基于SysML的武器装备体系能力需求建模分析方法.pdf
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1、第 卷第期 年月系统工程与电子技术 文章编号:()网址:收稿日期:;修回日期:;网络优先出版日期:。网络优先出版地址:通讯作者引用格式:任浩亮,张建超,程会川基于 的武器装备体系能力需求建模分析方法系统工程与电子技术,():犚犲 犳 犲 狉 犲 狀 犮 犲犳 狅 狉犿犪 狋:,():基于犛 狔 狊犕犔的武器装备体系能力需求建模分析方法任浩亮,张建超,程会川(中国航空发动机研究院仿真技术研究中心,北京 )摘要:为了便于不同领域研究人员之间的沟通交流,减少文本描述的歧义性,有必要采用建模的形式开展体系能力需求分析。本文根据基于模型的系统工程(,)思想,采用系统建模语言(,)以及多视图产品形式,描述
2、了武器装备体系能力需求的建模分析方法,分别对作战概念、作战场景、任务分解、作战活动、需求分类、需求分析以及指标分析等个方面进行了描述,并选取未来空战新概念“作战云”典型空战样式,构建了“海上防御型协同制空作战场景”,验证了该体系能力需求建模分析方法的可行性。关键词:基于模型的系统工程;武器装备体系;需求分析;系统建模语言中图分类号:文献标志码:犇犗犐:犕狅 犱 犲 犾 犻 狀 犵犪 狀 犱犪 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊犿犲 狋 犺 狅 犱狅 犳狑犲 犪 狆 狅 狀犲 狇 狌 犻 狆犿犲 狀 狋狊 狔 狊 狋 犲犿犮 犪 狆 犪 犫 犻 犾 犻 狋 狔狉 犲 狇 狌 犻 狉 犲犿犲 狀 狋 狊犫
3、 犪 狊 犲 犱狅 狀犛 狔 狊犕犔 ,(犚犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺犆 犲 狀 狋 犲 狉狅 犳犛 犻犿狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀犜犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵狔,犃犲 狉 狅犈狀犵 犻 狀 犲犃犮 犪犱 犲犿狔狅 犳犆犺 犻 狀 犪,犅犲 犻 犼 犻 狀犵 ,犆犺 犻 狀 犪)犃犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:,()(),“”“”,犓犲 狔狑狅 狉 犱 狊:();()引言在信息化、网络化、体系化作战时代,未来的协同作战通常涉及跨域和跨军种,复杂的协同作战环境需要更加灵活的新型作战框架,从集结性作战模式向“无中心、自组网”的分布式结构转变,从平台之间的对抗发展成体系之间的对抗,体系成员之间信息
4、共享,多兵力协同联合,进而实现体系化多域作战,以及作战效能的明显提升,提高武器 系统工程与电子技术第 卷装备平台整体的作战能力与打击效能。体系化作战带来的互联、互通、发展演化等新问题也促使研究人员基于系统工程理论提出了体系工程的概念,通过体系工程研究确定武器装备体系对能力的需求。在基于能力的体系需求开发思想指导下,探索最优的体系能力解决方案及发展方案。装备体系能力需求分析往往涉及作战概念定义、使命任务分解、能力需求分类与识别、指标分析等多个环节,每个环节涉及不同的领域,因此装备体系可以被看作是一类抽象的复杂巨系统。通过建模方法分析作战概念,构建作战场景,开展任务分解及能力分析等活动,不仅有助于
5、不同背景的研究人员对装备体系形成一致的理解,而且能够保证获得的体系能力满足完成使命任务的需求。目前,一些世界军事强国已针对武器装备体系需求深入开展了大量论证工作。早在 年,美军就开发了“基于能力”的“联合能力集成和发展系统(,)”,该系统能够将作战需求精确转化为装备方案。采用自上而下的装备需求模式,根据联合作战概念确定能力需求,并采用美国国防部体系结构框架(,)中的模型视图来描述需求。尽管 给出了由功能领域、需求、解决方案以及事后独立分析的结构化步流程 ,在实践过程中,仍存在许多具体细节模糊不清。国内近些年才开始开展关于武器装备体系结构开发等问题的研究,对武器装备体系需求论证等问题进行了有益的
6、尝试和探索,取得了一定的成果 ,但目前还缺乏健全、严密的装备作战需求相关规范,作战需求生成工作在程序上相对随意。此外,现有基于体系结构的装备体系需求分析仅考虑体系层面的建模问题,旨在导出装备需求。然而,随着基于模型的系统工程(,)的日趋成熟,许多装备的系统设计开始探索基于模型的正向研发模式。采用系统建模语言(,)建立系统模型,这与体系结构建模中广泛应用的统一建模语言(,)存在一定的差异。这种差异在一定程度上阻碍了模型跨层级贯通、追溯和重用,同时也增加了工程人员的使用难度和学习成本。作为系统工程领域的标准建模语言,已经在体系工程领域有一定的探索应用 ,具备规范化描述体系工程的能力,为此本文基于体
