史文卿, 王海峰, 陳海昕

(1. 清華大學(xué)航天航空學(xué)院, 北京 100089;2. 中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所, 四川 成都 610041)

0 引 言

近年來(lái),戰(zhàn)斗機(jī)的感知、規(guī)劃、決策、行動(dòng)及綜合管理能力越來(lái)越高,其體系定位正在由戰(zhàn)術(shù)活動(dòng)“端點(diǎn)”向作戰(zhàn)行動(dòng)“節(jié)點(diǎn)”演進(jìn)。而無(wú)人機(jī)承擔(dān)持久、枯燥、危險(xiǎn)任務(wù)的能力越來(lái)越強(qiáng),其戰(zhàn)場(chǎng)角色正在由“支援”向“主戰(zhàn)”演進(jìn)。在無(wú)人裝備主戰(zhàn)化、主戰(zhàn)裝備智能化、智能裝備協(xié)同化的大趨勢(shì)下,將戰(zhàn)斗機(jī)和無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)力量協(xié)同運(yùn)用[1],創(chuàng)新作戰(zhàn)樣式,實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、互促增效,已成為必然需求。

將多架戰(zhàn)斗機(jī)和無(wú)人機(jī)編配形成特定戰(zhàn)術(shù)編組,通過(guò)聯(lián)合規(guī)劃、信息共享、共同認(rèn)知、人機(jī)交互、任務(wù)綜合、資源統(tǒng)籌、行動(dòng)協(xié)調(diào)等來(lái)實(shí)施共同的作戰(zhàn)任務(wù),稱為戰(zhàn)斗機(jī)-無(wú)人機(jī)編組協(xié)同(fighter-drone teaming, FDT),是一種能力涌現(xiàn)性強(qiáng)、效能收益高的協(xié)同運(yùn)用形態(tài)[2]。FDT作為有人-無(wú)人編組協(xié)同(manned-unmanned teaming,MUM-T)[3]理念的重要體現(xiàn),已成為各國(guó)空中作戰(zhàn)能力建設(shè)的熱點(diǎn)[4],被列入一系列發(fā)展規(guī)劃[5-6]以加緊研發(fā)。

與傳統(tǒng)對(duì)象不同,編組協(xié)同面臨人員、信息、物理、智能的綜合一體化,航空裝備工程總體首先要解決此類跨裝備復(fù)雜系統(tǒng)[7]的需求捕獲與驗(yàn)證問(wèn)題[8]。戰(zhàn)斗機(jī)協(xié)同無(wú)人機(jī)實(shí)施高動(dòng)態(tài)、博弈性的空中作戰(zhàn),其工程研發(fā)要從聚焦單型單架飛機(jī)擴(kuò)展到橫跨多型多架飛機(jī),技術(shù)實(shí)現(xiàn)需協(xié)調(diào)有人裝備和無(wú)人裝備的特征性差異,系統(tǒng)運(yùn)行需滿足地空之間、飛機(jī)之間、人機(jī)之間的動(dòng)態(tài)、高效交互[9]。工程總體必須結(jié)合編組協(xié)同作戰(zhàn)運(yùn)用和技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行概念性分析,定義任務(wù)活動(dòng)、要素構(gòu)成、角色權(quán)責(zé)、功能邏輯、時(shí)空運(yùn)動(dòng)及度量指標(biāo),并在早期完成合理性驗(yàn)證,從而有效指導(dǎo)后續(xù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

目前,FDT系統(tǒng)需求捕獲與驗(yàn)證方法都沒(méi)有先例和經(jīng)驗(yàn)可循,亟需正向探索和實(shí)踐。新興的基于模型的系統(tǒng)工程(model-based systems engineering, MBSE)[10]為此提供了新的工作范式。然而,實(shí)踐中采用現(xiàn)有的一些通用MBSE方法來(lái)應(yīng)對(duì)編組協(xié)同系統(tǒng),建模環(huán)節(jié)多,耦合程度高,流程交織繁雜,多專業(yè)聯(lián)合工作難度大,需求捕獲與驗(yàn)證效率難以滿足工程總體的實(shí)際需要。為此,本文在一般的MBSE方法基礎(chǔ)上,提出了適用于FDT系統(tǒng)需求捕獲與驗(yàn)證的策略、流程和具體方法,并以典型“二帶二”對(duì)地FDT為例，進(jìn)行了應(yīng)用檢驗(yàn)。

1 FDT

1.1 系統(tǒng)特征

FDT作為一種內(nèi)聚式能力生成模式,致力于發(fā)揮系統(tǒng)涌現(xiàn)性來(lái)獲得戰(zhàn)斗機(jī)和無(wú)人機(jī)單獨(dú)運(yùn)作所不具備的作戰(zhàn)效能。例如，洛·馬公司的Lummus[11]研究了F-22戰(zhàn)斗機(jī)與無(wú)人機(jī)協(xié)同遂行對(duì)敵防空壓制任務(wù),認(rèn)為通過(guò)“后位戰(zhàn)斗機(jī)實(shí)施支援干擾并指揮前位無(wú)人機(jī)感知威脅和投射武器”的協(xié)同方式,相比獨(dú)立使用二者,可使發(fā)現(xiàn)和消除敵方防空威脅的用時(shí)大幅縮短。

