模型驅動的裝備作戰概念設計方法

田明虎 ， 樊延平， 郭齊勝

(1. 裝甲兵工程學院裝備指揮與管理系， 北京 100072； 2. 66173部隊， 山西 大同 037034)

模型驅動的裝備作戰概念設計方法

田明虎1,2， 樊延平1， 郭齊勝1

(1. 裝甲兵工程學院裝備指揮與管理系， 北京 100072； 2. 66173部隊， 山西 大同 037034)

針對目前裝備作戰概念設計方法無法滿足“概念驅動”式裝備發展論證中裝備作戰概念前瞻性、體系化與動態評估要求的問題，提出了模型驅動的裝備作戰概念設計方法，并以新型裝甲突擊系統的“偵察、機動、打擊一體聯動”作戰概念為例，驗證了該方法的可行性。該方法以裝備作戰概念的抽象性描述文本為輸入，采用模型驅動體系結構、體系結構驅動設計的方式，構建了4類19個基于SysML(Systems Modeling Language)的裝備作戰概念DoDAF(Department of Defense Architecture Framework)視圖產品模型，實現了裝備作戰概念從基于文檔到基于模型的表述。采用該方法構建的模型可進行可執行開發，為下一步裝備作戰概念的動態驗證提供支持。

裝備作戰概念；模型驅動；設計方法；DoDAF；SysML

裝備作戰概念研究作為武器裝備研發過程的起始階段，涵蓋了作戰、指揮、裝備、技術等許多領域,對裝備發展論證的牽引作用越來越突出。目前，由軍事人員提出的裝備作戰概念多采用文檔進行描述。與模型驅動的系統工程方法相比，基于文檔的系統工程方法存在明顯不足，主要表現在3個方面：1)文檔表述的裝備作戰概念抽象單一，難以滿足創新作戰設計的要求；2)文檔表述的裝備作戰概念難以實現裝備作戰運用的動態過程；3)文檔表述的裝備作戰概念缺乏數據、模型的支撐，難以滿足裝備作戰概念依托軟件工具進行驗證與仿真評估的需要。基于此，本文在裝備作戰概念抽象性描述文本的基礎上開展了裝備作戰概念設計研究，提出了模型驅動的裝備作戰概念設計方法。

1 裝備作戰概念基本問題

1.1 裝備作戰概念構成要素

裝備作戰概念是以武器裝備作戰使命為依據，圍繞武器裝備的發展趨勢和技術特征而提出的關于武器裝備的使命任務、作戰運用、能力需求與系統需求的創造性構想描述。裝備作戰概念的基本構成要素由構想出的未來武器裝備在作戰中的任務背景、運用方式、能力需求和系統需求4部分構成[1-2]。

1.2 裝備作戰概念層次劃分

裝備作戰概念是作戰概念的有機組成部分[3]，重點圍繞部隊作戰任務目標，開展裝備作戰運用方式的創新。按照研究的層次，可將裝備作戰概念劃分為3個層次。1)集成級裝備作戰概念。著眼于武器裝備體系對抗，以聯合作戰任務或合成作戰任務為牽引，研究完成作戰使命的武器裝備編成編組、指揮控制和信息交互方式，提出武器裝備體系的作戰運用方式和要求，形成集成級裝備作戰概念。2)行動級裝備作戰概念。著眼于武器裝備分隊的作戰任務要求，研究完成作戰任務的武器裝備編成編組、部署、指揮控制和信息交互方式，提出武器裝備分隊的作戰運用方式和要求，形成行動級裝備作戰概念。3)系統級裝備作戰概念。著眼于武器裝備系統的作戰功能要求，研究武器裝備技術創新、功能創新和結構創新對武器裝備作戰功能的影響，提出武器裝備系統自身的操作使用方式和要求，形成系統級裝備作戰概念。3級裝備作戰概念的關系如圖1所示。其中：集成級裝備作戰概念可包含若干個行動級裝備作戰概念；行動級裝備作戰概念也可包含若干個系統級裝備作戰概念。

圖1 3級裝備作戰概念的關系

1.3 裝備作戰概念研究階段劃分

裝備作戰概念研究主要分為構想階段、設計階段、驗證階段、鑒定階段和應用階段，如圖2所示。構想階段是指由軍事人員構想出裝備作戰概念的階段；設計階段是充實和完善裝備作戰概念內涵的階段，是本文的主要研究內容(圖2用實線標注)；驗證階段和鑒定階段是指裝備作戰概念的有效驗證階段和相關部門對其進行鑒定的階段；應用階段是指經過驗證和鑒定生效的裝備作戰概念用以牽引裝備論證工作的進行，進而牽引武器裝備創新發展的階段。

