航空武器装备顶层论证技术发展现状与趋势

李清， 闫娟， 朱家强， 黄涛， 臧精, *

1. 中国航空工业发展研究中心， 北京　100029

2. 中航工业航空总体论证科技重点实验室， 北京　100029



航空武器装备顶层论证技术发展现状与趋势

李清1, 2， 闫娟1, 2， 朱家强1, 2， 黄涛1, 2， 臧精1, 2, *

1. 中国航空工业发展研究中心， 北京100029

2. 中航工业航空总体论证科技重点实验室， 北京100029

摘要:航空武器装备顶层论证是航空武器装备论证的重要内容，是航空武器装备发展的顶层设计与型号发展的先期论证。开展航空武器装备顶层论证，是实现航空武器装备体系对抗的需要，也是航空武器装备由跟踪发展向自主创新跨越的需要。分析了航空武器装备顶层论证技术面临的挑战，回顾了航空武器装备顶层论证技术从产生到逐步完善的发展历程，剖析了航空武器装备顶层论证当前面临的技术难点与可能的应对策略，探讨了航空武器装备顶层论证技术当前及今后一个时期的研究重点与发展趋势。

关键词:航空武器装备； 顶层论证； 需求工程； 体系设计； 效能评估； 推演仿真

航空武器装备顶层论证，是随着航空武器装备论证的内涵不断丰富、外延不断扩展而出现的新概念，目前尚无明确定义。综合相关研究，本文将航空武器装备顶层论证定义为航空武器装备平台之上和型号立项之前的各项论证工作的统称，是航空武器装备发展的顶层设计与型号发展的先期论证，主要包括航空武器装备发展战略与规划论证、航空武器装备体系论证、航空武器装备型号研制立项综合论证等。开展航空武器装备顶层论证，是实现航空武器装备体系对抗的需要，也是实现航空武器装备由跟踪发展向自主创新跨越的必然选择。

1航空武器装备顶层论证技术面临的挑战

航空武器装备顶层论证技术，是支撑航空武器装备顶层论证的各种方法和手段的统称，是航空武器装备论证技术的丰富与扩展。随着航空武器装备论证的内涵外延的丰富与扩展，航空武器装备顶层论证技术主要面临下列挑战。

1.1论证范畴发生变化

囿于历史原因，国内航空武器装备论证一度主要局限于瞄准国外具体产品的型号技术论证。近年来，随着环境、任务和自身能力的演变，航空武器装备论证已经明显超出了型号技术论证的范畴。一般认为，航空武器装备论证包括宏观综合论证、型号论证和有关专项论证[1]。航空武器装备顶层论证囊括了宏观综合论证的全部内容和型号论证中的立项综合论证。随着航空武器装备论证范畴的演变，航空武器装备顶层论证从无到有。如何支撑航空武器装备顶层论证，就成为了航空武器装备顶层论证技术面临的首要问题。以型号立项综合论证为例，近年来发生了两大变化：①型号技术论证向型号综合论证扩展；②单一型号论证向体系论证扩展。从而使得型号体系定位及其对体系整体作战能力的贡献率，成为型号立项综合论证必须首先明确的问题。如何为应对上述变化提供有效的技术支撑就成为了顶层论证技术必须关注和解决的重大现实问题。

1.2论证领域发生变化

如前所述，传统的航空武器装备论证关注的主要是技术问题。近年来，这种情况已经不复存在，继技术论证和经济性论证之后，军事问题已经成为航空武器装备论证不可回避的重要领域。军事想定贯穿需求论证、体系设计、产品概念方案设计和效能评估的全过程，作战视图是指导体系设计和产品概念设计的重要工具，作战流程、作战时序与作战信息交互关系等是确定产品功能、性能和战技指标的重要依据。面对上述变化，军事素养已经成为航空武器装备顶层论证人员的必备素养，军事想定编制、作战视图描绘等相关技术已经融入航空武器装备顶层论证技术体系中，如何主动适应上述变化，已经成为航空武器装备顶层论证技术必须面对和迫切需要解决的现实问题。