基于此,各國(guó)新研或改進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)、無(wú)人機(jī)日益強(qiáng)調(diào)統(tǒng)籌實(shí)現(xiàn)協(xié)同能力,并加快技術(shù)驗(yàn)證。2015年,美國(guó)提出無(wú)人“忠誠(chéng)僚機(jī)”概念[12],使用AV-8B戰(zhàn)斗機(jī)與UTAP-22無(wú)人機(jī)開(kāi)展了空中編隊(duì)、戰(zhàn)術(shù)控制試飛[13]。2018年,法國(guó)、德國(guó)和西班牙在未來(lái)空戰(zhàn)系統(tǒng)[14]合作研發(fā)中提出“離機(jī)載具”式協(xié)同概念,隨后利用現(xiàn)有無(wú)人機(jī)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)規(guī)劃、編隊(duì)重構(gòu)等飛行驗(yàn)證。2019年,俄羅斯蘇-57戰(zhàn)斗機(jī)和“獵手-B”無(wú)人機(jī)實(shí)施了雙機(jī)編隊(duì)試飛[15]。澳大利亞在波音公司的支持下發(fā)展空中力量編組協(xié)同系統(tǒng)[16],在2021年實(shí)現(xiàn)了協(xié)同專用無(wú)人機(jī)MQ-28A的首飛。通過(guò)這些對(duì)象不同但目標(biāo)相近的研發(fā)探索和飛行驗(yàn)證,FDT系統(tǒng)的組成、運(yùn)用和技術(shù)實(shí)現(xiàn)正在加速成型。

FDT系統(tǒng)包含有人戰(zhàn)斗機(jī)、無(wú)人機(jī)系統(tǒng)兩類作戰(zhàn)力量,涉及人員、裝備和運(yùn)用方式,在作戰(zhàn)指揮下,由體系支撐,利用任務(wù)資源和保障條件,在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中與作戰(zhàn)對(duì)象遂行高動(dòng)態(tài)博弈對(duì)抗任務(wù),是人員-信息-物理-智能一體化的跨裝備復(fù)雜系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 FDT系統(tǒng)Fig.1 FDT system

編組協(xié)同系統(tǒng)存在多元多變的要素關(guān)系和多域系統(tǒng)行為,以適應(yīng)空中作戰(zhàn)的動(dòng)態(tài)性和博弈性。根據(jù)編配方式和角色權(quán)責(zé)設(shè)定,戰(zhàn)斗機(jī)與無(wú)人機(jī)之間可以是直屬操控、主從指揮或伙伴協(xié)商式的地位關(guān)系,可以實(shí)現(xiàn)行動(dòng)配合、功能協(xié)作或元素互用級(jí)的交互深度。協(xié)同行為由地面和空中的多個(gè)異構(gòu)物理實(shí)體參與,通過(guò)多種通聯(lián)方式交換信息,在差異化的人類智能和人工智能的認(rèn)知驅(qū)動(dòng)下,按照戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用規(guī)則和系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制展開(kāi)行動(dòng),存在多層的感知-判斷-決策-行動(dòng)(observe-orient-decide-act, OODA)循環(huán)。

編組協(xié)同系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)時(shí)空運(yùn)動(dòng)、功能邏輯和人員操作流程的協(xié)調(diào)互洽,以達(dá)成不同戰(zhàn)術(shù)目的下的飛行協(xié)同、任務(wù)協(xié)同和人機(jī)協(xié)同。例如，戰(zhàn)斗機(jī)-無(wú)人機(jī)對(duì)地編組協(xié)同,根據(jù)任務(wù)需要，在多機(jī)協(xié)同突防時(shí),以一架領(lǐng)機(jī)為中心來(lái)編成、保持及變換隊(duì)形,降低被發(fā)現(xiàn)的概率[17];在攻擊時(shí),可由無(wú)人機(jī)探測(cè)照射目標(biāo),由戰(zhàn)斗機(jī)隱蔽發(fā)射打擊武器,降低飛行員的暴露風(fēng)險(xiǎn);在無(wú)人機(jī)自主交戰(zhàn)時(shí),戰(zhàn)斗機(jī)上的飛行員要對(duì)無(wú)人機(jī)的行為進(jìn)行監(jiān)管和授權(quán),以防止誤擊誤傷。

1.2 系統(tǒng)需求捕獲與驗(yàn)證

對(duì)多元一體、關(guān)系多變而又必須協(xié)調(diào)互洽的FDT系統(tǒng)進(jìn)行需求捕獲與驗(yàn)證,是航空裝備工程總體面臨的新挑戰(zhàn)。

在“V”字形系統(tǒng)工程流程中,系統(tǒng)需求捕獲與驗(yàn)證是“左上角”階段的重要內(nèi)容[18](見(jiàn)圖2)。其向前承接作戰(zhàn)概念研究,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行概念性分析,定義系統(tǒng)要做什么、要達(dá)到的程度和所處的條件[19],并在工程早期進(jìn)行合理性驗(yàn)證。概念性分析完成后，將系統(tǒng)需求連同捕獲和驗(yàn)證依據(jù)向后續(xù)研發(fā)主體移交,從而牽引和指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟硬件開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn),以及進(jìn)行系統(tǒng)集成和系統(tǒng)驗(yàn)證。

