基于能力的裝備型號體系結構開發方法

張 猛，郭齊勝，王曉丹

(1.裝甲兵工程學院裝備指揮與管理系，北京100072;2.66379部隊，內蒙古 呼倫貝爾021200;3.95971部隊，湖北廣水432701)

武器裝備型號需求生成是一項復雜的系統工程，美軍采用了聯合能力集成與開發系統作為武器裝備需求決策的關鍵手段，形成了圍繞能力展開的需求分析、方案評估、集成與實施開發程序，為裝備型號發展提供了有力的支持。在我軍裝備型號需求生成過程中，需求生成支撐技術較為薄弱，急需提高相關理論水平、創新需求生成方法以及開發需求生成工具，快速向裝備型號需求生成工程化發展模式轉變。針對裝備型號需求生成的復雜性，本文提出基于能力的裝備型號體系結構開發思路和方法，提供體系結構開發的模型化方法支持，有助于解決不同領域需求之間的缺少追溯性以及復雜裝備需求迭代開發困難的問題。

1 裝備型號需求生成復雜性分析

1.1 基于能力的裝備型號需求生成

裝備型號需求生成需要考慮裝備型號在裝備體系中對使命任務的支撐作用，經過任務分析得到能力，由能力向裝備功能系統、子系統、部件轉化，遵循了“任務域－子任務－能力－系統功能模塊－子系統/部件－裝備型號”的需求生成規律［1-3］，如圖1所示。

圖1 基于能力的裝備型號需求生成

假設n個作戰任務分解得到m個作戰子任務，m個作戰子任務得出q個作戰能力。一般規律是n數值小于m數值，m數值大于q數值，q數值大于n數值。也就是說，作戰任務域中的基元任務數量較少，能夠進一步分解的子任務數量較多，不同子任務可能需要相同的作戰能力，因此作戰能力數量少于作戰子任務數量。

假設q個作戰能力得出w個系統功能模塊，w個系統功能模塊組成了p個子系統/部件。一般規律是q數值小于w數值，w數值大于p數值。也就是說，一個作戰能力的實現往往需要多個裝備功能，多個作戰能力需要更多的裝備功能，而多個裝備功能必定會集成起來體現在盡量少的子系統/部件中。

1.2 基于裝備型號系統單元的能力集成

不同作戰任務之間進行協同構成了不同的作戰樣式，完成某一作戰樣式下的某一作戰任務，需要組成裝備型號的多個子系統相關功能進行協作才能夠完成。裝備型號作戰能力通過完成作戰任務域的各個系統單元模塊集成實現，如圖2所示。

縱向上，各個裝備子系統為了完成同一個作戰任務需要功能和接口之間互相支持;橫向上，各裝備子系統在完成不同的任務中需要具備相應的功能。通過橫向和縱向上的綜合集成，實現了裝備型號應該具備的各種作戰能力。

圖2 基于裝備型號系統單元的能力集成

雖然裝備型號種類繁雜，但在需求層面具有一定的普遍相似性。例如信息化程度較高的裝備型號與以機械化為主的裝備型號，都具備功能、結構、節點、接口方面的系統需求，不同的是電子設備之間的功能實現依靠數據信息交換，機械設備之間的功能實現依靠物理信息交換。本文提出的基于能力的裝備型號體系結構開發方法，主要面向電子信息類裝備型號，對于其他類型裝備型號也具有一定的適用性。

2 裝備型號作戰體系結構開發

將作戰體系結構開發看作是一個黑盒。黑盒的輸入是作戰任務域，也就是基元任務;黑盒的輸出是作戰活動相關信息，包括作戰活動、作戰節點、信息交互需求［4-5］。裝備型號作戰體系結構開發流程如圖3所示。

1)作戰行動構想設計

依據輸入的作戰任務域，對基元任務進行作戰行動構想設計，重點描述裝備型號在作戰想定下的作戰需求。通過作戰行動基本構想提出、作戰階段分析、基本作戰流程分析三大環節，得到作戰行動有關信息。

構建作戰行動的實施背景，包括范圍(時間要求和模型范圍)、作戰目的、敵方威脅、我方資源、作戰環境、作戰限制條件等內容。通過調用作戰想定庫、作戰樣式庫，設計作戰行動構想的作戰階段，包括發生什么、誰做什么、在什么命令指導下、實現什么目標。針對作戰階段中的重要時節進行設計，為作戰基本流程分析提供基礎。利用流程圖分析法對各作戰階段遇到的軍事問題進一步分析，得到作戰行動相關信息，包括作戰行動、參與作戰行動的作戰人員。

