復雜裝備體系RMS要求論證與評價技術研究*

范永欣，潘興，王可，張艷梅，郭嘯峰

(1.北京瑞風協同科技股份有限公司，北京 100098；2.北京航空航天大學 可靠性與系統工程學院，北京 100098；3.北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

隨著武器裝備信息化的程度越來越高，戰爭形態也從傳統的單一軍兵種獨立作戰或者幾個軍兵種共同作戰，轉變為打破軍兵種界限的陸海空天電一體化聯合作戰，這種作戰形式更重視武器裝備體系與體系之間的對抗。

要提高現有復雜裝備體系的作戰能力，使其適應未來多變的作戰任務環境，應針對裝備體系未來的作戰任務需求，結合當前裝備體系發展現狀，科學地開展裝備體系的建設規劃與總體論證。武器裝備體系論證中涉及2個重要的因素：作戰效能和作戰適用性。其中適用性主要包括：可靠性、維修性、可用性、安全性等[1]。盡管對于單一武器裝備的總體論證已經積累了大量的實踐經驗，形成了較為規范的論證過程和方法，但對于武器裝備體系的綜合論證則還在探索中，尤其是對于裝備體系的論證過程、論證方法和技術等方面，尚有欠缺[2]。

針對復雜裝備體系RMS(reliability,maintainability and supportability)要求的論證與評價問題，本文突破復雜裝備體系RMS要求分析技術、面向RMS要求的復雜裝備體系結構建模技術以及基于體系結構的復雜裝備體系RMS建模與仿真技術等關鍵技術，提出一整套基于體系工程的裝備體系RMS要求論證與評價技術，同時提出一款用于裝備體系RMS要求論證的軟件架構，來為裝備體系RMS要求論證提供相應技術、方法以及信息化工具。

1 總體方案

根據對復雜裝備體系RMS要求論證與評價技術的理解與分析，結合目前體系工程領域對裝備體系需求論證過程的認識，本文將從方法研究及應用研究2個方面開展復雜裝備體系RMS要求論證與評價技術研究。提出的總體研究框圖如圖1所示。

圖1 總體框架

(1) 方法研究

方法研究是本文的重點，將裝備體系RMS要求納入整個裝備體系的需求論證框架中進行，以體系工程為指導，開展能力分析、體系結構分析和仿真評價3個主要工作，研究將裝備體系的使命任務需求轉變為裝備體系RMS定性和定量要求的基礎理論和方法[3-4]。

(2) 應用研究

在方法研究和技術研究基礎上，本文以裝備體系為主要應用對象，開展應用研究介紹。首先在裝備體系RMS要求論證技術方面，以體系工程理論和方法為指導，建立復雜裝備體系RMS要求論證工作方法與程序；其次在復雜裝備體系RMS要求評價技術中，開展復雜裝備體系結構建模、復雜裝備體系任務建模、復雜體系的RMS要求建模工作；最后提出了一種用于復雜裝備體系RMS要求論證與評價工作的軟件平臺架構思路，并對其應用進行了展望[5-6]。

2 復雜裝備體系RMS要求論證與評價方法[7-8]

復雜裝備體系RMS要求論證與評價技術主要由3部分構成。首先通過基于質量功能展開(quality function deployment,QFD)的能力分析方法進行體系RMS能力分析；其次通過面向RMS要求的裝備體系結構建模進行體系結構分析；最后以能力分析與體系結構分析結果為輸入，進行基于體系結構的裝備體系RMS要求仿真與評價[4]。

2.1 基于QFD的能力分析方法[9-10]

復雜裝備體系RMS要求論證實質上是從使命任務到能力需求、功能需求、性能需求之間的映射。需求方案的生成需要進行能力目標轉換、體系結構分析、形成需求方案3個步驟，如圖2所示。

圖2 能力目標轉化過程

QFD是需求映射的有效方法，如圖3所示，在進行任務需求分析、能力需求分析、能力指標需求分析時，需要綜合考慮作戰任務、作戰能力、能力指標之間的相互關系，保證需求輸出的準確性。

典型的復雜裝備系統的任務過程需要通信系統、預警系統、指揮控制系統、攔截武器系統等實體工作單元同時參與。復雜裝備系統中任一成員系統或關鍵裝備故障都將導致整個系統的失效。能力分析的結果能夠為基于體系結構的裝備體系RMS要求仿真與評價提供依據。

圖3 基于QFD的需求映射

2.2 面向RMS的復雜裝備體系結構建模與分析方法

本節主要從復雜裝備體系結構建模與復雜裝備體系結構驗證2個方面介紹復雜裝備體系結構建模與分析方法。其中復雜裝備體系結構建模主要采用在DoDAF 2.0框架下實現基于ABM(activity-based methodology)的體系架構建模，而復雜裝備體系結構驗證主要基于IDEF3過程建模并結合RMS要求以實現初步的定量分析[11]。

