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(qū)，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(lián)系紐帶，目前存在著一定問題。主要體現(xiàn)在軍事人員與分析技術(shù)人員在研究領(lǐng)域考慮問題的方式和角度、專業(yè)知識水平的差異，雙方對武器裝備系統(tǒng)都有著各自不同的描述和解釋，從而產(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)的需求描述、詳細說明、分析、設(shè)計、驗證和確認，這些系統(tǒng)可包括硬件、軟件、信息、過程、人員和設(shè)備等。與UML（United Modeling Language）統(tǒng)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(shù)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(guān)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(guī)范、簡單實用的描述語言，遵照描述規(guī)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(zhàn)使用人員和技術(shù)開發(fā)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(chǎn)品需求中組件之間以及產(chǎn)品組件與其他建模元素（如產(chǎn)品功能）之間的關(guān)系。使用類《requirement》描述產(chǎn)品組件或者性能需求；使用導出關(guān)系《derive》表示一個需求可以從另一個需求產(chǎn)生或?qū)С?；使用滿足關(guān)系《satisfy》表示一個需求能被其他的模型元素實現(xiàn)；使用驗證關(guān)系《verify》表示一個需求能被測試例子驗證，從而形成完整的產(chǎn)品需求圖，完成對產(chǎn)品需求的描述。

1.3 需求描述語言結(jié)構(gòu)

使用一致的結(jié)構(gòu)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(guān)鍵詞“實施”和句式結(jié)構(gòu)“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(guān)鍵詞“降低”和動賓句式結(jié)構(gòu)“降低［內(nèi)容］”進行描述，應用該語言結(jié)構(gòu)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(guān)系接口模型、功能需求實現(xiàn)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(zhuǎn)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(tǒng)分析設(shè)計人員理解產(chǎn)品的預期功能，確認系統(tǒng)所涉及的功能和性能。

步驟2：建立功能需求關(guān)系接口模型，描述需求指標與子功能需求的相互關(guān)系。

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

步驟3：建立功能需求實現(xiàn)接口模型，描述功能需求的實現(xiàn)過程。

需求實現(xiàn)接口模型主要描述武器裝備功能需求的實現(xiàn)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(xiàn)的，子系統(tǒng)的改變對武器裝備功能需求的實現(xiàn)有多大的影響等等。功能需求實現(xiàn)接口模型是連接后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計和功能需求的橋梁，為系統(tǒng)設(shè)計提供了一個可靠的參考，有效地減輕了后續(xù)設(shè)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(guān)系，實施元素對需求的滿足關(guān)系，校驗元素到需求的驗證關(guān)系，以及行為元素到實施部件元素之間的分配關(guān)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(lián)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(fā)的各個模型進行一致性檢驗，以保證各模型之間的協(xié)調(diào)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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(diào)用，而不失一致性。

3.2 建立某型坦克功能需求關(guān)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(guān)系，逐步導出需求指標。一個子功能要幾個需求指標實現(xiàn)，同時一個需求指標也可能參與實現(xiàn)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(guān)系接口模型圖，如下頁圖2所示。其他子功能的需求關(guān)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(xiàn)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(quán)重。

3.3 建立某型坦克的功能需求實現(xiàn)接口模型

需求實現(xiàn)接口模型，主要描述坦克功能的實現(xiàn)過程，也就是說，坦克車輛的某些功能具體是由哪些性能設(shè)計參數(shù)實現(xiàn)的，而這些性能設(shè)計參數(shù)的改變對功能有多大的影響等等。如坦克武器系統(tǒng)包括火力系統(tǒng)和火控系統(tǒng)兩個部分，其中火力系統(tǒng)又由火炮、機槍和彈藥、自動裝彈機等組成，火控系統(tǒng)又由觀瞄分系統(tǒng)、火控計算機分系統(tǒng)和炮控分系統(tǒng)等組成。功能需求的實現(xiàn)，最終要由最底層的物理結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，所以盡量分解其物理結(jié)構(gòu)，設(shè)計最基本的參數(shù)，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(shè)計參數(shù)之間的需求實現(xiàn)簡圖，給出了一些主要的設(shè)計參數(shù)。

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(tǒng)等設(shè)計參數(shù)進行權(quán)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(xiàn)有的技術(shù)力量是否能實現(xiàn)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(xiàn)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(guān)系圖

圖3 某型坦克行進間射擊子功能需求實現(xiàn)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(tǒng)的作戰(zhàn)效能評估和對目標毀傷概率，以及想定該坦克可能的作戰(zhàn)環(huán)境，建立作戰(zhàn)效能評估和目標毀傷概率評估系統(tǒng)，來驗證其火力打擊功能是否符合用戶需求。

4 結(jié)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(shè)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。