系统工程与电子技术, 2023, 45(9): 2843-2851 doi: 10.12305/j.issn.1001-506X.2023.09.23

系统工程

基于SysML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 101304

Modeling and analysis method of weapon equipment system capability requirements based on SysML

REN Haoliang, ZHANG Jianchao, CHENG Huichuan

Research Center of Simulation Technology, Aero Engine Academy of China, Beijing 101304, China

通讯作者: 任浩亮

收稿日期: 2021-12-12  

Received: 2021-12-12  

作者简介 About authors

任浩亮(1989—),男,工程师,博士,主要研究方向为航空发动机系统建模与仿真 。

张建超(1984—),男,高级工程师,博士,主要研究方向为航空发动机系统建模与仿真 。

程会川(1987—),男,工程师,博士,主要研究方向为航空发动机系统仿真与验证 。

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(model-based system engineering, MBSE)思想, 采用系统建模语言(system modeling language, SysML)以及多视图产品形式, 描述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7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

Abstract

In order to facilitate the communication between researchers in different fields and reduce the ambiguity of text description, it is necessary to conduct system capability requirement analysis in the form of modeling. This manuscript is based on the concept of model-based system engineering (MBSE). The system modeling language (SysML) and multi-view product form are used to describe the modeling and analysis method for the capability requirements of weapon equipment system, and seven aspects such as operational concept, operational scenario, task decomposition, operational activities, requirement classification, requirement analysis and indicator analysis are described. The typical air combat style of the new concept of future air combat "combat cloud" is selected to construct an example of "maritime defense type cooperative air control combat scenario", which verifies the feasibility of the modeling and analysis method for the system of systems capability requirements.

Keywords： model-based system engineering (MBSE) ; weapon equipment system ; requirement analysis ; system modeling language (SysML)

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任浩亮, 张建超, 程会川. 基于SysML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[J], 2023, 45(9): 2843-2851 doi:10.12305/j.issn.1001-506X.2023.09.23

REN Haoliang. Modeling and analysis method of weapon equipment system capability requirements based on SysML. Systems Engineering and Electronics[J], 2023, 45(9): 2843-2851 doi:10.12305/j.issn.1001-506X.2023.09.23

0 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[1-5], 从集结性作战模式向“无中心、自组网”的分布式结构转变[6], 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, 提高武器装备平台整体的作战能力与打击效能[7]。

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[8]。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[9-10]。

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2003年, 美军就开发了“基于能力”的“联合能力集成和发展系统(joint capabilities integration and development system, JCIDS)”[11-12], 该系统能够将作战需求精确转化为装备方案[13]。JCIDS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(Department of Defense Architecture Framework, DoDAF)中的模型视图来描述需求。尽管JCIDS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4步流程[14-15], 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尝试和探索, 取得了一定的成果[16-18], 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[13]。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(model-based system engineering, MBSE)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(system modeling language, SysML)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(unified modeling language, UML)[19-23]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, SysML已经在体系工程领域有一定的探索应用[24-28], 具备规范化描述体系工程的能力, 为此本文基于体系结构框架思想, 借鉴已有装备体系需求论证研究成果[2, 29-30], 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[2, 31], 构建了“海上防御型协同制空作战场景”实例, 对基于SysML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。

1 分析框架与流程

1.1 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 1所示。由图 1可知, 武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4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1

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图1   武器装备体系能力需求分析框架

Fig.1   Capability requirements analysis framework of weapon equipment system


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SysML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SysML中的需求图进行建模。

1.2 武器装备体系能力需求分析流程

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 2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SysML中内部块图和用例图建模, 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架中的使命任务分析阶段并开始能力需求分析阶段。

图2

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图2   武器装备体系能力需求分析流程

Fig.2   Capability requirements analysis process of weapon equipment system


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DoDAF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SysML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。

2 基于SysML的典型场景描述实例

2.1 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[6], 在过去发生的实战中, 美国空军曾于2014年首次实施F-22“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SysML进行建模时, 可以用系统环境《system context》构造型描述作战概念, 如图 3所示。

图3

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图3   海上防御型协同制空作战红蓝对抗模式

Fig.3   Red blue confrontation mode of maritime defense cooperative air control operation


2.2 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 3)。海上防御型协同制空作战采用用例模型表示, 其利益相关方为红方作战装备体系和蓝方作战装备体系, 用模块表示。