圖2 裝備作戰概念研究階段劃分

2 模型驅動的裝備作戰概念設計框架

模型驅動的裝備作戰概念設計框架是指為開展裝備作戰概念設計而確定的模型驅動的設計流程及相關理論、技術與方法的描述。構建框架的意義在于明確模型驅動的裝備作戰概念設計的輸入輸出、設計的內容以及設計所采用的具體方法，同時便于設計過程中不同領域的人員進行溝通與交流。本文構建的模型驅動的裝備作戰概念設計框架如圖3所示。

圖3 模型驅動的裝備作戰概念設計框架

模型驅動的裝備作戰概念設計活動是以裝備作戰概念的文檔描述為輸入，經過任務背景、運用方式、能力需求和系統需求的設計，輸出以任務模型、運用模型、能力模型和系統模型表述的裝備作戰概念。設計過程中，裝備作戰概念描述文檔采用以文字、軍事圖形為主要特征的軍事語言來描述；裝備作戰概念模型則采用基于SysML(Systems Modeling Language)的體系結構產品來表述。

3 模型驅動的裝備作戰概念設計流程

模型驅動的裝備作戰概念設計采用模型驅動體系結構，體系結構驅動設計的方式，構建了4類19個基于SysML的裝備作戰概念DoDAF(Department of Defense Architecture Framework)視圖產品模型，實現了裝備作戰概念從基于文檔到基于模型的表述，具體設計流程如圖4所示。

在模型驅動的裝備作戰概念設計中，裝備作戰概念DoDAF視圖產品模型由SysML中的模型來描述，其對應關系如表1所示[4-6]。

3.1 任務背景設計

應用DoDAF全視圖產品和作戰視圖產品進行設計，建立概要和摘要信息(AV-1)、綜合詞典(AV-2)和高層作戰概念圖(OV-1)。SysML中的類圖可實現對OV-1的描述[7-9]；但SysML 不支持對AV-1和AV-2的描述。

圖4 模型驅動的裝備作戰概念設計流程

3.2 運用方式設計

應用DoDAF作戰視圖產品進行設計[3-6]，建立作戰節點連接描述(OV-2)、作戰信息交換矩陣(OV-3)、組織關系圖(OV-4)、作戰活動模型(OV-5)、作戰狀態轉移描述(OV-6b)和作戰事件跟蹤描述(OV-6c)。其中：SysML中的塊定義圖可實現對OV-2、OV-4的描述，活動圖可實現對OV-5的描述，狀態機圖可實現對OV-6b的描述，順序圖和活動圖可實現對OV-6c的描述[10-11]；但SysML 不支持對OV-3的描述。

3.3 能力需求設計

應用DoDAF能力視圖產品進行設計，建立能力構想圖(CV-1)、能力分類圖(CV-2)、能力階段劃分圖(CV-3)和能力隸屬關系圖(CV-4)[3-6]。其中：SysML中的塊定義圖可實現對CV-2、CV-4的描述，內部塊圖可實現對CV-3的描述；但SysML 不支持對CV-1的描述。

表1 DoDAF視圖產品的SysML表述方式

3.4 系統需求設計

應用DoDAF系統視圖產品進行設計，建立系統接口描述圖(SV-1)、系統通信描述圖(SV-2)、系統-系統矩陣(SV-3)、系統功能描述(SV-4)、系統狀態轉換描述(SV-10b)和系統事件跟蹤描述(SV-10c)。其中：SysML中的內部塊圖可實現對SV-1、SV-2的描述，活動圖可實現對SV-4的描述，狀態機圖可實現對SV-10b的描述，順序圖和活動圖可實現對OV-10c的描述[7-11]；但SysML 不支持對SV-3的描述。

4 示例分析

采用模型驅動的裝備作戰概念設計方法，以新型裝甲突擊系統的“偵察、機動、打擊一體聯動”作戰概念為例，首先對軍事人員提出的描述文檔進行分析，然后依次分別對任務背景、運用方式、能力需求和系統需求進行設計，構建了4類19個基于SysML的裝備作戰概念DoDAF視圖產品模型，由于篇幅所限，本文僅展示構建的部分模型。

