裝備體系任務(wù)可靠性建模方法

王宏宇， 吳 緯， 魏艷艷

(1. 裝甲兵工程學(xué)院技術(shù)保障工程系, 北京 100072； 2. 北京特種車輛研究所, 北京 100072； 3. 陸軍航空兵學(xué)院航空機(jī)械工程系, 北京 101123)

裝備體系任務(wù)可靠性建模方法

王宏宇1,3， 吳 緯2， 魏艷艷3

(1. 裝甲兵工程學(xué)院技術(shù)保障工程系, 北京 100072； 2. 北京特種車輛研究所, 北京 100072； 3. 陸軍航空兵學(xué)院航空機(jī)械工程系, 北京 101123)

從作戰(zhàn)任務(wù)、體系結(jié)構(gòu)關(guān)系和系統(tǒng)構(gòu)成這3個因素入手，通過分析裝備體系內(nèi)信息描述需求，歸納出可靠性視角下的國防部體系架構(gòu)框架(Department of Defense Architecture Framework,DoDAF)視圖產(chǎn)品，并總結(jié)出裝備體系任務(wù)可靠性模型開發(fā)流程，在此基礎(chǔ)上建立了相應(yīng)的靜態(tài)模型和動態(tài)模型，最后通過具體實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。

裝備體系； 任務(wù)可靠性；DoDAF； 形式化描述

裝備體系可靠性分為基本可靠性和任務(wù)可靠性[1]。由于裝備體系的規(guī)模大，構(gòu)成裝備體系的系統(tǒng)和平臺數(shù)目多，裝備體系的基本可靠性通常處于比較低的水平，因此基本可靠性很難直接反映出裝備體系的作戰(zhàn)能力。目前，越來越多學(xué)者認(rèn)識到裝備體系的任務(wù)可靠性是影響裝備體系作戰(zhàn)能力的直接因素[2-3]，其已成為當(dāng)前裝備體系研究的新熱點(diǎn)。

對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝備體系，如何建立起相對完備的任務(wù)可靠性模型是分析問題的關(guān)鍵。目前，對裝備體系建模的相關(guān)研究較多，如：潘星等[4]從作戰(zhàn)任務(wù)角度出發(fā)，以4元組(目標(biāo)、裝備、活動、關(guān)系)為基礎(chǔ)，建立了裝備體系的任務(wù)描述模型；譚躍進(jìn)等[5]以作戰(zhàn)環(huán)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，建立了裝備體系結(jié)構(gòu)的作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型，并分析了體系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對裝備體系作戰(zhàn)能力的影響；熊健等[6]探討了裝備體系結(jié)構(gòu)的總體框架，并歸納了建立體系可執(zhí)行模型的方法和步驟。

目前，對裝備體系任務(wù)可靠性模型的研究鮮見報道，為此，筆者以美國國防部體系架構(gòu)框架(Department of Denfense Architecture Framework,DoDAF)為基礎(chǔ)，通過分析裝備體系內(nèi)信息描述需求，歸納出可靠性視角下的DoDAF相關(guān)視圖產(chǎn)品[7]，給出裝備體系任務(wù)可靠性模型的開發(fā)流程，并通過具體實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

1 影響裝備體系任務(wù)可靠性的重要因素描述

Dijkman認(rèn)為設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)有3種存在形式：真實(shí)世界中的系統(tǒng)、概念世界中的視圖和符號世界中的模型[8]。人們往往從不同角度去認(rèn)識真實(shí)世界中的系統(tǒng)，雖然真實(shí)世界中的系統(tǒng)只有一個，但在不同的視角下可以產(chǎn)生不同符號世界中的模型?？梢姡后w系結(jié)構(gòu)描述可以包含一個或多個視圖，每個視圖又包含多個視圖產(chǎn)品，視圖產(chǎn)品可以由一個或多個模型表示，所有的視圖產(chǎn)品構(gòu)成了體系結(jié)構(gòu)模型。

因此，如果要建立裝備體系任務(wù)可靠性模型，就需要在可靠性視角下對其進(jìn)行描述，歸納出相關(guān)的概念模型。作戰(zhàn)任務(wù)、體系結(jié)構(gòu)關(guān)系和系統(tǒng)構(gòu)成[9]是影響裝備體系任務(wù)可靠性的3個重要因素，也是建立裝備體系任務(wù)可靠性模型的3個重要關(guān)注點(diǎn)，因此，準(zhǔn)確對裝備體系內(nèi)的這3個因素進(jìn)行描述，是建立裝備體系任務(wù)可靠性模型的前提。

