基于IDEF1X 的裝備保障方案評價數據建模?

王伊婧心 李傳廣 劉 宇 陳宇奇 叢林虎

（1.海軍航空大學 煙臺 264001）（2.中國人民解放軍91206部隊 青島 266100）

1 引言

為了科學合理地對裝備保障方案進行權衡分析和優化篩選，課題組借鑒綜合集成研討廳思想設計了一個裝備保障方案綜合評價系統。但對于裝備保障方案綜合評價系統而言，涉及到大量的不同種類的數據信息，必須對這些數據信息進行有效的組織規劃，從而提高評價效率，達到“精確保障”的目標。

對數據信息進行組織規劃，也就是數據建模，國內外對于數據建模方法的研究已較為成熟，主要包括E-R 建模［1～4］、UML 建模［5］、IDEF1X 建模［6～8］和對象角色建模［9～11］。凡高娟［12］將業務分析中的數據流圖抽象為有向圖，并基于有向圖完成E-R 建模，縮短了建模時間。文獻［13］利用UML 和Oracle 構建了一個空間數據庫。李俊平［14］利用IDEF1X建模語言對所需數據庫進行了一定設計與改進。潘文林［15］基于對象角色建模方法提出10 種局部語義沖突檢查模式及算法，有效提升模型質量。

2 數據信息需求分析

數據信息既是裝備保障方案評價的重要組成部分，又是其評價結果的基礎。數據信息需求分析的目的是依據評價角色和評價流程，確定數據信息框架，為進行數據建模、建立單一的綜合評價數據源提供依據。這里將方案評價的數據信息主要分為評價運行類數據、評價對象類數據和文獻資料數據。

2.1 評價運行類數據

評價運行類數據主要指運用相關系統進行綜合評價工作所必需的數據信息，如評價項目、評價流程等，若缺失無法保證綜合評價工作的正常進行，具體又細分為五類。

1）組織數據

根據綜合評價工作的需要，參與評價的不同用戶依據自身特長被賦予不同角色，同時劃分到不同的研討小組，解決各類評價問題，各評價項目中的角色數據和用戶數據就構成了組織數據。

2）工作管理數據

在系統中，裝備保障方案綜合評價工作的開展是以評價項目為單位進行的，除了評價項目數據之外，工作管理數據還包含與裝備保障方案評價相關的評價流程、評價指標體系、研討活動、數據接口等眾多對象的屬性數據及其相互關系。同時，工作管理的執行離不開角色與用戶。

3）運行控制數據

運行控制數據反映研討活動配置和運行情況，如數據接口調用權限和模型工具使用權限的分配情況、相應數據接口和模型工具準備情況等。

4）研討支持數據

研討支持數據主要描述裝備保障方案綜合評價系統研討支持功能組成、所涉及的對象、屬性及其相互關系，如專家交互、意見整理、意見加權、意見聚類、意見統一、投票、數據存儲等。

5）分析計算數據

研討專家在進行觀點驗證和問題分析時，運用系統集成的各類模型工具進行求解，如人員人力需求計算模型、裝備需求量預測工具、使用任務到保障要求轉換工具等，研討秘書利用方案評分工具和投票工具收集評價結論。這些模型工具所涉及的輸入輸出數據就構成了分析計算數據。

2.2 評價對象類數據

評價對象類數據主要指從外部導入綜合評價系統內部的數據信息，為綜合評價的開展提供有力的理論依據和知識支撐，具體又細分為六類。

1）作戰想定數據

裝備保障方案的制定與作戰想定的紅藍企圖立案及戰斗決心等相輔相成，因此，作戰想定中指揮所配置數據、紅藍兵力構成數據、紅藍任務數據等是研討專家從方案制定合理性角度進行裝備保障方案綜合評價時首先應該獲取和參照的相關數據。

2）裝備保障方案數據

在進行綜合評價工作時研討專家必須對評價對象有一個全面的認識，需要查看裝備保障方案［16］數據。

這里所研究的裝備保障方案專指使用過程裝備保障方案，即裝備指揮員及其指揮機關在裝備使用過程中，根據部隊任務、行動方案及保障要求，對保障任務區分、保障資源配置、保障力量部署與運用、保障行動協同等方面的總體描述與具體行動的規劃與設計。

