航空裝備“+智能”需求分析與論證方法研究

曾衛(wèi)平

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

武器裝備軍事需求的重要性毋庸置疑，我軍為履行使命任務的需要，確立“需求牽引，裝備先行”的理念。隨著人工智能技術在軍事及國防工業(yè)領域的創(chuàng)新應用，航空裝備的智能化成為未來航空裝備發(fā)展的必然趨勢之一。人工智能將大大改變航空裝備的作戰(zhàn)效能，甚至顛覆未來作為武器的航空裝備的作戰(zhàn)使用方式。我們需要在現(xiàn)有航空裝備體系的基礎上，適應未來作戰(zhàn)裝備發(fā)展需要，分析軍事作戰(zhàn)需求，評估論證智能技術新應用。

1 航空裝備“+智能”概念

“智能+”雖然代表一種趨勢，但從應用層面上說，其在現(xiàn)階段脫離了各類復雜系統(tǒng)本身的應用特征。相比于概念上的智能化戰(zhàn)爭及未來應用模式上的各類“智能+”，“+智能”是對智能化技術和系統(tǒng)的深入應用，主體是傳統(tǒng)系統(tǒng)，目標是完成傳統(tǒng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型升級，提高作戰(zhàn)效能。航空裝備“+智能”是航空裝備智能化發(fā)展的必經(jīng)過程，可實現(xiàn)在將來戰(zhàn)爭環(huán)境下，不同時空、不同作戰(zhàn)單元、不同作戰(zhàn)行動的體系化聯(lián)合作戰(zhàn)。

2 航空裝備“+智能”的需求分析

針對裝備體系的需求分析方法研究，研究人員借鑒軟件工程中面向?qū)ο蟮男枨蠓治龇椒?，提出了各類方法，但對裝備體系的需求分析說明有限，也有通過引入質(zhì)量屋、復雜網(wǎng)絡等方法進行需求分析。其中，劉立輝提出了基于作戰(zhàn)任務需求，以信息為紐帶，建立作戰(zhàn)行為與系統(tǒng)行為的映射關系；許永平等人提出基于QFD與ANP的裝備作戰(zhàn)需求分析方法，反映軍事需求的作戰(zhàn)使用性能重要度排序；沈如松等人給出了基于UML和Petri網(wǎng)分別構建體系靜態(tài)結構模型和動態(tài)運行模型，建立映射關系的需求分析方法。這些需求分析方法在傳統(tǒng)裝備體系上取得了較好的分析及應用效果。

航空裝備加上人工智能之后即成為人工智能系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以認為是系統(tǒng)之系統(tǒng)，即體系，其中包含智能體(Agent)和作戰(zhàn)環(huán)境。圍繞能力需求牽引的思想，設計一個能夠提供預期能力的武器裝備體系結構是一個不斷迭代、逐步逼近的體系結構建模與分析過程。因此，以一個體系來分析航空裝備“+智能”(Aviation Equipment “+Artificial Intelligence”，AE+AI)較為合理。在“+AI”之后，航空裝備“+智能”賦予航空裝備體系需求分析新的涵義。

2.1 航空裝備“+智能”需求分析概念模型

對航空裝備體系和各型航空裝備的研制來說，需求的重要性不言而喻。需求是裝備體系及裝備本身研制的源頭，涉及的系統(tǒng)及利益攸關者非常之多。需求可分為兩大類：功能(function)需求和非功能(non-functional)需求。以系統(tǒng)工程的角度來看，需求不是憑空開發(fā)的。需求分析的一個目標是為各種不同功能之間的相互作用提供一種理解并基于用戶目標獲取一個平衡的需求集合。也有將需求分析理解為需求開發(fā)的一個子階段，該階段的主要任務是對初始的用戶需求說明書進行細化，分析每個細節(jié)，從而獲得對系統(tǒng)開發(fā)有價值的信息。

