李清， 閆娟， 朱家強(qiáng)， 黃濤， 臧精, *

1. 中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心， 北京　100029

2. 中航工業(yè)航空總體論證科技重點實驗室， 北京　100029

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航空武器裝備頂層論證技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

李清1, 2， 閆娟1, 2， 朱家強(qiáng)1, 2， 黃濤1, 2， 臧精1, 2, *

1. 中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心， 北京100029

2. 中航工業(yè)航空總體論證科技重點實驗室， 北京100029

摘要:航空武器裝備頂層論證是航空武器裝備論證的重要內(nèi)容，是航空武器裝備發(fā)展的頂層設(shè)計與型號發(fā)展的先期論證。開展航空武器裝備頂層論證，是實現(xiàn)航空武器裝備體系對抗的需要，也是航空武器裝備由跟蹤發(fā)展向自主創(chuàng)新跨越的需要。分析了航空武器裝備頂層論證技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，回顧了航空武器裝備頂層論證技術(shù)從產(chǎn)生到逐步完善的發(fā)展歷程，剖析了航空武器裝備頂層論證當(dāng)前面臨的技術(shù)難點與可能的應(yīng)對策略，探討了航空武器裝備頂層論證技術(shù)當(dāng)前及今后一個時期的研究重點與發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞:航空武器裝備； 頂層論證； 需求工程； 體系設(shè)計； 效能評估； 推演仿真

航空武器裝備頂層論證，是隨著航空武器裝備論證的內(nèi)涵不斷豐富、外延不斷擴(kuò)展而出現(xiàn)的新概念，目前尚無明確定義。綜合相關(guān)研究，本文將航空武器裝備頂層論證定義為航空武器裝備平臺之上和型號立項之前的各項論證工作的統(tǒng)稱，是航空武器裝備發(fā)展的頂層設(shè)計與型號發(fā)展的先期論證，主要包括航空武器裝備發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃論證、航空武器裝備體系論證、航空武器裝備型號研制立項綜合論證等。開展航空武器裝備頂層論證，是實現(xiàn)航空武器裝備體系對抗的需要，也是實現(xiàn)航空武器裝備由跟蹤發(fā)展向自主創(chuàng)新跨越的必然選擇。

1航空武器裝備頂層論證技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

航空武器裝備頂層論證技術(shù)，是支撐航空武器裝備頂層論證的各種方法和手段的統(tǒng)稱，是航空武器裝備論證技術(shù)的豐富與擴(kuò)展。隨著航空武器裝備論證的內(nèi)涵外延的豐富與擴(kuò)展，航空武器裝備頂層論證技術(shù)主要面臨下列挑戰(zhàn)。

1.1論證范疇發(fā)生變化

囿于歷史原因，國內(nèi)航空武器裝備論證一度主要局限于瞄準(zhǔn)國外具體產(chǎn)品的型號技術(shù)論證。近年來，隨著環(huán)境、任務(wù)和自身能力的演變，航空武器裝備論證已經(jīng)明顯超出了型號技術(shù)論證的范疇。一般認(rèn)為，航空武器裝備論證包括宏觀綜合論證、型號論證和有關(guān)專項論證[1]。航空武器裝備頂層論證囊括了宏觀綜合論證的全部內(nèi)容和型號論證中的立項綜合論證。隨著航空武器裝備論證范疇的演變，航空武器裝備頂層論證從無到有。如何支撐航空武器裝備頂層論證，就成為了航空武器裝備頂層論證技術(shù)面臨的首要問題。以型號立項綜合論證為例，近年來發(fā)生了兩大變化：①型號技術(shù)論證向型號綜合論證擴(kuò)展；②單一型號論證向體系論證擴(kuò)展。從而使得型號體系定位及其對體系整體作戰(zhàn)能力的貢獻(xiàn)率，成為型號立項綜合論證必須首先明確的問題。如何為應(yīng)對上述變化提供有效的技術(shù)支撐就成為了頂層論證技術(shù)必須關(guān)注和解決的重大現(xiàn)實問題。

1.2論證領(lǐng)域發(fā)生變化

如前所述，傳統(tǒng)的航空武器裝備論證關(guān)注的主要是技術(shù)問題。近年來，這種情況已經(jīng)不復(fù)存在，繼技術(shù)論證和經(jīng)濟(jì)性論證之后，軍事問題已經(jīng)成為航空武器裝備論證不可回避的重要領(lǐng)域。軍事想定貫穿需求論證、體系設(shè)計、產(chǎn)品概念方案設(shè)計和效能評估的全過程，作戰(zhàn)視圖是指導(dǎo)體系設(shè)計和產(chǎn)品概念設(shè)計的重要工具，作戰(zhàn)流程、作戰(zhàn)時序與作戰(zhàn)信息交互關(guān)系等是確定產(chǎn)品功能、性能和戰(zhàn)技指標(biāo)的重要依據(jù)。面對上述變化，軍事素養(yǎng)已經(jīng)成為航空武器裝備頂層論證人員的必備素養(yǎng)，軍事想定編制、作戰(zhàn)視圖描繪等相關(guān)技術(shù)已經(jīng)融入航空武器裝備頂層論證技術(shù)體系中，如何主動適應(yīng)上述變化，已經(jīng)成為航空武器裝備頂層論證技術(shù)必須面對和迫切需要解決的現(xiàn)實問題。

1.3論證方法發(fā)生變化

航空武器裝備論證具有一般產(chǎn)品論證的共性特點，也有自身的個性特點；及時吸納國內(nèi)外產(chǎn)品論證共性理論的新進(jìn)展，不斷總結(jié)自身實踐的新經(jīng)驗，構(gòu)建并不斷充實完善航空武器裝備頂層論證技術(shù)體系，是推動航空武器裝備論證技術(shù)不斷創(chuàng)新的必由之路。近年來，國外相關(guān)領(lǐng)域的三大進(jìn)展值得關(guān)注：①起源于大型復(fù)雜軟件系統(tǒng)開發(fā)的需求工程技術(shù)新進(jìn)展[2]；②起源于“企業(yè)”體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的體系結(jié)構(gòu)框架新進(jìn)展[3]；③基于模型的系統(tǒng)工程理論新進(jìn)展。上述進(jìn)展為構(gòu)建和完善航空武器裝備頂層論證技術(shù)注入了新的活力，因此，如何立足國情實現(xiàn)引進(jìn)消化再創(chuàng)新，構(gòu)建適應(yīng)形勢發(fā)展需要的航空武器裝備頂層論證技術(shù)體系的問題已經(jīng)擺在了面前。

1.4論證要求發(fā)生變化

隨著人們對戰(zhàn)爭規(guī)律和武器裝備發(fā)展規(guī)律認(rèn)識的不斷深化，對航空武器裝備論證的要求也在改變。按需求特點進(jìn)行劃分，大致有3個層次：①滿足需求，即需求是明確的，論證的重點是如何通過發(fā)展適當(dāng)?shù)难b備以滿足需求；②開發(fā)需求，此時需求尚不明確，但客觀存在，需要通過論證工作予以明確，并通過發(fā)展裝備予以滿足；③創(chuàng)造需求，即通過設(shè)計戰(zhàn)爭，創(chuàng)新戰(zhàn)法，創(chuàng)造出對未來武器裝備的新需求，也即設(shè)計武器就是設(shè)計戰(zhàn)爭。對于前兩種情形，國內(nèi)外已有大量經(jīng)驗；對于第3種情形，國內(nèi)近些年剛剛提出，還需要從認(rèn)識論和方法論層面分別予以解決，其中方法論層面的問題就是航空武器裝備頂層論證技術(shù)應(yīng)當(dāng)予以關(guān)注和解決的。

2航空武器裝備頂層論證技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

回顧歷史，航空武器裝備頂層論證技術(shù)不是憑空產(chǎn)生的，也不是一夜之間就得以建立和完善的。通用領(lǐng)域的相關(guān)成果為其提供了方法來源，國防領(lǐng)域的類似研究為其提供了有益借鑒，航空武器裝備的發(fā)展歷程為其提供了實踐基礎(chǔ)。伴隨著理論的逐漸完善和實踐經(jīng)驗的不斷豐富，航空武器裝備頂層論證技術(shù)也從產(chǎn)生走向成熟。

2.1需求工程技術(shù)

