武器裝備體系設計過程框架及步驟分析_風聞

一武器裝備體系設計過程框架

武器裝備體系設計要能夠緊密圍繞作戰任務和能力需求，真正貫徹和落實體系頂層設計，以優化功能、性能配置，合理分配資源，實現武器裝備體系高效設計。這就要求首先需要建立一套科學的頂層設計方法，能夠為從事武器裝備體現設計研製的相關設計人員、工程技術人員、開發人員提供一致的設計理念、設計原則、設計流程、設計要求等方面的指導，使武器裝備體系設計過程中從“需求層次分解”到“設計開發過程中所有階段反覆迭代”再到“將分散的成員集成於一個比各成員總和更大的、費效比更好的體系整體中”。為體系工程原理的順利實施提供一套統一的設計框架。

武器裝備體系設計的輸入是需求分析的結果，在武器裝備體系需求分析中，將需求分析活動分為三類：任務需求分析、能力需求分析和體系化裝備需求分析。通過需求空間，將國家安全戰略、未來威脅形勢估計、信息化條件下的體系對抗的作戰概念、軍隊使命與建設方略以及國家經濟情況等武器裝備體系需求作為輸入，轉化成武器裝備體系總體功能、戰技指標、體系組成、體系結構、技術和保障等多方面的體系需求方案，成為武器裝備體系頂層設計的輸入。

通過對武器裝備體系的領域特點分析，結合武器裝備技術體系的發展，圍繞武器裝備的頂層設計和綜合集成，在吸收、借鑑結構化設計、面向對象設計和麪向系統設計等思想和方法的基礎上，提出了武器裝備體系一體化設計方法(WeaponSoSIntegratedDesignMethod，簡稱WSIDM方法)。

WSIDM方法從武器裝備體系頂層設計的角度，對武器裝備體系設計過程中的設計活動進行規劃和定義，以任務能力包為存在形式進行頂層設計流程，能夠指導體系設計人員順其自然地完成自頂向下的功能分配、戰技指標分解、組成成員配置設計、以及體系流程的快速構建等，實現武器裝備體系面向任務－能力的綜合設計，達到提高設計效率、保證設計質量、發揮體系綜合優勢的目的。WSIDM方法的指導原則為：

1）以作戰任務為主線開展體系頂層設計，使分析設計的武器裝備體系功能組成、性能分配、成員配置和作戰實施流程能夠以任務能力包的形式進行組織。

2）體現基於能力的設計思想，進而使自頂向下的功能分解與能力(性能)指標的分解同步進行，能夠清晰建立高層使命－作戰任務、總體能力－系統性能的逐級分層關係。

3）作戰流程設計作為體系頂層設計的重要內容，通過設計可提出武器裝備體系作戰流程模型，各體系組成成員能能夠圍繞作戰流程實施有機協同，高效實現體系對抗作戰。

4）支持實現武器裝備體系的優化配置，體系功能分解和指標分配應落實到各個具體的組成成員，通過自頂向下的設計，能夠明確提出對各成員的具體設計要求，指導完成成員的設計與開發以及以成員為單位的體系綜合集成與靈活配置。

5）將武器裝備需求分析、頂層設計、綜合集成的全過程有機地結合起來，體系頂層設計過程的各個環節能夠順其自然完成過渡，支持迭代並具備良好的可追溯性。

WSIDM方法的基本思路是：緊密圍繞體系需求開展頂層設計，以作戰任務為主線，以能力為中心完成作戰流程分析和構建；根據體系任務－能力開展相應的體系組成成員功能和性能配置，並通過不斷的迭代和優化加以完善；並以組成成員為單位開展流程設計，確定組成系統之間的接口，根據接口開展體系信息模型設計；在綜合多任務－能力剖面下的體系作戰使用流程的基礎上，開展體系配置設計，最終完成目標體系的部署和集成裝配，形成能夠完成既定作戰任務，達到預期作戰能力的武器裝備體系。WSIDM方法框架如圖1所示。體系設計包含了分析提取體系作戰活動、定義體系作戰流程、體系結構設計與配置設計、提取體系成員作戰活動、裝備系統設計、體系運行控制模型生成和體系配置設計等7個設計環節，覆蓋了從作戰需求到體系部署設計的一體化全過程。

