基于MBSE的开放式舰炮武器装备研究

冯源，姚忠，荀盼盼，王瑞

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

基于模型的系统工程(Model Based Systems Engineering，MBSE)相对于传统的依托文档的设计方法而言，采用数字化建模的方法替代文档编写进行系统设计，融合了多学科环境并且与仿真相结合，通过模型的方法对系统进行研制并贯穿全过程。MBSE从需求分析阶段出发，产品的系统设计也通过模型的不断迭代来实现。建立的模型可更直观地展现产品初期的结构、功能以及行为，可以根据需求的变化迅速调整模型；同时，通过数据仿真分析可以确定是否满足需求指标的要求，从而进行修改。

目前，MBSE在各个领域得到了广泛的应用实践[1-2]。在国外，美国在军事领域进行了很多成功的应用。尤其在舰船和飞机的结构设计、作战系统研发等方向进行了深入研究，例如，舰船推进系统的结构设计、基于不同平台的“宙斯盾”作战系统、各版本的F-35、洛克希德·马丁公司开发的潜艇联邦作战系统等，使用MBSE的设计模式，使用SysML等系统建模语言，可以跨平台地进行建模，在行业里形成了一定的规范与约束，为后续更多系统的开发积累了经验，提供了参考。

在国内，近几年中国航天科工集团、航天科技集团、中航工业等也开始应用MBSE[3-4]。中国航空工业集团公司在歼击机等产品开展不同程度的MBSE工程应用；中国运载火箭技术研究院、中国空间技术研究院、中国飞航技术研究院等科研院所成立MBSE研究小组,在研究过程中国内也推出了M-Design,基于Modelica语言的MWorks等软件平台来充分满足产品设计开发的要求，形成从需求分析到架构设计再到仿真验证的一个闭环流程。

综上来看，MBSE的应用主要集中在航空航天领域，在舰船领域尤其是舰炮武器方向的应用实例较少。近些年来，随着信息技术和计算机技术的飞速发展，舰艇作战系统普遍采用基于商用主流技术和标准规范的开放式体系结构，该体系架构基于“全舰计算环境”，实现了信息资源共享、高可靠性和扩展灵活等特点[5]。舰炮武器装备作为作战系统的火力单元，其系统配置、结构组成、使用环境情况同样复杂多样。传统的基于文档的系统工程很难满足这种复杂系统的数据一致性以及需求可追溯，且文档的开发方式自动化程度较低，大大降低了开发效率。笔者使用MBSE的方法，可以通过图形化、结构化和模型化的方法，使复杂的舰炮武器装备设计过程变得清晰、规范，提高了开发效率，为舰炮武器装备的设计提供了一种新的思路。

1 MBSE理论概述

MBSE由国际系统工程协会(International Council on Systems Engineering, INCOSE)2007年提出至今，已逐渐发展成熟。建模语言、建模方法和建模工具三大支柱基本完善。

MBSE是一种“模型驱动”的方法，通过方框构建基本的用例、活动和状态等视图模型，通过模型描述系统结构、行为和状态。

在建模语言方面，系统建模语言(SysML)由统一建模语言(UML)发展而来，在UML2.0的基础上重新定义。针对系统工程，与UML图有所不同的是，SysML定义了9种基本类型的图，从模型的不同描述角度来划分，建模过程中常用的SysML图主要有需求图、用例图、活动图、顺序图和状态机图等。SysML图的分类如图1所示。

在建模方法方面，主要有美国国防体系框架(DoDAF)、INCOSE提出的面向对象的系统工程方法(OOSEM)以及IBM提出的Harmony-SE(Harmony for Systems Engineering)等方法。Harmony-SE方法采用系统工程开发的V模式，相较于OOSEM等方法，其支持模型驱动的设计过程，整个设计过程中实现了从需求到物理结构建模的不断迭代，确保了模型的正确性和完整性。因此，对开放式舰炮武器装备的研究采用该方法,从需求分析、功能分析和设计综合三个方面分别进行建模。图2为Harmony系统的开发流程，V形图左侧“下降沿”从需求分析到设计验证描述了正向设计的过程，将系统进行分解，V形图的右半部分“上升沿”是对系统的层层验证，显示了自下而上的从单元测试到最终系统验收的集成过程。

2 开放式舰炮武器装备的需求与功能

2.1 需求分析

需求分析阶段主要目的是将用户需求中的功能需求筛选出来，根据不同的功能需求建立相应的用例。基于开放式体系架构的思想，舰艇作战系统可由图3来描述[6]。舰炮武器装备作为火力单元进行需求图建模时[7]，将一级需求定义为作战任务需求，根据此需求逐级向下分解，得到如图4所示需求图。

用例图建模建立在需求图的基础上，主要包含参与者、用例以及在两者之间起交互作用的系统边界。建模过程大致分为两个阶段：首先根据顶层需求建立系统的顶层用例模型；之后，通过对顶层用例的分析捕获和分解得到系统的子用例。如图5所示为舰炮武器装备打击目标的用例模型，矩形表示舰炮武器装备的边界，人形表示与装备交互的参与者，矩形中的椭圆表示一个系统的用例(功能)。根据需求分析结果得到指挥决策、火力控制、火力打击和维修保障4个用例以及操作人员和维修保障人员和敌方目标3个参与者。