航空武器裝備需求工程，是應(yīng)用已經(jīng)證實的方法與手段，對尚待開發(fā)的航空武器裝備進(jìn)行需求分析，確定用戶需求，定義其必備特征的工程技術(shù)[4]。需求工程由需求開發(fā)與需求管理兩部分組成，其中需求開發(fā)又包括需求獲取、需求分析、需求描述和需求驗證等環(huán)節(jié)。因此，航空武器裝備需求工程，也是支撐上述需求開發(fā)與需求管理活動的各種方法與手段的統(tǒng)稱。

航空武器裝備需求工程的產(chǎn)生與發(fā)展，得益于軍事需求工程與軟件需求工程的雙重推動。20世紀(jì)60年代初，美國國防部建立了規(guī)劃、計劃和預(yù)算系統(tǒng)(PPBS)，將系統(tǒng)工程方法引入了國防領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代中期，美國國防部在武器裝備發(fā)展中全面推行需求生成系統(tǒng)(RGS)，軍事需求工程由此產(chǎn)生。2003年8月，為適應(yīng)冷戰(zhàn)結(jié)束與進(jìn)入信息化時代的需要，美國國防部推出聯(lián)合能力集成與開發(fā)制度(JCIDS)，基于能力成為推動需求發(fā)展的新動力。與此并行，隨著計算機(jī)與軟件工程的發(fā)展，20世紀(jì)80年代中期，軟件需求工程的概念開始出現(xiàn)。20世紀(jì)90年代，軟件需求工程成為軟件工程領(lǐng)域的新熱點。1996年，Springer-Verlag(全球第一大科技圖書、第二大科技期刊出版公司)創(chuàng)辦《Requirements Engineering》雜志，標(biāo)志著軟件需求工程已經(jīng)確立[5]。軟件需求工程理念與方法在軍事領(lǐng)域的運(yùn)用，為軍事需求工程注入了新的活力；軍事需求工程運(yùn)用于航空領(lǐng)域則產(chǎn)生了航空武器裝備需求工程。

航空武器裝備需求工程包括需求開發(fā)與需求管理兩部分內(nèi)容，作為技術(shù)綜述，以下將圍繞需求開發(fā)技術(shù)展開。當(dāng)前可用于航空武器裝備需求開發(fā)的方法主要有[6]：

1) 基于系統(tǒng)工程的需求開發(fā)

基于系統(tǒng)工程的需求開發(fā)方法，基于系統(tǒng)思想和系統(tǒng)原理，以大型復(fù)雜系統(tǒng)為研究對象，按一定的目的對系統(tǒng)構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息交換和控制等進(jìn)行分析、設(shè)計、開發(fā)、管理和控制，以達(dá)到總體效果最優(yōu)。自20世紀(jì)80年代以來，出現(xiàn)了多種具有實際意義的需求開發(fā)方法，如以需求描述見長的結(jié)構(gòu)化、形式化、面向?qū)ο蟆⒚嫦蚰繕?biāo)、場景驅(qū)動和本體建模等技術(shù)。其中，本體建模技術(shù)是近年來的新型技術(shù)，其特點是運(yùn)用多本體建模技術(shù)以規(guī)范整個建模過程，實現(xiàn)領(lǐng)域知識的充分利用，顯著提高建模效率。

2) 基于多視圖的需求開發(fā)

為解決大型系統(tǒng)需求分析時難以獲得完整、準(zhǔn)確、清晰的系統(tǒng)需求描述的問題，Zachman將多視圖的思想引入復(fù)雜信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)建模領(lǐng)域，即基于多視圖的需求開發(fā)方法。該方法源的基本思想是“分而治之”，即基于不同人員對研究對象的不同關(guān)注點，將復(fù)雜問題分解為多個相對獨立的小問題，然后通過建立諸多小問題及其相互關(guān)系模型來對研究對象進(jìn)行分析和設(shè)計。例如，美軍以此為基礎(chǔ)建立了C4ISR體系結(jié)構(gòu)框架。

3) 基于概念模型的需求開發(fā)

基于概念模型的需求開發(fā)方法，是為強(qiáng)化對軍事需求的規(guī)范化和一致性描述而引入的，基本思想是在需求分析過程中，先進(jìn)行軍事使命需求采集，然后根據(jù)使命需求進(jìn)行樹結(jié)構(gòu)分解、獲得子使命集合并構(gòu)建概念模型，最終建立可重復(fù)利用的概念模型庫。采用該方法的優(yōu)點是：提高了軍事需求描述的準(zhǔn)確性，使軍事需求建模具有了可重用性，在減輕建模工作量的同時使系統(tǒng)能夠進(jìn)行流程再造和柔性組合。

4) 基于能力的需求開發(fā)

基于能力的需求開發(fā)方法，是針對航空武器裝備所隸屬的軍兵種與應(yīng)用范圍，結(jié)合其軍事需求與作戰(zhàn)使命，規(guī)劃作戰(zhàn)能力，遵循“聯(lián)合作戰(zhàn)概念→軍事戰(zhàn)略與作戰(zhàn)使命→作戰(zhàn)能力→航空武器裝備→核心技術(shù)”的需求分析主線，確定航空武器裝備在未來作戰(zhàn)體系中所能提供的支持效果[7]。該方法在美空軍遠(yuǎn)程作戰(zhàn)能力分析[8]、美空軍新一代戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)裝備和技術(shù)概念研究以及美陸軍概念能力規(guī)劃之配送行動分析等項目中得到了實際運(yùn)用。

基于體系結(jié)構(gòu)的需求開發(fā)方法，即美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架(DODAF)，是為構(gòu)建各類軍事系統(tǒng)而制定的一系列框架和指南。該方法從能力、作戰(zhàn)、服務(wù)、系統(tǒng)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等需求出發(fā)，設(shè)計武器裝備需求描述框架，進(jìn)行需求獲取以及分析與建模，準(zhǔn)確提煉系統(tǒng)需求。該方法目前正逐漸成為各國研發(fā)大型復(fù)雜軍事裝備所遵循的基本標(biāo)準(zhǔn)，其最大的特點是為武器裝備發(fā)展需求的準(zhǔn)確描述，提供了一種軍事人員和技術(shù)人員都能理解的、標(biāo)準(zhǔn)化的共同語言。

6) 基于服務(wù)的需求開發(fā)

美軍在DODAF 2.0中明確提出了基于服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(SOA)，將面向服務(wù)的思想引入能力需求分析。該方法是為了滿足未來一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的需要，提出了面向服務(wù)的能力需求分析建模方法，目的是應(yīng)對從高層需求描述到系統(tǒng)設(shè)計的映射問題。

2.2體系結(jié)構(gòu)技術(shù)

體系結(jié)構(gòu)[3](Architecture)，其概念源于建筑行業(yè)。工程中，體系結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)工程的基本組成部分。IEEE對體系結(jié)構(gòu)的定義為：組成系統(tǒng)各部件的結(jié)構(gòu)、相互關(guān)系以及制約它們設(shè)計隨時間演進(jìn)的原則和指南。此3個方面囊括了系統(tǒng)的形態(tài)、屬性和研制要求。

體系結(jié)構(gòu)技術(shù)，是規(guī)范、指導(dǎo)和約束體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的理論、方法和工具的總稱，提供了開發(fā)和表述體系結(jié)構(gòu)的規(guī)則、指南和產(chǎn)品描述，以及理解和管理復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的機(jī)制，在體系研制、開發(fā)、試驗、采辦、部署、運(yùn)行以及演化發(fā)展等全壽命周期中都發(fā)揮著極其重要的作用。

體系結(jié)構(gòu)技術(shù)起源于企業(yè)體系結(jié)構(gòu)。1987年，Zachman在《A framework for information systems architecture》[9]一文中首次提出了著名的Zachman框架，給出了經(jīng)典的體系結(jié)構(gòu)原理、公共詞匯和描述復(fù)雜信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的方法。此后，多種體系結(jié)構(gòu)框架模型相繼出現(xiàn)。

國外對體系結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究主要分為兩類[10]：一類是企業(yè)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框架，另一類是軍事領(lǐng)域的體系結(jié)構(gòu)框架。兩者具有相同的方法論基礎(chǔ)，按照應(yīng)用領(lǐng)域不同，提出了各自的體系結(jié)構(gòu)框架模型。企業(yè)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框架比較流行的包括Zachman框架、開放組織結(jié)構(gòu)框架(TOGAF)、美國聯(lián)邦企業(yè)體系結(jié)構(gòu)框架(FEAF)以及美國財政部企業(yè)體系結(jié)構(gòu)框架(TEAF)等；軍事領(lǐng)域內(nèi)比較有影響的體系結(jié)構(gòu)框架有美軍C4ISR體系結(jié)構(gòu)框架、DODAF，以及其他國家或組織提出的MODAF、NAF、AusDAF體系結(jié)構(gòu)框架等。