在WSIDM方法設計階段，首先根據體系需求分析階段建立需求方案；根據可能的作戰樣式，分析出不同任務下的體系作戰活動及要求；進一步細化提取體系級功能和相應的能力要求；然後針對各任務及其能力分析定義相應體系對抗的作戰流程，根據體系作戰流程開展體系配置設計；確定武器裝備體系的組成成員節點，對其進行功能分配和能力(性能)配置，從體系運行的角度分析提取體系各個組成成員的作戰活動和要求。以上過程需要多次迭代和綜合，在綜合考慮體系組成及相應能力要求的基礎上，結合現有可用裝備的能力，進行裝備體系設計，最終確定其功能、性能以及接口等。以作戰任務為剖面，根據該任務下的體系作戰流程，設計並生產體系運行控制模型，為目標體系的運行、調度、控制提供依據。部署設計主要是參照體系配置設計和裝備系統設計的結果，根據成員節點之間的物理特性完成對各個系統的部署，形成目標體系綜合集成所需的部署方案。

圖1 WSIDM方法導圖

WSIDM有效地支持了需求驅動(面向任務)、效能優先(基於能力)、統籌規劃、遞階分解(自頂向下的功能分解與能力分配)、體系構建(體系配置設計與裝備系統設計)和綜合集成(體系運行控制與部署設計)的一體化設計過程。該設計方法有效地支持各級體系設計人員規範、快捷的設計工作，簡化設計過程、縮短設計週期，並最大限度地利用設計資源以達到高質、高效的目的。WSIDM具有以下特點：

1）以任務能力包為主要形式進行設計，WSIDM方法強調將體系整體需求劃分為多個任務能力包，在確定的任務能力包範圍內進行體系設計後，再在此基礎上進行綜合集成設計，這樣能夠容易實現體系設計過程的優化與控制，同時為基於任務能力包的設計和集成提供了具體的方法指導和手段支持；

2）在進行武器裝備體系頂層設計向下分解的過程中繼續進行能力的分配，將體系自頂向下的功能分解與能力(性能)分配相結合起來，強調了能力主線和效能優先的原則；

3）全面支持體系結構設計與配置設計，WSIDM提供了從體系整體功能到體系組成組件、體系結構之間的映射關係指導，使得體系整體功能分析和體系組成成員的設計緊密結合，有效提高體系結構設計效率；

4）WSIDM強調流程貫穿，將體系作戰流程和運行控制模型作為體系設計的重要環節，為武器裝備體系的集成提供基礎。

二武器裝備體系設計步驟分析

WSIDM方法框架包含了分析提取體系作戰活動、定義體系作戰流程、提取體系成員作戰活動、體系結構設計與配置設計、裝備系統設計、體系運行控制模型生成和體系配置設計等7個設計環節，它們共同支撐了武器裝備體系的整體設計。

1）分析提取體系作戰活動環節

a）描述

根據體系需求過程中的作戰樣式分析提取體系作戰活動環節，提取出體系作戰活動，進行定義和描述。體系作戰活動可以逐層分解，形成子作戰活動。分解的依據是作戰活動的執行流程，作戰活動的分解粒度的原則是該項作戰活動能夠綜合反映某一系統級的功能。同時，還要根據任務的描述(期望的作戰效果)解析出對各作戰活動達到能力或完成效果的要求，以便能夠提取出系統級功能所對應的系統能力要求，建立起體系作戰活動(含執行能力或效果要求)、系統級功能(含系統級能力或性能要求)的映射關係，為逐層向下的系統功能分解和流程設計提供依據。

作戰活動的提取與分解過程是個迭代反覆的過程，可能需要幾次的迭代，逐步求精，即使在一個迭代過程中作戰流程設計和活動分解設計也可能交叉進行。這也是WSIDM方法的特點，即支持迭代開發。

b）與其它環節關係

分析提取體系作戰活動環節與其它環節關係如圖2所示。

圖2 分析提取體系作戰活動環節與其它環節關係

分析提取體系作戰活動環節輸入為具體作戰樣式下的作戰流程。

分析提取體系作戰活動環節輸出為體系組成系統的功能及其能力要求。

c）工作過程

分析提取體系作戰活動環節的工作過程如圖3所示。

圖3 分析提取作戰活動環節的工作過程

體系作戰樣式下的作戰流程採用流程圖描述，體系作戰活動的分解情況採用活動分解圖描述，可以較清楚的表示體系作戰活動層次關係。分解作戰活動的同時，還要把功能和能力要求一步步分解，這是作戰活動對系統功能的約束。

