基于SysML需求图的武器装备功能需求描述方法

徐亚军，王 钰，侯胜高

（陆军装甲兵学院蚌埠校区，安徽 蚌埠 233050）

0 引言

在武器装备论证中，需求描述贯穿于整个需求论证阶段。但是，需求的描述方法作为武器装备的使用者与需求论证部门的联系纽带，目前存在着一定问题。主要体现在军事人员与分析技术人员在研究领域考虑问题的方式和角度、专业知识水平的差异，双方对武器装备系统都有着各自不同的描述和解释，从而产生分歧和交流障碍。那么，如何使得武器装备需求描述具有准确性和一致性，而且表达清晰、直观、易读和易于修改，是一个值得研究的问题。

系统建模语言SysML（System Model Language）是一种多用途的标准建模语言，能够支持各种复杂系统的需求描述、详细说明、分析、设计、验证和确认，这些系统可包括硬件、软件、信息、过程、人员和设备等。与UML（United Modeling Language）统一建模语言相比，SysML扩展了活动图和装配图，另外增加了参数图和需求图。本文正是利用SysML需求图来对武器装备的功能需求进行描述，为武器装备的需求描述提供一条更为直观有效的途径。

1 相关概念

1.1 武器装备功能需求描述

武器装备功能需求描述是指运用一种语义明确、科学规范、简单实用的描述语言，遵照描述规范，将武器装备功能需求表述成分析人员容易理解的形式，使作战使用人员和技术开发分析人员对需求达成一致的理解。

1.2 SysML需求图

需求图是一种新的SysML图形［1］，利用SysML需求图可以描述产品需求中组件之间以及产品组件与其他建模元素（如产品功能）之间的关系。使用类《requirement》描述产品组件或者性能需求；使用导出关系《derive》表示一个需求可以从另一个需求产生或导出；使用满足关系《satisfy》表示一个需求能被其他的模型元素实现；使用验证关系《verify》表示一个需求能被测试例子验证，从而形成完整的产品需求图，完成对产品需求的描述。

1.3 需求描述语言结构

使用一致的结构化自然语言，对武器装备功能需求进行文字性描述，是促进描述标准化的一种实用方法。例如，在对某新型坦克的火力功能进行描述时，采用特定的关键词“实施”和句式结构“在［条件］下，对［对象］实施［动作］”进行描述；描述防护功能时，采用关键词“降低”和动宾句式结构“降低［内容］”进行描述，应用该语言结构对功能需求进行文字性描述有很好的可读性和可理解性。

2 描述方法及步骤

由于需求图的建模元素较多，要让所有的建模元素和实体都在同一个图形中表示出来，将会造成混乱。因此，针对SysML需求图中建模元素的种类，利用SysML需求图进行功能需求描述时，可以通过建立其需求子图来进行描述［2］，这些需求子图有：总功能需求描述模型、功能需求关系接口模型、功能需求实现接口模型和需求验证接口模型。具体的描述步骤如下。

步骤1：描述武器装备总功能需求。

描述总功能需求就是概念模型向功能需求转化的过程，包括最原始的需求，是对武器装备功能需求的总体描述。建立总功能需求描述模型有助于军方和系统分析设计人员理解产品的预期功能，确认系统所涉及的功能和性能。

步骤2：建立功能需求关系接口模型，描述需求指标与子功能需求的相互关系。

建立功能需求关系接口模型，主要描述子功能需求与需求指标之间的关系。每一层次功能都由相应的需求指标实现，所以需求指标都可由需求关系接口模型来描述。需求关系接口模型一直要向下描述到确定该系统的各项需求指标。每个图上所表明的关系接口模型应予以编号，编号的方式要能保持功能的连续性，并能贯穿整个系统追溯到功能的开始点。建立这种模型，能够明确系统功能分解过程中各层次之间的关系，从而形成功能需求链，使得军方和系统分析设计人员能够明确产品的根本功能及其关系，便于理解和检验。