2.2.1 基于ABM方法的裝備體系結構建模

本節采用ABM的方法來開展裝備體系的結構建模。ABM采用以數據為中心的開發方法代替了基于視圖產品的開發方法進行體系結構元素和產品的描述。

ABM歸納出作戰和系統視圖的4個核心實體，它們是體系結構的基礎，如圖4所示。同時，基于裝備體系結構核心實體，在實體中引入體系RMS要求，形成基于RMS要求的裝備體系結構，為復雜裝備體系RMS要求論證奠定基礎。

2.2.2 基于IDEF3的裝備體系結構驗證

2.2.1節中對基于DoDAF的復雜裝備體系結構建模可看作是對體系結構的靜態描述，而建立體系結構的動態可執行模型則是對體系結構的動態描述，可以實現對裝備體系結構中模型元素完備性和邏輯與邏輯關系正確性的檢驗，以及實現對初步體系RMS要求的分析與驗證，并作為復雜裝備體系的初步任務可靠性模型為后續體系RMS建模奠定基礎。

本節擬基于IDEF模型來對裝備體系結構進行驗證。IDEF主要包括IDEF0到IDEF14共有16套方法(包括IDEF1X在內)。為實現對裝備體系的結構驗證與分析、建立體系結構的可執行模型，需要用到IDEF0功能建模和IDEF3過程建模：IDEF0主要負責建立裝備體系的功能活動以及聯系的結構化圖形模型；而IDEF3主要負責在IDEF0建模的基礎上，采用圖形化的語言，通過一些基本元素的各種組合實現對過程描述。建立基于IDEF3的裝備體系結構仿真模型，在此基礎上加入裝備體系的RMS參數，可以實現對裝備體系RMS要求的初步定量分析。

2.3 基于體系結構的裝備體系RMS要求仿真與評價方法

本節分別從基于活動網絡的裝備體系RMS建模與基于離散事件的裝備體系RMS仿真2個方面給出了基于體系結構的裝備體系RMS要求仿真與評價方法[12]。

圖4 面向RMS的裝備體系結構核心實體示意圖

2.3.1 基于活動網絡的裝備體系RMS建模

基于活動網絡的裝備體系RMS建模主要分為3個方面：裝備體系使命任務分解、裝備體系RMS要求設計、裝備體系RMS建模。

(1) 裝備體系任務分解

為了對復雜裝備體系中成員系統或關鍵設施進行RMS要求定量分析，并細化裝備體系RMS要求，需要進一步細化結構驗證模型中任務活動的粒度，可以通過如圖5所示的“使命-任務-活動”的分解模型以得到合適的活動粒度，以便盡可能地融入更加底層的單項RMS參數。

圖5 復雜裝備體系任務分解模型示意圖

(2) 裝備體系RMS參數建立

經過“使命-任務-活動”的分解，便可以將前面復雜裝備體系的調研分析所得到的，以及經過裝備體系RMS要求分析得到的綜合RMS參數代入到裝備體系的任務活動模型中，即建立復雜裝備體系RMS模型。裝備體系RMS參數可分為3個層次：

1) 任務可靠性

反映復雜裝備體系完成使命任務的能力。

2) 結構可靠性

動態結構可靠性，用來衡量組成裝備體系的成員系統和關鍵設施在一定邏輯關系結構下，完成使命任務的能力。參數體系如圖6所示。

靜態結構可靠性，用來衡量組成裝備體系的成員系統和關鍵設施固有能力，如體系結構健壯性、脆弱性和彈性等。

3) 系統可靠性

即裝備體系最底層的單項RMS參數，主要指裝備體系中成員系統或關鍵設施的可靠性、維修性和保障性參數，還包括部分性能參數，它們是裝備體系形成作戰能力的基礎。

圖6 復雜裝備體系RMS參數體系

(3) 裝備體系RMS建模

將裝備體系使命分解到活動后，由于復雜裝備體系活動的復雜性，其會呈現網絡特性。本節擬采用基于活動網絡的裝備體系RMS建模方法開展成員體系RMS基本參數的定量分析。示意圖7如下。通過活動網絡所建立的裝備體系RMS模型，要求能體現體系的層次、體系要素(含保障系統)之間邏輯關系、體系要素狀態、體系要素功能及體系要素RMS參數等5個方面的可靠性需求。

基于活動網絡的裝備體系RMS建模主要包括2個主要部分：

基于活動的任務流程建模。在OV-5b作戰活動模型的基礎上，將作戰活動進行細化，分解為一個或多個子活動，并將這些子活動按照一定的邏輯關系排列起來，形成活動網絡，然后結合裝備體系的結構驗證模型，形成描述裝備體系任務的活動網絡模型。