其次，游戲材料的選擇要與幼兒的實際生活相貼近。在幼兒的中班階段，益智區(qū)的游戲要與幼兒的現(xiàn)實生活緊密聯(lián)系起來，使幼兒在游戲中增加對生活的感知，進(jìn)而開發(fā)幼兒的智力。比如實際生活中的水、土、樹葉、小草等都可以作為益智區(qū)游戲的材料，這些都是生活中常見的事物，那么它們各自有什么特點呢？又可以有什么新玩法呢？這些都可以成為幼兒的探索內(nèi)容。棋類游戲在生活中也十分普遍，教師可以就近取材，利用棋類游戲開發(fā)幼兒的智力，選擇一些與幼兒的智力發(fā)展水平相符的棋類游戲，并在幼兒的玩耍過程中給予一定的指導(dǎo)。有些幼兒不太懂得棋類游戲的規(guī)則，教師的指導(dǎo)不僅能夠幫助他們理清思路，還能使幼兒與同伴之間進(jìn)行友好的交往。

目前，體系結(jié)構(gòu)框架模型中占據(jù)主導(dǎo)地位的主要有Zachman框架、TOGAF、FEAF、TEAF和DODAF這5個最具代表性的發(fā)展分支。

1) Zachman模型框架

Zachman模型框架是最早的體系結(jié)構(gòu)框架模型之一，也是一個經(jīng)典的企業(yè)體系結(jié)構(gòu)框架。Zachman認(rèn)為信息系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)就如同建設(shè)一個復(fù)雜的建筑或建造一架飛機(jī)一樣，其中包含復(fù)雜的建設(shè)過程，并且建設(shè)過程涉及到各種人員。所以，在建設(shè)過程中必須由不同的人員以不同的目的按照不同的標(biāo)準(zhǔn)來描述系統(tǒng)。Zachman框架模型的主要特點是從多個不同的角度描述系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框架的不同方面，從而形成對系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的整體描述。其多視圖、多視點矩陣的分析理念對許多后續(xù)模型都產(chǎn)生了深刻影響。

2) TOGAF

TOGAF由開放組織(Open Group)在1995年開發(fā)。該體系結(jié)構(gòu)框架以信息管理技術(shù)體系框架(TAFIM)為基礎(chǔ)，提供一個實用、方便的開發(fā)企業(yè)體系結(jié)構(gòu)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。TOGAF模型偏重于技術(shù)體系結(jié)構(gòu)，但最新發(fā)布的TOGAF版本增加了業(yè)務(wù)成分，開始向企業(yè)體系結(jié)構(gòu)模型靠攏。

3) FEAF

FEAF是美國聯(lián)邦政府為指導(dǎo)各級政府機(jī)構(gòu)信息系統(tǒng)開發(fā)，加強(qiáng)各政府部門之間的信息共享和互操作能力而建立的。此框架主要包括8個主要部分，分別為體系結(jié)構(gòu)驅(qū)動、戰(zhàn)略方向、當(dāng)前體系結(jié)構(gòu)、目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)模型、體系結(jié)構(gòu)段、變化過程和標(biāo)準(zhǔn)。框架的8個組成部分反映了一個評價現(xiàn)有條件和尋找目標(biāo)問題解決方法的連續(xù)變化過程。FEAF框架中的體系結(jié)構(gòu)模型和Zachman框架中的模型一致，也部分采用了多視圖、多視點的矩陣分析理念，但2003版之后已經(jīng)基本消除了Zachman模型的痕跡。

4) TEAF

TEAF是依據(jù)信息技術(shù)管理改革法案(ITMRA)，由美國財政部等于1996年提出，主要目的是規(guī)范、指導(dǎo)財政部及其下屬機(jī)構(gòu)的業(yè)務(wù)發(fā)展和使用、管理體系結(jié)構(gòu)。此框架主要包括體系結(jié)構(gòu)指導(dǎo)、體系結(jié)構(gòu)描述和體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)3部分，從計劃者、所有者、設(shè)計者和實現(xiàn)者4個視角對功能、信息、組織和設(shè)施4個視圖進(jìn)行設(shè)計。其體系結(jié)構(gòu)描述也利用類似Zachman框架的矩陣模型表示，其中的矩陣元素就是TEAF框架的工作產(chǎn)品。與Zachman框架模型相比，TEAF具有更好的可操作性。

5) DODAF[11]

DODAF是美國國防部提出的體系結(jié)構(gòu)開發(fā)、使用與管理的通用指南。2009年5月頒布的DODAF 2.0版本，實現(xiàn)了以權(quán)威數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以國防部元模型為中心，以靈活的方法為手段，以多種表示形式為途徑，以支持核心決策過程為出發(fā)點，以開發(fā)符合用戶需要的體系結(jié)構(gòu)為根本目的，標(biāo)志著以支持國防領(lǐng)域關(guān)鍵決策為目標(biāo)的“體系結(jié)構(gòu)框架”基本成熟。在聯(lián)合作戰(zhàn)構(gòu)想框架下，依托作戰(zhàn)概念強(qiáng)化頂層設(shè)計，自上而下地管理作戰(zhàn)需求和裝備需求，實現(xiàn)聯(lián)合作戰(zhàn)能力，解決裝備建設(shè)方面資源浪費(fèi)和能力冗余等問題，保證了復(fù)雜戰(zhàn)爭模式下武器采辦的正確性。在DODAF的基礎(chǔ)上，英國、北約、澳大利亞等結(jié)合各自需要，先后推出了各具特點的體系結(jié)構(gòu)框架，如MODAF、NAF、AusDAF等。

國內(nèi)對于體系結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究主要集中在武器裝備體系領(lǐng)域。1997年以來，為適應(yīng)體系對抗的需要，國內(nèi)在軍事電子信息領(lǐng)域率先開展了體系結(jié)構(gòu)框架開發(fā)和應(yīng)用研究，并于2010年4月正式頒布了GJB/Z《軍事電子信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計指南》，填補(bǔ)了國內(nèi)在體系結(jié)構(gòu)框架研究、標(biāo)準(zhǔn)制定和工程應(yīng)用方面的空白，推動了體系結(jié)構(gòu)框架在國防領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用。隨著戰(zhàn)爭形態(tài)從“平臺對抗”發(fā)展到“體系對抗”，裝備使用部門和研制部門都越來越重視裝備體系的頂層設(shè)計和論證，大力倡導(dǎo)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)研究和應(yīng)用。

2.3概念方案設(shè)計技術(shù)

航空武器裝備的概念方案設(shè)計是指根據(jù)裝備的作戰(zhàn)需求與使用要求，利用科學(xué)有效的設(shè)計方法，借鑒既往相同或相近裝備的設(shè)計經(jīng)驗，進(jìn)行總體參數(shù)選擇，開展初步總體方案的設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，對已形成的單個或多個概念設(shè)計方案全面考慮各種因素，采用科學(xué)方法進(jìn)行系統(tǒng)分析和綜合決策，以獲取最佳設(shè)計方案。

概念方案設(shè)計雖然僅從概念層面對未來裝備的布局形式、結(jié)構(gòu)重量、動力和主要機(jī)載設(shè)備等進(jìn)行初步?jīng)Q策，但是概念方案一經(jīng)確定，后續(xù)工作只能在此框架內(nèi)進(jìn)行，不得擅自突破。就工作量與費(fèi)用而言，概念方案設(shè)計占比不足20%，但其對后續(xù)方案技術(shù)可行性的影響卻超過了50%。概念方案設(shè)計對新裝備研制能否成功至關(guān)重要。

概念方案設(shè)計技術(shù)伴隨著航空武器裝備的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段。第1階段：早期，飛機(jī)系統(tǒng)簡單、綜合化水平不高，概念設(shè)計完全依賴設(shè)計師個人能力。第2階段：隨著航空技術(shù)逐漸成熟，裝備的功能和性能大幅度提升，系統(tǒng)越來越復(fù)雜，涉及專業(yè)越來越多，概念設(shè)計趨于標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。第3階段：隨著信息技術(shù)的發(fā)展，概念設(shè)計開始向基于仿真的設(shè)計和總體綜合優(yōu)化設(shè)計轉(zhuǎn)變，可實現(xiàn)快速多輪迭代，縮短設(shè)計周期，提高性能優(yōu)化水平。