基于海上防御型协同制空作战用例, 构建海上防御型协同制空作战场景, 如图 4所示。整个场景采用内部块图模型元素进行构建, 用模块表示作战场景中的参与对象, 同时采用接口模型的形式描述了参与对象之间的数据传递关系。例如, 红外海岸基地与红方装备体系之间存在双向传输数据链, 通过接口关系的描述, 能够捕获作战场景中各个参与对象的外部接口需求。

图4

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图4   海上防御型协同制空作战环境概念图

Fig.4   Concept map of maritime defense cooperative air control combat environment


2.3 任务分解

从上述制空作战场景中分析红方使命任务为。基于红方使命任务, 结合作战场景分析, 将红方装备体系使命任务分解为多个子任务, 子任务的划分需要基于战术、技术、条令及标准操作程序来制定, 每个子任务按一定的逻辑顺序执行, 最终完成顶层使命任务。采用SysML用例图表示子任务, 如图 5所示。图 5中共分解出8项子任务, 每个子任务由红方装备体系完成, 子任务的指挥方为红方军方。实际分解过程是一项非常复杂、繁琐, 且不断迭代的创造性过程, 具有很强的时效性和精确性, 通常根据作战经验及实际需求的差异, 存在不同的子任务分解方式, 子任务的描述重在体现体系的目标价值。

图5

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图5   装备体系使命任务分解

Fig.5   Mission and task decomposition of equipment system


对上述使命任务分解的过程同样也是作战想定的过程, 通过该过程分析, 可以把顶层使命任务需求分解到相应的子任务中, 从而获得每个子任务的需求描述。通过对上述8个子任务开展分析, 共初步获得12条子任务需求, 经过反复迭代最终形成稳定的子任务需求清单, 采用需求矩阵创建每个子任务到子任务需求间的关联关系, 如图 6所示。针对获得的子任务需求清单, 创建详细的子任务需求模块, 基于作战规划给定每个子任务需求的能力指标, 如图 7所示, 采用SysML中需求图表示红方使命任务与子任务需求间的包含关系。

图6

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图6   需求矩阵

Fig.6   Requirements matrix


图7

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图7   任务需求

Fig.7   Mission requirements


2.4 作战活动

采用SysML中活动图描述作战活动的分解和相互关系, 在建立活动之间的关系之前, 首先专注梳理完成每个子任务所需的所有活动, 形成活动功能树, 如图 8所示。

图8

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图8   对海侦查用例主要作战活动

Fig.8   Main operational activities of sea investigation


图 8示意性给出了完成对海侦查子任务所需的功能, 实际功能树需要结合专业背景及经验反复讨论迭代, 最终形成稳定版本, 其他子任务采用同样的方法进行作战活动分析, 在此不再赘述。

在每个子任务作战活动梳理完成基础上, 还要着重考虑作战活动之间的相互关系, 明确作战活动的执行顺序, 图 9给出了对海侦查用例主要作战活动之间的关系。

图9

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图9   对海侦查用例主要作战活动关系

Fig.9   Relationship between sea investigation cases and main operational activities


其中, 图 9(a)对海侦查描述主活动流程, 包含两个子活动, 分别为小范围精确侦查和宽范围模糊侦查。继续对这两个子活动进一步展开, 分别获得图 9(b)小范围精确侦查活动流程及图 9(c)宽范围模糊侦查活动流程。以此方式根据需要可以对每个活动更进一步的分解, 利用控制流描述活动的执行顺序, 通过活动的层次化分解完成不同层级活动流的创建, 所有活动共同完成子任务要求及相应的需求。

图 10给出了完成上述8个子任务所需的所有作战活动, 一共梳理出92条作战活动, 每条活动和对应的子任务(用例)之间通过建模自动建立追溯关系。至此完成使命任务分析过程, 从顶层使命任务经过严格的推导逐渐获得完成使命任务需要执行的作战活动。

图10

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图10   主要作战活动列表

Fig.10   List of major operational activities


图 11给出了从使命任务到作战活动的追溯关系, 包含了SysML中定义的需求、用例、活动等元素, 以及拥有关系和精化关系, 通过按照语法规则读图, 可以清晰的辨识完成每条子任务需求最终需要执行的活动。该追溯关系将整个使命任务分析过程以模型化的方式进行描述, 明晰了作战活动与使命任务之间的对应关系, 此外还便于对使命任务需求进行覆盖性检查, 同时当顶层任务需求发生变更时, 能够更加高效的分析对底层作战活动的影响。

