装备体系任务可靠性建模方法

王宏宇， 吴 纬， 魏艳艳

(1. 装甲兵工程学院技术保障工程系, 北京 100072； 2. 北京特种车辆研究所, 北京 100072； 3. 陆军航空兵学院航空机械工程系, 北京 101123)

装备体系任务可靠性建模方法

王宏宇1,3， 吴 纬2， 魏艳艳3

(1. 装甲兵工程学院技术保障工程系, 北京 100072； 2. 北京特种车辆研究所, 北京 100072； 3. 陆军航空兵学院航空机械工程系, 北京 101123)

从作战任务、体系结构关系和系统构成这3个因素入手，通过分析装备体系内信息描述需求，归纳出可靠性视角下的国防部体系架构框架(Department of Defense Architecture Framework,DoDAF)视图产品，并总结出装备体系任务可靠性模型开发流程，在此基础上建立了相应的静态模型和动态模型，最后通过具体实例进行了验证。

装备体系； 任务可靠性；DoDAF； 形式化描述

装备体系可靠性分为基本可靠性和任务可靠性[1]。由于装备体系的规模大，构成装备体系的系统和平台数目多，装备体系的基本可靠性通常处于比较低的水平，因此基本可靠性很难直接反映出装备体系的作战能力。目前，越来越多学者认识到装备体系的任务可靠性是影响装备体系作战能力的直接因素[2-3]，其已成为当前装备体系研究的新热点。

对于内部结构复杂的装备体系，如何建立起相对完备的任务可靠性模型是分析问题的关键。目前，对装备体系建模的相关研究较多，如：潘星等[4]从作战任务角度出发，以4元组(目标、装备、活动、关系)为基础，建立了装备体系的任务描述模型；谭跃进等[5]以作战环网络为基础，建立了装备体系结构的作战网络模型，并分析了体系拓扑结构对装备体系作战能力的影响；熊健等[6]探讨了装备体系结构的总体框架，并归纳了建立体系可执行模型的方法和步骤。

目前，对装备体系任务可靠性模型的研究鲜见报道，为此，笔者以美国国防部体系架构框架(Department of Denfense Architecture Framework,DoDAF)为基础，通过分析装备体系内信息描述需求，归纳出可靠性视角下的DoDAF相关视图产品[7]，给出装备体系任务可靠性模型的开发流程，并通过具体实例进行验证。

1 影响装备体系任务可靠性的重要因素描述

Dijkman认为设计中的系统有3种存在形式：真实世界中的系统、概念世界中的视图和符号世界中的模型[8]。人们往往从不同角度去认识真实世界中的系统，虽然真实世界中的系统只有一个，但在不同的视角下可以产生不同符号世界中的模型。可见：体系结构描述可以包含一个或多个视图，每个视图又包含多个视图产品，视图产品可以由一个或多个模型表示，所有的视图产品构成了体系结构模型。

因此，如果要建立装备体系任务可靠性模型，就需要在可靠性视角下对其进行描述，归纳出相关的概念模型。作战任务、体系结构关系和系统构成[9]是影响装备体系任务可靠性的3个重要因素，也是建立装备体系任务可靠性模型的3个重要关注点，因此，准确对装备体系内的这3个因素进行描述，是建立装备体系任务可靠性模型的前提。

1)作战任务描述

(1)任务目标。任务是装备体系存在的目的和基础，为了从总体上把握装备体系的使命任务，了解装备体系的作战目标，需要构建作战任务场景，增强建模人员对作战任务场景的理解。可以利用DoDAF视图产品中的高层作战概念图(OV-1)来构建作战任务场景，明确作战任务总目标。

(2)任务层次。为了进一步描述装备体系的任务构成，需要将任务进一步分解，梳理出任务之间的聚合关系，从而在可靠性评估中，通过自底向上的分析聚合出装备体系的任务可靠性。可以利用DoDAF视图产品中的作战活动分解树(OV-5a)来描述作战任务之间的层次关系。

(3)任务逻辑关系。任务在执行过程中存在复杂的逻辑关系，如“与”、“或”关系等，任务之间的逻辑关系直接影响上层任务的可靠性水平。因此，需要在任务层次描述中引入逻辑关系，对任务进行进一步描述。可以利用DoDAF视图产品中的作战活动模型(OV-5b)来描述作战任务中任务活动以及任务逻辑关系的需求。

(4)任务时长。装备体系内的各类武器装备在执行不同类型的任务时，各个任务执行的时间长短不尽相同，执行任务的持续时间是任务可靠性建模的重要因素。可以利用DoDAF视图产品中的任务事件跟踪/描述图(OV-6c)来描述装备执行任务的时长信息，适用于作战事件分析以及行为分析。

2)体系结构关系描述

体系结构是指装备体系内各装备间的通信、指挥控制、后勤和火力支援等关系。在信息化作战条件下，大多数武器装备以网络为中心共享信息。装备体系任务可靠性不仅仅依赖单一武器装备性能，还更多地依赖体系内的结构关系对体系内部的影响。装备体系任务可靠性需要对体系内部的这种结构关系进行描述，在DoDAF视图产品中，可以通过作战节点连接关系描述(OV-2)、系统接口描述(SV-1)和系统通信描述(SV-2)3个产品对体系结构关系进行描述。