1.3论证方法发生变化

航空武器装备论证具有一般产品论证的共性特点，也有自身的个性特点；及时吸纳国内外产品论证共性理论的新进展，不断总结自身实践的新经验，构建并不断充实完善航空武器装备顶层论证技术体系，是推动航空武器装备论证技术不断创新的必由之路。近年来，国外相关领域的三大进展值得关注：①起源于大型复杂软件系统开发的需求工程技术新进展[2]；②起源于“企业”体系结构开发的体系结构框架新进展[3]；③基于模型的系统工程理论新进展。上述进展为构建和完善航空武器装备顶层论证技术注入了新的活力，因此，如何立足国情实现引进消化再创新，构建适应形势发展需要的航空武器装备顶层论证技术体系的问题已经摆在了面前。

1.4论证要求发生变化

随着人们对战争规律和武器装备发展规律认识的不断深化，对航空武器装备论证的要求也在改变。按需求特点进行划分，大致有3个层次：①满足需求，即需求是明确的，论证的重点是如何通过发展适当的装备以满足需求；②开发需求，此时需求尚不明确，但客观存在，需要通过论证工作予以明确，并通过发展装备予以满足；③创造需求，即通过设计战争，创新战法，创造出对未来武器装备的新需求，也即设计武器就是设计战争。对于前两种情形，国内外已有大量经验；对于第3种情形，国内近些年刚刚提出，还需要从认识论和方法论层面分别予以解决，其中方法论层面的问题就是航空武器装备顶层论证技术应当予以关注和解决的。

2航空武器装备顶层论证技术发展现状

回顾历史，航空武器装备顶层论证技术不是凭空产生的，也不是一夜之间就得以建立和完善的。通用领域的相关成果为其提供了方法来源，国防领域的类似研究为其提供了有益借鉴，航空武器装备的发展历程为其提供了实践基础。伴随着理论的逐渐完善和实践经验的不断丰富，航空武器装备顶层论证技术也从产生走向成熟。

2.1需求工程技术

航空武器装备需求工程，是应用已经证实的方法与手段，对尚待开发的航空武器装备进行需求分析，确定用户需求，定义其必备特征的工程技术[4]。需求工程由需求开发与需求管理两部分组成，其中需求开发又包括需求获取、需求分析、需求描述和需求验证等环节。因此，航空武器装备需求工程，也是支撑上述需求开发与需求管理活动的各种方法与手段的统称。

航空武器装备需求工程的产生与发展，得益于军事需求工程与软件需求工程的双重推动。20世纪60年代初，美国国防部建立了规划、计划和预算系统(PPBS)，将系统工程方法引入了国防领域。20世纪80年代中期，美国国防部在武器装备发展中全面推行需求生成系统(RGS)，军事需求工程由此产生。2003年8月，为适应冷战结束与进入信息化时代的需要，美国国防部推出联合能力集成与开发制度(JCIDS)，基于能力成为推动需求发展的新动力。与此并行，随着计算机与软件工程的发展，20世纪80年代中期，软件需求工程的概念开始出现。20世纪90年代，软件需求工程成为软件工程领域的新热点。1996年，Springer-Verlag(全球第一大科技图书、第二大科技期刊出版公司)创办《Requirements Engineering》杂志，标志着软件需求工程已经确立[5]。软件需求工程理念与方法在军事领域的运用，为军事需求工程注入了新的活力；军事需求工程运用于航空领域则产生了航空武器装备需求工程。

航空武器装备需求工程包括需求开发与需求管理两部分内容，作为技术综述，以下将围绕需求开发技术展开。当前可用于航空武器装备需求开发的方法主要有[6]：

1) 基于系统工程的需求开发

基于系统工程的需求开发方法，基于系统思想和系统原理，以大型复杂系统为研究对象，按一定的目的对系统构成要素、组织结构、信息交换和控制等进行分析、设计、开发、管理和控制，以达到总体效果最优。自20世纪80年代以来，出现了多种具有实际意义的需求开发方法，如以需求描述见长的结构化、形式化、面向对象、面向目标、场景驱动和本体建模等技术。其中，本体建模技术是近年来的新型技术，其特点是运用多本体建模技术以规范整个建模过程，实现领域知识的充分利用，显著提高建模效率。

