基于能力的装备型号体系结构开发方法

张 猛，郭齐胜，王晓丹

(1.装甲兵工程学院装备指挥与管理系，北京100072;2.66379部队，内蒙古 呼伦贝尔021200;3.95971部队，湖北广水432701)

武器装备型号需求生成是一项复杂的系统工程，美军采用了联合能力集成与开发系统作为武器装备需求决策的关键手段，形成了围绕能力展开的需求分析、方案评估、集成与实施开发程序，为装备型号发展提供了有力的支持。在我军装备型号需求生成过程中，需求生成支撑技术较为薄弱，急需提高相关理论水平、创新需求生成方法以及开发需求生成工具，快速向装备型号需求生成工程化发展模式转变。针对装备型号需求生成的复杂性，本文提出基于能力的装备型号体系结构开发思路和方法，提供体系结构开发的模型化方法支持，有助于解决不同领域需求之间的缺少追溯性以及复杂装备需求迭代开发困难的问题。

1 装备型号需求生成复杂性分析

1.1 基于能力的装备型号需求生成

装备型号需求生成需要考虑装备型号在装备体系中对使命任务的支撑作用，经过任务分析得到能力，由能力向装备功能系统、子系统、部件转化，遵循了“任务域－子任务－能力－系统功能模块－子系统/部件－装备型号”的需求生成规律［1-3］，如图1所示。

图1 基于能力的装备型号需求生成

假设n个作战任务分解得到m个作战子任务，m个作战子任务得出q个作战能力。一般规律是n数值小于m数值，m数值大于q数值，q数值大于n数值。也就是说，作战任务域中的基元任务数量较少，能够进一步分解的子任务数量较多，不同子任务可能需要相同的作战能力，因此作战能力数量少于作战子任务数量。

假设q个作战能力得出w个系统功能模块，w个系统功能模块组成了p个子系统/部件。一般规律是q数值小于w数值，w数值大于p数值。也就是说，一个作战能力的实现往往需要多个装备功能，多个作战能力需要更多的装备功能，而多个装备功能必定会集成起来体现在尽量少的子系统/部件中。

1.2 基于装备型号系统单元的能力集成

不同作战任务之间进行协同构成了不同的作战样式，完成某一作战样式下的某一作战任务，需要组成装备型号的多个子系统相关功能进行协作才能够完成。装备型号作战能力通过完成作战任务域的各个系统单元模块集成实现，如图2所示。

纵向上，各个装备子系统为了完成同一个作战任务需要功能和接口之间互相支持;横向上，各装备子系统在完成不同的任务中需要具备相应的功能。通过横向和纵向上的综合集成，实现了装备型号应该具备的各种作战能力。

图2 基于装备型号系统单元的能力集成

虽然装备型号种类繁杂，但在需求层面具有一定的普遍相似性。例如信息化程度较高的装备型号与以机械化为主的装备型号，都具备功能、结构、节点、接口方面的系统需求，不同的是电子设备之间的功能实现依靠数据信息交换，机械设备之间的功能实现依靠物理信息交换。本文提出的基于能力的装备型号体系结构开发方法，主要面向电子信息类装备型号，对于其他类型装备型号也具有一定的适用性。

2 装备型号作战体系结构开发

将作战体系结构开发看作是一个黑盒。黑盒的输入是作战任务域，也就是基元任务;黑盒的输出是作战活动相关信息，包括作战活动、作战节点、信息交互需求［4-5］。装备型号作战体系结构开发流程如图3所示。

1)作战行动构想设计

依据输入的作战任务域，对基元任务进行作战行动构想设计，重点描述装备型号在作战想定下的作战需求。通过作战行动基本构想提出、作战阶段分析、基本作战流程分析三大环节，得到作战行动有关信息。

构建作战行动的实施背景，包括范围(时间要求和模型范围)、作战目的、敌方威胁、我方资源、作战环境、作战限制条件等内容。通过调用作战想定库、作战样式库，设计作战行动构想的作战阶段，包括发生什么、谁做什么、在什么命令指导下、实现什么目标。针对作战阶段中的重要时节进行设计，为作战基本流程分析提供基础。利用流程图分析法对各作战阶段遇到的军事问题进一步分析，得到作战行动相关信息，包括作战行动、参与作战行动的作战人员。

2)作战活动模型构建

图3 装备型号作战体系结构开发流程

作战活动模型重点描述的是作战活动以及活动之间的输入与输出信息流。首先，建立作战活动层次图，按照父子关系将作战活动分解为多个子活动，可以通过结构化的活动树图实现。接着，建立作战活动流程图，按照作战活动的层次结构构建内部的和外部的作战活动关系，可以使用输入、控制、输出和机制线完成作战活动信息流。作战活动模型是构建作战能力分析模型的基础，是将作战能力域与作战任务域建立关联关系的关键。

3)组织类型/关系分析

依据作战行动构想提出的具体作战活动模型，对参与作战活动过程的作战人员进行分析。通过构建组织模型图，建立组织单元及其角色的层次图，包括作战单元的组成以及作战角色之间的指挥结构或关系，例如指挥、控制、服从、协作关系等，体现出命令或者决策信息的传达。

