戰(zhàn)斗機(jī)-無人機(jī)編組協(xié)同系統(tǒng)需求捕獲與驗證

史文卿, 王海峰, 陳海昕

(1. 清華大學(xué)航天航空學(xué)院, 北京 100089;2. 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司成都飛機(jī)設(shè)計研究所, 四川 成都 610041)

0 引 言

近年來,戰(zhàn)斗機(jī)的感知、規(guī)劃、決策、行動及綜合管理能力越來越高,其體系定位正在由戰(zhàn)術(shù)活動“端點”向作戰(zhàn)行動“節(jié)點”演進(jìn)。而無人機(jī)承擔(dān)持久、枯燥、危險任務(wù)的能力越來越強,其戰(zhàn)場角色正在由“支援”向“主戰(zhàn)”演進(jìn)。在無人裝備主戰(zhàn)化、主戰(zhàn)裝備智能化、智能裝備協(xié)同化的大趨勢下,將戰(zhàn)斗機(jī)和無人機(jī)作戰(zhàn)力量協(xié)同運用[1],創(chuàng)新作戰(zhàn)樣式,實現(xiàn)優(yōu)勢互補、互促增效,已成為必然需求。

將多架戰(zhàn)斗機(jī)和無人機(jī)編配形成特定戰(zhàn)術(shù)編組,通過聯(lián)合規(guī)劃、信息共享、共同認(rèn)知、人機(jī)交互、任務(wù)綜合、資源統(tǒng)籌、行動協(xié)調(diào)等來實施共同的作戰(zhàn)任務(wù),稱為戰(zhàn)斗機(jī)-無人機(jī)編組協(xié)同(fighter-drone teaming, FDT),是一種能力涌現(xiàn)性強、效能收益高的協(xié)同運用形態(tài)[2]。FDT作為有人-無人編組協(xié)同(manned-unmanned teaming,MUM-T)[3]理念的重要體現(xiàn),已成為各國空中作戰(zhàn)能力建設(shè)的熱點[4],被列入一系列發(fā)展規(guī)劃[5-6]以加緊研發(fā)。

與傳統(tǒng)對象不同,編組協(xié)同面臨人員、信息、物理、智能的綜合一體化,航空裝備工程總體首先要解決此類跨裝備復(fù)雜系統(tǒng)[7]的需求捕獲與驗證問題[8]。戰(zhàn)斗機(jī)協(xié)同無人機(jī)實施高動態(tài)、博弈性的空中作戰(zhàn),其工程研發(fā)要從聚焦單型單架飛機(jī)擴(kuò)展到橫跨多型多架飛機(jī),技術(shù)實現(xiàn)需協(xié)調(diào)有人裝備和無人裝備的特征性差異,系統(tǒng)運行需滿足地空之間、飛機(jī)之間、人機(jī)之間的動態(tài)、高效交互[9]。工程總體必須結(jié)合編組協(xié)同作戰(zhàn)運用和技術(shù)實現(xiàn)進(jìn)行概念性分析,定義任務(wù)活動、要素構(gòu)成、角色權(quán)責(zé)、功能邏輯、時空運動及度量指標(biāo),并在早期完成合理性驗證,從而有效指導(dǎo)后續(xù)的系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)。

目前,FDT系統(tǒng)需求捕獲與驗證方法都沒有先例和經(jīng)驗可循,亟需正向探索和實踐。新興的基于模型的系統(tǒng)工程(model-based systems engineering, MBSE)[10]為此提供了新的工作范式。然而,實踐中采用現(xiàn)有的一些通用MBSE方法來應(yīng)對編組協(xié)同系統(tǒng),建模環(huán)節(jié)多,耦合程度高,流程交織繁雜,多專業(yè)聯(lián)合工作難度大,需求捕獲與驗證效率難以滿足工程總體的實際需要。為此,本文在一般的MBSE方法基礎(chǔ)上,提出了適用于FDT系統(tǒng)需求捕獲與驗證的策略、流程和具體方法,并以典型“二帶二”對地FDT為例，進(jìn)行了應(yīng)用檢驗。

1 FDT

1.1 系統(tǒng)特征

FDT作為一種內(nèi)聚式能力生成模式,致力于發(fā)揮系統(tǒng)涌現(xiàn)性來獲得戰(zhàn)斗機(jī)和無人機(jī)單獨運作所不具備的作戰(zhàn)效能。例如，洛·馬公司的Lummus[11]研究了F-22戰(zhàn)斗機(jī)與無人機(jī)協(xié)同遂行對敵防空壓制任務(wù),認(rèn)為通過“后位戰(zhàn)斗機(jī)實施支援干擾并指揮前位無人機(jī)感知威脅和投射武器”的協(xié)同方式,相比獨立使用二者,可使發(fā)現(xiàn)和消除敵方防空威脅的用時大幅縮短。