2) 基于多视图的需求开发

为解决大型系统需求分析时难以获得完整、准确、清晰的系统需求描述的问题，Zachman将多视图的思想引入复杂信息系统的体系结构建模领域，即基于多视图的需求开发方法。该方法源的基本思想是“分而治之”，即基于不同人员对研究对象的不同关注点，将复杂问题分解为多个相对独立的小问题，然后通过建立诸多小问题及其相互关系模型来对研究对象进行分析和设计。例如，美军以此为基础建立了C4ISR体系结构框架。

3) 基于概念模型的需求开发

基于概念模型的需求开发方法，是为强化对军事需求的规范化和一致性描述而引入的，基本思想是在需求分析过程中，先进行军事使命需求采集，然后根据使命需求进行树结构分解、获得子使命集合并构建概念模型，最终建立可重复利用的概念模型库。采用该方法的优点是：提高了军事需求描述的准确性，使军事需求建模具有了可重用性，在减轻建模工作量的同时使系统能够进行流程再造和柔性组合。

4) 基于能力的需求开发

基于能力的需求开发方法，是针对航空武器装备所隶属的军兵种与应用范围，结合其军事需求与作战使命，规划作战能力，遵循“联合作战概念→军事战略与作战使命→作战能力→航空武器装备→核心技术”的需求分析主线，确定航空武器装备在未来作战体系中所能提供的支持效果[7]。该方法在美空军远程作战能力分析[8]、美空军新一代战术飞机装备和技术概念研究以及美陆军概念能力规划之配送行动分析等项目中得到了实际运用。

基于体系结构的需求开发方法，即美国国防部体系结构框架(DODAF)，是为构建各类军事系统而制定的一系列框架和指南。该方法从能力、作战、服务、系统和技术标准等需求出发，设计武器装备需求描述框架，进行需求获取以及分析与建模，准确提炼系统需求。该方法目前正逐渐成为各国研发大型复杂军事装备所遵循的基本标准，其最大的特点是为武器装备发展需求的准确描述，提供了一种军事人员和技术人员都能理解的、标准化的共同语言。

6) 基于服务的需求开发

美军在DODAF 2.0中明确提出了基于服务的体系结构(SOA)，将面向服务的思想引入能力需求分析。该方法是为了满足未来一体化联合作战的需要，提出了面向服务的能力需求分析建模方法，目的是应对从高层需求描述到系统设计的映射问题。

2.2体系结构技术

体系结构[3](Architecture)，其概念源于建筑行业。工程中，体系结构是系统工程的基本组成部分。IEEE对体系结构的定义为：组成系统各部件的结构、相互关系以及制约它们设计随时间演进的原则和指南。此3个方面囊括了系统的形态、属性和研制要求。

体系结构技术，是规范、指导和约束体系结构开发的理论、方法和工具的总称，提供了开发和表述体系结构的规则、指南和产品描述，以及理解和管理复杂的体系结构设计的机制，在体系研制、开发、试验、采办、部署、运行以及演化发展等全寿命周期中都发挥着极其重要的作用。

体系结构技术起源于企业体系结构。1987年，Zachman在《A framework for information systems architecture》[9]一文中首次提出了著名的Zachman框架，给出了经典的体系结构原理、公共词汇和描述复杂信息系统体系结构的方法。此后，多种体系结构框架模型相继出现。

国外对体系结构技术的研究主要分为两类[10]：一类是企业信息系统体系结构框架，另一类是军事领域的体系结构框架。两者具有相同的方法论基础，按照应用领域不同，提出了各自的体系结构框架模型。企业信息系统体系结构框架比较流行的包括Zachman框架、开放组织结构框架(TOGAF)、美国联邦企业体系结构框架(FEAF)以及美国财政部企业体系结构框架(TEAF)等；军事领域内比较有影响的体系结构框架有美军C4ISR体系结构框架、DODAF，以及其他国家或组织提出的MODAF、NAF、AusDAF体系结构框架等。

其次，游戏材料的选择要与幼儿的实际生活相贴近。在幼儿的中班阶段，益智区的游戏要与幼儿的现实生活紧密联系起来，使幼儿在游戏中增加对生活的感知，进而开发幼儿的智力。比如实际生活中的水、土、树叶、小草等都可以作为益智区游戏的材料，这些都是生活中常见的事物，那么它们各自有什么特点呢？又可以有什么新玩法呢？这些都可以成为幼儿的探索内容。棋类游戏在生活中也十分普遍，教师可以就近取材，利用棋类游戏开发幼儿的智力，选择一些与幼儿的智力发展水平相符的棋类游戏，并在幼儿的玩耍过程中给予一定的指导。有些幼儿不太懂得棋类游戏的规则，教师的指导不仅能够帮助他们理清思路，还能使幼儿与同伴之间进行友好的交往。