步骤3：建立功能需求实现接口模型，描述功能需求的实现过程。

需求实现接口模型主要描述武器装备功能需求的实现过程，也就是说，武器装备的某些功能具体是由哪一部分或几个部分共同实现的，子系统的改变对武器装备功能需求的实现有多大的影响等等。功能需求实现接口模型是连接后续系统设计和功能需求的桥梁，为系统设计提供了一个可靠的参考，有效地减轻了后续设计工作的复杂度，同时也提供完整的追溯能力，它包括需求之间的衍生关系，实施元素对需求的满足关系，校验元素到需求的验证关系，以及行为元素到实施部件元素之间的分配关系等等。

步骤4：建立需求验证接口模型，完成一致性检验。

需求验证接口模型，描述了需求可以通过哪些测试例子验证，检验需求的一致性和正确性。由于各个需求模型之间存在联系和重叠的信息，并且随着需求描述的深化，可能会对需求进行修改、扩充和完善，这会造成模型之间的不一致。因此，应对开发的各个模型进行一致性检验，以保证各模型之间的协调一致及需求分析的正确性和可靠性。

3 示例分析

下面以某型坦克的功能需求描述为例，给出武器装备功能需求描述的过程和步骤。

3.1 描述某型坦克的总功能需求

将所确立的某型坦克需求的概念模型，转化为该坦克应具备的各项基本行为和功能，利用1.3中介绍的语言结构，建立某型坦克的总功能需求图，如图1所示。

图1 某型坦克功能需求总图

坦克一般具有五大子功能，分别为火力打击功能、防护功能、机动功能、信息功能和自保障功能。在图1中都用“文档”作了具体的阐释说明，同时给出了一个标识符“编号”（例如，“UR”来表示“用户需求”），以便在其他的需求描述模型中可以很好地调用，而不失一致性。

3.2 建立某型坦克功能需求关系接口模型

某型坦克功能需求可以通过需求图提供的导出关系，逐步导出需求指标。一个子功能要几个需求指标实现，同时一个需求指标也可能参与实现几个子功能需求，限于篇幅，下面只给出火力打击子功能需求关系接口模型图，如下页图2所示。其他子功能的需求关系接口模型可以参考火力打击子功能进行建立，这里不再详述。

图2主要描述了要实现并提高该型坦克的火力打击子功能，需要从哪些方面提高，逐步导出功能的子需求及需求指标，同时也给出了各个子需求所占权重。

3.3 建立某型坦克的功能需求实现接口模型

需求实现接口模型，主要描述坦克功能的实现过程，也就是说，坦克车辆的某些功能具体是由哪些性能设计参数实现的，而这些性能设计参数的改变对功能有多大的影响等等。如坦克武器系统包括火力系统和火控系统两个部分，其中火力系统又由火炮、机枪和弹药、自动装弹机等组成，火控系统又由观瞄分系统、火控计算机分系统和炮控分系统等组成。功能需求的实现，最终要由最底层的物理结构实现，所以尽量分解其物理结构，设计最基本的参数，如火炮的口径、最大行驶距离，防护装甲的厚度等。图3是某型坦克行进间射击功能和设计参数之间的需求实现简图，给出了一些主要的设计参数。

如图3所示，要想使某型坦克的行进间射击功能达到要求，就必须对影响它的主要因素，如火力、火控系统等设计参数进行权衡改变。

3.4 建立某型坦克的功能需求验证接口模型

通过以上步骤建立的一组功能需求模型中，所建立的功能描述模型是否满足需求，现有的技术力量是否能实现该功能，这就需要用功能需求验证接口模型来验证。同时由于模型多而复杂，其中会有重复出现的实体，这也需要用需求验证接口模型来验证需求描述的一致性。

图2 某型坦克火力打击子功能与需求指标关系图

图3 某型坦克行进间射击子功能需求实现图

图4 某型坦克火力打击子功能需求验证图

图4对某型坦克的火力打击功能建立了需求验证接口模型，可以通过武器系统的作战效能评估和对目标毁伤概率，以及想定该坦克可能的作战环境，建立作战效能评估和目标毁伤概率评估系统，来验证其火力打击功能是否符合用户需求。

4 结论

使用SysML需求图对武器装备功能需求进行描述，可以使得军方使用人员和武器装备分析设计人员对问题的描述达到相同的理解，减少语义差异，使分析的正确性得到保障。同时，详细阐述了使用SysML需求图进行武器装备功能需求描述的方法和步骤，并给出了某型坦克功能需求描述示例，为当前坦克武器需求论证工作中的需求描述提供理论和方法参考。