范永欣，潘興，王可，張艷梅，郭嘯峰

(1.北京瑞風(fēng)協(xié)同科技股份有限公司，北京 100098；2.北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100098；3.北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

隨著武器裝備信息化的程度越來越高，戰(zhàn)爭形態(tài)也從傳統(tǒng)的單一軍兵種獨(dú)立作戰(zhàn)或者幾個(gè)軍兵種共同作戰(zhàn)，轉(zhuǎn)變?yōu)榇蚱栖姳N界限的陸?？仗祀娨惑w化聯(lián)合作戰(zhàn)，這種作戰(zhàn)形式更重視武器裝備體系與體系之間的對(duì)抗。

要提高現(xiàn)有復(fù)雜裝備體系的作戰(zhàn)能力，使其適應(yīng)未來多變的作戰(zhàn)任務(wù)環(huán)境，應(yīng)針對(duì)裝備體系未來的作戰(zhàn)任務(wù)需求，結(jié)合當(dāng)前裝備體系發(fā)展現(xiàn)狀，科學(xué)地開展裝備體系的建設(shè)規(guī)劃與總體論證。武器裝備體系論證中涉及2個(gè)重要的因素：作戰(zhàn)效能和作戰(zhàn)適用性。其中適用性主要包括：可靠性、維修性、可用性、安全性等[1]。盡管對(duì)于單一武器裝備的總體論證已經(jīng)積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，形成了較為規(guī)范的論證過程和方法，但對(duì)于武器裝備體系的綜合論證則還在探索中，尤其是對(duì)于裝備體系的論證過程、論證方法和技術(shù)等方面，尚有欠缺[2]。

針對(duì)復(fù)雜裝備體系RMS(reliability,maintainability and supportability)要求的論證與評(píng)價(jià)問題，本文突破復(fù)雜裝備體系RMS要求分析技術(shù)、面向RMS要求的復(fù)雜裝備體系結(jié)構(gòu)建模技術(shù)以及基于體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜裝備體系RMS建模與仿真技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，提出一整套基于體系工程的裝備體系RMS要求論證與評(píng)價(jià)技術(shù)，同時(shí)提出一款用于裝備體系RMS要求論證的軟件架構(gòu)，來為裝備體系RMS要求論證提供相應(yīng)技術(shù)、方法以及信息化工具。

1 總體方案

根據(jù)對(duì)復(fù)雜裝備體系RMS要求論證與評(píng)價(jià)技術(shù)的理解與分析，結(jié)合目前體系工程領(lǐng)域?qū)ρb備體系需求論證過程的認(rèn)識(shí)，本文將從方法研究及應(yīng)用研究2個(gè)方面開展復(fù)雜裝備體系RMS要求論證與評(píng)價(jià)技術(shù)研究。提出的總體研究框圖如圖1所示。

圖1 總體框架

(1) 方法研究

方法研究是本文的重點(diǎn)，將裝備體系RMS要求納入整個(gè)裝備體系的需求論證框架中進(jìn)行，以體系工程為指導(dǎo)，開展能力分析、體系結(jié)構(gòu)分析和仿真評(píng)價(jià)3個(gè)主要工作，研究將裝備體系的使命任務(wù)需求轉(zhuǎn)變?yōu)檠b備體系RMS定性和定量要求的基礎(chǔ)理論和方法[3-4]。

(2) 應(yīng)用研究

在方法研究和技術(shù)研究基礎(chǔ)上，本文以裝備體系為主要應(yīng)用對(duì)象，開展應(yīng)用研究介紹。首先在裝備體系RMS要求論證技術(shù)方面，以體系工程理論和方法為指導(dǎo)，建立復(fù)雜裝備體系RMS要求論證工作方法與程序；其次在復(fù)雜裝備體系RMS要求評(píng)價(jià)技術(shù)中，開展復(fù)雜裝備體系結(jié)構(gòu)建模、復(fù)雜裝備體系任務(wù)建模、復(fù)雜體系的RMS要求建模工作；最后提出了一種用于復(fù)雜裝備體系RMS要求論證與評(píng)價(jià)工作的軟件平臺(tái)架構(gòu)思路，并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了展望[5-6]。