目前，概念方案設(shè)計技術(shù)的發(fā)展主要圍繞設(shè)計方法與設(shè)計手段兩個方面展開：

1) 原準(zhǔn)機(jī)法

選擇既有裝備作為原準(zhǔn)機(jī)，參照原準(zhǔn)機(jī)的總體參數(shù)和有關(guān)資料，憑借設(shè)計師的經(jīng)驗和判斷，選出適合的總體參數(shù)，開展概念方案設(shè)計。彭名華和張呈林[12]在此基礎(chǔ)上，提出了基于統(tǒng)計分析的概念設(shè)計方法。針對戰(zhàn)術(shù)通用直升機(jī)的特點，建立了總體參數(shù)數(shù)據(jù)庫，利用統(tǒng)計分析，進(jìn)行重量、旋翼參數(shù)和功率分析，選擇總體參數(shù)，建立總體方案評價準(zhǔn)則，并進(jìn)行了算例驗證。賈偉力和陳仁良[13]針對前述方法未能將總體參數(shù)與設(shè)計要求很好地聯(lián)系起來的缺陷，提出了一種新的直升機(jī)總體概念設(shè)計方法。該方法根據(jù)主要設(shè)計要求來確定直升機(jī)總質(zhì)量和發(fā)動機(jī)需用功率等主要總體參數(shù)；然后通過對氣動布局參數(shù)的統(tǒng)計與歸納，初步確定氣動布局參數(shù)，并利用這些參數(shù)對直升機(jī)總質(zhì)量重新估算，經(jīng)反復(fù)迭代后得到一組可以進(jìn)行后續(xù)飛行性能以及操穩(wěn)性計算使用的概念設(shè)計參數(shù)。

2) 多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法

20世紀(jì)60年代中期，人們開始將優(yōu)化方法與計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于概念設(shè)計。20世紀(jì)90年代初，AIAA正式提出多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化(MDO)方法。近20年來，國外政府、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界高度重視MDO，進(jìn)行了大量研究與工程開發(fā)。NASA已資助高校、工業(yè)界的研究人員開展多個MDO研究計劃。NASA與工業(yè)界合作研制了高速民機(jī)多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)HSCT[14]，推動了飛機(jī)總體MDO的發(fā)展；啟動了先進(jìn)工程環(huán)境項目AEE，為新一代可重復(fù)使用空間飛行器的概念設(shè)計提供協(xié)同設(shè)計環(huán)境[15]。與此同時，歐洲開展了多個MDO計劃，探索分布式環(huán)境下集成各學(xué)科軟件的復(fù)雜航空產(chǎn)品設(shè)計方法和工具。研制了面向飛機(jī)總體設(shè)計的原型系統(tǒng)——計算設(shè)計引擎(CDE)；在歐盟第六框架下啟動了VIVAC項目，為飛機(jī)和發(fā)動機(jī)設(shè)計提供先進(jìn)的虛擬協(xié)同設(shè)計環(huán)境[16]。波音公司開發(fā)了基于高精度分析模型的飛機(jī)MDO系統(tǒng)——MDOPT[17]；洛克希德公司研制了飛機(jī)快速概念RCD[18]。同時，MDO商用軟件也得到飛速發(fā)展，iSIGHT、ModelCenter、DAKOTO等設(shè)計軟件已實現(xiàn)商業(yè)化。

國內(nèi)的MDO理論與應(yīng)用研究方面，余雄慶[19]全面分析了MDO相關(guān)技術(shù)，研究了并行子空間優(yōu)化算法，并將其應(yīng)用于電動無人飛機(jī)的一體化設(shè)計。陳小前[20]提出了一種基于正交多項式的響應(yīng)面多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法，并對兩種不同飛行器概念方案進(jìn)行了比較。黃俊等[21]全面分析了多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法在飛機(jī)總體設(shè)計中的應(yīng)用。

3) 概念方案評估方法

目前對航空武器裝備概念方案的評估已從單純的作戰(zhàn)性能參數(shù)對比發(fā)展到了綜合性能的解析評估，并不斷擴(kuò)展到可靠性、維修性、保障性、安全性、生存力和壽命周期費(fèi)用等方面。隨著評估對象的不斷擴(kuò)展，評估過程中需要選擇多個因素或指標(biāo)，目前主要適用的多指標(biāo)評價方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、粗糙集、熵、模糊數(shù)學(xué)與灰色關(guān)聯(lián)度等方法。

概念方案評估中，評估指標(biāo)體系的建立是另一項重要工作。美國空軍系統(tǒng)司令部武器系統(tǒng)效能工業(yè)咨詢委員會將可靠性、維修性、保障性、生存力和固有能力等因素綜合為可用性、可信性和固有能力3個指標(biāo)，提出了系統(tǒng)有效性的評價指標(biāo)體系，成為應(yīng)用最為廣泛的系統(tǒng)有效性的評價指標(biāo)體系[22-23]。隨著航空裝備壽命周期費(fèi)用的上漲，美國航空航天系統(tǒng)設(shè)計實驗室于1995年提出了綜合評價準(zhǔn)則，把壽命周期費(fèi)用作為評價指標(biāo)之一，將經(jīng)濟(jì)可承受能力、任務(wù)能力、可用性、戰(zhàn)時生存性和平時安全性作為作戰(zhàn)飛機(jī)總體方案評價與決策的5個評價指標(biāo)[24]。

國內(nèi)研究人員基于前述主要框架不斷完善評估指標(biāo)體系。如在進(jìn)行飛機(jī)生存力方案評估時，宋筆鋒和李為吉[25]提出了以飛機(jī)的安全性、維修性、可靠性、保障性、性能及費(fèi)用等為約束條件、應(yīng)用于飛機(jī)概念設(shè)計的飛機(jī)生存力效益/代價綜合評估方法。李壽安等[26]建立了敏感性、易損性、可靠性、維修性、保障性和壽命周期費(fèi)用為評價指標(biāo)的飛機(jī)生存力設(shè)計方案評估框架。李軍等[27]提出了基于分層體系的現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機(jī)方案評估方法，確定了作戰(zhàn)飛機(jī)方案評估的5個層次并給出細(xì)化指標(biāo)體系、評估模型和計算方法。

4) 概念設(shè)計軟件系統(tǒng)開發(fā)

1984年，NASA的蘭利研究中心開發(fā)了著名的飛機(jī)總體設(shè)計綜合分析與優(yōu)化系統(tǒng)FLOPS，用于新型飛機(jī)的概念設(shè)計[28]。1990年，NASA艾姆斯研究中心聯(lián)合軍方、高校以及航空企業(yè)推出新版本的ACSYNT飛機(jī)綜合系統(tǒng)，適用于各種軍、民用飛行器(包括導(dǎo)彈)的概念設(shè)計[29]。1991年，美國堪薩斯大學(xué)的Roskam教授開發(fā)了先進(jìn)飛機(jī)分析軟件AAA[30]。該軟件能對包括戰(zhàn)斗機(jī)、運(yùn)輸機(jī)和公務(wù)機(jī)在內(nèi)各類飛行器設(shè)計方案的質(zhì)量、氣動、性能、操穩(wěn)和成本進(jìn)行分析。1992年，Raymer開發(fā)出了RDS飛行器概念設(shè)計系統(tǒng)[31]。該系統(tǒng)可對包括戰(zhàn)斗機(jī)、無人機(jī)和航天飛機(jī)在內(nèi)的各類飛行器進(jìn)行三維的初始布局設(shè)計，并能對設(shè)計方案進(jìn)行氣動、質(zhì)量、推進(jìn)、操穩(wěn)、性能和費(fèi)用分析。此外，針對直升機(jī)概念設(shè)計的特殊需求，國外已積累了很多經(jīng)驗和方法，從初期的直升機(jī)概念設(shè)計方法軟件HESCOMP發(fā)展到VASCOMP設(shè)計軟件以及GTPDP，這些軟件和方法主要采用綜合法進(jìn)行直升機(jī)概念設(shè)計。近期，國外概念設(shè)計方法已經(jīng)發(fā)展到集成飛行品質(zhì)、飛行性能、質(zhì)量估算等方面的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計[13]。

國內(nèi)圍繞概念設(shè)計系統(tǒng)方面公開發(fā)表的報告很少，學(xué)術(shù)界相關(guān)的研究工作相對較多。北京航空航天大學(xué)的劉虎開發(fā)了基于草圖的方法、用于飛機(jī)概念設(shè)計的原型系統(tǒng)SEACD，該系統(tǒng)可確定總體布局型式，綜合主要部件布置并將設(shè)計方案以統(tǒng)一的平面草圖和三維模型加以表示[32]。西北工業(yè)大學(xué)的王曉青開發(fā)了具有圖形人機(jī)用戶界面、具有分析設(shè)計能力、適用于軍民用運(yùn)輸機(jī)與對地攻擊機(jī)的飛機(jī)總體設(shè)計軟件[33]。