1)作戰(zhàn)任務(wù)描述

(1)任務(wù)目標(biāo)。任務(wù)是裝備體系存在的目的和基礎(chǔ)，為了從總體上把握裝備體系的使命任務(wù)，了解裝備體系的作戰(zhàn)目標(biāo)，需要構(gòu)建作戰(zhàn)任務(wù)場景，增強(qiáng)建模人員對作戰(zhàn)任務(wù)場景的理解。可以利用DoDAF視圖產(chǎn)品中的高層作戰(zhàn)概念圖(OV-1)來構(gòu)建作戰(zhàn)任務(wù)場景，明確作戰(zhàn)任務(wù)總目標(biāo)。

(2)任務(wù)層次。為了進(jìn)一步描述裝備體系的任務(wù)構(gòu)成，需要將任務(wù)進(jìn)一步分解，梳理出任務(wù)之間的聚合關(guān)系，從而在可靠性評估中，通過自底向上的分析聚合出裝備體系的任務(wù)可靠性?？梢岳肈oDAF視圖產(chǎn)品中的作戰(zhàn)活動分解樹(OV-5a)來描述作戰(zhàn)任務(wù)之間的層次關(guān)系。

(3)任務(wù)邏輯關(guān)系。任務(wù)在執(zhí)行過程中存在復(fù)雜的邏輯關(guān)系，如“與”、“或”關(guān)系等，任務(wù)之間的邏輯關(guān)系直接影響上層任務(wù)的可靠性水平。因此，需要在任務(wù)層次描述中引入邏輯關(guān)系，對任務(wù)進(jìn)行進(jìn)一步描述?？梢岳肈oDAF視圖產(chǎn)品中的作戰(zhàn)活動模型(OV-5b)來描述作戰(zhàn)任務(wù)中任務(wù)活動以及任務(wù)邏輯關(guān)系的需求。

(4)任務(wù)時長。裝備體系內(nèi)的各類武器裝備在執(zhí)行不同類型的任務(wù)時，各個任務(wù)執(zhí)行的時間長短不盡相同，執(zhí)行任務(wù)的持續(xù)時間是任務(wù)可靠性建模的重要因素。可以利用DoDAF視圖產(chǎn)品中的任務(wù)事件跟蹤/描述圖(OV-6c)來描述裝備執(zhí)行任務(wù)的時長信息，適用于作戰(zhàn)事件分析以及行為分析。

2)體系結(jié)構(gòu)關(guān)系描述

體系結(jié)構(gòu)是指裝備體系內(nèi)各裝備間的通信、指揮控制、后勤和火力支援等關(guān)系。在信息化作戰(zhàn)條件下，大多數(shù)武器裝備以網(wǎng)絡(luò)為中心共享信息。裝備體系任務(wù)可靠性不僅僅依賴單一武器裝備性能，還更多地依賴體系內(nèi)的結(jié)構(gòu)關(guān)系對體系內(nèi)部的影響。裝備體系任務(wù)可靠性需要對體系內(nèi)部的這種結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行描述，在DoDAF視圖產(chǎn)品中，可以通過作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系描述(OV-2)、系統(tǒng)接口描述(SV-1)和系統(tǒng)通信描述(SV-2)3個產(chǎn)品對體系結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行描述。

3)系統(tǒng)構(gòu)成描述

在裝備體系內(nèi)，任務(wù)的執(zhí)行需要武器裝備的參與，若參與的武器裝備資源不同，則任務(wù)的可靠性水平不同，因此裝備的系統(tǒng)構(gòu)成是重要的描述對象。系統(tǒng)構(gòu)成描述過程中需要考慮裝備數(shù)量規(guī)模、組合關(guān)系以及裝備的可靠性指標(biāo)等因素。DoDAF視圖產(chǎn)品中的作戰(zhàn)活動到系統(tǒng)功能追蹤矩陣(SV-5)將裝備體系作戰(zhàn)活動映射到系統(tǒng)功能，系統(tǒng)功能描述(SV-4)用于描述系統(tǒng)功能之間的層次關(guān)系，確保系統(tǒng)功能分解到合適的層次，從而與相應(yīng)的裝備相對應(yīng)。

裝備體系任務(wù)可靠性DoDAF視圖產(chǎn)品描述模型如表1所示。

表1 裝備體系任務(wù)可靠性DoDAF視圖產(chǎn)品描述模型

2 裝備體系任務(wù)可靠性模型開發(fā)

