基于IDEF1X 的装备保障方案评价数据建模∗

2020-05-25王伊婧心李传广陈宇奇丛林虎

舰船电子工程 2020年2期

王伊婧心李传广刘宇陈宇奇丛林虎

（1.海军航空大学烟台 264001）（2.中国人民解放军91206部队青岛 266100）

1 引言

为了科学合理地对装备保障方案进行权衡分析和优化筛选，课题组借鉴综合集成研讨厅思想设计了一个装备保障方案综合评价系统。但对于装备保障方案综合评价系统而言，涉及到大量的不同种类的数据信息，必须对这些数据信息进行有效的组织规划，从而提高评价效率，达到“精确保障”的目标。

对数据信息进行组织规划，也就是数据建模，国内外对于数据建模方法的研究已较为成熟，主要包括E-R 建模［1～4］、UML 建模［5］、IDEF1X 建模［6～8］和对象角色建模［9～11］。凡高娟［12］将业务分析中的数据流图抽象为有向图，并基于有向图完成E-R 建模，缩短了建模时间。文献［13］利用UML 和Oracle 构建了一个空间数据库。李俊平［14］利用IDEF1X建模语言对所需数据库进行了一定设计与改进。潘文林［15］基于对象角色建模方法提出10 种局部语义冲突检查模式及算法，有效提升模型质量。

2 数据信息需求分析

数据信息既是装备保障方案评价的重要组成部分，又是其评价结果的基础。数据信息需求分析的目的是依据评价角色和评价流程，确定数据信息框架，为进行数据建模、建立单一的综合评价数据源提供依据。这里将方案评价的数据信息主要分为评价运行类数据、评价对象类数据和文献资料数据。

2.1 评价运行类数据

评价运行类数据主要指运用相关系统进行综合评价工作所必需的数据信息，如评价项目、评价流程等，若缺失无法保证综合评价工作的正常进行，具体又细分为五类。

1）组织数据

根据综合评价工作的需要，参与评价的不同用户依据自身特长被赋予不同角色，同时划分到不同的研讨小组，解决各类评价问题，各评价项目中的角色数据和用户数据就构成了组织数据。

2）工作管理数据

在系统中，装备保障方案综合评价工作的开展是以评价项目为单位进行的，除了评价项目数据之外，工作管理数据还包含与装备保障方案评价相关的评价流程、评价指标体系、研讨活动、数据接口等众多对象的属性数据及其相互关系。同时，工作管理的执行离不开角色与用户。

3）运行控制数据

运行控制数据反映研讨活动配置和运行情况，如数据接口调用权限和模型工具使用权限的分配情况、相应数据接口和模型工具准备情况等。

4）研讨支持数据

研讨支持数据主要描述装备保障方案综合评价系统研讨支持功能组成、所涉及的对象、属性及其相互关系，如专家交互、意见整理、意见加权、意见聚类、意见统一、投票、数据存储等。

5）分析计算数据

研讨专家在进行观点验证和问题分析时，运用系统集成的各类模型工具进行求解，如人员人力需求计算模型、装备需求量预测工具、使用任务到保障要求转换工具等，研讨秘书利用方案评分工具和投票工具收集评价结论。这些模型工具所涉及的输入输出数据就构成了分析计算数据。

2.2 评价对象类数据

评价对象类数据主要指从外部导入综合评价系统内部的数据信息，为综合评价的开展提供有力的理论依据和知识支撑，具体又细分为六类。

1）作战想定数据

装备保障方案的制定与作战想定的红蓝企图立案及战斗决心等相辅相成，因此，作战想定中指挥所配置数据、红蓝兵力构成数据、红蓝任务数据等是研讨专家从方案制定合理性角度进行装备保障方案综合评价时首先应该获取和参照的相关数据。

2）装备保障方案数据

在进行综合评价工作时研讨专家必须对评价对象有一个全面的认识，需要查看装备保障方案［16］数据。

这里所研究的装备保障方案专指使用过程装备保障方案，即装备指挥员及其指挥机关在装备使用过程中，根据部队任务、行动方案及保障要求，对保障任务区分、保障资源配置、保障力量部署与运用、保障行动协同等方面的总体描述与具体行动的规划与设计。