2)作戰活動模型構建

圖3 裝備型號作戰體系結構開發流程

作戰活動模型重點描述的是作戰活動以及活動之間的輸入與輸出信息流。首先，建立作戰活動層次圖，按照父子關系將作戰活動分解為多個子活動，可以通過結構化的活動樹圖實現。接著，建立作戰活動流程圖，按照作戰活動的層次結構構建內部的和外部的作戰活動關系，可以使用輸入、控制、輸出和機制線完成作戰活動信息流。作戰活動模型是構建作戰能力分析模型的基礎，是將作戰能力域與作戰任務域建立關聯關系的關鍵。

3)組織類型/關系分析

依據作戰行動構想提出的具體作戰活動模型，對參與作戰活動過程的作戰人員進行分析。通過構建組織模型圖，建立組織單元及其角色的層次圖，包括作戰單元的組成以及作戰角色之間的指揮結構或關系，例如指揮、控制、服從、協作關系等，體現出命令或者決策信息的傳達。

4)作戰節點分析

當作戰活動中出現作戰人員時，按照作戰組織與角色的關系類型提出作戰節點，并將組織與角色映射到作戰節點。當作戰活動中沒有出現作戰人員時，說明作戰活動由裝備型號自行完成，按照裝備型號作戰功能類型提出作戰節點，并將作戰活動直接映射到作戰節點。

5)作戰活動/作戰節點/角色分析

通過環節1)－2)可以得到作戰行動/作戰活動的關聯關系。通過環節1)－3)可以得到作戰行動/組織角色的關聯關系。通過環節1)－4)可以得到作戰行動/作戰節點的關聯關系。將不同環節建立的關聯關系進行整合，使用關聯矩陣指定什么作戰活動發生在什么作戰節點，建立作戰活動/作戰節點/角色的三元關系。

6)作戰活動/作戰節點/信息交互需求

通過建立作戰活動/作戰節點/角色的三元關系，得到完成作戰活動的作戰節點間的信息交互需求，進而建立不同作戰節點之間的需求線。信息交互需求和需求線生成建立在前期環節分析的基礎上，包括作戰活動模型、組織與角色以及作戰節點相關信息的輸入和輸出。

7)作戰信息交換矩陣構建

通過構建作戰信息交換矩陣，對信息交互需求的信息要素及其相關屬性進行標志，包括誰與誰交換了什么信息、信息是否有效、交換途徑等。環節1)－6)分析得到的裝備型號作戰活動、作戰節點、信息交互需求都屬于靜態模型，從結構性方面強調作戰體系結構的組成結構。環節7)立足信息交互需求，判斷作戰節點之間的作戰活動是否正確有效，實現了作戰體系結構靜態模型的驗證。

8)作戰行為模型構建

針對裝備型號作戰體系結構，主要從3個方面進行作戰行為模型的構建，分別是作戰規則描述、作戰狀態轉換描述以及作戰事件時間跟蹤描述。

3 裝備型號系統體系結構開發

將系統體系結構開發看作是一個黑盒。黑盒的輸入是作戰能力域，也就是作戰能力;黑盒的輸出是系統功能相關信息，包括系統功能、系統節點、數據交互需求［4－5］。裝備型號系統體系結構開發流程如圖4所示。

1)系統功能構想設計

圖4 裝備型號系統體系結構開發流程

依據輸入的作戰能力域，對作戰能力進行系統功能構想設計，重點描述裝備型號在滿足作戰能力下的裝備需求。通過系統應用構想設計、系統功能/結構提出、系統功能流程分析三大環節，得到系統功能有關信息。

根據作戰能力構建裝備型號的應用背景，包括應用目的、使用范圍、戰場環境、應用限制條件等內容。通過調用裝備功能庫，提出滿足各種作戰能力需求的系統功能;通過調用裝備結構庫，提出能夠實現所有系統功能的系統結構。設計裝備型號應用構想的系統工作階段，包括發生什么功能、由哪些系統實體完成、在什么條件下、實現什么效果，為系統功能流程分析提供基礎。利用流程圖分析法對各工作階段進一步分析，系統功能相關信息包括系統功能、系統結構、系統實體等。