目前，体系结构框架模型中占据主导地位的主要有Zachman框架、TOGAF、FEAF、TEAF和DODAF这5个最具代表性的发展分支。

1) Zachman模型框架

Zachman模型框架是最早的体系结构框架模型之一，也是一个经典的企业体系结构框架。Zachman认为信息系统的设计和开发就如同建设一个复杂的建筑或建造一架飞机一样，其中包含复杂的建设过程，并且建设过程涉及到各种人员。所以，在建设过程中必须由不同的人员以不同的目的按照不同的标准来描述系统。Zachman框架模型的主要特点是从多个不同的角度描述系统体系结构框架的不同方面，从而形成对系统体系结构的整体描述。其多视图、多视点矩阵的分析理念对许多后续模型都产生了深刻影响。

2) TOGAF

TOGAF由开放组织(Open Group)在1995年开发。该体系结构框架以信息管理技术体系框架(TAFIM)为基础，提供一个实用、方便的开发企业体系结构的工业标准方法。TOGAF模型偏重于技术体系结构，但最新发布的TOGAF版本增加了业务成分，开始向企业体系结构模型靠拢。

3) FEAF

FEAF是美国联邦政府为指导各级政府机构信息系统开发，加强各政府部门之间的信息共享和互操作能力而建立的。此框架主要包括8个主要部分，分别为体系结构驱动、战略方向、当前体系结构、目标体系结构、体系结构模型、体系结构段、变化过程和标准。框架的8个组成部分反映了一个评价现有条件和寻找目标问题解决方法的连续变化过程。FEAF框架中的体系结构模型和Zachman框架中的模型一致，也部分采用了多视图、多视点的矩阵分析理念，但2003版之后已经基本消除了Zachman模型的痕迹。

4) TEAF

TEAF是依据信息技术管理改革法案(ITMRA)，由美国财政部等于1996年提出，主要目的是规范、指导财政部及其下属机构的业务发展和使用、管理体系结构。此框架主要包括体系结构指导、体系结构描述和体系结构实现3部分，从计划者、所有者、设计者和实现者4个视角对功能、信息、组织和设施4个视图进行设计。其体系结构描述也利用类似Zachman框架的矩阵模型表示，其中的矩阵元素就是TEAF框架的工作产品。与Zachman框架模型相比，TEAF具有更好的可操作性。

5) DODAF[11]

DODAF是美国国防部提出的体系结构开发、使用与管理的通用指南。2009年5月颁布的DODAF 2.0版本，实现了以权威数据为基础，以国防部元模型为中心，以灵活的方法为手段，以多种表示形式为途径，以支持核心决策过程为出发点，以开发符合用户需要的体系结构为根本目的，标志着以支持国防领域关键决策为目标的“体系结构框架”基本成熟。在联合作战构想框架下，依托作战概念强化顶层设计，自上而下地管理作战需求和装备需求，实现联合作战能力，解决装备建设方面资源浪费和能力冗余等问题，保证了复杂战争模式下武器采办的正确性。在DODAF的基础上，英国、北约、澳大利亚等结合各自需要，先后推出了各具特点的体系结构框架，如MODAF、NAF、AusDAF等。

国内对于体系结构技术的研究主要集中在武器装备体系领域。1997年以来，为适应体系对抗的需要，国内在军事电子信息领域率先开展了体系结构框架开发和应用研究，并于2010年4月正式颁布了GJB/Z《军事电子信息系统体系结构设计指南》，填补了国内在体系结构框架研究、标准制定和工程应用方面的空白，推动了体系结构框架在国防领域的广泛运用。随着战争形态从“平台对抗”发展到“体系对抗”，装备使用部门和研制部门都越来越重视装备体系的顶层设计和论证，大力倡导体系结构技术研究和应用。

