鄭 銳,陳 釗,翟 巖,周 茜,張利川

(1.中國人民解放軍91977部隊,北京 100036；2.中國艦船研究院,北京 100192)

軍事要地作為作戰(zhàn)體系中的重要節(jié)點,通常集指揮通信、態(tài)勢感知、綜合保障等多重功能于一體,是貫徹上級機構任務部署,遂行相關作戰(zhàn)行動的重要力量。針對要地整體規(guī)劃以及上級機構賦予要地的使命任務,以軍事需求為導向,開展對應的信息系統(tǒng)設計和建設,為要地執(zhí)行各項行動任務提供信息化支撐,是達成上級機構賦予要地相關使命任務的重要基礎。

目前,國內外對于信息系統(tǒng),特別是大型軍事信息系統(tǒng)的頂層設計,通常仍采用傳統(tǒng)系統(tǒng)工程設計方法,該類方法基于文檔聚合工程信息,產出一系列基于自然語言的產品,嚴重依賴人工,費時費力且易出錯。隨著對要地使命任務需求的增加,系統(tǒng)要素不斷增長，規(guī)模更龐大，結構更復雜,傳統(tǒng)系統(tǒng)工程設計方法無法勝任信息系統(tǒng)的頂層設計,尋求數字化和智能化方案是解決此類問題的有效途徑。以模型化為代表的信息技術,如基于模型的系統(tǒng)工程(Model Based System Engineering MBSE)是解決此類需求多變、結構復雜、規(guī)模龐大的信息系統(tǒng)頂層設計的金鑰匙。

當前,各軍事大國在全球熱點區(qū)域根據國家戰(zhàn)略需要進行軍事部署,如為應對西亞、北非部分地區(qū)海盜和恐怖主義勢力活動猖獗等問題,美、法、日、意、中等國在區(qū)域內均建有海外基地,以保障各國在該區(qū)域的國家利益。在任務區(qū)域內須遂行通信保障、護航、維和、人道主義救援、聯(lián)演聯(lián)訓、撤僑、物資保障等多類行動任務,因此，急需開展相關信息系統(tǒng)建設需求的論證研究,為執(zhí)行上級機構賦予的各項使命任務提供信息化支撐。海外基地是一種典型的軍事要地,本文以其為樣板,針對該類型要地多方向、多領域和多樣化使命任務,提出一種基于MBSE的面向要地信息系統(tǒng)建設需求的論證方法,初步解決了要地信息系統(tǒng)總體設計過程中存在的規(guī)范化不足，自動化程度低，智能化干預少，不同領域關聯(lián)化弱，通用化不強等問題。

1 需求論證方法研究面臨的主要問題

1.1 規(guī)范化方面

目前,國外已把基于模型的系統(tǒng)工程等設計方法少量應用到了航空和航天等小型信息系統(tǒng)的設計領域,并獲得了成功,對于大型信息系統(tǒng)設計,目前研究不夠深入;而國內對于此類研究處于起步階段,尚未成體系構建成熟的標準化和數字化設計流程及設計方法,相關規(guī)范化研究仍不充分。

1.2 自動化方面

目前,各類軍用信息系統(tǒng)總體設計在一定程度上仍嚴重依賴人工處理、計算、分析和干預,自動化程度不足。在進行信息系統(tǒng)總體設計時,信息系統(tǒng)中各要素(如系統(tǒng)/設備組成、功能性能指標、使用要求,諸如地形地貌、建筑、海底地形等戰(zhàn)場物理要素,以及操作人員與系統(tǒng)/設備的人機交互要素等)無法完全實現格式化輸入和自動化輸出。

1.3 智能化方面

目前,各類軍用信息系統(tǒng)總體設計較少利用人工智能算法,未實現設計過程智能化擇優(yōu)、智能化干預等。

1.4 關聯(lián)化方面

目前,各類軍用信息系統(tǒng)總體設計中的各分項設計通常獨立進行，背向開展,橫向鉸鏈弱，關聯(lián)程度低,未實現聯(lián)動式優(yōu)化。對某類設計中某些要素進行的調整、優(yōu)化、更新無法及時傳遞至其他相關聯(lián)的設計,導致相關要素變更時,形成的新設計結果只在局部得到優(yōu)化,而裝備的總體性能可能變差。

