基于SysML的遠程專家保障裝備體系建模及結構評估

秦昌茂，孟 蘇，莫錦鶴

(中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

0 引言

隨著科學技術的發(fā)展，武器裝備智能化和信息化的程度越來越高，戰(zhàn)爭形態(tài)也發(fā)生了變化，未來聯合作戰(zhàn)呈現出體系對抗體系的特點[1]。體系包括作戰(zhàn)體系及裝備體系，裝備體系是由功能上相互聯系、相互作用、性能上相互補充的眾多系統組成的，這些系統之間關系復雜，相互作用明顯，相互制約多，相互影響大[2]，這是導致體系建模可靠性和效能分析有效性困難的主要原因之一。因此，對涉及的各類武器裝備作戰(zhàn)單元、作戰(zhàn)系統，在動態(tài)作戰(zhàn)環(huán)境下建立體系模型并進行效能評估，是裝備體系研究的重要方向[3]。

當前，對于體系結構建模的設計思想主要有兩種方式：以產品為中心和以數據為中心[4]。其中，C4ISR采取以產品為中心的方式，英國國防部體系架構框架(MODAF)、美國國防部體系框架(DoDAF)則采取以數據為中心的方式。雖然這些方法對體系結構產品和設計數據進行了較詳細的描述，但研究大多集中在信息系統領域，研究內容主要是體系結構框架，由于沒有給出規(guī)范化的定義，很多產品的描述內容是模糊的，特別是針對武器裝備體系開展結構建模及效能評估的研究較少。

SysML(Systems Modeling Language, 系統建模語言)同樣作為一種體系描述語言，提供了可視化的多種視圖，但更加傾向于對系統功能、數據和控制流等特征的描述與表示，描述形式規(guī)范易懂且更便于建立可執(zhí)行模型和仿真應用[5-6]。

本文基于聯合作戰(zhàn)背景下的遠程專家保障裝備體系想定，從體系作戰(zhàn)需求角度出發(fā)，以SysML設計語言為基礎[7]，參照DoDAF，基于遠程專家保障裝備體系詳細設計了可描述靜態(tài)特性和動態(tài)行為的體系結構視圖產品集合，實現了裝備體系結構的規(guī)范化建模。依據遠程專家保障裝備體系結構視圖產品采用ExtendSim系統仿真軟件建立了可執(zhí)行模型，并進行了仿真分析和結構評估。

1 基于SysML及ExtendSim的裝備體系建模及評估方法

1.1 基于SysML的體系結構視圖產品

SysML針對系統工程領域中系統設計與建模的特點，提供了規(guī)范化、可視化、圖形化的系統建模支持，相較于其他建模語言更加符合武器裝備體系結構設計的需求[7]。

為實現體系結構的規(guī)范化設計到仿真分析的過渡，在體系結構語法規(guī)范性和數據完備性的指導下，從體系的作戰(zhàn)需求角度給出了一組能夠完全描述體系靜態(tài)特性和動態(tài)行為所必需的作戰(zhàn)視圖產品集合，如表1所示。體系的特性分為靜態(tài)特性和動態(tài)行為，在所列9個產品中，OV-1、OV-2、OV-3、OV-4、OV-5以及SV-1和SV-2等7個產品都是對體系靜態(tài)特性的描述；OV-6a和 OV-6b兩個產品是對體系動態(tài)行為的描述。

表1 體系結構視圖產品集

1.2 基于ExtendSim 的體系結構建模和評估

ExtendSim建模的方法是典型的面向對象的建模方法，可將基于SysML的體系結構視圖產品經過適當改造直接建立模型，因此，較適合對武器裝備體系這類復雜系統進行仿真。

對體系結構的評估主要分為兩個方面[8]：

1)體系結構各個產品數據之間在邏輯上不存在沖突和死鎖，體現在生成的仿真模型能夠正確無誤地運行。

2)仿真運行過程中每項作戰(zhàn)活動的平均使用率。從裝備體系的實際作戰(zhàn)背景和所采用的仿真環(huán)境出發(fā)，作戰(zhàn)活動的平均使用率直接反映了體系結構設計的合理性，如果某個作戰(zhàn)活動一直處于忙碌狀態(tài)，則可能會導致堵塞，但若過于空閑，則又說明資源沒有得到有效利用[8]。

2 基于SysML的遠程專家保障裝備體系結構建模設計

在聯合作戰(zhàn)環(huán)境下，對發(fā)生故障或損壞的戰(zhàn)場作戰(zhàn)裝備進行及時的故障排除、診斷和維修，可有效提升戰(zhàn)場作戰(zhàn)能力?；诖俗鲬?zhàn)應用，遠程專家保障裝備體系已成為體系作戰(zhàn)中不可或缺的組成部分，主要用于快速解決裝備故障，確保裝備戰(zhàn)備完好性。遠程專家保障裝備體系主要分為3部分：現場維修保障系統、衛(wèi)星通信網絡和遠程保障中心，各系統之間通過衛(wèi)星通信網絡進行組網通信。作戰(zhàn)裝備配套表如表2所示。