基于此,各國新研或改進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)、無人機(jī)日益強調(diào)統(tǒng)籌實現(xiàn)協(xié)同能力,并加快技術(shù)驗證。2015年,美國提出無人“忠誠僚機(jī)”概念[12],使用AV-8B戰(zhàn)斗機(jī)與UTAP-22無人機(jī)開展了空中編隊、戰(zhàn)術(shù)控制試飛[13]。2018年,法國、德國和西班牙在未來空戰(zhàn)系統(tǒng)[14]合作研發(fā)中提出“離機(jī)載具”式協(xié)同概念,隨后利用現(xiàn)有無人機(jī)進(jìn)行了動態(tài)規(guī)劃、編隊重構(gòu)等飛行驗證。2019年,俄羅斯蘇-57戰(zhàn)斗機(jī)和“獵手-B”無人機(jī)實施了雙機(jī)編隊試飛[15]。澳大利亞在波音公司的支持下發(fā)展空中力量編組協(xié)同系統(tǒng)[16],在2021年實現(xiàn)了協(xié)同專用無人機(jī)MQ-28A的首飛。通過這些對象不同但目標(biāo)相近的研發(fā)探索和飛行驗證,FDT系統(tǒng)的組成、運用和技術(shù)實現(xiàn)正在加速成型。

FDT系統(tǒng)包含有人戰(zhàn)斗機(jī)、無人機(jī)系統(tǒng)兩類作戰(zhàn)力量,涉及人員、裝備和運用方式,在作戰(zhàn)指揮下,由體系支撐,利用任務(wù)資源和保障條件,在戰(zhàn)場環(huán)境中與作戰(zhàn)對象遂行高動態(tài)博弈對抗任務(wù),是人員-信息-物理-智能一體化的跨裝備復(fù)雜系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 FDT系統(tǒng)Fig.1 FDT system

編組協(xié)同系統(tǒng)存在多元多變的要素關(guān)系和多域系統(tǒng)行為,以適應(yīng)空中作戰(zhàn)的動態(tài)性和博弈性。根據(jù)編配方式和角色權(quán)責(zé)設(shè)定,戰(zhàn)斗機(jī)與無人機(jī)之間可以是直屬操控、主從指揮或伙伴協(xié)商式的地位關(guān)系,可以實現(xiàn)行動配合、功能協(xié)作或元素互用級的交互深度。協(xié)同行為由地面和空中的多個異構(gòu)物理實體參與,通過多種通聯(lián)方式交換信息,在差異化的人類智能和人工智能的認(rèn)知驅(qū)動下,按照戰(zhàn)術(shù)運用規(guī)則和系統(tǒng)運行機(jī)制展開行動,存在多層的感知-判斷-決策-行動(observe-orient-decide-act, OODA)循環(huán)。

編組協(xié)同系統(tǒng)必須實現(xiàn)時空運動、功能邏輯和人員操作流程的協(xié)調(diào)互洽,以達(dá)成不同戰(zhàn)術(shù)目的下的飛行協(xié)同、任務(wù)協(xié)同和人機(jī)協(xié)同。例如，戰(zhàn)斗機(jī)-無人機(jī)對地編組協(xié)同,根據(jù)任務(wù)需要，在多機(jī)協(xié)同突防時,以一架領(lǐng)機(jī)為中心來編成、保持及變換隊形,降低被發(fā)現(xiàn)的概率[17];在攻擊時,可由無人機(jī)探測照射目標(biāo),由戰(zhàn)斗機(jī)隱蔽發(fā)射打擊武器,降低飛行員的暴露風(fēng)險;在無人機(jī)自主交戰(zhàn)時,戰(zhàn)斗機(jī)上的飛行員要對無人機(jī)的行為進(jìn)行監(jiān)管和授權(quán),以防止誤擊誤傷。

1.2 系統(tǒng)需求捕獲與驗證

對多元一體、關(guān)系多變而又必須協(xié)調(diào)互洽的FDT系統(tǒng)進(jìn)行需求捕獲與驗證,是航空裝備工程總體面臨的新挑戰(zhàn)。

