孫 巖，王光偉，何新華，范兆軍

(1.裝甲兵工程學(xué)院科研部，北京100072;2.裝甲兵工程學(xué)院信息工程系，北京100072;3.白城兵器試驗中心，吉林白城137001)

信息化條件下的聯(lián)合作戰(zhàn)已經(jīng)從作戰(zhàn)力量的“平臺對抗”發(fā)展到“體系對抗”，導(dǎo)致作戰(zhàn)需求發(fā)生了根本的變化，對武器裝備體系能力的論證提出了新的要求［1］。這種變化導(dǎo)致武器裝備體系的規(guī)模越來越大，系統(tǒng)之間的連接越來越復(fù)雜，對互聯(lián)、互通、互操作的要求越來越高。在緊密耦合構(gòu)成的武器裝備體系中，任何一個系統(tǒng)的缺失都會造成整個體系作戰(zhàn)效能的大幅下降，甚至失效。在武器裝備體系論證中，美軍率先提出了C5ISR(C4ISR+Combat)的新概念，把認(rèn)知域、信息域與物理域在理論上統(tǒng)一起來，把信息系統(tǒng)與武器平臺論證融為一體，以殺傷鏈的優(yōu)化為目的，支撐從作戰(zhàn)概念、武器裝備體系分析到武器平臺的論證［2］。武器裝備體系統(tǒng)一建模平臺(直譯為“國防建模統(tǒng)一平臺”，Unified Platform for Defense Modeling，UPDM)［3］，是目前世界上最先進(jìn)的體系工程和武器平臺論證工具，支持作戰(zhàn)能力與武器裝備體系論證的最新標(biāo)準(zhǔn)，并為武器裝備體系模型驗證提供手段［4］。在體系工程領(lǐng)域，近2年來，美國及北約歐洲國家陸、海、空軍及工業(yè)部門，如雷神、洛克希德、格魯曼公司，均運用UPDM進(jìn)行武器裝備體系及武器平臺的論證［5］。對美國國防部作戰(zhàn)概念論證、雷神公司導(dǎo)彈防御體系論證等應(yīng)用案例的分析表明:該平臺已經(jīng)成為西方軍隊武器裝備體系和武器平臺論證的核心工具。

1 UPDM系統(tǒng)分析

UPDM系統(tǒng)具備自動生成快速概念演示模型的能力，在武器裝備體系論證和需求分析階段，借助作戰(zhàn)概念演示模型和系統(tǒng)概念演示模型，論證人員和系統(tǒng)分析人員與用戶進(jìn)行溝通，確認(rèn)作戰(zhàn)需求與系統(tǒng)總體需求。UPDM可以應(yīng)用于現(xiàn)有設(shè)計過程中的總體論證、總體需求分析、總體設(shè)計、分系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)綜合集成等階段。在上述幾個階段，最初的設(shè)計輸入是高層的作戰(zhàn)需求，通過該工具，按照體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)描述高層作戰(zhàn)需求，重點描述高層作戰(zhàn)概念、作戰(zhàn)活動、作戰(zhàn)指揮關(guān)系、作戰(zhàn)節(jié)點連接和節(jié)點之間的信息交換等，得到作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，為總體論證和需求分析提供依據(jù)。

UPDM的核心功能包括UPDM Architect、UPDM Designer和UPDM Developer 3個組件。UPDM Architect是一個體系分析、評價與論證工具，能夠用于作戰(zhàn)流程(包含指控和火控)的分析和建模，通過流程仿真，分析、評價現(xiàn)有體系或待建體系。UPDM Designer是系統(tǒng)實現(xiàn)的體系結(jié)構(gòu)工具，采用系統(tǒng)建模語言 SysML(Systems Modeling Language)［6］進(jìn)行建模，通過模型驗證手段來檢查系統(tǒng)之間的行為交互，確保系統(tǒng)接口的正確性和可集成性。UPDM Developer能夠以直觀可視化的方式捕獲需求及其覆蓋情況，分析變更的影響，并模擬、執(zhí)行和進(jìn)行動畫演示，生成完整的應(yīng)用程序、關(guān)聯(lián)模型和代碼;還能夠幫助開發(fā)者構(gòu)建可執(zhí)行的實時框架，根據(jù)需求進(jìn)行可測試性設(shè)計，并在設(shè)計過程中同步生成文檔。

