詹志娟，胡盛華，李兵飛，周慶

（中國航空無線電電子研究所，上海200233）

基于模型的戰(zhàn)斗機(jī)航電系統(tǒng)能力需求分析方法

詹志娟，胡盛華，李兵飛，周慶

（中國航空無線電電子研究所，上海200233）

根據(jù)聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)（JCIDS）的思想介紹了作戰(zhàn)體系需求的分析過程，提出了一套基于體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力需求獲取方法；其次，以空空攔截任務(wù)想定為例，采用能力需求獲取方法，進(jìn)行建模分析；最后，初步形成航電系統(tǒng)能力需求。表明基于模型的系統(tǒng)能力需求分析方法是合理有效的，為系統(tǒng)能力需求分析方法提供一種新的研究思路。

需求分析，DoDAF，航電系統(tǒng)，功能建模

0　引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭已經(jīng)從機(jī)械化作戰(zhàn)快速轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕畔⒒⒕W(wǎng)絡(luò)化、體系化為中心的作戰(zhàn)模式，戰(zhàn)場中的信息獲取、傳輸、處理和對抗均成為新的特殊戰(zhàn)斗力，高技術(shù)武器裝備在戰(zhàn)場得到廣泛的應(yīng)用，使得現(xiàn)代戰(zhàn)爭范圍迅速擴(kuò)展到外層空間、電磁空間和信息空間，形成陸、海、空、天、電、網(wǎng)、信息和認(rèn)知的多維一體戰(zhàn)場環(huán)境。其中空中力量尤其重要，它決定了是否能夠獲得制空權(quán)、快速反應(yīng)以及對地攻擊等，有人戰(zhàn)斗機(jī)是空中力量的主宰，其性能情況直接影響戰(zhàn)爭的效果。而航電系統(tǒng)是戰(zhàn)斗機(jī)的神經(jīng)中樞，先進(jìn)的航電系統(tǒng)能夠提高戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)能力和生存能力。為了設(shè)計出作戰(zhàn)性能好的航電系統(tǒng)，需要先分析出滿足未來作戰(zhàn)裝備的航電系統(tǒng)需求。本文主要探討基于作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)的航電系統(tǒng)需求分析方法，并以實(shí)例出發(fā)，以美軍體系結(jié)構(gòu)框架DoDAF為基礎(chǔ)，進(jìn)行體系功能建模，獲取航電系統(tǒng)的需求信息。

1　基于能力需求的分析方法

1.1基于能力需求的分析思想

為了有效地完成從需求提出到研發(fā)生產(chǎn)整個過程的管理，美國國防部將“需求產(chǎn)生制定”（RequirementsGenerationSystem，RGS）作為三大決策保障制度之一，確定各軍兵種到底需要什么武器裝備。在RGS中，主要通過任務(wù)需求書和作戰(zhàn)要求文件表述需求。2003年8月，美軍國防部的JCIDS（Joint Capability Integration and Development System，聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)）取代了RGS，強(qiáng)調(diào)以聯(lián)合作戰(zhàn)為核心的能力建設(shè)，核心是一種自頂向下戰(zhàn)略指導(dǎo)的能力確認(rèn)方法學(xué)，形成一套軍事能力需求分析方法和流程。

基于能力的需求開發(fā)過程，是指根據(jù)聯(lián)合作戰(zhàn)構(gòu)想和聯(lián)合作戰(zhàn)概念，確定聯(lián)合作戰(zhàn)能力需求，并在各軍種領(lǐng)域探索作戰(zhàn)能力的實(shí)現(xiàn)手段?；谀芰Φ男枨蠓治鲞^程重點(diǎn)關(guān)注能力層次的集成，然后再以能力需求驅(qū)動軍事信息系統(tǒng)的發(fā)展。

1.2基于體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的需求獲取方法

體系結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)各組成單元的結(jié)構(gòu)，它們之間的關(guān)系以及指導(dǎo)其設(shè)計和隨時間演化的原則與指南，能夠指導(dǎo)系統(tǒng)開發(fā)人員詳細(xì)設(shè)計系統(tǒng)。基于體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的裝備體系需求獲取方法以美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架［1］（Department of DefenseAr-chitecture Framework，DoDAF）為基礎(chǔ)，從作戰(zhàn)體系、裝備系統(tǒng)和技術(shù)等多方面來獲取需求，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)需求向裝備系統(tǒng)需求的映射，將作戰(zhàn)任務(wù)活動中提取的能力需求和作戰(zhàn)體系中作戰(zhàn)裝備系統(tǒng)的功能需求一一對應(yīng)，通過體系能力牽引功能設(shè)計，整個需求獲取和分析過程對應(yīng)于體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計過程，符合基于能力和自頂向下的思想［2］。該方法的建模流程如圖1所示。

