基于UPDM的武器裝備體系建模

孫 巖，王光偉，何新華，范兆軍

(1.裝甲兵工程學院科研部，北京100072;2.裝甲兵工程學院信息工程系，北京100072;3.白城兵器試驗中心，吉林白城137001)

信息化條件下的聯合作戰已經從作戰力量的“平臺對抗”發展到“體系對抗”，導致作戰需求發生了根本的變化，對武器裝備體系能力的論證提出了新的要求［1］。這種變化導致武器裝備體系的規模越來越大，系統之間的連接越來越復雜，對互聯、互通、互操作的要求越來越高。在緊密耦合構成的武器裝備體系中，任何一個系統的缺失都會造成整個體系作戰效能的大幅下降，甚至失效。在武器裝備體系論證中，美軍率先提出了C5ISR(C4ISR+Combat)的新概念，把認知域、信息域與物理域在理論上統一起來，把信息系統與武器平臺論證融為一體，以殺傷鏈的優化為目的，支撐從作戰概念、武器裝備體系分析到武器平臺的論證［2］。武器裝備體系統一建模平臺(直譯為“國防建模統一平臺”，Unified Platform for Defense Modeling，UPDM)［3］，是目前世界上最先進的體系工程和武器平臺論證工具，支持作戰能力與武器裝備體系論證的最新標準，并為武器裝備體系模型驗證提供手段［4］。在體系工程領域，近2年來，美國及北約歐洲國家陸、海、空軍及工業部門，如雷神、洛克希德、格魯曼公司，均運用UPDM進行武器裝備體系及武器平臺的論證［5］。對美國國防部作戰概念論證、雷神公司導彈防御體系論證等應用案例的分析表明:該平臺已經成為西方軍隊武器裝備體系和武器平臺論證的核心工具。

1 UPDM系統分析

UPDM系統具備自動生成快速概念演示模型的能力，在武器裝備體系論證和需求分析階段，借助作戰概念演示模型和系統概念演示模型，論證人員和系統分析人員與用戶進行溝通，確認作戰需求與系統總體需求。UPDM可以應用于現有設計過程中的總體論證、總體需求分析、總體設計、分系統需求分析、系統綜合集成等階段。在上述幾個階段，最初的設計輸入是高層的作戰需求，通過該工具，按照體系結構標準描述高層作戰需求，重點描述高層作戰概念、作戰活動、作戰指揮關系、作戰節點連接和節點之間的信息交換等，得到作戰體系結構設計，為總體論證和需求分析提供依據。

UPDM的核心功能包括UPDM Architect、UPDM Designer和UPDM Developer 3個組件。UPDM Architect是一個體系分析、評價與論證工具，能夠用于作戰流程(包含指控和火控)的分析和建模，通過流程仿真，分析、評價現有體系或待建體系。UPDM Designer是系統實現的體系結構工具，采用系統建模語言 SysML(Systems Modeling Language)［6］進行建模，通過模型驗證手段來檢查系統之間的行為交互，確保系統接口的正確性和可集成性。UPDM Developer能夠以直觀可視化的方式捕獲需求及其覆蓋情況，分析變更的影響，并模擬、執行和進行動畫演示，生成完整的應用程序、關聯模型和代碼;還能夠幫助開發者構建可執行的實時框架，根據需求進行可測試性設計，并在設計過程中同步生成文檔。

2 建模方法

基于UPDM的武器裝備體系建模采用了基于模型的系統工程方法［7］，其關鍵目標是:1)確認與導出所需的系統功能;2)確認相關的系統模式和狀態;3)把已確認的系統功能和模式/狀態分配到系統體系結構中。

這些目標意味著采用自頂向下的高層抽象的建模方式，重點是在確認與分配所需的功能和基于狀態的行為，而不是其功能行為的細節［8］?；谀Ｐ偷南到y工程方法的基本思路是:首先，進行系統需求分析，生成系統用例模型;然后，基于系統用例進行系統功能分析、非功能性需求分析和架構設計;最后，對已分配的系統操作進行詳細架構設計，得到從場景出發的系統架構模型，指導軟硬件開發。

通過體系結構模型描述作戰需求、各個組成系統的結構、邏輯關系、行為、接口，同時通過可執行的體系結構模型進行邏輯和行為的論證。

在作戰體系結構的系統分析、設計及論證過程中，頂層設計人員根據作戰使命精化作戰概念、明確系統需求、優化頂層設計，從而在頂層設計階段就提前解決了大量互聯、互通、互操作問題，提高了后期綜合集成的效率。通過UPDM形成邏輯架構及可驗證的動態可執行模型，支持武器裝備體系的作戰性能和作戰效能評估。

基于UPDM的裝備體系論證過程從抽象到具體，自頂向下進行。首先從作戰概念出發，導出抽象層次的作戰體系結構概念模型，通過可執行模型的運行，在邏輯上對體系結構進行評價和評估;隨著作戰需求的逐漸清晰和細化，在行為層次和性能層次分別導出作戰系統體系結構模型，并且分別對可執行模型進行評價和評估。總之，作戰需求確定的每一個階段分別根據不同作戰概念對作戰體系結構模型進行設計并不斷擴充，然后通過可執行模型的運行和論證，推演對應的作戰想定，從而確保作戰體系結構模型滿足作戰需求。