“AE+AI”需求分析(Aviation Equipment “+Artificial Intelligence” Requirement Analysis,簡稱“AE+AI”RA)服務于航空裝備的全生命周期研制過程，不僅僅停留在需求論證階段，而是貫穿于工程設計、試制試飛、制造批產(chǎn)及運行保障等全生命周期各個階段。需求分析的對象主要包含Agent和作戰(zhàn)環(huán)境。Agent和作戰(zhàn)環(huán)境的復雜性使得需求分析對象具有層次性和多維性?！癆E+AI”RA既是一項技術活動，又是一個技術管理過程，強調(diào)設計建模方法，也要求狀態(tài)管控和數(shù)據(jù)管理。由此，可以借助霍爾模型，如圖1所示，對“AE+AI”RA進行描述?；魻柲Ｐ椭械闹R維、時間維、邏輯維分別對應“AE+AI”RA的需求分析對象、生命周期階段和需求分析過程。

圖1 基于霍爾模型的“AE+AI”RA概念模型

2.2 “AE+AI”RA組成要素

需求分析的目的是分析原始的利益攸關者需求。在任務需求捕獲之后，必然要對能力需求進行分析，針對系統(tǒng)需求建立系統(tǒng)用例，最終轉(zhuǎn)換為技術需求或技術指標。以“AE+AI”為代表的復雜武器裝備系統(tǒng)需求分析過程中的各類需求分析元素，以軍事需求和作戰(zhàn)任務為牽引，遵循“概念-戰(zhàn)略使命(任務)-能力-系統(tǒng)-技術”的需求分析主線，最終給出指定系統(tǒng)在可能時間內(nèi)能夠產(chǎn)生的效果。其需求分析要素主要包括：任務需求、能力需求、系統(tǒng)需求、技術需求等。這些要素可自上向下或自下向上關聯(lián)，之間相互異構，卻又有機統(tǒng)一。

“AE+AI”RA展現(xiàn)了多維度且分層次，融合了復雜武器裝備系統(tǒng)需求分析的組成要素。對于航空裝備的正向研發(fā)設計而言，從作戰(zhàn)效能分析牽引得出裝備能力需求，能力需求再映射為最終的技術需求；對于航空裝備作戰(zhàn)效果分析而言，從裝備固有能力出發(fā)，在作戰(zhàn)仿真或試驗環(huán)境下得到裝備作戰(zhàn)效能仿真或試驗數(shù)據(jù)，最終用于作戰(zhàn)效能分析與評估。根據(jù)作戰(zhàn)任務和作戰(zhàn)構想，直升機能力指標體系由任務-能力映射得到，如后文圖3所示，在此不再贅述。

圖3 “AE+AI”體系結構建模過程

2.3 “AE+AI”RA主要過程

從作戰(zhàn)使命任務到作戰(zhàn)效能的分析過程對于裝備分析與論證來說是一個重要命題，“AE+AI”RA也不例外。如圖2所示，整個需求分析論的核心從使命任務出發(fā)，提出作戰(zhàn)能力要求，以“AE+AI”技術實現(xiàn)方式，完成作戰(zhàn)目標。

圖2 航空裝備“+智能”需求分析主要過程

“AE+AI”RA過程通過作戰(zhàn)活動、作戰(zhàn)流程及各類模型等要素分析航空裝備需求分析和論證過程中遇到的軍事需求內(nèi)容及作戰(zhàn)要求、各系統(tǒng)初步設計方案和工業(yè)實現(xiàn)技術，考慮“+AI”后體系的涌現(xiàn)性、自主性、多維性、進化性等智能化特征。在需求分析業(yè)務流程的驅(qū)動下，體系層及裝備平臺層的相應分析項不斷組合、集成，實現(xiàn)從“AE+AI”使命任務到作戰(zhàn)效能分析與評估的全要素流轉(zhuǎn)。

3 航空裝備“+智能”需求分析方法

航空裝備的研制與發(fā)展是一項復雜的系統(tǒng)工程，是一個體系化發(fā)展過程?！癆E+AI”可基于智能體Agent裝備體系進行分析，從作戰(zhàn)使命任務、作戰(zhàn)概念、作戰(zhàn)活動、作戰(zhàn)能力、體系結構、體系功能等角度分別描述“AE+AI”體系的作戰(zhàn)需求。運用一系列“AE+AI”需求分析方法，作戰(zhàn)需求最終分解并映射到航空裝備的作戰(zhàn)性能指標上，指標回溯可實現(xiàn)作戰(zhàn)效能分析評估。