圖1　基于體系結(jié)構(gòu)裝備體系需求獲取方法

裝備需求分析需要確定系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、系統(tǒng)功能和系統(tǒng)等3種角色之間的映射關(guān)系，需要提取能力需求，需要實(shí)施需求驗證?；静襟E如下：

（1）根據(jù)作戰(zhàn)需求分析中的作戰(zhàn)任務(wù)活動圖OV-5，針對每個活動所需系統(tǒng)的功能進(jìn)行分析，建立系統(tǒng)功能描述結(jié)構(gòu)圖（SV-4）；

（2）參考作戰(zhàn)需求分析中的作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)連接圖OV-2，明確系統(tǒng)并劃分系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，建立系統(tǒng)組成圖（SV-1）；

（3）根據(jù)SV-1和SV-4，將系統(tǒng)功能映射到裝備系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)上，建立系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)功能與作戰(zhàn)活動映射矩陣（SV-5）；

（4）建立系統(tǒng)事件跟蹤描述（SV-10c）和系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移描述（SV-10b），通過模型動態(tài)執(zhí)行驗證結(jié)構(gòu)模型的正確性和完整性。

2　基于DoDAF的航電系統(tǒng)能力需求分析

2.1某一空空攔截任務(wù)場景簡介

20XX年，紅藍(lán)雙方發(fā)生軍事沖突，藍(lán)方出動2架F-22飛機(jī)，欲襲擊紅方的航空兵機(jī)場，紅方地面天波超視距雷達(dá)旅向上級指揮所報告觀測到有空中目標(biāo)。紅方地面指揮中心在接收到目標(biāo)信息后，立即下達(dá)作戰(zhàn)命令，4架殲擊機(jī)編隊和電子攻擊機(jī)接到命令立刻完成起飛，紅方預(yù)警機(jī)繼續(xù)對藍(lán)方進(jìn)行跟蹤探測，殲擊機(jī)編隊長機(jī)采取被動探測，待藍(lán)方飛機(jī)觸發(fā)探測后，紅方電子攻擊機(jī)截獲敵機(jī)信息，并將藍(lán)方飛機(jī)信息發(fā)送給編隊長機(jī)，紅方長機(jī)通過機(jī)間鏈分享給僚機(jī)。同時，紅方電子攻擊機(jī)對藍(lán)方飛機(jī)進(jìn)行電子干擾。隨后，紅方編隊長機(jī)做攻擊準(zhǔn)備，觸發(fā)探測進(jìn)行精確跟蹤，跟蹤完成后發(fā)射導(dǎo)彈，同時對僚機(jī)發(fā)送控制命令，由僚機(jī)對導(dǎo)彈進(jìn)行控制和導(dǎo)引，導(dǎo)彈擊中目標(biāo)后，紅方長機(jī)對藍(lán)方飛機(jī)毀傷進(jìn)行評估，并生成評估報告發(fā)送給預(yù)警機(jī)，預(yù)警機(jī)確認(rèn)任務(wù)完成后，預(yù)警機(jī)將返航計劃同時發(fā)送給長機(jī)、僚機(jī)和電子攻擊機(jī)，在預(yù)警機(jī)的引導(dǎo)下紅方飛機(jī)編隊和電子攻擊機(jī)退出戰(zhàn)斗完成返場著陸［3-4］。

2.2空空攔截任務(wù)的航電系統(tǒng)功能建模分析

根據(jù)圖1所示，針對空空攔截任務(wù)，想要獲取紅方殲擊機(jī)航電系統(tǒng)需求，首先需要對作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行分析，然后對殲擊機(jī)的航電系統(tǒng)進(jìn)行功能需求分析，最后根據(jù)現(xiàn)有裝備的系統(tǒng)性能，找出性能差距，形成功能解決方案，并且完善航電系統(tǒng)能力需求。

針對空空攔截任務(wù)想定，使用裝備體系統(tǒng)一論證平臺（UPDM-Unified Platformfor Defense Model-ing）作為建模工具，采用基于DoDAF體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法對作戰(zhàn)想定進(jìn)行功能建模仿真，殲擊機(jī)可以被簡化為航電系統(tǒng)和武器能力系統(tǒng)的綜合，航電系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、戰(zhàn)場態(tài)勢認(rèn)知系統(tǒng)、戰(zhàn)術(shù)決策系統(tǒng)、綜合管理系統(tǒng)［5-6］。