3)系统构成描述

在装备体系内，任务的执行需要武器装备的参与，若参与的武器装备资源不同，则任务的可靠性水平不同，因此装备的系统构成是重要的描述对象。系统构成描述过程中需要考虑装备数量规模、组合关系以及装备的可靠性指标等因素。DoDAF视图产品中的作战活动到系统功能追踪矩阵(SV-5)将装备体系作战活动映射到系统功能，系统功能描述(SV-4)用于描述系统功能之间的层次关系，确保系统功能分解到合适的层次，从而与相应的装备相对应。

装备体系任务可靠性DoDAF视图产品描述模型如表1所示。

表1 装备体系任务可靠性DoDAF视图产品描述模型

2 装备体系任务可靠性模型开发

体系工程师利用DoDAF视图产品，通过适当的形式化描述就可以建立其任务可靠性模型。装备体系任务可靠性的建模过程也就是在可靠性视角下对其DoDAF视图产品进行开发的过程，因此建立适当的DoDAF模型是装备体系任务可靠性建模的关键。笔者主要以DoDAF视图产品开发步骤[10](图1)为基础，归纳出作战任务、体系结构关系和系统构成相关视图产品的开发流程。

图1 DoDAF视图产品的开发步骤

作战任务是指体系内诸多武器平台在既定的任务目标下所完成的相关活动。从作战任务的角度出发，任务的目标、层次关系及持续时间都是影响装备体系任务可靠性的因素，可以按OV-1→OV-5a→OV-5b→OV-6c的顺序开发相关视图产品。

体系结构关系反映的是作战节点间的通信系统链路或网络的信息连接情况，可以通过体系结构产品OV-2、SV-1和SV-2对网络内的作战节点以及通信接口细节进行描述。相应的开发步骤可以按OV-1→OV-5→OV-2→SV-1→SV-2的顺序开发相关模型。可以看出：节点连接关系与作战任务相关，是为完成某一任务而进行的通信传输和信息交换。

系统构成包括装备体系内装备类型、规模及装备组合关系，其开发过程可以利用装备功能与装备之间的一一对应关系，利用SV-5完成从作战任务到系统功能的转换，并通过SV-4对系统功能的层次关系进行描述，可以按OV-1→OV-5→SV-5→SV-4的顺序开发相关模型。

装备体系任务可靠性模型开发流程如图2所示。

图2 装备体系任务可靠性模型开发流程

3 装备体系任务可靠性模型形式化描述

以上建立的DoDAF视图产品只是一些概念模型，不足以形式化地表现装备体系内各要素之间的关系，还需将这些DoDAF视图产品进行适当的形式化描述。装备体系视图产品形式化描述可分为静态描述和动态描述2种，据此可建立相应的静态模型和动态模型。

3.1 静态描述

统一建模语言(Unified Modeling Language，UML)[11]是静态描述的主要工具，是一种直观化、明确化和文档化的通用可视化建模语言，其统一了面向对象建模的基本概念、术语及其图形符号，提供了一些可以相互组合的图形元素，建立了易于理解、便于交流的共同语言，使得建立一个可视化、规范化、结构化和文档化的面向对象系统成为可能。

UML是DoDAF先期版本中的推荐表示方法，它采用各种方法和图形对所描述的对象进行描述，从而使采用UML模型表现体系结构视图产品变得更加方便。目前，可以用来表示的视图有用例图、类图、行为图、状态图及活动图等。基于DoDAF的装备体系任务可靠性视图产品UML形式化描述工具如表2所示。

表2 装备体系任务可靠性UML形式化描述工具

3.2 动态描述

尽管装备体系静态模型可以从整体上较好地对体系构成及系统间交互关系进行描述，但这些静态模型对体系各部件的动态过程及逻辑关系描述能力有限，同时对装备体系任务可靠性的评估能力较弱。为了刻画体系内各要素以及资源利用之间的关系，更好地对装备体系任务可靠性进行检验与评估，还需要建立装备体系的动态模型，即可执行模型(Executable Model)[12]。

装备体系可执行模型可以通过仿真的方法完成对任务可靠性的评估。针对可执行模型动态性的特点，目前常用的方法有基于离散事件动态系统建模仿真和多Agent建模仿真2类。构建装备体系任务剖面下的可执行模型主要包括总体描述、视图产品描述和生成可执行模型3个阶段，各个阶段之间的结构关系如图3所示。