4)作战节点分析

当作战活动中出现作战人员时，按照作战组织与角色的关系类型提出作战节点，并将组织与角色映射到作战节点。当作战活动中没有出现作战人员时，说明作战活动由装备型号自行完成，按照装备型号作战功能类型提出作战节点，并将作战活动直接映射到作战节点。

5)作战活动/作战节点/角色分析

通过环节1)－2)可以得到作战行动/作战活动的关联关系。通过环节1)－3)可以得到作战行动/组织角色的关联关系。通过环节1)－4)可以得到作战行动/作战节点的关联关系。将不同环节建立的关联关系进行整合，使用关联矩阵指定什么作战活动发生在什么作战节点，建立作战活动/作战节点/角色的三元关系。

6)作战活动/作战节点/信息交互需求

通过建立作战活动/作战节点/角色的三元关系，得到完成作战活动的作战节点间的信息交互需求，进而建立不同作战节点之间的需求线。信息交互需求和需求线生成建立在前期环节分析的基础上，包括作战活动模型、组织与角色以及作战节点相关信息的输入和输出。

7)作战信息交换矩阵构建

通过构建作战信息交换矩阵，对信息交互需求的信息要素及其相关属性进行标志，包括谁与谁交换了什么信息、信息是否有效、交换途径等。环节1)－6)分析得到的装备型号作战活动、作战节点、信息交互需求都属于静态模型，从结构性方面强调作战体系结构的组成结构。环节7)立足信息交互需求，判断作战节点之间的作战活动是否正确有效，实现了作战体系结构静态模型的验证。

8)作战行为模型构建

针对装备型号作战体系结构，主要从3个方面进行作战行为模型的构建，分别是作战规则描述、作战状态转换描述以及作战事件时间跟踪描述。

3 装备型号系统体系结构开发

将系统体系结构开发看作是一个黑盒。黑盒的输入是作战能力域，也就是作战能力;黑盒的输出是系统功能相关信息，包括系统功能、系统节点、数据交互需求［4－5］。装备型号系统体系结构开发流程如图4所示。

1)系统功能构想设计

图4 装备型号系统体系结构开发流程

依据输入的作战能力域，对作战能力进行系统功能构想设计，重点描述装备型号在满足作战能力下的装备需求。通过系统应用构想设计、系统功能/结构提出、系统功能流程分析三大环节，得到系统功能有关信息。

根据作战能力构建装备型号的应用背景，包括应用目的、使用范围、战场环境、应用限制条件等内容。通过调用装备功能库，提出满足各种作战能力需求的系统功能;通过调用装备结构库，提出能够实现所有系统功能的系统结构。设计装备型号应用构想的系统工作阶段，包括发生什么功能、由哪些系统实体完成、在什么条件下、实现什么效果，为系统功能流程分析提供基础。利用流程图分析法对各工作阶段进一步分析，系统功能相关信息包括系统功能、系统结构、系统实体等。

2)系统功能模型构建

系统功能模型重点描述的是系统功能、功能间的数据交换关系以及分解后的组成要素。采用树状图表述系统功能及子功能的分层模型，采用数据流图表述系统功能数据流。系统功能模型构建有3个主要目的:一是清楚地描述每个系统输入、输出的数据流;二是确保系统功能的完整性;三是确保系统功能分解到合适的粒度。

3)系统结构/实体分析

在系统功能构想设计的前提下，参考装备结构库提出系统总体构成方案，包括系统的构成方式以及系统实体概念。通过构建系统结构图，建立系统结构的总体框架以及系统实体主要组成。系统结构的总体框架主要取决于系统功能构想设计中的系统应用构想设计，根据作战能力可能采取的作战方式，提出合适的系统结构构成模式，例如硬结合、软结合、软硬结合等。在得到系统结构的基础上，提出装备结构布局中的主要系统实体，例如情报侦察子系统、网络指挥与网络通信子系统、战场指挥子系统等。

4)系统节点分析

通过将系统节点与作战节点进行关联，为系统节点分析提供参考依据。作战节点描述的是组织、组织类型和人物角色;系统节点描述的是驻留在作战节点上(例如平台、单元、功能以及位置)或者存在于支持作战节点的系统节点上的相关系统。系统节点间或系统间存在节点接口，可以使用连线表示接口间的连接路径。系统节点分析可以从2个方面展开:一是系统节点间分析，描述系统节点及其之间的接口或者驻留在系统节点上的系统;二是系统节点内分析，描述单独系统内的子系统及其之间的接口。

5)系统功能/系统节点/系统实体分析

通过环节1)－2)可以得到功能构想/系统功能的关联关系。通过环节1)－3)可以得到系统结构/结构实体的关联关系。通过环节3)－4)可以得到结构实体/系统节点的关联关系。将不同环节建立的关联关系进行整合，类似作战体系结构开发中的作战活动/作战节点/角色分析，使用关联矩阵建立系统功能、在哪里完成系统功能的系统节点以及完成系统功能的系统实体之间的三元关系。

