面向要地信息系统建设需求的论证方法研究

郑 锐,陈 钊,翟 岩,周 茜,张利川

(1.中国人民解放军91977部队,北京 100036；2.中国舰船研究院,北京 100192)

军事要地作为作战体系中的重要节点,通常集指挥通信、态势感知、综合保障等多重功能于一体,是贯彻上级机构任务部署,遂行相关作战行动的重要力量。针对要地整体规划以及上级机构赋予要地的使命任务,以军事需求为导向,开展对应的信息系统设计和建设,为要地执行各项行动任务提供信息化支撑,是达成上级机构赋予要地相关使命任务的重要基础。

目前,国内外对于信息系统,特别是大型军事信息系统的顶层设计,通常仍采用传统系统工程设计方法,该类方法基于文档聚合工程信息,产出一系列基于自然语言的产品,严重依赖人工,费时费力且易出错。随着对要地使命任务需求的增加,系统要素不断增长，规模更庞大，结构更复杂,传统系统工程设计方法无法胜任信息系统的顶层设计,寻求数字化和智能化方案是解决此类问题的有效途径。以模型化为代表的信息技术,如基于模型的系统工程(Model Based System Engineering MBSE)是解决此类需求多变、结构复杂、规模庞大的信息系统顶层设计的金钥匙。

当前,各军事大国在全球热点区域根据国家战略需要进行军事部署,如为应对西亚、北非部分地区海盗和恐怖主义势力活动猖獗等问题,美、法、日、意、中等国在区域内均建有海外基地,以保障各国在该区域的国家利益。在任务区域内须遂行通信保障、护航、维和、人道主义救援、联演联训、撤侨、物资保障等多类行动任务,因此，急需开展相关信息系统建设需求的论证研究,为执行上级机构赋予的各项使命任务提供信息化支撑。海外基地是一种典型的军事要地,本文以其为样板,针对该类型要地多方向、多领域和多样化使命任务,提出一种基于MBSE的面向要地信息系统建设需求的论证方法,初步解决了要地信息系统总体设计过程中存在的规范化不足，自动化程度低，智能化干预少，不同领域关联化弱，通用化不强等问题。

1 需求论证方法研究面临的主要问题

1.1 规范化方面

目前,国外已把基于模型的系统工程等设计方法少量应用到了航空和航天等小型信息系统的设计领域,并获得了成功,对于大型信息系统设计,目前研究不够深入;而国内对于此类研究处于起步阶段,尚未成体系构建成熟的标准化和数字化设计流程及设计方法,相关规范化研究仍不充分。

1.2 自动化方面

目前,各类军用信息系统总体设计在一定程度上仍严重依赖人工处理、计算、分析和干预,自动化程度不足。在进行信息系统总体设计时,信息系统中各要素(如系统/设备组成、功能性能指标、使用要求,诸如地形地貌、建筑、海底地形等战场物理要素,以及操作人员与系统/设备的人机交互要素等)无法完全实现格式化输入和自动化输出。

1.3 智能化方面

目前,各类军用信息系统总体设计较少利用人工智能算法,未实现设计过程智能化择优、智能化干预等。

1.4 关联化方面

目前,各类军用信息系统总体设计中的各分项设计通常独立进行，背向开展,横向铰链弱，关联程度低,未实现联动式优化。对某类设计中某些要素进行的调整、优化、更新无法及时传递至其他相关联的设计,导致相关要素变更时,形成的新设计结果只在局部得到优化,而装备的总体性能可能变差。

1.5 模块化方面

目前,针对各类军用信息系统总体设计,未构建统一、可裁剪、可移植的数字化基础模型,各类总体设计中使用的模型不统一，模块化较弱，通用化不强,在多项总体设计中搭建设计模型难以避免冗余的重复工作。

针对上述问题,亟须开展相关信息系统建设需求的规范化、自动化、智能化、关联化、模块化等方面的研究,形成信息系统建设需求的论证方法,指导和辅助要地信息系统顶层设计。

2 信息系统建设需求论证方法

面向要地信息系统建设需求顶层设计,探索结合基于模型的系统工程(MBSE)方法论,开展军事需求验证、系统设计验证和人机交互验证三轮验证。同时,针对三轮验证涉及的总体设计要素、效能评估及设计过程中的人机交互进行研究。

通过三轮验证建设需求,减少了需求变更率,提升了系统集成设计质量,从人机交互方面优化了指挥控制等装备操作使用人员对系统和装备的使用效能。本文采用多设计同步循环、迭代式优化的方式获取最优设计输出,通过三轮验证形成三张视图。论证过程如图1所示。

