王宏宇， 吳 緯， 魏艷艷

(1. 裝甲兵工程學院技術保障工程系, 北京 100072； 2. 北京特種車輛研究所, 北京 100072； 3. 陸軍航空兵學院航空機械工程系, 北京 101123)

裝備體系任務可靠性建模方法

王宏宇1,3， 吳 緯2， 魏艷艷3

(1. 裝甲兵工程學院技術保障工程系, 北京 100072； 2. 北京特種車輛研究所, 北京 100072； 3. 陸軍航空兵學院航空機械工程系, 北京 101123)

從作戰(zhàn)任務、體系結構關系和系統(tǒng)構成這3個因素入手，通過分析裝備體系內信息描述需求，歸納出可靠性視角下的國防部體系架構框架(Department of Defense Architecture Framework,DoDAF)視圖產品，并總結出裝備體系任務可靠性模型開發(fā)流程，在此基礎上建立了相應的靜態(tài)模型和動態(tài)模型，最后通過具體實例進行了驗證。

裝備體系； 任務可靠性；DoDAF； 形式化描述

裝備體系可靠性分為基本可靠性和任務可靠性[1]。由于裝備體系的規(guī)模大，構成裝備體系的系統(tǒng)和平臺數(shù)目多，裝備體系的基本可靠性通常處于比較低的水平，因此基本可靠性很難直接反映出裝備體系的作戰(zhàn)能力。目前，越來越多學者認識到裝備體系的任務可靠性是影響裝備體系作戰(zhàn)能力的直接因素[2-3]，其已成為當前裝備體系研究的新熱點。

對于內部結構復雜的裝備體系，如何建立起相對完備的任務可靠性模型是分析問題的關鍵。目前，對裝備體系建模的相關研究較多，如：潘星等[4]從作戰(zhàn)任務角度出發(fā)，以4元組(目標、裝備、活動、關系)為基礎，建立了裝備體系的任務描述模型；譚躍進等[5]以作戰(zhàn)環(huán)網絡為基礎，建立了裝備體系結構的作戰(zhàn)網絡模型，并分析了體系拓撲結構對裝備體系作戰(zhàn)能力的影響；熊健等[6]探討了裝備體系結構的總體框架，并歸納了建立體系可執(zhí)行模型的方法和步驟。

目前，對裝備體系任務可靠性模型的研究鮮見報道，為此，筆者以美國國防部體系架構框架(Department of Denfense Architecture Framework,DoDAF)為基礎，通過分析裝備體系內信息描述需求，歸納出可靠性視角下的DoDAF相關視圖產品[7]，給出裝備體系任務可靠性模型的開發(fā)流程，并通過具體實例進行驗證。

1 影響裝備體系任務可靠性的重要因素描述

Dijkman認為設計中的系統(tǒng)有3種存在形式：真實世界中的系統(tǒng)、概念世界中的視圖和符號世界中的模型[8]。人們往往從不同角度去認識真實世界中的系統(tǒng)，雖然真實世界中的系統(tǒng)只有一個，但在不同的視角下可以產生不同符號世界中的模型?？梢姡后w系結構描述可以包含一個或多個視圖，每個視圖又包含多個視圖產品，視圖產品可以由一個或多個模型表示，所有的視圖產品構成了體系結構模型。

因此，如果要建立裝備體系任務可靠性模型，就需要在可靠性視角下對其進行描述，歸納出相關的概念模型。作戰(zhàn)任務、體系結構關系和系統(tǒng)構成[9]是影響裝備體系任務可靠性的3個重要因素，也是建立裝備體系任務可靠性模型的3個重要關注點，因此，準確對裝備體系內的這3個因素進行描述，是建立裝備體系任務可靠性模型的前提。

1)作戰(zhàn)任務描述

(1)任務目標。任務是裝備體系存在的目的和基礎，為了從總體上把握裝備體系的使命任務，了解裝備體系的作戰(zhàn)目標，需要構建作戰(zhàn)任務場景，增強建模人員對作戰(zhàn)任務場景的理解?？梢岳肈oDAF視圖產品中的高層作戰(zhàn)概念圖(OV-1)來構建作戰(zhàn)任務場景，明確作戰(zhàn)任務總目標。

(2)任務層次。為了進一步描述裝備體系的任務構成，需要將任務進一步分解，梳理出任務之間的聚合關系，從而在可靠性評估中，通過自底向上的分析聚合出裝備體系的任務可靠性?？梢岳肈oDAF視圖產品中的作戰(zhàn)活動分解樹(OV-5a)來描述作戰(zhàn)任務之間的層次關系。

(3)任務邏輯關系。任務在執(zhí)行過程中存在復雜的邏輯關系，如“與”、“或”關系等，任務之間的邏輯關系直接影響上層任務的可靠性水平。因此，需要在任務層次描述中引入邏輯關系，對任務進行進一步描述?？梢岳肈oDAF視圖產品中的作戰(zhàn)活動模型(OV-5b)來描述作戰(zhàn)任務中任務活動以及任務邏輯關系的需求。

(4)任務時長。裝備體系內的各類武器裝備在執(zhí)行不同類型的任務時，各個任務執(zhí)行的時間長短不盡相同，執(zhí)行任務的持續(xù)時間是任務可靠性建模的重要因素?？梢岳肈oDAF視圖產品中的任務事件跟蹤/描述圖(OV-6c)來描述裝備執(zhí)行任務的時長信息，適用于作戰(zhàn)事件分析以及行為分析。

2)體系結構關系描述

體系結構是指裝備體系內各裝備間的通信、指揮控制、后勤和火力支援等關系。在信息化作戰(zhàn)條件下，大多數(shù)武器裝備以網絡為中心共享信息。裝備體系任務可靠性不僅僅依賴單一武器裝備性能，還更多地依賴體系內的結構關系對體系內部的影響。裝備體系任務可靠性需要對體系內部的這種結構關系進行描述，在DoDAF視圖產品中，可以通過作戰(zhàn)節(jié)點連接關系描述(OV-2)、系統(tǒng)接口描述(SV-1)和系統(tǒng)通信描述(SV-2)3個產品對體系結構關系進行描述。

3)系統(tǒng)構成描述

在裝備體系內，任務的執(zhí)行需要武器裝備的參與，若參與的武器裝備資源不同，則任務的可靠性水平不同，因此裝備的系統(tǒng)構成是重要的描述對象。系統(tǒng)構成描述過程中需要考慮裝備數(shù)量規(guī)模、組合關系以及裝備的可靠性指標等因素。DoDAF視圖產品中的作戰(zhàn)活動到系統(tǒng)功能追蹤矩陣(SV-5)將裝備體系作戰(zhàn)活動映射到系統(tǒng)功能，系統(tǒng)功能描述(SV-4)用于描述系統(tǒng)功能之間的層次關系，確保系統(tǒng)功能分解到合適的層次，從而與相應的裝備相對應。

裝備體系任務可靠性DoDAF視圖產品描述模型如表1所示。

表1 裝備體系任務可靠性DoDAF視圖產品描述模型

2 裝備體系任務可靠性模型開發(fā)

體系工程師利用DoDAF視圖產品，通過適當?shù)男问交枋鼍涂梢越⑵淙蝿湛煽啃阅Ｐ汀Ｑb備體系任務可靠性的建模過程也就是在可靠性視角下對其DoDAF視圖產品進行開發(fā)的過程，因此建立適當?shù)腄oDAF模型是裝備體系任務可靠性建模的關鍵。筆者主要以DoDAF視圖產品開發(fā)步驟[10](圖1)為基礎，歸納出作戰(zhàn)任務、體系結構關系和系統(tǒng)構成相關視圖產品的開發(fā)流程。

圖1 DoDAF視圖產品的開發(fā)步驟

作戰(zhàn)任務是指體系內諸多武器平臺在既定的任務目標下所完成的相關活動。從作戰(zhàn)任務的角度出發(fā)，任務的目標、層次關系及持續(xù)時間都是影響裝備體系任務可靠性的因素，可以按OV-1→OV-5a→OV-5b→OV-6c的順序開發(fā)相關視圖產品。

體系結構關系反映的是作戰(zhàn)節(jié)點間的通信系統(tǒng)鏈路或網絡的信息連接情況，可以通過體系結構產品OV-2、SV-1和SV-2對網絡內的作戰(zhàn)節(jié)點以及通信接口細節(jié)進行描述。相應的開發(fā)步驟可以按OV-1→OV-5→OV-2→SV-1→SV-2的順序開發(fā)相關模型?？梢钥闯觯汗?jié)點連接關系與作戰(zhàn)任務相關，是為完成某一任務而進行的通信傳輸和信息交換。

系統(tǒng)構成包括裝備體系內裝備類型、規(guī)模及裝備組合關系，其開發(fā)過程可以利用裝備功能與裝備之間的一一對應關系，利用SV-5完成從作戰(zhàn)任務到系統(tǒng)功能的轉換，并通過SV-4對系統(tǒng)功能的層次關系進行描述，可以按OV-1→OV-5→SV-5→SV-4的順序開發(fā)相關模型。

裝備體系任務可靠性模型開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 裝備體系任務可靠性模型開發(fā)流程

3 裝備體系任務可靠性模型形式化描述

以上建立的DoDAF視圖產品只是一些概念模型，不足以形式化地表現(xiàn)裝備體系內各要素之間的關系，還需將這些DoDAF視圖產品進行適當?shù)男问交枋?。裝備體系視圖產品形式化描述可分為靜態(tài)描述和動態(tài)描述2種，據此可建立相應的靜態(tài)模型和動態(tài)模型。

3.1 靜態(tài)描述

統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language，UML)[11]是靜態(tài)描述的主要工具，是一種直觀化、明確化和文檔化的通用可視化建模語言，其統(tǒng)一了面向對象建模的基本概念、術語及其圖形符號，提供了一些可以相互組合的圖形元素，建立了易于理解、便于交流的共同語言，使得建立一個可視化、規(guī)范化、結構化和文檔化的面向對象系統(tǒng)成為可能。

UML是DoDAF先期版本中的推薦表示方法，它采用各種方法和圖形對所描述的對象進行描述，從而使采用UML模型表現(xiàn)體系結構視圖產品變得更加方便。目前，可以用來表示的視圖有用例圖、類圖、行為圖、狀態(tài)圖及活動圖等?；贒oDAF的裝備體系任務可靠性視圖產品UML形式化描述工具如表2所示。

表2 裝備體系任務可靠性UML形式化描述工具

3.2 動態(tài)描述

盡管裝備體系靜態(tài)模型可以從整體上較好地對體系構成及系統(tǒng)間交互關系進行描述，但這些靜態(tài)模型對體系各部件的動態(tài)過程及邏輯關系描述能力有限，同時對裝備體系任務可靠性的評估能力較弱。為了刻畫體系內各要素以及資源利用之間的關系，更好地對裝備體系任務可靠性進行檢驗與評估，還需要建立裝備體系的動態(tài)模型，即可執(zhí)行模型(Executable Model)[12]。

裝備體系可執(zhí)行模型可以通過仿真的方法完成對任務可靠性的評估。針對可執(zhí)行模型動態(tài)性的特點，目前常用的方法有基于離散事件動態(tài)系統(tǒng)建模仿真和多Agent建模仿真2類。構建裝備體系任務剖面下的可執(zhí)行模型主要包括總體描述、視圖產品描述和生成可執(zhí)行模型3個階段，各個階段之間的結構關系如圖3所示。

圖3 裝備體系各個階段之間的結構關系

4 實例分析

空中突擊部隊是由空中裝備和地面裝備混合而成的典型裝備體系[13]。機降突擊任務是其主要作戰(zhàn)方式，該任務以直升機為主要機動力量，能夠較好地克服地形障礙，實施中遠程精確快速力量投送，最大限度地爭得先機和主動。空中突擊任務作戰(zhàn)流程分為集結、轉場、機降和突擊4個階段，每個階段所涉及的裝備各不相同，例如：集結階段參與的裝備主要有偵察衛(wèi)星、偵察直升機、偵察無人機、運輸直升機和地面突擊車等；轉場階段參與的裝備主要有運輸直升機和攻擊直升機等；機降階段參與的裝備主要有運輸直升機、地面突擊車和保障裝備等；突擊階段參與的裝備主要有運輸直升機、攻擊直升機和突擊車等。結合作戰(zhàn)任務視圖下的體系結構產品，空中突擊部隊高層作戰(zhàn)概念圖(OV-1)如圖4所示。

圖4 空中突擊部隊高層作戰(zhàn)概念圖(OV-1)

以空中突擊部隊機降突擊任務為例，分別建立裝備體系任務可靠性的靜態(tài)模型和可執(zhí)行模型。

4.1 裝備體系任務可靠性的靜態(tài)模型

4.1.1 作戰(zhàn)任務靜態(tài)模型

可按OV-1→OV-5a→OV-5b→OV-6c的視圖產品開發(fā)順序，建立裝備體系作戰(zhàn)任務靜態(tài)模型?？罩型粨舨筷牂C降突擊作戰(zhàn)任務可以分解為集結、轉場、機降和突擊4個子任務。其中：集結階段包括太空偵察、空中偵察和裝備集結3個作戰(zhàn)活動；轉場階段包括飛行前保障、裝載和轉場3個作戰(zhàn)活動；機降階段包括機降、野戰(zhàn)保障和重新集結3個作戰(zhàn)活動；突擊階段包括情報偵察、空中突擊和返航3個作戰(zhàn)活動。借用UML類圖就可以描述出任務活動分解樹(OV-5a)靜態(tài)模型，如圖5所示。

4.1.2 體系結構關系靜態(tài)模型

可按OV-1→OV-5→OV-2→SV-1→SV-2的視圖產品開發(fā)順序，建立裝備體系結構關系靜態(tài)模型。從作戰(zhàn)活動分解樹(OV-5a)中可推出其作戰(zhàn)節(jié)點分別為指揮控制系統(tǒng)、情報偵察系統(tǒng)、火力攻擊系統(tǒng)、機動運輸系統(tǒng)和綜合保障系統(tǒng)，其作戰(zhàn)節(jié)點連接可靠性模型多為網絡結構，系統(tǒng)接口描述(SV-1)靜態(tài)模型如圖6所示。

圖5 任務活動分解樹(OV-5a)靜態(tài)模型

圖6 系統(tǒng)接口描述(SV-1)靜態(tài)模型

4.1.3 系統(tǒng)構成靜態(tài)模型

可按OV-1→OV-5→SV-5→SV-4的視圖產品開發(fā)順序，建立裝備體系系統(tǒng)構成靜態(tài)模型。由于系統(tǒng)功能與系統(tǒng)之間存在一一對應的關系，系統(tǒng)功能層次關系也可以表示系統(tǒng)之間的層次關系，系統(tǒng)功能描述(SV-4)模型可以類圖的形式進行表述，其集結任務階段靜態(tài)模型如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)功能描述(SV-4)集結任務階段靜態(tài)模型

4.2 裝備體系任務可靠性的可執(zhí)行模型

結合以上分析，可以根據空中突擊部隊機降突擊任務的作戰(zhàn)規(guī)則以及從視圖產品到仿真模型的映射關系，對裝備體系任務可靠性的可執(zhí)行模型進行構建。

1)建立空中突擊部隊機降突擊任務的作戰(zhàn)規(guī)則。作戰(zhàn)規(guī)則描述的是指揮控制中心、情報偵察系統(tǒng)、火力攻擊系統(tǒng)、綜合保障系統(tǒng)和機動運輸系統(tǒng)在完成機降突擊任務時的作戰(zhàn)活動規(guī)則，具體如表3所示。

表3 空中突擊部隊機降突擊任務作戰(zhàn)規(guī)則

2)建立裝備體系任務可靠性的可執(zhí)行模型。利用仿真軟件AnyLogic建立裝備體系任務可靠性的可執(zhí)行模型仿真環(huán)境，并對作戰(zhàn)活動和作戰(zhàn)流程進行可視化建模。以體系結構視圖產品為基礎，結合作戰(zhàn)視圖、作戰(zhàn)規(guī)則和從視圖產品到仿真模型的映射關系來建立裝備體系任務可靠性的可執(zhí)行模型，可以看出：作戰(zhàn)規(guī)則越復雜，建立的裝備體系任務可靠性的可執(zhí)行模型越完備。

結合表3作戰(zhàn)規(guī)則，對空中突擊部隊機降突擊任務的作戰(zhàn)活動和作戰(zhàn)流程進行可視化建模，得到基于AnyLogic的空中突擊部隊機降突擊任務仿真模型，如圖8所示。

圖8 基于AnyLogic的空中突擊部隊機降突擊任務仿真模型

5 結論

裝備體系任務可靠性建模是對裝備體系進行論證和開發(fā)的前提。本文從作戰(zhàn)任務、體系結構關系和系統(tǒng)構成3個方面對裝備體系任務可靠性進行了規(guī)范化描述，歸納出裝備體系任務可靠性DoDAF視圖產品和開發(fā)流程，并通過具體實例給出相關視圖產品的形式化描述模型。然而，本文工作只限于裝備體系任務可靠性建模的方法研究，下一步將重點研究裝備體系任務可靠性的動態(tài)模型分析。

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(責任編輯: 尚彩娟)

Mission Reliability Modeling Method of Equipment System

WANG Hong-yu1,3, WU Wei2, WEI Yan-yan3

(1. Department of Technical Support Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China; 2. Beijing Special Vehicle Institute, Beijing 100072, China; 3. Department of Aviation Machine Engineering, Army Aviation Academy, Beijing 101123, China)

According to the three elements of combat mission, structure relationship and system constitution, the authors study the mission reliability modeling method for equipment System. Firstly, the demand of information describing for equipment system is analyzed. Secondly, the Department of Defense Architecture Framework (DoDAF) product under the reliability view and the modeling step of the mission reliability for equipment system are concluded. Thirdly, the static model and dynamic model are built. Finally, the models are verified by the specific example.

equipment system; mission reliability; DoDAF; formalization description

2016-09-08

軍隊科研計劃項目

王宏宇(1979-)，男，博士研究生。

TP391.9

：ADOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.06.017

1672-1497(2016)06-0089-06