圖2 系統(tǒng)需求捕獲與驗(yàn)證Fig.2 System requirements elicitation and verification

采用傳統(tǒng)的文本式、圖表式分析方式進(jìn)行需求捕獲與驗(yàn)證,難以應(yīng)對(duì)編組協(xié)同系統(tǒng)的復(fù)雜性。一方面,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行需求捕獲時(shí),要從協(xié)同系統(tǒng)內(nèi)部和界面的、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的等多個(gè)視角,對(duì)要素關(guān)系、系統(tǒng)行為進(jìn)行綜合分析和表達(dá)。另一方面,在對(duì)所捕獲的需求進(jìn)行驗(yàn)證時(shí),要對(duì)協(xié)同任務(wù)過(guò)程中物理和信息的、時(shí)空和邏輯的、人員和裝備的等多域需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)檢查。同時(shí),目前對(duì)編組協(xié)同系統(tǒng)需求處于能力概念研究和具體仿真實(shí)驗(yàn)兩端,缺乏適用于工程早期顆粒度需要的有效手段。如付昭旺等[20]面向空戰(zhàn)提出了協(xié)同模式及能力需求，而Frey和Schulte[21]基于仿真座艙,對(duì)直升機(jī)-無(wú)人機(jī)編組協(xié)同系統(tǒng)中的輔助智能系統(tǒng)的需求進(jìn)行了細(xì)節(jié)性實(shí)驗(yàn)研究。

因此,多視角綜合分析捕獲、多域關(guān)聯(lián)動(dòng)態(tài)驗(yàn)證，能夠在工程早期實(shí)施的編組協(xié)同系統(tǒng)需求捕獲和驗(yàn)證,必須轉(zhuǎn)向MBSE。

2 基于模型的系統(tǒng)需求捕獲與驗(yàn)證

2.1 一般方法

MBSE利用規(guī)范化、形式化、圖形化的建模語(yǔ)言開(kāi)展系統(tǒng)分析,為復(fù)雜系統(tǒng)需求捕獲與驗(yàn)證提供了新的工作范式。編組協(xié)同的時(shí)空運(yùn)動(dòng)、功能邏輯和操作流程可使用主流系統(tǒng)建模語(yǔ)言SysML[22]的結(jié)構(gòu)圖、行為圖等進(jìn)行多視角綜合分析和表達(dá)。構(gòu)建貫通一致的系統(tǒng)模型并聯(lián)合運(yùn)行,能夠?qū)崿F(xiàn)物理、信息、邏輯的多域關(guān)聯(lián),對(duì)協(xié)調(diào)性和互洽性進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢查。

然而在國(guó)內(nèi)的研發(fā)實(shí)踐中,使用IBM公司Hoffmann提出的Harmony SE方法[23]和達(dá)索系統(tǒng)公司的MagicGrid方法[24]進(jìn)行嘗試,發(fā)現(xiàn)這些通用方法不足以高效捕獲和驗(yàn)證編組協(xié)同系統(tǒng)需求。這其中的主要原因?yàn)?一是力圖構(gòu)建一種模型實(shí)現(xiàn)全部分析和驗(yàn)證,建模環(huán)節(jié)多,耦合程度高,特別是在多專業(yè)聯(lián)合工作時(shí)難以清晰分解和并行建模,調(diào)整少量需求就要投入大量的協(xié)調(diào)精力;二是缺乏應(yīng)對(duì)異構(gòu)多系統(tǒng)、人機(jī)混合對(duì)象的具體分析步驟、建模內(nèi)容、模型粒度和語(yǔ)義規(guī)范指導(dǎo);三是單獨(dú)運(yùn)用SysML建模來(lái)分析和運(yùn)行,并不能解決編組協(xié)同系統(tǒng)的時(shí)空運(yùn)動(dòng)與功能邏輯、操作流程的協(xié)調(diào)互洽問(wèn)題。

國(guó)外針對(duì)編組協(xié)同系統(tǒng)積極探索適用的模型化方法。Michelson和Domercant[25]采用MBSE方法進(jìn)行了編組協(xié)同功能分解,研究提出了系統(tǒng)自主性需求。2019年，美國(guó)空軍支持通用電氣公司,啟動(dòng)了編組協(xié)同使能架構(gòu)項(xiàng)目[26],研究用于協(xié)同系統(tǒng)的建模流程、方法和工具,正是應(yīng)對(duì)將MBSE應(yīng)用于協(xié)同系統(tǒng)研發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)。

基于此,有必要立足編組協(xié)同系統(tǒng)復(fù)雜性的特點(diǎn)和國(guó)內(nèi)工程研發(fā)實(shí)際,探索基于模型的系統(tǒng)需求捕獲與驗(yàn)證策略、流程及具體方法。