由于使用过程保障方案是作战实施过程中开展装备保障工作的总体设想与规划，因此将装备保障方案数据分为总体描述数据和执行描述数据。其中，总体描述数据主要涵盖保障原则、保障要求、保障方法等方面的内容，执行描述数据主要涵盖保障指挥（指挥关系、指挥机构编组、配置与转移等）、保障力量部署（部署形式、保障任务与力量区分、保障力量部署地域等）、维修保障（维修保障关系、维修力量配置地域与编组、维修保障配套措施等）、器材保障（器材保障关系、器材库配置地域与编组、器材的筹措储备与补充控制等）、弹药保障（弹药保障关系、弹药库配置地域与编组、弹药的储备、管理与补充控制等）、运力保障（运力编组与实施等）、防卫保障（防卫任务、防卫区划分、防卫力量编组与配置、防卫措施与方法等）、通信保障（通信任务、通信力量编组、通信方式等）等方面的内容。

3）装备使用任务数据

作战想定所描述的一个作战任务，可以分解为若干阶段作战任务，从装备保障的角度去分析，可以将其转换为各装备保障对象的使用任务，使用任务［17］数据是装备保障仿真建模数据中的一类，在装备保障仿真过程中驱动装备保障对象运行，主要由使用任务关系数据和阶段使用任务属性数据两部分组成。其中，使用任务关系数据包括层次关系、时序关系和逻辑关系三类数据，阶段使用任务属性数据则包括任务名称、执行主体、任务开始及结束时间、任务量要求、装备完好数量要求等。

4）装备保障对象数据

从装备保障的角度而言，装备保障对象［18］与装备作战单元中执行作战任务的主体相对应，是实施装备保障的主要对象，装备保障对象数据也是装备保障仿真建模数据中的一类，在装备保障仿真过程中产生维修任务，牵动装备保障系统的运行，而其中装备的状态又影响使用任务的完成，主要包括作战单元构成数据、最小任务单元构成数据、最小任务单元层可靠性、维修性（RM）数据、作战单元层RM数据、最小任务单元自然故障维修任务量数据、最小任务单元战损故障维修任务量数据等。

其中，作战单元构成数据主要描述各层次作战单元的兵力结构；最小任务单元构成数据主要描述最小任务单元的组成结构，即所包含的装备种类、数量等；最小任务单元RM 数据主要描述各最小任务单元的可靠性、维修性参数等；作战单元层RM数据是根据作战单元下辖的各作战单元任务逻辑关系来确定的RM 数据；最小任务单元自然故障维修任务量数据是描述最小任务单元自然故障维修任务的一类数据，包括故障分摊率、维修类型、维修方式、维修级别、维修概率等；最小任务单元战损故障维修任务量数据是描述最小任务单元战损故障维修任务的一类数据。

5）装备保障系统数据

在装备保障对象执行使用任务的过程中，必然伴随着装备的使用和消耗，这就牵动装备保障系统［19］的运行，保持保障对象正常运转以达到完成任务的目的，保障系统数据也是装备保障仿真建模数据中的一类，主要包括装备保障系统构成数据、装备保障实体属性数据、维修任务关联数据三类。

其中，装备保障系统构成数据主要描述装备保障系统的力量构成；装备保障实体属性数据主要描述系统中所包含的各个保障组、保障队等实体的基本属性、空间属性、行为属性等；维修任务关联关系数据主要是根据保障对象的维修任务量数据对各维修任务分配关系、分摊关系等进行相应描述。

6）装备保障仿真评估数据

通过输入使用任务、保障对象和保障系统三类装备保障仿真建模数据驱动装备保障仿真系统运行，输出一系列的评估参数结果为研讨专家进行保障方案评价提供有效依据，主要包括装备保障能力评估综合参数和装备保障系统评估参数。

其中，装备保障能力评估综合参数是针对保障对象执行任务情况进行评估所得出的一类结果数据，包括装备能执行任务率［20］、最小任务单元使用可用度和作战单元任务完成概率［21］；装备保障系统评估参数是针对装备保障系统各类保障活动实施情况进行评估所得出的一类结果数据，包括维修任务完成概率、平均维修服务时间、维修单元利用率、维修任务平均等待时间、备件保障度、器材平均响应时间和运输平均响应时间。这些参数中既有各阶段任务结束后平均得出的，也有总任务结束后平均得出的。

