复杂装备体系RMS要求论证与评价技术研究*

2020-05-08范永欣潘兴王可张艳梅郭啸峰

现代防御技术 2020年1期

范永欣，潘兴，王可，张艳梅，郭啸峰

(1.北京瑞风协同科技股份有限公司，北京 100098；2.北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，北京 100098；3.北京电子工程总体研究所，北京 100854)

0 引言

随着武器装备信息化的程度越来越高，战争形态也从传统的单一军兵种独立作战或者几个军兵种共同作战，转变为打破军兵种界限的陆海空天电一体化联合作战，这种作战形式更重视武器装备体系与体系之间的对抗。

要提高现有复杂装备体系的作战能力，使其适应未来多变的作战任务环境，应针对装备体系未来的作战任务需求，结合当前装备体系发展现状，科学地开展装备体系的建设规划与总体论证。武器装备体系论证中涉及2个重要的因素：作战效能和作战适用性。其中适用性主要包括：可靠性、维修性、可用性、安全性等[1]。尽管对于单一武器装备的总体论证已经积累了大量的实践经验，形成了较为规范的论证过程和方法，但对于武器装备体系的综合论证则还在探索中，尤其是对于装备体系的论证过程、论证方法和技术等方面，尚有欠缺[2]。

针对复杂装备体系RMS(reliability,maintainability and supportability)要求的论证与评价问题，本文突破复杂装备体系RMS要求分析技术、面向RMS要求的复杂装备体系结构建模技术以及基于体系结构的复杂装备体系RMS建模与仿真技术等关键技术，提出一整套基于体系工程的装备体系RMS要求论证与评价技术，同时提出一款用于装备体系RMS要求论证的软件架构，来为装备体系RMS要求论证提供相应技术、方法以及信息化工具。

1 总体方案

根据对复杂装备体系RMS要求论证与评价技术的理解与分析，结合目前体系工程领域对装备体系需求论证过程的认识，本文将从方法研究及应用研究2个方面开展复杂装备体系RMS要求论证与评价技术研究。提出的总体研究框图如图1所示。

图1 总体框架

(1) 方法研究

方法研究是本文的重点，将装备体系RMS要求纳入整个装备体系的需求论证框架中进行，以体系工程为指导，开展能力分析、体系结构分析和仿真评价3个主要工作，研究将装备体系的使命任务需求转变为装备体系RMS定性和定量要求的基础理论和方法[3-4]。

(2) 应用研究

在方法研究和技术研究基础上，本文以装备体系为主要应用对象，开展应用研究介绍。首先在装备体系RMS要求论证技术方面，以体系工程理论和方法为指导，建立复杂装备体系RMS要求论证工作方法与程序；其次在复杂装备体系RMS要求评价技术中，开展复杂装备体系结构建模、复杂装备体系任务建模、复杂体系的RMS要求建模工作；最后提出了一种用于复杂装备体系RMS要求论证与评价工作的软件平台架构思路，并对其应用进行了展望[5-6]。

2 复杂装备体系RMS要求论证与评价方法[7-8]

复杂装备体系RMS要求论证与评价技术主要由3部分构成。首先通过基于质量功能展开(quality function deployment,QFD)的能力分析方法进行体系RMS能力分析；其次通过面向RMS要求的装备体系结构建模进行体系结构分析；最后以能力分析与体系结构分析结果为输入，进行基于体系结构的装备体系RMS要求仿真与评价[4]。

2.1 基于QFD的能力分析方法[9-10]

复杂装备体系RMS要求论证实质上是从使命任务到能力需求、功能需求、性能需求之间的映射。需求方案的生成需要进行能力目标转换、体系结构分析、形成需求方案3个步骤，如图2所示。

图2 能力目标转化过程

QFD是需求映射的有效方法，如图3所示，在进行任务需求分析、能力需求分析、能力指标需求分析时，需要综合考虑作战任务、作战能力、能力指标之间的相互关系，保证需求输出的准确性。

典型的复杂装备系统的任务过程需要通信系统、预警系统、指挥控制系统、拦截武器系统等实体工作单元同时参与。复杂装备系统中任一成员系统或关键装备故障都将导致整个系统的失效。能力分析的结果能够为基于体系结构的装备体系RMS要求仿真与评价提供依据。