2.2 適用于編組協(xié)同系統(tǒng)的策略和流程

針對(duì)一般方法的不足,可根據(jù)編組協(xié)同系統(tǒng)特征,整體納入跨裝備協(xié)同要素,采取降低耦合、分層分解、建立約束規(guī)范、加入時(shí)空建模等方式,形成適用的需求捕獲與驗(yàn)證策略。

(1) 將分析建模和驗(yàn)證建模分開(kāi)。對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的分析過(guò)程變動(dòng)性強(qiáng),各專業(yè)研發(fā)人員頻繁研討迭代,需求分析模型要易于表述,便于快速修訂。而驗(yàn)證過(guò)程的嚴(yán)謹(jǐn)性強(qiáng),需求驗(yàn)證模型符合嚴(yán)格的編譯語(yǔ)法,實(shí)現(xiàn)模型在環(huán)運(yùn)行,通常只針對(duì)問(wèn)題做少量更改。

(2) 劃設(shè)可分拆的模型層次,支持多專業(yè)聯(lián)合構(gòu)建。編組協(xié)同涉及多要素、多領(lǐng)域,需要多專業(yè)研發(fā)人員共同參與、聯(lián)合構(gòu)建,工程級(jí)的建模要求有序的分段、分層、分步及并行構(gòu)建,以利于分工實(shí)施和總體綜合。

(3) 制定必要的原則、規(guī)程和語(yǔ)義規(guī)范來(lái)指導(dǎo)建模。根據(jù)編組協(xié)同特點(diǎn),要對(duì)人機(jī)關(guān)系、角色配置和作業(yè)流程等進(jìn)行規(guī)范,并約定有效表達(dá)協(xié)同行為的SysML用法及含義,降低建模的隨意性,便于模型的理解、復(fù)用和整合。

(4) 交錯(cuò)式分解系統(tǒng)活動(dòng),由操作和交互行為來(lái)映射系統(tǒng)需求。從任務(wù)場(chǎng)景出發(fā),按要素層次自頂向下,交錯(cuò)采用活動(dòng)圖和順序圖建模分析,分解出各要素自身要完成的操作、要素之間要進(jìn)行的交互,進(jìn)而分別將其映射為系統(tǒng)的操作性需求、交互性需求。

(5) 同步考量系統(tǒng)邏輯行為和時(shí)空關(guān)系。通過(guò)加入時(shí)空建模，在分析階段,對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的操作和交互行為,推演分析時(shí)空關(guān)系,形成度量指標(biāo);在驗(yàn)證階段,轉(zhuǎn)化構(gòu)建系統(tǒng)邏輯狀態(tài)模型和時(shí)空運(yùn)動(dòng)模型,通過(guò)模型在環(huán)聯(lián)合運(yùn)行完成驗(yàn)證。

根據(jù)上述策略,形成基于模型的編組協(xié)同系統(tǒng)需求捕獲與驗(yàn)證流程(見(jiàn)圖3)。

圖3 基于模型的FDT系統(tǒng)需求捕獲與驗(yàn)證流程Fig.3 Model-based FDT system requirements elicitation and verification process

(1) 任務(wù)場(chǎng)景構(gòu)建。承接作戰(zhàn)概念,建立編組協(xié)同任務(wù)類型、任務(wù)流程和片段場(chǎng)景,劃設(shè)內(nèi)外部要素結(jié)構(gòu),創(chuàng)建各片段場(chǎng)景的要素實(shí)例。

(2) 系統(tǒng)行為分析。對(duì)編組協(xié)同人機(jī)關(guān)系、角色配置和作業(yè)流程進(jìn)行約定,制定系統(tǒng)行為建模語(yǔ)義規(guī)范,分層分解系統(tǒng)活動(dòng)、操作和交互,建立系統(tǒng)行為模型,進(jìn)而推演時(shí)空關(guān)系,形成度量指標(biāo)。

(3) 需求映射定義?；谙到y(tǒng)的操作和交互行為及所關(guān)聯(lián)的度量指標(biāo),映射定義系統(tǒng)需求,采取流程活動(dòng)和功能聚類相結(jié)合的方式,形成系統(tǒng)需求清單,建立需求捕獲映射矩陣。

(4) 模型在環(huán)驗(yàn)證。轉(zhuǎn)化建立系統(tǒng)邏輯狀態(tài)模型和時(shí)空運(yùn)動(dòng)模型,通過(guò)模型在環(huán)聯(lián)合運(yùn)行完成需求驗(yàn)證,建立需求驗(yàn)證映射矩陣。

為檢驗(yàn)上述策略和流程并形成具體方法,以下對(duì)典型的“二帶二”(由兩架有人戰(zhàn)斗機(jī)和一套一站雙機(jī)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)所組成)對(duì)地作戰(zhàn)編組協(xié)同系統(tǒng)進(jìn)行需求捕獲與驗(yàn)證。

3 任務(wù)場(chǎng)景構(gòu)建

3.1 協(xié)同任務(wù)