1) 新型裝甲突擊系統 “偵察、機動、打擊一體聯動”作戰概念的文檔描述(部分)。在未來復雜環境中作戰，敵方目標具有快速襲擊和迅速隱蔽的能力，對己方安全造成嚴重威脅；在網絡信息支持下，地面突擊力量能形成高效的“偵察感知、機動突擊、火力打擊”一體化聯合動作機制，以實時感知戰場態勢能力、快速機動突擊能力、精確火力打擊能力為支撐，力求在未來作戰條件下能做到先敵發現、先敵機動和先敵打擊。

2) 任務背景設計。分析軍事人員提出的裝備作戰概念文檔描述，確立作戰使命任務、參與者及作戰場景等，建立高層裝備作戰概念圖(OV-1)，如圖5所示。

圖5 “一體聯動”高層裝備作戰概念圖

3) 運用方式設計。運用方式設計主要完成2項工作。(1)建立作戰節點連接描述(OV-2)、作戰信息交換矩陣(OV-3)和組織關系圖(OV-4)。其中：OV-2主要描述完成作戰任務或活動的作戰節點，以及為完成任務或活動，作戰節點間進行的信息交互；OV-3主要描述為完成作戰節點承擔的作戰活動，作戰節點間進行的信息交互；OV-4主要描述為完成作戰使命或任務，在體系結構中的各級組織可能存在的指揮或協同關系。由表1可知：SysML的塊定義圖能提供對OV-2、OV-4描述的支持； OV-3可利用表格矩陣進行描述。圖6為偵察節點的塊定義圖，表2為作戰信息交換矩陣(OV-3)，圖7為組織關系圖(OV-4)。

圖6 情報偵察節點的塊定義圖

表2 作戰信息交換矩陣(OV-3)

圖7 組織關系圖(OV-3)

(2)建立作戰活動模型(OV-5)、作戰狀態轉移描述(OV-6b)和作戰事件跟蹤描述(OV-6c)。由表1可知：SysML的活動圖可對OV-5、OV-6c進行描述；狀態機圖可對OV-6b進行描述；順序圖可對OV-6c進行描述。圖8為作戰活動模型(OV-5)，圖9為作戰狀態轉移描述(OV-6b)，圖10為作戰事件跟蹤描述(OV-6c)。

4) 能力需求設計。新型裝甲突擊系統的作戰能力構想(CV-1)如圖11所示，作戰能力的隸屬關系(CV-4)如圖12所示。

圖8 作戰活動模型(OV-5)

5) 系統需求設計。由于DoDAF系統視圖產品較多，篇幅有限，本文僅展示了新型裝甲突擊系統的系統功能描述圖(SV-4)，如圖13所示，其他系統視圖產品不再贅述。

圖9 作戰狀態轉移描述(OV-6b)

圖10 作戰事件跟蹤描述(OV-6c)

圖11 作戰能力構想圖(CV-1)

圖12 作戰能力的隸屬關系圖(CV-4)

圖13 系統功能描述圖(SV-4)

5 結論

本文提出的裝備作戰概念設計方法為軍事人員、技術研發人員和裝備論證人員科學、合理地分析裝備作戰概念提供了重要的溝通和交流手段。下一步將對該方法構建的模型進行可執行開發研究，以支持裝備作戰概念的驗證工作。

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(責任編輯: 王生鳳)

Model-based Equipment Operational Concept Design Method

TIAN Ming-hu1,2, FAN Yan-ping1, GUO Qi-sheng1

(1. Department of Equipment Command and Administration, Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072, China； 2. Troop No. 66173 of PLA, Datong 037034, China)

Aiming at the problem that the design method of equipment operational concept can not realize the requirements of forward-looking, system design and dynamic assessment in “concept-based”equipment development demonstration, a model-based equipment operational concept design method is proposed, and an example of the new armored vehicle assault system “reconnaissance, maneuvering, striking” integration operational concept is taken to validate feasiblility of the method. This method begins with the abstract descriptive documents of equipment operational concept, in the way of model-based architecture and architecture-based design, establishes four kinds nineteen DoDAF views models based on the SysML, realizing the formulation of equipment operational concept from documents-based to model-based. The DoDAF views model produced by this method can carry out the executable development, which can provide support for the dynamic verification of the equipment operational concept.

equipment operational concept; model-based; design method; DoDAF; SysML

1672-1497(2015)04-0001-06

2015-05-12

軍隊科研計劃項目

田明虎(1985-)，男，碩士研究生。

E917

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.04.001