體系工程師利用DoDAF視圖產(chǎn)品，通過適當(dāng)?shù)男问交枋鼍涂梢越⑵淙蝿?wù)可靠性模型。裝備體系任務(wù)可靠性的建模過程也就是在可靠性視角下對其DoDAF視圖產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)的過程，因此建立適當(dāng)?shù)腄oDAF模型是裝備體系任務(wù)可靠性建模的關(guān)鍵。筆者主要以DoDAF視圖產(chǎn)品開發(fā)步驟[10](圖1)為基礎(chǔ)，歸納出作戰(zhàn)任務(wù)、體系結(jié)構(gòu)關(guān)系和系統(tǒng)構(gòu)成相關(guān)視圖產(chǎn)品的開發(fā)流程。

圖1 DoDAF視圖產(chǎn)品的開發(fā)步驟

作戰(zhàn)任務(wù)是指體系內(nèi)諸多武器平臺在既定的任務(wù)目標(biāo)下所完成的相關(guān)活動。從作戰(zhàn)任務(wù)的角度出發(fā)，任務(wù)的目標(biāo)、層次關(guān)系及持續(xù)時間都是影響裝備體系任務(wù)可靠性的因素，可以按OV-1→OV-5a→OV-5b→OV-6c的順序開發(fā)相關(guān)視圖產(chǎn)品。

體系結(jié)構(gòu)關(guān)系反映的是作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)間的通信系統(tǒng)鏈路或網(wǎng)絡(luò)的信息連接情況，可以通過體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品OV-2、SV-1和SV-2對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)以及通信接口細(xì)節(jié)進(jìn)行描述。相應(yīng)的開發(fā)步驟可以按OV-1→OV-5→OV-2→SV-1→SV-2的順序開發(fā)相關(guān)模型?？梢钥闯觯汗?jié)點(diǎn)連接關(guān)系與作戰(zhàn)任務(wù)相關(guān)，是為完成某一任務(wù)而進(jìn)行的通信傳輸和信息交換。

系統(tǒng)構(gòu)成包括裝備體系內(nèi)裝備類型、規(guī)模及裝備組合關(guān)系，其開發(fā)過程可以利用裝備功能與裝備之間的一一對應(yīng)關(guān)系，利用SV-5完成從作戰(zhàn)任務(wù)到系統(tǒng)功能的轉(zhuǎn)換，并通過SV-4對系統(tǒng)功能的層次關(guān)系進(jìn)行描述，可以按OV-1→OV-5→SV-5→SV-4的順序開發(fā)相關(guān)模型。

裝備體系任務(wù)可靠性模型開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 裝備體系任務(wù)可靠性模型開發(fā)流程

3 裝備體系任務(wù)可靠性模型形式化描述

以上建立的DoDAF視圖產(chǎn)品只是一些概念模型，不足以形式化地表現(xiàn)裝備體系內(nèi)各要素之間的關(guān)系，還需將這些DoDAF視圖產(chǎn)品進(jìn)行適當(dāng)?shù)男问交枋觥Ｑb備體系視圖產(chǎn)品形式化描述可分為靜態(tài)描述和動態(tài)描述2種，據(jù)此可建立相應(yīng)的靜態(tài)模型和動態(tài)模型。

3.1 靜態(tài)描述

統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language，UML)[11]是靜態(tài)描述的主要工具，是一種直觀化、明確化和文檔化的通用可視化建模語言，其統(tǒng)一了面向?qū)ο蠼５幕靖拍?、術(shù)語及其圖形符號，提供了一些可以相互組合的圖形元素，建立了易于理解、便于交流的共同語言，使得建立一個可視化、規(guī)范化、結(jié)構(gòu)化和文檔化的面向?qū)ο笙到y(tǒng)成為可能。

UML是DoDAF先期版本中的推薦表示方法，它采用各種方法和圖形對所描述的對象進(jìn)行描述，從而使采用UML模型表現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品變得更加方便。目前，可以用來表示的視圖有用例圖、類圖、行為圖、狀態(tài)圖及活動圖等?；贒oDAF的裝備體系任務(wù)可靠性視圖產(chǎn)品UML形式化描述工具如表2所示。

表2 裝備體系任務(wù)可靠性UML形式化描述工具

3.2 動態(tài)描述

盡管裝備體系靜態(tài)模型可以從整體上較好地對體系構(gòu)成及系統(tǒng)間交互關(guān)系進(jìn)行描述，但這些靜態(tài)模型對體系各部件的動態(tài)過程及邏輯關(guān)系描述能力有限，同時對裝備體系任務(wù)可靠性的評估能力較弱。為了刻畫體系內(nèi)各要素以及資源利用之間的關(guān)系，更好地對裝備體系任務(wù)可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)與評估，還需要建立裝備體系的動態(tài)模型，即可執(zhí)行模型(Executable Model)[12]。