2.3概念方案设计技术

航空武器装备的概念方案设计是指根据装备的作战需求与使用要求，利用科学有效的设计方法，借鉴既往相同或相近装备的设计经验，进行总体参数选择，开展初步总体方案的设计。在此基础上，对已形成的单个或多个概念设计方案全面考虑各种因素，采用科学方法进行系统分析和综合决策，以获取最佳设计方案。

概念方案设计虽然仅从概念层面对未来装备的布局形式、结构重量、动力和主要机载设备等进行初步决策，但是概念方案一经确定，后续工作只能在此框架内进行，不得擅自突破。就工作量与费用而言，概念方案设计占比不足20%，但其对后续方案技术可行性的影响却超过了50%。概念方案设计对新装备研制能否成功至关重要。

概念方案设计技术伴随着航空武器装备的发展经历了3个阶段。第1阶段：早期，飞机系统简单、综合化水平不高，概念设计完全依赖设计师个人能力。第2阶段：随着航空技术逐渐成熟，装备的功能和性能大幅度提升，系统越来越复杂，涉及专业越来越多，概念设计趋于标准化和规范化。第3阶段：随着信息技术的发展，概念设计开始向基于仿真的设计和总体综合优化设计转变，可实现快速多轮迭代，缩短设计周期，提高性能优化水平。

目前，概念方案设计技术的发展主要围绕设计方法与设计手段两个方面展开：

1) 原准机法

选择既有装备作为原准机，参照原准机的总体参数和有关资料，凭借设计师的经验和判断，选出适合的总体参数，开展概念方案设计。彭名华和张呈林[12]在此基础上，提出了基于统计分析的概念设计方法。针对战术通用直升机的特点，建立了总体参数数据库，利用统计分析，进行重量、旋翼参数和功率分析，选择总体参数，建立总体方案评价准则，并进行了算例验证。贾伟力和陈仁良[13]针对前述方法未能将总体参数与设计要求很好地联系起来的缺陷，提出了一种新的直升机总体概念设计方法。该方法根据主要设计要求来确定直升机总质量和发动机需用功率等主要总体参数；然后通过对气动布局参数的统计与归纳，初步确定气动布局参数，并利用这些参数对直升机总质量重新估算，经反复迭代后得到一组可以进行后续飞行性能以及操稳性计算使用的概念设计参数。

2) 多学科设计优化方法

20世纪60年代中期，人们开始将优化方法与计算机技术应用于概念设计。20世纪90年代初，AIAA正式提出多学科设计优化(MDO)方法。近20年来，国外政府、工业界和学术界高度重视MDO，进行了大量研究与工程开发。NASA已资助高校、工业界的研究人员开展多个MDO研究计划。NASA与工业界合作研制了高速民机多学科设计优化系统HSCT[14]，推动了飞机总体MDO的发展；启动了先进工程环境项目AEE，为新一代可重复使用空间飞行器的概念设计提供协同设计环境[15]。与此同时，欧洲开展了多个MDO计划，探索分布式环境下集成各学科软件的复杂航空产品设计方法和工具。研制了面向飞机总体设计的原型系统——计算设计引擎(CDE)；在欧盟第六框架下启动了VIVAC项目，为飞机和发动机设计提供先进的虚拟协同设计环境[16]。波音公司开发了基于高精度分析模型的飞机MDO系统——MDOPT[17]；洛克希德公司研制了飞机快速概念RCD[18]。同时，MDO商用软件也得到飞速发展，iSIGHT、ModelCenter、DAKOTO等设计软件已实现商业化。

国内的MDO理论与应用研究方面，余雄庆[19]全面分析了MDO相关技术，研究了并行子空间优化算法，并将其应用于电动无人飞机的一体化设计。陈小前[20]提出了一种基于正交多项式的响应面多学科设计优化方法，并对两种不同飞行器概念方案进行了比较。黄俊等[21]全面分析了多学科设计优化方法在飞机总体设计中的应用。

3) 概念方案评估方法

目前对航空武器装备概念方案的评估已从单纯的作战性能参数对比发展到了综合性能的解析评估，并不断扩展到可靠性、维修性、保障性、安全性、生存力和寿命周期费用等方面。随着评估对象的不断扩展，评估过程中需要选择多个因素或指标，目前主要适用的多指标评价方法有神经网络、遗传算法、粗糙集、熵、模糊数学与灰色关联度等方法。

