基于SysML的远程专家保障装备体系建模及结构评估

秦昌茂，孟 苏，莫锦鹤

(中国运载火箭技术研究院，北京 100076)

0 引言

随着科学技术的发展，武器装备智能化和信息化的程度越来越高，战争形态也发生了变化，未来联合作战呈现出体系对抗体系的特点[1]。体系包括作战体系及装备体系，装备体系是由功能上相互联系、相互作用、性能上相互补充的众多系统组成的，这些系统之间关系复杂，相互作用明显，相互制约多，相互影响大[2]，这是导致体系建模可靠性和效能分析有效性困难的主要原因之一。因此，对涉及的各类武器装备作战单元、作战系统，在动态作战环境下建立体系模型并进行效能评估，是装备体系研究的重要方向[3]。

当前，对于体系结构建模的设计思想主要有两种方式：以产品为中心和以数据为中心[4]。其中，C4ISR采取以产品为中心的方式，英国国防部体系架构框架(MODAF)、美国国防部体系框架(DoDAF)则采取以数据为中心的方式。虽然这些方法对体系结构产品和设计数据进行了较详细的描述，但研究大多集中在信息系统领域，研究内容主要是体系结构框架，由于没有给出规范化的定义，很多产品的描述内容是模糊的，特别是针对武器装备体系开展结构建模及效能评估的研究较少。

SysML(Systems Modeling Language, 系统建模语言)同样作为一种体系描述语言，提供了可视化的多种视图，但更加倾向于对系统功能、数据和控制流等特征的描述与表示，描述形式规范易懂且更便于建立可执行模型和仿真应用[5-6]。

本文基于联合作战背景下的远程专家保障装备体系想定，从体系作战需求角度出发，以SysML设计语言为基础[7]，参照DoDAF，基于远程专家保障装备体系详细设计了可描述静态特性和动态行为的体系结构视图产品集合，实现了装备体系结构的规范化建模。依据远程专家保障装备体系结构视图产品采用ExtendSim系统仿真软件建立了可执行模型，并进行了仿真分析和结构评估。

1 基于SysML及ExtendSim的装备体系建模及评估方法

1.1 基于SysML的体系结构视图产品

SysML针对系统工程领域中系统设计与建模的特点，提供了规范化、可视化、图形化的系统建模支持，相较于其他建模语言更加符合武器装备体系结构设计的需求[7]。

为实现体系结构的规范化设计到仿真分析的过渡，在体系结构语法规范性和数据完备性的指导下，从体系的作战需求角度给出了一组能够完全描述体系静态特性和动态行为所必需的作战视图产品集合，如表1所示。体系的特性分为静态特性和动态行为，在所列9个产品中，OV-1、OV-2、OV-3、OV-4、OV-5以及SV-1和SV-2等7个产品都是对体系静态特性的描述；OV-6a和 OV-6b两个产品是对体系动态行为的描述。

表1 体系结构视图产品集

1.2 基于ExtendSim 的体系结构建模和评估

ExtendSim建模的方法是典型的面向对象的建模方法，可将基于SysML的体系结构视图产品经过适当改造直接建立模型，因此，较适合对武器装备体系这类复杂系统进行仿真。

对体系结构的评估主要分为两个方面[8]：

1)体系结构各个产品数据之间在逻辑上不存在冲突和死锁，体现在生成的仿真模型能够正确无误地运行。

2)仿真运行过程中每项作战活动的平均使用率。从装备体系的实际作战背景和所采用的仿真环境出发，作战活动的平均使用率直接反映了体系结构设计的合理性，如果某个作战活动一直处于忙碌状态，则可能会导致堵塞，但若过于空闲，则又说明资源没有得到有效利用[8]。

2 基于SysML的远程专家保障装备体系结构建模设计

在联合作战环境下，对发生故障或损坏的战场作战装备进行及时的故障排除、诊断和维修，可有效提升战场作战能力。基于此作战应用，远程专家保障装备体系已成为体系作战中不可或缺的组成部分，主要用于快速解决装备故障，确保装备战备完好性。远程专家保障装备体系主要分为3部分：现场维修保障系统、卫星通信网络和远程保障中心，各系统之间通过卫星通信网络进行组网通信。作战装备配套表如表2所示。