1.5 模塊化方面

目前,針對各類軍用信息系統(tǒng)總體設計,未構建統(tǒng)一、可裁剪、可移植的數字化基礎模型,各類總體設計中使用的模型不統(tǒng)一，模塊化較弱，通用化不強,在多項總體設計中搭建設計模型難以避免冗余的重復工作。

針對上述問題,亟須開展相關信息系統(tǒng)建設需求的規(guī)范化、自動化、智能化、關聯(lián)化、模塊化等方面的研究,形成信息系統(tǒng)建設需求的論證方法,指導和輔助要地信息系統(tǒng)頂層設計。

2 信息系統(tǒng)建設需求論證方法

面向要地信息系統(tǒng)建設需求頂層設計,探索結合基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)方法論,開展軍事需求驗證、系統(tǒng)設計驗證和人機交互驗證三輪驗證。同時,針對三輪驗證涉及的總體設計要素、效能評估及設計過程中的人機交互進行研究。

通過三輪驗證建設需求,減少了需求變更率,提升了系統(tǒng)集成設計質量,從人機交互方面優(yōu)化了指揮控制等裝備操作使用人員對系統(tǒng)和裝備的使用效能。本文采用多設計同步循環(huán)、迭代式優(yōu)化的方式獲取最優(yōu)設計輸出,通過三輪驗證形成三張視圖。論證過程如圖1所示。

圖1 信息系統(tǒng)建設需求論證過程示意圖

設計工具方面,第一輪軍事需求驗證階段可采用美國國防部體系結構框架(Department of Defense Architecture Framework,DoDAF)設計推演工具,概念建?？刹捎孟到y(tǒng)建模語言(Systems Modeling Language,SysML);第二輪系統(tǒng)設計驗證和第三輪人機交互驗證階段可采用集成仿真工具平臺,各類建模可采用SysML等語言。

3 信息系統(tǒng)建設需求論證方法研究內容

利用MBSE標準化語言等工具,將MBSE方法論貫穿到三輪驗證全流程中,在論證、研制、建設和維護的全周期內實現設計過程的規(guī)范化;利用MBSE標準化語言等工具進行建模,將系統(tǒng)輸入和輸出要素數字化和模型化,減少設計人員繁瑣的重復性工作,實現設計過程的自動化;利用MBSE標準化語言等工具整合多領域、多學科,構建通用的可裁剪、可移植數字化模型,實現設計過程的模塊化;三輪驗證過程中,各分項設計同步展開、迭代優(yōu)化,通過MBSE數字化和模型化方法,過程中任何要素的修改能實時傳遞至設計中的每個環(huán)節(jié),解決各分項設計獨立進行、背向開展,橫向鉸鏈弱、關聯(lián)程度低的問題,實現設計過程的關聯(lián)化;優(yōu)選各類智能算法,合理和高效地評估系統(tǒng)設計結果與使用需求的符合度,同時,在設計過程中運用智能運算提出參數建議、方案優(yōu)選建議等供設計人員參考,通過逐步迭代、人機交互等提取最優(yōu)性能指標,實現設計過程的智能化。具體研究內容如下。

3.1 軍事需求驗證研究

3.1.1 研究內容

軍事需求驗證從上級機構賦予要地的使命任務出發(fā)分兩層建模。第一層通過使命任務層(戰(zhàn)役層)建模驗證使命任務滿足度;第二層通過作戰(zhàn)活動層(戰(zhàn)術層)建模驗證任務行動滿足度。

從戰(zhàn)役層選取典型作戰(zhàn)行動任務,結合要地人員編配、政策法規(guī)、國際環(huán)境、自然條件等要素,按時間拆解為不同作戰(zhàn)活動,從每項作戰(zhàn)活動分別抽取能力需求要素,對同類要素進行歸并組合,形成對應該項作戰(zhàn)行動任務的總能力需求,作為第一輪設計輸出。將總能力需求設計輸出與作戰(zhàn)行動任務進行匹配,若滿足要求,設計結束并輸出設計結果;若不滿足要求,修改相應要素進行迭代,直到匹配為止。軍事需求驗證流程如圖2所示。

圖2 軍事需求驗證流程示意圖

3.1.2 研究要點

在戰(zhàn)役層,應根據上級機構賦予要地的使命任務,結合我軍/外軍相同或相似任務,提出典型作戰(zhàn)行動任務(如人道主義救援等),任務模型實時入庫,在設計過程中持續(xù)更新和完善。