由于使用過程保障方案是作戰實施過程中開展裝備保障工作的總體設想與規劃，因此將裝備保障方案數據分為總體描述數據和執行描述數據。其中，總體描述數據主要涵蓋保障原則、保障要求、保障方法等方面的內容，執行描述數據主要涵蓋保障指揮（指揮關系、指揮機構編組、配置與轉移等）、保障力量部署（部署形式、保障任務與力量區分、保障力量部署地域等）、維修保障（維修保障關系、維修力量配置地域與編組、維修保障配套措施等）、器材保障（器材保障關系、器材庫配置地域與編組、器材的籌措儲備與補充控制等）、彈藥保障（彈藥保障關系、彈藥庫配置地域與編組、彈藥的儲備、管理與補充控制等）、運力保障（運力編組與實施等）、防衛保障（防衛任務、防衛區劃分、防衛力量編組與配置、防衛措施與方法等）、通信保障（通信任務、通信力量編組、通信方式等）等方面的內容。

3）裝備使用任務數據

作戰想定所描述的一個作戰任務，可以分解為若干階段作戰任務，從裝備保障的角度去分析，可以將其轉換為各裝備保障對象的使用任務，使用任務［17］數據是裝備保障仿真建模數據中的一類，在裝備保障仿真過程中驅動裝備保障對象運行，主要由使用任務關系數據和階段使用任務屬性數據兩部分組成。其中，使用任務關系數據包括層次關系、時序關系和邏輯關系三類數據，階段使用任務屬性數據則包括任務名稱、執行主體、任務開始及結束時間、任務量要求、裝備完好數量要求等。

4）裝備保障對象數據

從裝備保障的角度而言，裝備保障對象［18］與裝備作戰單元中執行作戰任務的主體相對應，是實施裝備保障的主要對象，裝備保障對象數據也是裝備保障仿真建模數據中的一類，在裝備保障仿真過程中產生維修任務，牽動裝備保障系統的運行，而其中裝備的狀態又影響使用任務的完成，主要包括作戰單元構成數據、最小任務單元構成數據、最小任務單元層可靠性、維修性（RM）數據、作戰單元層RM數據、最小任務單元自然故障維修任務量數據、最小任務單元戰損故障維修任務量數據等。

其中，作戰單元構成數據主要描述各層次作戰單元的兵力結構；最小任務單元構成數據主要描述最小任務單元的組成結構，即所包含的裝備種類、數量等；最小任務單元RM 數據主要描述各最小任務單元的可靠性、維修性參數等；作戰單元層RM數據是根據作戰單元下轄的各作戰單元任務邏輯關系來確定的RM 數據；最小任務單元自然故障維修任務量數據是描述最小任務單元自然故障維修任務的一類數據，包括故障分攤率、維修類型、維修方式、維修級別、維修概率等；最小任務單元戰損故障維修任務量數據是描述最小任務單元戰損故障維修任務的一類數據。

5）裝備保障系統數據

在裝備保障對象執行使用任務的過程中，必然伴隨著裝備的使用和消耗，這就牽動裝備保障系統［19］的運行，保持保障對象正常運轉以達到完成任務的目的，保障系統數據也是裝備保障仿真建模數據中的一類，主要包括裝備保障系統構成數據、裝備保障實體屬性數據、維修任務關聯數據三類。

其中，裝備保障系統構成數據主要描述裝備保障系統的力量構成；裝備保障實體屬性數據主要描述系統中所包含的各個保障組、保障隊等實體的基本屬性、空間屬性、行為屬性等；維修任務關聯關系數據主要是根據保障對象的維修任務量數據對各維修任務分配關系、分攤關系等進行相應描述。

6）裝備保障仿真評估數據

通過輸入使用任務、保障對象和保障系統三類裝備保障仿真建模數據驅動裝備保障仿真系統運行，輸出一系列的評估參數結果為研討專家進行保障方案評價提供有效依據，主要包括裝備保障能力評估綜合參數和裝備保障系統評估參數。