2)系統功能模型構建

系統功能模型重點描述的是系統功能、功能間的數據交換關系以及分解后的組成要素。采用樹狀圖表述系統功能及子功能的分層模型，采用數據流圖表述系統功能數據流。系統功能模型構建有3個主要目的:一是清楚地描述每個系統輸入、輸出的數據流;二是確保系統功能的完整性;三是確保系統功能分解到合適的粒度。

3)系統結構/實體分析

在系統功能構想設計的前提下，參考裝備結構庫提出系統總體構成方案，包括系統的構成方式以及系統實體概念。通過構建系統結構圖，建立系統結構的總體框架以及系統實體主要組成。系統結構的總體框架主要取決于系統功能構想設計中的系統應用構想設計，根據作戰能力可能采取的作戰方式，提出合適的系統結構構成模式，例如硬結合、軟結合、軟硬結合等。在得到系統結構的基礎上，提出裝備結構布局中的主要系統實體，例如情報偵察子系統、網絡指揮與網絡通信子系統、戰場指揮子系統等。

4)系統節點分析

通過將系統節點與作戰節點進行關聯，為系統節點分析提供參考依據。作戰節點描述的是組織、組織類型和人物角色;系統節點描述的是駐留在作戰節點上(例如平臺、單元、功能以及位置)或者存在于支持作戰節點的系統節點上的相關系統。系統節點間或系統間存在節點接口，可以使用連線表示接口間的連接路徑。系統節點分析可以從2個方面展開:一是系統節點間分析，描述系統節點及其之間的接口或者駐留在系統節點上的系統;二是系統節點內分析，描述單獨系統內的子系統及其之間的接口。

5)系統功能/系統節點/系統實體分析

通過環節1)－2)可以得到功能構想/系統功能的關聯關系。通過環節1)－3)可以得到系統結構/結構實體的關聯關系。通過環節3)－4)可以得到結構實體/系統節點的關聯關系。將不同環節建立的關聯關系進行整合，類似作戰體系結構開發中的作戰活動/作戰節點/角色分析，使用關聯矩陣建立系統功能、在哪里完成系統功能的系統節點以及完成系統功能的系統實體之間的三元關系。

6)系統功能/系統節點/數據交互需求

在已經指定系統功能、功能之間的數據流、系統節點(哪里完成的)以及系統實體(是誰完成了它們)的基礎上，能夠得到系統節點間的數據交互需求，進而建立不同系統節點之間的系統接口線。

7)系統數據交換矩陣構建

通過構建系統數據交換矩陣，將數據交互需求的數據要素及其相關屬性進行標志，包括交換了什么數據、數據是否有效、交換途徑等。環節1)－6)分析得到的裝備型號系統數據、系統節點、數據交互需求都屬于靜態模型，從結構性方面強調系統體系結構的組成結構。環節7)立足數據交互需求，判斷系統節點之間的系統功能是否正確有效，實現了系統體系結構靜態模型的驗證。

8)系統行為模型構建

針對裝備型號作戰體系結構，主要從3個方面進行系統行為模型的構建，分別是系統規則描述、系統狀態轉換描述以及系統事件時間跟蹤描述。

4 裝備型號體系結構關聯開發

為了滿足作戰能力的需求，將裝備型號作戰體系結構與系統體系結構進行關聯，建立作戰能力對裝備系統的映射關系［6-10］。裝備型號體系結構關聯開發流程如圖5所示。

圖5 裝備型號體系結構關聯開發流程

1)作戰任務－作戰能力關聯

按照裝備型號需求生成結構化流程，由作戰任務域向作戰能力域進行轉化，形成了“任務源－基元任務－頂層能力－子能力”的關聯關系，并對各項作戰能力在作戰任務域的相對價值進行打分，得到作戰能力的重要度排序。

2)作戰能力－作戰活動關聯

由于作戰能力域是根據作戰活動及其屬性進行能力分析而得出的，那么在不同的作戰想定和作戰模式下，會提出特定的作戰能力。作戰能力分析模型構建在一系列作戰活動的基礎上，形成了“作戰活動－作戰能力”的關聯關系。由作戰能力去冗余性得到了精簡的作戰能力集合，需要對原有的“作戰活動－作戰能力”關聯關系進行修正。將作戰能力域中的作戰能力重新指派給作戰任務域下的各項作戰活動，建立“作戰能力－作戰活動”的關聯關系。