在戰(zhàn)術層,應根據戰(zhàn)役層提出的典型作戰(zhàn)行動任務,按照作戰(zhàn)時序和作戰(zhàn)類型進行作戰(zhàn)活動(包括通信保障、氣象環(huán)境感知、人員輸送、物資投遞等)建模,作戰(zhàn)活動模型實時入庫,在設計過程中持續(xù)更新和完善。

3.1.3 研究成果

軍事需求驗證研究提出要地信息系統(tǒng)對應系統(tǒng)整體設計應具備的功能、性能指標要求等,形成軍事需求一張圖。

3.2 系統(tǒng)設計驗證研究

3.2.1 研究內容

系統(tǒng)設計驗證從軍事需求驗證設計得出的“能力需求”輸出結果出發(fā),按照要素建模、效能評估和匹配性分析三個步驟驗證軍事需求分析結果的正確性和符合性。

1)要素建模

要素建模包括裝備建模、戰(zhàn)場建模、算法建模。

①裝備建模。從“能力需求”輸出結果中抽取裝備要素,對于裝備模型庫中已有的、能夠與裝備要素匹配的裝備模型,可直接使用;對于裝備模型庫中無法匹配的裝備要素,進行建模并入庫(后期可作為裝備改進和研制的建議)。

②戰(zhàn)場建模。抽取與系統(tǒng)能力息息相關的各類非軍事要素進行建模,包括設備部署區(qū)域地形地貌、建筑和設施分布情況,周邊環(huán)境,社情民情等。此類模型可分為兩部分:a)要地特有部分,需針對各要地單獨建模;b)通用部分,針對各要地共用部分建模。

③算法建模。包括各類可對系統(tǒng)使用效能進行量化評估的算法/軟件。如電磁兼容性分析軟件,可對通信保障和氣象水文環(huán)境監(jiān)測等用頻裝備選型及布置進行電磁兼容性測算,評估電磁兼容性影響和風險;各型能力評估軟件,例如通信保障能力評估軟件,可對要地部署的通信裝備進行效能評估等。

2)效能評估

效能評估是基于模型的裝備要素、戰(zhàn)場要素,采用各類分析軟件,綜合測算要地信息系統(tǒng)在通信保障、氣象環(huán)境感知、綜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評估的結果,與軍事需求驗證提出的作戰(zhàn)行動任務進行匹配,視匹配情況修改軍事需求驗證得出的模型要素,迭代計算直至匹配為止,輸出最終設計結果。

系統(tǒng)設計驗證流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設計驗證流程示意圖

3.2.2 研究要點

要素建模方面。對于裝備建模,前期設計應根據“能力需求”輸出結果中抽取的裝備要素,檢索比對現役或在建、在研裝備,建模并入庫,豐富模型數據庫;對于暫無現役、在建或在研裝備能夠與之匹配的裝備要素,應提出研制建議,同步建模并入庫。對于戰(zhàn)場建模,針對特定要地單獨設計專用要素,同時抽取通用要素,設計統(tǒng)一框架并入庫,作為后續(xù)要地信息系統(tǒng)建設頂層設計的依據。對于算法建模,可充分利用已建大型信息系統(tǒng)既有技術成果,將分析計算過程程序化和軟件化,并預留后續(xù)擴展能力。

效能評估方面,應充分考慮除相關裝備和使用人員外所有影響裝備作戰(zhàn)能力形成的非裝備要素,全面涵蓋要地電磁兼容要素、氣象水文要素、地形地勢要素,以及通信保障、氣象環(huán)境感知等各功能領域,并進行模型化和軟件化,作為效能評估的依據。

匹配分析方面,應研究提出合理的匹配性指標要求和驗證手段,能夠合理、有效地評估系統(tǒng)設計結果與用戶使用需求的符合度。

3.2.3 研究成果

系統(tǒng)設計驗證輸出要地信息系統(tǒng)建設需求對應的裝備具體形態(tài)(包括現役、在建或在研裝備型號、新研或改進裝備功能和性能指標建議等)、裝備部署要素(包括部署時機、位置、高度、深度、方位等)和裝備使用限制要求等(包括頻域控制、時域控制、空域控制、能域控制、人工干預等),形成系統(tǒng)設計一張圖。