2 復(fù)雜裝備體系RMS要求論證與評(píng)價(jià)方法[7-8]

復(fù)雜裝備體系RMS要求論證與評(píng)價(jià)技術(shù)主要由3部分構(gòu)成。首先通過基于質(zhì)量功能展開(quality function deployment,QFD)的能力分析方法進(jìn)行體系RMS能力分析；其次通過面向RMS要求的裝備體系結(jié)構(gòu)建模進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)分析；最后以能力分析與體系結(jié)構(gòu)分析結(jié)果為輸入，進(jìn)行基于體系結(jié)構(gòu)的裝備體系RMS要求仿真與評(píng)價(jià)[4]。

2.1 基于QFD的能力分析方法[9-10]

復(fù)雜裝備體系RMS要求論證實(shí)質(zhì)上是從使命任務(wù)到能力需求、功能需求、性能需求之間的映射。需求方案的生成需要進(jìn)行能力目標(biāo)轉(zhuǎn)換、體系結(jié)構(gòu)分析、形成需求方案3個(gè)步驟，如圖2所示。

圖2 能力目標(biāo)轉(zhuǎn)化過程

QFD是需求映射的有效方法，如圖3所示，在進(jìn)行任務(wù)需求分析、能力需求分析、能力指標(biāo)需求分析時(shí)，需要綜合考慮作戰(zhàn)任務(wù)、作戰(zhàn)能力、能力指標(biāo)之間的相互關(guān)系，保證需求輸出的準(zhǔn)確性。

典型的復(fù)雜裝備系統(tǒng)的任務(wù)過程需要通信系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、攔截武器系統(tǒng)等實(shí)體工作單元同時(shí)參與。復(fù)雜裝備系統(tǒng)中任一成員系統(tǒng)或關(guān)鍵裝備故障都將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失效。能力分析的結(jié)果能夠?yàn)榛隗w系結(jié)構(gòu)的裝備體系RMS要求仿真與評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

圖3 基于QFD的需求映射

2.2 面向RMS的復(fù)雜裝備體系結(jié)構(gòu)建模與分析方法

本節(jié)主要從復(fù)雜裝備體系結(jié)構(gòu)建模與復(fù)雜裝備體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證2個(gè)方面介紹復(fù)雜裝備體系結(jié)構(gòu)建模與分析方法。其中復(fù)雜裝備體系結(jié)構(gòu)建模主要采用在DoDAF 2.0框架下實(shí)現(xiàn)基于ABM(activity-based methodology)的體系架構(gòu)建模，而復(fù)雜裝備體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證主要基于IDEF3過程建模并結(jié)合RMS要求以實(shí)現(xiàn)初步的定量分析[11]。

2.2.1 基于ABM方法的裝備體系結(jié)構(gòu)建模

本節(jié)采用ABM的方法來開展裝備體系的結(jié)構(gòu)建模。ABM采用以數(shù)據(jù)為中心的開發(fā)方法代替了基于視圖產(chǎn)品的開發(fā)方法進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)元素和產(chǎn)品的描述。

ABM歸納出作戰(zhàn)和系統(tǒng)視圖的4個(gè)核心實(shí)體，它們是體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，如圖4所示。同時(shí)，基于裝備體系結(jié)構(gòu)核心實(shí)體，在實(shí)體中引入體系RMS要求，形成基于RMS要求的裝備體系結(jié)構(gòu)，為復(fù)雜裝備體系RMS要求論證奠定基礎(chǔ)。

2.2.2 基于IDEF3的裝備體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

2.2.1節(jié)中對(duì)基于DoDAF的復(fù)雜裝備體系結(jié)構(gòu)建模可看作是對(duì)體系結(jié)構(gòu)的靜態(tài)描述，而建立體系結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)可執(zhí)行模型則是對(duì)體系結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)描述，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備體系結(jié)構(gòu)中模型元素完備性和邏輯與邏輯關(guān)系正確性的檢驗(yàn)，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)初步體系RMS要求的分析與驗(yàn)證，并作為復(fù)雜裝備體系的初步任務(wù)可靠性模型為后續(xù)體系RMS建模奠定基礎(chǔ)。

