基于MBSE的開放式艦炮武器裝備研究

馮源，姚忠，荀盼盼，王瑞

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

基于模型的系統(tǒng)工程(Model Based Systems Engineering，MBSE)相對于傳統(tǒng)的依托文檔的設計方法而言，采用數(shù)字化建模的方法替代文檔編寫進行系統(tǒng)設計，融合了多學科環(huán)境并且與仿真相結(jié)合，通過模型的方法對系統(tǒng)進行研制并貫穿全過程。MBSE從需求分析階段出發(fā)，產(chǎn)品的系統(tǒng)設計也通過模型的不斷迭代來實現(xiàn)。建立的模型可更直觀地展現(xiàn)產(chǎn)品初期的結(jié)構(gòu)、功能以及行為，可以根據(jù)需求的變化迅速調(diào)整模型；同時，通過數(shù)據(jù)仿真分析可以確定是否滿足需求指標的要求，從而進行修改。

目前，MBSE在各個領域得到了廣泛的應用實踐[1-2]。在國外，美國在軍事領域進行了很多成功的應用。尤其在艦船和飛機的結(jié)構(gòu)設計、作戰(zhàn)系統(tǒng)研發(fā)等方向進行了深入研究，例如，艦船推進系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計、基于不同平臺的“宙斯盾”作戰(zhàn)系統(tǒng)、各版本的F-35、洛克希德·馬丁公司開發(fā)的潛艇聯(lián)邦作戰(zhàn)系統(tǒng)等，使用MBSE的設計模式，使用SysML等系統(tǒng)建模語言，可以跨平臺地進行建模，在行業(yè)里形成了一定的規(guī)范與約束，為后續(xù)更多系統(tǒng)的開發(fā)積累了經(jīng)驗，提供了參考。

在國內(nèi)，近幾年中國航天科工集團、航天科技集團、中航工業(yè)等也開始應用MBSE[3-4]。中國航空工業(yè)集團公司在殲擊機等產(chǎn)品開展不同程度的MBSE工程應用；中國運載火箭技術(shù)研究院、中國空間技術(shù)研究院、中國飛航技術(shù)研究院等科研院所成立MBSE研究小組,在研究過程中國內(nèi)也推出了M-Design,基于Modelica語言的MWorks等軟件平臺來充分滿足產(chǎn)品設計開發(fā)的要求，形成從需求分析到架構(gòu)設計再到仿真驗證的一個閉環(huán)流程。

綜上來看，MBSE的應用主要集中在航空航天領域，在艦船領域尤其是艦炮武器方向的應用實例較少。近些年來，隨著信息技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)普遍采用基于商用主流技術(shù)和標準規(guī)范的開放式體系結(jié)構(gòu)，該體系架構(gòu)基于“全艦計算環(huán)境”，實現(xiàn)了信息資源共享、高可靠性和擴展靈活等特點[5]。艦炮武器裝備作為作戰(zhàn)系統(tǒng)的火力單元，其系統(tǒng)配置、結(jié)構(gòu)組成、使用環(huán)境情況同樣復雜多樣。傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程很難滿足這種復雜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致性以及需求可追溯，且文檔的開發(fā)方式自動化程度較低，大大降低了開發(fā)效率。筆者使用MBSE的方法，可以通過圖形化、結(jié)構(gòu)化和模型化的方法，使復雜的艦炮武器裝備設計過程變得清晰、規(guī)范，提高了開發(fā)效率，為艦炮武器裝備的設計提供了一種新的思路。

1 MBSE理論概述

MBSE由國際系統(tǒng)工程協(xié)會(International Council on Systems Engineering, INCOSE)2007年提出至今，已逐漸發(fā)展成熟。建模語言、建模方法和建模工具三大支柱基本完善。

MBSE是一種“模型驅(qū)動”的方法，通過方框構(gòu)建基本的用例、活動和狀態(tài)等視圖模型，通過模型描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、行為和狀態(tài)。

在建模語言方面，系統(tǒng)建模語言(SysML)由統(tǒng)一建模語言(UML)發(fā)展而來，在UML2.0的基礎上重新定義。針對系統(tǒng)工程，與UML圖有所不同的是，SysML定義了9種基本類型的圖，從模型的不同描述角度來劃分，建模過程中常用的SysML圖主要有需求圖、用例圖、活動圖、順序圖和狀態(tài)機圖等。SysML圖的分類如圖1所示。

