基于系统工程思想的直升机军事需求论证框架研究

娄本超

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

随着武器装备作战向着体系化、信息化、网络化方向演进[1-2]，作为牵引装备发展的军事需求论证也越来越受到重视。近年来，武器装备军事需求论证经历了由“自发产生的形成阶段”到“基于威胁的发展阶段”再到“基于能力的变革阶段”[3-5]。军用直升机作为陆军“机动作战、立体攻防”的重要装备[6]，研发人员立足未来作战样式，开展基于能力的军用直升机需求分析，对于研制符合使用要求、融入作战体系的直升机装备具有重要意义。

目前，国内许多学者开展了装备军事需求论证研究，也产生了大量的研究成果。郭齐胜等在装备军事需求论证方面开展了大量的研究，总结了需求论证的理论方法，并提出了工程化应用的思想[7-8]；屈也频等[9]提出了航母舰载机装备体系及指标论证方法；郑保华[10]等针对体系作战，提出了水面舰艇作战需求论证方法。此外，还有很多学者在使命任务分析，能力需求分析，需求论证的方法、工具方面做了大量研究，在此不一一赘述。

通过以上文献可以看出，尽管国内对于装备需求论证方法研究较为成熟，却尚无直升机军事需求论证的相关研究。近年来，以系统工程为核心的正向设计思想已经逐渐成为复杂装备研制的重要思想，国内也鲜见文章发表。

本文针对直升机军事需求论证工作，运用系统工程思想，提出直升机军事需求论证框架，得到直升机功能和性能分析流程，并建立元活动—能力指标—效能指标模型，提高论证效率和精确度。

1 直升机军事需求论证流程框架

1.1 系统工程思想

近年来，随着国内系统工程的发展，“总体设计-分解-集成”思想与“黑盒-白盒”思想正成为复杂系统研制的重要思想[11]。

“总体设计-分解-集成”思想是通过对一个复杂的系统逐级进行详细分析、设计，然后再从零组部件、分系统到系统逐级集成、验证，最后得到满足使用要求的产品，如图1所示。

图1 “总体设计-分解-集成”思想

“黑盒-白盒”思想，是先将待研究的对象看作为一个黑盒，其输入、输出和功能表现是已知的，但是内部的实现是未知的或者不相关的，以确定其具体功能；之后开展内部实现分析，建立内部架构，将整体功能分配给组成系统以及研究内部。以此不断开展，直至最后一层，具体如图2所示。

1.2 直升机军事需求论证框架

基于系统工程思想，结合工程问题“提出问题—分析问题—形成方案—评价方案—形成结论”的研究思路，提出一种直升机军事需求论证框架，如图3所示。

图2 “黑盒-白盒”思想

由图3可以看出，直升机军事需求论证主要可分为三个阶段：

1)使命-任务-构想分析：使命-任务-构想分析是需求论证的第一步，即由国内外安全环境、国家战略、军事战略、武器装备发展战略等出发，分析未来面临的安全环境、军事威胁和作战环境，得到装备体系的作战使命；对作战使命进行分解，得到作战任务；在作战任务下设计若干作战想定。

2)基于作战构想的需求分析迭代：由第1阶段生成若干作战构想，基于“黑盒-白盒”思想，对每一个构想进行功能和性能迭代分析和验证，得到该构想下的能力需求。

3)能力需求生成与评价：由每一个构想下的能力需求进行整合，得到若干构想下的能力需求集。可以预见的是，该能力需求集存在许多重复、冲突的能力，进行消解后，开展效能评估和体系贡献率评估，对直升机能力需求进行评价，得到满足任务需求的直升机能力需求方案。

以上框架中，使命-任务-构想分析，主要采用分解方法，国内学者对此做了大量研究，在此不再赘述[12-14]。基于作战构想的需求分析迭代和能力需求生成与评价是需求分析的重点工作，将在下文介绍。

2 基于作战构想的需求分析迭代

作战构想是关于作战问题的处理方法或实现作战目标的措施与途径的构思性描述，根据研究目标的层次，可以分为作战顶层构想、作战行动构想、作战功能构想和作战一体化构想[15]。在直升机军事需求论证中，主要考虑直升机在作战体系中的功能和性能要求。因此，在这个阶段可以分两个步骤进行，即功能需求分析与验证、性能需求分析与验证。

2.1 功能需求分析与验证

基于“黑盒-白盒”思想，参考美军DODAF2.0框架[16-19]，由初步作战构想出发，提出体系作战下的直升机功能需求分析与验证框架，如图4所示。

其主要步骤如下：

1)体系功能分析阶段：将作战体系看作黑盒，由初步作战构想，分析体系作战的应用流程、战场分布态势和战场环境等信息，得到初步的体系作战任务清单；开展作战体系架构设计，包括架构组成、组织关系分析、架构接口等；将作战任务分配给架构，得到每个组成单元的任务；开展作战活动分析，得到初始作战活动清单；最后进行体系架构—作战活动验证与迭代，得到符合要求的体系架构—作战活动清单。