2.2.1建立系統(tǒng)功能描述圖SV-4

根據(jù)1.2中的裝備需求分析的步驟，通過參考任務(wù)分析階段的作戰(zhàn)活動圖（OV-5），將作戰(zhàn)需求分析中的作戰(zhàn)活動與系統(tǒng)功能對應(yīng)，建立系統(tǒng)功能描述圖（SV-4）。針對本文的方法，選擇了作戰(zhàn)活動中關(guān)鍵的6個作戰(zhàn)活動進(jìn)行分析，分別是：分析作戰(zhàn)計劃活動、無源探測活動、綜合識別活動、電子干擾活動、發(fā)射導(dǎo)彈活動和毀傷觀察活動等系統(tǒng)功能圖。如圖2所示，描述的是實(shí)現(xiàn)發(fā)射導(dǎo)彈活動的系統(tǒng)功能圖。圖中“fn”標(biāo)識的為系統(tǒng)功能。其中，“Realize”表示實(shí)現(xiàn)關(guān)系，表示系統(tǒng)的多個功能來支撐一個作戰(zhàn)活動。

圖2　發(fā)射導(dǎo)彈

2.2.2建立系統(tǒng)組成視圖SV-1

SV-1視圖如圖3所示，它描述了參與作戰(zhàn)的系統(tǒng)組成，以及系統(tǒng)之間的交互關(guān)系。系統(tǒng)組成包括：數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、戰(zhàn)場態(tài)勢認(rèn)知系統(tǒng)、戰(zhàn)術(shù)決策系統(tǒng)、綜合管理系統(tǒng)和武器攻擊系統(tǒng)。

圖3　系統(tǒng)組成視圖SV-1

2.2.3建立系統(tǒng)功能與作戰(zhàn)活動映射矩陣SV-5

根據(jù)系統(tǒng)功能描述圖與系統(tǒng)組成視圖，構(gòu)建作戰(zhàn)活動與系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的映射關(guān)系，并將系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)功能關(guān)聯(lián)起來，可以得到作戰(zhàn)活動到系統(tǒng)功能的追蹤關(guān)系，即作戰(zhàn)活動到系統(tǒng)功能的追溯矩陣SV-5。如表1所示：

表1　作戰(zhàn)活動映射矩陣SV-5

2.2.4建立系統(tǒng)事件跟蹤視圖SV-10c和系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移視圖SV-10b

在本文的空空攔截場景中，為了清晰表達(dá)整個作戰(zhàn)流程，以5個階段進(jìn)行詳細(xì)分析，5個階段分別是：地面準(zhǔn)備、引導(dǎo)飛行、搜索對抗、跟蹤交戰(zhàn)、返航返場?，F(xiàn)以搜索階段為例，對系統(tǒng)事件跟蹤視圖SV-10c進(jìn)行分析。對作戰(zhàn)活動中的無源探測、綜合識別、電子干擾進(jìn)行詳細(xì)的時序分析，如圖4～圖6所示。

圖4　無源探測子順序圖

圖5　綜合識別子順序圖

圖6　電子干擾子順序圖

SV-10b描述了一個系統(tǒng)對改變它的狀態(tài)的不同事件的響應(yīng)，每發(fā)生一次狀態(tài)變化，稱為一次轉(zhuǎn)移，每個轉(zhuǎn)移都要指定一個事件和一個動作。當(dāng)一個事件出現(xiàn)時，系統(tǒng)的下一個狀態(tài)取決于現(xiàn)有狀態(tài)、事件和條件。每次轉(zhuǎn)移根據(jù)特定事件和當(dāng)前狀態(tài)確定響應(yīng)順序。

SV-10b用來快速分析作戰(zhàn)規(guī)則的完整性，檢測錯誤條件。通過SV-10b可以評估與時間有關(guān)的過程行為，共享與時間有關(guān)的資源，發(fā)現(xiàn)有效分配人力和系統(tǒng)資源完成這些過程的方法，檢查整體性能，確定由于不充足的資源或存在缺陷的信息流所造成的瓶頸或資源過剩，發(fā)現(xiàn)并去除重復(fù)工作。

