秦昌茂，孟 蘇，莫錦鶴

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，武器裝備智能化和信息化的程度越來越高，戰(zhàn)爭形態(tài)也發(fā)生了變化，未來聯(lián)合作戰(zhàn)呈現(xiàn)出體系對抗體系的特點(diǎn)[1]。體系包括作戰(zhàn)體系及裝備體系，裝備體系是由功能上相互聯(lián)系、相互作用、性能上相互補(bǔ)充的眾多系統(tǒng)組成的，這些系統(tǒng)之間關(guān)系復(fù)雜，相互作用明顯，相互制約多，相互影響大[2]，這是導(dǎo)致體系建?？煽啃院托芊治鲇行岳щy的主要原因之一。因此，對涉及的各類武器裝備作戰(zhàn)單元、作戰(zhàn)系統(tǒng)，在動(dòng)態(tài)作戰(zhàn)環(huán)境下建立體系模型并進(jìn)行效能評估，是裝備體系研究的重要方向[3]。

當(dāng)前，對于體系結(jié)構(gòu)建模的設(shè)計(jì)思想主要有兩種方式：以產(chǎn)品為中心和以數(shù)據(jù)為中心[4]。其中，C4ISR采取以產(chǎn)品為中心的方式，英國國防部體系架構(gòu)框架(MODAF)、美國國防部體系框架(DoDAF)則采取以數(shù)據(jù)為中心的方式。雖然這些方法對體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了較詳細(xì)的描述，但研究大多集中在信息系統(tǒng)領(lǐng)域，研究內(nèi)容主要是體系結(jié)構(gòu)框架，由于沒有給出規(guī)范化的定義，很多產(chǎn)品的描述內(nèi)容是模糊的，特別是針對武器裝備體系開展結(jié)構(gòu)建模及效能評估的研究較少。

SysML(Systems Modeling Language, 系統(tǒng)建模語言)同樣作為一種體系描述語言，提供了可視化的多種視圖，但更加傾向于對系統(tǒng)功能、數(shù)據(jù)和控制流等特征的描述與表示，描述形式規(guī)范易懂且更便于建立可執(zhí)行模型和仿真應(yīng)用[5-6]。

本文基于聯(lián)合作戰(zhàn)背景下的遠(yuǎn)程專家保障裝備體系想定，從體系作戰(zhàn)需求角度出發(fā)，以SysML設(shè)計(jì)語言為基礎(chǔ)[7]，參照DoDAF，基于遠(yuǎn)程專家保障裝備體系詳細(xì)設(shè)計(jì)了可描述靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)行為的體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品集合，實(shí)現(xiàn)了裝備體系結(jié)構(gòu)的規(guī)范化建模。依據(jù)遠(yuǎn)程專家保障裝備體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品采用ExtendSim系統(tǒng)仿真軟件建立了可執(zhí)行模型，并進(jìn)行了仿真分析和結(jié)構(gòu)評估。

1 基于SysML及ExtendSim的裝備體系建模及評估方法

1.1 基于SysML的體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品

SysML針對系統(tǒng)工程領(lǐng)域中系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模的特點(diǎn)，提供了規(guī)范化、可視化、圖形化的系統(tǒng)建模支持，相較于其他建模語言更加符合武器裝備體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求[7]。

為實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)的規(guī)范化設(shè)計(jì)到仿真分析的過渡，在體系結(jié)構(gòu)語法規(guī)范性和數(shù)據(jù)完備性的指導(dǎo)下，從體系的作戰(zhàn)需求角度給出了一組能夠完全描述體系靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)行為所必需的作戰(zhàn)視圖產(chǎn)品集合，如表1所示。體系的特性分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)行為，在所列9個(gè)產(chǎn)品中，OV-1、OV-2、OV-3、OV-4、OV-5以及SV-1和SV-2等7個(gè)產(chǎn)品都是對體系靜態(tài)特性的描述；OV-6a和 OV-6b兩個(gè)產(chǎn)品是對體系動(dòng)態(tài)行為的描述。