其中，裝備保障能力評估綜合參數是針對保障對象執行任務情況進行評估所得出的一類結果數據，包括裝備能執行任務率［20］、最小任務單元使用可用度和作戰單元任務完成概率［21］；裝備保障系統評估參數是針對裝備保障系統各類保障活動實施情況進行評估所得出的一類結果數據，包括維修任務完成概率、平均維修服務時間、維修單元利用率、維修任務平均等待時間、備件保障度、器材平均響應時間和運輸平均響應時間。這些參數中既有各階段任務結束后平均得出的，也有總任務結束后平均得出的。

2.3 文獻資料數據

文獻資料數據中既包含系統運行產生的評價項目歷史數據，也包含與裝備保障和方案評價相關的期刊論文及其他歷史資料，輔助評價參與者更好地完成各自承擔的評價任務。

3 數據建模語法簡介

在研究其建模語言時，主要借鑒較為成熟的信息建模語法—IDEF1X 法，針對裝備保障方案綜合評價數據信息的特點來規范其所需的描述元素和使用規則。

3.1 描述元素

1）框

用框表示實體，如圖1 所示，方角框表示獨立實體，即實體的每個實例都能被唯一地標識而不決定于它與其他實體的聯系。圓角框表示從屬實體，即實體的某一實例的唯一標識依賴于該實體與其他實體的聯系。每個實體分配一個唯一的名字和號碼，它們之間用斜杠（/）分開，置于框上方。

圖1 實體語法

2）線

根據線在模型中表示的含義不同，可分為3 種類型。

（1）間隔線

間隔線位于實體框中，是一條水平線，將數據元素隔離成上下兩部分，上部是充當主鍵或標識符的數據元素，而下部是不充當主鍵或標識符的數據元素。如圖2 所示，實體框內的每一行都為一個屬性名，并根據具體情況確定主鍵、候選鍵和外鍵。

圖2 間隔線語法

（2）連接線

連接線位于實體框之間，主要描述實體間的相互聯系。在確定關系中，用實線表示父子實體之間的標識關系，用虛線表示父子實體間的非標識聯系；在非確定關系中，用一個兩端均帶圓點的實線來描述。如圖3所示。

圖3 連接關系語法

3）終止符

終止符出現在線的末尾，表示在實體或表中有多少相同的實例被允許或被要求同另一個實體或表中的某個實例相關聯。一般來說，為了描述數量多少的問題，用一個點和符號的組合，表示零個、一個或多個，如圖4所示。

圖4 終止符語法

3.2 使用規則

裝備保障方案綜合評價數據概念建模工作必須滿足以下規則。

1）實體規則

（1）每一實體必須使用唯一的實體名，且不同實體不可用相同含義的名字；

（2）一個實體可有一個或多個屬性，既可以是自身具備的，也可以是通過聯系繼承的；

（3）一個實體應有一個或多個能唯一標識該實體的屬性；

（4）從屬實體的主鍵必須含有一個完全外來關鍵字。

2）連接聯系規則

（1）確定關系總存在于父實體和子實體之間；

（2）子實體的一個實例必須且總是恰好與父實體一個實例相聯系；

（3）擁有標識關系的子實體總是一個從屬標識符實體；

（4）一個實體根據聯系不同可同時為父實體和子實體。

（5）在最終的模型中，非確定聯系必須通過引入相交實體由確定聯系來替代。

3）分類聯系規則

（1）一個分類實體只能對應一個一般實體；

（2）分類實體與一般實體的主鍵屬性相同；

（3）分類實體不能是標識聯系中的子實體。

4）屬性規則

（1）每個屬性必須有唯一的名稱，且不同屬性不可用相同含義的名稱；

（2）每個實體可具有任意個屬性，但一個屬性只能歸屬于一個實體；

（3）每個實體可具有任意個繼承屬性，而每個繼承屬性都必須是某個相關的父實體或一般實體主鍵的一部分；

（4）實體的每個實例對每個屬性都有且只有一個值。

4 基于IDEF1X的評價數據建模

數據建模是指詳細描述系統的信息結構，捕捉業務規則，找出系統數據元素之間關聯方式及定義方式以便以后在系統中識別和使用。數據模型一般分為概念數據模型、邏輯數據模型和物理數據模型，因此，數據建模過程可以被概括為概念建?！壿嫿！锢斫?，對系統數據信息逐步細化和完善，如圖5 所示，一般來說，概念模型與邏輯模型緊貼業務需求，因此設計者經常合二為一，同時開發。而對于簡單的系統而言，可跳過這一步直接進行物理建模，即數據庫的設計開發。