本節(jié)擬基于IDEF模型來對(duì)裝備體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。IDEF主要包括IDEF0到IDEF14共有16套方法(包括IDEF1X在內(nèi))。為實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備體系的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證與分析、建立體系結(jié)構(gòu)的可執(zhí)行模型，需要用到IDEF0功能建模和IDEF3過程建模：IDEF0主要負(fù)責(zé)建立裝備體系的功能活動(dòng)以及聯(lián)系的結(jié)構(gòu)化圖形模型；而IDEF3主要負(fù)責(zé)在IDEF0建模的基礎(chǔ)上，采用圖形化的語言，通過一些基本元素的各種組合實(shí)現(xiàn)對(duì)過程描述。建立基于IDEF3的裝備體系結(jié)構(gòu)仿真模型，在此基礎(chǔ)上加入裝備體系的RMS參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備體系RMS要求的初步定量分析。

2.3 基于體系結(jié)構(gòu)的裝備體系RMS要求仿真與評(píng)價(jià)方法

本節(jié)分別從基于活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的裝備體系RMS建模與基于離散事件的裝備體系RMS仿真2個(gè)方面給出了基于體系結(jié)構(gòu)的裝備體系RMS要求仿真與評(píng)價(jià)方法[12]。

圖4 面向RMS的裝備體系結(jié)構(gòu)核心實(shí)體示意圖

2.3.1 基于活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的裝備體系RMS建模

基于活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的裝備體系RMS建模主要分為3個(gè)方面：裝備體系使命任務(wù)分解、裝備體系RMS要求設(shè)計(jì)、裝備體系RMS建模。

(1) 裝備體系任務(wù)分解

為了對(duì)復(fù)雜裝備體系中成員系統(tǒng)或關(guān)鍵設(shè)施進(jìn)行RMS要求定量分析，并細(xì)化裝備體系RMS要求，需要進(jìn)一步細(xì)化結(jié)構(gòu)驗(yàn)證模型中任務(wù)活動(dòng)的粒度，可以通過如圖5所示的“使命-任務(wù)-活動(dòng)”的分解模型以得到合適的活動(dòng)粒度，以便盡可能地融入更加底層的單項(xiàng)RMS參數(shù)。

圖5 復(fù)雜裝備體系任務(wù)分解模型示意圖

(2) 裝備體系RMS參數(shù)建立

經(jīng)過“使命-任務(wù)-活動(dòng)”的分解，便可以將前面復(fù)雜裝備體系的調(diào)研分析所得到的，以及經(jīng)過裝備體系RMS要求分析得到的綜合RMS參數(shù)代入到裝備體系的任務(wù)活動(dòng)模型中，即建立復(fù)雜裝備體系RMS模型。裝備體系RMS參數(shù)可分為3個(gè)層次：

1) 任務(wù)可靠性

反映復(fù)雜裝備體系完成使命任務(wù)的能力。

2) 結(jié)構(gòu)可靠性

動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)可靠性，用來衡量組成裝備體系的成員系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)施在一定邏輯關(guān)系結(jié)構(gòu)下，完成使命任務(wù)的能力。參數(shù)體系如圖6所示。

靜態(tài)結(jié)構(gòu)可靠性，用來衡量組成裝備體系的成員系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)施固有能力，如體系結(jié)構(gòu)健壯性、脆弱性和彈性等。

3) 系統(tǒng)可靠性

即裝備體系最底層的單項(xiàng)RMS參數(shù)，主要指裝備體系中成員系統(tǒng)或關(guān)鍵設(shè)施的可靠性、維修性和保障性參數(shù)，還包括部分性能參數(shù)，它們是裝備體系形成作戰(zhàn)能力的基礎(chǔ)。