3.1 “AE+AI”體系結構建模

“AE+AI”體系中除了智能體Agent和作戰(zhàn)環(huán)境外，由于作為智能體Agent的航空裝備涉及到裝備平臺加裝智能系統(tǒng)(如智能計算機、導航子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)等)后的描述，需體現(xiàn)出航空裝備“+智能”體系的智能化各類特征，因此，“AE+AI”體系結構建模是實現(xiàn)裝備體系多視圖描述的同時完成體系層向平臺層的傳遞映射，如圖所3所示。

不同于以往直接使用DoDAF、MoDAF等多視圖體系建模和使用需求條目管理傳遞模型的方式，“AE+AI”體系結構建模結合了應用SysML語言進行智能系統(tǒng)模型設計的過程，最終形成包括：作戰(zhàn)概念圖、指控交聯(lián)關系圖、作戰(zhàn)活動圖、映射視圖、用例活動圖、用例時序圖、用例IBD圖、BDD圖、狀態(tài)機圖等模型。根據(jù)“+智能”體系架構設計的復雜程度，通過表格、結構、行為、本體、圖像、時間、圖形、概率或替代概念手段，在確保多重抽象層次之間建模一致性的基礎上，合理運用DoDAF模型的核心要素以及約束條件，使用用例圖或環(huán)境圖的方式來表示滿足軍事需求的“AE+AI”體系及所屬系統(tǒng)。

除了體系層向平臺層的映射外，定義體系結構建模中涉及到的模型，DoDAF提供了指導開發(fā)架構的通用詞匯，用于交換體系結構信息和促進架構描述之間的互操作。需對DoDAF2.0標準中的8類視角和52類視圖進行裁剪，即在DoDAF2.0視圖外，基于作戰(zhàn)場景增加映射視圖，增加作戰(zhàn)任務與作戰(zhàn)能力映射關系視圖、作戰(zhàn)能力到平臺子系統(tǒng)的映射關系視圖、智能系統(tǒng)與航空裝備的加裝關系視圖等，如圖4所示，最終在需求管理系統(tǒng)或記錄文檔中形成“AE+AI”的能力目錄。

圖4 新增的需求分析多層級關系映射視圖

3.2 基于OODA的“AE+AI”能力分析

DoD對AI的應用范圍及因素進行了描述。三大類范圍包括：Enterprise AI(復雜組織體人工智能)、Mission Support AI(使命任務人工智能)、Operational AI(作戰(zhàn)人工智能)。四個因素包括：Operating Environment(作戰(zhàn)環(huán)境)、Resources(需要的資源)、Tempo(快慢節(jié)奏)、Implications of Failure(失敗的影響)。OODA環(huán)“以活勝僵、以快吃慢”已逐步取代傳統(tǒng)作戰(zhàn)中的“以大吃小”，成為戰(zhàn)爭制勝的關鍵機理。參照OODA模型“觀察(Observation)-判斷(Orientation)-決策(Decision)-行動(Action)”四個環(huán)節(jié)組成的作戰(zhàn)活動循環(huán)，以某次戰(zhàn)斗作戰(zhàn)體系OODA環(huán)中“AE+AI”體系所處的某一環(huán)為例，如圖5所示，在“AE+AI”體系OODA環(huán)的環(huán)內(nèi)，智能體Agent的偵察打擊作戰(zhàn)環(huán)通過智能化升級后的雷達、光電、電子偵察等感知手段，觀察并獲得戰(zhàn)場態(tài)勢信息(包含內(nèi)部和外部)。以多源目標智能識別與融合、智能自適應輔助決策、實時任務規(guī)劃、智能計算等技術為依托，對戰(zhàn)場和作戰(zhàn)過程進行判斷，實現(xiàn)攻擊占位、航路規(guī)劃、目標分配等實時決策，逐步解決人機融合難題，并最終在人的控制下更快節(jié)奏完成作戰(zhàn)任務。

圖5 “AE+AI”及作戰(zhàn)體系OODA環(huán)