图1 信息系统建设需求论证过程示意图

设计工具方面,第一轮军事需求验证阶段可采用美国国防部体系结构框架(Department of Defense Architecture Framework,DoDAF)设计推演工具,概念建模可采用系统建模语言(Systems Modeling Language,SysML);第二轮系统设计验证和第三轮人机交互验证阶段可采用集成仿真工具平台,各类建模可采用SysML等语言。

3 信息系统建设需求论证方法研究内容

利用MBSE标准化语言等工具,将MBSE方法论贯穿到三轮验证全流程中,在论证、研制、建设和维护的全周期内实现设计过程的规范化;利用MBSE标准化语言等工具进行建模,将系统输入和输出要素数字化和模型化,减少设计人员繁琐的重复性工作,实现设计过程的自动化;利用MBSE标准化语言等工具整合多领域、多学科,构建通用的可裁剪、可移植数字化模型,实现设计过程的模块化;三轮验证过程中,各分项设计同步展开、迭代优化,通过MBSE数字化和模型化方法,过程中任何要素的修改能实时传递至设计中的每个环节,解决各分项设计独立进行、背向开展,横向铰链弱、关联程度低的问题,实现设计过程的关联化;优选各类智能算法,合理和高效地评估系统设计结果与使用需求的符合度,同时,在设计过程中运用智能运算提出参数建议、方案优选建议等供设计人员参考,通过逐步迭代、人机交互等提取最优性能指标,实现设计过程的智能化。具体研究内容如下。

3.1 军事需求验证研究

3.1.1 研究内容

军事需求验证从上级机构赋予要地的使命任务出发分两层建模。第一层通过使命任务层(战役层)建模验证使命任务满足度;第二层通过作战活动层(战术层)建模验证任务行动满足度。

从战役层选取典型作战行动任务,结合要地人员编配、政策法规、国际环境、自然条件等要素,按时间拆解为不同作战活动,从每项作战活动分别抽取能力需求要素,对同类要素进行归并组合,形成对应该项作战行动任务的总能力需求,作为第一轮设计输出。将总能力需求设计输出与作战行动任务进行匹配,若满足要求,设计结束并输出设计结果;若不满足要求,修改相应要素进行迭代,直到匹配为止。军事需求验证流程如图2所示。

图2 军事需求验证流程示意图

3.1.2 研究要点

在战役层,应根据上级机构赋予要地的使命任务,结合我军/外军相同或相似任务,提出典型作战行动任务(如人道主义救援等),任务模型实时入库,在设计过程中持续更新和完善。

在战术层,应根据战役层提出的典型作战行动任务,按照作战时序和作战类型进行作战活动(包括通信保障、气象环境感知、人员输送、物资投递等)建模,作战活动模型实时入库,在设计过程中持续更新和完善。

3.1.3 研究成果

军事需求验证研究提出要地信息系统对应系统整体设计应具备的功能、性能指标要求等,形成军事需求一张图。

3.2 系统设计验证研究

3.2.1 研究内容

系统设计验证从军事需求验证设计得出的“能力需求”输出结果出发,按照要素建模、效能评估和匹配性分析三个步骤验证军事需求分析结果的正确性和符合性。

1)要素建模

要素建模包括装备建模、战场建模、算法建模。

①装备建模。从“能力需求”输出结果中抽取装备要素,对于装备模型库中已有的、能够与装备要素匹配的装备模型,可直接使用;对于装备模型库中无法匹配的装备要素,进行建模并入库(后期可作为装备改进和研制的建议)。

②战场建模。抽取与系统能力息息相关的各类非军事要素进行建模,包括设备部署区域地形地貌、建筑和设施分布情况,周边环境,社情民情等。此类模型可分为两部分:a)要地特有部分,需针对各要地单独建模;b)通用部分,针对各要地共用部分建模。

③算法建模。包括各类可对系统使用效能进行量化评估的算法/软件。如电磁兼容性分析软件,可对通信保障和气象水文环境监测等用频装备选型及布置进行电磁兼容性测算,评估电磁兼容性影响和风险;各型能力评估软件,例如通信保障能力评估软件,可对要地部署的通信装备进行效能评估等。