圖6 復(fù)雜裝備體系RMS參數(shù)體系

(3) 裝備體系RMS建模

將裝備體系使命分解到活動(dòng)后，由于復(fù)雜裝備體系活動(dòng)的復(fù)雜性，其會(huì)呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)特性。本節(jié)擬采用基于活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的裝備體系RMS建模方法開展成員體系RMS基本參數(shù)的定量分析。示意圖7如下。通過活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)所建立的裝備體系RMS模型，要求能體現(xiàn)體系的層次、體系要素(含保障系統(tǒng))之間邏輯關(guān)系、體系要素狀態(tài)、體系要素功能及體系要素RMS參數(shù)等5個(gè)方面的可靠性需求。

基于活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的裝備體系RMS建模主要包括2個(gè)主要部分：

基于活動(dòng)的任務(wù)流程建模。在OV-5b作戰(zhàn)活動(dòng)模型的基礎(chǔ)上，將作戰(zhàn)活動(dòng)進(jìn)行細(xì)化，分解為一個(gè)或多個(gè)子活動(dòng)，并將這些子活動(dòng)按照一定的邏輯關(guān)系排列起來，形成活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，然后結(jié)合裝備體系的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證模型，形成描述裝備體系任務(wù)的活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型。

加入成員系統(tǒng)或關(guān)鍵設(shè)施的RMS參數(shù)。在任務(wù)流程活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合執(zhí)行活動(dòng)所需參與的成員以及所需要的資源，將成員系統(tǒng)的基本RMS參數(shù)融入到作戰(zhàn)流程的各項(xiàng)活動(dòng)，一項(xiàng)活動(dòng)可能涉及一個(gè)參數(shù)或同時(shí)涉及多個(gè)參數(shù)。

2.3.2 基于離散事件的裝備體系RMS仿真

基于離散事件仿真來對(duì)裝備體系RMS要求進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。對(duì)于復(fù)雜裝備體系，它的任務(wù)流程中的各個(gè)子任務(wù)、活動(dòng)、子活動(dòng)均是在離散的時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生的，屬于典型的離散事件，應(yīng)結(jié)合復(fù)雜裝備體系及其任務(wù)特點(diǎn)抽象歸納定義離散事件仿真的基本要素：實(shí)體、實(shí)體的屬性和狀態(tài)、事件、活動(dòng)和進(jìn)程[13]。復(fù)雜裝備體系RMS仿真框架如圖8所示。

圖7 基于活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜裝備體系RMS模型示意圖

經(jīng)過RMS仿真分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有RMS參數(shù)的分解、細(xì)化與權(quán)衡，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析從而形成裝備體系參數(shù)指標(biāo)，并形成裝備體系RMS要求的評(píng)價(jià)結(jié)果，最終完成裝備體系RMS要求論證與定量評(píng)價(jià)。

綜上所述，復(fù)雜裝備體系的RMS要求論證與評(píng)價(jià)技術(shù)主要以能力分析和體系結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果為基礎(chǔ)，采用基于體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜裝備體系RMS要求仿真與評(píng)價(jià)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜裝備系統(tǒng)的RMS要求的論證與評(píng)價(jià)。

3 應(yīng)用研究[14-15]

根據(jù)總體技術(shù)研究部分提出的應(yīng)用展望，本節(jié)通過應(yīng)用基礎(chǔ)、軟件平臺(tái)框架、規(guī)劃及展望3個(gè)方面介紹一個(gè)用于裝備體系RMS要求論證與評(píng)價(jià)的軟件系統(tǒng)架構(gòu)思路，供讀者參考。

3.1 應(yīng)用方向

本節(jié)在方法研究基礎(chǔ)上，以體系工程理論和方法為指導(dǎo)，借鑒裝備論證的相關(guān)技術(shù)，對(duì)復(fù)雜裝備體系RMS要求的概念與內(nèi)涵進(jìn)行研究，在構(gòu)建裝備體系RMS參數(shù)體系基礎(chǔ)上，分別對(duì)裝備體系RMS定量要求、定性要求和工作項(xiàng)目要求進(jìn)行論證，匯總形成復(fù)雜裝備體系RMS參數(shù)和指標(biāo)體系，給裝備體系規(guī)劃與建設(shè)相關(guān)工作人員提供參考。