圖5 數據建?；具^程

4.1 概念建模

裝備保障方案綜合評價的概念數據模型主要是描述整個裝備保障方案綜合評價工作的數據信息需求，明確實際系統運行過程中所涉及的事實、理念或概念，為評價參與者和數據庫設計人員進行語義表達和交流提供支持。作為數據建模工作的第一步，概念建模主要根據系統范圍收集系統運行流程或研討活動中所需的數據元素，即從流程中尋找所有活動，以獲得一個清晰、客觀的數據元素及其規則的視圖，也就是描述系統運行中的數據范圍，對整個運行過程中的重要數據元素概念進行定義，完成從現實世界到概念模型的轉化，其具體步驟如下。

1）確定概念實體

在明確目標任務、理清即將進行的分析所覆蓋的領域及其約束后，按照自頂向下的方法找出系統運行過程中所包含的重要元素，對這類元素進行良好定義并綜合為概念，形成潛在概念實體集，通過與系統數據信息需求進行對比，對原始集合進行優化，確定最終的概念實體集。

2）確定概念實體間的關系

兩個實體之間的關系映射一條業務規則，由于它們在概念模型中所處層次較高，其映射的并不是數據集間的關系，而是概念之間的關系。概念模型中通常沒有正規化的概念，也不設置相應的屬性、主鍵和連接字段，設計者需找出概念實體間的連接或關系，注意其中是否是有條件的或者存在某種約束。

3）檢查業務規則并發布模型

將業務規則與數據信息需求進行比照，驗證模型是否捕捉到所有需求，檢查實體關系剔除其中的冗余項，規范對關系的描述，最后對概念模型予以發布。

根據系統數據信息需求分析結果，采取自頂向下的分析方法，可從全局上確定的概念實體包括用戶、角色、評價項目、評價流程、評價體系、研討活動、權限、模型工具、數據接口、模型工具接口、文獻資料、作戰想定、裝備保障方案和裝備保障仿真對象。

圖6 裝備保障方案綜合評價概念數據模型

根據所確定的概念實體間的相互聯系，建立如圖6 所示的概念數據模型。同一“用戶”可參與不同“評價項目”，在不同“評價項目”中可擔任不同的“角色”，但在同一“評價項目”中只能擔任一類“角色”。同時“評價項目”包含眾多“用戶”，一類“角色”可由多個“用戶”擔任，因此，“用戶”與“評價項目”、“用戶”與“角色”之間均為多對多關系。一個“評價項目”只能配置一套“評價流程”和一套“評價體系”，但同一“評價流程”和“評價體系”可用于不同“評價項目”，因此，“評價流程”與“評價項目”、“評價體系”與“評價項目”之間為一對多關系?！霸u價流程”由多個“研討活動”組成，在“研討活動”中配置了不同的“數據接口”和“模型工具接口”，根據“角色”所賦予的“權限”不同，可以調用不同的“模型工具”，訪問不同的數據對象，包括“文獻資料”、“作戰想定”、“裝備保障方案”以及“裝備保障仿真對象”，從而進行相應的評價工作。

4.2 邏輯建模

裝備保障方案綜合評價的邏輯建模主要通過加強對頂層業務需求的理解，將所確定的概念層實體關系進行深入分析和細化，形成全屬性的數據邏輯關系，從而實現概念到邏輯的轉換，其具體步驟如下。

1）確定邏輯實體

在檢查和確認概念數據模型的基礎上，分析所有概念實體的定義，歸納形成相應主題域，從主題域中找出邏輯實體，得出邏輯實體集。

2）確定屬性和各種鍵

在實體定義的基礎上，通過添加屬性對邏輯實體的特征加以描述，并通過定義屬性（包括描述、示例和注釋）、給出數據類型（域）來加強對實體的理解。同時從候選鍵中選擇主鍵并確定替代鍵、外鍵等。