表1 體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品集

1.2 基于ExtendSim 的體系結(jié)構(gòu)建模和評估

ExtendSim建模的方法是典型的面向?qū)ο蟮慕７椒?，可將基于SysML的體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品經(jīng)過適當(dāng)改造直接建立模型，因此，較適合對武器裝備體系這類復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

對體系結(jié)構(gòu)的評估主要分為兩個(gè)方面[8]：

1)體系結(jié)構(gòu)各個(gè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)之間在邏輯上不存在沖突和死鎖，體現(xiàn)在生成的仿真模型能夠正確無誤地運(yùn)行。

2)仿真運(yùn)行過程中每項(xiàng)作戰(zhàn)活動(dòng)的平均使用率。從裝備體系的實(shí)際作戰(zhàn)背景和所采用的仿真環(huán)境出發(fā)，作戰(zhàn)活動(dòng)的平均使用率直接反映了體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，如果某個(gè)作戰(zhàn)活動(dòng)一直處于忙碌狀態(tài)，則可能會(huì)導(dǎo)致堵塞，但若過于空閑，則又說明資源沒有得到有效利用[8]。

2 基于SysML的遠(yuǎn)程專家保障裝備體系結(jié)構(gòu)建模設(shè)計(jì)

在聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境下，對發(fā)生故障或損壞的戰(zhàn)場作戰(zhàn)裝備進(jìn)行及時(shí)的故障排除、診斷和維修，可有效提升戰(zhàn)場作戰(zhàn)能力?；诖俗鲬?zhàn)應(yīng)用，遠(yuǎn)程專家保障裝備體系已成為體系作戰(zhàn)中不可或缺的組成部分，主要用于快速解決裝備故障，確保裝備戰(zhàn)備完好性。遠(yuǎn)程專家保障裝備體系主要分為3部分：現(xiàn)場維修保障系統(tǒng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程保障中心，各系統(tǒng)之間通過衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)通信。作戰(zhàn)裝備配套表如表2所示。

表2 作戰(zhàn)裝備配套表

遠(yuǎn)程專家保障體系開展維修保障的運(yùn)行流程如下所示：

1)信息管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控武器裝備工作狀態(tài)；

2)信息管理系統(tǒng)監(jiān)測到武器裝備故障信號(hào)，命令搶修車前出；

3)搶修車前往故障現(xiàn)場途中組建遠(yuǎn)程保障服務(wù)網(wǎng)絡(luò)；

4)搶修車到達(dá)后，搶修人員攜帶實(shí)時(shí)信息采集交互設(shè)備進(jìn)入故障裝備現(xiàn)場，將現(xiàn)場的故障信息通過衛(wèi)星通信鏈路實(shí)現(xiàn)與搶修車、遠(yuǎn)程保障中心的交互；

5)遠(yuǎn)程保障中心提供故障維修方案，指導(dǎo)現(xiàn)場排除裝備故障；

6)完成排故維修操作后，搶修車將信息統(tǒng)計(jì)、存檔。

基于SysML的體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品建立遠(yuǎn)程專家保障裝備體系結(jié)構(gòu)，表1中相關(guān)作戰(zhàn)視圖、系統(tǒng)視圖產(chǎn)品集合的示意圖和內(nèi)容分別如圖1～8和表3所示。

表3 作戰(zhàn)信息交換矩陣(OV-5)產(chǎn)品

圖1 高級作戰(zhàn)概念圖(OV-1)產(chǎn)品示意圖Fig.1 Advanced operational concept view(OV-1)

3 基于ExtendSim的遠(yuǎn)程專家保障裝備體系結(jié)構(gòu)評估

依據(jù)規(guī)范化的體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品集合，根據(jù)作戰(zhàn)事件跟蹤描述(OV-6b)產(chǎn)品，結(jié)合作戰(zhàn)活動(dòng)模型(OV-2)和作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)連接描述(OV-4)基于ExtendSim建立起體系結(jié)構(gòu)的仿真模型，仿真模型如圖9所示。

