基于SysML需求圖的武器裝備功能需求描述方法

徐亞軍，王 鈺，侯勝高

（陸軍裝甲兵學院蚌埠校區，安徽 蚌埠 233050）

0 引言

在武器裝備論證中，需求描述貫穿于整個需求論證階段。但是，需求的描述方法作為武器裝備的使用者與需求論證部門的聯系紐帶，目前存在著一定問題。主要體現在軍事人員與分析技術人員在研究領域考慮問題的方式和角度、專業知識水平的差異，雙方對武器裝備系統都有著各自不同的描述和解釋，從而產生分歧和交流障礙。那么，如何使得武器裝備需求描述具有準確性和一致性，而且表達清晰、直觀、易讀和易于修改，是一個值得研究的問題。

系統建模語言SysML（System Model Language）是一種多用途的標準建模語言，能夠支持各種復雜系統的需求描述、詳細說明、分析、設計、驗證和確認，這些系統可包括硬件、軟件、信息、過程、人員和設備等。與UML（United Modeling Language）統一建模語言相比，SysML擴展了活動圖和裝配圖，另外增加了參數圖和需求圖。本文正是利用SysML需求圖來對武器裝備的功能需求進行描述，為武器裝備的需求描述提供一條更為直觀有效的途徑。

1 相關概念

1.1 武器裝備功能需求描述

武器裝備功能需求描述是指運用一種語義明確、科學規范、簡單實用的描述語言，遵照描述規范，將武器裝備功能需求表述成分析人員容易理解的形式，使作戰使用人員和技術開發分析人員對需求達成一致的理解。

1.2 SysML需求圖

需求圖是一種新的SysML圖形［1］，利用SysML需求圖可以描述產品需求中組件之間以及產品組件與其他建模元素（如產品功能）之間的關系。使用類《requirement》描述產品組件或者性能需求；使用導出關系《derive》表示一個需求可以從另一個需求產生或導出；使用滿足關系《satisfy》表示一個需求能被其他的模型元素實現；使用驗證關系《verify》表示一個需求能被測試例子驗證，從而形成完整的產品需求圖，完成對產品需求的描述。

1.3 需求描述語言結構

使用一致的結構化自然語言，對武器裝備功能需求進行文字性描述，是促進描述標準化的一種實用方法。例如，在對某新型坦克的火力功能進行描述時，采用特定的關鍵詞“實施”和句式結構“在［條件］下，對［對象］實施［動作］”進行描述；描述防護功能時，采用關鍵詞“降低”和動賓句式結構“降低［內容］”進行描述，應用該語言結構對功能需求進行文字性描述有很好的可讀性和可理解性。

2 描述方法及步驟

由于需求圖的建模元素較多，要讓所有的建模元素和實體都在同一個圖形中表示出來，將會造成混亂。因此，針對SysML需求圖中建模元素的種類，利用SysML需求圖進行功能需求描述時，可以通過建立其需求子圖來進行描述［2］，這些需求子圖有：總功能需求描述模型、功能需求關系接口模型、功能需求實現接口模型和需求驗證接口模型。具體的描述步驟如下。

步驟1：描述武器裝備總功能需求。

描述總功能需求就是概念模型向功能需求轉化的過程，包括最原始的需求，是對武器裝備功能需求的總體描述。建立總功能需求描述模型有助于軍方和系統分析設計人員理解產品的預期功能，確認系統所涉及的功能和性能。

步驟2：建立功能需求關系接口模型，描述需求指標與子功能需求的相互關系。

建立功能需求關系接口模型，主要描述子功能需求與需求指標之間的關系。每一層次功能都由相應的需求指標實現，所以需求指標都可由需求關系接口模型來描述。需求關系接口模型一直要向下描述到確定該系統的各項需求指標。每個圖上所表明的關系接口模型應予以編號，編號的方式要能保持功能的連續性，并能貫穿整個系統追溯到功能的開始點。建立這種模型，能夠明確系統功能分解過程中各層次之間的關系，從而形成功能需求鏈，使得軍方和系統分析設計人員能夠明確產品的根本功能及其關系，便于理解和檢驗。

步驟3：建立功能需求實現接口模型，描述功能需求的實現過程。

需求實現接口模型主要描述武器裝備功能需求的實現過程，也就是說，武器裝備的某些功能具體是由哪一部分或幾個部分共同實現的，子系統的改變對武器裝備功能需求的實現有多大的影響等等。功能需求實現接口模型是連接后續系統設計和功能需求的橋梁，為系統設計提供了一個可靠的參考，有效地減輕了后續設計工作的復雜度，同時也提供完整的追溯能力，它包括需求之間的衍生關系，實施元素對需求的滿足關系，校驗元素到需求的驗證關系，以及行為元素到實施部件元素之間的分配關系等等。