2.2 功能分析

功能分析是建模过程中最重要的阶段，根据上文的用例分析得到图6所示舰炮武器装备功能视图。其主要功能流[8]：接收来自无人机、卫星和编队等提供的目标、目标域信息，获取目标的位置及运动姿态等，结合导航设备提供的己舰参数等信息进行信息融合；火控设备根据获取到的信息完成舰炮诸元解算，根据作战需要发射常规弹或制导炮弹；火力打击完成后进行毁伤效果评估，进行弹道修正。

功能分析阶段无需对系统内部结构进行研究，只需通过活动图、序列图和状态图等描述系统与外部信息的交互情况以及在各种信息发生改变时系统的状态变化，因此也称为黑盒设计阶段。此阶段的主要目的是将需求分析得到的功能需求与用例转化为对系统功能的描述。

在此阶段，以第一步中需求分析的结果为基础，分析出系统实现这些功能所需要执行的一系列活动并分析各活动之间以及活动与参与者之间的信息交互；再根据每个执行的活动序列，构建相应的状态机图。

活动图能够描述舰炮武器装备打击目标过程中的功能流，其中每一个活动节点都代表一个功能；在活动图的基础上建立序列图可以描述舰炮武器装备打击目标时各系统分别对应的功能以及实现功能的先后顺序，并通过序列图的“消息”表示各系统间的信息传递；状态机图可以描述当舰炮武器装备受到某一事件驱动或者由于时间改变而做出相应变化的一种状态，清晰地描述某一任务在受到不同触发条件所做出的不同状态变换或者受同一触发事件影响时，系统对该事件做出的不同反应。

根据上述功能视图可以得到打击目标的黑盒活动图，如图7所示。

3 设计综合

系统结构设计综合阶段要把前期获取到的需求和功能同系统及子系统(体系)的内部结构相结合，来描述各个子系统在完成某项任务时所做出的各种动作以及信息的交互情况，因此这一阶段也称为白盒分析阶段。该阶段细化了功能分析阶段的视图模型，在子系统以及组件级系统的基础上进行建模，对活动图、序列图和状态机图进行细分，分析舰炮武器装备子系统间完成任务的动作关系、信息传递以及交互接口。系统结构设计综合阶段可以分为架构分析和架构设计两个子阶段。

架构分析阶段以功能分析阶段为基础，确定系统的动作、状态和模式，将相关的状态/功能分配到系统架构中。架构设计阶段的目标是设计出功能需求和非功能需求的架构结构，得到一种最优的系统架构，从而在该阶段将用例相关的黑盒视图转化为白盒视图。

通过对舰炮武器打击目标的活动分析，得到图8所示打击目标时的信息流[9]。无人机、卫星、舰载传感器等自主识别敌方目标，将敌方目标的位置和运动等信息传递给指挥控制分系统；综合利用各种信息对目标运动要素进行解算，综合导航设备传输的己舰姿态、位置、速度等信息进行舰炮控制参数解算，向舰炮发送射击诸元；武器系统持续锁定目标，对目标进行持续跟踪；舰炮随动系统根据诸元要求位置，将火力分系统调炮到位，同时进行弹种识别，发送供弹指令；弹库按指令供弹，由装填系统将所需弹药装填到发射系统；由发射系统发射炮弹，若发射常规弹，武器装备自动获取打击效果，进行评估、误差分析与弹道修正；若发射制导炮弹，炮弹将装定目标/己舰信息、射击/控制参数后发射，飞行过程中将获取的目标信息回传并进行弹道调整，直至击中目标。

基于舰炮武器装备打击目标时的信息流，可以分析得到系统内外做出的动作以及系统整体与上级系统以及各子系统间的接口关系，更加详细地描述作战过程中各系统间信息内容[10]，如图9所示。

在此基础上，将参与打击目标的舰炮武器装备实例化，将舰炮武器装备主要分解为舰炮、指挥控制和弹药等。将得到的各个子系统通过泳道的形式显示到模型中，根据黑盒活动图中的活动流，把每一个活动所需要的子系统与泳道一一对应，此时，各个子系统对应了完成打击任务的所有活动流，形成白盒活动图[11]，如图10所示。

通过已建立舰炮武器装备的视图模型可以清晰看到舰炮武器装备结构的组成，对敌目标作战流程以及对敌作战时武器装备内每个子系统所承担的各自任务。

4 结束语

在大型复杂系统研制过程中，传统以文档为基础的系统工程保留了大量非结构化冗余信息，设计师还要耗费大量时间维护文档信息同步，除此之外，设计师一般在系统实施阶段才能发现需求分析和设计阶段的错误。相比之下，MBSE在建模过程中同时进行需求追溯，能够保证模型的正确性和一致性。笔者提出了基于MBSE的针对开放式舰炮武器装备系统的设计方法。从需求分析、功能分析和设计综合3个阶段构建舰炮武器装备的总体功能结构以及从总体到各个系统的功能映射。通过图形化的建模使整个设计过程变得清晰，可以通过不断的设计迭代保证功能模型的准确性，大大提高了设计效率。