裝備體系可執(zhí)行模型可以通過仿真的方法完成對任務(wù)可靠性的評估。針對可執(zhí)行模型動態(tài)性的特點(diǎn)，目前常用的方法有基于離散事件動態(tài)系統(tǒng)建模仿真和多Agent建模仿真2類。構(gòu)建裝備體系任務(wù)剖面下的可執(zhí)行模型主要包括總體描述、視圖產(chǎn)品描述和生成可執(zhí)行模型3個階段，各個階段之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖3所示。

圖3 裝備體系各個階段之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系

4 實(shí)例分析

空中突擊部隊(duì)是由空中裝備和地面裝備混合而成的典型裝備體系[13]。機(jī)降突擊任務(wù)是其主要作戰(zhàn)方式，該任務(wù)以直升機(jī)為主要機(jī)動力量，能夠較好地克服地形障礙，實(shí)施中遠(yuǎn)程精確快速力量投送，最大限度地爭得先機(jī)和主動?？罩型粨羧蝿?wù)作戰(zhàn)流程分為集結(jié)、轉(zhuǎn)場、機(jī)降和突擊4個階段，每個階段所涉及的裝備各不相同，例如：集結(jié)階段參與的裝備主要有偵察衛(wèi)星、偵察直升機(jī)、偵察無人機(jī)、運(yùn)輸直升機(jī)和地面突擊車等；轉(zhuǎn)場階段參與的裝備主要有運(yùn)輸直升機(jī)和攻擊直升機(jī)等；機(jī)降階段參與的裝備主要有運(yùn)輸直升機(jī)、地面突擊車和保障裝備等；突擊階段參與的裝備主要有運(yùn)輸直升機(jī)、攻擊直升機(jī)和突擊車等。結(jié)合作戰(zhàn)任務(wù)視圖下的體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，空中突擊部隊(duì)高層作戰(zhàn)概念圖(OV-1)如圖4所示。

圖4 空中突擊部隊(duì)高層作戰(zhàn)概念圖(OV-1)

以空中突擊部隊(duì)機(jī)降突擊任務(wù)為例，分別建立裝備體系任務(wù)可靠性的靜態(tài)模型和可執(zhí)行模型。

4.1 裝備體系任務(wù)可靠性的靜態(tài)模型

4.1.1 作戰(zhàn)任務(wù)靜態(tài)模型

可按OV-1→OV-5a→OV-5b→OV-6c的視圖產(chǎn)品開發(fā)順序，建立裝備體系作戰(zhàn)任務(wù)靜態(tài)模型。空中突擊部隊(duì)機(jī)降突擊作戰(zhàn)任務(wù)可以分解為集結(jié)、轉(zhuǎn)場、機(jī)降和突擊4個子任務(wù)。其中：集結(jié)階段包括太空偵察、空中偵察和裝備集結(jié)3個作戰(zhàn)活動；轉(zhuǎn)場階段包括飛行前保障、裝載和轉(zhuǎn)場3個作戰(zhàn)活動；機(jī)降階段包括機(jī)降、野戰(zhàn)保障和重新集結(jié)3個作戰(zhàn)活動；突擊階段包括情報偵察、空中突擊和返航3個作戰(zhàn)活動。借用UML類圖就可以描述出任務(wù)活動分解樹(OV-5a)靜態(tài)模型，如圖5所示。

4.1.2 體系結(jié)構(gòu)關(guān)系靜態(tài)模型

可按OV-1→OV-5→OV-2→SV-1→SV-2的視圖產(chǎn)品開發(fā)順序，建立裝備體系結(jié)構(gòu)關(guān)系靜態(tài)模型。從作戰(zhàn)活動分解樹(OV-5a)中可推出其作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)分別為指揮控制系統(tǒng)、情報偵察系統(tǒng)、火力攻擊系統(tǒng)、機(jī)動運(yùn)輸系統(tǒng)和綜合保障系統(tǒng)，其作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)連接可靠性模型多為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)接口描述(SV-1)靜態(tài)模型如圖6所示。