2）定義體系作戰流程環節

a）描述

根據體系作戰活動及作戰樣式分析定義體系的作戰流程，將作戰活動落實到具體的體系成員中，並要求將功能和能力要求分配到相關成員。

b）與其它環節關係

分析定義體系作戰流程環節與其它環節關係如4所示。

圖4 定義體系作戰流程環節與其它環節關係

分析定義體系作戰流程的輸入是來自分析提取體系作戰活動環節的作戰活動(含執行效果要求)、系統級功能(含系統級能力要求)。定義體系作戰流程的結果包括體系組成系統活動、體系作戰流程、系統功能及能力要求等，供體系結構設計與配置設計、分析提取體系成員系統活動所使用。

c）工作過程

在分析提取體系作戰活動過程中，已經將體系作戰實施細分為若干作戰活動，此時要求按照作戰樣式將作戰活動之間的邏輯時序關係進行清晰地描述。與作戰需求分析階段的作戰樣式分析不同，在體系設計階段，分析設計的視角從體系外部轉換到體系的內部。在針對一個作戰活動(或系統級功能)進行分析過程中，從體系內部流程運行與操作控制的角度，根據體系功能、能力要求以及經驗知識，結合組成體系的裝備體系實際情況，分析確定體系內部的作戰流程。

3）提取體系成員作戰活動環節

a）描述

提取體系成員作戰活動是根據定義體系作戰流程以及初步的體系組成員，從體系運行控制的角度分析提取成員系統需要實施的具體作戰活動及操作控制要求，形成各個任務下的成員流程與活動要求。

b）與其它環節關係

提取體系成員作戰活動環節與其它環節關係如圖5所示。

提取體系成員作戰活動環節的輸入是來自定義的體系作戰流程。分析提取體系成員作戰活動環節的結果包括各個任務以及成員的具體實施流程和操控實施的操控活動，它是通過綜合各個任務的作戰活動形成的各個成員的作戰活動和操作控制活動，同時描述這些活動之間的關係。

圖5 提取體系成員作戰活動環節與其它環節關係

c）工作過程

通過分析系統的操控流程，分析系統內部的活動序列，獲取在該任務下的功能模塊。採用相同方法，通過分析功能模塊之間的業務流程等手段，可以對已經獲取的功能模塊再進一步進行劃分，形成功能分解樹，如圖6所示。

圖6 提取體系成員作戰活動的工作過程

4）體系結構設計與配置設計環節

a）簡述

體系結構設計與配置設計環節根據體系作戰流程分析及其功能能力要求的結果提取確定體系成員，並設計其體系結構，描述各成員節點交互與協作關係，確定體系成員的具體配置要求。

b）與其它環節關係

體系結構設計與配置設計環節與其它環節關係如7所示。

圖7 體系結構與配置設計環節與其它環節關係

體系結構設計與配置設計環節輸入為各個任務下的裝備組成、各個任務下的體系作戰流程、功能性能要求和成員的作戰活動等。

體系結構設計與配置設計環節輸出為組成武器裝備體系成員節點、武器裝備體系的體系結構、體系成員功能性能與具體配置要求等。

c）工作過程

體系結構設計與配置設計環節的工作過程如圖8所示。

圖8 體系結構設計與配置設計環節

體系結構設計與配置設計是武器裝備體系頂層設計的核心環節，它決定了武器裝備體系成員、體系結構和交互協作關係等。在體系結構設計與配置設計過程中，首先需要將各個任務能力包的活動、功能、流程等進行綜合，通過資源集成、信息集成、功能集成以及過程集成，基於初步給出的武器裝備體系組成關係，將武器裝備體系的活動全集、功能全集等按照能力實現要求優化配置到各個成員中，並且要考慮功能集合與作戰任務的流程關係，構建武器裝備體系整體和諧的體系結構模型。與此同時還需要考慮武器裝備體系的演化性和湧現性的要求。判定體系結構設計與配置設計結束的原則是：武器裝備體系成員的活動集合、功能集合得到了完全覆蓋，並且各個任務流程能夠支持該作戰任務的實施，同時任務的能力或作戰效果得到滿足。武器裝備體系的組成基本能夠反映體系的物理組成結構。

以上設計過程對設計人員的設計經驗有着較高要求，其不僅應參考以往武器裝備體系的體系結構、物理結構形式，還應充分考慮新技術體系下武器裝備發展要求，體系結構設計與配置設計需要通過迭代求精才能逐步完善。

5）裝備系統設計環節

a）描述

裝備系統設計的目的是從體系功能和性能要求中提取構成體系的各實體成員(稱之為組成體系的裝備系統)，通過該環節可明確各裝備系統的功能、性能、接口以及成員間的交互關係等。

b）與其它環節關係

裝備系統設計環節與其它環節關係如圖9所示。

圖9 系統組件化環節與其它環節關係

裝備系統設計環節輸入為各任務下以及成員活動與流程、各個裝備系統的功能和性能要求等。

裝備系統設計輸出為裝備系統功能性能要求、裝備系統間的接口與交互流程、裝備系統數量和部署要求等。

c）工作過程

在對作戰系統進行功能分解後，利用分解樹、事件流圖、信息流圖等手段，從動態和靜態兩個方面刻畫了系統的結構和功能。系統組件化主要根據這些信息，通過組件提取、組件描述、消息信息設計、提取消息約束條件等步驟完成組件化設計。工作過程圖如圖10所示。