图4 功能需求分析与验证框架

2)装备功能分析阶段：将装备架构看作黑盒，由作战活动清单，开展装备体系架构设计，包括架构组成、组织关系分析、架构接口等；将作战活动分配给架构，得到每个组成单元的活动；开展装备功能分析，得到初始装备功能清单；最后进行装备架构—装备功能验证与迭代，得到符合要求的装备架构—装备功能清单。

需要注意的是，在同一个构想下，每个装备可能会重复同一个作战活动，所以得到的装备功能清单可能会存在重复内容，而后续的性能需求分析需要结合具体的作战活动考虑，因此，这里并不对功能清单进行整合。

2.2 性能需求分析与验证

性能需求分析与验证，是根据得到的装备功能需求进行指标设计与验证，具体框架如图5所示。

图5 性能需求分析与验证框架

其主要步骤如下：

1)性能需求分析阶段：根据前面得到的直升机初步作战构想下的功能清单，结合具体任务，设计直升机指标体系，进而设计战技指标。

根据文献[20]，指标可分为效益型、成本型、区间型、偏离型和偏离区间型等五类。

① 效益型指标：指标值越大越好的能力指标。

② 成本型指标：指标值越小越好的能力指标。

③ 区间型指标：指标值越接近某个固定区间(包括落入该区间)越好的能力指标。

④ 偏离型指标：指标值越偏离某个固定值越好的能力指标。

⑤ 偏离区间型指标：指标值越偏离某个区间越好的能力指标。

指标设计时，需要考虑实际作战需求、指标相互约束、系统间相互关系以及技术发展等因素。在指标处理时，文献[21]将指标分为专家评价类和计算仿真类，并给出了其满意度处理方法，本文直接引用。

2)性能需求验证阶段：根据初步作战构想，设计作战试验，代入作战体系和直升机功能、性能初步需求，进行指标验证，经过反复迭代，得到直升机性能需求。

由以上，对直升机功能、性能需求进行分析和验证，可以得到某一作战构想下的直升机能力需求以及完善的作战构想。

3 能力需求生成与评价

对若干作战构想下的能力需求进行聚合，可得到所有构想下的能力需求清单。然而，在多个作战构想下，会有重复的活动，或者不同的活动带来的能力指标冲突，这就需要在聚合时设计聚合模型，以便得到最终的直升机能力需求。

3.1 聚合模型设计

根据不同的指标类型，分别进行聚合模型设计。

1)效益型指标

设多个作战活动对应的直升机能力指标均为同一个效益型指标，数值为I1,I2,…,Im(m为指标个数)。则其聚合结果为

I=Max{I1,I2,…,Im}

(1)

2)成本型指标

设多个作战活动对应的直升机能力指标均为同一个成本型指标，数值为J1,J2,…,Jn(n为指标个数)。则其聚合结果为

J=Min{J1,J2,…,Jn}

(2)

3)区间型指标(包含区间型、偏离型和偏离区间型)

①区间交聚合模型

设多个作战活动对应的直升机能力指标均为同一个区间型指标，数值为[K1l,K1h],[K2l,K2h],…[Kpl,Kph](p为指标个数)。则其聚合结果为

[Kl,Kh]=[Max{K1l,K2l,…,Kpl},

Min{K1h,K2h,…,Kph}]

(3)

②区间并聚合模型

设多个作战活动对应的直升机能力指标均为同一个区间型指标，数值为[E1l,E1h],[E2l,E2h],…,[Epl,Eph](p为指标个数)。则其聚合结果为

[El,Eh]=[Min{E1l,E2l,…,Epl},

Max{E1h,E2h,…,Eph}]

(4)

③区间加聚合模型

设多个作战活动对应的直升机能力指标均为同一个区间型指标，数值为[F1l,F1h],[F2l,F2h],…,[Fpl,Fph](p为指标个数)。则其聚合结果为

[Fl,Fh]=[{F1l+F2l+…Fpl},

{F1h+F2h+…Fph}]

(5)

3.2 能力需求生成与评价

通过对不同构想下的能力需求进行聚合，得到直升机能力需求清单；以完整的作战构想为背景，开展效能评估和体系贡献率评估，对直升机能力需求清单进行评价。具体框架如图6所示。