在“V”字形系統(tǒng)工程流程中,系統(tǒng)需求捕獲與驗證是“左上角”階段的重要內(nèi)容[18](見圖2)。其向前承接作戰(zhàn)概念研究,通過對系統(tǒng)進(jìn)行概念性分析,定義系統(tǒng)要做什么、要達(dá)到的程度和所處的條件[19],并在工程早期進(jìn)行合理性驗證。概念性分析完成后，將系統(tǒng)需求連同捕獲和驗證依據(jù)向后續(xù)研發(fā)主體移交,從而牽引和指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計、軟硬件開發(fā)實現(xiàn),以及進(jìn)行系統(tǒng)集成和系統(tǒng)驗證。

圖2 系統(tǒng)需求捕獲與驗證Fig.2 System requirements elicitation and verification

采用傳統(tǒng)的文本式、圖表式分析方式進(jìn)行需求捕獲與驗證,難以應(yīng)對編組協(xié)同系統(tǒng)的復(fù)雜性。一方面,對系統(tǒng)進(jìn)行需求捕獲時,要從協(xié)同系統(tǒng)內(nèi)部和界面的、靜態(tài)和動態(tài)的等多個視角,對要素關(guān)系、系統(tǒng)行為進(jìn)行綜合分析和表達(dá)。另一方面,在對所捕獲的需求進(jìn)行驗證時,要對協(xié)同任務(wù)過程中物理和信息的、時空和邏輯的、人員和裝備的等多域需求進(jìn)行動態(tài)關(guān)聯(lián)檢查。同時,目前對編組協(xié)同系統(tǒng)需求處于能力概念研究和具體仿真實驗兩端,缺乏適用于工程早期顆粒度需要的有效手段。如付昭旺等[20]面向空戰(zhàn)提出了協(xié)同模式及能力需求，而Frey和Schulte[21]基于仿真座艙,對直升機(jī)-無人機(jī)編組協(xié)同系統(tǒng)中的輔助智能系統(tǒng)的需求進(jìn)行了細(xì)節(jié)性實驗研究。

因此,多視角綜合分析捕獲、多域關(guān)聯(lián)動態(tài)驗證，能夠在工程早期實施的編組協(xié)同系統(tǒng)需求捕獲和驗證,必須轉(zhuǎn)向MBSE。

2 基于模型的系統(tǒng)需求捕獲與驗證

2.1 一般方法

MBSE利用規(guī)范化、形式化、圖形化的建模語言開展系統(tǒng)分析,為復(fù)雜系統(tǒng)需求捕獲與驗證提供了新的工作范式。編組協(xié)同的時空運動、功能邏輯和操作流程可使用主流系統(tǒng)建模語言SysML[22]的結(jié)構(gòu)圖、行為圖等進(jìn)行多視角綜合分析和表達(dá)。構(gòu)建貫通一致的系統(tǒng)模型并聯(lián)合運行,能夠?qū)崿F(xiàn)物理、信息、邏輯的多域關(guān)聯(lián),對協(xié)調(diào)性和互洽性進(jìn)行動態(tài)檢查。

然而在國內(nèi)的研發(fā)實踐中,使用IBM公司Hoffmann提出的Harmony SE方法[23]和達(dá)索系統(tǒng)公司的MagicGrid方法[24]進(jìn)行嘗試,發(fā)現(xiàn)這些通用方法不足以高效捕獲和驗證編組協(xié)同系統(tǒng)需求。這其中的主要原因為:一是力圖構(gòu)建一種模型實現(xiàn)全部分析和驗證,建模環(huán)節(jié)多,耦合程度高,特別是在多專業(yè)聯(lián)合工作時難以清晰分解和并行建模,調(diào)整少量需求就要投入大量的協(xié)調(diào)精力;二是缺乏應(yīng)對異構(gòu)多系統(tǒng)、人機(jī)混合對象的具體分析步驟、建模內(nèi)容、模型粒度和語義規(guī)范指導(dǎo);三是單獨運用SysML建模來分析和運行,并不能解決編組協(xié)同系統(tǒng)的時空運動與功能邏輯、操作流程的協(xié)調(diào)互洽問題。

國外針對編組協(xié)同系統(tǒng)積極探索適用的模型化方法。Michelson和Domercant[25]采用MBSE方法進(jìn)行了編組協(xié)同功能分解,研究提出了系統(tǒng)自主性需求。2019年，美國空軍支持通用電氣公司,啟動了編組協(xié)同使能架構(gòu)項目[26],研究用于協(xié)同系統(tǒng)的建模流程、方法和工具,正是應(yīng)對將MBSE應(yīng)用于協(xié)同系統(tǒng)研發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)。