首先，承接作戰(zhàn)概念確定任務(wù)類型,根據(jù)目標(biāo)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)例化分為多個(gè)任務(wù)流程。隨后對(duì)各任務(wù)流程沿時(shí)間軸進(jìn)行分解,按照協(xié)同內(nèi)容和特征,以高覆蓋性和低重復(fù)性為目標(biāo),歸并為一系列片段場(chǎng)景。進(jìn)而分析確定其內(nèi)外部參與要素、基本過(guò)程、前置條件、后置條件。

以“二帶二”對(duì)地協(xié)同為例,確定協(xié)同廣域封控等3類任務(wù),實(shí)例化為時(shí)敏偵搜打擊等6個(gè)典型任務(wù)流程,分解歸并形成“召喚會(huì)合”“指控交接”“協(xié)同定位”等一系列片段場(chǎng)景,采用SysML用例圖表達(dá)協(xié)同任務(wù)類型、任務(wù)流程和片段場(chǎng)景,以及實(shí)例化和分解關(guān)系,如圖4所示。

圖4 FDT系統(tǒng)的任務(wù)類型、任務(wù)流程和片段場(chǎng)景Fig.4 Mission type, task process, and scenario of FDT system

3.2 協(xié)同要素

首先,歸并所有片段場(chǎng)景的內(nèi)外部參與要素,進(jìn)行層次化組織,建立全局要素類別,采用SysML語(yǔ)言的塊定義圖建模。由于編組協(xié)同系統(tǒng)的復(fù)雜性,很難針對(duì)要素類別一次做到有效的涵蓋和劃分,通常要結(jié)合系統(tǒng)行為分析進(jìn)行多輪迭代。

對(duì)于“二帶二”編組協(xié)同系統(tǒng):外部要素涉及上級(jí)指揮、體系支援、保障條件、友鄰兵力、作戰(zhàn)對(duì)象等;在內(nèi)部要素中,作戰(zhàn)人員和機(jī)載武器只需分解到一級(jí),而作為研發(fā)對(duì)象的戰(zhàn)斗機(jī)裝備、無(wú)人機(jī)裝備、作戰(zhàn)管理域要進(jìn)行兩級(jí)劃分,以滿足系統(tǒng)行為分析和需求映射定義的粒度需要,如圖5所示。

圖5 FDT系統(tǒng)全局要素類別Fig.5 Global element classes of FDT system

其次,針對(duì)各片段場(chǎng)景剪裁全局要素類別,采用SysML的內(nèi)部塊圖建立相應(yīng)的要素實(shí)例及具體數(shù)量,將其作為系統(tǒng)操作和交互的行為實(shí)體,并通過(guò)端口和接口實(shí)現(xiàn)交聯(lián)。

例如,對(duì)“二帶二”對(duì)地編組協(xié)同的“召喚會(huì)合”片段場(chǎng)景,建立實(shí)例化的2架戰(zhàn)斗機(jī)、2名飛行員、2架無(wú)人機(jī)、2名操作員、1名行動(dòng)指揮員,以及1套地基指控系統(tǒng)、1套空基指控組件、1個(gè)通信組網(wǎng)域、1個(gè)行動(dòng)指揮域、1個(gè)協(xié)同管理域,并進(jìn)一步建立相應(yīng)的二級(jí)實(shí)例,相應(yīng)的端口和接口交聯(lián)隨系統(tǒng)行為分析逐步確立完善,如圖6所示。

圖6 “召喚會(huì)合”片段場(chǎng)景的要素實(shí)例Fig.6 Element instances in “on-call rendezvous” scenario

4 系統(tǒng)行為分析

4.1 協(xié)同原則和規(guī)程

建模分析編組協(xié)同系統(tǒng)的行為需要約定規(guī)范化的人機(jī)關(guān)系、角色配置和作業(yè)規(guī)程。

人機(jī)關(guān)系是FDT系統(tǒng)的重要組成方面,與系統(tǒng)智能化程度相互決定[27]。如前所述,在不同任務(wù)類型、流程、場(chǎng)景的不同環(huán)節(jié)中,人類指揮員、操作員、飛行員和人工智能輔助/智能自主系統(tǒng)之間,會(huì)呈現(xiàn)出多樣化的人機(jī)關(guān)系。面向需求捕獲,可將編組協(xié)同系統(tǒng)行為,按照“人在環(huán)內(nèi)、人在環(huán)上、人在環(huán)外”劃分為3類[28]，依Sheridan[29]提出的特征等級(jí)對(duì)人機(jī)關(guān)系進(jìn)一步具體地細(xì)化考慮和設(shè)計(jì),如表1所示。

表1 FDT系統(tǒng)中的人機(jī)關(guān)系

角色配置以系統(tǒng)在戰(zhàn)場(chǎng)中生存并完成任務(wù)為目標(biāo),設(shè)定編組層、單機(jī)層的感知、判斷、規(guī)劃、決策、執(zhí)行、監(jiān)督等角色及相應(yīng)的權(quán)責(zé),以便在建模分析時(shí)賦予各片段場(chǎng)景要素實(shí)例。例如，在“二帶二”對(duì)地協(xié)同的“指控交接”片段場(chǎng)景中,無(wú)人機(jī)操作員和戰(zhàn)斗機(jī)飛行員要先后承擔(dān)對(duì)無(wú)人機(jī)的監(jiān)督角色,并在必要時(shí)交接權(quán)責(zé)。