2 建模方法

基于UPDM的武器裝備體系建模采用了基于模型的系統(tǒng)工程方法［7］，其關(guān)鍵目標(biāo)是:1)確認(rèn)與導(dǎo)出所需的系統(tǒng)功能;2)確認(rèn)相關(guān)的系統(tǒng)模式和狀態(tài);3)把已確認(rèn)的系統(tǒng)功能和模式/狀態(tài)分配到系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中。

這些目標(biāo)意味著采用自頂向下的高層抽象的建模方式，重點是在確認(rèn)與分配所需的功能和基于狀態(tài)的行為，而不是其功能行為的細(xì)節(jié)［8］?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程方法的基本思路是:首先，進(jìn)行系統(tǒng)需求分析，生成系統(tǒng)用例模型;然后，基于系統(tǒng)用例進(jìn)行系統(tǒng)功能分析、非功能性需求分析和架構(gòu)設(shè)計;最后，對已分配的系統(tǒng)操作進(jìn)行詳細(xì)架構(gòu)設(shè)計，得到從場景出發(fā)的系統(tǒng)架構(gòu)模型，指導(dǎo)軟硬件開發(fā)。

通過體系結(jié)構(gòu)模型描述作戰(zhàn)需求、各個組成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、邏輯關(guān)系、行為、接口，同時通過可執(zhí)行的體系結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行邏輯和行為的論證。

在作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)分析、設(shè)計及論證過程中，頂層設(shè)計人員根據(jù)作戰(zhàn)使命精化作戰(zhàn)概念、明確系統(tǒng)需求、優(yōu)化頂層設(shè)計，從而在頂層設(shè)計階段就提前解決了大量互聯(lián)、互通、互操作問題，提高了后期綜合集成的效率。通過UPDM形成邏輯架構(gòu)及可驗證的動態(tài)可執(zhí)行模型，支持武器裝備體系的作戰(zhàn)性能和作戰(zhàn)效能評估。

基于UPDM的裝備體系論證過程從抽象到具體，自頂向下進(jìn)行。首先從作戰(zhàn)概念出發(fā)，導(dǎo)出抽象層次的作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)概念模型，通過可執(zhí)行模型的運行，在邏輯上對體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價和評估;隨著作戰(zhàn)需求的逐漸清晰和細(xì)化，在行為層次和性能層次分別導(dǎo)出作戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型，并且分別對可執(zhí)行模型進(jìn)行評價和評估?？傊?，作戰(zhàn)需求確定的每一個階段分別根據(jù)不同作戰(zhàn)概念對作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行設(shè)計并不斷擴充，然后通過可執(zhí)行模型的運行和論證，推演對應(yīng)的作戰(zhàn)想定，從而確保作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)模型滿足作戰(zhàn)需求。

在頂層設(shè)計過程中，輸入是高層作戰(zhàn)需求，借助UPDM進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，形成符合DoDAF 2.0、SysML1.0和MoDAF1.2等規(guī)范的作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和分系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)品，由于該支撐平臺提供統(tǒng)一的描述和管理手段，各階段的設(shè)計產(chǎn)品可平滑地用作下一階段的設(shè)計輸入［9-10］。UPDM的應(yīng)用過程與其他系統(tǒng)開放工具的關(guān)系如圖1所示。在UPDM支持下，根據(jù)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，自動生成可運行的先期概念演示模型。借助該概念演示模型，在系統(tǒng)論證的早期階段，設(shè)計人員可以與用戶討論大系統(tǒng)的作戰(zhàn)應(yīng)用，確認(rèn)系統(tǒng)需求。