2.3 文献资料数据

文献资料数据中既包含系统运行产生的评价项目历史数据，也包含与装备保障和方案评价相关的期刊论文及其他历史资料，辅助评价参与者更好地完成各自承担的评价任务。

3 数据建模语法简介

在研究其建模语言时，主要借鉴较为成熟的信息建模语法—IDEF1X 法，针对装备保障方案综合评价数据信息的特点来规范其所需的描述元素和使用规则。

3.1 描述元素

1）框

用框表示实体，如图1 所示，方角框表示独立实体，即实体的每个实例都能被唯一地标识而不决定于它与其他实体的联系。圆角框表示从属实体，即实体的某一实例的唯一标识依赖于该实体与其他实体的联系。每个实体分配一个唯一的名字和号码，它们之间用斜杠（/）分开，置于框上方。

图1 实体语法

2）线

根据线在模型中表示的含义不同，可分为3 种类型。

（1）间隔线

间隔线位于实体框中，是一条水平线，将数据元素隔离成上下两部分，上部是充当主键或标识符的数据元素，而下部是不充当主键或标识符的数据元素。如图2 所示，实体框内的每一行都为一个属性名，并根据具体情况确定主键、候选键和外键。

图2 间隔线语法

（2）连接线

连接线位于实体框之间，主要描述实体间的相互联系。在确定关系中，用实线表示父子实体之间的标识关系，用虚线表示父子实体间的非标识联系；在非确定关系中，用一个两端均带圆点的实线来描述。如图3所示。

图3 连接关系语法

3）终止符

终止符出现在线的末尾，表示在实体或表中有多少相同的实例被允许或被要求同另一个实体或表中的某个实例相关联。一般来说，为了描述数量多少的问题，用一个点和符号的组合，表示零个、一个或多个，如图4所示。

图4 终止符语法

3.2 使用规则

装备保障方案综合评价数据概念建模工作必须满足以下规则。

1）实体规则

（1）每一实体必须使用唯一的实体名，且不同实体不可用相同含义的名字；

（2）一个实体可有一个或多个属性，既可以是自身具备的，也可以是通过联系继承的；

（3）一个实体应有一个或多个能唯一标识该实体的属性；

（4）从属实体的主键必须含有一个完全外来关键字。

2）连接联系规则

（1）确定关系总存在于父实体和子实体之间；

（2）子实体的一个实例必须且总是恰好与父实体一个实例相联系；

（3）拥有标识关系的子实体总是一个从属标识符实体；

（4）一个实体根据联系不同可同时为父实体和子实体。

（5）在最终的模型中，非确定联系必须通过引入相交实体由确定联系来替代。

3）分类联系规则

（1）一个分类实体只能对应一个一般实体；

（2）分类实体与一般实体的主键属性相同；

（3）分类实体不能是标识联系中的子实体。

4）属性规则

（1）每个属性必须有唯一的名称，且不同属性不可用相同含义的名称；

（2）每个实体可具有任意个属性，但一个属性只能归属于一个实体；

（3）每个实体可具有任意个继承属性，而每个继承属性都必须是某个相关的父实体或一般实体主键的一部分；

（4）实体的每个实例对每个属性都有且只有一个值。

4 基于IDEF1X的评价数据建模

数据建模是指详细描述系统的信息结构，捕捉业务规则，找出系统数据元素之间关联方式及定义方式以便以后在系统中识别和使用。数据模型一般分为概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模型，因此，数据建模过程可以被概括为概念建模—逻辑建模—物理建模，对系统数据信息逐步细化和完善，如图5 所示，一般来说，概念模型与逻辑模型紧贴业务需求，因此设计者经常合二为一，同时开发。而对于简单的系统而言，可跳过这一步直接进行物理建模，即数据库的设计开发。

图5 数据建模基本过程

4.1 概念建模

装备保障方案综合评价的概念数据模型主要是描述整个装备保障方案综合评价工作的数据信息需求，明确实际系统运行过程中所涉及的事实、理念或概念，为评价参与者和数据库设计人员进行语义表达和交流提供支持。作为数据建模工作的第一步，概念建模主要根据系统范围收集系统运行流程或研讨活动中所需的数据元素，即从流程中寻找所有活动，以获得一个清晰、客观的数据元素及其规则的视图，也就是描述系统运行中的数据范围，对整个运行过程中的重要数据元素概念进行定义，完成从现实世界到概念模型的转化，其具体步骤如下。

1）确定概念实体

在明确目标任务、理清即将进行的分析所覆盖的领域及其约束后，按照自顶向下的方法找出系统运行过程中所包含的重要元素，对这类元素进行良好定义并综合为概念，形成潜在概念实体集，通过与系统数据信息需求进行对比，对原始集合进行优化，确定最终的概念实体集。

