一種基于視圖的裝備效能仿真評估流程設(shè)計

劉志釗，李艷紅，胡曉峰，李 偉

（1．中國電子科學(xué)研究院，北京 100041；2．哈爾濱工業(yè)大學(xué)控制與仿真中心，黑龍江 哈爾濱 150001；3．上海機(jī)電工程研究所，上海 201109）

0 引 言

武器裝備（簡稱裝備）是用于作戰(zhàn)和保障作戰(zhàn)及其他軍事行動的武器、武器系統(tǒng)、電子信息系統(tǒng)和技術(shù)設(shè)備、器材等的統(tǒng)稱［1］。未來戰(zhàn)爭向“海陸空天電”一體化聯(lián)合作戰(zhàn)方向發(fā)展，戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜變化使得裝備性能指標(biāo)無法全面反映裝備在體系中發(fā)揮的作用［2］。只有科學(xué)、合理地評估裝備效能，才能綜合反映裝備的作戰(zhàn)效果，并進(jìn)一步輔助裝備的論證、設(shè)計和作戰(zhàn)運(yùn)用，優(yōu)化裝備設(shè)計參數(shù)和部署方案。因此，效能是裝備研制、開發(fā)和使用的重要依據(jù)［3］，效能評估、分析與優(yōu)化在裝備的論證、研發(fā)和應(yīng)用等方面均具有重要作用。

自第二次世界大戰(zhàn)以后，以美國為首的發(fā)達(dá)國家不斷深入研究仿真在軍事作戰(zhàn)中的應(yīng)用，為裝備效能仿真評估奠定了技術(shù)基礎(chǔ)［4］。早期，仿真主要以模擬器的形式應(yīng)用到戰(zhàn)士訓(xùn)練中。隨著科技的不斷發(fā)展和應(yīng)用需求的擴(kuò)大，分布式交互仿真將地理上分布的訓(xùn)練模擬器和參訓(xùn)人員組成一個人機(jī)交互的聯(lián)合作戰(zhàn)系統(tǒng)。目前，仿真技術(shù)以全數(shù)字仿真、半實(shí)物仿真、實(shí)物仿真等形式滲透到日常訓(xùn)練、軍事作戰(zhàn)、聯(lián)合演習(xí)等諸多場景。美國的《國防科學(xué)技術(shù)戰(zhàn)略》、《國防技術(shù)領(lǐng)域計劃》等具有前瞻性的報告中都將仿真作為提高軍事能力和保持軍事優(yōu)勢的重要技術(shù)之一［5］。

裝備效能仿真評估是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及指標(biāo)體系構(gòu)建、仿真系統(tǒng)開發(fā)、仿真數(shù)據(jù)管理、效能評估與分析等多個步驟，并非一個人或一種角色就可以完成的，需要多人協(xié)同開展評估工作［6］。基于指標(biāo)體系的評估是裝備效能仿真評估的一種有效方法，但不同文獻(xiàn)中效能評估流程各不相同，評估方法也多種多樣，標(biāo)準(zhǔn)化評估流程的缺失影響了評估工作的展開。因此，本文主要研究一種基于視圖的裝備效能仿真評估流程。

1 用于裝備效能仿真評估的視圖設(shè)計

裝備效能仿真評估涉及評估目的明確、仿真系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)、指標(biāo)體系構(gòu)建、評估方法選擇、效能評估、分析優(yōu)化、輔助決策等過程，相關(guān)角色包括委托者、效能評估者、被評估者、仿真系統(tǒng)開發(fā)者和其他利益相關(guān)者等。其中，效能評估者在每個環(huán)節(jié)都有任務(wù)分工，其工作貫穿了整個評估過程。參與式評估模式為這種過程繁多、人員復(fù)雜的評估工作提供了可行方法。

1．1 裝備效能仿真評估視圖設(shè)計

通過各個利益相關(guān)方的角色定位可知，裝備效能仿真評估過程中委托者、仿真系統(tǒng)開發(fā)者、效能評估者的角色尤為重要。其中：委托者需要明確、清晰地表達(dá)評估目的，最終得到相應(yīng)評估結(jié)果；仿真系統(tǒng)開發(fā)者需要具體的想定信息、裝備仿真粒度和交互關(guān)系，進(jìn)而開發(fā)并運(yùn)行仿真系統(tǒng)，得到仿真結(jié)果數(shù)據(jù)；效能評估者首先需要將委托者的意圖細(xì)化成具體的評估指標(biāo)和典型仿真場景，然后指導(dǎo)仿真系統(tǒng)開發(fā)，根據(jù)仿真運(yùn)行所得數(shù)據(jù)計算裝備效能值，最終依據(jù)仿真評估結(jié)果給出意見和建議，匯報給委托者。由于文字描述容易產(chǎn)生歧義，因此需要以科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化的形式貫穿裝備效能仿真評估全過程。

借鑒參與式評估模式、軟件建模語言、美國國防部體系架構(gòu) 框架（department of defense architecture framework，DoDAF）［7－10］等已有成果，結(jié)合裝備效能仿真評估工作的特點(diǎn)，本文設(shè)計了評估視圖（evaluation view，EV），具體描述如表1所示。