图3 基于QFD的需求映射

2.2 面向RMS的复杂装备体系结构建模与分析方法

本节主要从复杂装备体系结构建模与复杂装备体系结构验证2个方面介绍复杂装备体系结构建模与分析方法。其中复杂装备体系结构建模主要采用在DoDAF 2.0框架下实现基于ABM(activity-based methodology)的体系架构建模，而复杂装备体系结构验证主要基于IDEF3过程建模并结合RMS要求以实现初步的定量分析[11]。

2.2.1 基于ABM方法的装备体系结构建模

本节采用ABM的方法来开展装备体系的结构建模。ABM采用以数据为中心的开发方法代替了基于视图产品的开发方法进行体系结构元素和产品的描述。

ABM归纳出作战和系统视图的4个核心实体，它们是体系结构的基础，如图4所示。同时，基于装备体系结构核心实体，在实体中引入体系RMS要求，形成基于RMS要求的装备体系结构，为复杂装备体系RMS要求论证奠定基础。

2.2.2 基于IDEF3的装备体系结构验证

2.2.1节中对基于DoDAF的复杂装备体系结构建模可看作是对体系结构的静态描述，而建立体系结构的动态可执行模型则是对体系结构的动态描述，可以实现对装备体系结构中模型元素完备性和逻辑与逻辑关系正确性的检验，以及实现对初步体系RMS要求的分析与验证，并作为复杂装备体系的初步任务可靠性模型为后续体系RMS建模奠定基础。

本节拟基于IDEF模型来对装备体系结构进行验证。IDEF主要包括IDEF0到IDEF14共有16套方法(包括IDEF1X在内)。为实现对装备体系的结构验证与分析、建立体系结构的可执行模型，需要用到IDEF0功能建模和IDEF3过程建模：IDEF0主要负责建立装备体系的功能活动以及联系的结构化图形模型；而IDEF3主要负责在IDEF0建模的基础上，采用图形化的语言，通过一些基本元素的各种组合实现对过程描述。建立基于IDEF3的装备体系结构仿真模型，在此基础上加入装备体系的RMS参数，可以实现对装备体系RMS要求的初步定量分析。

2.3 基于体系结构的装备体系RMS要求仿真与评价方法

本节分别从基于活动网络的装备体系RMS建模与基于离散事件的装备体系RMS仿真2个方面给出了基于体系结构的装备体系RMS要求仿真与评价方法[12]。

图4 面向RMS的装备体系结构核心实体示意图

2.3.1 基于活动网络的装备体系RMS建模

基于活动网络的装备体系RMS建模主要分为3个方面：装备体系使命任务分解、装备体系RMS要求设计、装备体系RMS建模。

(1) 装备体系任务分解

为了对复杂装备体系中成员系统或关键设施进行RMS要求定量分析，并细化装备体系RMS要求，需要进一步细化结构验证模型中任务活动的粒度，可以通过如图5所示的“使命-任务-活动”的分解模型以得到合适的活动粒度，以便尽可能地融入更加底层的单项RMS参数。

图5 复杂装备体系任务分解模型示意图

(2) 装备体系RMS参数建立

经过“使命-任务-活动”的分解，便可以将前面复杂装备体系的调研分析所得到的，以及经过装备体系RMS要求分析得到的综合RMS参数代入到装备体系的任务活动模型中，即建立复杂装备体系RMS模型。装备体系RMS参数可分为3个层次：

1) 任务可靠性

反映复杂装备体系完成使命任务的能力。

2) 结构可靠性

动态结构可靠性，用来衡量组成装备体系的成员系统和关键设施在一定逻辑关系结构下，完成使命任务的能力。参数体系如图6所示。

静态结构可靠性，用来衡量组成装备体系的成员系统和关键设施固有能力，如体系结构健壮性、脆弱性和弹性等。

3) 系统可靠性

即装备体系最底层的单项RMS参数，主要指装备体系中成员系统或关键设施的可靠性、维修性和保障性参数，还包括部分性能参数，它们是装备体系形成作战能力的基础。

图6 复杂装备体系RMS参数体系

(3) 装备体系RMS建模

将装备体系使命分解到活动后，由于复杂装备体系活动的复杂性，其会呈现网络特性。本节拟采用基于活动网络的装备体系RMS建模方法开展成员体系RMS基本参数的定量分析。示意图7如下。通过活动网络所建立的装备体系RMS模型，要求能体现体系的层次、体系要素(含保障系统)之间逻辑关系、体系要素状态、体系要素功能及体系要素RMS参数等5个方面的可靠性需求。