2）确定概念实体间的关系

两个实体之间的关系映射一条业务规则，由于它们在概念模型中所处层次较高，其映射的并不是数据集间的关系，而是概念之间的关系。概念模型中通常没有正规化的概念，也不设置相应的属性、主键和连接字段，设计者需找出概念实体间的连接或关系，注意其中是否是有条件的或者存在某种约束。

3）检查业务规则并发布模型

将业务规则与数据信息需求进行比照，验证模型是否捕捉到所有需求，检查实体关系剔除其中的冗余项，规范对关系的描述，最后对概念模型予以发布。

根据系统数据信息需求分析结果，采取自顶向下的分析方法，可从全局上确定的概念实体包括用户、角色、评价项目、评价流程、评价体系、研讨活动、权限、模型工具、数据接口、模型工具接口、文献资料、作战想定、装备保障方案和装备保障仿真对象。

图6 装备保障方案综合评价概念数据模型

根据所确定的概念实体间的相互联系，建立如图6 所示的概念数据模型。同一“用户”可参与不同“评价项目”，在不同“评价项目”中可担任不同的“角色”，但在同一“评价项目”中只能担任一类“角色”。同时“评价项目”包含众多“用户”，一类“角色”可由多个“用户”担任，因此，“用户”与“评价项目”、“用户”与“角色”之间均为多对多关系。一个“评价项目”只能配置一套“评价流程”和一套“评价体系”，但同一“评价流程”和“评价体系”可用于不同“评价项目”，因此，“评价流程”与“评价项目”、“评价体系”与“评价项目”之间为一对多关系。“评价流程”由多个“研讨活动”组成，在“研讨活动”中配置了不同的“数据接口”和“模型工具接口”，根据“角色”所赋予的“权限”不同，可以调用不同的“模型工具”，访问不同的数据对象，包括“文献资料”、“作战想定”、“装备保障方案”以及“装备保障仿真对象”，从而进行相应的评价工作。

4.2 逻辑建模

装备保障方案综合评价的逻辑建模主要通过加强对顶层业务需求的理解，将所确定的概念层实体关系进行深入分析和细化，形成全属性的数据逻辑关系，从而实现概念到逻辑的转换，其具体步骤如下。

1）确定逻辑实体

在检查和确认概念数据模型的基础上，分析所有概念实体的定义，归纳形成相应主题域，从主题域中找出逻辑实体，得出逻辑实体集。

2）确定属性和各种键

在实体定义的基础上，通过添加属性对逻辑实体的特征加以描述，并通过定义属性（包括描述、示例和注释）、给出数据类型（域）来加强对实体的理解。同时从候选键中选择主键并确定替代键、外键等。

3）细化逻辑实体间关系

在确认概念实体间关系的基础上，标识和定义逻辑实体间的基本连接关系，确定关系基数，剔除非确定关系，若包含多对多的非确定关系，需通过引入交叉实体将其转换为确定关系。

4）在业务规则和范式的引导下进行检查

对照业务规则和数据建模范式要求对逻辑数据模型进行检查，添加必要属性并删除多余属性，剔除多余的关系，确认最终的逻辑数据模型。

系统的概念数据模型从顶层出发，反映了评价参与者、保障方案综合评价工作及数据信息三者间的相互关系，根据系统的概念数据模型，结合上文对于评价数据信息的相应分类，从评价运行主题域和装备保障仿真主题域两方面开展逻辑建模工作，由于篇幅有限，这里仅选取装备保障仿真主题域中的使用任务子域进行逻辑建模。

装备保障仿真数据是辅助研讨专家进行综合评价工作的重要依据，其中，在使用任务子域中，根据作战想定的具体要求，可以将作战单元的作战任务转换为装备作战单元的若干使用任务，使用任务主要描述装备作战单元在作战任务中的使用过程和行为活动，根据装备使用任务数据的需求分析，可确定其中的逻辑实体包括装备作战单元、复杂任务、阶段任务、装备完好数量要求、广义工作时间、装备损坏情况、红蓝对抗任务等，依据实体间关系，构建使用任务逻辑数据模型如图7所示。

“保障对象系统”是使用任务的承担者和执行者。上级“保障对象系统”具有“复杂任务”，分配到下级“保障对象系统”形成若干“阶段任务”，“阶段任务”除了描述任务相关参数外，还对“装备完好数量要求”、“广义工作时间”、“红蓝对抗任务”及“装备损坏情况”进行详细描述。其中，“红蓝对抗任务”反映“红方兵力”和“蓝方兵力”基本情况及相互关系。