基于“分解-识别-聚合”的装备体系标准需求分析方法

2022-10-14 03:05李恒宇王暖臣王孜丹

兵器装备工程学报 2022年9期

李恒宇，王暖臣，穆歌，王孜丹

(军事科学院系统工程研究院，北京 100141)

1 引言

标准化是现代化的重要标志，涉及科技、服务、贸易、生活、社会管理、生产活动以及军事等各个领域。标准化原理在军事领域的应用被称作军用标准化，武器装备是军用标准化的一个重要研究对象。

我国武器装备标准化工作发展至今，形成了以“通用化、系列化、组合化”为基础的一系列标准，国内一些专家在这一基础上，对武器装备型号标准化工作、标准体系框架构建、标准应用等问题进行了研究和探索，取得了有益的成果。例如：文献[4-6]对武器装备型号标准化工作方法进行研究，对如何发挥标准化在武器装备型号设计、制造、试验等过程中的作用给出意见建议；文献[7-9]对单一类型武器装备标准体系框架构建问题进行研究，提出应用于不同类型的武器装备标准体系结构；文献[10-12]对武器装备相关标准的具体应用问题进行研究，分析标准在应用中面临的现实困难，提出标准协调与应用的建议。国外一些研究机构对武器装备领域标准化的研究侧重在技术标准层面，文献[13]针对武器装备在电气安全方面的应用标准进行研究，给出安全标准应用要求；文献[14]对海上武器装备作战试验标准流程进行分析探索；文献[15]对武器装备作战控制软件的标准体系结构进行研究，明确标准在软件应用中如何发挥作用。通过对以上文献分析发现，武器装备领域标准化研究，在方法上，通常采用“后补型”标准研究模式，即产品或技术成熟后，归纳总结形成标准，再进行推广应用，而对于“前导型”标准研究模式，即针对新技术领域，如何准确把握该领域的标准需求，特别是采用正向设计模式，开展标准需求分析方法的研究，相对较少；在标准的应用对象上，主要是装备型号，或者单项技术及其产品，而以武器装备体系为对象的标准化研究，明显滞后于武器装备体系的发展，急需进行突破。

针对武器装备领域标准需求分析方法缺乏，以武器装备体系为对象的标准研究不足的现状，提出一种标准需求分析方法，为武器装备体系的标准需求分析研究提供有效支撑。

2 武器装备体系标准需求分析的基本概念和原理

2.1 基本概念

武器装备体系标准

GB/T 20000.1—2014《标准化工作指南》定义“标准”是为了在特定范围和领域之内取得最佳秩序，由各相关方协商一致制定，经由公认机构批准，可供共同使用和重复使用的规范性文件。武器装备体系标准，将这一“特定范围和领域”限定在武器装备体系及与之相关领域之内。

武器装备体系，是20世纪90年代以来产生的概念，目前尚未形成一个精确的定义或描述。总结国内外专家研究，结合体系的特点，对武器装备体系定义如下：“武器装备体系是在一定战略指导下，为完成特定任务，由功能上相互联系和作用的多种武器装备系统，按照一定的关系组合而成的有机整体”。通常认为，武器装备体系区分为面向全军的武器装备基本体系和面向特定作战任务的武器装备作战体系。其中武器装备基本体系主要指武器装备体制构成研究和武器装备发展规划工作过程中的研究对象，体系中各要素之间仅仅相互隶属，是一种静态的属性关联关系；武器装备作战体系的构成要素在一定的时间阶段内存在着紧密耦合的关系，并且会随着不同任务需求、技术发展和环境变化而出现新的耦合与交互关系，此类武器装备体系是本文中研究的主要对象。构成武器装备体系的武器装备系统，是由具有不同功能的武器装备型号，按照一定关系组合起来的。因此，武器装备体系可以抽象概括为武器装备型号和武器装备型号之间关系的集合，即“型号+关系”，并进一步认为，武器装备体系标准，由武器装备体系中型号标准和型号之间关系的标准构成，需要说明的是，由于体系的涌现性和演化性等特性所可能形成的标准，归为体系结构标准，在本文中不作讨论。武器装备型号标准是对武器装备型号全寿命周期不同阶段和状态所制定的标准，是武器装备型号研制、生产、使用等的基本依据，在理论研究和实践应用等方面都已较为成熟。本文中武器装备体系标准的研究对象，是武器装备体系中型号之间的关系标准，由于武器装备型号是指同一类武器装备实体，因此，将武器装备型号之间的关系标准进一步表述为武器装备实体之间的关系标准。

依据上述结论，在本文中，对武器装备体系标准概念的界定如下：武器装备体系标准，是在武器装备体系及其相关领域内，对武器装备实体之间的指挥、控制、侦察、通信等关系制定的标准，是武器装备体系建设和运用的基本依据。

武器装备体系标准需求分析

《现代汉语辞海》对“需求”的解释为：由需要而产生的要求。标准需求即“需要的标准”，武器装备体系标准需求，即在武器装备体系及其相关领域内需要的标准。根据标准化工作原理，制定标准首先要明确标准化对象，国家标准对标准化对象的定义为“需要标准化的对象”，这一定义较为笼统，通过对相关文献研究梳理，标准化对象可以理解为，在特定领域内，具有共同使用和重复使用特点的事物，这里的事物可以是抽象的事物，如方法、术语、关系等，也可以是具体的事物，如产品、零件、装备等。武器装备体系的标准化对象，是在武器装备体系中具有共同使用和重复使用特点的事物。

综上可知，标准需求分析，是在特定的领域和范围内，通过一定的方法分析得出所需要的标准，而标准是建立在标准化对象基础之上的。标准需求分析就是找出标准化对象的分析过程，找准标准化对象就找准了标准需求。因此，武器装备体系标准需求分析，是对武器装备体系的标准化对象进行识别的过程，其最终目的是制定服务于武器装备体系的标准，在识别出标准化对象后，需要对这些无序的标准化对象以一定的架构进行管理，便于后续标准的制定和标准体系的建设。

结合上文中有关武器装备体系标准的定义，武器装备体系标准需求分析，是采用一定的方法，对武器装备体系中涉及武器装备实体之间关系的标准化对象进行识别，并对标准化对象以一定架构进行管理，生成武器装备体系标准体系框架的过程。

2.2 基本原理

武器装备体系是由众多武器装备系统按照一定的体系架构组合而成的有机整体，其组分系统数量大、种类多，相互之间关系复杂，并且具有多种层次结构，是复杂巨系统。对这样一个复杂巨系统进行标准需求分析，需要建立在充分认识这个复杂巨系统的基础之上。对复杂巨系统的认知，分解是一种较为有效的基本方法手段。本文中武器装备体系标准需求分析的基本原理，就是先“分解”，再“识别”，最后进行“聚合”。先“分解”，就是将复杂的武器装备体系分解为容易被认知的各种实体与关系的组合；再“识别”，就是在分解的基础上，按照标准化对象的定义，从武器装备体系分解系统中识别出相应的标准化对象；最后进行“聚合”，就是对标准化对象按照一定的架构进行管理，聚合形成武器装备体系标准体系框架，如图1所示。

图1 武器装备体系标准需求分析过程示意图Fig.1 Principles of standard requirements analysis

武器装备体系标准需求分析基于以下3个基本原理：

分解原理

根据上文对武器装备体系的理解，武器装备体系可以抽象概括为“型号+关系”，其中型号是同一类型的武器装备实体，关系是武器装备实体之间的关联关系。分解的实质是将武器装备体系由复杂的、难以被认识的结构，解耦到简单的、能够达到标准化对象识别程度的结构。在进行分解时，首先明确武器装备体系的层级和实体类型，自上而下分解出武器装备实体，然后梳理出武器装备实体之间的各类关系。将分解后得到的由“实体”和“关系”构成的系统称作武器装备体系分解系统。

识别原理

武器装备体系分解系统中包含“实体”和“关系”，在本文中识别“关系”类标准化对象。标准化对象是具有重复使用和共同使用特点的事物，对“关系”类标准化对象进行识别，就是找出武器装备体系各类“关系”中，重复使用和共同使用的事物。为了在工程实践中提高标准化对象识别率，这里引入“标准化对象要素”的概念，定义标准化对象要素是对武器装备体系中某一具体关系所需规范的描述。例如，对于侦察卫星实体与敌方目标实体之间的探测关系，需要对目标探测范围、目标信息辨别、目标定位等内容进行规范，如图2所示。标准化对象要素的确定需要专业人员基于丰富的领域知识进行分析加以明确。武器装备体系标准化对象识别的实质，是找到并确定重复使用和共同使用的标准化对象要素。

图2 标准化对象要素框图Fig.2 Standardize object features

聚合原理

聚合是指将分散的内容聚集到一起，武器装备体系标准化对象聚合，是指将武器装备体系的标准化对象按照一定架构聚集在一起，这个架构就是聚合框架，聚合的目的是构建武器装备体系标准体系框架，为武器装备体系的标准研制和标准体系建设提供基础支撑。首先要根据一定的原则设计武器装备体系聚合框架，然后将识别出的标准化对象进行分类，置于聚合框架中相应位置，形成标准体系框架。

设计聚合框架应遵循以下3个基本原则：① 聚合框架要有整体性，要能够完整的体现各类标准化对象之间的相互关系；② 聚合框架层次要适当，每一个标准化对象在聚合框架中要有相应的层次，层次不宜太多；③ 聚合框架组成结构的边界要划分清楚，便于对标准化对象进行分类存放。

3 武器装备体系标准需求分析方法

3.1 流程模型构建

根据武器装备体系标准需求分析的原理，基于IDEF0方法模型，设计了以“分解-识别-聚合”为主要步骤的武器装备体系标准需求分析流程模型。IDEF0方法模型是以结构化分析和设计技术为基础，描述系统运作的建模方法。其基本元素为矩形和箭头，如图3所示。矩形代表活动，活动名称和活动编号表示在矩形内指定位置，左侧输入箭头表示完成活动所需要的数据或信息，右侧输出箭头表示输出的结果，上方控制箭头表示影响活动的条件或约束，下方机制箭头表示实施活动的资源或手段。

图3 IDEF0方法模型示意图Fig.3 IDEF0 method model

武器装备体系标准需求分析流程模型作为一个整体，它的输入是武器装备体系，输出是武器装备体系标准体系框架，如图4所示。流程模型由武器装备体系分解、标准化对象识别和标准化对象聚合3个步骤构成。第一步是武器装备体系分解，首先进行“实体”分解，然后对实体之间的“关系”进行梳理，输出武器装备体系分解系统；第二步是标准化对象识别，首先确定实体间关系的标准化对象要素，然后按照重复使用和共同使用原则，识别出武器装备体系的标准化对象，输出武器装备体系标准化对象集；第三步是标准化对象聚合，设计聚合框架，对标准化对象进行分类管理，输出武器装备体系标准体系框架。

图4 武器装备体系标准需求分析流程模型框图Fig.4 Standard requirements analysis method process model

3.2 武器装备体系分解方法

武器装备体系的分解有多种方法，本文中对武器装备体系进行分解，是为了开展标准需求分析。依据上文内容，面向标准需求的武器装备体系分解，首先是按照层级和实体类型进行分解，然后对各实体之间的关系进行分析。

实体分解

武器装备体系的最终目的是完成作战任务，美国学者Jeffery提出了信息化条件下的作战模型，他根据发挥作用不同将作战力量区分为侦察实体()、决策实体()、影响实体()和敌方目标()。国防科技大学谭跃进团队提出了作战环的概念，定义作战环是“为了完成一定的作战任务，由武器装备体系中侦察类实体、决策类实体、影响类实体等武器装备与敌方目标实体所构成的闭合回路”。据此，考虑武器装备体系中的通信功能以及各要素间的通信链路，将武器装备体系的实体分解为4种类型：侦察类实体()、决策类实体()、影响类实体()和通信类实体()。

侦察类实体：遂行侦察监视、情报收集、预警探测等任务的武器装备，如电子侦察机、空中预警机等。

决策类实体：遂行指挥控制、辅助决策、情报处理等任务的武器装备，如指挥中心、指挥自动化系统、信息控制中心等。

影响类实体：遂行火力打击、电磁干扰、支援保障等任务的武器装备，如炮兵群、电子干扰机、海上补给船等。

通信类实体：遂行通信传输、信息交换等任务的武器装备，如通信卫星、通信中继站、短波电台等。

各类实体在武器装备体系中是有层级关系的，文献[34]将武器装备体系中的实体分解为4个层级，即体系级、系统级、平台级和单元级，各层级的含义见表1。

表1 武器装备体系层级Table 1 Hierarchy of weapon equipment system of systems

对武器装备体系实体的分解，从横向和纵向2个维度进行。横向按照4种类型进行分解，纵向按照4个层级进行分解，如图5所示。

图5 武器装备体系实体分解框图Fig.5 Weapon equipment system entity decomposition

关系分析方法

武器装备体系在建设和运用过程中，体系内部各实体之间，体系与敌方目标之间存在着复杂的交互关系。国防科技大学杨克巍团队建立了作战网络关系模型，将任意2个装备实体之间的相互关系用“→”表示，用于描述不同装备间的联系。据此，结合实体类型，可得到武器装备体系关系分解，见表2。共梳理出25种不同实体间关系类型。

表2 武器装备体系关系类型Table 2 Relationship type of weapon equipment system

3.3 武器装备体系标准化对象识别方法

依据识别原理，对分解系统中的标准化对象要素进行描述，从标准化对象要素中识别出标准化对象。本节用数学描述模型的方法对标准化对象进行识别，总体思路是，建立一个包含武器装备体系所有实体间关系的集合，对集合中每一个关系的所有标准化对象要素进行描述，区分重复使用和共同使用，建立标准化对象要素对比矩阵，通过相应的规则得出重复使用和共同使用的标准化对象要素，即为标准化对象。

标准化对象要素

与武器装备体系中关系类型相关的各类实体包含侦察()、决策()、影响()、通信()、敌方目标()5类，定义为武器装备实体，有

=∪∪∪∪

(1)

其中，={，,…,}，={，,…,}，={，,…,}，={，,…,}，={，,…,}，表示侦察类实体数目；表示决策类实体数目；表示影响类实体数目；表示通信类实体数目；表示敌方目标实体数目。

定义为任意2个实体之间的关系，有

={(，)|，∈}

(2)

其中，和表示任意类型的实体；表示这2个实体之间的关系。

定义为的标准化对象要素，则对于确定的关系，对应若干个标准化对象要素，有

={1，2,…,}

(3)

其中，表示的标准化对象要素数目。的标准化对象要素见表3。

表3 关系标准化对象要素Table 3 Relationship standardization object elements

标准化对象识别

根据标准化对象识别原理，建立标准化对象要素对比矩阵，识别出标准化对象要素中的重复使用项和共同使用项，即为标准化对象。

定义

=((，)|∈[1，]，∈[1，])

(4)

其中，表示关系的个标准化对象要素中第个标准化对象要素；表示关系的个标准化对象要素中第个标准化对象要素；为标准化对象要素对比值，当=时，=1，当≠时，=0。

标准化对象要素对比矩阵表示如下：

(5)

1) 重复使用识别

当=时，为同一关系的重复使用标准化对象要素对比矩阵。此时，是由数字1和0组成的阶矩阵，由上述定义可知，矩阵中从左上角到右下角连线之间的所有元素数值均为1，其所对应的标准化对象要素为同一个标准化对象要素,除这条连线之外的其他数值1所对应的2个标准化对象要素不是同一个，但是相等，后者即为同一关系中的重复使用项，取其中1个标准化对象要素作为标准化对象。

2) 共同使用识别

当≠时，为不同关系的共同使用标准化对象要素对比矩阵。此时，是由数字1和0组成的行列矩阵，矩阵中数值1所对应的2个标准化对象要素为不同关系中的共同使用项，取其中1个标准化对象要素作为标准化对象。

3.4 武器装备体系标准化对象聚合方法

针对面向任务的武器装备体系，依据标准化对象聚合原理，设计标准化对象聚合框架，将识别出的标准化对象分层分类放置于聚合框架中，形成武器装备体系标准体系框架。

确定聚合框架

结合面向不同任务的武器装备体系，按照《军用标准体系表》框架，设计武器装备体系标准化对象聚合框架，聚合框架纵向区分层次，横向区分类别，如图6所示。纵向层次参考标准体系设计方法，区分为核心基础层、功能支撑层和体系应用层等；横向类别按照《军用标准体系表》的类别进行区分。对于面向不同任务的武器装备体系，其标准化对象聚合框架的层次可能不同，但是类别都是按照《军用标准体系表》进行区分的，因此，面向不同任务的武器装备体系的标准化对象也可以进行聚合。

纵向层次区分中，核心基础层，是确保实现装备互联互通互操作的保障；功能支撑层，是实现各装备功能，满足不同作战任务和作战场景需要的保障；体系运用层，是在核心基础和功能支撑之上，实现武器装备体系整体运用的保障。横向类别区分与《军用标准体系表》的类别一致。

标准化对象管理

按照图6中的标准化对象聚合框架，对识别出的标准化对象进行分类管理，首先按照层次区分进行分层，然后在每一层中按照类别区分进行分类，最后将标准化对象置于对应的位置，即可得到武器装备体系标准体系框架。