装备保障体系结构描述及鲁棒性分析⋆

邢 彪，曹军海，董原生，梁晶睿

（装甲兵工程学院，北京 100072）

装备保障体系结构描述及鲁棒性分析⋆

邢 彪，曹军海，董原生，梁晶睿

（装甲兵工程学院，北京 100072）

系统建模语言（SysML）是在对UML2.0子集进行重用和扩展的基础上，综合了面向对象方法和结构化方法的各自优势，提出的一种面向体系结构设计的可视化建模语言。以该设计语言为基础，构建了装备保障体系结构视图模型，并考虑到目前国内关于体系结构评估缺少相关可执行模型的现实情况，引入了复杂网络理论，将各保障实体抽象为网络中的点，实体间的关联关系抽象为边，以军装备保障体系力量为研究对象，建立了军级装备保障体系网络结构模型。最后对网络模型的鲁棒性进行分析，为装备保障体系建设的研究提供了一种新思路。

SysML，装备保障体系，网络，结构，鲁棒性

0 引言

随着信息化技术的不断发展及其在军事领域的广泛应用，各种高新技术武器装备的保障能力正日益成为制约我军战斗力发展的关键。《2016年中国国防白皮书》［1］中关于中国“军事力量建设发展”章节均添加了：“增强综合保障能力”、“创新保障模式”、“发展新型保障手段”等内容，并且针对国家未来军事斗争准备，要求“着力解决体系作战能力的突出矛盾和问题”、“增强基于信息系统的体系作战能力”、“完善综合保障体系”等。可见能否建成与武器装备体系相配套的装备保障体系，并形成体系保障能力，是现阶段我军装备保障领域研究的重点与难点。

体系结构是研究体系顶层设计的科学方法论，对体系的属性、功能和效用具有决定性意义［2］。目前，国际上经典的关于体系结构的研究有扎克曼框架和美国国防部体系结构框架，国内与部队作战相关的体系结构研究主要有：文献［3-4］提出了“两层四级”的复杂体系结构建模设计；游翰霖等［5］给出了装备技术体系网络结构建模方法；谢文才等［6］设计了基于元模型的军事信息系统体系结构建模方法；赵青松等［7］分析和定义了武器装备体系能力空间的结构特点；罗爱民等［8］给出了C4ISR体系的结构产品设计方法。

但目前国内关于装备保障体系的研究较少，对于装备保障体系也尚未形成统一的概念。明确装备保障体系结构，有助于把握装备保障体系的内在规律，优化装备体系的保障方案和保障资源配置，提高部队整体的保障能力，同时对于武器装备体系的研究也有着很好补充和促进作用。因此，本文参照美国国防部体系结构框架（DoDAF），结合装备保障体系结构的主要特点，基于SysML的统一建模语言，在复杂网络理论的约束下，给出了装备保障体系结构的描述方法，建立了装备保障体系网络结构模型，在验证模型可行性的基础上评估了模型的鲁棒性。

1 概述

1.1 装备保障体系

装备保障体系是具有明确使命和任务的复杂军事系统，其根本使命是保证和保持军事作战体系中的装备体系执行作战和训练任务的能力。本文中的装备保障体系是指为了满足不同保障任务需求，由具有一定功能和相互联系的各级各类装备保障系统，按照装备保障规律和保障原则综合集成的有机整体。其结构组成复杂：在纵向层级上有总部、军区、军、师旅、营、连的各级指挥和保障机构，在横向组成上有大量的装备、人员、器材、设施等实体，并通过各种保障业务活动交叉、组合、集成为一个整体。

1.2 系统建模语言SysML

现阶段世界上关于体系结构设计的研究应用较为广泛的是面向过程的方法和面向对象的方法，前者强调功能分析，后者强调对象及其交互［9］。其中，UML作为面向对象的方法主导了软件工程设计，应用最为广泛。但是随着军事变革的不断推进和系统组成的日益复杂，也应看到UML模型的一些弱点：不易执行，不易于改正前期设计中的错误，容易增加后期开发的风险；语义定义不够精确，没有数据操作的定义；基于UML的系统分析和验证无法提供定量参数的描述。