基于此,有必要立足編組協(xié)同系統(tǒng)復(fù)雜性的特點和國內(nèi)工程研發(fā)實際,探索基于模型的系統(tǒng)需求捕獲與驗證策略、流程及具體方法。

2.2 適用于編組協(xié)同系統(tǒng)的策略和流程

針對一般方法的不足,可根據(jù)編組協(xié)同系統(tǒng)特征,整體納入跨裝備協(xié)同要素,采取降低耦合、分層分解、建立約束規(guī)范、加入時空建模等方式,形成適用的需求捕獲與驗證策略。

(1) 將分析建模和驗證建模分開。對復(fù)雜系統(tǒng)的分析過程變動性強,各專業(yè)研發(fā)人員頻繁研討迭代,需求分析模型要易于表述,便于快速修訂。而驗證過程的嚴(yán)謹(jǐn)性強,需求驗證模型符合嚴(yán)格的編譯語法,實現(xiàn)模型在環(huán)運行,通常只針對問題做少量更改。

(2) 劃設(shè)可分拆的模型層次,支持多專業(yè)聯(lián)合構(gòu)建。編組協(xié)同涉及多要素、多領(lǐng)域,需要多專業(yè)研發(fā)人員共同參與、聯(lián)合構(gòu)建,工程級的建模要求有序的分段、分層、分步及并行構(gòu)建,以利于分工實施和總體綜合。

(3) 制定必要的原則、規(guī)程和語義規(guī)范來指導(dǎo)建模。根據(jù)編組協(xié)同特點,要對人機(jī)關(guān)系、角色配置和作業(yè)流程等進(jìn)行規(guī)范,并約定有效表達(dá)協(xié)同行為的SysML用法及含義,降低建模的隨意性,便于模型的理解、復(fù)用和整合。

(4) 交錯式分解系統(tǒng)活動,由操作和交互行為來映射系統(tǒng)需求。從任務(wù)場景出發(fā),按要素層次自頂向下,交錯采用活動圖和順序圖建模分析,分解出各要素自身要完成的操作、要素之間要進(jìn)行的交互,進(jìn)而分別將其映射為系統(tǒng)的操作性需求、交互性需求。

(5) 同步考量系統(tǒng)邏輯行為和時空關(guān)系。通過加入時空建模，在分析階段,對應(yīng)系統(tǒng)的操作和交互行為,推演分析時空關(guān)系,形成度量指標(biāo);在驗證階段,轉(zhuǎn)化構(gòu)建系統(tǒng)邏輯狀態(tài)模型和時空運動模型,通過模型在環(huán)聯(lián)合運行完成驗證。

根據(jù)上述策略,形成基于模型的編組協(xié)同系統(tǒng)需求捕獲與驗證流程(見圖3)。

圖3 基于模型的FDT系統(tǒng)需求捕獲與驗證流程Fig.3 Model-based FDT system requirements elicitation and verification process

(1) 任務(wù)場景構(gòu)建。承接作戰(zhàn)概念,建立編組協(xié)同任務(wù)類型、任務(wù)流程和片段場景,劃設(shè)內(nèi)外部要素結(jié)構(gòu),創(chuàng)建各片段場景的要素實例。

(2) 系統(tǒng)行為分析。對編組協(xié)同人機(jī)關(guān)系、角色配置和作業(yè)流程進(jìn)行約定,制定系統(tǒng)行為建模語義規(guī)范,分層分解系統(tǒng)活動、操作和交互,建立系統(tǒng)行為模型,進(jìn)而推演時空關(guān)系,形成度量指標(biāo)。

(3) 需求映射定義。基于系統(tǒng)的操作和交互行為及所關(guān)聯(lián)的度量指標(biāo),映射定義系統(tǒng)需求,采取流程活動和功能聚類相結(jié)合的方式,形成系統(tǒng)需求清單,建立需求捕獲映射矩陣。

(4) 模型在環(huán)驗證。轉(zhuǎn)化建立系統(tǒng)邏輯狀態(tài)模型和時空運動模型,通過模型在環(huán)聯(lián)合運行完成需求驗證,建立需求驗證映射矩陣。

為檢驗上述策略和流程并形成具體方法,以下對典型的“二帶二”(由兩架有人戰(zhàn)斗機(jī)和一套一站雙機(jī)的無人機(jī)系統(tǒng)所組成)對地作戰(zhàn)編組協(xié)同系統(tǒng)進(jìn)行需求捕獲與驗證。

