰任務與作戰活動指標之間的對應關系。圖14中共5列數據,其中第1列統計所有子任務及作戰活動總數目,第2列按層級的方式顯示所有子任務及對應的作戰活動,第3列顯示了每個作戰活動對應的指標要求,第4列顯示了每個子任務需要滿足的子任務需求及每個作戰活動需要滿足的體系能力需求,第5列則給出了每個需求對應的需求指標要求。由于篇幅限制,此處僅對火力打擊子任務展開描述,其他子任務分析過程相同。火力打擊子任務位于第92行,其子任務需求包括摧毀目標等4條內容,第5列為對應的需求指標,子任務展開后顯示對應的作戰活動,以第95行為例說明,5 km近距火力打擊活動,其活動指標要求為5 km打擊命中率98%(實際指標根據需求修改完善),體系能力分類為精確打擊能力,將5 km打擊命中率98%的活動指標要求添加至精確打擊能力需求模塊,則該指標會自動顯示在最后一列,按照相同的方式對每一個作戰活動進行分析,最終獲得完整的體系能力需求指標。

圖14 體系能力需求指標匯總Fig.14 Summary of system capability demand indicators

3 結 論

本文基于體系結構思想,采用SysML以及多視圖產品形式,描述了武器裝備體系能力需求的建模分析方法。分別對作戰概念、作戰場景、任務分解、作戰活動、需求分類、需求分析以及指標分析等7個方面進行了建模描述。通過該規范化建模分析方法,建立了從使命任務到作戰活動的追溯關系,該追溯關系將整個使命任務分析過程以模型化的方式進行描述,便于對使命任務需求進行覆蓋性檢查,同時當頂層任務需求發生變更時,能夠更加高效的分析對底層作戰活動的影響。通過建立體系能力需求指標分析矩陣模型,將作戰活動指標、能力需求、作戰任務聯系起來,更加清晰的表明了作戰任務與作戰活動指標之間的對應關系。此外,構建了“海上防御型協同制空作戰場景”實例,驗證了本文基于SysML以及多視圖產品形式建模方法的可行性和有效性。