2.4作戰(zhàn)效能評估技術(shù)

在航空武器裝備頂層論證中，效能評估是一項重要的論證工作。對武器裝備效能評估的研究已經(jīng)開展多年，在航空領(lǐng)域也應(yīng)用廣泛。常用的如ADC、指數(shù)法、層次分析法等傳統(tǒng)效能評估方法已經(jīng)較為成熟，在工程中也應(yīng)用較多[34-35]。這些方法較為依賴于經(jīng)驗數(shù)據(jù)，同時受專家水平和主觀態(tài)度影響較大，通常不針對具體的裝備使用方式，但是仍然可以快速方便地進(jìn)行初步的評估。而基于作戰(zhàn)仿真的效能評估方法已經(jīng)成為基本的發(fā)展方向[36]，利用解析式的評估方法的作用在降低，更多的則是需要通過仿真得到各類統(tǒng)計數(shù)據(jù)來進(jìn)行處理和分析。在建模仿真技術(shù)之外，評估方法的研究需要更多著重于數(shù)據(jù)的處理方式和關(guān)鍵指標(biāo)的選取。

然而，無論是仿真還是非仿真的效能評估方法，大多數(shù)研究仍注重于對單個裝備的評估，在航空武器裝備的頂層論證中，更重要的是進(jìn)行某型裝備對作戰(zhàn)體系的貢獻(xiàn)度的分析。目前，隨著體系(System of Systems)作戰(zhàn)成為研究熱點，對復(fù)雜系統(tǒng)和體系的效能評估方法的需求也越來越大。

雖然，目前尚沒有標(biāo)準(zhǔn)的評估方法，但國內(nèi)外對體系評估已經(jīng)開展了探索性的研究：Jackson等[37]通過選取自治系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了體系效能預(yù)測算法的研究，評估了單個系統(tǒng)對體系效能的影響，并將系統(tǒng)性能指標(biāo)映射到體系效能上；Xiong等[38]使用基于知識的可執(zhí)行模型提出了一種體系架構(gòu)的評估方法，該方法分為兩層，高層自底向上來計算體系的總體性能表現(xiàn)，低層通過建模和仿真獲得能力需求的實現(xiàn)程度；Huynh和Osmundson[39]使用系統(tǒng)建模語言(SysML)來進(jìn)行體系建模和分析，并使其SysML表現(xiàn)的體系概念與執(zhí)行模型相一致； Solazzi等[40]提出了一種綜合基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)和綜合保障(ILS)工程的方法以進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的評估；陳立新[41]闡述了裝備體系的相關(guān)概念和典型問題，并分析了裝備體系效能評估和裝備體系能力評估的難點及潛在的解決方式；李志淮等[42]進(jìn)行了基于DODAF能力視角的武器裝備體系評估方法的研究，直接從構(gòu)建的體系結(jié)構(gòu)中提取數(shù)據(jù)，從能力需求滿意度上對武器裝備體系進(jìn)行評估；張亮等[43]通過灰色關(guān)聯(lián)分析法與層次分析法的集成對武器裝備體系的作戰(zhàn)效能進(jìn)行了評估；高藝珊等[44]利用基于多層次的灰色綜合評價法對野營保障力量體系效能進(jìn)行了評估；蔣德瓏和曹建軍[45]提出了一種基于模糊數(shù)學(xué)的武器裝備體系評估論證模型，該模型對武器裝備體系評估指標(biāo)進(jìn)行了嘗試性的改良、完善和歸類，提出了新的評估分析策略，將不同的模糊變換模型用于處理指標(biāo)間聚合關(guān)系，建立了不同的目標(biāo)層量化模型；崔榮和常顯奇[46]闡述了武器裝備體系效能的評估原理，并提出了一種基于模糊系統(tǒng)的體系效能評估方法。這些研究往往綜合應(yīng)用了仿真方法和解析方法來進(jìn)行評估以降低評估模型的復(fù)雜度。雖然以上成果不一定直接適用于航空武器裝備頂層論證，但將為相關(guān)研究工作提供有益參考。

2.5推演仿真技術(shù)

仿真能夠在裝備被制造出來之前對其作戰(zhàn)方式進(jìn)行研究，其過程和結(jié)果能夠成為基于計算機(jī)的效能評估方法的輸入量，因此仿真技術(shù)也適用于航空武器裝備的頂層論證。由于早期論證階段尚沒有成型的設(shè)計方案，因此該階段的仿真應(yīng)以全數(shù)字仿真為主。

國外對仿真技術(shù)的研究早已開展，目前有大量實用化的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)。例如，美軍聯(lián)合作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)(JWARS)是設(shè)計用于戰(zhàn)役級的作戰(zhàn)仿真[47-49]；聯(lián)合仿真系統(tǒng)(JSIMS)可以對國家戰(zhàn)略、聯(lián)合作戰(zhàn)乃至戰(zhàn)術(shù)層次內(nèi)容(包括兵力機(jī)動、部署、作戰(zhàn)、補(bǔ)給等任務(wù))進(jìn)行仿真[50]；聯(lián)合建模與仿真系統(tǒng)(JMASS)則是應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)和工程設(shè)計層次上的建模與仿真系統(tǒng)[51]；美軍聯(lián)合戰(zhàn)區(qū)級模擬系統(tǒng)(JTLS)是計算機(jī)輔助的交互式模擬系統(tǒng)，最多可模擬10方參加的空戰(zhàn)、海戰(zhàn)、陸戰(zhàn)、后勤、特種部隊作戰(zhàn)和情報支援等行動[52]；聯(lián)合半自動兵力系統(tǒng)(JSAF)是目前美軍聯(lián)合作戰(zhàn)實驗和訓(xùn)練的重要工具之一，支持測試與評估、訓(xùn)練、實驗等多種應(yīng)用[53]；戰(zhàn)士仿真系統(tǒng)(WARSIM2000)是美國陸軍的一個推演訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，能夠為在聯(lián)合作戰(zhàn)或合成作戰(zhàn)的作戰(zhàn)想定下進(jìn)行訓(xùn)練的營到戰(zhàn)區(qū)級的指揮員和參謀人員提供一個比較真實的仿真訓(xùn)練環(huán)境[54]；擴(kuò)展防空仿真系統(tǒng)(EADSIM)是一個集分析、訓(xùn)練和作戰(zhàn)規(guī)劃于一體的多功能仿真系統(tǒng)[54]。國內(nèi)在仿真系統(tǒng)的研發(fā)上也取得了一定的成果，比較典型的有基于組件的一體化建模仿真環(huán)境(CISE)[55]。

目前，較新一代的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)普遍采用了組件化的建模方式[56-57]，即將裝備分解為各個子系統(tǒng)分別進(jìn)行參數(shù)化建模，并且可以方便地將各個子系統(tǒng)模塊進(jìn)行組合形成不同的裝備類型。此外，引入諸如連線等圖形化的建模方式使得人機(jī)交互變得更為友好。優(yōu)秀的作戰(zhàn)仿真軟件能夠為軍用航空裝備論證提供很好的支撐。雖然大多數(shù)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)最初是設(shè)計用于指揮人員的作戰(zhàn)訓(xùn)練，但由于論證階段缺乏裝備設(shè)計細(xì)節(jié)的特點，這些成熟的仿真系統(tǒng)配合合適的模型也可用于裝備的頂層論證。

對于航空武器裝備頂層論證最需要的體系和復(fù)雜系統(tǒng)仿真，多分辨率建模和智能仿真的研究是其中的兩大熱點。

在多分辨率建模方面，Jain等[58]通過多分辨率建模的方式進(jìn)行了供應(yīng)鏈可持續(xù)性的分析；Song等[59]使用多分辨率建模進(jìn)行了空間任務(wù)仿真；Wu等[60]采用多分辨率建模，以聚合和解聚的方式進(jìn)行了快遞物流系統(tǒng)的仿真；Zhang等[61]提出了一種基于基本對象模型(BOM)的多分辨率模型以進(jìn)行聯(lián)邦仿真；李元等[62]提出了3種基于BOM的多分辨率建模模式的思想，包括為同一個BOM開發(fā)多個不同分辨率的組件實現(xiàn)的多分辨率建模橋模式，基于BOM模式聚合的多分辨率建模組合模式以及基于BOM實例聚合的多分辨率建模共享模式；韓翃等[63]研究了幾種典型的多分辨率建模方法，并在分析戰(zhàn)役推演仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一種面向多分辨率建模的仿真模塊體系結(jié)構(gòu)。目前典型的多分辨率建模方法有聚合解聚法、視點選擇法、多分辨率實體法、IHVR法等[63]，并已經(jīng)在部分仿真軟件中進(jìn)行了應(yīng)用。

