任天助，辛万青，严晞隽，吴雄清

（1. 北京宇航系统工程研究所，北京，100076；
2. 中国运载火箭技术研究院，北京，100076）

体系需求分析是体系工程的基本活动之一，一般认为是开展体系设计的预先过程。体系相比一般的系统而言组成要素更多，更加关注整体的能力而非单一系统性能，使得需求分析更加复杂。国内外对于体系需求分析问题开展了很多研究，其中DoDAF多视图的架构建模方法是目前国内外最流行的体系需求设计框架，并在其基础上发展出面向基于MBSE的UPDM、UAF描述框架，以UML/SySML建模语言实现了对体系需求的规范化、模型化描述。尽管其建模的具体步骤只有几步，但12大项百余条小项的庞大术语集要求架构设计人员对DoDAF冗杂的建模范式有深刻理解。而UAF、UPDM这两者都采用UML/SySML建模语言，同样也增加了建模的门槛。更关键的是这类方法以既定的概念作为输入，但是没有明确给出概念的产生过程，也不对能力的产生机制进行解释。换言之，DoDAF这类需求分析模型更多是采用逆向工程的方法，将已经在文档中甚至是大脑中建立好的体系概念用一套完善的架构模板表示出来。然而在设计之初，需求提出方与体系架构师往往只有大致的目标实现流程和可能适合的组成系统方案，需要正向地去确定体系应该具备的能力以及如何组织体系的组成系统去实现所有目标。这种方法的欠缺使得长期以来各类体系架构并没有在体系工程中起到预期作用。因此，体系需求设计方法不应该只是看重最后的结果形式，而是能够依照一定步骤，构成体系概念、分析体系具备的能力、开展需求分析的综合方法论。

除了采用基于DoDAF及其衍生框架的体系需求分析方法之外，一些学者也尝试构建其他形式的体系需求分析建模方法。孙长龙[1]将作战体系的概念定义为使命任务、平台单元或设施和信息网络的三元组，通过信息链对防空作战体系开展能力分析。Teddy Bouziat[2]则从多Agent建模的角度，将体系定义为组成系统和使命目标的二元组，并将组成系统以独立Agent的形式开展需求的分析。Eduardo Silva[3]提出了一种名为mKAO的描述体系概念的语言，以任务为线索串起整个体系的需求分析与开发流程。这些方法有一个共同的思路，旨在以多元组的形式给出体系概念建模的模板，结合网络、解析、仿真等手段对体系的任务过程与能力需求开展分析。但这些方法由于没有形成具有通用性的建模语言与方法，导致应用只集中在特定领域，没有形成广泛的影响力。

本文试图以简洁高效的OPM语言建立体系概念模型，形成具有可操作性的需求概念获取方法。并将OPM概念模型融合到联合能力开发（Joint Capabilities Integration and Development System，JCIDS）流程中作为概念支撑，结合OPM语言特点对JCIDS中的能力分析过程进行改进，形成对体系能力需求的分析。以目标实现通路为蓝本，逐渐丰富体系的概念。并在每条回路中分析物质、信息的流向，得出体系的任务-能力生成机制。最后以海上救援体系为案例，验证了该方法的有效性。

以色列系统科学家Dori[4]提出了对象过程方法论（Object-process Methodology），以对象和过程这两个最基础的概念，建立了一种简洁而强大的系统建模范式，被公认学习难度远低于UML与SySML，是被国际系统工程委员会（International Council on Systems Engineering，INCOSE）官方认证的MBSE方法之一。该方法被广泛应用在从分子生物学到航天推进系统的复杂性建模研究中。国内外学者均对OPM语言及其建模方法有许多工程应用，包括周波[5]、李紫漠[6]、黄其旺[7]等。由于篇幅有限，下面仅对这种语言的部分建模机制做简要的介绍。

1.1 OPM语言的基本要素

OPM语言的基本建模要素分为实体和连接关系两类。实体是 OPM 系统建模的基本模块，连接关系则是表示实体之间的相关性。对象（Object）、过程（Process）和状态（State）是OPM的3种基本实体，其中对象负责描述系统的物理和信息，状态则是对象所处的状况，而过程则负责描述对象的生成、消耗以及对象自身状态的迁移转变。

实体之间的连接关系分为静态的结构性连接关系和动态的过程性连接关系两大类。4种基础性的结构连接为：整体-部分，展示-特征，一般-特殊，类型-实例连接。过程连接包括表示过程产生对象、消耗对象、改变对象状态的变换连接，表示对象中人对过程主导关系、工具对过程支撑关系的支持连接和表示事件的触发与调用的事件连接。

1.2 OPM语言的特点

SysML语言是目前应用最广泛的系统架构建模语言，这里将OPM语言与SysML建模语言进行比较，以此说明一下OPM语言的特点，如表1所示。SysML语言的建模方式来源于软件编程领域的面向对象范式，主要突出对象本身，过程是对象的一种依附物。而OPM采用的是基于最小本体理论，以对象-过程作为描述系统结构、功能和行为的二元组。过程不再是面向对象范式中依附于对象的“二等公民”，而是作为变换对象状态、产生与消耗对象的基本实体，与对象同等重要。这对于体系问题来说是一个得天独厚的优势，因为体系中的过程往往是多个组成系统协同参与的，依附单独的任意一个系统都难以表示体系在实现目标过程的全貌。而且OPM中多层次而非多视图的表现形式对复杂系统建模问题而言更有助于从整体去构建各组成系统之间的关系。对于关键系统可以根据需要在统一视图的基础上进一步添加颗粒度，对特定的过程和对象进行“展开”。此外，OPM的建模规则和元素要明显少于SysML语言，这样能够降低系统建模人员学习语言的难度，让各个领域的系统工程师能够专注于需求分析与架构设计，而非对建模语言语法的深究。

表1 OPM语言与SysML语言的比较 Tab.1 Comparison between OPM and SysML

2.1 基于OPM的体系概念模型

图1是利用OPM的基本语言对体系概念定义，其思路在于将体系按照过程-对象的二元理论定义为任务和系统的二元组。体系的组成系统之间以功能过程为纽带相联系，并通过参与任务改变目标的状态，实现体系的目标。任务由功能过程组成，组成系统通过执行功能过程或是影响其他系统状态使之处于相应的能力状态，以此实现的任务目标。

图1 基于OPM的体系概念组成 Fig.1 System of Systems Concept Composition based on OPM

2.2 体系概念的分析设计流程

结合OPM语言的特点，这里将体系概念的分析设计流程分为以下3个步骤：

a）构建体系概念中目标的实现流程。

在体系概念设计的最开始阶段，与体系的利益相关者沟通一同梳理体系的目标，获取初始的需求。在开始阶段，需求往往是模糊与片段化的，如果存在多个利益相关者他们的需求可能还存在冲突，因此需要对各个利益相关者的需求进行梳理，明确体系的使命目标和体系实现目标的大致流程步骤。并在流程步骤中，为各项主要活动分配所依赖的对象或所要影响的对象，实现的OPM模型如图2所示。这里需要说明的是，本文中的“活动”对应对象-过程方法论中的“过程”，而“系统”则对应“对象”。

图2 构建目标的实现流程 Fig.2 Building the Realization Process of Goals

b）构建系统-活动解决方案组合。

在a步骤中，只确定了体系实现目标的基本流程，而不涉及体系选用何种具体的解决方案。这里将解决方案定义为系统-活动的组合，即利用“何种对象”以“什么样的方式”实现，是对上一步骤的特征化。

这一步骤，在相关技术专家的指导下，对每个活动考虑各种可能的实现方式进行枚举。各个实现方式里，在OPM模型中将同一类系统进行具体化，并为每个系统分配其所要执行的活动，将解决方案带入到下一步的设计中，该步骤如图3所示。

图3 系统-活动解决方案组合 Fig.3 System-activity Solution Composition

c）为体系的关键系统设计状态，并对体系概念进行逻辑验证。

体系架构师根据各系统特质，对系统类型进行细分，定义系统的各自状态，并与流程中的活动相关联，描述各个流程的转换关系。同时利用OPM语言的优势，对体系所有组成系统的交互关系开展逻辑验证。

至此，一个OPM概念模型已经基本形成，但还不是一个完整的体系需求模型。这是因为体系除了组成系统及其之间的作用关系之外，还有一个重要的抽象概念：能力。在许多体系研究者眼中，能力是体系的灵魂。可以说体系需求设计就是一个能力获取的流程。但是目前的步骤只形成了体系的需求蓝图，依然没有对体系需求开展详细分析，还不能对后续体系设计与开发形成有效的指导。因此，本文将OPM建模方法与JCIDS能力需求分析流程相结合，形成一套能够简洁高效、并具有较高可操作性的体系需求分析方法。

3.1 JCIDS能力需求生成步骤

联合能力集成与开发系统是美军为完成联合作战任务、实现联合作战目标创建的一种作战需求生成系统。其结果用于指导装备采办阶段中完成装备的设计与选型。其流程大致包括以下5个步骤：

a）国防部战略指南：自顶向下给出体系需求的原则和依据。

b）联合作战概念：形成描述装备作战形式的蓝图。

c）功能域分析（Functional Area Analysis，FAA）：输出需求的任务、条件、标准。

d）功能需求分析（Functional Needs Analysis，FNA）：比较和确认能力现状和存在的差距。

e）功能解决方案分析（Functional Solutions Analysis，FSA）：针对能力差距需求寻求功能解决方案。

JCIDS中具备可操作性的需求分析步骤和对能力差距的分析，能够提高体系架构设计人员对需求的把控力，为体系架构设计提供充分的依据。在这套方法论中，联合作战概念的建立起到了承上启下的作用，即承接战略目标的要求，通过对概念中任务-能力的分析建立一体化的体系架构。

对于更一般的非军事体系，本文中将OPM概念模型替换JCIDS中的联合作战概念，用于承接利益相关者要实现的目标，并对功能域分析和功能需求分析步骤进行适应性改进。

3.2 面向目标实现通路内的流程组合确定任务及其条件

在原有OPM概念模型建立基础上，为了实现JCIDS中对能力的需求分析，需要对原有的流程进行重新划分。在建立OPM模型中，一开始的活动只是粗略地勾勒了实现目标的蓝图。而后建立的活动又都是相对碎片化的，不能够反映体系能力特征。因此本文提出了目标实现通路的概念，即在OPM概念模型的基础上，分析体系内物质、信息的流转关系。以目标相关物质转移、目标相关信息传递的链条构成以系统实体为节点，流转关系活动为边的体系要素网络。并以流转的信息、物质的不同从中划分出不同的系统-活动组合，将其称之为目标实现通路。将该通路内的活动聚合，提炼该回路内要实现的目标，并列举影响目标实现的任务条件，梳理不同条件对目标实现回路走向的影响。

3.3 从评估角度定义能力并制定评价标准

从需求分析的角度来讲，评估体系是否能够满足要求需要一个载体，对不同利益相关者的需求实现情况，不同任务的满足情况，都能由这个载体来度量。在体系工程中，这个度量就是体系能力。许多文献中能力都是由利益相关者直接给出的，但是在实际情况中，需求提出方更多情况下只能说明一些概念，难以说明体系具体需要哪些能力，也无法建立能力与任务的关系。考虑能力是为了评估体系而存在的，本文在体系层面提炼不同任务中的评估指标聚合，对共通性的效能指标进行整合，归纳出体系的能力。这种方法解决了能力需求提出的问题，便于需求提出方和架构设计方快速形成能力清单，开展后续评估工作，而非在体系能力流程的组成上迟迟难以达成共识。并将由任务到能力的分析流程中，评估指标这一中间流程固化下来，形成评估指标生成表。

3.4 评估当前解决方案对体系需求的满足程度

在OPM模型的基础上，建立基于系统-活动的解决方案和体系能力的关系。结合解决方案的技术特性和需求方的要求，按照任务-能力指标生成表评估当前体系概念模型内各种解决方案的能力水平，分析与需求期望能力水平的差距。

海上救援体系被认为是典型的体系问题，被许多体系研究者用于验证相关方法。本文结合相关文献[8,9]，以天基信息支持下的海上救援体系作为应用案例，验证前文的体系需求分析方法的有效性。

4.1 海上救援体系OPM概念模型建立流程

对于海上救援体系，其使命目标比较明确，就是为了在海上救援遇险人员和遇险船只。其主要的利益相关者包括政府海洋监测部门、救援执行部门以及海上作业人员、游客等可能在海上需要救援的人员。对于海洋监测部门来说，需求是能在各种条件下尽可能快地发现海上遇险人员。对于救援部门来说，在有限的成本下建立快速反应的海上救援力量。对于海上遇险人员来说，则是能够使用有效的报警装置让救援力量发现自己，并尽可能长时间地在救援力量到达前保障自身安全。由利益相关者的描述我们可以梳理出海上救援体系大致流程为：由救遇险员进行报警，定位系统对遇险人员进行定位，通信系统将遇险定位信息上报到指挥节点，指挥节点分配救援力量前往遇险位置开展救援。因此，以OPM语言绘制海上救援体系的目标实现流程如图4所示。

图4 海上救援体系目标实现流程 Fig.4 Target Realization Process of Maritime Rescue SoS

对这6个活动匹配系统-活动功能解决方案，得到如图5所示的系统-活动解决方案组合。海上救援体系中，传统的定位解决方案是采用多颗低轨救援卫星进行双星或三星定位，然后利用静止轨道上的卫星对定位信息向地面站转发。但是低轨卫星的轨道覆盖做不到实时定位，定位延迟有时会达数个小时。因此后续又有采取以中轨卫星定位，静止轨道卫星进行转发的解决方案。随着北斗、格洛纳斯等新型中轨星座的普及，不仅可以不依赖传统的静止轨道卫星转发信息，直接依靠中轨星座进行通信，并且由传统的由遇险方到救援方的单向通信提升为双向通信，依靠诸如北斗短报文的通信模式能够将救援信息反馈给救援者，大大提升了搜救的通信水平与遇险者的获救信心。但是，目前诸如北斗的中轨卫星救援系统只能实现小范围区域的覆盖，传统的高低救援卫星组合的覆盖范围要远远超过中轨卫星。因此，图中的体系概念包括了多种卫星类型的解决方案。

图5 海上救援体系解决方案组合 Fig.5 Maritime Rescue SoS Solution Portfolio

接下来对体系的系统-活动组合进一步细化，明确系统种类。如图6所示，将联结多个要素的关键系统，如中轨救援卫星、卫星地面终端等添加状态，并对整个体系的运行机制进行逻辑验证。至此，海上救援体系的OPM概念模型基本完成。

图6 海上救援体系概念与可执行逻辑验证 Fig.6 Validation of Concept and Executable Logic of Marine Rescue SoS

4.2 海上救援体系目标实现回路分析

按照前文提出的方法，将体系内系统的活动简化为边，系统为节点，得到海上救援体系的要素关系网络，如图7所示。根据上述要素关系网络，进行分析发现海上救援体系的目标实现主要体现在遇险信息的流转、救援反馈信息的流转和救援力量的实体位置的转移。由此得出主要有如下的4条目标实现回路：第1，遇险定位信息的生成回路，即从遇险人员发出请求，经卫星或电台定位计算生成；
第2，遇险定位信息的转发回路，定位信息由天基卫星或岸基电台进行转发，地面终端进行解算，直至当地搜救协调中心收到位置信息并分发给最近的救援力量；
第3，救援力量的派遣回路，即救援力量从当前所在位置出发，根据提供的信息前往遇险海域搜索，直至到达人员遇险位置；
第4，救援信息的反馈回路，即从救援指挥中心经卫星通信反馈给遇险人员，使得遇险人员配合救援行动，增强获救信心。

图7 海上救援体系组成要素网络 Fig7 The Elements Network of Maritime Rescue System

4.3 海上救援体系的任务与能力

将上述4条目标实现通路归结为4项任务，可知该体系的4大任务分别为生成遇险定位信息、传递遇险定位信息、派遣救援力量和反馈救援信息4项。接下来讨论任务执行的条件，以生成遇险定位信息任务为例，影响目标实现通路走向的环境条件包括遇险位置离岸距离、纬度。因为依靠目前常用的AIS系统进行定位时，信号距离一般不超过30海里，所以离岸距离影响了定位回路能否从岸基定位向后推进。同时，在高纬地区卫星覆盖存在盲区，定位任务只能通过岸基系统，因此遇险位置纬度也是条件之一。

按照前文的方法，从对各个目标实现通路评估的角度进行能力定义。例如，评估遇险定位信息的生成好坏，可以从定位的延迟与精度两方面，将这两方面聚合而成得到的则是海上救援体系的定位能力。而评估传递遇险信息和反馈遇险信息这两项任务时，都可以从信息传递时延、信息容量和信息抗干扰性这3个方面进行。因此可将其合并为同一项能力，称为信息传输能力。按照该方法得到海上救援体系任务-能力评估指标生成表，如表2所示。

表2 任务-能力评估条目生成表 Tab.2 The Mission-capability Evaluation Construction

4.4 对海上救援体系解决方案的评估

按照前文的方法，为了对目标实现回路内的不同解决方案开展评估。这里再次以生成遇险定位信息回路为例，将分析得到的任务条件、能力评估指标和系统解决方案建立联系用OPM语言描述，如图8所示。

图8 用OPM语言描述任务条件-能力指标-系统解决方案 Fig. 8 Mission Condition, Capability Index and System Solution in Object-process Diagram

图8 表示了任务条件对解决方案的影响，以及解决方案的能力评估水平。在离岸距离小于30海里以外时，岸基定位无法发挥作用。遇险位置处于高纬地区时，天基定位无法发挥作用。利用OPM的状态表示能力评估水平，从图中可以看出采用岸基定位、中轨卫星定位和低轨卫星定位的能力水平。在近岸条件下岸基定位的能力基本能满足体系需求，但是离岸较远的条件下，采用低轨卫星开展天基定位对需求满足情况最差，中轨卫星好于低轨卫星，但在定位延迟方面还存在一定差距。

在图8中，利用OPM语言表现了体系任务条件、能力指标、系统解决方案3个重要方面的关系，尽管不能实现定量计算，但这种基于模型的描述方法为后续进行体系评估模型的详细设计确定了输入输出和基本框架。

本文提出的需求分析方法有如下特点：

a）该方法从正向工程的角度，将初始模糊的需求逐渐完善形成完整的任务、能力、组成系统的需求要素集，使得体系需求分析按照逻辑变得有迹可循。

b）该方法的可操作性强，从概念设计，任务划分，能力评估的闭环链条中，每一步都有对应的操作步骤，为体系需求分析找到了可执行的方法论。

c）基于OPM的语言描述方法大大简化了概念描述、流程建模和能力表示的难度。以这种基于模型的系统工程范式，将体系要素更清晰地表示出来。

目前的研究局限在依托体系概念开展定性的需求分析上，对于定量的分析尚存在困难。在后续的研究中，将探索OPM语言与其他基于模型的体系分析方法相结合，开展定量的解析、仿真计算，进一步提升需求分析评估的可信度。

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