3）細化邏輯實體間關系

在確認概念實體間關系的基礎上，標識和定義邏輯實體間的基本連接關系，確定關系基數，剔除非確定關系，若包含多對多的非確定關系，需通過引入交叉實體將其轉換為確定關系。

4）在業務規則和范式的引導下進行檢查

對照業務規則和數據建模范式要求對邏輯數據模型進行檢查，添加必要屬性并刪除多余屬性，剔除多余的關系，確認最終的邏輯數據模型。

系統的概念數據模型從頂層出發，反映了評價參與者、保障方案綜合評價工作及數據信息三者間的相互關系，根據系統的概念數據模型，結合上文對于評價數據信息的相應分類，從評價運行主題域和裝備保障仿真主題域兩方面開展邏輯建模工作，由于篇幅有限，這里僅選取裝備保障仿真主題域中的使用任務子域進行邏輯建模。

裝備保障仿真數據是輔助研討專家進行綜合評價工作的重要依據，其中，在使用任務子域中，根據作戰想定的具體要求，可以將作戰單元的作戰任務轉換為裝備作戰單元的若干使用任務，使用任務主要描述裝備作戰單元在作戰任務中的使用過程和行為活動，根據裝備使用任務數據的需求分析，可確定其中的邏輯實體包括裝備作戰單元、復雜任務、階段任務、裝備完好數量要求、廣義工作時間、裝備損壞情況、紅藍對抗任務等，依據實體間關系，構建使用任務邏輯數據模型如圖7所示。

“保障對象系統”是使用任務的承擔者和執行者。上級“保障對象系統”具有“復雜任務”，分配到下級“保障對象系統”形成若干“階段任務”，“階段任務”除了描述任務相關參數外，還對“裝備完好數量要求”、“廣義工作時間”、“紅藍對抗任務”及“裝備損壞情況”進行詳細描述。其中，“紅藍對抗任務”反映“紅方兵力”和“藍方兵力”基本情況及相互關系。

圖7 使用任務邏輯數據模型

4.3 物理建模

裝備保障方案綜合評價的物理建模通過面向計算機物理標識，將邏輯實體轉化為表，將屬性變為列，并依據實體聯系設計表之間的約束來完成這一轉換過程，最終構建數據庫對象，此外對命名標準、數據類型及相關約束進行檢查，其具體步驟如下:

1）邏輯名到物理名

根據邏輯名特點和DBMS 對表名和列名的長度要求進行相應的物理命名。

2）從類別中創建表

確定類別的物理結構，創建表單并將屬性轉化為列，定義列的名稱、數據類型、長度及相關約束，將邏輯實體間的關系轉化為表之間的約束，另外還要定義相應的鍵、觸發器、存儲過程、規則、索引及檢查約束等。

3）復查并確定主鍵

在完成類別結構選擇等工作后，首先應對每個表進行復查，然后根據相應規則對物理主鍵進行最后確定，在主鍵確定后加入數據類型和大小。

4）完整性檢查

在各表中建立實例，通過對數據庫中插入、刪除和修改數據進行限制和約束來實現數據的正確性和一致性。

在完成保障方案綜合評價的邏輯數據模型構建之后，依據物理建模的具體步驟，將邏輯建模過程中所劃分的子域進行相應結合，形成完整的數據庫關系，從而完成系統數據庫的設計，與使用任務子域相對應的階段任務數據表單如表1所示。

表1 階段任務表

通過對裝備保障方案綜合評價所需的數據信息進行概念建模、邏輯建模和物理建模后，便可完成對數據信息的相應組織規劃，形成適用于綜合評價工作的系統數據庫。

5 結語

通過對裝備保障方案評價所需的數據信息進行分析與分類，基于IDEF1X 對裝備保障方案評價系統所需數據進行概念建模、邏輯建模和物理建模，完成對裝備保障方案綜合評價的數據建模工作，對評價所需數據進行良好地組織規劃，為下一步數據可視化工作奠定基礎。