在智能仿真方面，Yu等[64]基于多Agent技術(shù)開發(fā)了車輛虛擬現(xiàn)實智能仿真系統(tǒng)；Coradeschi等[65]與Saab Military Aircraft AB進(jìn)行合作，通過建立智能Agent的決策模式和抽象Agent的行為研究了針對超視距戰(zhàn)斗空戰(zhàn)領(lǐng)域的智能Agent設(shè)計；Yang[66]研究了網(wǎng)絡(luò)化的多Agent作戰(zhàn)模型，并提供了實時可視化人在環(huán)的仿真允許作戰(zhàn)過程中的人為干預(yù)；胡艮勝等[67-68]提出了空間分群的多次聚類方法和一種基于模板匹配知識推理的行動認(rèn)知算法，以用于智能化推演仿真；黃劍鋒等[69]針對空戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中作戰(zhàn)飛機(jī)編隊的復(fù)雜決策問題，運(yùn)用Agent方法建立了飛機(jī)編隊的決策行為模型；張貞等[70]針對海軍航空兵突防作戰(zhàn)的特點，將Agent技術(shù)應(yīng)用于航空兵突防作戰(zhàn)仿真研究中。以Agent技術(shù)為代表的智能仿真已普遍應(yīng)用于各類體系建模和仿真的研究中，可以為航空裝備頂層論證所需的體系仿真環(huán)境搭建提供支持。

3航空武器裝備頂層論證技術(shù)的研究重點及其發(fā)展方向

航空武器裝備頂層論證技術(shù)還在發(fā)展中，外部需求的新變化和自身發(fā)展的不完善，共同決定了航空武器裝備頂層論證技術(shù)當(dāng)前和今后一個時期的研究重點與發(fā)展方向。

3.1需求工程技術(shù)

航空武器裝備需求工程主要解決需求“是什么”和“如何獲得”的問題，目的是全面、客觀、清晰地獲得未來航空武器裝備的發(fā)展需求。當(dāng)前，面臨的主要困難是：客觀上，未來戰(zhàn)爭復(fù)雜多變，涉及多環(huán)境、多要素、多領(lǐng)域、多層次，具有極大的不確定性；主觀上，航空武器裝備需求開發(fā)涉及與航空武器裝備密切相關(guān)的各類人員，如軍事人員、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計人員、系統(tǒng)研發(fā)人員、專項技術(shù)攻關(guān)人員、系統(tǒng)采辦人員和項目管理人員等，他們在專業(yè)領(lǐng)域、知識結(jié)構(gòu)和需求認(rèn)知等方面上都存在較大差異，增加了達(dá)成共識的難度[71]。

為解決上述問題，國內(nèi)外通行的基本思路如下[2]。

1) 需求開發(fā)規(guī)范化

要獲得全面、客觀、清晰的航空武器裝備發(fā)展需求，必須從需求生成制度、流程和方法等方面全面著手，多管齊下，實現(xiàn)需求生成的規(guī)范化。美國國防部從制度上規(guī)定了美軍的各項能力建設(shè)必須嚴(yán)格遵循聯(lián)合能力集成與開發(fā)制度(JCIDS)，圍繞聯(lián)合作戰(zhàn)，貫徹基于能力的方法，采用自頂向下的能力確認(rèn)方法和流程，確保聯(lián)合作戰(zhàn)能力的有效生成。

2) 需求管理一體化

需求管理一體化有兩方面的含義：①將作戰(zhàn)需求、產(chǎn)品規(guī)格和技術(shù)方案作為一個整體進(jìn)行優(yōu)化；②將需求開發(fā)與需求管理作為一個整體，往復(fù)迭代、持續(xù)推進(jìn)。法國國防部在其“前景研究”項目中，規(guī)范對未來作戰(zhàn)環(huán)境的分析，統(tǒng)籌遠(yuǎn)中近期需求，實現(xiàn)能力需求、裝備建設(shè)與技術(shù)發(fā)展的緊密銜接；同時強(qiáng)調(diào)軍事需求開發(fā)與管理的協(xié)調(diào)性，避免或減少各方面的重復(fù)性勞動，實現(xiàn)相關(guān)工作、組織、進(jìn)度、資金、技術(shù)等要素的總體協(xié)調(diào)。

綜合上述分析，未來航空武器裝備需求工程的研究重點與發(fā)展方向是：

1) 隨著航空武器裝備使命任務(wù)的不斷擴(kuò)展及其體系交聯(lián)關(guān)系的日趨復(fù)雜，基于體系結(jié)構(gòu)的需求開發(fā)方法可能成為需求開發(fā)的基本方法。

2) 隨著面向服務(wù)的能力建設(shè)思想的提出，建立在體系結(jié)構(gòu)方法之上的面向服務(wù)的需求開發(fā)方法可能成為需求開發(fā)方法的新熱點。面向服務(wù)的需求開發(fā)具有松散耦合、平臺無關(guān)、動態(tài)綁定、業(yè)務(wù)流程隨需應(yīng)變和支持應(yīng)用系統(tǒng)高效融合等特點，有利于產(chǎn)品集成向服務(wù)集成的轉(zhuǎn)變。

3) 實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與積累的規(guī)范化可能成為基于體系結(jié)構(gòu)的需求開發(fā)的重要工作?；隗w系結(jié)構(gòu)的需求開發(fā)方法的基本思路是通過規(guī)范需求分析流程與模型，力求實現(xiàn)相同數(shù)據(jù)條件下的需求描述的一致性，數(shù)據(jù)因此成為決定需求描述質(zhì)量的關(guān)鍵性因素。如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與積累的規(guī)范化，可能成為未來的重要工作。

3.2體系結(jié)構(gòu)技術(shù)

在航空武器裝備頂層論證中，體系結(jié)構(gòu)技術(shù)以“需求驅(qū)動、結(jié)構(gòu)主導(dǎo)”為特征[72]，為航空武器裝備體系設(shè)計和型號目標(biāo)圖像論證提供了方法、流程和標(biāo)準(zhǔn)，有利于實現(xiàn)“設(shè)計驅(qū)動仿真，仿真驗證設(shè)計”的規(guī)范化論證?；隗w系結(jié)構(gòu)技術(shù)的航空武器頂層論證，依據(jù)DODAF等體系結(jié)構(gòu)框架標(biāo)準(zhǔn)、利用建模平臺工具，自頂向下、從抽象到具體，從作戰(zhàn)概念設(shè)計開始，通過作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)概念模型和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)概念模型的開發(fā)和運(yùn)行，逐次完成作戰(zhàn)概念和裝備概念邏輯、行為和性能層次的評估驗證。通過科學(xué)獲取武器裝備體系發(fā)展需求，設(shè)計并優(yōu)化裝備體系結(jié)構(gòu)，建立適當(dāng)?shù)难b備體系發(fā)展方案，提升裝備體系整體能力和作戰(zhàn)效能，為武器裝備體系建設(shè)和管理提供決策支持。

體系結(jié)構(gòu)技術(shù)在當(dāng)前航空武器頂層論證實踐中應(yīng)用，主要面臨三大薄弱環(huán)節(jié)：

1) 裝備作戰(zhàn)概念設(shè)計方法落后。裝備的發(fā)展，已經(jīng)由傳統(tǒng)的“軍事需求牽引”演進(jìn)到了“作戰(zhàn)概念牽引”。裝備作戰(zhàn)概念設(shè)計是基于體系結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行航空武器頂層論證的邏輯起點和關(guān)鍵步驟，需要準(zhǔn)確把握未來軍事需求，提煉典型作戰(zhàn)場景，并將高層作戰(zhàn)概念細(xì)化成時序化作戰(zhàn)活動和作戰(zhàn)節(jié)點間的信息交互，形成詳細(xì)作戰(zhàn)需求并分配給各系統(tǒng)，形成系統(tǒng)需求。裝備作戰(zhàn)概念設(shè)計依賴對作戰(zhàn)的深刻理解、對未來需求的準(zhǔn)確把握、以及設(shè)計者智慧和創(chuàng)新能力的充分發(fā)揮，要求極高、難度極大。美軍的作戰(zhàn)概念主要包含3個層次[73]：①依據(jù)未來可能存在的威脅所確認(rèn)的裝備作戰(zhàn)使命，初步形成的作戰(zhàn)概念想法；②創(chuàng)造性構(gòu)想設(shè)計的具體形象的、用文字、圖形、矩陣和活動圖等表示的作戰(zhàn)概念方案；③經(jīng)過規(guī)范化開發(fā)與評估后正式頒布的作戰(zhàn)概念文件。相比之下，國內(nèi)對裝備作戰(zhàn)概念的研究起步較晚，尚未形成作戰(zhàn)概念設(shè)計、開發(fā)和評估的完整、成熟的方法體系和操作流程。