“AE+AI”O(jiān)ODA環(huán)在實現(xiàn)典型作戰(zhàn)場景(即假定的作戰(zhàn)環(huán)境)設計的前期，從OODA各個環(huán)節(jié)的任務活動、時序步驟、狀態(tài)響應、實體節(jié)點、場景環(huán)境、組件接口等進行能力分解：既可為需求模型提供定性定量數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)可分析影響OODA作戰(zhàn)環(huán)路速度的因素，而不至于在需求分析中遺漏數(shù)據(jù)項；也可為效能分析建立指標體系提供指標能力項的依據(jù)，對應體系中的各系統(tǒng)需求項。按體系結構分層級的方式，能力分析在OODA分析的基礎上，從“智能體Agent子系統(tǒng)、加裝智能化系統(tǒng)后的智能體Agent、典型作戰(zhàn)場景下的智能體Agent”三個層級分別進行描述。

1)智能化升級后的Agent子系統(tǒng)能力分析

面向作戰(zhàn)任務，如前所述，采取DoDAF體系建模自上而下逐級分析的方法，在體系結構的任務架構(OV)和系統(tǒng)架構(SV)分別建模的基礎上，基于能力視角(CV)建立滿意度函數(shù)。滿意度

M

(

x

)∈[0,1]，當

M

(

x

)=1時，能力需求完全滿足；當

M

(

x

)=0時，能力需求未滿足。設置完全滿意的上、下限范圍，使用加權積進行聚合，形成作戰(zhàn)能力到平臺子系統(tǒng)的映射關系視圖，如圖6所示。利用TIM矩陣，去掉Agent子系統(tǒng)中關于系統(tǒng)實現(xiàn)技術的細節(jié)定量數(shù)據(jù)，保留定性關系，指標聚合后得到如后文圖7所示的矩陣。分析完成智能化技術與Agent子系統(tǒng)的“一對多、一對一、多對一、多對多”4種關系?！耙粚Χ唷焙汀岸鄬σ弧笔褂没野蟹治龇椒ㄟM行求解，得出“+智能”后智能體Agent各子系統(tǒng)的能力值。

圖6 TIM矩陣處理結果(指標向Agent子系統(tǒng))

2)“+智能”后的智能體Agent能力分析

OODA循環(huán)速度決定著空中作戰(zhàn)的成敗，整體循環(huán)速度越快，取勝幾率越大。智能體Agent在未來體系作戰(zhàn)下，面對復雜作戰(zhàn)環(huán)境，以裝備體系外部信息為輸入，在航空裝備本身平臺上獲取及共享信息，轉(zhuǎn)化為智能Agent的內(nèi)部信息，并作為加裝智能系統(tǒng)后的作戰(zhàn)活動輸入。機載設備智能化水平的提高，意味著人類操作者可以將更多的OODA環(huán)節(jié)任務移交給機器，以獲得更大的空中對抗制勝概率。智能化升級后的Agent子系統(tǒng)承擔更多的OODA環(huán)任務，而作戰(zhàn)體系中人在OODA環(huán)中的活動相對變少，任務負荷相應減少。人在OODA環(huán)的角色值得在OODA循環(huán)的關系中不斷討論。

根據(jù)功能與行為的關系，功能又可定義成：為了利用行為，設計者通過對行為的認識，并經(jīng)抽象而得到行為描述，在Agent和外部環(huán)境定義劃分之后，首先對用例活動過程進行定義。以某次作戰(zhàn)低空偵察為例，通過體系作戰(zhàn)的OODA賦予某航空裝備低空偵察的使命任務，自身OODA循環(huán)，結合飛行員的參與，賦予各子系統(tǒng)的作戰(zhàn)行為描述，如圖7所示。每個行為描述對應OODA各環(huán)節(jié)子系統(tǒng)的活動用例，關聯(lián)“AE+AI”的功能需求和接口需求，最終形成全機級系統(tǒng)功能目錄。