系统建模语言（Systems Modeling Language，SysML）是基于模型的系统工程（Model Based Systems Engineering，MBSE）的组成部分［10］，综合了面向对象的方法和结构化的方法的各自优势，在UML2.0子集进行重用和扩展的基础上，提出的一种面向体系结构设计的统一建模语言［11］。SysML是一种表达内容丰富的图形建模语言，能够将复杂系统或体系的结构行为、需求和参数可视化，有利于设计人员彼此之间的沟通，并大大降低了后续模型改动的工作量。

SysML是UML的一种扩展，尤其适用于系统工程的设计阶段，其主要组成图的种类及各图之间的关系如图1所示：

图1 SysML分类图

上图均来自SysML的v1.2版本。图中，虚线部分表示SysML相比UML新增的需求图rep和参数图par；活动图act、模块定义图bdd和内部模块图idd则是在UML规则基础上进行了扩展。例如，UML模型中包含的DataType元素，可以表示某一类中属性的类型、活动中可流动对象的类型、操作中参数的类型等，但无法表示非数据的可流动类型，如事件和能量，SysMl中针对性地新增了ValueType这一概念，是对DataType的扩展，用以描述更广泛的类型。另外，SysMl中还新增了分配（Allocation）的概念，用户可在任意两个模型元素之间创建分配关系，分配关系可横跨模型的各种方面：需求、行为、结构和约束。

1.3 复杂网络

但是，无论采用何种建模语言，设计的均是体系结构静态模型，无法直接评估模型的优劣。这里考虑到装备保障体系在体系结构、组成要素、连接关系等均与复杂网络（Complex Network，CN）理论具有相当的匹配性，文献［12-14］分别基于复杂网络理论构建了维修保障体系、指挥控制系统和维修保障力量体系的复杂网络模型，具备一定的可操作性和实用价值。

2 基于SysML的装备保障体系网络结构设计

2.1 装备保障体系SysML设计思路

由于SysML具有面向对象的设计理念和建模思想，能够更方便地描述体系内各独立系统的连接和数据交换，方便各系统设计单元的分解、复用和封装，利于系统快速开发。基于SysMl的装备保障体系产品设计分为以下阶段：

（1）使命需求定义和相关信息收集整理，生成全视图AV-1；

（2）分析装备保障体系组织结构，获得设计需求，生成高层作战与保障概念图OV-1；

（3）体系的组织结构建模，生成组织结构图OV-4；

（4）采用活动图、序列图、状态机图等描述保障活动相关方面，生成保障活动模型OV-5、保障规则模型OV-6a、逻辑数据模型OV-7等；

（5）信息交互，生成保障节点描述OV-2、保障信息交换矩阵OV-3；

（6）体系功能的全方位描述，生成系统功能描述SV-4、系统规则模型SV-10a等；

（7）体系数据交互、性能参数、可扩展性等，生成系统接口描述SV-1、系统通信描述SV-2、系统关系矩阵SV-3等。

表1描述了SysML图与装备保障体系部分结构视图的对应关系，列出了装备保障体系结构设计中的可视化产品。

表1 装备保障体系视图的SysML图形描述

2.2 体系网络结构设计

目前关于采用视图描述研究体系结构设计的方法已经取得了广泛应用，解决了信息系统的互操作性，提高了系统建设的效率，在顶层设计和需求论证中起到了宏观规划的作用，但关于如何评估所建立的体系结构尚缺乏有效应用实践。美国国防部开发的体系结构权衡分析法（ATAM）和适用于联合特遣部队C4ISR体系的联合测试评估方法，规定了5项评估标准：完整性、正确性、规范性、一致性和问题相关性，对于体系结构的性能评估和效能评估尚缺乏明确的可执行模型。为此，课题组从评估体系结构的鲁棒性入手，在装备保障体系结构的设计过程中建立网络模型，研究装备保障体系的稳定性和可靠性。

以某集团军的装备保障力量为研究对象，对与装备保障有关的各组织机构运行过程进行网络化抽象，建立军级装备保障力量拓扑视图结构，如下页图2所示。

由图2可知，军、师（旅）级保障力量主要有直属的修理营和器材仓库，每一修理营下设3个修理连，团配属修理连和器材仓库。修理连继续细分为若干个（模型中n=10）可完成不同修理任务的基本保障单元（含保障人员、修理工具和对应的保障资源），每一级别的器材仓库可简化为一个保障资源单元。另外设有军区修理大队和大修厂各一，作为上级支援的保障力量。