3 任務(wù)場景構(gòu)建

3.1 協(xié)同任務(wù)

首先，承接作戰(zhàn)概念確定任務(wù)類型,根據(jù)目標(biāo)戰(zhàn)場實例化分為多個任務(wù)流程。隨后對各任務(wù)流程沿時間軸進(jìn)行分解,按照協(xié)同內(nèi)容和特征,以高覆蓋性和低重復(fù)性為目標(biāo),歸并為一系列片段場景。進(jìn)而分析確定其內(nèi)外部參與要素、基本過程、前置條件、后置條件。

以“二帶二”對地協(xié)同為例,確定協(xié)同廣域封控等3類任務(wù),實例化為時敏偵搜打擊等6個典型任務(wù)流程,分解歸并形成“召喚會合”“指控交接”“協(xié)同定位”等一系列片段場景,采用SysML用例圖表達(dá)協(xié)同任務(wù)類型、任務(wù)流程和片段場景,以及實例化和分解關(guān)系,如圖4所示。

圖4 FDT系統(tǒng)的任務(wù)類型、任務(wù)流程和片段場景Fig.4 Mission type, task process, and scenario of FDT system

3.2 協(xié)同要素

首先,歸并所有片段場景的內(nèi)外部參與要素,進(jìn)行層次化組織,建立全局要素類別,采用SysML語言的塊定義圖建模。由于編組協(xié)同系統(tǒng)的復(fù)雜性,很難針對要素類別一次做到有效的涵蓋和劃分,通常要結(jié)合系統(tǒng)行為分析進(jìn)行多輪迭代。

對于“二帶二”編組協(xié)同系統(tǒng):外部要素涉及上級指揮、體系支援、保障條件、友鄰兵力、作戰(zhàn)對象等;在內(nèi)部要素中,作戰(zhàn)人員和機(jī)載武器只需分解到一級,而作為研發(fā)對象的戰(zhàn)斗機(jī)裝備、無人機(jī)裝備、作戰(zhàn)管理域要進(jìn)行兩級劃分,以滿足系統(tǒng)行為分析和需求映射定義的粒度需要,如圖5所示。

圖5 FDT系統(tǒng)全局要素類別Fig.5 Global element classes of FDT system

其次,針對各片段場景剪裁全局要素類別,采用SysML的內(nèi)部塊圖建立相應(yīng)的要素實例及具體數(shù)量,將其作為系統(tǒng)操作和交互的行為實體,并通過端口和接口實現(xiàn)交聯(lián)。

例如,對“二帶二”對地編組協(xié)同的“召喚會合”片段場景,建立實例化的2架戰(zhàn)斗機(jī)、2名飛行員、2架無人機(jī)、2名操作員、1名行動指揮員,以及1套地基指控系統(tǒng)、1套空基指控組件、1個通信組網(wǎng)域、1個行動指揮域、1個協(xié)同管理域,并進(jìn)一步建立相應(yīng)的二級實例,相應(yīng)的端口和接口交聯(lián)隨系統(tǒng)行為分析逐步確立完善,如圖6所示。

圖6 “召喚會合”片段場景的要素實例Fig.6 Element instances in “on-call rendezvous” scenario

4 系統(tǒng)行為分析

4.1 協(xié)同原則和規(guī)程

建模分析編組協(xié)同系統(tǒng)的行為需要約定規(guī)范化的人機(jī)關(guān)系、角色配置和作業(yè)規(guī)程。

人機(jī)關(guān)系是FDT系統(tǒng)的重要組成方面,與系統(tǒng)智能化程度相互決定[27]。如前所述,在不同任務(wù)類型、流程、場景的不同環(huán)節(jié)中,人類指揮員、操作員、飛行員和人工智能輔助/智能自主系統(tǒng)之間,會呈現(xiàn)出多樣化的人機(jī)關(guān)系。面向需求捕獲,可將編組協(xié)同系統(tǒng)行為,按照“人在環(huán)內(nèi)、人在環(huán)上、人在環(huán)外”劃分為3類[28]，依Sheridan[29]提出的特征等級對人機(jī)關(guān)系進(jìn)一步具體地細(xì)化考慮和設(shè)計,如表1所示。