图11

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图11   追溯关系

Fig.11   Retroactive relationship


2.5 武器装备体系能力需求分类

在进行体系能力需求分析时, 首先基于已有经验对体系能力进行分类, 如图 12所示。对红方体系能力需求进行分类, 其中绿色模块(ID=2)表示红方作战体系应该具备的能力需求, 然后将体系能力需求进行分解, 获得更加详细的体系能力需求。其中, 粉色模块描述的快速机动能力(ID=2.1)、侦查警戒能力(ID=2.2)、精确打击能力(ID=2.3)和全维保障能力(ID=2.4)是目前体系已经具备的能力；紫色模块描述的综合隐身能力(ID=2.5)、“作战云”共享能力(ID=2.6)、态势感知能力(ID=2.7)和体系变化能力(ID=2.8)表示目前体系尚不具备, 根据作战活动梳理出的新的待研发的体系能力。新体系能力的获取通过体系能力需求分析进行识别。每个能力需求均含有指标要求, 这些指标要求通过下文指标分析可以获得(由于模型的关联性, 图 12中直接包含了下文指标分析的结果)。

图12

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图12   体系能力需求分类

Fig.12   Classification of system capability requirements


2.6 武器装备体系能力需求分析

采用需求细化矩阵开展体系能力需求分析, 如图 13所示。其中, 行表示红方体系能力需求, 列表示本次使命任务需要完成的子任务(用例)以及每个子任务执行的作战活动。由于篇幅限制, 此处仅展示了火力打击子任务的作战活动, 通过对作战活动的分析, 建立每个作战活动与某一类体系能力的(Refine)关联关系。如果某一作战活动没有合适的现有体系能力匹配, 则说明需要新的体系能力来支撑作战活动的完成, 从而识别出新的体系能力, 并在此基础上进一步迭代完善新体系能力需求。

图13

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图13   体系能力需求分析矩阵

Fig.13   System capability requirements analysis matrix


2.7 武器装备体系能力指标分析

通过建立红方体系能力需求指标分析矩阵对体系能力需求指标进行分析, 如图 14所示, 该矩阵通过模型的描述方式将活动指标、能力需求、作战任务联系起来, 更加清晰的表明作战任务与作战活动指标之间的对应关系。图 14中共5列数据, 其中第1列统计所有子任务及作战活动总数目, 第2列按层级的方式显示所有子任务及对应的作战活动, 第3列显示了每个作战活动对应的指标要求, 第4列显示了每个子任务需要满足的子任务需求及每个作战活动需要满足的体系能力需求, 第5列则给出了每个需求对应的需求指标要求。由于篇幅限制, 此处仅对火力打击子任务展开描述, 其他子任务分析过程相同。火力打击子任务位于第92行, 其子任务需求包括摧毁目标等4条内容, 第5列为对应的需求指标, 子任务展开后显示对应的作战活动, 以第95行为例说明, 5 km近距火力打击活动, 其活动指标要求为5 km打击命中率98%(实际指标根据需求修改完善), 体系能力分类为精确打击能力, 将5 km打击命中率98%的活动指标要求添加至精确打击能力需求模块, 则该指标会自动显示在最后一列, 按照相同的方式对每一个作战活动进行分析, 最终获得完整的体系能力需求指标。

图14

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图14   体系能力需求指标汇总

Fig.14   Summary of system capability demand indicators


3 结论

本文基于体系结构思想, 采用SysML以及多视图产品形式, 描述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7个方面进行了建模描述。通过该规范化建模分析方法, 建立了从使命任务到作战活动的追溯关系, 该追溯关系将整个使命任务分析过程以模型化的方式进行描述, 便于对使命任务需求进行覆盖性检查, 同时当顶层任务需求发生变更时, 能够更加高效的分析对底层作战活动的影响。通过建立体系能力需求指标分析矩阵模型, 将作战活动指标、能力需求、作战任务联系起来, 更加清晰的表明了作战任务与作战活动指标之间的对应关系。此外, 构建了“海上防御型协同制空作战场景”实例, 验证了本文基于SysML以及多视图产品形式建模方法的可行性和有效性。

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