裝備保障體系結構描述及魯棒性分析?

邢 彪，曹軍海，董原生，梁晶睿

（裝甲兵工程學院，北京 100072）

裝備保障體系結構描述及魯棒性分析?

邢 彪，曹軍海，董原生，梁晶睿

（裝甲兵工程學院，北京 100072）

系統建模語言（SysML）是在對UML2.0子集進行重用和擴展的基礎上，綜合了面向對象方法和結構化方法的各自優勢，提出的一種面向體系結構設計的可視化建模語言。以該設計語言為基礎，構建了裝備保障體系結構視圖模型，并考慮到目前國內關于體系結構評估缺少相關可執行模型的現實情況，引入了復雜網絡理論，將各保障實體抽象為網絡中的點，實體間的關聯關系抽象為邊，以軍裝備保障體系力量為研究對象，建立了軍級裝備保障體系網絡結構模型。最后對網絡模型的魯棒性進行分析，為裝備保障體系建設的研究提供了一種新思路。

SysML，裝備保障體系，網絡，結構，魯棒性

0 引言

隨著信息化技術的不斷發展及其在軍事領域的廣泛應用，各種高新技術武器裝備的保障能力正日益成為制約我軍戰斗力發展的關鍵?！?016年中國國防白皮書》［1］中關于中國“軍事力量建設發展”章節均添加了：“增強綜合保障能力”、“創新保障模式”、“發展新型保障手段”等內容，并且針對國家未來軍事斗爭準備，要求“著力解決體系作戰能力的突出矛盾和問題”、“增強基于信息系統的體系作戰能力”、“完善綜合保障體系”等?？梢娔芊窠ǔ膳c武器裝備體系相配套的裝備保障體系，并形成體系保障能力，是現階段我軍裝備保障領域研究的重點與難點。

體系結構是研究體系頂層設計的科學方法論，對體系的屬性、功能和效用具有決定性意義［2］。目前，國際上經典的關于體系結構的研究有扎克曼框架和美國國防部體系結構框架，國內與部隊作戰相關的體系結構研究主要有：文獻［3-4］提出了“兩層四級”的復雜體系結構建模設計；游翰霖等［5］給出了裝備技術體系網絡結構建模方法；謝文才等［6］設計了基于元模型的軍事信息系統體系結構建模方法；趙青松等［7］分析和定義了武器裝備體系能力空間的結構特點；羅愛民等［8］給出了C4ISR體系的結構產品設計方法。

但目前國內關于裝備保障體系的研究較少，對于裝備保障體系也尚未形成統一的概念。明確裝備保障體系結構，有助于把握裝備保障體系的內在規律，優化裝備體系的保障方案和保障資源配置，提高部隊整體的保障能力，同時對于武器裝備體系的研究也有著很好補充和促進作用。因此，本文參照美國國防部體系結構框架（DoDAF），結合裝備保障體系結構的主要特點，基于SysML的統一建模語言，在復雜網絡理論的約束下，給出了裝備保障體系結構的描述方法，建立了裝備保障體系網絡結構模型，在驗證模型可行性的基礎上評估了模型的魯棒性。

1 概述

1.1 裝備保障體系

裝備保障體系是具有明確使命和任務的復雜軍事系統，其根本使命是保證和保持軍事作戰體系中的裝備體系執行作戰和訓練任務的能力。本文中的裝備保障體系是指為了滿足不同保障任務需求，由具有一定功能和相互聯系的各級各類裝備保障系統，按照裝備保障規律和保障原則綜合集成的有機整體。其結構組成復雜：在縱向層級上有總部、軍區、軍、師旅、營、連的各級指揮和保障機構，在橫向組成上有大量的裝備、人員、器材、設施等實體，并通過各種保障業務活動交叉、組合、集成為一個整體。

1.2 系統建模語言SysML

現階段世界上關于體系結構設計的研究應用較為廣泛的是面向過程的方法和面向對象的方法，前者強調功能分析，后者強調對象及其交互［9］。其中，UML作為面向對象的方法主導了軟件工程設計，應用最為廣泛。但是隨著軍事變革的不斷推進和系統組成的日益復雜，也應看到UML模型的一些弱點：不易執行，不易于改正前期設計中的錯誤，容易增加后期開發的風險；語義定義不夠精確，沒有數據操作的定義；基于UML的系統分析和驗證無法提供定量參數的描述。

系統建模語言（Systems Modeling Language，SysML）是基于模型的系統工程（Model Based Systems Engineering，MBSE）的組成部分［10］，綜合了面向對象的方法和結構化的方法的各自優勢，在UML2.0子集進行重用和擴展的基礎上，提出的一種面向體系結構設計的統一建模語言［11］。SysML是一種表達內容豐富的圖形建模語言，能夠將復雜系統或體系的結構行為、需求和參數可視化，有利于設計人員彼此之間的溝通，并大大降低了后續模型改動的工作量。