表1 FDT系統(tǒng)中的人機(jī)關(guān)系

角色配置以系統(tǒng)在戰(zhàn)場中生存并完成任務(wù)為目標(biāo),設(shè)定編組層、單機(jī)層的感知、判斷、規(guī)劃、決策、執(zhí)行、監(jiān)督等角色及相應(yīng)的權(quán)責(zé),以便在建模分析時賦予各片段場景要素實例。例如，在“二帶二”對地協(xié)同的“指控交接”片段場景中,無人機(jī)操作員和戰(zhàn)斗機(jī)飛行員要先后承擔(dān)對無人機(jī)的監(jiān)督角色,并在必要時交接權(quán)責(zé)。

作業(yè)規(guī)程用來規(guī)范系統(tǒng)活動、信息流、指令流、事件響應(yīng)、操作和交互順序等,是系統(tǒng)完成特定作業(yè)時規(guī)范化的邏輯過程。編組協(xié)同主要涉及計劃-準(zhǔn)備-執(zhí)行-評價式[30]的管控規(guī)程、OODA式[31]的對抗規(guī)程、搜索-識別-跟蹤-瞄準(zhǔn)-攻擊-評價式[32]的殺傷規(guī)程等,是分解系統(tǒng)活動、操作和交互時的重要依據(jù)。

4.2 行為建模語義規(guī)范

基礎(chǔ)的SysML語言并不足以支撐和約束編組協(xié)同系統(tǒng)行為模型的構(gòu)建,需要對活動圖、順序圖、狀態(tài)圖中SysML元素的用法、命名、含義、用詞、用色等進(jìn)行規(guī)范,并建立統(tǒng)一的術(shù)語詞典,從而在語義層面規(guī)范化地表述系統(tǒng)活動、操作、交互和邏輯狀態(tài)。

例如，順序圖中采用SysML的“Message 標(biāo)線”來表達(dá)生命線所代表的要素實例自身要完成的操作,而采用“Event Message 標(biāo)線”來表達(dá)要素實例之間要進(jìn)行的交互,同時采用帶前綴式的命名并規(guī)范動詞、名詞的使用,從而便于由模型的操作和交互行為來映射系統(tǒng)的需求,如表2所示。

表2 順序圖中的操作和交互語義規(guī)范

4.3 活動、操作和交互分解

對系統(tǒng)在各片段場景中的活動、操作和交互進(jìn)行分解是捕獲系統(tǒng)需求的關(guān)鍵步驟。編組協(xié)同系統(tǒng),要對應(yīng)要素結(jié)構(gòu)層次,按照協(xié)同原則、規(guī)程和建模語義規(guī)范,采取交錯構(gòu)建活動圖和順序圖的方式,完成兩級分解。

首先,以一級要素和外部要素為對象,用活動圖將任務(wù)流程分解為多個一級活動,進(jìn)而用順序圖將各一級活動分解為一級要素和外部要素的一系列操作和交互；然后,以二級要素為對象對順序圖進(jìn)行分段,用活動圖表達(dá)為多個二級活動,進(jìn)而用順序圖將各二級活動分解為二級要素的一系列操作和交互。例如，分解“二帶二”對地協(xié)同“空中編隊”片段場景,得到“編隊規(guī)劃、編成隊形、編隊航行、編隊解散”幾個一級活動并建立相應(yīng)的一級順序圖;其中“編成隊形”順序圖劃分為“發(fā)起編隊、成隊機(jī)動、機(jī)間防撞”幾個二級活動，并建立相應(yīng)的二級順序圖；進(jìn)一步分解“發(fā)起編隊”得到“戰(zhàn)斗機(jī)飛行員、飛機(jī)系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)及無人機(jī)自主智能、機(jī)載系統(tǒng)的一系列操作和交互”,如圖7所示。

圖7 “空中編隊”片段場景的系統(tǒng)操作和交互分解Fig.7 System operations and decomposition of interactions for “formation flight” scenario

4.4 時空關(guān)系推演分析

基于編組協(xié)同系統(tǒng)邏輯行為和時空關(guān)系協(xié)調(diào)互洽的要求,需構(gòu)建時空關(guān)系模型,結(jié)合系統(tǒng)活動、操作和交互的分解進(jìn)行推演分析,閉環(huán)系統(tǒng)的物理和邏輯運行過程。

推演時,建立戰(zhàn)斗機(jī)和無人機(jī)時空特征的準(zhǔn)動態(tài)計算模型,對航行和機(jī)動過程進(jìn)行設(shè)計,對通信、傳感器、武器的指向、包絡(luò)等進(jìn)行關(guān)鍵點計算,就時間、位置、速度、可見性、覆蓋性等進(jìn)行分析,建立起時空關(guān)系與系統(tǒng)操作和交互之間的關(guān)聯(lián),形成相應(yīng)的度量指標(biāo)。