在頂層設計過程中，輸入是高層作戰需求，借助UPDM進行體系結構設計，形成符合DoDAF 2.0、SysML1.0和MoDAF1.2等規范的作戰體系結構、系統體系結構和分系統設計產品，由于該支撐平臺提供統一的描述和管理手段，各階段的設計產品可平滑地用作下一階段的設計輸入［9-10］。UPDM的應用過程與其他系統開放工具的關系如圖1所示。在UPDM支持下，根據體系結構設計，自動生成可運行的先期概念演示模型。借助該概念演示模型，在系統論證的早期階段，設計人員可以與用戶討論大系統的作戰應用，確認系統需求。

圖1 UPDM的應用過程與開發工具的關系

UPDM支持體系結構方案可執行模型的自動化生成;支持體系結構的全局戰場背景下的驅動和論證，提供體系結構的動態驅動和持續激勵;支持通過概念模型的驅動進行需求確認，具備與Matlab、HLA等仿真環境互聯接口;能夠結合軟件設計工具、硬件研發平臺和測試平臺開展系統的設計和開發。

3 建模過程

基于UPDM的武器裝備體系建模重點圍繞基于使命能力分析結論，確定與任務相應的場景，以殺傷鏈為核心構建動態可驗證模型，分析體系與使命要求的差距等過程展開。

1)通過使命能力分析，確認能力與任務相對應的場景。使命能力分析過程包括使命能力分析確認、恰當的使命區域與使命、使命區域范圍/軍事問題等。通過分析使命能力到國防戰略、相關目標到能力差距、典型用例場景到使命區域，進而在相應場景下以殺傷鏈為核心建立體系的動態可驗證模型。

2)利用已有的總體概念計劃、作戰方案和軍事專家的設想形成基于時序的能力與任務描述。

3)確認主要的可用于成功執行場景的作戰節點與關鍵信息交換，插入未來裝備體系到作戰場景中。建立殺傷鏈過程的詳細模型，分析殺傷鏈中各參與節點的功能及節點間信息交換。

4)建立基于時序的能力與任務需求，通過武器裝備體系之間的交互實現作戰能力所需的指控過程與多個殺傷鏈場景，根據時序圖確立武器平臺對指控過程消息(事件)的響應。

5)應用體系結構動畫功能，可視化顯示動態場景，可以對模型的時序邏輯進行形式化的測試與驗證，動態顯示時序圖與狀態圖之間的信息流，并實現人在回路體系結構驗證。

6)利用UPDM的3D圖形集成能力，集成“物理”模型(如雷達探測范圍、衛星獲取導彈軌跡等)與體系結構模型，使它們相互作用，支持作戰演練、方案推演、裝備體系方案論證等。以典型導彈防御體系建模為例，對其進行使命能力分析，對發現、跟蹤、修正、鎖定目標、向目標開火等基本任務進行分析，形成體系能力與任務描述，如圖2所示。按照時序，對殺傷鏈中各節點之間的信息交互進行建模，形成基于時序的武器裝備體系能力與任務模型，如圖3所示。

4 結論

基于UPDM的武器裝備體系建模過程通過使命能力分析設置場景，形成基于時序的能力與任務描述，實現作戰能力所需的指控過程與多個殺傷鏈場景。最后，以可視化顯示動態場景，并對模型的時序邏輯進行形式化的測試與驗證。該建模方法將作戰能力與武器裝備體系論證整合為一體，具備武器裝備體系模型驗證能力，為武器裝備體系的作戰性能和作戰效能評估提供了支持。

［1］ 安衛平，彭希文，周曉宇.聯合作戰新論［M］.北京:國防大學出版社，2003:57-58.

［2］ Chiefs of Joint Staff.Joint Capabilities Integration and DevelopmentSystem ［EB/OL］.(2004-07-03)［2012-12-01］.http://en.wikipedia.org/wiki/Joint-Capabilities_Intergration_Development_System

［3］ Object Management Group.UPDM［EB/OL］.(2012-01-03)［2012-12-01］.http://www.omg.org/spec/UPDM/2.0/PDF/

［4］ Office of the ASN.Naval Capability Evolution Process Guidebook:Volume I［R］.USA:Office of the ASN(RDA)，2005.

［5］ Office of the ASN.Naval Capability Evolution Process Guidebook:VolumeⅡ［R］.USA:Office of the ASN(RDA)，2005.

［6］ SysML Partners.System Modeling Language(SysML)Specification Version 1.0［EB/OL］.(2005-11-14)［2012-12-01］.http://www.sysml.org/docs/specs/SysMLv1.0a-051114R1.pdf

［7］ Sousa-Poza A，Kovacic S，Keating C.System of Systems Engineering:An Emerging Multidiscipline［J］.Int J System of Systems Engineering，2008，1(1/2):1-17.

［8］ Hsu J，Axelband E，Rouse B，et al.How to Engineer the Emergent Behavior of a System of Systems［EB/OL］.［2012-12-01］.http://www.doc88.com/P-550559243513.html

［9］ DoD Architecture Framework Working Group.DoD Architecture Framework Version 2.0［R］.USA:Department of Defense，2009.

［10］ Ang H W，Nicholson D，Mercer B.Improving the Practice of DoD Architecting with the Architecture Specification Model［EB/OL］.［2012-12-01］.http://www.mitre.org/work/tech_papers/tech_papers_05/05_0423/05_0423.pdf