图3 装备体系各个阶段之间的结构关系

4 实例分析

空中突击部队是由空中装备和地面装备混合而成的典型装备体系[13]。机降突击任务是其主要作战方式，该任务以直升机为主要机动力量，能够较好地克服地形障碍，实施中远程精确快速力量投送，最大限度地争得先机和主动。空中突击任务作战流程分为集结、转场、机降和突击4个阶段，每个阶段所涉及的装备各不相同，例如：集结阶段参与的装备主要有侦察卫星、侦察直升机、侦察无人机、运输直升机和地面突击车等；转场阶段参与的装备主要有运输直升机和攻击直升机等；机降阶段参与的装备主要有运输直升机、地面突击车和保障装备等；突击阶段参与的装备主要有运输直升机、攻击直升机和突击车等。结合作战任务视图下的体系结构产品，空中突击部队高层作战概念图(OV-1)如图4所示。

图4 空中突击部队高层作战概念图(OV-1)

以空中突击部队机降突击任务为例，分别建立装备体系任务可靠性的静态模型和可执行模型。

4.1 装备体系任务可靠性的静态模型

4.1.1 作战任务静态模型

可按OV-1→OV-5a→OV-5b→OV-6c的视图产品开发顺序，建立装备体系作战任务静态模型。空中突击部队机降突击作战任务可以分解为集结、转场、机降和突击4个子任务。其中：集结阶段包括太空侦察、空中侦察和装备集结3个作战活动；转场阶段包括飞行前保障、装载和转场3个作战活动；机降阶段包括机降、野战保障和重新集结3个作战活动；突击阶段包括情报侦察、空中突击和返航3个作战活动。借用UML类图就可以描述出任务活动分解树(OV-5a)静态模型，如图5所示。

4.1.2 体系结构关系静态模型

可按OV-1→OV-5→OV-2→SV-1→SV-2的视图产品开发顺序，建立装备体系结构关系静态模型。从作战活动分解树(OV-5a)中可推出其作战节点分别为指挥控制系统、情报侦察系统、火力攻击系统、机动运输系统和综合保障系统，其作战节点连接可靠性模型多为网络结构，系统接口描述(SV-1)静态模型如图6所示。

图5 任务活动分解树(OV-5a)静态模型

图6 系统接口描述(SV-1)静态模型

4.1.3 系统构成静态模型

可按OV-1→OV-5→SV-5→SV-4的视图产品开发顺序，建立装备体系系统构成静态模型。由于系统功能与系统之间存在一一对应的关系，系统功能层次关系也可以表示系统之间的层次关系，系统功能描述(SV-4)模型可以类图的形式进行表述，其集结任务阶段静态模型如图7所示。

图7 系统功能描述(SV-4)集结任务阶段静态模型

4.2 装备体系任务可靠性的可执行模型

结合以上分析，可以根据空中突击部队机降突击任务的作战规则以及从视图产品到仿真模型的映射关系，对装备体系任务可靠性的可执行模型进行构建。

1)建立空中突击部队机降突击任务的作战规则。作战规则描述的是指挥控制中心、情报侦察系统、火力攻击系统、综合保障系统和机动运输系统在完成机降突击任务时的作战活动规则，具体如表3所示。

表3 空中突击部队机降突击任务作战规则

2)建立装备体系任务可靠性的可执行模型。利用仿真软件AnyLogic建立装备体系任务可靠性的可执行模型仿真环境，并对作战活动和作战流程进行可视化建模。以体系结构视图产品为基础，结合作战视图、作战规则和从视图产品到仿真模型的映射关系来建立装备体系任务可靠性的可执行模型，可以看出：作战规则越复杂，建立的装备体系任务可靠性的可执行模型越完备。

结合表3作战规则，对空中突击部队机降突击任务的作战活动和作战流程进行可视化建模，得到基于AnyLogic的空中突击部队机降突击任务仿真模型，如图8所示。

图8 基于AnyLogic的空中突击部队机降突击任务仿真模型

5 结论

装备体系任务可靠性建模是对装备体系进行论证和开发的前提。本文从作战任务、体系结构关系和系统构成3个方面对装备体系任务可靠性进行了规范化描述，归纳出装备体系任务可靠性DoDAF视图产品和开发流程，并通过具体实例给出相关视图产品的形式化描述模型。然而，本文工作只限于装备体系任务可靠性建模的方法研究，下一步将重点研究装备体系任务可靠性的动态模型分析。

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(责任编辑: 尚彩娟)

Mission Reliability Modeling Method of Equipment System

WANG Hong-yu1,3, WU Wei2, WEI Yan-yan3

(1. Department of Technical Support Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China; 2. Beijing Special Vehicle Institute, Beijing 100072, China; 3. Department of Aviation Machine Engineering, Army Aviation Academy, Beijing 101123, China)

According to the three elements of combat mission, structure relationship and system constitution, the authors study the mission reliability modeling method for equipment System. Firstly, the demand of information describing for equipment system is analyzed. Secondly, the Department of Defense Architecture Framework (DoDAF) product under the reliability view and the modeling step of the mission reliability for equipment system are concluded. Thirdly, the static model and dynamic model are built. Finally, the models are verified by the specific example.

equipment system; mission reliability; DoDAF; formalization description

2016-09-08

军队科研计划项目

王宏宇(1979-)，男，博士研究生。

TP391.9

：ADOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.06.017

1672-1497(2016)06-0089-06