作業(yè)規(guī)程用來(lái)規(guī)范系統(tǒng)活動(dòng)、信息流、指令流、事件響應(yīng)、操作和交互順序等,是系統(tǒng)完成特定作業(yè)時(shí)規(guī)范化的邏輯過(guò)程。編組協(xié)同主要涉及計(jì)劃-準(zhǔn)備-執(zhí)行-評(píng)價(jià)式[30]的管控規(guī)程、OODA式[31]的對(duì)抗規(guī)程、搜索-識(shí)別-跟蹤-瞄準(zhǔn)-攻擊-評(píng)價(jià)式[32]的殺傷規(guī)程等,是分解系統(tǒng)活動(dòng)、操作和交互時(shí)的重要依據(jù)。

4.2 行為建模語(yǔ)義規(guī)范

基礎(chǔ)的SysML語(yǔ)言并不足以支撐和約束編組協(xié)同系統(tǒng)行為模型的構(gòu)建,需要對(duì)活動(dòng)圖、順序圖、狀態(tài)圖中SysML元素的用法、命名、含義、用詞、用色等進(jìn)行規(guī)范,并建立統(tǒng)一的術(shù)語(yǔ)詞典,從而在語(yǔ)義層面規(guī)范化地表述系統(tǒng)活動(dòng)、操作、交互和邏輯狀態(tài)。

例如，順序圖中采用SysML的“Message 標(biāo)線”來(lái)表達(dá)生命線所代表的要素實(shí)例自身要完成的操作,而采用“Event Message 標(biāo)線”來(lái)表達(dá)要素實(shí)例之間要進(jìn)行的交互,同時(shí)采用帶前綴式的命名并規(guī)范動(dòng)詞、名詞的使用,從而便于由模型的操作和交互行為來(lái)映射系統(tǒng)的需求,如表2所示。

表2 順序圖中的操作和交互語(yǔ)義規(guī)范

4.3 活動(dòng)、操作和交互分解

對(duì)系統(tǒng)在各片段場(chǎng)景中的活動(dòng)、操作和交互進(jìn)行分解是捕獲系統(tǒng)需求的關(guān)鍵步驟。編組協(xié)同系統(tǒng),要對(duì)應(yīng)要素結(jié)構(gòu)層次,按照協(xié)同原則、規(guī)程和建模語(yǔ)義規(guī)范,采取交錯(cuò)構(gòu)建活動(dòng)圖和順序圖的方式,完成兩級(jí)分解。

首先,以一級(jí)要素和外部要素為對(duì)象,用活動(dòng)圖將任務(wù)流程分解為多個(gè)一級(jí)活動(dòng),進(jìn)而用順序圖將各一級(jí)活動(dòng)分解為一級(jí)要素和外部要素的一系列操作和交互；然后,以二級(jí)要素為對(duì)象對(duì)順序圖進(jìn)行分段,用活動(dòng)圖表達(dá)為多個(gè)二級(jí)活動(dòng),進(jìn)而用順序圖將各二級(jí)活動(dòng)分解為二級(jí)要素的一系列操作和交互。例如，分解“二帶二”對(duì)地協(xié)同“空中編隊(duì)”片段場(chǎng)景,得到“編隊(duì)規(guī)劃、編成隊(duì)形、編隊(duì)航行、編隊(duì)解散”幾個(gè)一級(jí)活動(dòng)并建立相應(yīng)的一級(jí)順序圖;其中“編成隊(duì)形”順序圖劃分為“發(fā)起編隊(duì)、成隊(duì)機(jī)動(dòng)、機(jī)間防撞”幾個(gè)二級(jí)活動(dòng)，并建立相應(yīng)的二級(jí)順序圖；進(jìn)一步分解“發(fā)起編隊(duì)”得到“戰(zhàn)斗機(jī)飛行員、飛機(jī)系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)及無(wú)人機(jī)自主智能、機(jī)載系統(tǒng)的一系列操作和交互”,如圖7所示。

圖7 “空中編隊(duì)”片段場(chǎng)景的系統(tǒng)操作和交互分解Fig.7 System operations and decomposition of interactions for “formation flight” scenario

4.4 時(shí)空關(guān)系推演分析

基于編組協(xié)同系統(tǒng)邏輯行為和時(shí)空關(guān)系協(xié)調(diào)互洽的要求,需構(gòu)建時(shí)空關(guān)系模型,結(jié)合系統(tǒng)活動(dòng)、操作和交互的分解進(jìn)行推演分析,閉環(huán)系統(tǒng)的物理和邏輯運(yùn)行過(guò)程。

推演時(shí),建立戰(zhàn)斗機(jī)和無(wú)人機(jī)時(shí)空特征的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)計(jì)算模型,對(duì)航行和機(jī)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)通信、傳感器、武器的指向、包絡(luò)等進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)計(jì)算,就時(shí)間、位置、速度、可見(jiàn)性、覆蓋性等進(jìn)行分析,建立起時(shí)空關(guān)系與系統(tǒng)操作和交互之間的關(guān)聯(lián),形成相應(yīng)的度量指標(biāo)。