7、系结构框架思想,借鉴已有装备体系需求论证研究成果,开展装备体系层级作战场景、使命任务分解、能力需求以及指标分析等过程的规范化建模研究,并且基于作战场景设计方法,构建了“海上防御型协同制空作战场景”实例,对基于 开展武器装备体系能力需求及指标建模的规范化描述方法进行验证。分析框架与流程 武器装备体系能力需求分析框架武器装备体系能力需求分析框架用于指导开展武器装备体系能力需求论证,从顶层规定了严谨的工作流程,通过构建框架可以明确需求分析的研究过程、内容、原则以及相关产品,并指导各领域人员协同开展工作。本文基于体系结构思想,借鉴已有研究成果,给出了武器装备体系能力需求分析框架,如图所示。由图可知,武
8、器装备体系能力需求分析主要包括使命任务分析和体系能力需求建模两部分,其中使命任务分析的输入来源是国家战略、军事威胁及装备使命,使命任务的分析主要包括作战概念、作战场景、任务分解和作战活动个方面。然后,建立作战活动与体系能力需求的关联对应关系,依次开展武器装备体系能力需求分类、需求分析以及指标分析。最后,通过体系能力需求分析结果验证使命任务能否完成。图武器装备体系能力需求分析框架 使命任务主要描述军队和武器装备应该完成的任务使命和作战目标,可以采用 中的用例图、内部块图、活动图进行建模。体系能力需求是指对武器装备作战体系提出的总体能力目标要求,可以采用 中的需求图进行建模。武器装备体系能力需求分
9、析流程基于武器装备体系能力需求分析框架开展过程细化,给出了武器装备体系能力需求分析流程,如图所示。以顶层作战概念为输入,依次开展作战场景、任务分解以及作战活动分析。其中,作战场景采用 中内部块图和用第期任浩亮等:基于 的武器装备体系能力需求建模分析方法 例图建模,任务分解采用用例图建模,作战活动分解采用活动图建模。通过任务分解获得子任务集合,针对每个子任务导出子任务需求,获得子任务需求集。通过作战活动分解获得细化的作战活动集合,对标子任务集合完成覆盖性分析,确保所有子任务都有对应的活动来满足。基于子任务需求集和作战活动集合开展关联分析,获得作战活动的定量指标约束,至此完成武器装备体系能力需求框
10、架中的使命任务分析阶段并开始能力需求分析阶段。图武器装备体系能力需求分析流程 在不同的应用背景下,关于能力的定义存在差异,在装备体系工程中,体系能力是指对体系装备功能和性能的综合,通过对装备系统进行网络化集成,从而获得任何单一系统无法具备的能力,用于全面描述体系的本质。在中,对体系能力的描述通常采用能力视图来描述,从作战体系设计者视角描述其能力、类别以及关系等核心要素内容。在进行体系能力需求分析时,首先采用 需求图基于已有经验对武器装备体系能力需求进行分类,然后依次开展武器装备体系能力需求分析,武器装备体系能力指标分析,建立体系能力需求与前述作战活动的关联关系,结合作战活动指标约束,获得体系能
11、力定量指标约束,基于此对体系能力需求分类进行确认,确保现有能力需求分类满足能力指标要求,如果不能满足,则需要识别作战活动对体系新的能力需求类型并进行补充,最后通过对关联关系的分析,完成对使命任务的全覆盖验证,至此完成整个武器装备体系能力需求分析流程。整个流程中的个别分析环节需要借助建模工具中的分析模型,例如列表、关联矩阵及追溯关系等完成,这些分析模型因建模工具而异,直接在文中使用,在此不再展开说明。基于犛 狔 狊犕犔的典型场景描述实例 作战概念未来空战新概念主要包括作战网络、作战云、多域战场以及融合战等,这些新概念的实现在软件和硬件方面还存在着巨大的挑战,在过去发生的实战中,美国空军曾于 年首
12、次实施 “猛禽”隐身战机率领联合空袭机群,对叙利亚境内的极端组织目标实施空袭作战,这也标志着美国空军已经开始了“作战云”的实战验证。本文选取作战云概念作为武器装备体系能力需求分析构建分析背景。在整个作战云中,参与作战的海、空、天各个平台可以向云端上传信息,或者从云端下载所需的信息,实现跨域协同和数据共享。信息化作战云可以显著提升作战态势感知能力,发挥作战体系的涌现性,复杂多变性,降低单个作战节点对整体任务的影响力。在采用 进行建模时,可以用系统环境 构造型描述作战概念,如图所示。图海上防御型协同制空作战红蓝对抗模式 作战场景基于作战云概念,构建海上防御型协同制空作战红蓝双方对抗模式(见图)。海
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