在復(fù)雜裝備體系RMS要求評(píng)價(jià)技術(shù)中，整合面向RMS的裝備體系結(jié)構(gòu)建模與分析方法及基于體系結(jié)構(gòu)的裝備體系仿真與評(píng)價(jià)方法，開展復(fù)雜裝備體系結(jié)構(gòu)建模與仿真、復(fù)雜裝備體系任務(wù)建模仿真、復(fù)雜裝備體系RMS要求仿真，從而歸納總結(jié)形成一套用于復(fù)雜裝備體系RMS要求評(píng)價(jià)的技術(shù)，為復(fù)雜裝備體系RMS要求論證提供技術(shù)支持。

圖8 復(fù)雜裝備體系RMS仿真框架

3.2 應(yīng)用軟件平臺(tái)框架

基于方法研究，本節(jié)從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，提出一種用于支撐復(fù)雜裝備體系RMS論證與評(píng)價(jià)業(yè)務(wù)的專業(yè)軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路，平臺(tái)采用分層功能設(shè)計(jì)，業(yè)務(wù)邏輯清晰，功能全面，覆蓋能力分析，體系結(jié)構(gòu)分析及仿真評(píng)價(jià)三大業(yè)務(wù)模塊，同時(shí)具備RMS能力分析，體系結(jié)構(gòu)分析，RMS要求論證3類專業(yè)工具。能夠支撐從論證需求到建模仿真評(píng)價(jià)的多項(xiàng)子功能，并具備數(shù)據(jù)管理及知識(shí)庫管理等功能。

如圖9所示，按照功能將軟件平臺(tái)分為如下5個(gè)層次：

(1) 門戶層：面向使用者的綜合性的信息展示，和系統(tǒng)功能入口；

(2) 業(yè)務(wù)層：控制裝備體系RMS論證與評(píng)價(jià)業(yè)務(wù)內(nèi)容和流程，調(diào)用各種工具；

(3) 專業(yè)工具層：支撐業(yè)務(wù)層的專業(yè)工具，全面支持任務(wù)分解、裝備能力分析、體系結(jié)構(gòu)分析及復(fù)雜裝備體系RMS要求論證及評(píng)價(jià)；

(4) 基礎(chǔ)工具層：通用的數(shù)據(jù)管理工具、知識(shí)庫管理工具和基礎(chǔ)管理工具；

(5) 數(shù)據(jù)庫層：存儲(chǔ)管理各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范數(shù)據(jù)。

3.3 對(duì)該平臺(tái)應(yīng)用的規(guī)劃及展望

當(dāng)前狀態(tài)下該軟件處于架構(gòu)設(shè)想階段，不同的裝備體系，其RMS要求也不同，如防空反導(dǎo)與深海潛艇的評(píng)估參數(shù)會(huì)有極大的不同。在實(shí)際開發(fā)和應(yīng)用中應(yīng)針對(duì)不同的裝備系統(tǒng)，進(jìn)行不同的評(píng)估模板設(shè)計(jì)、功能組件設(shè)計(jì)，形成覆蓋多種裝備體系的軟件平臺(tái)，更有效地支撐復(fù)雜裝備體系RMS論證與評(píng)價(jià)工作。

圖9 軟件平臺(tái)組成

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)復(fù)雜裝備體系能力分析、結(jié)構(gòu)分析、仿真評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究，提出用于復(fù)雜裝備體系RMS要求論證與評(píng)價(jià)的軟件平臺(tái)架構(gòu)設(shè)想，構(gòu)建復(fù)雜裝備體系RMS要求論證與評(píng)價(jià)技術(shù)的整體研究框架，為開展復(fù)雜裝備體系RMS要求論證工作提供了方法指導(dǎo)，對(duì)于裝備體系的建設(shè)規(guī)劃和方案論證也具有重要借鑒作用。