圖7 OODA環(huán)下的Agent內(nèi)外部及人順序圖

3)Agent在典型作戰(zhàn)任務下的作戰(zhàn)能力評估

設計典型作戰(zhàn)場景，實現(xiàn)“+AI”體系結構向平臺系統(tǒng)逐層抵近轉(zhuǎn)化。如圖8所示，通過基于OODA的需求分析得到的“AE+AI”體系的固有能力，將智能體Agent置于作戰(zhàn)環(huán)境下遂行典型作戰(zhàn)任務，實現(xiàn)裝備視角向作戰(zhàn)視角的轉(zhuǎn)換，與體系結構建模過程中的作戰(zhàn)場景設計進行銜接對應。即在典型作戰(zhàn)場景下，智能體Agent遂行任務過程中，通過賦予體系結構建模設計、能力分析、映射聚合，“AE+AI”RA實現(xiàn)了從智能體Agent加裝的智能系統(tǒng)性能參數(shù)到智能體Agent遂行作戰(zhàn)的作戰(zhàn)能力分析，即Agent的固有能力直接影響航空裝備在作戰(zhàn)環(huán)境下的戰(zhàn)術戰(zhàn)法設計。同時，通過系統(tǒng)能力、中間層能力及底層能力，間接影響航空裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。反之，作戰(zhàn)效能能逆向牽引出“AE+AI”的固有能力，進而分析得出Agent的系統(tǒng)性能和相關設計參數(shù)。

圖8 典型作戰(zhàn)任務下智能體Agent作戰(zhàn)能力評估

4 論證實例與關鍵步驟

如前所述，“AE+AI”RA有不同視角。當在模型的基礎上記錄需求時，存在典型區(qū)分視角的三種類型：數(shù)據(jù)、功能和行為。這三種需求表達在實際應用時以模型表示，即分別為：需求設計模型、邏輯模型和行為模型。需求分析的關鍵點在于做到這三類需求分析模型的有效統(tǒng)一，并進一步結合推演仿真等手段進行評估分析。需求設計模型、行為模型、邏輯映射與融合的關鍵步驟如下：

Step1：如圖9所示，建立“AE+AI”的用例，描述用例的交互人員、交互環(huán)境及外部環(huán)境；

圖9 需求設計模型的設計及分發(fā)關鍵步驟

Step2：設計需求追溯矩陣，使體系級、全機系統(tǒng)級需求條目分別對應用例模型、黑盒模型以及白盒模型；

Step3：對關聯(lián)需求的每個用例進行黑盒分析，再由黑盒模型到白盒設計分解，實現(xiàn)體系級、全機級需求向下游行為、邏輯的分配、分發(fā)；

Step4：當需要表示活動(系統(tǒng)白盒行為)時，增加類、活動以及序列圖來反映額外的作戰(zhàn)細節(jié)；

Step5：如圖10所示，根據(jù)作戰(zhàn)事件，進行功能的主狀態(tài)模型設計和狀態(tài)轉(zhuǎn)換關系分析；

圖10 功能模型與邏輯模型互為映射

Step6：行為模型與邏輯模型的映射處理，結合仿真模型，進行功能邏輯分析，實現(xiàn)功能邏輯自洽一致；

Step7：對基于典型作戰(zhàn)場景下邏輯模型產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與預處理，消除隨機因子的不確定性，實現(xiàn)從仿真結果數(shù)據(jù)到評估樣本的轉(zhuǎn)化；

Step8：對照能力目錄和Step2中的需求條目，設計頂層指標和各層級葉指標，如圖11所示，并針對作戰(zhàn)場景方案分別設計；

圖11 推演仿真與分析評估集成

Step9：設計評估模型(包含評估指標、評估方案、評估樣本、評估分析方法等)，映射為算子樹，不同場景方案對應不同指標體系和計算公式，最終實現(xiàn)評估方法模型與推演仿真的集成。

5 結論

“AE+AI”是航空裝備體系中一種較特殊的裝備體系，包含航空裝備本身和“+AI”后的新系統(tǒng)特征，不局限于宏觀的各類體系視圖，也不拘泥于某個Agent智能子系統(tǒng)。引入OODA環(huán)、體系結構層級、效能分析等方法，從“AE+AI”面向作戰(zhàn)運用的角度進行全面的裝備體系、系統(tǒng)及子系統(tǒng)各層級的需求分析，對后續(xù)航空裝備發(fā)展中關于新裝備、新型號、能力提升以及型號加改裝的需求分析和論證都可提供一定的參考與借鑒。