圖10 裝備系統設計環節工作過程

（1）裝備系統提取

裝備系統提取過程是一個功能與系統的映射與重組的過程。裝備系統提取是對體系功能進行綜合並配置到具體裝備中。在進行功能分解過程中，對那些處於統一業務流程、耦合度較高的功能進行合併，或對於不同任務流程中，將相同的功能進行合併，形成具體的裝備系統。

（2）裝備系統描述

裝備系統描述主要對其外部條件和內部功能接口進行描述，經過裝備系統接口描述、功能描述的裝備系統稱之為目標系統，即只有裝備系統的藍圖，而沒有裝備系統實現的實體。在獲取系統功能性能過程中，都需要提供模型圖來表現系統的運作過程。用事件流程圖、數據流程圖、時序圖等方式來表現系統的業務過程和動態行為。可用領域功能分解樹、網絡關係圖來表現系統的靜態模型。

（3）裝備系統之間的流程設計

裝備系統之間通過交互構成體系，裝備系統之間的流程表現形式是消息和信息的交互關係。其中，消息代表控制命令，信息是體系中傳遞的數據。在該階段主要完成的工作包括：

定義消息

將前面設計中所獲取的關於事件的接口轉化為消息。主要描述消息的格式、定義消息的前置狀態條件、觸發系統狀態等。

定義信息

根據各裝備系統功能要求，對系統接口的信息格式、特性（更新頻率、時效性等）進行詳細描述，並綜合分析各系統相似信息接口的差異，對信息類型、信息格式進行優化，能夠以信息為中心，描述系統間的信息交互關係。

（4）系統之間流程設計與操作控制約束條件提取

裝備系統間流程設計目的是分析某一任務下裝備之間的活動執行流程，並獲取執行規則。在完成裝備系統提取的工作後，依據某任務下的功能關係流程圖，提取其中的消息便能得到粗略的操作控制流程圖，該圖可作為該任務下系統之間流程設計的原始依據。系統設計人員根據業務需求，可以通過對控制消息的增加或修改，描述為完成該任務所需的各裝備系統間的調用邏輯。

操作控制約束條件的提取過程實際就是系統之間運行狀態的分析、提取和定義過程，反映了系統之間運行過程中的調度控制邏輯，系統運行控制模型的生成將依賴於這些設計信息。

6）體系運行控制模型生成環節

a）描述

體系運行控制模型是體系的動態執行模型，描述了體系運行時成員系統之間的交互規則，約束了成員系統在操作控制條件下的動態行為，是體系正常運行完成作戰任務的的根據和保障。

b）與其它環節關係

體系運行控制模型生成環節與其它環節關係如圖11所示。

圖11 運行控制模型生成與其它環節關係

體系運行控制模型生成的前提是體系中消息和接口的對應關係。這種關係包括前置條件和後置條件，前置條件是指消息轉發前需滿足的一種狀態邏輯組合，後置條件是指消息發送後將產生的狀態。這種對應關係來源於兩個方面，一是裝備系統設計環節得到的交互流程與指定消息的對應關係；二是操作控制設計環節得到的操控交互過程中的相關消息和狀態對應關係。以上信息的綜合，可以導出裝備系統的消息狀態對應表以便進行解析，實現體系運行流程的控制。

c）工作過程

體系運行控制模型生成的工作過程如圖12所示。

圖12 體系運行控制模型生成的工作過程

體系運行控制模型主要由消息－－狀態表來描述。消息狀態表記錄了消息和狀態的對應關係，描述了每條消息的前置狀態組合和後置狀態，在結構上可以採用流程圖模型來進一步描述。

7）體系部署設計環節

a）簡述

體系部署設計環節主要完成武器裝備目標體系部署方案的設計。目標體系是由分佈式的裝備系統組成，合理的部署方案能夠保證目標體系穩定、高效地運行。

b）與其它環節關係

體系部署設計環節與其它環節關係如13所示。

圖13 部署設計環節與其它環節關係

體系部署設計環節是將裝備系統按一定的方案和策略進行部署。部署設計還要按一定的風險指標、可靠性指標等對部署方案進行調整。部署設計的前置條件是先要完成體系結構設計與配置設計環節，得到目標體系的組成；完成裝備系統設計環節，得到目標體系所用到的所有裝備系統，以上作為部署設計的輸入。

c）工作過程

根據體系結構設計與配置設計環節得到的體系成員組成和數量，進行體系成員的部署，根據作戰流程和操作控制要求進行裝備體系的部署設計，部署設計環節可以將某些成員部署在其他成員上，同時考慮風險和可靠性問題，這是個反覆迭代逐步細化的過程。

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