面向效能评估的陆军技术保障装备体系仿真概念模型研究

张 东,梁伟杰,吕艳梅,李万领

(1.国防大学联合勤务学院,北京 100858;2.中国人民解放军32181部队,陕西 西安 710000)

技术保障装备是为实施装备技术保障而编配的各种装备,是部队遂行战时技术保障任务的重要物质基础,也是部队装备体系的重要组成部分。技术保障装备体系效能评估是指在装备保障理论和系统评估理论指导下,运用多种评估方法,对技术保障装备体系在规定条件下保障能力发挥程度进行的评价。仿真对于解决复杂系统的效能评估问题具有独特优势,是开展技术保障装备体系效能评估的有效方法。

基于仿真的保障效能评估是装备保障领域研究热点之一。文献[1]运用系统六元抽象理论构建了城市防空作战中陆军装备保障系统概念模型框架;文献[2]构建了由装备保障仿真单元体建模、装备保障仿真单元体聚合建模和基于HLA的装备保障仿真建模三层结构组成的装备保障仿真建模体系;文献[3]提出了面向任务的装甲装备维修保障效能仿真评估思路,构建了装甲装备维修保障模型体系框架;文献[4]建立了装备维修保障过程模型,以装备可用度为指标建立了装备维修保障效能评估模型。目前相关研究主要是面向某一类保障对象或者某一类部队展开,缺少面向技术保障装备体系效能评估的概念模型研究。

1 面向效能评估的陆军技术保障装备体系仿真

面向效能评估的陆军技术保障装备体系仿真,就是通过对战时技术保障装备体系运用过程进行仿真,实现技术保障装备体系效能评估。技术保障装备体系效能仿真评估方法示意图如图1所示,主要包括四个步骤:一是构建技术保障装备体系效能评估指标体系;二是建立技术保障装备体系仿真模型,设计开发基于HLA的技术保障装备体系仿真系统;三是基于想定推演对装备技术保障过程进行仿真实验;四是依据仿真实验数据得出效能评估结果。该方法通过计算机程序模拟技术保障装备体系动态运行过程,实现对技术保障装备体系运行过程和保障效能的分析评估。

图1 技术保障装备体系效能仿真评估方法

陆军技术保障装备体系仿真概念模型是指采用语言、符号或图形等形式,对陆军装备技术保障领域知识和技术保障装备体系本质特征进行抽象描述,并根据需要进行有机组合的过程。概念模型体系构建是技术保障装备体系仿真的重要步骤,也是进行技术保障装备体系仿真系统开发的基础。

2 陆军技术保障装备体系仿真概念模型构建

2.1 概念模型构建原则

陆军技术保障装备体系仿真概念模型构建主要应遵循客观可信原则、目标导向原则和可重用性原则。

一是客观可信原则。客观是指概念模型必须能够客观地反映装备技术保障系统的本质属性[5],符合部队装备技术保障实际;可信是指模型应采用条令条例、法规标准等权威表述来描述装备技术保障问题空间的结构、运行机制和要素关系[6],采用成熟的、经过验证的方法表述模型中的算法和数据,以提高模型的可信度。

二是目标导向原则。概念模型是根据研究需要而对现实系统进行的抽象描述,这种描述通常都基于一定的假设和简化。研究目标决定了概念模型建模方法。装备技术保障活动服从和服务于作战行动,保障仿真必须考虑作战行动的影响,但保障仿真往往弱化对抗因素,通常只考虑保障活动对己方作战的影响。模型构建应围绕技术保障装备体系效能评估这一目标来进行,忽略次要因素,划定清晰的问题描述边界。

三是可重用性原则。概念模型应采用通用设计和描述方法,独立于具体的仿真环境,以增强模型的可重用性。当外部环境和内部条件发生变化时,模型要相应地进行修改、完善,因而需要具备较强的可扩展性。模型体系还应该具备多分辨率,可根据研究层次的不同,在不同分辨率尺度上建立模型。

2.2 概念模型构建方法

概念模型的构建过程主要包括领域知识空间的概念分析和概念模型描述两部分内容。领域知识空间概念分析,是指通过对技术保障装备及其保障对象系统的组成和业务逻辑的分析,分离出各概念模型对象,并分析各个对象的特点、功能以及对象之间的相互关系。概念模型的描述,是对分析得出的概念模型对象的基本属性、行为和与外界的接口关系等进行的描述。仿真概念模型的描述方法通常可以分为自然语言描述、结构化描述和形式化描述三个层次。

在对复杂系统进行仿真概念模型体系构建时,通常采用基于多视图的建模方法。所谓多视图,是指从多种视角出发,对同一复杂系统进行观察和分析而形成的不同描述。不同视图分别表现了系统某一方面的特征,多种视图综合起来即可得出完整的系统概念模型体系。

美国国防部体系架构DoDAF2.0包含8种视图[7],英国国防部体系架构MoDAF1.2包含7种视图,国内有学者提出仿真建模的“系统六元理论”,其本质也是通过六种视图构建系统模型。在实际应用中,没有一套完全通用的多视图体系架构。应当根据具体问题域的实际情况,选择合适的视图,建立该视图下的仿真概念模型,最终综合形成多视图概念模型体系。

2.3 概念模型体系构成

本文在设计技术保障装备体系仿真概念模型框架时,基于系统工程和体系结构理论,考虑技术保障装备体系特点和面向体系效能评估的建模需求,从功能、实体、组织、任务、规则、环境和效能评估七个视图进行建模,构建了技术保障装备体系效能仿真概念模型,模型框架如图2所示。

