基于系統工程思想的直升機軍事需求論證框架研究

2021-03-26 03:14:48婁本超

直升機技術 2021年1期

婁本超

(中國直升機設計研究所，江西景德鎮 333001)

0 引言

隨著武器裝備作戰向著體系化、信息化、網絡化方向演進[1-2]，作為牽引裝備發展的軍事需求論證也越來越受到重視。近年來，武器裝備軍事需求論證經歷了由“自發產生的形成階段”到“基于威脅的發展階段”再到“基于能力的變革階段”[3-5]。軍用直升機作為陸軍“機動作戰、立體攻防”的重要裝備[6]，研發人員立足未來作戰樣式，開展基于能力的軍用直升機需求分析，對于研制符合使用要求、融入作戰體系的直升機裝備具有重要意義。

目前，國內許多學者開展了裝備軍事需求論證研究，也產生了大量的研究成果。郭齊勝等在裝備軍事需求論證方面開展了大量的研究，總結了需求論證的理論方法，并提出了工程化應用的思想[7-8]；屈也頻等[9]提出了航母艦載機裝備體系及指標論證方法；鄭保華[10]等針對體系作戰，提出了水面艦艇作戰需求論證方法。此外，還有很多學者在使命任務分析，能力需求分析，需求論證的方法、工具方面做了大量研究，在此不一一贅述。

通過以上文獻可以看出，盡管國內對于裝備需求論證方法研究較為成熟，卻尚無直升機軍事需求論證的相關研究。近年來，以系統工程為核心的正向設計思想已經逐漸成為復雜裝備研制的重要思想，國內也鮮見文章發表。

本文針對直升機軍事需求論證工作，運用系統工程思想，提出直升機軍事需求論證框架，得到直升機功能和性能分析流程，并建立元活動—能力指標—效能指標模型，提高論證效率和精確度。

1 直升機軍事需求論證流程框架

1.1 系統工程思想

近年來，隨著國內系統工程的發展，“總體設計-分解-集成”思想與“黑盒-白盒”思想正成為復雜系統研制的重要思想[11]。

“總體設計-分解-集成”思想是通過對一個復雜的系統逐級進行詳細分析、設計，然后再從零組部件、分系統到系統逐級集成、驗證，最后得到滿足使用要求的產品，如圖1所示。

圖1 “總體設計-分解-集成”思想

“黑盒-白盒”思想，是先將待研究的對象看作為一個黑盒，其輸入、輸出和功能表現是已知的，但是內部的實現是未知的或者不相關的，以確定其具體功能；之后開展內部實現分析，建立內部架構，將整體功能分配給組成系統以及研究內部。以此不斷開展，直至最后一層，具體如圖2所示。

1.2 直升機軍事需求論證框架

基于系統工程思想，結合工程問題“提出問題—分析問題—形成方案—評價方案—形成結論”的研究思路，提出一種直升機軍事需求論證框架，如圖3所示。

圖2 “黑盒-白盒”思想

由圖3可以看出，直升機軍事需求論證主要可分為三個階段：

1)使命-任務-構想分析：使命-任務-構想分析是需求論證的第一步，即由國內外安全環境、國家戰略、軍事戰略、武器裝備發展戰略等出發，分析未來面臨的安全環境、軍事威脅和作戰環境，得到裝備體系的作戰使命；對作戰使命進行分解，得到作戰任務；在作戰任務下設計若干作戰想定。

2)基于作戰構想的需求分析迭代：由第1階段生成若干作戰構想，基于“黑盒-白盒”思想，對每一個構想進行功能和性能迭代分析和驗證，得到該構想下的能力需求。

3)能力需求生成與評價：由每一個構想下的能力需求進行整合，得到若干構想下的能力需求集。可以預見的是，該能力需求集存在許多重復、沖突的能力，進行消解后，開展效能評估和體系貢獻率評估，對直升機能力需求進行評價，得到滿足任務需求的直升機能力需求方案。

以上框架中，使命-任務-構想分析，主要采用分解方法，國內學者對此做了大量研究，在此不再贅述[12-14]。基于作戰構想的需求分析迭代和能力需求生成與評價是需求分析的重點工作，將在下文介紹。