2)效能评估

效能评估是基于模型的装备要素、战场要素,采用各类分析软件,综合测算要地信息系统在通信保障、气象环境感知、综合保障等功能域的效能。

3)匹配性分析

匹配性分析是基于效能评估的结果,与军事需求验证提出的作战行动任务进行匹配,视匹配情况修改军事需求验证得出的模型要素,迭代计算直至匹配为止,输出最终设计结果。

系统设计验证流程如图3所示。

图3 系统设计验证流程示意图

3.2.2 研究要点

要素建模方面。对于装备建模,前期设计应根据“能力需求”输出结果中抽取的装备要素,检索比对现役或在建、在研装备,建模并入库,丰富模型数据库;对于暂无现役、在建或在研装备能够与之匹配的装备要素,应提出研制建议,同步建模并入库。对于战场建模,针对特定要地单独设计专用要素,同时抽取通用要素,设计统一框架并入库,作为后续要地信息系统建设顶层设计的依据。对于算法建模,可充分利用已建大型信息系统既有技术成果,将分析计算过程程序化和软件化,并预留后续扩展能力。

效能评估方面,应充分考虑除相关装备和使用人员外所有影响装备作战能力形成的非装备要素,全面涵盖要地电磁兼容要素、气象水文要素、地形地势要素,以及通信保障、气象环境感知等各功能领域,并进行模型化和软件化,作为效能评估的依据。

匹配分析方面,应研究提出合理的匹配性指标要求和验证手段,能够合理、有效地评估系统设计结果与用户使用需求的符合度。

3.2.3 研究成果

系统设计验证输出要地信息系统建设需求对应的装备具体形态(包括现役、在建或在研装备型号、新研或改进装备功能和性能指标建议等)、装备部署要素(包括部署时机、位置、高度、深度、方位等)和装备使用限制要求等(包括频域控制、时域控制、空域控制、能域控制、人工干预等),形成系统设计一张图。

3.3 人机交互验证研究

3.3.1 研究内容

该研究按时间排列“作战活动”,从“装备要素”中抽取每个时序作战活动对应的系统/装备形成装备要素集合。以作战活动为纵轴、装备要素为横轴,形成人机交互矩阵,每个阵元根据作战活动对装备和人员的要求对应填入相应的作战人员要素(人员)、信息要素(信息)和人机交互要素(关系),即人机交互阵元三要素,如图4所示。

图4 人机交互矩阵

使用系统设计验证阶段输出的装备要素集;根据要地人员编制和组成,按照面向作战活动、面向系统/装备、面向信息流等不同维度生成人员要素集;从作战活动出发,着眼人员要素与装备要素的交互关系,抽取交互信息要素建模,描述人员要素与信息要素之间的互动关系。

按照作战时序,首先从装备要素集中抽取与作战活动相关的系统装备型号,从人员要素集中选取与系统装备对应的人员要素,按照人员对系统装备的操作要求,形成与对应的信息关系。确定人员要素后,将各类人员要素进行组合,生成对指挥控制、通信保障等各类人员的需求(包括数量要求、资质要求、操作要求、保密要求等)。对作战活动,,…,,重复以上步骤,确定人机交互矩阵各阵元要素。人机交互验证流程具体如图5所示。

图5 人机交互验证流程示意图

3.3.2 研究要点

对于要素建模中的人员要素建模,要素诸元应对齐装备操作和信息流,做到活动和信息一一对应,不遗漏作战过程中任何对人员的需求因素;信息要素建模方面,作为装备要素和人员要素之间的桥梁,涉及何种装备和何种人员,则相应具备何种信息要素支撑。

对于作战活动涉及的作战时序,分解作战活动时应尽可能确保每项作战活动在时间上无交叠。

3.3.3 研究成果

人机交互验证研究以军事需求验证“作战活动”输出和系统设计验证“装备要素”输出为输入,结合要地兵力编成、操作人员使命等,按照时间输出人员与系统/装备间的信息交互、操作关系等,形成人机交互一张图，可指导和辅助系统使用部队根据人机交互要求生成系统使用人员编制。

3.4 总体设计要素研究

针对要地信息系统总体设计任务,构建涵盖电磁兼容要素、指挥控制要素、通信保障要素、水文气象感知要素、要地防卫要素等在内的信息系统总体设计要素。

3.4.1 通用基础信息要素研究

从总体设计要素中抽取通用元素形成通用元素集,主要包括要地内部及周边区域地理信息、时空基准信息、高程信息、水文信息、民用领域/涉外领域相关基础信息等。

设计统一框架,利用通用元素集搭建通用基础信息模型基底,形成原型系统。对于现阶段未考虑但后续可能需要进行扩展的通用元素,应采用模块化设计,使之在原型系统基础上可进行插件扩展更新。