在建模方法方面，主要有美國國防體系框架(DoDAF)、INCOSE提出的面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)工程方法(OOSEM)以及IBM提出的Harmony-SE(Harmony for Systems Engineering)等方法。Harmony-SE方法采用系統(tǒng)工程開發(fā)的V模式，相較于OOSEM等方法，其支持模型驅(qū)動的設計過程，整個設計過程中實現(xiàn)了從需求到物理結(jié)構(gòu)建模的不斷迭代，確保了模型的正確性和完整性。因此，對開放式艦炮武器裝備的研究采用該方法,從需求分析、功能分析和設計綜合三個方面分別進行建模。圖2為Harmony系統(tǒng)的開發(fā)流程，V形圖左側(cè)“下降沿”從需求分析到設計驗證描述了正向設計的過程，將系統(tǒng)進行分解，V形圖的右半部分“上升沿”是對系統(tǒng)的層層驗證，顯示了自下而上的從單元測試到最終系統(tǒng)驗收的集成過程。

2 開放式艦炮武器裝備的需求與功能

2.1 需求分析

需求分析階段主要目的是將用戶需求中的功能需求篩選出來，根據(jù)不同的功能需求建立相應的用例?；陂_放式體系架構(gòu)的思想，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)可由圖3來描述[6]。艦炮武器裝備作為火力單元進行需求圖建模時[7]，將一級需求定義為作戰(zhàn)任務需求，根據(jù)此需求逐級向下分解，得到如圖4所示需求圖。

用例圖建模建立在需求圖的基礎上，主要包含參與者、用例以及在兩者之間起交互作用的系統(tǒng)邊界。建模過程大致分為兩個階段：首先根據(jù)頂層需求建立系統(tǒng)的頂層用例模型；之后，通過對頂層用例的分析捕獲和分解得到系統(tǒng)的子用例。如圖5所示為艦炮武器裝備打擊目標的用例模型，矩形表示艦炮武器裝備的邊界，人形表示與裝備交互的參與者，矩形中的橢圓表示一個系統(tǒng)的用例(功能)。根據(jù)需求分析結(jié)果得到指揮決策、火力控制、火力打擊和維修保障4個用例以及操作人員和維修保障人員和敵方目標3個參與者。

2.2 功能分析

功能分析是建模過程中最重要的階段，根據(jù)上文的用例分析得到圖6所示艦炮武器裝備功能視圖。其主要功能流[8]：接收來自無人機、衛(wèi)星和編隊等提供的目標、目標域信息，獲取目標的位置及運動姿態(tài)等，結(jié)合導航設備提供的己艦參數(shù)等信息進行信息融合；火控設備根據(jù)獲取到的信息完成艦炮諸元解算，根據(jù)作戰(zhàn)需要發(fā)射常規(guī)彈或制導炮彈；火力打擊完成后進行毀傷效果評估，進行彈道修正。

功能分析階段無需對系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行研究，只需通過活動圖、序列圖和狀態(tài)圖等描述系統(tǒng)與外部信息的交互情況以及在各種信息發(fā)生改變時系統(tǒng)的狀態(tài)變化，因此也稱為黑盒設計階段。此階段的主要目的是將需求分析得到的功能需求與用例轉(zhuǎn)化為對系統(tǒng)功能的描述。

在此階段，以第一步中需求分析的結(jié)果為基礎，分析出系統(tǒng)實現(xiàn)這些功能所需要執(zhí)行的一系列活動并分析各活動之間以及活動與參與者之間的信息交互；再根據(jù)每個執(zhí)行的活動序列，構(gòu)建相應的狀態(tài)機圖。

活動圖能夠描述艦炮武器裝備打擊目標過程中的功能流，其中每一個活動節(jié)點都代表一個功能；在活動圖的基礎上建立序列圖可以描述艦炮武器裝備打擊目標時各系統(tǒng)分別對應的功能以及實現(xiàn)功能的先后順序，并通過序列圖的“消息”表示各系統(tǒng)間的信息傳遞；狀態(tài)機圖可以描述當艦炮武器裝備受到某一事件驅(qū)動或者由于時間改變而做出相應變化的一種狀態(tài)，清晰地描述某一任務在受到不同觸發(fā)條件所做出的不同狀態(tài)變換或者受同一觸發(fā)事件影響時，系統(tǒng)對該事件做出的不同反應。