例如,對“二帶二”對地編組“協(xié)同定位”片段場景進(jìn)行推演分析,為實現(xiàn)在敵地面雷達(dá)形成對戰(zhàn)斗機(jī)的火控跟蹤前完成協(xié)同定位,確保無人機(jī)后續(xù)的武器發(fā)射,可形成戰(zhàn)斗機(jī)和無人機(jī)編成隊形、隊形保持、信號接收、定位處理等操作相對應(yīng)的間距、高差、方位角、協(xié)同定位收斂時長等度量指標(biāo),如表3和圖8所示。

表3 “協(xié)同定位”片段場景時空度量指標(biāo)(部分)

圖8 “協(xié)同定位”片段場景的時空關(guān)系推演分析Fig.8 Deductive analysis of spatial and temporal relationship for “cooperative target locating” segment scenario

5 需求映射定義

需求映射定義從系統(tǒng)行為模型得到條目化的初始系統(tǒng)需求,進(jìn)而采取將流程活動與要素類別相結(jié)合的方式，完成需求歸并和定義。

首先，基于系統(tǒng)行為模型,按一級、二級“葉子”要素類別,將每個操作行為映射為一個操作性需求,將每個交互行為映射為兩個(發(fā)起和接受各一個)交互性需求,并關(guān)聯(lián)度量指標(biāo),得到條目化的初始需求。

進(jìn)而以協(xié)同任務(wù)的流程活動為縱坐標(biāo),以要素類別為橫坐標(biāo),對所有初始需求按照對象、內(nèi)容進(jìn)行梳理歸并,形成需求聚類和條目分解,從而定義形成系統(tǒng)需求,如圖9所示。同時，建立“需求條目-片段場景-系統(tǒng)行為-度量指標(biāo)”的追溯關(guān)系,形成系統(tǒng)需求捕獲映射矩陣。

圖9 由行為模型映射系統(tǒng)需求Fig.9 Mapping from behavior model to system requirements

通過對“二帶二”對地編組協(xié)同的分析,按起飛、會合、指控交接、空中編隊、協(xié)同定位、制導(dǎo)打擊等片段場景及相應(yīng)的一級、二級活動,得到戰(zhàn)斗機(jī)飛行員、無人機(jī)操作員等一類要素及無人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)、自主智能等二類要素的分類需求清單。例如,其中對無人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)明確了一系列編隊、防撞類的交互和操作需求,如表4所示。

表4 無人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)需求清單(部分)

續(xù)表4

6 模型在環(huán)驗證

6.1 邏輯狀態(tài)模型

基于系統(tǒng)的操作和交互行為,生成相應(yīng)的端口和接口,用可運行狀態(tài)圖的方式轉(zhuǎn)化建立系統(tǒng)邏輯狀態(tài)模型。系統(tǒng)行為的正確性和協(xié)調(diào)性問題可通過模型運行被識別。由于已經(jīng)在需求映射時按要素類別進(jìn)行了歸并,在驗證建模時并不需要對不同場景下的邏輯狀態(tài)模型進(jìn)行合并,有效降低了驗證建模和維護(hù)的復(fù)雜度。例如，“二帶二”對地編組協(xié)同“指控權(quán)交接”場景中權(quán)限管理域的可運行邏輯狀態(tài)模型如圖10所示。

圖10 “指控交接”場景權(quán)限管理域的邏輯狀態(tài)模型Fig.10 Logic state model of the authority management domain in “control-authority transfer” scenario

6.2 時空運動模型

將時空關(guān)系推演分析時的準(zhǔn)動態(tài)計算模型轉(zhuǎn)化為動態(tài)仿真模型,建立系統(tǒng)時空運動模型,并實現(xiàn)與系統(tǒng)邏輯狀態(tài)模型的雙向信息交換和運行驅(qū)動。系統(tǒng)需求的合理性問題、系統(tǒng)邏輯行為和時空關(guān)系的互恰性問題、度量指標(biāo)的有效性問題等可通過模型聯(lián)合運行被識別,如圖11所示。

圖11 邏輯狀態(tài)模型與時空運動模型聯(lián)合運行Fig.11 Joint operation of logic state model and spatial-temporal motion model