例如,對(duì)“二帶二”對(duì)地編組“協(xié)同定位”片段場(chǎng)景進(jìn)行推演分析,為實(shí)現(xiàn)在敵地面雷達(dá)形成對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)的火控跟蹤前完成協(xié)同定位,確保無(wú)人機(jī)后續(xù)的武器發(fā)射,可形成戰(zhàn)斗機(jī)和無(wú)人機(jī)編成隊(duì)形、隊(duì)形保持、信號(hào)接收、定位處理等操作相對(duì)應(yīng)的間距、高差、方位角、協(xié)同定位收斂時(shí)長(zhǎng)等度量指標(biāo),如表3和圖8所示。

表3 “協(xié)同定位”片段場(chǎng)景時(shí)空度量指標(biāo)(部分)

圖8 “協(xié)同定位”片段場(chǎng)景的時(shí)空關(guān)系推演分析Fig.8 Deductive analysis of spatial and temporal relationship for “cooperative target locating” segment scenario

5 需求映射定義

需求映射定義從系統(tǒng)行為模型得到條目化的初始系統(tǒng)需求,進(jìn)而采取將流程活動(dòng)與要素類別相結(jié)合的方式，完成需求歸并和定義。

首先，基于系統(tǒng)行為模型,按一級(jí)、二級(jí)“葉子”要素類別,將每個(gè)操作行為映射為一個(gè)操作性需求,將每個(gè)交互行為映射為兩個(gè)(發(fā)起和接受各一個(gè))交互性需求,并關(guān)聯(lián)度量指標(biāo),得到條目化的初始需求。

進(jìn)而以協(xié)同任務(wù)的流程活動(dòng)為縱坐標(biāo),以要素類別為橫坐標(biāo),對(duì)所有初始需求按照對(duì)象、內(nèi)容進(jìn)行梳理歸并,形成需求聚類和條目分解,從而定義形成系統(tǒng)需求,如圖9所示。同時(shí)，建立“需求條目-片段場(chǎng)景-系統(tǒng)行為-度量指標(biāo)”的追溯關(guān)系,形成系統(tǒng)需求捕獲映射矩陣。

圖9 由行為模型映射系統(tǒng)需求Fig.9 Mapping from behavior model to system requirements

通過(guò)對(duì)“二帶二”對(duì)地編組協(xié)同的分析,按起飛、會(huì)合、指控交接、空中編隊(duì)、協(xié)同定位、制導(dǎo)打擊等片段場(chǎng)景及相應(yīng)的一級(jí)、二級(jí)活動(dòng),得到戰(zhàn)斗機(jī)飛行員、無(wú)人機(jī)操作員等一類要素及無(wú)人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)、自主智能等二類要素的分類需求清單。例如,其中對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)明確了一系列編隊(duì)、防撞類的交互和操作需求,如表4所示。

表4 無(wú)人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)需求清單(部分)

續(xù)表4

6 模型在環(huán)驗(yàn)證

6.1 邏輯狀態(tài)模型

基于系統(tǒng)的操作和交互行為,生成相應(yīng)的端口和接口,用可運(yùn)行狀態(tài)圖的方式轉(zhuǎn)化建立系統(tǒng)邏輯狀態(tài)模型。系統(tǒng)行為的正確性和協(xié)調(diào)性問(wèn)題可通過(guò)模型運(yùn)行被識(shí)別。由于已經(jīng)在需求映射時(shí)按要素類別進(jìn)行了歸并,在驗(yàn)證建模時(shí)并不需要對(duì)不同場(chǎng)景下的邏輯狀態(tài)模型進(jìn)行合并,有效降低了驗(yàn)證建模和維護(hù)的復(fù)雜度。例如，“二帶二”對(duì)地編組協(xié)同“指控權(quán)交接”場(chǎng)景中權(quán)限管理域的可運(yùn)行邏輯狀態(tài)模型如圖10所示。

圖10 “指控交接”場(chǎng)景權(quán)限管理域的邏輯狀態(tài)模型Fig.10 Logic state model of the authority management domain in “control-authority transfer” scenario

6.2 時(shí)空運(yùn)動(dòng)模型

將時(shí)空關(guān)系推演分析時(shí)的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)計(jì)算模型轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)仿真模型,建立系統(tǒng)時(shí)空運(yùn)動(dòng)模型,并實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)邏輯狀態(tài)模型的雙向信息交換和運(yùn)行驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)需求的合理性問(wèn)題、系統(tǒng)邏輯行為和時(shí)空關(guān)系的互恰性問(wèn)題、度量指標(biāo)的有效性問(wèn)題等可通過(guò)模型聯(lián)合運(yùn)行被識(shí)別,如圖11所示。

圖11 邏輯狀態(tài)模型與時(shí)空運(yùn)動(dòng)模型聯(lián)合運(yùn)行Fig.11 Joint operation of logic state model and spatial-temporal motion model