表2 作战装备配套表

远程专家保障体系开展维修保障的运行流程如下所示：

1)信息管理系统实时监控武器装备工作状态；

2)信息管理系统监测到武器装备故障信号，命令抢修车前出；

3)抢修车前往故障现场途中组建远程保障服务网络；

4)抢修车到达后，抢修人员携带实时信息采集交互设备进入故障装备现场，将现场的故障信息通过卫星通信链路实现与抢修车、远程保障中心的交互；

5)远程保障中心提供故障维修方案，指导现场排除装备故障；

6)完成排故维修操作后，抢修车将信息统计、存档。

基于SysML的体系结构视图产品建立远程专家保障装备体系结构，表1中相关作战视图、系统视图产品集合的示意图和内容分别如图1～8和表3所示。

表3 作战信息交换矩阵(OV-5)产品

图1 高级作战概念图(OV-1)产品示意图Fig.1 Advanced operational concept view(OV-1)

3 基于ExtendSim的远程专家保障装备体系结构评估

依据规范化的体系结构产品集合，根据作战事件跟踪描述(OV-6b)产品，结合作战活动模型(OV-2)和作战节点连接描述(OV-4)基于ExtendSim建立起体系结构的仿真模型，仿真模型如图9所示。

图9 仿真模型图 Fig.9 Simulation model

对仿真模型的相关输入作如下设定：

1)仿真单位时间为min；

2)仿真单次时间为24 h；

3)仿真次数为10次。

每项作战活动的执行时间满足的正态概率分布(高斯分布)如表4所示。

图2 作战活动模型(OV-2)产品示意图Fig.2 Operational activity model(OV-2)

图3 组织关系图(OV-3)产品示意图Fig.3 Organization chart(OV-3)

图4 作战节点连接描述(OV-4)产品及节点块定义示意图Fig.4 Operational node connection description and node block definition diagram(OV-4)

图5 作战状态转换描述(OV-6a)产品示意图Fig.5 Description of combat state transition(OV-6a)

图6 作战事件跟踪描述(OV-6b)产品示意图Fig.6 Operational event tracking description(OV-6b)

图7 系统层次结构图(SV-1)产品及块定义示意图Fig.7 System hierarchy diagram and block definition diagram(SV-1)

图8 系统通信接口描述(SV-2)产品示意图Fig.8 System communication interface description(SV-2)

表4 作战活动的运行参数

对仿真模型进行运行表明，建立的仿真模型能够正确无误地运行，且各产品之间能够保持数据静态的一致性。仿真运行过程中每项作战活动的平均使用率以及一次作战(作战环)统计时间结果如表5～6所示。

表5 一次作战(作战环)统计时间

由表6还可以看出，信息传输的平均使用率为维修指令的2倍，但在初始设置中，维修指令的执行时间为信息传输的5倍。因此，每项活动的平均使用率与作战活动的执行时间相关，但并不完全由执行时间决定。

表6 作战活动的平均使用率 %

由表6中可以看出，维修实施、信息采集、维修方案及故障分析占比较大，维修实施作为具体作业活动，占比较大的原因为活动时间长。信息采集、维修方案及故障分析均为远程保障中心系统工作范畴，具有大数据存储、处理能力的远程保障中心系统作为体系关键环节，将直接关系到作战活动能否顺利开展。因此，有必要针对当前远程保障中心系统能力进行优化提升，以促进整个远程专业保障装备体系能力的发展。

4 结论

本文以联合作战背景下的远程专家保障装备体系想定，从体系作战需求角度出发，结合体系组成和体系运行流程，基于SysML详细设计了能够描述体系静态特性和动态行为的体系结构视图产品集合。针对体系结构视图产品基于ExtendSim建立了可执行模型，并进行了体系结构仿真评估，依据评估结果提出相应的体系能力提升建议。

本文方法可形成武器装备体系的建模、仿真、评估和优化方法，验证武器装备体系执行作战任务的效果，为装备作战方案的制订提供分析依据和决策参考。