2 基于作戰構想的需求分析迭代

作戰構想是關于作戰問題的處理方法或實現作戰目標的措施與途徑的構思性描述，根據研究目標的層次，可以分為作戰頂層構想、作戰行動構想、作戰功能構想和作戰一體化構想[15]。在直升機軍事需求論證中，主要考慮直升機在作戰體系中的功能和性能要求。因此，在這個階段可以分兩個步驟進行，即功能需求分析與驗證、性能需求分析與驗證。

2.1 功能需求分析與驗證

基于“黑盒-白盒”思想，參考美軍DODAF2.0框架[16-19]，由初步作戰構想出發，提出體系作戰下的直升機功能需求分析與驗證框架，如圖4所示。

其主要步驟如下：

1)體系功能分析階段：將作戰體系看作黑盒，由初步作戰構想，分析體系作戰的應用流程、戰場分布態勢和戰場環境等信息，得到初步的體系作戰任務清單；開展作戰體系架構設計，包括架構組成、組織關系分析、架構接口等；將作戰任務分配給架構，得到每個組成單元的任務；開展作戰活動分析，得到初始作戰活動清單；最后進行體系架構—作戰活動驗證與迭代，得到符合要求的體系架構—作戰活動清單。

圖4 功能需求分析與驗證框架

2)裝備功能分析階段：將裝備架構看作黑盒，由作戰活動清單，開展裝備體系架構設計，包括架構組成、組織關系分析、架構接口等；將作戰活動分配給架構，得到每個組成單元的活動；開展裝備功能分析，得到初始裝備功能清單；最后進行裝備架構—裝備功能驗證與迭代，得到符合要求的裝備架構—裝備功能清單。

需要注意的是，在同一個構想下，每個裝備可能會重復同一個作戰活動，所以得到的裝備功能清單可能會存在重復內容，而后續的性能需求分析需要結合具體的作戰活動考慮，因此，這里并不對功能清單進行整合。

2.2 性能需求分析與驗證

性能需求分析與驗證，是根據得到的裝備功能需求進行指標設計與驗證，具體框架如圖5所示。

圖5 性能需求分析與驗證框架

其主要步驟如下：

1)性能需求分析階段：根據前面得到的直升機初步作戰構想下的功能清單，結合具體任務，設計直升機指標體系，進而設計戰技指標。

根據文獻[20]，指標可分為效益型、成本型、區間型、偏離型和偏離區間型等五類。

① 效益型指標：指標值越大越好的能力指標。

② 成本型指標：指標值越小越好的能力指標。

③ 區間型指標：指標值越接近某個固定區間(包括落入該區間)越好的能力指標。

④ 偏離型指標：指標值越偏離某個固定值越好的能力指標。

⑤ 偏離區間型指標：指標值越偏離某個區間越好的能力指標。

指標設計時，需要考慮實際作戰需求、指標相互約束、系統間相互關系以及技術發展等因素。在指標處理時，文獻[21]將指標分為專家評價類和計算仿真類，并給出了其滿意度處理方法，本文直接引用。

2)性能需求驗證階段：根據初步作戰構想，設計作戰試驗，代入作戰體系和直升機功能、性能初步需求，進行指標驗證，經過反復迭代，得到直升機性能需求。

由以上，對直升機功能、性能需求進行分析和驗證，可以得到某一作戰構想下的直升機能力需求以及完善的作戰構想。

3 能力需求生成與評價

對若干作戰構想下的能力需求進行聚合，可得到所有構想下的能力需求清單。然而，在多個作戰構想下，會有重復的活動，或者不同的活動帶來的能力指標沖突，這就需要在聚合時設計聚合模型，以便得到最終的直升機能力需求。

3.1 聚合模型設計

根據不同的指標類型，分別進行聚合模型設計。

1)效益型指標

設多個作戰活動對應的直升機能力指標均為同一個效益型指標，數值為I1,I2,…,Im(m為指標個數)。則其聚合結果為

I=Max{I1,I2,…,Im}

(1)

2)成本型指標

設多個作戰活動對應的直升機能力指標均為同一個成本型指標，數值為J1,J2,…,Jn(n為指標個數)。則其聚合結果為

J=Min{J1,J2,…,Jn}

(2)

3)區間型指標(包含區間型、偏離型和偏離區間型)