表1 裝備效能仿真評估視圖Tab．1 Views of equipment effectiveness simulation evaluation

EV－1～EV－9的圖元用以下形式描述，如式（1）所示［11］。

式中：Id為圖元標(biāo)識（ID）；T為圖元類型（Type）；I為圖元輸入（In）；O為圖元輸出（Out）；S為圖元設(shè)置參數(shù)（Set）。

EV－1為效能分解視圖，相關(guān)圖元如表2所示。裝備效能按照體系級、使命級、想定級3級效能的形式逐一分解，并指定每一級的綜合評估方法。分解過程中，體系級效能逐漸明確評估目的和評估范圍，最終分解成每個想定下裝備的效能。

表2 EV－1圖元信息Tab．2 Entity Info of EV－1

表2（續(xù)）

表3 EV－2圖元信息Tab．3 Entity Info of EV－2

EV－3為想定組成視圖，相關(guān)圖元如表4所示。EV－3描述了每一個想定下需要仿真建模的實(shí)體信息。

表4 EV－3圖元信息Tab．4 Entity Info of EV－3

EV－4為狀態(tài)轉(zhuǎn)換視圖，相關(guān)圖元如表5所示。EV－4是對EV－3中每一個實(shí)體運(yùn)行規(guī)則的描述。

表5 EV－4圖元信息Tab．5 Entity Info of EV－4

EV－5為數(shù)據(jù)流視圖，相關(guān)圖元如表6所示。EV－5描述實(shí)體間的數(shù)據(jù)流，為仿真系統(tǒng)中每一個實(shí)體接口的確定提供輔助信息。

表6 EV－5圖元信息Tab．6 Entity Info of EV－5

EV－6為能力－效能關(guān)系視圖，相關(guān)圖元如表7所示。裝備效能仿真評估是對體系效能的評價，然而相對于實(shí)際措施而言，裝備能力指標(biāo)更便于指導(dǎo)裝備的改良和開發(fā)。為了定位能力需求，用EV－6描述與效能相關(guān)的能力。

表7 EV－6圖元信息Tab．7 Entity Info of EV－6

EV－7為能力組成視圖，圖元如表8所示。EV－7深入分析與作戰(zhàn)能力相關(guān)的性能指標(biāo)，指明表征作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵要素。

表8 EV－7圖元信息Tab．8 Entity Info of EV－7

EV－8為能力－部門關(guān)系視圖，相關(guān)圖元如表9所示。EV－7指明與作戰(zhàn)能力相關(guān)的性能指標(biāo)，EV－8則進(jìn)一步明確了責(zé)任主體，指明由哪些單位部門來支撐能力的提升，進(jìn)而提高裝備效能。

表9 EV－8圖元信息Tab．9 Entity Info of EV－8

EV－9為效能發(fā)展階段視圖，相關(guān)圖元如表10所示。EV－1～EV－8都是靜態(tài)的視圖，從效能組成、仿真實(shí)體、相關(guān)能力和指標(biāo)等方面進(jìn)行描述，EV－9添加了時間的概念，描述了裝備效能在各個階段的提升情況，為每一個階段效能的預(yù)期提供支撐。

表10 EV－9圖元信息Tab．10 Entity Info of EV－9

1．2 功能及特點(diǎn)分析

DoDAF包括8類共計52個模型，大量模型與裝備效能仿真評估工作無關(guān)。如果照搬這些模型，會造成設(shè)計工作大幅增加，且核心工作不凸顯。裝備效能仿真評估中還有一個重要的工作是仿真建模過程，這部分內(nèi)容DoDAF中未涉及。本文所提出的9個視圖設(shè)計的工作量更加簡化、思路更加清晰、應(yīng)用更加貼合裝備效能仿真評估背景，聚焦了效能分解、仿真建模、效能評估、效能分析等全流程的關(guān)鍵工作節(jié)點(diǎn)，為不同評估角色的溝通提供工具支撐。

EV－1～EV－9從“效能是什么”、“如何仿真建?！焙汀叭绾胃倪M(jìn)”、“預(yù)期成果怎么樣”等4個問題展開。其中：EV－1和EV－2將裝備效能逐層分解，最終分解為可度量的指標(biāo)，構(gòu)成了裝備效能仿真評估的指標(biāo)體系，回答了“效能是什么”的問題；EV－3～EV－5則描述了仿真系統(tǒng)的組成、實(shí)體的運(yùn)行規(guī)則、實(shí)體之間的交互關(guān)系，為仿真系統(tǒng)的開發(fā)提供依據(jù)，回答了“如何仿真建?！钡膯栴}；EV－6～EV－8將效能與作戰(zhàn)能力、性能指標(biāo)、單位部門關(guān)聯(lián)起來，為效能提升提供指導(dǎo)，為明確提升哪些能力、關(guān)注哪些性能指標(biāo)、哪些單位部門負(fù)責(zé)等提供借鑒，回答了“如何改進(jìn)”的問題；EV－9描述效能的動態(tài)發(fā)展，為每一個階段的效能預(yù)期提供量化指導(dǎo)，回答了“預(yù)期成果怎么樣”的問題。