2.2.5系統(tǒng)可執(zhí)行模型的驗證

對系統(tǒng)進(jìn)行可執(zhí)行模型驗證，以地面準(zhǔn)備為例，為了完成地面準(zhǔn)備，需要以下7個系統(tǒng)參與：地面指揮中心系統(tǒng)、預(yù)警機(jī)系統(tǒng)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)、編隊系統(tǒng)、目標(biāo)系統(tǒng)、殲擊機(jī)的戰(zhàn)術(shù)決策系統(tǒng)以及綜合管理系統(tǒng)，運(yùn)行過程中它們的狀態(tài)圖SV-10b，如圖8所示。在狀態(tài)圖SV-10b運(yùn)行的同時，打開SV-10c的仿真圖，模型動態(tài)執(zhí)行結(jié)束后可得到仿真結(jié)果，如果動態(tài)執(zhí)行后的SV-10c仿真結(jié)果跟初始設(shè)計的SV-10c保持一致，則表明系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)功能描述的正確性［7-9］。在信息裝備體系統(tǒng)一論證平臺工具UPDM中有校對初始設(shè)計順序圖和仿真順序圖的功能，以便發(fā)現(xiàn)設(shè)計錯誤。對空空攔截模型進(jìn)行仿真執(zhí)行后的順序圖和初始設(shè)計的順序圖比較，給出了結(jié)果，如下頁圖9所示，表明仿真結(jié)果和初始設(shè)計一致。

圖7　綜合管理系統(tǒng)狀態(tài)圖

圖8　地面準(zhǔn)備階段的7個系統(tǒng)SV-10b狀態(tài)運(yùn)行圖

圖9?。╝）地面準(zhǔn)備的SV-10c設(shè)計圖

圖9?。╞）地面準(zhǔn)備的SV-10c仿真圖

通過系統(tǒng)可執(zhí)行模型的驗證，確保了基于體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的需求獲取方法的邏輯正確，檢驗?zāi)Ｐ椭忻枋龅南到y(tǒng)功能能夠按預(yù)期的順序執(zhí)行，驗證體系結(jié)構(gòu)的行為與系統(tǒng)用戶期望的行為相一致，即從模型提取的系統(tǒng)功能需求能夠滿足系統(tǒng)規(guī)格說明書要求。

2.3航電系統(tǒng)能力需求分析

按照圖1的需求獲取方法，對空空攔截任務(wù)進(jìn)行作戰(zhàn)任務(wù)建模以及系統(tǒng)功能建模，通過建模分析總結(jié)，最后形成航電系統(tǒng)的能力需求，航電系統(tǒng)涉及的技術(shù)較多，需要多專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行全方位的分析，在此就對數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的需求分析，數(shù)據(jù)獲取功能表示飛機(jī)觀察環(huán)境與探測目標(biāo)的能力。該能力所覆蓋的傳感器對空中目標(biāo)和環(huán)境本身進(jìn)行探測的戰(zhàn)術(shù)傳感器，以及連接飛機(jī)和戰(zhàn)場空間網(wǎng)絡(luò)，接收和處理環(huán)境中載機(jī)或目標(biāo)數(shù)據(jù)的通信設(shè)備等，圖10是數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的功能分解圖，表2是數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)能力需求表。

圖10　數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)功能分解

表2　數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)能力需求

3　結(jié)論

本文首先介紹了聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)（JCIDS），并且根據(jù)這類方法介紹了作戰(zhàn)裝備體系需求的分析過程，提出了一套基于體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的需求獲取方法；其次，參考需求獲取方法，以DoDAF標(biāo)準(zhǔn)為核心對裝備體系需求進(jìn)行從上往下的分析，針對某一個具體作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行基于DoDAF的功能建模以及模型驗證，保證了裝備體系需求分析的規(guī)范性、完整性和一致性；最后，通過模型分析初步形成航電系統(tǒng)能力需求。

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Research on Avionics System Capability Requirements Analysis Method of Fighter Based on Model

ZHANZhi-juan，HU Sheng-hua，LI Bing-fei，ZHOU Qing
（AVIC Aeronautical Radio Electronics Research Institute，Shanghai 200233，China）

A capability requirements analysis method base on system architecture design is putted forward in analyzing combat system requirements according to the ideas of the joint capabilities integration and development system（JCIDS）.Avionics system capability requirements are formed by building and analyzing model for the air interception mission scenario.The capability requirements analysis method of avionics system based on model is effective，besides it also provides one of the new research approaches for the system capability requirements analysis research field.

requirementanalysis，DoDAF，avionicssystem，functionmodeling

TP273；E844

A

1002-0640（2016）10-0163-05

2015-08-13

2015-09-29

詹志娟（1986-），女，江蘇揚(yáng)州人，工程師。研究方向：航空電子系統(tǒng)綜合技術(shù)。