①區間交聚合模型

設多個作戰活動對應的直升機能力指標均為同一個區間型指標，數值為[K1l,K1h],[K2l,K2h],…[Kpl,Kph](p為指標個數)。則其聚合結果為

[Kl,Kh]=[Max{K1l,K2l,…,Kpl},

Min{K1h,K2h,…,Kph}]

(3)

②區間并聚合模型

設多個作戰活動對應的直升機能力指標均為同一個區間型指標，數值為[E1l,E1h],[E2l,E2h],…,[Epl,Eph](p為指標個數)。則其聚合結果為

[El,Eh]=[Min{E1l,E2l,…,Epl},

Max{E1h,E2h,…,Eph}]

(4)

③區間加聚合模型

設多個作戰活動對應的直升機能力指標均為同一個區間型指標，數值為[F1l,F1h],[F2l,F2h],…,[Fpl,Fph](p為指標個數)。則其聚合結果為

[Fl,Fh]=[{F1l+F2l+…Fpl},

{F1h+F2h+…Fph}]

(5)

3.2 能力需求生成與評價

通過對不同構想下的能力需求進行聚合，得到直升機能力需求清單；以完整的作戰構想為背景，開展效能評估和體系貢獻率評估，對直升機能力需求清單進行評價。具體框架如圖6所示。

圖6 能力需求生成與評價框架

4 元活動-能力指標-效能指標庫構建

4.1 構建目的與應用

直升機軍事需求論證的主要流程是由使命任務出發，構建若干作戰構想，在作戰構想的基礎上，將使命任務逐步分解為作戰活動，并由作戰活動映射得到裝備功能，進而進行性能指標設計和驗證，最終得到直升機軍事需求方案，并基于作戰構想進行評估指標設計，開展效能評估和體系貢獻率評估的過程。在此過程中，需要對每一個作戰活動進行映射得到直升機功能需求，并構建評估指標體系，工作重復性高，結果描述不統一。

由上述不難發現，需求論證的關鍵要素為作戰活動、能力需求和指標體系。為了有效地提高論證效率，提升論證準確性，提出元活動—能力指標—效能指標庫構建思路，為直升機軍事需求論證做支撐。

元活動是指是具有原子性事務處理性質的、能夠實現一定的作戰目標或者達到一定目的、相互獨立、互不包含的最小活動單元[22]。直升機軍事需求論證中的元活動—能力指標—效能指標庫生成與應用如圖7所示。

圖7 元活動—能力指標—效能指標庫生成與應用過程

4.2 元活動—能力指標—效能指標模型與構建

如圖7所示，元活動—能力指標—效能指標庫應根據直升機任務清單、部隊訓練大綱、知識、歷史經驗等建立，并由專家評審確定。一個元活動—能力—效能指標模型可以定義如下：

Meta_Activity=

其中，Name表示元活動名稱；Capacity表示元活動驅動的能力指標；Efficiency表示效能指標；Condition表示元活動的執行條件；Input表示元活動的前置元活動；Output表示元活動的牽引元活動；Reactivity是指相關元活動。具體如圖8所示。

圖8 元活動—能力指標—效能指標模型

元活動能力指標是指期望元活動達到的效果或完成任務程度的度量；效能指標是指用于效能和體系貢獻率評估的指標；執行條件是指影響元活動執行水平的條件，如自然條件、電磁條件等；前置元活動是指能夠觸發該元活動或者引起該元活動狀態改變的元活動；牽引元活動是指該元活動所觸發的或者能夠引起其狀態改變的元活動；相關元活動是指與該元活動能力指標相互影響的元活動，如發動機安裝紅外抑制器對功率有影響，影響飛行速度。表1所示為一組典型的元活動—能力指標—效能指標數據。

表1 元活動—能力指標—效能指標數據示例

5 應用實例

下面以某運輸直升機A為例，對軍事需求論證框架進行驗證。

首先，構建該運輸直升機元活動—能力指標—效能指標數據庫(具體內容略)；其次，依據該直升機的使命任務和作戰樣式，初步擬定作戰構想，如平原運輸任務、高原運輸任務等。以平原運輸任務為例，以運輸體系為黑盒，分析參與該任務的體系架構，有陸航部隊、機場部隊、被運輸部隊、衛星通信導航單元等，得到其體系架構如圖9所示。詳細分析其作戰活動，得出該體系的作戰活動清單，并將其分配給各參戰單元，如圖10所示。