6)系统功能/系统节点/数据交互需求

在已经指定系统功能、功能之间的数据流、系统节点(哪里完成的)以及系统实体(是谁完成了它们)的基础上，能够得到系统节点间的数据交互需求，进而建立不同系统节点之间的系统接口线。

7)系统数据交换矩阵构建

通过构建系统数据交换矩阵，将数据交互需求的数据要素及其相关属性进行标志，包括交换了什么数据、数据是否有效、交换途径等。环节1)－6)分析得到的装备型号系统数据、系统节点、数据交互需求都属于静态模型，从结构性方面强调系统体系结构的组成结构。环节7)立足数据交互需求，判断系统节点之间的系统功能是否正确有效，实现了系统体系结构静态模型的验证。

8)系统行为模型构建

针对装备型号作战体系结构，主要从3个方面进行系统行为模型的构建，分别是系统规则描述、系统状态转换描述以及系统事件时间跟踪描述。

4 装备型号体系结构关联开发

为了满足作战能力的需求，将装备型号作战体系结构与系统体系结构进行关联，建立作战能力对装备系统的映射关系［6-10］。装备型号体系结构关联开发流程如图5所示。

图5 装备型号体系结构关联开发流程

1)作战任务－作战能力关联

按照装备型号需求生成结构化流程，由作战任务域向作战能力域进行转化，形成了“任务源－基元任务－顶层能力－子能力”的关联关系，并对各项作战能力在作战任务域的相对价值进行打分，得到作战能力的重要度排序。

2)作战能力－作战活动关联

由于作战能力域是根据作战活动及其属性进行能力分析而得出的，那么在不同的作战想定和作战模式下，会提出特定的作战能力。作战能力分析模型构建在一系列作战活动的基础上，形成了“作战活动－作战能力”的关联关系。由作战能力去冗余性得到了精简的作战能力集合，需要对原有的“作战活动－作战能力”关联关系进行修正。将作战能力域中的作战能力重新指派给作战任务域下的各项作战活动，建立“作战能力－作战活动”的关联关系。

3)作战活动－系统功能关联

装备型号与作战任务紧密相关，装备资源是组成作战任务分析模型的重要机制之一。通过将作战活动与系统执行的系统功能建立关联，将作战需求转换成有目的的系统执行活动，体现装备型号对作战活动的支持细节。

4)系统功能－系统实体关联

在系统功能分析中的“系统功能/系统节点/系统实体分析”环节，已经建立了“系统功能－系统实体”的关联关系。通过环节1)－4)，实现了“作战任务－作战能力－作战活动－系统功能－系统实体”的映射关系，从而使作战能力和支持作战能力的系统实体关联起来，可以使论证人员能迅速辨认作战能力差距、“烟囱”系统、冗余/重复建设系统。作战能力－作战实体关联矩阵主要存在以下几种情况，如图6所示。

(1)系统功能缺失

作战能力1下的作战活动B没有相应的关联项。表示装备系统对作战能力的支持存在缝隙，不能够完全支持某一作战能力下的所有作战活动。说明系统功能构想设计存在缺项，应该有针对性地补充相应的系统功能。

(2)系统接口缝隙

图6 作战能力－作战实体关联矩阵

作战能力1下的作战活动A存在2个关联项，分别是系统1的系统功能A和系统2的系统功能E。判断不同系统实体下系统功能之间的关系:如果系统功能A的实现依赖于系统功能E，或者系统功能E的实现依赖于系统功能A，则系统功能A与系统功能E之间必然存在数据交互需求。说明作战活动A需要系统1中系统功能A与系统2中系统功能E的协作，系统1与系统2之间必须具备相应的系统接口。

(3)系统功能冗余

作战能力1下的作战活动A存在3个关联项，分别是系统1的系统功能A、C和系统2的系统功能F。判断不同系统实体下系统功能之间的关系:如果系统功能A、C的实现不依赖于系统功能F，反之亦然，则系统功能A、C与系统功能F彼此独立。说明作战活动A既可以由系统1中系统功能A、C完成，也可以由系统2中系统功能F完成，系统1与系统2对作战活动A的支持存在冗余现象。根据实际情况，需要衡量是否精简系统实体下的系统功能或者保留冗余系统功能以提高系统的抗风险性。

5 结论

本文剖析了装备型号需求生成的复杂性，给出了装备型号作战体系结构、系统体系结构以及体系结构关联开发的方法和步骤，形成了一系列有序的、追溯性强的、可验证的装备型号需求开发流程。通过基于能力的装备型号体系结构开发，促进了装备型号作战体系结构与系统体系结构的关联映射，确保了装备型号系统实体对作战能力的有效支持，为装备型号需求生成提供了重要的、关键的技术支持。但是，有些问题的研究还不够深入和细致，距离装备型号需求生成的全要素分析还存在很大差距，需要对相关流程的规范化和方法的模型化作出更进一步的研究。

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