图6 能力需求生成与评价框架

4 元活动-能力指标-效能指标库构建

4.1 构建目的与应用

直升机军事需求论证的主要流程是由使命任务出发，构建若干作战构想，在作战构想的基础上，将使命任务逐步分解为作战活动，并由作战活动映射得到装备功能，进而进行性能指标设计和验证，最终得到直升机军事需求方案，并基于作战构想进行评估指标设计，开展效能评估和体系贡献率评估的过程。在此过程中，需要对每一个作战活动进行映射得到直升机功能需求，并构建评估指标体系，工作重复性高，结果描述不统一。

由上述不难发现，需求论证的关键要素为作战活动、能力需求和指标体系。为了有效地提高论证效率，提升论证准确性，提出元活动—能力指标—效能指标库构建思路，为直升机军事需求论证做支撑。

元活动是指是具有原子性事务处理性质的、能够实现一定的作战目标或者达到一定目的、相互独立、互不包含的最小活动单元[22]。直升机军事需求论证中的元活动—能力指标—效能指标库生成与应用如图7所示。

图7 元活动—能力指标—效能指标库生成与应用过程

4.2 元活动—能力指标—效能指标模型与构建

如图7所示，元活动—能力指标—效能指标库应根据直升机任务清单、部队训练大纲、知识、历史经验等建立，并由专家评审确定。一个元活动—能力—效能指标模型可以定义如下：

Meta_Activity=

其中，Name表示元活动名称；Capacity表示元活动驱动的能力指标；Efficiency表示效能指标；Condition表示元活动的执行条件；Input表示元活动的前置元活动；Output表示元活动的牵引元活动；Reactivity是指相关元活动。具体如图8所示。

图8 元活动—能力指标—效能指标模型

元活动能力指标是指期望元活动达到的效果或完成任务程度的度量；效能指标是指用于效能和体系贡献率评估的指标；执行条件是指影响元活动执行水平的条件，如自然条件、电磁条件等；前置元活动是指能够触发该元活动或者引起该元活动状态改变的元活动；牵引元活动是指该元活动所触发的或者能够引起其状态改变的元活动；相关元活动是指与该元活动能力指标相互影响的元活动，如发动机安装红外抑制器对功率有影响，影响飞行速度。表1所示为一组典型的元活动—能力指标—效能指标数据。

表1 元活动—能力指标—效能指标数据示例

5 应用实例

下面以某运输直升机A为例，对军事需求论证框架进行验证。

首先，构建该运输直升机元活动—能力指标—效能指标数据库(具体内容略)；其次，依据该直升机的使命任务和作战样式，初步拟定作战构想，如平原运输任务、高原运输任务等。以平原运输任务为例，以运输体系为黑盒，分析参与该任务的体系架构，有陆航部队、机场部队、被运输部队、卫星通信导航单元等，得到其体系架构如图9所示。详细分析其作战活动，得出该体系的作战活动清单，并将其分配给各参战单元，如图10所示。

图9 平原运输任务体系架构示例

对上述体系架构进行仿真验证，并迭代修改，得到各参战单元的作战活动清单，如表2所示。根据体系架构和作战活动清单，进行装备架构设计，具体如图11所示。

表2 平原运输任务各参战单元作战活动清单示例

进而，将陆航部队作战活动分配给A型运输直升机和B型运输直升机，开展系统功能分析。在此过程中，调用元活动-能力指标库，快速生成待研究对象(A型运输直升机)的功能清单。在功能清单的基础上，初步设计性能指标，如表3所示，并对其进行装备架构仿真验证。

图10 平原运输任务作战活动分析示例

图11 平原运输任务装备体系构成

对上述性能指标开展验证，并迭代优化，得到该构想下的能力需求，如图12所示。

表3 平原运输任务A型直升机功能清单

图12 A型运输直升机性能指标验证

分析得到所有构想下的能力需求，根据3.1节聚合模型对不同构想下的能力需求进行聚合，得到最终的能力需求清单。将能力需求代入每个作战构想，调用能力指标—效能指标库，生成指标体系，开展体系贡献率评估，评价能力需求，如图13所示。

图13 A型运输直升机体系贡献率评估示例

得到底层数据之后，根据文献[21]步骤，进行数据聚合，得到体系贡献率评估结果。根据体系贡献率评估结果，可对直升机能力需求做修正。

6 结论

1)本文基于系统工程思想，提出了由直升机使命任务分析出发，开展直升机使命-任务-构想设计,基于作战构想的能力需求分析迭代、能力需求生成与评价的军事需求论证框架，可满足直升机军事需求论证需求；

2)为提升军事需求论证效率，本文建立了元活动-能力指标-效能指标库模型，并提出了构建方法，可用于军事需求论证实践；

3)本文为直升机军事需求论证工程化、效能评估和体系贡献率评估奠定一定基础。