圖5 任務(wù)活動分解樹(OV-5a)靜態(tài)模型

圖6 系統(tǒng)接口描述(SV-1)靜態(tài)模型

4.1.3 系統(tǒng)構(gòu)成靜態(tài)模型

可按OV-1→OV-5→SV-5→SV-4的視圖產(chǎn)品開發(fā)順序，建立裝備體系系統(tǒng)構(gòu)成靜態(tài)模型。由于系統(tǒng)功能與系統(tǒng)之間存在一一對應(yīng)的關(guān)系，系統(tǒng)功能層次關(guān)系也可以表示系統(tǒng)之間的層次關(guān)系，系統(tǒng)功能描述(SV-4)模型可以類圖的形式進(jìn)行表述，其集結(jié)任務(wù)階段靜態(tài)模型如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)功能描述(SV-4)集結(jié)任務(wù)階段靜態(tài)模型

4.2 裝備體系任務(wù)可靠性的可執(zhí)行模型

結(jié)合以上分析，可以根據(jù)空中突擊部隊(duì)機(jī)降突擊任務(wù)的作戰(zhàn)規(guī)則以及從視圖產(chǎn)品到仿真模型的映射關(guān)系，對裝備體系任務(wù)可靠性的可執(zhí)行模型進(jìn)行構(gòu)建。

1)建立空中突擊部隊(duì)機(jī)降突擊任務(wù)的作戰(zhàn)規(guī)則。作戰(zhàn)規(guī)則描述的是指揮控制中心、情報偵察系統(tǒng)、火力攻擊系統(tǒng)、綜合保障系統(tǒng)和機(jī)動運(yùn)輸系統(tǒng)在完成機(jī)降突擊任務(wù)時的作戰(zhàn)活動規(guī)則，具體如表3所示。

表3 空中突擊部隊(duì)機(jī)降突擊任務(wù)作戰(zhàn)規(guī)則

2)建立裝備體系任務(wù)可靠性的可執(zhí)行模型。利用仿真軟件AnyLogic建立裝備體系任務(wù)可靠性的可執(zhí)行模型仿真環(huán)境，并對作戰(zhàn)活動和作戰(zhàn)流程進(jìn)行可視化建模。以體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品為基礎(chǔ)，結(jié)合作戰(zhàn)視圖、作戰(zhàn)規(guī)則和從視圖產(chǎn)品到仿真模型的映射關(guān)系來建立裝備體系任務(wù)可靠性的可執(zhí)行模型，可以看出：作戰(zhàn)規(guī)則越復(fù)雜，建立的裝備體系任務(wù)可靠性的可執(zhí)行模型越完備。

結(jié)合表3作戰(zhàn)規(guī)則，對空中突擊部隊(duì)機(jī)降突擊任務(wù)的作戰(zhàn)活動和作戰(zhàn)流程進(jìn)行可視化建模，得到基于AnyLogic的空中突擊部隊(duì)機(jī)降突擊任務(wù)仿真模型，如圖8所示。

圖8 基于AnyLogic的空中突擊部隊(duì)機(jī)降突擊任務(wù)仿真模型

5 結(jié)論

裝備體系任務(wù)可靠性建模是對裝備體系進(jìn)行論證和開發(fā)的前提。本文從作戰(zhàn)任務(wù)、體系結(jié)構(gòu)關(guān)系和系統(tǒng)構(gòu)成3個方面對裝備體系任務(wù)可靠性進(jìn)行了規(guī)范化描述，歸納出裝備體系任務(wù)可靠性DoDAF視圖產(chǎn)品和開發(fā)流程，并通過具體實(shí)例給出相關(guān)視圖產(chǎn)品的形式化描述模型。然而，本文工作只限于裝備體系任務(wù)可靠性建模的方法研究，下一步將重點(diǎn)研究裝備體系任務(wù)可靠性的動態(tài)模型分析。

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(責(zé)任編輯: 尚彩娟)

Mission Reliability Modeling Method of Equipment System

WANG Hong-yu1,3, WU Wei2, WEI Yan-yan3

(1. Department of Technical Support Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China; 2. Beijing Special Vehicle Institute, Beijing 100072, China; 3. Department of Aviation Machine Engineering, Army Aviation Academy, Beijing 101123, China)

According to the three elements of combat mission, structure relationship and system constitution, the authors study the mission reliability modeling method for equipment System. Firstly, the demand of information describing for equipment system is analyzed. Secondly, the Department of Defense Architecture Framework (DoDAF) product under the reliability view and the modeling step of the mission reliability for equipment system are concluded. Thirdly, the static model and dynamic model are built. Finally, the models are verified by the specific example.

equipment system; mission reliability; DoDAF; formalization description

2016-09-08

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

王宏宇(1979-)，男，博士研究生。

TP391.9

：ADOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.06.017

1672-1497(2016)06-0089-06