2 基于視圖的裝備效能仿真評估流程

借鑒參與式評估模式，結(jié)合上述評估視圖，本文提出了一種基于視圖的裝備效能仿真評估流程，如圖1所示，具體流程如下：

1）明確效能評估目的和評估對象；

2）繪制視圖EV－1、EV－2，輔助指標(biāo)體系構(gòu)建；

圖1 裝備效能仿真評估流程圖Fig．1 Simulation and evaluation flow chart of equipment effectiveness

3）繪制視圖EV－3～EV－5，輔助仿真系統(tǒng)開發(fā)者建立裝備仿真系統(tǒng)；

4）實(shí)驗設(shè)計并運(yùn)行仿真系統(tǒng)；

5）仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理；

6）配置底層指標(biāo)；

7）選擇綜合評估方法；

8）仿真評估裝備效能；

9）繪制視圖EV－6～EV－9；

10）根據(jù)分析目的，實(shí)驗設(shè)計并運(yùn)行仿真系統(tǒng)；

11）仿真結(jié)果數(shù)據(jù)管理；

12）配置并計算效能分析指標(biāo)；

13）采用靈敏度分析、回歸分析等方法進(jìn)行分析；

14）整理效能評估和效能優(yōu)化結(jié)果，并給出建議。

3 應(yīng)用實(shí)例

以某全球打擊系統(tǒng)的效能評估為例，其使命包括攔截導(dǎo)彈、打擊恐怖分子會議和打擊大規(guī)模殺傷武器設(shè)備3個方面。攔截導(dǎo)彈效能又分為對不同國家導(dǎo)彈的攔截效能，由此構(gòu)建該系統(tǒng)體系級能效視圖EV－1，如圖2所示。

圖2 EV－1示意圖Fig．2 Sketch map of EV－1

針對攔截A國導(dǎo)彈的效能，又可以分為戰(zhàn)略導(dǎo)彈攔截效能和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈攔截效能，而戰(zhàn)略導(dǎo)彈的攔截效能可以分為對不同型號戰(zhàn)略導(dǎo)彈的攔截概率，由此可以得到相應(yīng)的想定級視圖EV－2，如圖3所示，其它的效能類似。

圖3 EV－2示意圖Fig．3 Sketch map of EV－2

攔截A國導(dǎo)彈想定總體上由紅藍(lán)兩方組成，以紅方為例，兵力部署分為多個戰(zhàn)區(qū)（一、二、三等），不同戰(zhàn)區(qū)又含有不同的裝備，相應(yīng)的想定組成視圖EV－3如圖4所示。

圖4 EV－3示意圖Fig．4 Sketch map of EV－3

想定組成視圖設(shè)計完成后，要考慮的就是裝備狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換視圖，A國導(dǎo)彈攔截想定的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是由攔截指令引起的，具體情況如圖5所示。

圖5 EV－4示意圖Fig．5 Sketch map of EV－4

根據(jù)相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換視圖，設(shè)計裝備的數(shù)據(jù)流圖，如圖6所示。

圖6 EV－5示意圖Fig．6 Sketch map of EV－5

通過EV1～EV5，研究人員就可以建立裝備仿真系統(tǒng)，根據(jù)評估目的設(shè)計實(shí)驗，并運(yùn)行仿真系統(tǒng)，進(jìn)而得到仿真結(jié)果。然后，根據(jù)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)配置底層指標(biāo)，并選擇綜合評估方法，通過層層綜合得到裝備效能的仿真評估結(jié)果。如果需要效能分析，仿真研究人員可以根據(jù)分析內(nèi)容構(gòu)建EV－6～EV9。例如，本系統(tǒng)中全球打擊效能可以通過分析探測能力、攔截能力和干擾能力3部分得到，由此可以建立相應(yīng)的作戰(zhàn)能力與效能的關(guān)系視圖EV－6，如圖7所示。

圖7 EV－6示意圖Fig．7 Sketch map of EV－6

之后，根據(jù)EV－6就可以構(gòu)建視圖EV－7～EV－9，具體過程類似于前面視圖的建立，這里不再贅述。

4 結(jié)束語

為了進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化裝備效能仿真評估工作，本文設(shè)計了一種基于視圖的裝備效能仿真評估流程。首先，根據(jù)裝備效能仿真評估背景，結(jié)合美國DoDAF和仿真建模等相關(guān)知識，設(shè)計了9個評估相關(guān)的視圖及其圖元；然后，設(shè)計了一種基于視圖的裝備效能仿真評估流程，將設(shè)計的9個視圖融入裝備效能仿真評估流程中；最后，以某全球打擊系統(tǒng)為例介紹了本文所提流程的使用，為裝備效能仿真評估工作的開展奠定良好的基礎(chǔ)。后續(xù)需要進(jìn)一步優(yōu)化視圖的設(shè)計，提高該方法的泛化能力，爭取建立一種通用的基于視圖的仿真評估流程。