当装备完成不同的训练任务和保障活动时，向本级修理机构报告，本级修理机构根据保障活动级别，能够自己完成的分配符合数量要求的基本保障单元，超出本级保障能力的则向上级保障单位提出申请。上级保障单位除进行自身的保障活动外，当接到下级的任务申请时，如在本级所承担的任务范围内，则向下级加强相应的保障力量，反之则继续向上级申请。器材仓库执行保障任务活动与修理机构类似。模型假设军区修理大队和大修厂可满足以上所有装备的保障活动。装备保障体系保障活动结构如下页图3所示。

图2 军级装备保障体系结构图

图3 装备保障体系保障活动结构图

3 鲁棒性分析

鲁棒性，即网络结构对外界攻击的抵抗能力，是衡量复杂网络稳定性的重要指标之一，对于研究与评价复杂系统和体系的性能有着重要的意义。

3.1 装备保障体系网络模型

（1）节点vi。表示装备保障体系中的各保障实体，用集合 V={v1，v2，……，vN}表示（N 为网络节点数）。

（2）边eij。表示各保障实体间的连接关系，每一条边都有一对点与之相对应，将实际数据转换为一个对称矩阵：对角线的元素为1，当两节点相连时，矩阵元素对应数字值为1，反之没有连接则为0，可得N个节点构成N*N的矩阵M。

（3）度Ki。节点的度Ki表示与该节点相连接的边数，度越大，节点的重要性越高。

（4）攻击标度r。r表示随机攻击在所有攻击中所占的比例，为可控变量，r∈［0，1］。r=1 时表示完全随机攻击，r=0时表示蓄意攻击，r取值在0和1之间时表示混合攻击。

（5）网络负载 w。w∈［0，1），w=0时表示网络没有负载及网络流量交换值为0，w接近但不会到达1，表示网络负载逐渐增加。实际中对于满负载的网络，负荷较重，任一攻击都会轻易地使其崩溃，即网络没有鲁棒性。

（6）网络崩溃程度指标G：

N'为受到攻击后移除部分节点后得到的最大连通子图节点数。G可用来评估网络的崩溃程度，当G≤0.1时，定义网络被完全摧毁。当移除网络中部分节点后，绝大部分的节点仍然是连通的，那么可以认为该网络对节点的故障具备一定的鲁棒性。

3.2 鲁棒性分析

构造节点数N=500的装备保障体系网络，设置攻击标度 r=0 和 r=1，取网络负载 w=［0，0.3，0.6，0.9］，实验结果分别如下页图4、图5所示。

图中，横轴表示被摧毁的节点，纵轴为网络崩溃程度指标。图4中，当w=0时，摧毁71%左右的节点时，网络处于接近崩溃状态，当w=0.3时，摧毁50%左右的节点时，网络处于接近崩溃状态，当w=0.6时，摧毁10%左右的节点时，网络处于接近崩溃状态，当w=0.9时，稍加攻击网络便处于接近崩溃状态。而图5中，无论w取何值，在摧毁23%左右的节点时，网络处于接近崩溃状态。

图4 随机攻击下的装备保障体系网络

图5 蓄意攻击下的装备保障体系网络

可见，当网络负载较小时，装备保障体系网络面对随机性攻击具有较好鲁棒性，当网络负载较大或接近满负载时，网络将异常脆弱；而面对蓄意攻击则具有脆弱性，此时增加网络负载鲁棒性没有任何增强。

经过对基于SysML建立的装备保障体系网络结构的鲁棒性分析，得出以下结论：

（1）在基于SysML的方法描述装备保障体系结构的基础上引入复杂网络理论，建立装备保障体系网络结构，并对网络结构进行鲁棒性分析是可行的；

（2）装备保障体系网络中存在核心节点，如各不同级别的装备保障指挥机构，蓄意攻击该核心节点会造成网络的迅速崩溃；

（3）由分析结果可知，装备保障体系网络具有无标度网络的部分特征，面对随机攻击具有较好鲁棒性，面对蓄意攻击则表现出脆弱性。

本文研究一定程度上也验证了部队现行体制的正确性。即：在战时除建立装备保障主体指挥机构外，由部门副职（保障处副处长）建立从属装备保障指挥机构，能够一定程度上增强网络的鲁棒性，同时也可通过适当增加保障机关和保障分队的跨级连接，增强网络的稳定性。