圖9 仿真模型圖 Fig.9 Simulation model

對仿真模型的相關(guān)輸入作如下設(shè)定：

1)仿真單位時(shí)間為min；

2)仿真單次時(shí)間為24 h；

3)仿真次數(shù)為10次。

每項(xiàng)作戰(zhàn)活動(dòng)的執(zhí)行時(shí)間滿足的正態(tài)概率分布(高斯分布)如表4所示。

圖2 作戰(zhàn)活動(dòng)模型(OV-2)產(chǎn)品示意圖Fig.2 Operational activity model(OV-2)

圖3 組織關(guān)系圖(OV-3)產(chǎn)品示意圖Fig.3 Organization chart(OV-3)

圖4 作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)連接描述(OV-4)產(chǎn)品及節(jié)點(diǎn)塊定義示意圖Fig.4 Operational node connection description and node block definition diagram(OV-4)

圖5 作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述(OV-6a)產(chǎn)品示意圖Fig.5 Description of combat state transition(OV-6a)

圖6 作戰(zhàn)事件跟蹤描述(OV-6b)產(chǎn)品示意圖Fig.6 Operational event tracking description(OV-6b)

圖7 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖(SV-1)產(chǎn)品及塊定義示意圖Fig.7 System hierarchy diagram and block definition diagram(SV-1)

圖8 系統(tǒng)通信接口描述(SV-2)產(chǎn)品示意圖Fig.8 System communication interface description(SV-2)

表4 作戰(zhàn)活動(dòng)的運(yùn)行參數(shù)

對仿真模型進(jìn)行運(yùn)行表明，建立的仿真模型能夠正確無誤地運(yùn)行，且各產(chǎn)品之間能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)靜態(tài)的一致性。仿真運(yùn)行過程中每項(xiàng)作戰(zhàn)活動(dòng)的平均使用率以及一次作戰(zhàn)(作戰(zhàn)環(huán))統(tǒng)計(jì)時(shí)間結(jié)果如表5～6所示。

表5 一次作戰(zhàn)(作戰(zhàn)環(huán))統(tǒng)計(jì)時(shí)間

由表6還可以看出，信息傳輸?shù)钠骄褂寐蕿榫S修指令的2倍，但在初始設(shè)置中，維修指令的執(zhí)行時(shí)間為信息傳輸?shù)?倍。因此，每項(xiàng)活動(dòng)的平均使用率與作戰(zhàn)活動(dòng)的執(zhí)行時(shí)間相關(guān)，但并不完全由執(zhí)行時(shí)間決定。

表6 作戰(zhàn)活動(dòng)的平均使用率 %

由表6中可以看出，維修實(shí)施、信息采集、維修方案及故障分析占比較大，維修實(shí)施作為具體作業(yè)活動(dòng)，占比較大的原因?yàn)榛顒?dòng)時(shí)間長。信息采集、維修方案及故障分析均為遠(yuǎn)程保障中心系統(tǒng)工作范疇，具有大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理能力的遠(yuǎn)程保障中心系統(tǒng)作為體系關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將直接關(guān)系到作戰(zhàn)活動(dòng)能否順利開展。因此，有必要針對當(dāng)前遠(yuǎn)程保障中心系統(tǒng)能力進(jìn)行優(yōu)化提升，以促進(jìn)整個(gè)遠(yuǎn)程專業(yè)保障裝備體系能力的發(fā)展。

4 結(jié)論

本文以聯(lián)合作戰(zhàn)背景下的遠(yuǎn)程專家保障裝備體系想定，從體系作戰(zhàn)需求角度出發(fā)，結(jié)合體系組成和體系運(yùn)行流程，基于SysML詳細(xì)設(shè)計(jì)了能夠描述體系靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)行為的體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品集合。針對體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品基于ExtendSim建立了可執(zhí)行模型，并進(jìn)行了體系結(jié)構(gòu)仿真評估，依據(jù)評估結(jié)果提出相應(yīng)的體系能力提升建議。

本文方法可形成武器裝備體系的建模、仿真、評估和優(yōu)化方法，驗(yàn)證武器裝備體系執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的效果，為裝備作戰(zhàn)方案的制訂提供分析依據(jù)和決策參考。