3.3 人機交互驗證研究

3.3.1 研究內容

該研究按時間排列“作戰(zhàn)活動”,從“裝備要素”中抽取每個時序作戰(zhàn)活動對應的系統(tǒng)/裝備形成裝備要素集合。以作戰(zhàn)活動為縱軸、裝備要素為橫軸,形成人機交互矩陣,每個陣元根據作戰(zhàn)活動對裝備和人員的要求對應填入相應的作戰(zhàn)人員要素(人員)、信息要素(信息)和人機交互要素(關系),即人機交互陣元三要素,如圖4所示。

圖4 人機交互矩陣

使用系統(tǒng)設計驗證階段輸出的裝備要素集;根據要地人員編制和組成,按照面向作戰(zhàn)活動、面向系統(tǒng)/裝備、面向信息流等不同維度生成人員要素集;從作戰(zhàn)活動出發(fā),著眼人員要素與裝備要素的交互關系,抽取交互信息要素建模,描述人員要素與信息要素之間的互動關系。

按照作戰(zhàn)時序,首先從裝備要素集中抽取與作戰(zhàn)活動相關的系統(tǒng)裝備型號,從人員要素集中選取與系統(tǒng)裝備對應的人員要素,按照人員對系統(tǒng)裝備的操作要求,形成與對應的信息關系。確定人員要素后,將各類人員要素進行組合,生成對指揮控制、通信保障等各類人員的需求(包括數量要求、資質要求、操作要求、保密要求等)。對作戰(zhàn)活動,,…,,重復以上步驟,確定人機交互矩陣各陣元要素。人機交互驗證流程具體如圖5所示。

圖5 人機交互驗證流程示意圖

3.3.2 研究要點

對于要素建模中的人員要素建模,要素諸元應對齊裝備操作和信息流,做到活動和信息一一對應,不遺漏作戰(zhàn)過程中任何對人員的需求因素;信息要素建模方面,作為裝備要素和人員要素之間的橋梁,涉及何種裝備和何種人員,則相應具備何種信息要素支撐。

對于作戰(zhàn)活動涉及的作戰(zhàn)時序,分解作戰(zhàn)活動時應盡可能確保每項作戰(zhàn)活動在時間上無交疊。

3.3.3 研究成果

人機交互驗證研究以軍事需求驗證“作戰(zhàn)活動”輸出和系統(tǒng)設計驗證“裝備要素”輸出為輸入,結合要地兵力編成、操作人員使命等,按照時間輸出人員與系統(tǒng)/裝備間的信息交互、操作關系等,形成人機交互一張圖，可指導和輔助系統(tǒng)使用部隊根據人機交互要求生成系統(tǒng)使用人員編制。

3.4 總體設計要素研究

針對要地信息系統(tǒng)總體設計任務,構建涵蓋電磁兼容要素、指揮控制要素、通信保障要素、水文氣象感知要素、要地防衛(wèi)要素等在內的信息系統(tǒng)總體設計要素。

3.4.1 通用基礎信息要素研究

從總體設計要素中抽取通用元素形成通用元素集,主要包括要地內部及周邊區(qū)域地理信息、時空基準信息、高程信息、水文信息、民用領域/涉外領域相關基礎信息等。

設計統(tǒng)一框架,利用通用元素集搭建通用基礎信息模型基底,形成原型系統(tǒng)。對于現階段未考慮但后續(xù)可能需要進行擴展的通用元素,應采用模塊化設計,使之在原型系統(tǒng)基礎上可進行插件擴展更新。

3.4.2 專用裝備信息要素研究

針對電磁兼容性、場地環(huán)境建設優(yōu)化布局設計等專項設計任務,研究專用裝備信息要素,主要包括與裝備戰(zhàn)技性能指標相關的各類專用模型。

1)從不同專項設計要素中抽取除通用元素外的其他元素形成專用元素集,諸如具備收發(fā)功能的天線等的電磁輻射模型,要地防衛(wèi)設備的空間作用范圍和射擊角模型,氣象雷達等感知設備的探測角模型、探測高度和距離模型等,專項領域設計效能評估模型等。

2)對于現階段未考慮,但后續(xù)有可能需要擴展的專用元素,應采用模塊化設計,使之在原型系統(tǒng)基礎上可進行插件擴展更新。

3)專用元素集成至原型系統(tǒng)的接口設計應遵循總體框架的規(guī)定。

3.4.3 功能域輔助設計研究

圍繞電磁兼容性、氣象感知設備視界、場地環(huán)境建設優(yōu)化布局等信息系統(tǒng)總體設計任務,開展各功能分域輔助設計研究,以用法研究牽引總體頂層設計。如對于電磁兼容性輔助設計研究,以某大型信息系統(tǒng)建設中電磁兼容性分析設計為基礎,針對特定要地特殊情況,以體系化、模型化、集成化方式搭建要地電磁兼容性分析統(tǒng)一框架,具備擴展性,能夠根據各要地具體情況進行剪裁適應和升級。