3)作戰活動－系統功能關聯

裝備型號與作戰任務緊密相關，裝備資源是組成作戰任務分析模型的重要機制之一。通過將作戰活動與系統執行的系統功能建立關聯，將作戰需求轉換成有目的的系統執行活動，體現裝備型號對作戰活動的支持細節。

4)系統功能－系統實體關聯

在系統功能分析中的“系統功能/系統節點/系統實體分析”環節，已經建立了“系統功能－系統實體”的關聯關系。通過環節1)－4)，實現了“作戰任務－作戰能力－作戰活動－系統功能－系統實體”的映射關系，從而使作戰能力和支持作戰能力的系統實體關聯起來，可以使論證人員能迅速辨認作戰能力差距、“煙囪”系統、冗余/重復建設系統。作戰能力－作戰實體關聯矩陣主要存在以下幾種情況，如圖6所示。

(1)系統功能缺失

作戰能力1下的作戰活動B沒有相應的關聯項。表示裝備系統對作戰能力的支持存在縫隙，不能夠完全支持某一作戰能力下的所有作戰活動。說明系統功能構想設計存在缺項，應該有針對性地補充相應的系統功能。

(2)系統接口縫隙

圖6 作戰能力－作戰實體關聯矩陣

作戰能力1下的作戰活動A存在2個關聯項，分別是系統1的系統功能A和系統2的系統功能E。判斷不同系統實體下系統功能之間的關系:如果系統功能A的實現依賴于系統功能E，或者系統功能E的實現依賴于系統功能A，則系統功能A與系統功能E之間必然存在數據交互需求。說明作戰活動A需要系統1中系統功能A與系統2中系統功能E的協作，系統1與系統2之間必須具備相應的系統接口。

(3)系統功能冗余

作戰能力1下的作戰活動A存在3個關聯項，分別是系統1的系統功能A、C和系統2的系統功能F。判斷不同系統實體下系統功能之間的關系:如果系統功能A、C的實現不依賴于系統功能F，反之亦然，則系統功能A、C與系統功能F彼此獨立。說明作戰活動A既可以由系統1中系統功能A、C完成，也可以由系統2中系統功能F完成，系統1與系統2對作戰活動A的支持存在冗余現象。根據實際情況，需要衡量是否精簡系統實體下的系統功能或者保留冗余系統功能以提高系統的抗風險性。

5 結論

本文剖析了裝備型號需求生成的復雜性，給出了裝備型號作戰體系結構、系統體系結構以及體系結構關聯開發的方法和步驟，形成了一系列有序的、追溯性強的、可驗證的裝備型號需求開發流程。通過基于能力的裝備型號體系結構開發，促進了裝備型號作戰體系結構與系統體系結構的關聯映射，確保了裝備型號系統實體對作戰能力的有效支持，為裝備型號需求生成提供了重要的、關鍵的技術支持。但是，有些問題的研究還不夠深入和細致，距離裝備型號需求生成的全要素分析還存在很大差距，需要對相關流程的規范化和方法的模型化作出更進一步的研究。

［1］羅雪山，羅愛民，張耀鴻.軍事信息系統體系結構技術［M］.北京:國防工業出版社，2010:15－18.

［2］任連生.基于信息系統的體系作戰能力概論［M］.北京:軍事科學出版社，2009:1.

［3］牛新光.裝備建設的國防系統分析［M］.北京:國防工業出版社，2007:35 －42.

［4］Department of Defense.DoD Architecture Framework Version 1.5［EB/OL］.(2007－04－08)［2011－12－25］.http:∥www.defenselink.mil/cio－nii/docs

［5］Department of Defense.DoD Architecture Framework Version 2.0［EB/OL］.(2009－05 －08)［2011 －12 －29］.http:∥Cio－ nii.denfense.gov/sites/dodaf

［6］呂彬，于衍華，陸芳.裝備規范化論證叢書:總論［M］.北京:海潮出版社，2006:28－36.

［7］李傳方，許瑞明，麥群偉.作戰能力分析方法研究綜述［J］.軍事運籌與系統工程，2009，23(3):72 －75.

［8］李明，劉澎.武器裝備發展系統論證方法與應用［M］.北京:國防工業出版社，2000:104－117.

［9］姬鵬宏，趙澄謀，陸欣.美軍聯合作戰能力需求確定程序研究［J］.裝備指揮技術學院學報，2008，19(2):23 －26.

［10］張維明，陳鴻輝，余濱.軍事信息系統需求工程［M］.北京:國防工業出版社，2011:14－20.