6.3 聯(lián)合運(yùn)行驗(yàn)證

根據(jù)各片段場(chǎng)景的一級(jí)活動(dòng)、二級(jí)活動(dòng)構(gòu)建測(cè)試?yán)?聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)邏輯狀態(tài)模型和時(shí)空運(yùn)動(dòng)模型,對(duì)照系統(tǒng)需求清單逐條驗(yàn)證系統(tǒng)需求,形成“需求條目-測(cè)試?yán)?邏輯狀態(tài)-時(shí)空運(yùn)動(dòng)”的系統(tǒng)需求驗(yàn)證跟蹤矩陣,如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)需求驗(yàn)證跟蹤矩陣(部分)Fig.12 System requirements verification tracking matrix (in part)

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)需求的合理性、完備性、一致性進(jìn)行檢查,對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題可通過(guò)需求捕獲映射矩陣進(jìn)行追溯,對(duì)需求定義、度量指標(biāo)或系統(tǒng)行為等做出修訂。特別是對(duì)態(tài)勢(shì)變化、通信中斷、突發(fā)故障等“雨天”過(guò)程,模型在環(huán)驗(yàn)證需要對(duì)編組協(xié)同系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)需求進(jìn)行有效驗(yàn)證。

7 應(yīng)用效果

應(yīng)用上述策略、流程和方法開(kāi)展基于模型的“二帶二”對(duì)地FDT系統(tǒng)需求捕獲與驗(yàn)證,多個(gè)專業(yè)聯(lián)合工作3個(gè)月,高效完成了6個(gè)任務(wù)流程共11個(gè)任務(wù)場(chǎng)景的系統(tǒng)行為分析、需求映射定義和模型在環(huán)驗(yàn)證。對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)、飛行員等4類一級(jí)要素和無(wú)人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)等17類二級(jí)要素,共定義形成246條操作性需求、558條交互性需求,并為其中83條需求關(guān)聯(lián)了時(shí)空度量指標(biāo)。

捕獲與驗(yàn)證結(jié)果經(jīng)過(guò)匯總,向后續(xù)研發(fā)主體進(jìn)行了移交,包括:按要素結(jié)構(gòu)組織的系統(tǒng)需求清單、需求捕獲映射矩陣、需求驗(yàn)證跟蹤矩陣;按任務(wù)場(chǎng)景組織的系統(tǒng)行為模型、時(shí)空關(guān)系推演模型、邏輯狀態(tài)模型、時(shí)空運(yùn)動(dòng)模型。這些模型化的系統(tǒng)需求及相應(yīng)的捕獲與驗(yàn)證依據(jù),能夠?yàn)楹罄m(xù)的編組協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供清晰、有效的開(kāi)發(fā)目標(biāo)和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

8 結(jié) 論

本文面向FDT系統(tǒng)需求捕獲與驗(yàn)證,提出了基于模型的策略、流程及具體方法,并以“二帶二”對(duì)地編組協(xié)同為例驗(yàn)證了方法的有效性。研究表明:

(1) 采取“整體納入跨裝備協(xié)同要素,將分析建模和驗(yàn)證建模分開(kāi),劃設(shè)可分拆的模型層次,制定必要的協(xié)同原則、規(guī)程和建模語(yǔ)義規(guī)范,同步考量邏輯行為與時(shí)空的關(guān)系”的策略,能夠有效應(yīng)對(duì)編組協(xié)同系統(tǒng)多元一體、關(guān)系多變而又必須協(xié)調(diào)互洽的復(fù)雜性特征,適于工程總體開(kāi)展系統(tǒng)需求捕獲與驗(yàn)證;

(2) 按照“任務(wù)場(chǎng)景構(gòu)建、系統(tǒng)行為分析、需求映射定義、模型在環(huán)驗(yàn)證”的流程,建模難度和工作量符合國(guó)內(nèi)研發(fā)實(shí)際,可多專業(yè)并行開(kāi)展,能夠在幾個(gè)月的時(shí)間內(nèi)高效完成編組協(xié)同系統(tǒng)數(shù)十類要素、近千條需求的捕獲和驗(yàn)證;

(3) 通過(guò)構(gòu)建協(xié)同任務(wù)類別、任務(wù)流程和片段場(chǎng)景,劃設(shè)內(nèi)外部要素結(jié)構(gòu),規(guī)范人機(jī)關(guān)系、角色配置和作業(yè)規(guī)程,基于適用的建模語(yǔ)義規(guī)范分層分解系統(tǒng)活動(dòng)、操作和交互行為,推演時(shí)空度量指標(biāo),映射定義系統(tǒng)需求,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)編組協(xié)同系統(tǒng)需求的正向捕獲;

(4) 通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)邏輯狀態(tài)模型和時(shí)空運(yùn)動(dòng)模型,對(duì)應(yīng)各片段場(chǎng)景完成模型在環(huán)聯(lián)合運(yùn)行,能夠?qū)幗M協(xié)同系統(tǒng)需求的合理性、邏輯行為與時(shí)空關(guān)系的互恰性、度量指標(biāo)的有效性實(shí)現(xiàn)早期驗(yàn)證,從而為后續(xù)研發(fā)確立清晰、有效的開(kāi)發(fā)目標(biāo)和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。