加入成員系統或關鍵設施的RMS參數。在任務流程活動網絡模型的基礎上，結合執行活動所需參與的成員以及所需要的資源，將成員系統的基本RMS參數融入到作戰流程的各項活動，一項活動可能涉及一個參數或同時涉及多個參數。

2.3.2 基于離散事件的裝備體系RMS仿真

基于離散事件仿真來對裝備體系RMS要求進行定量評價。對于復雜裝備體系，它的任務流程中的各個子任務、活動、子活動均是在離散的時間點上發生的，屬于典型的離散事件，應結合復雜裝備體系及其任務特點抽象歸納定義離散事件仿真的基本要素：實體、實體的屬性和狀態、事件、活動和進程[13]。復雜裝備體系RMS仿真框架如圖8所示。

圖7 基于活動網絡的復雜裝備體系RMS模型示意圖

經過RMS仿真分析，實現對所有RMS參數的分解、細化與權衡，對仿真結果進行分析從而形成裝備體系參數指標，并形成裝備體系RMS要求的評價結果，最終完成裝備體系RMS要求論證與定量評價。

綜上所述，復雜裝備體系的RMS要求論證與評價技術主要以能力分析和體系結構分析的結果為基礎，采用基于體系結構的復雜裝備體系RMS要求仿真與評價方法實現對復雜裝備系統的RMS要求的論證與評價。

3 應用研究[14-15]

根據總體技術研究部分提出的應用展望，本節通過應用基礎、軟件平臺框架、規劃及展望3個方面介紹一個用于裝備體系RMS要求論證與評價的軟件系統架構思路，供讀者參考。

3.1 應用方向

本節在方法研究基礎上，以體系工程理論和方法為指導，借鑒裝備論證的相關技術，對復雜裝備體系RMS要求的概念與內涵進行研究，在構建裝備體系RMS參數體系基礎上，分別對裝備體系RMS定量要求、定性要求和工作項目要求進行論證，匯總形成復雜裝備體系RMS參數和指標體系，給裝備體系規劃與建設相關工作人員提供參考。

在復雜裝備體系RMS要求評價技術中，整合面向RMS的裝備體系結構建模與分析方法及基于體系結構的裝備體系仿真與評價方法，開展復雜裝備體系結構建模與仿真、復雜裝備體系任務建模仿真、復雜裝備體系RMS要求仿真，從而歸納總結形成一套用于復雜裝備體系RMS要求評價的技術，為復雜裝備體系RMS要求論證提供技術支持。

圖8 復雜裝備體系RMS仿真框架

3.2 應用軟件平臺框架

基于方法研究，本節從實際應用角度出發，提出一種用于支撐復雜裝備體系RMS論證與評價業務的專業軟件平臺的設計思路，平臺采用分層功能設計，業務邏輯清晰，功能全面，覆蓋能力分析，體系結構分析及仿真評價三大業務模塊，同時具備RMS能力分析，體系結構分析，RMS要求論證3類專業工具。能夠支撐從論證需求到建模仿真評價的多項子功能，并具備數據管理及知識庫管理等功能。

如圖9所示，按照功能將軟件平臺分為如下5個層次：

(1) 門戶層：面向使用者的綜合性的信息展示，和系統功能入口；

(2) 業務層：控制裝備體系RMS論證與評價業務內容和流程，調用各種工具；

(3) 專業工具層：支撐業務層的專業工具，全面支持任務分解、裝備能力分析、體系結構分析及復雜裝備體系RMS要求論證及評價；

(4) 基礎工具層：通用的數據管理工具、知識庫管理工具和基礎管理工具；

(5) 數據庫層：存儲管理各種業務數據和標準規范數據。

3.3 對該平臺應用的規劃及展望

當前狀態下該軟件處于架構設想階段，不同的裝備體系，其RMS要求也不同，如防空反導與深海潛艇的評估參數會有極大的不同。在實際開發和應用中應針對不同的裝備系統，進行不同的評估模板設計、功能組件設計，形成覆蓋多種裝備體系的軟件平臺，更有效地支撐復雜裝備體系RMS論證與評價工作。

圖9 軟件平臺組成

4 結束語

本文通過對復雜裝備體系能力分析、結構分析、仿真評價方法進行研究，提出用于復雜裝備體系RMS要求論證與評價的軟件平臺架構設想，構建復雜裝備體系RMS要求論證與評價技術的整體研究框架，為開展復雜裝備體系RMS要求論證工作提供了方法指導，對于裝備體系的建設規劃和方案論證也具有重要借鑒作用。