SysML是UML的一種擴展，尤其適用于系統工程的設計階段，其主要組成圖的種類及各圖之間的關系如圖1所示：

圖1 SysML分類圖

上圖均來自SysML的v1.2版本。圖中，虛線部分表示SysML相比UML新增的需求圖rep和參數圖par；活動圖act、模塊定義圖bdd和內部模塊圖idd則是在UML規則基礎上進行了擴展。例如，UML模型中包含的DataType元素，可以表示某一類中屬性的類型、活動中可流動對象的類型、操作中參數的類型等，但無法表示非數據的可流動類型，如事件和能量，SysMl中針對性地新增了ValueType這一概念，是對DataType的擴展，用以描述更廣泛的類型。另外，SysMl中還新增了分配（Allocation）的概念，用戶可在任意兩個模型元素之間創建分配關系，分配關系可橫跨模型的各種方面：需求、行為、結構和約束。

1.3 復雜網絡

但是，無論采用何種建模語言，設計的均是體系結構靜態模型，無法直接評估模型的優劣。這里考慮到裝備保障體系在體系結構、組成要素、連接關系等均與復雜網絡（Complex Network，CN）理論具有相當的匹配性，文獻［12-14］分別基于復雜網絡理論構建了維修保障體系、指揮控制系統和維修保障力量體系的復雜網絡模型，具備一定的可操作性和實用價值。

2 基于SysML的裝備保障體系網絡結構設計

2.1 裝備保障體系SysML設計思路

由于SysML具有面向對象的設計理念和建模思想，能夠更方便地描述體系內各獨立系統的連接和數據交換，方便各系統設計單元的分解、復用和封裝，利于系統快速開發?；赟ysMl的裝備保障體系產品設計分為以下階段：

（1）使命需求定義和相關信息收集整理，生成全視圖AV-1；

（2）分析裝備保障體系組織結構，獲得設計需求，生成高層作戰與保障概念圖OV-1；

（3）體系的組織結構建模，生成組織結構圖OV-4；

（4）采用活動圖、序列圖、狀態機圖等描述保障活動相關方面，生成保障活動模型OV-5、保障規則模型OV-6a、邏輯數據模型OV-7等；

（5）信息交互，生成保障節點描述OV-2、保障信息交換矩陣OV-3；

（6）體系功能的全方位描述，生成系統功能描述SV-4、系統規則模型SV-10a等；

（7）體系數據交互、性能參數、可擴展性等，生成系統接口描述SV-1、系統通信描述SV-2、系統關系矩陣SV-3等。

表1描述了SysML圖與裝備保障體系部分結構視圖的對應關系，列出了裝備保障體系結構設計中的可視化產品。

表1 裝備保障體系視圖的SysML圖形描述

2.2 體系網絡結構設計

目前關于采用視圖描述研究體系結構設計的方法已經取得了廣泛應用，解決了信息系統的互操作性，提高了系統建設的效率，在頂層設計和需求論證中起到了宏觀規劃的作用，但關于如何評估所建立的體系結構尚缺乏有效應用實踐。美國國防部開發的體系結構權衡分析法（ATAM）和適用于聯合特遣部隊C4ISR體系的聯合測試評估方法，規定了5項評估標準：完整性、正確性、規范性、一致性和問題相關性，對于體系結構的性能評估和效能評估尚缺乏明確的可執行模型。為此，課題組從評估體系結構的魯棒性入手，在裝備保障體系結構的設計過程中建立網絡模型，研究裝備保障體系的穩定性和可靠性。

以某集團軍的裝備保障力量為研究對象，對與裝備保障有關的各組織機構運行過程進行網絡化抽象，建立軍級裝備保障力量拓撲視圖結構，如下頁圖2所示。

由圖2可知，軍、師（旅）級保障力量主要有直屬的修理營和器材倉庫，每一修理營下設3個修理連，團配屬修理連和器材倉庫。修理連繼續細分為若干個（模型中n=10）可完成不同修理任務的基本保障單元（含保障人員、修理工具和對應的保障資源），每一級別的器材倉庫可簡化為一個保障資源單元。另外設有軍區修理大隊和大修廠各一，作為上級支援的保障力量。

當裝備完成不同的訓練任務和保障活動時，向本級修理機構報告，本級修理機構根據保障活動級別，能夠自己完成的分配符合數量要求的基本保障單元，超出本級保障能力的則向上級保障單位提出申請。上級保障單位除進行自身的保障活動外，當接到下級的任務申請時，如在本級所承擔的任務范圍內，則向下級加強相應的保障力量，反之則繼續向上級申請。器材倉庫執行保障任務活動與修理機構類似。模型假設軍區修理大隊和大修廠可滿足以上所有裝備的保障活動。裝備保障體系保障活動結構如下頁圖3所示。

圖2 軍級裝備保障體系結構圖

圖3 裝備保障體系保障活動結構圖

3 魯棒性分析

魯棒性，即網絡結構對外界攻擊的抵抗能力，是衡量復雜網絡穩定性的重要指標之一，對于研究與評價復雜系統和體系的性能有著重要的意義。

3.1 裝備保障體系網絡模型

（1）節點vi。表示裝備保障體系中的各保障實體，用集合 V={v1，v2，……，vN}表示（N 為網絡節點數）。

（2）邊eij。表示各保障實體間的連接關系，每一條邊都有一對點與之相對應，將實際數據轉換為一個對稱矩陣：對角線的元素為1，當兩節點相連時，矩陣元素對應數字值為1，反之沒有連接則為0，可得N個節點構成N*N的矩陣M。