基于活动网络的装备体系RMS建模主要包括2个主要部分：

基于活动的任务流程建模。在OV-5b作战活动模型的基础上，将作战活动进行细化，分解为一个或多个子活动，并将这些子活动按照一定的逻辑关系排列起来，形成活动网络，然后结合装备体系的结构验证模型，形成描述装备体系任务的活动网络模型。

加入成员系统或关键设施的RMS参数。在任务流程活动网络模型的基础上，结合执行活动所需参与的成员以及所需要的资源，将成员系统的基本RMS参数融入到作战流程的各项活动，一项活动可能涉及一个参数或同时涉及多个参数。

2.3.2 基于离散事件的装备体系RMS仿真

基于离散事件仿真来对装备体系RMS要求进行定量评价。对于复杂装备体系，它的任务流程中的各个子任务、活动、子活动均是在离散的时间点上发生的，属于典型的离散事件，应结合复杂装备体系及其任务特点抽象归纳定义离散事件仿真的基本要素：实体、实体的属性和状态、事件、活动和进程[13]。复杂装备体系RMS仿真框架如图8所示。

图7 基于活动网络的复杂装备体系RMS模型示意图

经过RMS仿真分析，实现对所有RMS参数的分解、细化与权衡，对仿真结果进行分析从而形成装备体系参数指标，并形成装备体系RMS要求的评价结果，最终完成装备体系RMS要求论证与定量评价。

综上所述，复杂装备体系的RMS要求论证与评价技术主要以能力分析和体系结构分析的结果为基础，采用基于体系结构的复杂装备体系RMS要求仿真与评价方法实现对复杂装备系统的RMS要求的论证与评价。

3 应用研究[14-15]

根据总体技术研究部分提出的应用展望，本节通过应用基础、软件平台框架、规划及展望3个方面介绍一个用于装备体系RMS要求论证与评价的软件系统架构思路，供读者参考。

3.1 应用方向

本节在方法研究基础上，以体系工程理论和方法为指导，借鉴装备论证的相关技术，对复杂装备体系RMS要求的概念与内涵进行研究，在构建装备体系RMS参数体系基础上，分别对装备体系RMS定量要求、定性要求和工作项目要求进行论证，汇总形成复杂装备体系RMS参数和指标体系，给装备体系规划与建设相关工作人员提供参考。

在复杂装备体系RMS要求评价技术中，整合面向RMS的装备体系结构建模与分析方法及基于体系结构的装备体系仿真与评价方法，开展复杂装备体系结构建模与仿真、复杂装备体系任务建模仿真、复杂装备体系RMS要求仿真，从而归纳总结形成一套用于复杂装备体系RMS要求评价的技术，为复杂装备体系RMS要求论证提供技术支持。

图8 复杂装备体系RMS仿真框架

3.2 应用软件平台框架

基于方法研究，本节从实际应用角度出发，提出一种用于支撑复杂装备体系RMS论证与评价业务的专业软件平台的设计思路，平台采用分层功能设计，业务逻辑清晰，功能全面，覆盖能力分析，体系结构分析及仿真评价三大业务模块，同时具备RMS能力分析，体系结构分析，RMS要求论证3类专业工具。能够支撑从论证需求到建模仿真评价的多项子功能，并具备数据管理及知识库管理等功能。

如图9所示，按照功能将软件平台分为如下5个层次：

(1) 门户层：面向使用者的综合性的信息展示，和系统功能入口；

(2) 业务层：控制装备体系RMS论证与评价业务内容和流程，调用各种工具；

(3) 专业工具层：支撑业务层的专业工具，全面支持任务分解、装备能力分析、体系结构分析及复杂装备体系RMS要求论证及评价；

(4) 基础工具层：通用的数据管理工具、知识库管理工具和基础管理工具；

(5) 数据库层：存储管理各种业务数据和标准规范数据。