3.4.2 专用装备信息要素研究

针对电磁兼容性、场地环境建设优化布局设计等专项设计任务,研究专用装备信息要素,主要包括与装备战技性能指标相关的各类专用模型。

1)从不同专项设计要素中抽取除通用元素外的其他元素形成专用元素集,诸如具备收发功能的天线等的电磁辐射模型,要地防卫设备的空间作用范围和射击角模型,气象雷达等感知设备的探测角模型、探测高度和距离模型等,专项领域设计效能评估模型等。

2)对于现阶段未考虑,但后续有可能需要扩展的专用元素,应采用模块化设计,使之在原型系统基础上可进行插件扩展更新。

3)专用元素集成至原型系统的接口设计应遵循总体框架的规定。

3.4.3 功能域辅助设计研究

围绕电磁兼容性、气象感知设备视界、场地环境建设优化布局等信息系统总体设计任务,开展各功能分域辅助设计研究,以用法研究牵引总体顶层设计。如对于电磁兼容性辅助设计研究,以某大型信息系统建设中电磁兼容性分析设计为基础,针对特定要地特殊情况,以体系化、模型化、集成化方式搭建要地电磁兼容性分析统一框架,具备扩展性,能够根据各要地具体情况进行剪裁适应和升级。

3.4.4 接口与规范要素研究

其包括通用领域标准规范和专用领域标准规范研究，开展图形、表格、数据、方案等格式的统一设计,规范相关接口,确保系统通用性、可扩展性的达成。

3.5 效能评估研究

研究提出合理的匹配性指标要求和验证手段,能够合理、有效地评估系统设计结果与使用需求的符合度。

3.5.1 设计优化

设计过程中,可根据设定的分域计算规则等,智能化提出参数建议、方案优选等,供设计人员参考,通过逐步迭代实现分域性能指标最优化。在开展某分域设计时,联动进行相关联分域设计的动态计算和比对,通过设定的全域计算规则实现全域性能指标最优化(此时各分域性能指标可能无法全部实现最优)。

3.5.2 比对分析

其能够对不同设计场景要素进行存储、调阅和比对,以表格、图形、动画、音频等形式给出直观的比对结果；能够提供全域比对结果和分域比对结果等,供技术人员参考。

3.5.3 符合度评估

完成各分域设计后,可进行信息系统战技指标符合度评估,给出评估结果以及与设计任务要求符合度的判断。鉴于人机交互验证阶段设计输出“人机交互一张图”与使用人员密切相关,可在结果验证评价准则中适当加入使用人员对设计结果的主观评价指标。

3.5.4 体系化升级

其能够根据我军在相关领域的技术发展情况以及对外体系化对抗提出的新要求,基于已有信息系统进行动态评估,智能化地给出要地信息系统体系化升级的发展方向和调整建议。针对新质领域的系统体系化扩展升级需求,开展通用基础信息要素升级，专用装备信息要素升级，接口与规范要素补充设计等研究。

3.6 设计过程中的人机交互

1)建模应充分考虑人机交互,突出技术人员在建模和设计过程中的干预作用。

2)人员要素、装备要素、信息要素应能进行可视化展示,能够采用使用人员易理解的方式,可视化地、时序地展示人员对装备操作过程、人员与装备的信息交互过程(内容和方式)、装备输出/输入信息流程、装备作用过程，时序地串联整个作战流程。

3)设计过程、验证过程、结果展示应可视化,便于系统设计方与系统使用方充分交互。

4)研究智能演示验证系统,能够以智能化方式进行设计成果展示。可展示信息系统各项战技指标的达成度;可对各分域设计成果进行演示验证,以表格、音频、图像和动画等多种形式展示设计结果的有效性;远期演示验证系统应具备预先研判能力,可针对信息系统存在的不足,智能化地提出相关装备发展意见和建议,辅助顶层设计人员开展中长期信息系统规划、研究和设计。

4 结束语

本文以典型要地为例,针对要地任务需求,提出了一种基于MBSE的面向要地信息系统建设需求的论证方法,按照军事需求验证、系统设计验证、人机交互验证三轮验证方式检验军事需求与要地信息系统设计的匹配度。通过三轮验证形成三张视图,采用多设计同步循环、迭代式优化的方式获取最优设计输出,能够高效地指导和辅助科研人员开展较大规模军事信息系统的研发和设计工作,在源头方面可减少军事需求变更率，在设计结果方面可提升信息系统设计质量，在装备使用方面可优化装备使用人员对装备的使用效能。