根據(jù)上述功能視圖可以得到打擊目標的黑盒活動圖，如圖7所示。

3 設計綜合

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計綜合階段要把前期獲取到的需求和功能同系統(tǒng)及子系統(tǒng)(體系)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相結(jié)合，來描述各個子系統(tǒng)在完成某項任務時所做出的各種動作以及信息的交互情況，因此這一階段也稱為白盒分析階段。該階段細化了功能分析階段的視圖模型，在子系統(tǒng)以及組件級系統(tǒng)的基礎上進行建模，對活動圖、序列圖和狀態(tài)機圖進行細分，分析艦炮武器裝備子系統(tǒng)間完成任務的動作關系、信息傳遞以及交互接口。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計綜合階段可以分為架構(gòu)分析和架構(gòu)設計兩個子階段。

架構(gòu)分析階段以功能分析階段為基礎，確定系統(tǒng)的動作、狀態(tài)和模式，將相關的狀態(tài)/功能分配到系統(tǒng)架構(gòu)中。架構(gòu)設計階段的目標是設計出功能需求和非功能需求的架構(gòu)結(jié)構(gòu)，得到一種最優(yōu)的系統(tǒng)架構(gòu)，從而在該階段將用例相關的黑盒視圖轉(zhuǎn)化為白盒視圖。

通過對艦炮武器打擊目標的活動分析，得到圖8所示打擊目標時的信息流[9]。無人機、衛(wèi)星、艦載傳感器等自主識別敵方目標，將敵方目標的位置和運動等信息傳遞給指揮控制分系統(tǒng)；綜合利用各種信息對目標運動要素進行解算，綜合導航設備傳輸?shù)募号炞藨B(tài)、位置、速度等信息進行艦炮控制參數(shù)解算，向艦炮發(fā)送射擊諸元；武器系統(tǒng)持續(xù)鎖定目標，對目標進行持續(xù)跟蹤；艦炮隨動系統(tǒng)根據(jù)諸元要求位置，將火力分系統(tǒng)調(diào)炮到位，同時進行彈種識別，發(fā)送供彈指令；彈庫按指令供彈，由裝填系統(tǒng)將所需彈藥裝填到發(fā)射系統(tǒng)；由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射炮彈，若發(fā)射常規(guī)彈，武器裝備自動獲取打擊效果，進行評估、誤差分析與彈道修正；若發(fā)射制導炮彈，炮彈將裝定目標/己艦信息、射擊/控制參數(shù)后發(fā)射，飛行過程中將獲取的目標信息回傳并進行彈道調(diào)整，直至擊中目標。

基于艦炮武器裝備打擊目標時的信息流，可以分析得到系統(tǒng)內(nèi)外做出的動作以及系統(tǒng)整體與上級系統(tǒng)以及各子系統(tǒng)間的接口關系，更加詳細地描述作戰(zhàn)過程中各系統(tǒng)間信息內(nèi)容[10]，如圖9所示。

在此基礎上，將參與打擊目標的艦炮武器裝備實例化，將艦炮武器裝備主要分解為艦炮、指揮控制和彈藥等。將得到的各個子系統(tǒng)通過泳道的形式顯示到模型中，根據(jù)黑盒活動圖中的活動流，把每一個活動所需要的子系統(tǒng)與泳道一一對應，此時，各個子系統(tǒng)對應了完成打擊任務的所有活動流，形成白盒活動圖[11]，如圖10所示。

通過已建立艦炮武器裝備的視圖模型可以清晰看到艦炮武器裝備結(jié)構(gòu)的組成，對敵目標作戰(zhàn)流程以及對敵作戰(zhàn)時武器裝備內(nèi)每個子系統(tǒng)所承擔的各自任務。

4 結(jié)束語

在大型復雜系統(tǒng)研制過程中，傳統(tǒng)以文檔為基礎的系統(tǒng)工程保留了大量非結(jié)構(gòu)化冗余信息，設計師還要耗費大量時間維護文檔信息同步，除此之外，設計師一般在系統(tǒng)實施階段才能發(fā)現(xiàn)需求分析和設計階段的錯誤。相比之下，MBSE在建模過程中同時進行需求追溯，能夠保證模型的正確性和一致性。筆者提出了基于MBSE的針對開放式艦炮武器裝備系統(tǒng)的設計方法。從需求分析、功能分析和設計綜合3個階段構(gòu)建艦炮武器裝備的總體功能結(jié)構(gòu)以及從總體到各個系統(tǒng)的功能映射。通過圖形化的建模使整個設計過程變得清晰，可以通過不斷的設計迭代保證功能模型的準確性，大大提高了設計效率。