1)功能模型。技术保障装备体系功能模型主要描述技术保障装备体系的功能属性,说明技术保障装备体系具备哪些能力,以及与保障对象、外部环境之间的交互关系。根据新的战时装备保障任务分工和技术保障装备功能定位,技术保障装备体系主要应具备装备抢救、装备抢修、装备故障检测维修、装备大部件拆装、装备保养维护等功能。

图2 技术保障装备体系仿真概念模型

2)实体模型。实体模型主要分析系统的组成实体,并建立各组成实体模型。实体模型的特征主要通过属性来描述,属性通常需要包括以下几类:一是基本属性,包括名称、标识符、位置等;二是能力属性,主要包括基本技术性能参数和战术性能参数;三是任务属性,主要包括实体所执行任务的类型、要求、规则和完成程度等。技术保障装备体系仿真实体模型主要包括:作战单元模型,保障对象装备(主战装备)模型、技术保障单元模型和技术保障装备模型。

3)组织模型。组织模型主要描述系统结构和系统各组成实体之间的关系。典型的组织结构包括树形结构、链式结构和网络结构等。技术保障装备体系仿真组织模型主要描述战时作战单元和技术保障单元编配情况,以及所采取的保障方式,包括伴随保障、定点保障和支援保障，主要反映战时技术保障单元与作战单元之间的保障关系。

4)任务模型。任务模型主要描述作战单元和技术保障单元在战时所需完成的作战和保障任务、任务具体执行动作、触发条件以及与外界环境的交互。本文建模的重点是技术保障装备体系及其运行过程,仿真概念模型主要涉及作战单元任务模型、技术保障装备任务模型和技术保障装备动作模型。任务模型通常包含以下信息:任务名称、标识符、任务目标、开始时间、结束时间、任务区域、所包含动作序列、任务条件等。以装备抢救任务为例,该任务又可划分为机动、通信、防卫、展开、拖救、牵引、后送、撤收等动作。

5)规则模型。在装备技术保障系统中,后装保障指挥机构、技术保障单元、技术保障装备等实体按照一定的保障规则进行各种信息和物质的交互,从而完成装备技术保障任务。同样,技术保障仿真模型也需要按照一定的规则推动各个实体的行为和状态的变化而达到模拟真实技术保障系统的目的。规则模型主要包括技术保障指挥规则、技术保障装备运用规则和技术保障单元行动规则等,每种规则又可以根据仿真需要进一步细化。技术保障指挥规则可以细化为技术保障态势判断规则、技术保障力量运用规则和通信规则等,技术保障单元行动规则可以细化为战时技术保障力量编组规则、抢救抢修行动规则、检测修理行动规则和机动规则等。技术保障装备运用规则可以细化为抢救抢修装备运用规则、检测修理装备运用规则和维护保养装备运用规则等。

6)环境模型。环境模型是对装备技术保障活动过程中涉及的可能影响相关保障效能的战场环境要素进行描述,主要包括地形地貌、气象水文和电磁环境模型。

7)效能评估模型。保障效能评估模型,是根据装备技术保障的基本任务和功能,建立评估指标体系,给出评估指标计算方法,从而对装备技术保障效能进行综合分析与评估。技术保障装备仿真效能评估模型,包括保障对象战备完好性评估模型、技术保障任务成功性评估模型、技术保障任务效率模型和技术保障装备费效比评估模型。其中,保障对象战备完好性可用装备完好率和使用可用度来描述,技术保障任务成功性可用技术保障任务成功率来描述,技术保障任务效率可用技术保障任务平均完成时间来描述,技术保障装备费效比可用技术保障装备总费用与效能的比值来描述。

2.4 模型间交互关系

技术保障装备体系仿真概念模型间交互关系如图3所示。技术保障装备体系仿真想定描述了仿真的作战背景和装备技术保障方案,规定了仿真的基本过程。基于技术保障装备体系仿真想定,完成对作战单元任务模型的设置,驱动作战单元模型和保障对象装备模型执行作战任务,作战任务过程中产生装备战损,从而生成装备技术保障需求,触发技术保障任务模型,驱动技术保障单元和技术保障装备共同执行技术保障任务,完成技术保障过程。无论是作战任务还是技术保障任务,都收到环境模型的约束和影响。效能评估模型在仿真输出结果的基础上,计算得出保障对象装备战备完好性指标、技术保障任务成功性指标、技术保障任务效率指标和技术保障装备体系费用约束指标等技术保障装备体系效能分项指标值,并最终综合得出技术保障装备体系总体效能。

图3 模型间交互关系示意图

2.5 基于UML的概念模型形式化描述方法

形式化描述是指利用计算机技术和形式化建模语言对军事概念模型相关信息进行规范化描述,常用的形式化建模语言包括UML和IDEF0等。统一建模语言(Unified Modeling Language, UML)是软件工程领域广泛应用的一种面向对象的形式化模型描述方法。UML采用多视图建模思想,主要通过用例图、静态图、行为图、交互图和实现图等5类13种图形,从静态结构和动态行为方面对复杂系统进行建模。UML各种图形的含义及其建模方法可参考相关文献[8],本文不再赘述。技术保障装备体系仿真概念模型所对应的形式化描述方法如表1所示。

表1 技术保障装备体系仿真概念模型描述方法

下面仍以装备抢救任务模型为例,给出该模型的活动图(Activity Diagram)描述,如图4所示。

图4 装备抢救任务活动图

3 结束语

本文对面向效能评估的陆军技术保障装备体系仿真概念模型进行了研究,针对技术保障装备特点和体系效能评估的需求,提出了陆军技术保障装备体系仿真概念模型构建原则;基于系统工程和体系结构理论,从功能、实体、组织、任务、规则和环境六个视图进行建模,构建了技术保障装备体系仿真概念模型;给出了基于UML的概念模型形式化描述方法。为面向效能评估的陆军技术保障装备体系仿真概念模型构建提供了理论和方法支撑。