圖1 UPDM的應(yīng)用過程與開發(fā)工具的關(guān)系

UPDM支持體系結(jié)構(gòu)方案可執(zhí)行模型的自動化生成;支持體系結(jié)構(gòu)的全局戰(zhàn)場背景下的驅(qū)動和論證，提供體系結(jié)構(gòu)的動態(tài)驅(qū)動和持續(xù)激勵;支持通過概念模型的驅(qū)動進(jìn)行需求確認(rèn)，具備與Matlab、HLA等仿真環(huán)境互聯(lián)接口;能夠結(jié)合軟件設(shè)計工具、硬件研發(fā)平臺和測試平臺開展系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)。

3 建模過程

基于UPDM的武器裝備體系建模重點圍繞基于使命能力分析結(jié)論，確定與任務(wù)相應(yīng)的場景，以殺傷鏈為核心構(gòu)建動態(tài)可驗證模型，分析體系與使命要求的差距等過程展開。

1)通過使命能力分析，確認(rèn)能力與任務(wù)相對應(yīng)的場景。使命能力分析過程包括使命能力分析確認(rèn)、恰當(dāng)?shù)氖姑鼌^(qū)域與使命、使命區(qū)域范圍/軍事問題等。通過分析使命能力到國防戰(zhàn)略、相關(guān)目標(biāo)到能力差距、典型用例場景到使命區(qū)域，進(jìn)而在相應(yīng)場景下以殺傷鏈為核心建立體系的動態(tài)可驗證模型。

2)利用已有的總體概念計劃、作戰(zhàn)方案和軍事專家的設(shè)想形成基于時序的能力與任務(wù)描述。

3)確認(rèn)主要的可用于成功執(zhí)行場景的作戰(zhàn)節(jié)點與關(guān)鍵信息交換，插入未來裝備體系到作戰(zhàn)場景中。建立殺傷鏈過程的詳細(xì)模型，分析殺傷鏈中各參與節(jié)點的功能及節(jié)點間信息交換。

4)建立基于時序的能力與任務(wù)需求，通過武器裝備體系之間的交互實現(xiàn)作戰(zhàn)能力所需的指控過程與多個殺傷鏈場景，根據(jù)時序圖確立武器平臺對指控過程消息(事件)的響應(yīng)。

5)應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)動畫功能，可視化顯示動態(tài)場景，可以對模型的時序邏輯進(jìn)行形式化的測試與驗證，動態(tài)顯示時序圖與狀態(tài)圖之間的信息流，并實現(xiàn)人在回路體系結(jié)構(gòu)驗證。

6)利用UPDM的3D圖形集成能力，集成“物理”模型(如雷達(dá)探測范圍、衛(wèi)星獲取導(dǎo)彈軌跡等)與體系結(jié)構(gòu)模型，使它們相互作用，支持作戰(zhàn)演練、方案推演、裝備體系方案論證等。以典型導(dǎo)彈防御體系建模為例，對其進(jìn)行使命能力分析，對發(fā)現(xiàn)、跟蹤、修正、鎖定目標(biāo)、向目標(biāo)開火等基本任務(wù)進(jìn)行分析，形成體系能力與任務(wù)描述，如圖2所示。按照時序，對殺傷鏈中各節(jié)點之間的信息交互進(jìn)行建模，形成基于時序的武器裝備體系能力與任務(wù)模型，如圖3所示。

4 結(jié)論

基于UPDM的武器裝備體系建模過程通過使命能力分析設(shè)置場景，形成基于時序的能力與任務(wù)描述，實現(xiàn)作戰(zhàn)能力所需的指控過程與多個殺傷鏈場景。最后，以可視化顯示動態(tài)場景，并對模型的時序邏輯進(jìn)行形式化的測試與驗證。該建模方法將作戰(zhàn)能力與武器裝備體系論證整合為一體，具備武器裝備體系模型驗證能力，為武器裝備體系的作戰(zhàn)性能和作戰(zhàn)效能評估提供了支持。

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