2) 符合中國武器裝備頂層論證需求的體系結(jié)構(gòu)框架尚未建立。體系結(jié)構(gòu)框架是體系結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的標(biāo)志性成果。國外在體系結(jié)構(gòu)方法論、企業(yè)信息系統(tǒng)和軍事領(lǐng)域的體系結(jié)構(gòu)框架等方面，經(jīng)過30余年的發(fā)展，實現(xiàn)了從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的躍升，體系結(jié)構(gòu)框架日趨成熟，廣泛應(yīng)用于政府部門和國防領(lǐng)域的核心決策過程。到目前為止，國內(nèi)在體系結(jié)構(gòu)框架方面主要形成了《軍事電子信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計指南》，但在武器裝備總體的頂層設(shè)計領(lǐng)域尚未形成體系結(jié)構(gòu)框架標(biāo)準(zhǔn)，在實踐中主要參照DODAF等體系結(jié)構(gòu)框架標(biāo)準(zhǔn)。由于在指揮體制、系統(tǒng)研制程序和基礎(chǔ)條件等方面存在很大差別，國外體系結(jié)構(gòu)框架并不完全適用于中國，制定符合中國國情的武器裝備體系結(jié)構(gòu)框架迫在眉睫。

3) 適用中國國情的體系結(jié)構(gòu)開發(fā)工具與應(yīng)用環(huán)境薄弱。武器裝備頂層論證涉及的因素很多，美國軍方和軍工部門把認(rèn)知域、信息域與物理域在理論上統(tǒng)一起來，把信息系統(tǒng)與武器平臺的論證融為一體，以殺傷鏈的優(yōu)化為目的，支撐“作戰(zhàn)概念-體系分析-武器平臺”的統(tǒng)一論證，形成完整的開發(fā)應(yīng)用環(huán)境和開發(fā)工具，并已經(jīng)在多個大型武器裝備采辦項目中得到成功應(yīng)用。與國外相比，國內(nèi)武器裝備體系結(jié)構(gòu)開發(fā)尚處于起步階段，裝備使用部門和研制部門的某些認(rèn)識尚未完全統(tǒng)一，標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的開發(fā)流程和模式有待建立，體系結(jié)構(gòu)開發(fā)能力薄弱、支撐資源和工具手段不夠豐富，成果應(yīng)用仍以項目級的方案論證與決策為重點，對發(fā)展戰(zhàn)略研究、裝備體系論證、武器裝備建設(shè)規(guī)劃論證的支持力度明顯不足。

綜合上述分析，未來體系結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域的研究重點與發(fā)展方向是：

1) 加強(qiáng)體系需求開發(fā)和裝備作戰(zhàn)概念設(shè)計技術(shù)研究。研究不同于傳統(tǒng)系統(tǒng)需求分析技術(shù)的體系需求開發(fā)技術(shù)，開展基于能力的體系需求開發(fā)過程、基于核心數(shù)據(jù)和元模型的體系需求建模技術(shù)和基于價值的體系需求管理方法和技術(shù)等研究。在體系環(huán)境下，對裝備作戰(zhàn)概念涉及的任務(wù)背景、運(yùn)用方式、能力需求、系統(tǒng)需求、技術(shù)需求等進(jìn)行深入研究。

2) 開發(fā)適合中國航空武器裝備頂層論證需求的體系結(jié)構(gòu)框架。面向中國武器裝備體系和裝備頂層論證需求，研究和借鑒國外成果，提出體系結(jié)構(gòu)框架，形成體系整體結(jié)構(gòu)的描述模型，提供統(tǒng)一、規(guī)范的體系結(jié)構(gòu)框架的建模方法和技術(shù)，開展體系結(jié)構(gòu)建模過程、體系結(jié)構(gòu)建模方法、體系結(jié)構(gòu)驗證方法等研究，建立體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的程序機(jī)制。

3) 重視面向航空武器裝備頂層論證的體系結(jié)構(gòu)開發(fā)資源環(huán)境和應(yīng)用研究。圍繞航空武器裝備頂層論證的任務(wù)架構(gòu)、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，研究相關(guān)上下游資源需求，如使命任務(wù)和能力體系標(biāo)準(zhǔn)化描述、作戰(zhàn)任務(wù)和作戰(zhàn)行動庫、及相關(guān)模型、標(biāo)準(zhǔn)庫等，支撐快速構(gòu)建作戰(zhàn)概念、體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品集構(gòu)建。同時，推動體系結(jié)構(gòu)成果應(yīng)用，從以支持項目決策為主發(fā)展到以支持核心決策、表述新系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)想和支持系統(tǒng)總體方案的開發(fā)與決策。

3.3概念方案設(shè)計技術(shù)

新軍事革命和航空技術(shù)的發(fā)展使航空武器裝備需要滿足的需求越來越多、越來越高。裝備設(shè)計也從傳統(tǒng)的“面向性能的設(shè)計”向“面向經(jīng)濟(jì)可承受性和質(zhì)量的設(shè)計”轉(zhuǎn)變。概念方案設(shè)計技術(shù)的發(fā)展也要適應(yīng)從關(guān)注裝備性能向追求系統(tǒng)綜合效能轉(zhuǎn)變、從考慮傳統(tǒng)學(xué)科向考慮新興學(xué)科轉(zhuǎn)變、從串行迭代設(shè)計向集成并行設(shè)計轉(zhuǎn)變，從而提高設(shè)計質(zhì)量、縮短設(shè)計周期、降低設(shè)計風(fēng)險[74]。

為應(yīng)對裝備與技術(shù)發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)，概念方案設(shè)計將借助信息技術(shù)的發(fā)展成果，深入、廣泛地應(yīng)用多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計工具手段，采用并行設(shè)計模式，對概念方案進(jìn)行智能化綜合評估論證。未來，概念方案設(shè)計技術(shù)將圍繞優(yōu)化設(shè)計這一主軸，不斷擴(kuò)大和提高多要素設(shè)計與智能化評估的應(yīng)用范圍與技術(shù)水平。

綜合上述分析，未來概念方案設(shè)計技術(shù)的研究重點與發(fā)展方向是：

1) 多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用的不斷深化與拓展。為使優(yōu)化獲得的方案具有穩(wěn)健性，降低方案的技術(shù)風(fēng)險，需要考慮設(shè)計模型、物理材料、生產(chǎn)制造以及裝備使用過程中存在的各種不確定因素，研究基于不確定性的MDO。為降低裝備的全壽命期費(fèi)用，未來的航空裝備可能更多地采用通用性策略，形成裝備族。這就要求從更高層次考慮裝備設(shè)計模式，需要開展裝備族MDO的研究[75]。

2) 概念方案評估的智能化。航空裝備概念方案評估的內(nèi)容非常廣泛，涉及系統(tǒng)分析、方案優(yōu)化、綜合評價、決策、費(fèi)用預(yù)測、效能評估、仿真論證等，傳統(tǒng)常規(guī)的評估理論、方法、手段已經(jīng)不能完全滿足工作需求。為適應(yīng)不斷發(fā)展的新形勢和新技術(shù)要求，提高評估論證的水平、質(zhì)量和效率，需要以飛機(jī)總體設(shè)計評估準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，通過各種智能算法，對航空裝備概念方案進(jìn)行優(yōu)化評估[76]。

3.4作戰(zhàn)效能評估技術(shù)

在航空武器裝備的頂層論證階段，對效能評估提出特定的需求。在體系作戰(zhàn)中，不僅需要評估單個裝備的效能，更需要評估裝備對體系效能的影響，這在新裝備的論證中尤為重要，體系貢獻(xiàn)度更高的新裝備自然需要優(yōu)先立項。

此外，隨著臨近空間高超聲速飛行器等新型航空器的出現(xiàn)，如何對其進(jìn)行效能評估也成為航空武器裝備頂層論證不可回避的問題。目前缺乏可靠的模型，只能進(jìn)行粗粒度的概略性能研究，難以進(jìn)行較為精細(xì)的過程仿真與效能評估。