6.3 聯(lián)合運行驗證

根據(jù)各片段場景的一級活動、二級活動構(gòu)建測試?yán)?聯(lián)合運行系統(tǒng)邏輯狀態(tài)模型和時空運動模型,對照系統(tǒng)需求清單逐條驗證系統(tǒng)需求,形成“需求條目-測試?yán)?邏輯狀態(tài)-時空運動”的系統(tǒng)需求驗證跟蹤矩陣,如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)需求驗證跟蹤矩陣(部分)Fig.12 System requirements verification tracking matrix (in part)

通過對系統(tǒng)需求的合理性、完備性、一致性進(jìn)行檢查,對發(fā)現(xiàn)的問題可通過需求捕獲映射矩陣進(jìn)行追溯,對需求定義、度量指標(biāo)或系統(tǒng)行為等做出修訂。特別是對態(tài)勢變化、通信中斷、突發(fā)故障等“雨天”過程,模型在環(huán)驗證需要對編組協(xié)同系統(tǒng)的動態(tài)需求進(jìn)行有效驗證。

7 應(yīng)用效果

應(yīng)用上述策略、流程和方法開展基于模型的“二帶二”對地FDT系統(tǒng)需求捕獲與驗證,多個專業(yè)聯(lián)合工作3個月,高效完成了6個任務(wù)流程共11個任務(wù)場景的系統(tǒng)行為分析、需求映射定義和模型在環(huán)驗證。對戰(zhàn)斗機(jī)、飛行員等4類一級要素和無人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)等17類二級要素,共定義形成246條操作性需求、558條交互性需求,并為其中83條需求關(guān)聯(lián)了時空度量指標(biāo)。

捕獲與驗證結(jié)果經(jīng)過匯總,向后續(xù)研發(fā)主體進(jìn)行了移交,包括:按要素結(jié)構(gòu)組織的系統(tǒng)需求清單、需求捕獲映射矩陣、需求驗證跟蹤矩陣;按任務(wù)場景組織的系統(tǒng)行為模型、時空關(guān)系推演模型、邏輯狀態(tài)模型、時空運動模型。這些模型化的系統(tǒng)需求及相應(yīng)的捕獲與驗證依據(jù),能夠為后續(xù)的編組協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)提供清晰、有效的開發(fā)目標(biāo)和設(shè)計指導(dǎo)。

8 結(jié) 論

本文面向FDT系統(tǒng)需求捕獲與驗證,提出了基于模型的策略、流程及具體方法,并以“二帶二”對地編組協(xié)同為例驗證了方法的有效性。研究表明:

(1) 采取“整體納入跨裝備協(xié)同要素,將分析建模和驗證建模分開,劃設(shè)可分拆的模型層次,制定必要的協(xié)同原則、規(guī)程和建模語義規(guī)范,同步考量邏輯行為與時空的關(guān)系”的策略,能夠有效應(yīng)對編組協(xié)同系統(tǒng)多元一體、關(guān)系多變而又必須協(xié)調(diào)互洽的復(fù)雜性特征,適于工程總體開展系統(tǒng)需求捕獲與驗證;

(2) 按照“任務(wù)場景構(gòu)建、系統(tǒng)行為分析、需求映射定義、模型在環(huán)驗證”的流程,建模難度和工作量符合國內(nèi)研發(fā)實際,可多專業(yè)并行開展,能夠在幾個月的時間內(nèi)高效完成編組協(xié)同系統(tǒng)數(shù)十類要素、近千條需求的捕獲和驗證;

(3) 通過構(gòu)建協(xié)同任務(wù)類別、任務(wù)流程和片段場景,劃設(shè)內(nèi)外部要素結(jié)構(gòu),規(guī)范人機(jī)關(guān)系、角色配置和作業(yè)規(guī)程,基于適用的建模語義規(guī)范分層分解系統(tǒng)活動、操作和交互行為,推演時空度量指標(biāo),映射定義系統(tǒng)需求,能夠?qū)崿F(xiàn)對編組協(xié)同系統(tǒng)需求的正向捕獲;

(4) 通過構(gòu)建系統(tǒng)邏輯狀態(tài)模型和時空運動模型,對應(yīng)各片段場景完成模型在環(huán)聯(lián)合運行,能夠?qū)幗M協(xié)同系統(tǒng)需求的合理性、邏輯行為與時空關(guān)系的互恰性、度量指標(biāo)的有效性實現(xiàn)早期驗證,從而為后續(xù)研發(fā)確立清晰、有效的開發(fā)目標(biāo)和設(shè)計指導(dǎo)。