（3）度Ki。節點的度Ki表示與該節點相連接的邊數，度越大，節點的重要性越高。

（4）攻擊標度r。r表示隨機攻擊在所有攻擊中所占的比例，為可控變量，r∈［0，1］。r=1 時表示完全隨機攻擊，r=0時表示蓄意攻擊，r取值在0和1之間時表示混合攻擊。

（5）網絡負載 w。w∈［0，1），w=0時表示網絡沒有負載及網絡流量交換值為0，w接近但不會到達1，表示網絡負載逐漸增加。實際中對于滿負載的網絡，負荷較重，任一攻擊都會輕易地使其崩潰，即網絡沒有魯棒性。

（6）網絡崩潰程度指標G：

N'為受到攻擊后移除部分節點后得到的最大連通子圖節點數。G可用來評估網絡的崩潰程度，當G≤0.1時，定義網絡被完全摧毀。當移除網絡中部分節點后，絕大部分的節點仍然是連通的，那么可以認為該網絡對節點的故障具備一定的魯棒性。

3.2 魯棒性分析

構造節點數N=500的裝備保障體系網絡，設置攻擊標度 r=0 和 r=1，取網絡負載 w=［0，0.3，0.6，0.9］，實驗結果分別如下頁圖4、圖5所示。

圖中，橫軸表示被摧毀的節點，縱軸為網絡崩潰程度指標。圖4中，當w=0時，摧毀71%左右的節點時，網絡處于接近崩潰狀態，當w=0.3時，摧毀50%左右的節點時，網絡處于接近崩潰狀態，當w=0.6時，摧毀10%左右的節點時，網絡處于接近崩潰狀態，當w=0.9時，稍加攻擊網絡便處于接近崩潰狀態。而圖5中，無論w取何值，在摧毀23%左右的節點時，網絡處于接近崩潰狀態。

圖4 隨機攻擊下的裝備保障體系網絡

圖5 蓄意攻擊下的裝備保障體系網絡

可見，當網絡負載較小時，裝備保障體系網絡面對隨機性攻擊具有較好魯棒性，當網絡負載較大或接近滿負載時，網絡將異常脆弱；而面對蓄意攻擊則具有脆弱性，此時增加網絡負載魯棒性沒有任何增強。

經過對基于SysML建立的裝備保障體系網絡結構的魯棒性分析，得出以下結論：

（1）在基于SysML的方法描述裝備保障體系結構的基礎上引入復雜網絡理論，建立裝備保障體系網絡結構，并對網絡結構進行魯棒性分析是可行的；

（2）裝備保障體系網絡中存在核心節點，如各不同級別的裝備保障指揮機構，蓄意攻擊該核心節點會造成網絡的迅速崩潰；

（3）由分析結果可知，裝備保障體系網絡具有無標度網絡的部分特征，面對隨機攻擊具有較好魯棒性，面對蓄意攻擊則表現出脆弱性。

本文研究一定程度上也驗證了部隊現行體制的正確性。即：在戰時除建立裝備保障主體指揮機構外，由部門副職（保障處副處長）建立從屬裝備保障指揮機構，能夠一定程度上增強網絡的魯棒性，同時也可通過適當增加保障機關和保障分隊的跨級連接，增強網絡的穩定性。

4 結論

本文從提高裝備體系保障能力的角度出發，基于SysML系統建模語言的基本原理構建了裝備保障體系結構部分視圖模型，在繼承了UML基本特性的基礎上，對其進行了擴展，提供了對體系建模標準化的支持。同時，引入復雜網絡相關理論建立裝備保障體系網絡結構模型，克服了目前關于體系結構評估缺少可執行模型的問題。最后通過對建立的軍級裝備保障體系網絡的魯棒性分析，驗證了理論的可行性，具備一定的可操作性和實用價值。提高網絡的健壯性將是下一步的研究方向和重點。

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Research on Equipment Support System of Systems Architecture and Robustness Analysis

XING Biao，CAO Jun-hai，DONG Yuan-sheng，LIANG Jing-rui
（Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China）

Systems Modeling Language （SysML）is a visual system architecture design language based on the UML2.0 reusing and broadening，which combines the advantage of object-oriented method and the constructive method.Using SysML as design language，this paper estabilishes the equipment support system of systems architecture view model.Considering the shortage of executed model for the assessment of system of systems architecture，the paper sets the support entity as the point and the connecting relationship as the side in the network.It is an army group equipment support system of systems as the research object to estabilish a network model.Finally，the robustness of the model is analyzed，which provides a new thought to develop the equipment support system of systems.

SysML，equipment support system of systems，network，architecture，robustness

TJ089

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.07.001

1002-0640（2017）07-0001-05

2016-05-11

2016-07-09

軍隊計劃科研基金資助項目（51319050302）

邢 彪（1988- ），男，河北石家莊人，博士研究生。研究方向：裝備保障仿真。