綜合上述分析，未來作戰(zhàn)效能評估技術(shù)的研究重點與發(fā)展方向是：

1) 由于受主觀影響小，結(jié)果直觀，適用于靈活的任務(wù)分析，基于仿真的效能評估方法可能成為航空武器裝備頂層設(shè)計與先期論證技術(shù)的主要發(fā)展方向。

2) 由于需要在規(guī)模更大、更接近真實應(yīng)用條件下的復(fù)雜作戰(zhàn)體系中進(jìn)行評估，指標(biāo)體系的建立方式將成為基于仿真的效能評估的研究重點。尤其在較完整的再現(xiàn)整個戰(zhàn)場態(tài)勢，特別是信息化條件下的作戰(zhàn)，在傳統(tǒng)的平臺中心戰(zhàn)思想下建立的評估指標(biāo)可能將不完全適用。

3) 在論證航空武器裝備的關(guān)鍵指標(biāo)時，如何通過仿真手段有效地將裝備參數(shù)映射到裝備性能，再映射到裝備的作戰(zhàn)效能，直到對體系效能的影響也將成為航空武器裝備頂層論證效能評估方法的研究重點。

3.5推演仿真技術(shù)

在仿真技術(shù)方面，航空武器裝備頂層論證中的仿真目標(biāo)對象較為模糊，不確定性較大，建模比較困難，同時目標(biāo)裝備的應(yīng)用方式也有不確定性。在進(jìn)行裝備頂層論證時，需要對裝備的不同應(yīng)用場景進(jìn)行大量的設(shè)定和仿真，由于人工操作對人的軍事素養(yǎng)要求很高且可重復(fù)性較差，因此更適合采用人不在回路的自動推演模式。

綜合上述分析，未來推演仿真技術(shù)的研究重點與發(fā)展方向是：

1) 為滿足不同規(guī)模和精度需求的仿真推演，多分辨率建模將提供一種解決方案。多分辨率的模型可以適應(yīng)不同的仿真需求，同時平衡不同階段的計算資源。但目前的多分辨率建模方法各有利弊，尚無普適的方法，因此在應(yīng)用于體系仿真時需要綜合使用各類多分辨率模型。

2) 隨著仿真對象的增多，作戰(zhàn)規(guī)模和復(fù)雜度越來越高，建模難度急劇加大，同時作戰(zhàn)方案的設(shè)定也消耗大量的人力和時間。因此，體系仿真對系統(tǒng)的自主性需求越來越高，而智能仿真將會是仿真技術(shù)的重要發(fā)展方向。然而，諸如Agent等智能技術(shù)目前雖然具有廣泛的研究，但缺乏嚴(yán)謹(jǐn)定義，在仿真通用化方面會帶來一些問題。

3) 仿真的可信度仍然是一個重要問題，但是除了提升建模水平外，更多需要的是不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)的積累以實現(xiàn)模型的改進(jìn)。

4) 近年來，隨著云計算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的出現(xiàn)，一方面為航空武器裝備頂層論證提供了新的技術(shù)手段，新技術(shù)的開發(fā)運(yùn)用有望大大提升仿真的計算能力并方便對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；另一方面催生了云作戰(zhàn)等創(chuàng)新性作戰(zhàn)概念，這些創(chuàng)新性作戰(zhàn)概念一旦成熟可能對現(xiàn)有作戰(zhàn)體系造成巨大沖擊，對此也需要有所關(guān)注、超前準(zhǔn)備。

4結(jié)論

隨著體系對抗的興起與發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變，航空武器裝備頂層論證應(yīng)運(yùn)而生。航空武器裝備頂層論證是航空武器裝備發(fā)展的頂層設(shè)計與型號發(fā)展的先期論證，涉及需求工程、體系結(jié)構(gòu)、概念方案設(shè)計、效能評估與推演仿真等技術(shù)領(lǐng)域。目前，支撐航空武器裝備頂層論證的相關(guān)技術(shù)體系已經(jīng)初步形成，有望與航空武器裝備頂層論證形成雙向互動。

航空武器裝備頂層論證技術(shù)的發(fā)展得益于通用領(lǐng)域的相關(guān)研究、國防領(lǐng)域的有益探索以及航空領(lǐng)域的經(jīng)驗總結(jié)。面向未來，對航空武器裝備頂層論證的旺盛需求與其自身發(fā)展不完善之間的矛盾，依然是推動航空武器裝備頂層論證持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在動力。建立符合國情的體系結(jié)構(gòu)框架、完善體系結(jié)構(gòu)運(yùn)行環(huán)境、實現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)與需求工程的有機(jī)融合、推進(jìn)概念方案多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計與方案評估智能化、尋求適應(yīng)體系對抗與頂層論證需要的效能評估與推演仿真的新方法/新工具/新手段，是當(dāng)前航空武器裝備頂層論證技術(shù)研究的關(guān)注重點，其進(jìn)展順利與否必將影響航空武器裝備頂層論證技術(shù)的未來走向。

伴隨著航空武器裝備頂層論證技術(shù)的進(jìn)步，其相應(yīng)的輸出成果將更加強(qiáng)有力地指引航空武器裝備總體設(shè)計工作的開展，進(jìn)一步體現(xiàn)航空武器裝備頂層論證的導(dǎo)向作用，強(qiáng)化其在航空武器裝備發(fā)展全流程中的基礎(chǔ)地位和先導(dǎo)作用。

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李清男, 碩士, 研究員。主要研究方向： 軍事戰(zhàn)略與航空裝備發(fā)展戰(zhàn)略。

Tel: 010-57827755

E-mail: liqing0431@sohu.com

閆娟女, 碩士, 高級工程師。主要研究方向： 航空武器總體論證。

Tel: 010-57827736

E-mail: adr_yj@sina.cn

朱家強(qiáng)男, 博士, 副研究員。主要研究方向： 航空器體系論證。

Tel: 010-57827745

E-mail: zhujiaqiang@163.com

黃濤男, 博士, 高級工程師。主要研究方向： 航空飛行器總體論證。

Tel: 010-57827749

E-mail: huangtao111@sina.com

臧精男, 博士, 工程師。主要研究方向： 航空器效能評估與仿真。

Tel: 010-57827743

E-mail: zangjing2014@163.com

Received： 2015-08-28; Revised: 2015-09-25; Accepted: 2015-10-16; Published online: 2015-11-0214:54

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151102.1454.008.html

Foundation items： Aviation Industry Technological Innovation Foundation of China (2012A62827, 2013A6286R, 2014A62045)

State of art and development trends of top-level demonstration technology for aviation weapon equipment

LI Qing1, 2, YAN Juan1, 2, ZHU Jiaqiang1, 2, HUANG Tao1, 2, ZANG Jing1, 2,*

1. Aviation Industry Development Research Center of China, Beijing 100029, China 2. AVIC Aviation General Demonstration Laboratory, Beijing 100029, China

Abstract:The top-level demonstration, an important content of the aviation weapon equipment demonstration, is the initial demonstration for the top-level design of the aviation weapon equipment development and the model development. It satisfies the need of the aviation weapon equipment system-of-systems combat and the bridge from the tracking development to the independent innovation. The challenge of the top-level demonstration technology for aviation weapon equipment is described. The development history from the origin to the gradual improvement of the top-level demonstration technology for aviation weapon equipment is reviewed. The technical difficulties and the potential strategies of the aviation weapon equipment top-level demonstration are analyzed. The research priorities and development trends of the top-level demonstration technology for aviation weapon equipment in the near future are discussed.

Key words:aviation weapon equipment; top-level demonstration; requirements engineering; architectural design; effectiveness evaluation; deduction simulation

*Corresponding author. Tel.： 010-57827743E-mail: zangjing2014@163.com

作者簡介：

中圖分類號：V221

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-6893(2016)01-0001-16

DOI：10.7527/S1000-6893.2015.0283

*通訊作者.Tel.： 010-57827743E-mail: zangjing2014@163.com

基金項目：中航工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金 (2012A62827， 2013A6286R， 2014A62045)

收稿日期：2015-08-28; 退修日期: 2015-09-25; 錄用日期: 2015-10-16; 網(wǎng)絡(luò)出版時間: 2015-11-0214:54

網(wǎng)絡(luò)出版地址： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151102.1454.008.html

引用格式： 李清， 閆娟， 朱家強(qiáng)， 等. 航空武器裝備頂層論證技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]. 航空學(xué)報, 2016, 37(1): 1-16. LI Q, YAN J, ZHU J Q, et al. State of art and development trends of top-level demonstration technology for aviation weapon equipment[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(1): 1-16.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn