武器装备体系设计过程框架及步骤分析

一 武器装备体系设计过程框架

武器装备体系设计要能够紧密围绕作战任务和能力需求，真正贯彻和落实体系顶层设计，以优化功能、性能配置，合理分配资源，实现武器装备体系高效设计。这就要求首先需要建立一套科学的顶层设计方法，能够为从事武器装备体现设计研制的相关设计人员、工程技术人员、开发人员提供一致的设计理念、设计原则、设计流程、设计要求等方面的指导，使武器装备体系设计过程中从“需求层次分解”到“设计开发过程中所有阶段反复迭代”再到“将分散的成员集成于一个比各成员总和更大的、费效比更好的体系整体中”。为体系工程原理的顺利实施提供一套统一的设计框架。

武器装备体系设计的输入是需求分析的结果，在武器装备体系需求分析中，将需求分析活动分为三类：任务需求分析、能力需求分析和体系化装备需求分析。通过需求空间，将国家安全战略、未来威胁形势估计、信息化条件下的体系对抗的作战概念、军队使命与建设方略以及国家经济情况等武器装备体系需求作为输入，转化成武器装备体系总体功能、战技指标、体系组成、体系结构、技术和保障等多方面的体系需求方案，成为武器装备体系顶层设计的输入。

通过对武器装备体系的领域特点分析，结合武器装备技术体系的发展，围绕武器装备的顶层设计和综合集成，在吸收、借鉴结构化设计、面向对象设计和面向系统设计等思想和方法的基础上，提出了武器装备体系一体化设计方法(WeaponSoSIntegratedDesignMethod，简称WSIDM方法)。

WSIDM方法从武器装备体系顶层设计的角度，对武器装备体系设计过程中的设计活动进行规划和定义，以任务能力包为存在形式进行顶层设计流程，能够指导体系设计人员顺其自然地完成自顶向下的功能分配、战技指标分解、组成成员配置设计、以及体系流程的快速构建等，实现武器装备体系面向任务－能力的综合设计，达到提高设计效率、保证设计质量、发挥体系综合优势的目的。WSIDM方法的指导原则为：

1）以作战任务为主线开展体系顶层设计，使分析设计的武器装备体系功能组成、性能分配、成员配置和作战实施流程能够以任务能力包的形式进行组织。

2）体现基于能力的设计思想，进而使自顶向下的功能分解与能力(性能)指标的分解同步进行，能够清晰建立高层使命－作战任务、总体能力－系统性能的逐级分层关系。

3）作战流程设计作为体系顶层设计的重要内容，通过设计可提出武器装备体系作战流程模型，各体系组成成员能能够围绕作战流程实施有机协同，高效实现体系对抗作战。

4）支持实现武器装备体系的优化配置，体系功能分解和指标分配应落实到各个具体的组成成员，通过自顶向下的设计，能够明确提出对各成员的具体设计要求，指导完成成员的设计与开发以及以成员为单位的体系综合集成与灵活配置。

5）将武器装备需求分析、顶层设计、综合集成的全过程有机地结合起来，体系顶层设计过程的各个环节能够顺其自然完成过渡，支持迭代并具备良好的可追溯性。

WSIDM方法的基本思路是：紧密围绕体系需求开展顶层设计，以作战任务为主线，以能力为中心完成作战流程分析和构建；根据体系任务－能力开展相应的体系组成成员功能和性能配置，并通过不断的迭代和优化加以完善；并以组成成员为单位开展流程设计，确定组成系统之间的接口，根据接口开展体系信息模型设计；在综合多任务－能力剖面下的体系作战使用流程的基础上，开展体系配置设计，最终完成目标体系的部署和集成装配，形成能够完成既定作战任务，达到预期作战能力的武器装备体系。WSIDM方法框架如图1所示。体系设计包含了分析提取体系作战活动、定义体系作战流程、体系结构设计与配置设计、提取体系成员作战活动、装备系统设计、体系运行控制模型生成和体系配置设计等7个设计环节，覆盖了从作战需求到体系部署设计的一体化全过程。

在WSIDM方法设计阶段，首先根据体系需求分析阶段建立需求方案；根据可能的作战样式，分析出不同任务下的体系作战活动及要求；进一步细化提取体系级功能和相应的能力要求；然后针对各任务及其能力分析定义相应体系对抗的作战流程，根据体系作战流程开展体系配置设计；确定武器装备体系的组成成员节点，对其进行功能分配和能力(性能)配置，从体系运行的角度分析提取体系各个组成成员的作战活动和要求。以上过程需要多次迭代和综合，在综合考虑体系组成及相应能力要求的基础上，结合现有可用装备的能力，进行装备体系设计，最终确定其功能、性能以及接口等。以作战任务为剖面，根据该任务下的体系作战流程，设计并生产体系运行控制模型，为目标体系的运行、调度、控制提供依据。部署设计主要是参照体系配置设计和装备系统设计的结果，根据成员节点之间的物理特性完成对各个系统的部署，形成目标体系综合集成所需的部署方案。

图1 WSIDM方法导图

WSIDM有效地支持了需求驱动(面向任务)、效能优先(基于能力)、统筹规划、递阶分解(自顶向下的功能分解与能力分配)、体系构建(体系配置设计与装备系统设计)和综合集成(体系运行控制与部署设计)的一体化设计过程。该设计方法有效地支持各级体系设计人员规范、快捷的设计工作，简化设计过程、缩短设计周期，并最大限度地利用设计资源以达到高质、高效的目的。WSIDM具有以下特点：

1）以任务能力包为主要形式进行设计，WSIDM方法强调将体系整体需求划分为多个任务能力包，在确定的任务能力包范围内进行体系设计后，再在此基础上进行综合集成设计，这样能够容易实现体系设计过程的优化与控制，同时为基于任务能力包的设计和集成提供了具体的方法指导和手段支持；

2）在进行武器装备体系顶层设计向下分解的过程中继续进行能力的分配，将体系自顶向下的功能分解与能力(性能)分配相结合起来，强调了能力主线和效能优先的原则；

3）全面支持体系结构设计与配置设计，WSIDM提供了从体系整体功能到体系组成组件、体系结构之间的映射关系指导，使得体系整体功能分析和体系组成成员的设计紧密结合，有效提高体系结构设计效率；

4）WSIDM强调流程贯穿，将体系作战流程和运行控制模型作为体系设计的重要环节，为武器装备体系的集成提供基础。

二 武器装备体系设计步骤分析

WSIDM方法框架包含了分析提取体系作战活动、定义体系作战流程、提取体系成员作战活动、体系结构设计与配置设计、装备系统设计、体系运行控制模型生成和体系配置设计等7个设计环节，它们共同支撑了武器装备体系的整体设计。

1）分析提取体系作战活动环节

a）描述

根据体系需求过程中的作战样式分析提取体系作战活动环节，提取出体系作战活动，进行定义和描述。体系作战活动可以逐层分解，形成子作战活动。分解的依据是作战活动的执行流程，作战活动的分解粒度的原则是该项作战活动能够综合反映某一系统级的功能。同时，还要根据任务的描述(期望的作战效果)解析出对各作战活动达到能力或完成效果的要求，以便能够提取出系统级功能所对应的系统能力要求，建立起体系作战活动(含执行能力或效果要求)、系统级功能(含系统级能力或性能要求)的映射关系，为逐层向下的系统功能分解和流程设计提供依据。

作战活动的提取与分解过程是个迭代反复的过程，可能需要几次的迭代，逐步求精，即使在一个迭代过程中作战流程设计和活动分解设计也可能交叉进行。这也是WSIDM方法的特点，即支持迭代开发。

b）与其它环节关系

分析提取体系作战活动环节与其它环节关系如图2所示。

图2 分析提取体系作战活动环节与其它环节关系

分析提取体系作战活动环节输入为具体作战样式下的作战流程。

分析提取体系作战活动环节输出为体系组成系统的功能及其能力要求。

c）工作过程

分析提取体系作战活动环节的工作过程如图3所示。

图3 分析提取作战活动环节的工作过程

体系作战样式下的作战流程采用流程图描述，体系作战活动的分解情况采用活动分解图描述，可以较清楚的表示体系作战活动层次关系。分解作战活动的同时，还要把功能和能力要求一步步分解，这是作战活动对系统功能的约束。

2）定义体系作战流程环节

a）描述

根据体系作战活动及作战样式分析定义体系的作战流程，将作战活动落实到具体的体系成员中，并要求将功能和能力要求分配到相关成员。

b）与其它环节关系

分析定义体系作战流程环节与其它环节关系如4所示。

图4 定义体系作战流程环节与其它环节关系

分析定义体系作战流程的输入是来自分析提取体系作战活动环节的作战活动(含执行效果要求)、系统级功能(含系统级能力要求)。定义体系作战流程的结果包括体系组成系统活动、体系作战流程、系统功能及能力要求等，供体系结构设计与配置设计、分析提取体系成员系统活动所使用。

c）工作过程

在分析提取体系作战活动过程中，已经将体系作战实施细分为若干作战活动，此时要求按照作战样式将作战活动之间的逻辑时序关系进行清晰地描述。与作战需求分析阶段的作战样式分析不同，在体系设计阶段，分析设计的视角从体系外部转换到体系的内部。在针对一个作战活动(或系统级功能)进行分析过程中，从体系内部流程运行与操作控制的角度，根据体系功能、能力要求以及经验知识，结合组成体系的装备体系实际情况，分析确定体系内部的作战流程。

3）提取体系成员作战活动环节

a）描述

提取体系成员作战活动是根据定义体系作战流程以及初步的体系组成员，从体系运行控制的角度分析提取成员系统需要实施的具体作战活动及操作控制要求，形成各个任务下的成员流程与活动要求。

b）与其它环节关系

提取体系成员作战活动环节与其它环节关系如图5所示。

提取体系成员作战活动环节的输入是来自定义的体系作战流程。分析提取体系成员作战活动环节的结果包括各个任务以及成员的具体实施流程和操控实施的操控活动，它是通过综合各个任务的作战活动形成的各个成员的作战活动和操作控制活动，同时描述这些活动之间的关系。

图5 提取体系成员作战活动环节与其它环节关系

c）工作过程

通过分析系统的操控流程，分析系统内部的活动序列，获取在该任务下的功能模块。采用相同方法，通过分析功能模块之间的业务流程等手段，可以对已经获取的功能模块再进一步进行划分，形成功能分解树，如图6所示。

图6 提取体系成员作战活动的工作过程

4）体系结构设计与配置设计环节

a）简述

体系结构设计与配置设计环节根据体系作战流程分析及其功能能力要求的结果提取确定体系成员，并设计其体系结构，描述各成员节点交互与协作关系，确定体系成员的具体配置要求。

b）与其它环节关系

体系结构设计与配置设计环节与其它环节关系如7所示。

图7 体系结构与配置设计环节与其它环节关系

体系结构设计与配置设计环节输入为各个任务下的装备组成、各个任务下的体系作战流程、功能性能要求和成员的作战活动等。

体系结构设计与配置设计环节输出为组成武器装备体系成员节点、武器装备体系的体系结构、体系成员功能性能与具体配置要求等。

c）工作过程

体系结构设计与配置设计环节的工作过程如图8所示。

图8 体系结构设计与配置设计环节

体系结构设计与配置设计是武器装备体系顶层设计的核心环节，它决定了武器装备体系成员、体系结构和交互协作关系等。在体系结构设计与配置设计过程中，首先需要将各个任务能力包的活动、功能、流程等进行综合，通过资源集成、信息集成、功能集成以及过程集成，基于初步给出的武器装备体系组成关系，将武器装备体系的活动全集、功能全集等按照能力实现要求优化配置到各个成员中，并且要考虑功能集合与作战任务的流程关系，构建武器装备体系整体和谐的体系结构模型。与此同时还需要考虑武器装备体系的演化性和涌现性的要求。判定体系结构设计与配置设计结束的原则是：武器装备体系成员的活动集合、功能集合得到了完全覆盖，并且各个任务流程能够支持该作战任务的实施，同时任务的能力或作战效果得到满足。武器装备体系的组成基本能够反映体系的物理组成结构。

以上设计过程对设计人员的设计经验有着较高要求，其不仅应参考以往武器装备体系的体系结构、物理结构形式，还应充分考虑新技术体系下武器装备发展要求，体系结构设计与配置设计需要通过迭代求精才能逐步完善。

5）装备系统设计环节

a）描述

装备系统设计的目的是从体系功能和性能要求中提取构成体系的各实体成员(称之为组成体系的装备系统)，通过该环节可明确各装备系统的功能、性能、接口以及成员间的交互关系等。

b）与其它环节关系

装备系统设计环节与其它环节关系如图9所示。

图9 系统组件化环节与其它环节关系

装备系统设计环节输入为各任务下以及成员活动与流程、各个装备系统的功能和性能要求等。

装备系统设计输出为装备系统功能性能要求、装备系统间的接口与交互流程、装备系统数量和部署要求等。

c）工作过程

在对作战系统进行功能分解后，利用分解树、事件流图、信息流图等手段，从动态和静态两个方面刻画了系统的结构和功能。系统组件化主要根据这些信息，通过组件提取、组件描述、消息信息设计、提取消息约束条件等步骤完成组件化设计。工作过程图如图10所示。

图10 装备系统设计环节工作过程

（1）装备系统提取

装备系统提取过程是一个功能与系统的映射与重组的过程。装备系统提取是对体系功能进行综合并配置到具体装备中。在进行功能分解过程中，对那些处于统一业务流程、耦合度较高的功能进行合并，或对于不同任务流程中，将相同的功能进行合并，形成具体的装备系统。

（2）装备系统描述

装备系统描述主要对其外部条件和内部功能接口进行描述，经过装备系统接口描述、功能描述的装备系统称之为目标系统，即只有装备系统的蓝图，而没有装备系统实现的实体。在获取系统功能性能过程中，都需要提供模型图来表现系统的运作过程。用事件流程图、数据流程图、时序图等方式来表现系统的业务过程和动态行为。可用领域功能分解树、网络关系图来表现系统的静态模型。

（3）装备系统之间的流程设计

装备系统之间通过交互构成体系，装备系统之间的流程表现形式是消息和信息的交互关系。其中，消息代表控制命令，信息是体系中传递的数据。在该阶段主要完成的工作包括：

定义消息

将前面设计中所获取的关于事件的接口转化为消息。主要描述消息的格式、定义消息的前置状态条件、触发系统状态等。

定义信息

根据各装备系统功能要求，对系统接口的信息格式、特性（更新频率、时效性等）进行详细描述，并综合分析各系统相似信息接口的差异，对信息类型、信息格式进行优化，能够以信息为中心，描述系统间的信息交互关系。

（4）系统之间流程设计与操作控制约束条件提取

装备系统间流程设计目的是分析某一任务下装备之间的活动执行流程，并获取执行规则。在完成装备系统提取的工作后，依据某任务下的功能关系流程图，提取其中的消息便能得到粗略的操作控制流程图，该图可作为该任务下系统之间流程设计的原始依据。系统设计人员根据业务需求，可以通过对控制消息的增加或修改，描述为完成该任务所需的各装备系统间的调用逻辑。

操作控制约束条件的提取过程实际就是系统之间运行状态的分析、提取和定义过程，反映了系统之间运行过程中的调度控制逻辑，系统运行控制模型的生成将依赖于这些设计信息。

6）体系运行控制模型生成环节

a）描述

体系运行控制模型是体系的动态执行模型，描述了体系运行时成员系统之间的交互规则，约束了成员系统在操作控制条件下的动态行为，是体系正常运行完成作战任务的的根据和保障。

b）与其它环节关系

体系运行控制模型生成环节与其它环节关系如图11所示。

图11 运行控制模型生成与其它环节关系

体系运行控制模型生成的前提是体系中消息和接口的对应关系。这种关系包括前置条件和后置条件，前置条件是指消息转发前需满足的一种状态逻辑组合，后置条件是指消息发送后将产生的状态。这种对应关系来源于两个方面，一是装备系统设计环节得到的交互流程与指定消息的对应关系；二是操作控制设计环节得到的操控交互过程中的相关消息和状态对应关系。以上信息的综合，可以导出装备系统的消息状态对应表以便进行解析，实现体系运行流程的控制。

c）工作过程

体系运行控制模型生成的工作过程如图12所示。

图12 体系运行控制模型生成的工作过程

体系运行控制模型主要由消息－－状态表来描述。消息状态表记录了消息和状态的对应关系，描述了每条消息的前置状态组合和后置状态，在结构上可以采用流程图模型来进一步描述。

7）体系部署设计环节

a）简述

体系部署设计环节主要完成武器装备目标体系部署方案的设计。目标体系是由分布式的装备系统组成，合理的部署方案能够保证目标体系稳定、高效地运行。

b）与其它环节关系

体系部署设计环节与其它环节关系如13所示。

图13 部署设计环节与其它环节关系

体系部署设计环节是将装备系统按一定的方案和策略进行部署。部署设计还要按一定的风险指标、可靠性指标等对部署方案进行调整。部署设计的前置条件是先要完成体系结构设计与配置设计环节，得到目标体系的组成；完成装备系统设计环节，得到目标体系所用到的所有装备系统，以上作为部署设计的输入。

c）工作过程

根据体系结构设计与配置设计环节得到的体系成员组成和数量，进行体系成员的部署，根据作战流程和操作控制要求进行装备体系的部署设计，部署设计环节可以将某些成员部署在其他成员上，同时考虑风险和可靠性问题，这是个反复迭代逐步细化的过程。

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