4 结论

本文从提高装备体系保障能力的角度出发，基于SysML系统建模语言的基本原理构建了装备保障体系结构部分视图模型，在继承了UML基本特性的基础上，对其进行了扩展，提供了对体系建模标准化的支持。同时，引入复杂网络相关理论建立装备保障体系网络结构模型，克服了目前关于体系结构评估缺少可执行模型的问题。最后通过对建立的军级装备保障体系网络的鲁棒性分析，验证了理论的可行性，具备一定的可操作性和实用价值。提高网络的健壮性将是下一步的研究方向和重点。

［1］中华人民共和国国务院新闻办公室.2016年中国国防白皮书［Z］.北京：新华社，2016：2-6.

［2］罗雪山，刘俊先，罗爱民，等.体系结构研究［M］.北京，军事科学出版社，2011：21-25.

［3］任鑫，刘明政，陈小虎，等.“智慧后勤装备保障体系”构建探析［J］.四川兵工学报，2015，36（8）：78-81.

［4］张送保，张维明，刘忠，等.复杂体系的结构分析和建模研究［J］.国防科技大学学报，2006，28（1）：62-67.

［5］游翰霖，李孟军，姜江，等.装备技术体系网络建模与结构优化方法 ［J］.国防科技大学学报，2014，36（6）：123-127.

［6］谢文才，罗雪山，罗爱民.基于元模型的军事信息系统体系结构建模方法［J］.国防科技大学学报，2012，34（1）：82-87.

［7］赵青松，谭伟生，李孟军.武器装备体系能力空间描述研究［J］.国防科技大学学报，2009，31（1）：135-140.

［8］罗爱民，黄力，罗雪山.C4ISR体系结构产品设计研究［J］.国防科技大学学报，2006，28（5）：133-136.

［9］张炜钟，王智学，朱卫星，等.SysML对C4ISR系统建模的支持研究 ［J］.南京理工大学学报，2011，35（3）：386-391.

［10］吴娟，王明哲，方华京.基于SysML的系统体系结构产品设计［J］.系统工程与电子技术，2006，28（4）：594-598.

［11］何志辉，王明哲.基于SysML系统设计的动态性能效能评价［J］.系统工程与电子技术，2006，28（11）：1712-1716.

［12］徐玉国，邱静，刘冠军.基于复杂网络的装备维修保障协同效能优化设计［J］.兵工学报，2012，33（2）：244-251.

［13］田旭光，朱元昌，罗坤，等.基于复杂网络理论的指挥控制系统自适应重构模型［J］.系统工程与电子技术，2013，35（1）：91-96.

［14］韩震，卢昱，古平，等.基于复杂网络的维修保障力量体系建模方法［J］.火力与指挥控制，2014，39（9）：31-39.

Research on Equipment Support System of Systems Architecture and Robustness Analysis

XING Biao，CAO Jun-hai，DONG Yuan-sheng，LIANG Jing-rui
（Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China）

Systems Modeling Language （SysML）is a visual system architecture design language based on the UML2.0 reusing and broadening，which combines the advantage of object-oriented method and the constructive method.Using SysML as design language，this paper estabilishes the equipment support system of systems architecture view model.Considering the shortage of executed model for the assessment of system of systems architecture，the paper sets the support entity as the point and the connecting relationship as the side in the network.It is an army group equipment support system of systems as the research object to estabilish a network model.Finally，the robustness of the model is analyzed，which provides a new thought to develop the equipment support system of systems.

SysML，equipment support system of systems，network，architecture，robustness

TJ089

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.07.001

1002-0640（2017）07-0001-05

2016-05-11

2016-07-09

军队计划科研基金资助项目（51319050302）

邢 彪（1988- ），男，河北石家庄人，博士研究生。研究方向：装备保障仿真。