步驟4：建立需求驗證接口模型，完成一致性檢驗。

需求驗證接口模型，描述了需求可以通過哪些測試例子驗證，檢驗需求的一致性和正確性。由于各個需求模型之間存在聯系和重疊的信息，并且隨著需求描述的深化，可能會對需求進行修改、擴充和完善，這會造成模型之間的不一致。因此，應對開發的各個模型進行一致性檢驗，以保證各模型之間的協調一致及需求分析的正確性和可靠性。

3 示例分析

下面以某型坦克的功能需求描述為例，給出武器裝備功能需求描述的過程和步驟。

3.1 描述某型坦克的總功能需求

將所確立的某型坦克需求的概念模型，轉化為該坦克應具備的各項基本行為和功能，利用1.3中介紹的語言結構，建立某型坦克的總功能需求圖，如圖1所示。

圖1 某型坦克功能需求總圖

坦克一般具有五大子功能，分別為火力打擊功能、防護功能、機動功能、信息功能和自保障功能。在圖1中都用“文檔”作了具體的闡釋說明，同時給出了一個標識符“編號”（例如，“UR”來表示“用戶需求”），以便在其他的需求描述模型中可以很好地調用，而不失一致性。

3.2 建立某型坦克功能需求關系接口模型

某型坦克功能需求可以通過需求圖提供的導出關系，逐步導出需求指標。一個子功能要幾個需求指標實現，同時一個需求指標也可能參與實現幾個子功能需求，限于篇幅，下面只給出火力打擊子功能需求關系接口模型圖，如下頁圖2所示。其他子功能的需求關系接口模型可以參考火力打擊子功能進行建立，這里不再詳述。

圖2主要描述了要實現并提高該型坦克的火力打擊子功能，需要從哪些方面提高，逐步導出功能的子需求及需求指標，同時也給出了各個子需求所占權重。

3.3 建立某型坦克的功能需求實現接口模型

需求實現接口模型，主要描述坦克功能的實現過程，也就是說，坦克車輛的某些功能具體是由哪些性能設計參數實現的，而這些性能設計參數的改變對功能有多大的影響等等。如坦克武器系統包括火力系統和火控系統兩個部分，其中火力系統又由火炮、機槍和彈藥、自動裝彈機等組成，火控系統又由觀瞄分系統、火控計算機分系統和炮控分系統等組成。功能需求的實現，最終要由最底層的物理結構實現，所以盡量分解其物理結構，設計最基本的參數，如火炮的口徑、最大行駛距離，防護裝甲的厚度等。圖3是某型坦克行進間射擊功能和設計參數之間的需求實現簡圖，給出了一些主要的設計參數。

如圖3所示，要想使某型坦克的行進間射擊功能達到要求，就必須對影響它的主要因素，如火力、火控系統等設計參數進行權衡改變。

3.4 建立某型坦克的功能需求驗證接口模型

通過以上步驟建立的一組功能需求模型中，所建立的功能描述模型是否滿足需求，現有的技術力量是否能實現該功能，這就需要用功能需求驗證接口模型來驗證。同時由于模型多而復雜，其中會有重復出現的實體，這也需要用需求驗證接口模型來驗證需求描述的一致性。

圖2 某型坦克火力打擊子功能與需求指標關系圖

圖3 某型坦克行進間射擊子功能需求實現圖

圖4 某型坦克火力打擊子功能需求驗證圖

圖4對某型坦克的火力打擊功能建立了需求驗證接口模型，可以通過武器系統的作戰效能評估和對目標毀傷概率，以及想定該坦克可能的作戰環境，建立作戰效能評估和目標毀傷概率評估系統，來驗證其火力打擊功能是否符合用戶需求。

4 結論

使用SysML需求圖對武器裝備功能需求進行描述，可以使得軍方使用人員和武器裝備分析設計人員對問題的描述達到相同的理解，減少語義差異，使分析的正確性得到保障。同時，詳細闡述了使用SysML需求圖進行武器裝備功能需求描述的方法和步驟，并給出了某型坦克功能需求描述示例，為當前坦克武器需求論證工作中的需求描述提供理論和方法參考。