3.4.4 接口與規(guī)范要素研究

其包括通用領域標準規(guī)范和專用領域標準規(guī)范研究，開展圖形、表格、數據、方案等格式的統(tǒng)一設計,規(guī)范相關接口,確保系統(tǒng)通用性、可擴展性的達成。

3.5 效能評估研究

研究提出合理的匹配性指標要求和驗證手段,能夠合理、有效地評估系統(tǒng)設計結果與使用需求的符合度。

3.5.1 設計優(yōu)化

設計過程中,可根據設定的分域計算規(guī)則等,智能化提出參數建議、方案優(yōu)選等,供設計人員參考,通過逐步迭代實現分域性能指標最優(yōu)化。在開展某分域設計時,聯(lián)動進行相關聯(lián)分域設計的動態(tài)計算和比對,通過設定的全域計算規(guī)則實現全域性能指標最優(yōu)化(此時各分域性能指標可能無法全部實現最優(yōu))。

3.5.2 比對分析

其能夠對不同設計場景要素進行存儲、調閱和比對,以表格、圖形、動畫、音頻等形式給出直觀的比對結果；能夠提供全域比對結果和分域比對結果等,供技術人員參考。

3.5.3 符合度評估

完成各分域設計后,可進行信息系統(tǒng)戰(zhàn)技指標符合度評估,給出評估結果以及與設計任務要求符合度的判斷。鑒于人機交互驗證階段設計輸出“人機交互一張圖”與使用人員密切相關,可在結果驗證評價準則中適當加入使用人員對設計結果的主觀評價指標。

3.5.4 體系化升級

其能夠根據我軍在相關領域的技術發(fā)展情況以及對外體系化對抗提出的新要求,基于已有信息系統(tǒng)進行動態(tài)評估,智能化地給出要地信息系統(tǒng)體系化升級的發(fā)展方向和調整建議。針對新質領域的系統(tǒng)體系化擴展升級需求,開展通用基礎信息要素升級，專用裝備信息要素升級，接口與規(guī)范要素補充設計等研究。

3.6 設計過程中的人機交互

1)建模應充分考慮人機交互,突出技術人員在建模和設計過程中的干預作用。

2)人員要素、裝備要素、信息要素應能進行可視化展示,能夠采用使用人員易理解的方式,可視化地、時序地展示人員對裝備操作過程、人員與裝備的信息交互過程(內容和方式)、裝備輸出/輸入信息流程、裝備作用過程，時序地串聯(lián)整個作戰(zhàn)流程。

3)設計過程、驗證過程、結果展示應可視化,便于系統(tǒng)設計方與系統(tǒng)使用方充分交互。

4)研究智能演示驗證系統(tǒng),能夠以智能化方式進行設計成果展示?？烧故拘畔⑾到y(tǒng)各項戰(zhàn)技指標的達成度;可對各分域設計成果進行演示驗證,以表格、音頻、圖像和動畫等多種形式展示設計結果的有效性;遠期演示驗證系統(tǒng)應具備預先研判能力,可針對信息系統(tǒng)存在的不足,智能化地提出相關裝備發(fā)展意見和建議,輔助頂層設計人員開展中長期信息系統(tǒng)規(guī)劃、研究和設計。

4 結束語

本文以典型要地為例,針對要地任務需求,提出了一種基于MBSE的面向要地信息系統(tǒng)建設需求的論證方法,按照軍事需求驗證、系統(tǒng)設計驗證、人機交互驗證三輪驗證方式檢驗軍事需求與要地信息系統(tǒng)設計的匹配度。通過三輪驗證形成三張視圖,采用多設計同步循環(huán)、迭代式優(yōu)化的方式獲取最優(yōu)設計輸出,能夠高效地指導和輔助科研人員開展較大規(guī)模軍事信息系統(tǒng)的研發(fā)和設計工作,在源頭方面可減少軍事需求變更率，在設計結果方面可提升信息系統(tǒng)設計質量，在裝備使用方面可優(yōu)化裝備使用人員對裝備的使用效能。