表2 作戰(zhàn)裝備配套表

遠程專家保障體系開展維修保障的運行流程如下所示：

1)信息管理系統實時監(jiān)控武器裝備工作狀態(tài)；

2)信息管理系統監(jiān)測到武器裝備故障信號，命令搶修車前出；

3)搶修車前往故障現場途中組建遠程保障服務網絡；

4)搶修車到達后，搶修人員攜帶實時信息采集交互設備進入故障裝備現場，將現場的故障信息通過衛(wèi)星通信鏈路實現與搶修車、遠程保障中心的交互；

5)遠程保障中心提供故障維修方案，指導現場排除裝備故障；

6)完成排故維修操作后，搶修車將信息統計、存檔。

基于SysML的體系結構視圖產品建立遠程專家保障裝備體系結構，表1中相關作戰(zhàn)視圖、系統視圖產品集合的示意圖和內容分別如圖1～8和表3所示。

表3 作戰(zhàn)信息交換矩陣(OV-5)產品

圖1 高級作戰(zhàn)概念圖(OV-1)產品示意圖Fig.1 Advanced operational concept view(OV-1)

3 基于ExtendSim的遠程專家保障裝備體系結構評估

依據規(guī)范化的體系結構產品集合，根據作戰(zhàn)事件跟蹤描述(OV-6b)產品，結合作戰(zhàn)活動模型(OV-2)和作戰(zhàn)節(jié)點連接描述(OV-4)基于ExtendSim建立起體系結構的仿真模型，仿真模型如圖9所示。

圖9 仿真模型圖 Fig.9 Simulation model

對仿真模型的相關輸入作如下設定：

1)仿真單位時間為min；

2)仿真單次時間為24 h；

3)仿真次數為10次。

每項作戰(zhàn)活動的執(zhí)行時間滿足的正態(tài)概率分布(高斯分布)如表4所示。

圖2 作戰(zhàn)活動模型(OV-2)產品示意圖Fig.2 Operational activity model(OV-2)

圖3 組織關系圖(OV-3)產品示意圖Fig.3 Organization chart(OV-3)

圖4 作戰(zhàn)節(jié)點連接描述(OV-4)產品及節(jié)點塊定義示意圖Fig.4 Operational node connection description and node block definition diagram(OV-4)

圖5 作戰(zhàn)狀態(tài)轉換描述(OV-6a)產品示意圖Fig.5 Description of combat state transition(OV-6a)

圖6 作戰(zhàn)事件跟蹤描述(OV-6b)產品示意圖Fig.6 Operational event tracking description(OV-6b)

圖7 系統層次結構圖(SV-1)產品及塊定義示意圖Fig.7 System hierarchy diagram and block definition diagram(SV-1)

圖8 系統通信接口描述(SV-2)產品示意圖Fig.8 System communication interface description(SV-2)

表4 作戰(zhàn)活動的運行參數

對仿真模型進行運行表明，建立的仿真模型能夠正確無誤地運行，且各產品之間能夠保持數據靜態(tài)的一致性。仿真運行過程中每項作戰(zhàn)活動的平均使用率以及一次作戰(zhàn)(作戰(zhàn)環(huán))統計時間結果如表5～6所示。

表5 一次作戰(zhàn)(作戰(zhàn)環(huán))統計時間

由表6還可以看出，信息傳輸的平均使用率為維修指令的2倍，但在初始設置中，維修指令的執(zhí)行時間為信息傳輸的5倍。因此，每項活動的平均使用率與作戰(zhàn)活動的執(zhí)行時間相關，但并不完全由執(zhí)行時間決定。

表6 作戰(zhàn)活動的平均使用率 %

由表6中可以看出，維修實施、信息采集、維修方案及故障分析占比較大，維修實施作為具體作業(yè)活動，占比較大的原因為活動時間長。信息采集、維修方案及故障分析均為遠程保障中心系統工作范疇，具有大數據存儲、處理能力的遠程保障中心系統作為體系關鍵環(huán)節(jié)，將直接關系到作戰(zhàn)活動能否順利開展。因此，有必要針對當前遠程保障中心系統能力進行優(yōu)化提升，以促進整個遠程專業(yè)保障裝備體系能力的發(fā)展。

4 結論

本文以聯合作戰(zhàn)背景下的遠程專家保障裝備體系想定，從體系作戰(zhàn)需求角度出發(fā)，結合體系組成和體系運行流程，基于SysML詳細設計了能夠描述體系靜態(tài)特性和動態(tài)行為的體系結構視圖產品集合。針對體系結構視圖產品基于ExtendSim建立了可執(zhí)行模型，并進行了體系結構仿真評估，依據評估結果提出相應的體系能力提升建議。

本文方法可形成武器裝備體系的建模、仿真、評估和優(yōu)化方法，驗證武器裝備體系執(zhí)行作戰(zhàn)任務的效果，為裝備作戰(zhàn)方案的制訂提供分析依據和決策參考。