概念方案评估中，评估指标体系的建立是另一项重要工作。美国空军系统司令部武器系统效能工业咨询委员会将可靠性、维修性、保障性、生存力和固有能力等因素综合为可用性、可信性和固有能力3个指标，提出了系统有效性的评价指标体系，成为应用最为广泛的系统有效性的评价指标体系[22-23]。随着航空装备寿命周期费用的上涨，美国航空航天系统设计实验室于1995年提出了综合评价准则，把寿命周期费用作为评价指标之一，将经济可承受能力、任务能力、可用性、战时生存性和平时安全性作为作战飞机总体方案评价与决策的5个评价指标[24]。

国内研究人员基于前述主要框架不断完善评估指标体系。如在进行飞机生存力方案评估时，宋笔锋和李为吉[25]提出了以飞机的安全性、维修性、可靠性、保障性、性能及费用等为约束条件、应用于飞机概念设计的飞机生存力效益/代价综合评估方法。李寿安等[26]建立了敏感性、易损性、可靠性、维修性、保障性和寿命周期费用为评价指标的飞机生存力设计方案评估框架。李军等[27]提出了基于分层体系的现代作战飞机方案评估方法，确定了作战飞机方案评估的5个层次并给出细化指标体系、评估模型和计算方法。

4) 概念设计软件系统开发

1984年，NASA的兰利研究中心开发了著名的飞机总体设计综合分析与优化系统FLOPS，用于新型飞机的概念设计[28]。1990年，NASA艾姆斯研究中心联合军方、高校以及航空企业推出新版本的ACSYNT飞机综合系统，适用于各种军、民用飞行器(包括导弹)的概念设计[29]。1991年，美国堪萨斯大学的Roskam教授开发了先进飞机分析软件AAA[30]。该软件能对包括战斗机、运输机和公务机在内各类飞行器设计方案的质量、气动、性能、操稳和成本进行分析。1992年，Raymer开发出了RDS飞行器概念设计系统[31]。该系统可对包括战斗机、无人机和航天飞机在内的各类飞行器进行三维的初始布局设计，并能对设计方案进行气动、质量、推进、操稳、性能和费用分析。此外，针对直升机概念设计的特殊需求，国外已积累了很多经验和方法，从初期的直升机概念设计方法软件HESCOMP发展到VASCOMP设计软件以及GTPDP，这些软件和方法主要采用综合法进行直升机概念设计。近期，国外概念设计方法已经发展到集成飞行品质、飞行性能、质量估算等方面的多学科优化设计[13]。

国内围绕概念设计系统方面公开发表的报告很少，学术界相关的研究工作相对较多。北京航空航天大学的刘虎开发了基于草图的方法、用于飞机概念设计的原型系统SEACD，该系统可确定总体布局型式，综合主要部件布置并将设计方案以统一的平面草图和三维模型加以表示[32]。西北工业大学的王晓青开发了具有图形人机用户界面、具有分析设计能力、适用于军民用运输机与对地攻击机的飞机总体设计软件[33]。

2.4作战效能评估技术

在航空武器装备顶层论证中，效能评估是一项重要的论证工作。对武器装备效能评估的研究已经开展多年，在航空领域也应用广泛。常用的如ADC、指数法、层次分析法等传统效能评估方法已经较为成熟，在工程中也应用较多[34-35]。这些方法较为依赖于经验数据，同时受专家水平和主观态度影响较大，通常不针对具体的装备使用方式，但是仍然可以快速方便地进行初步的评估。而基于作战仿真的效能评估方法已经成为基本的发展方向[36]，利用解析式的评估方法的作用在降低，更多的则是需要通过仿真得到各类统计数据来进行处理和分析。在建模仿真技术之外，评估方法的研究需要更多着重于数据的处理方式和关键指标的选取。

然而，无论是仿真还是非仿真的效能评估方法，大多数研究仍注重于对单个装备的评估，在航空武器装备的顶层论证中，更重要的是进行某型装备对作战体系的贡献度的分析。目前，随着体系(System of Systems)作战成为研究热点，对复杂系统和体系的效能评估方法的需求也越来越大。

虽然，目前尚没有标准的评估方法，但国内外对体系评估已经开展了探索性的研究：Jackson等[37]通过选取自治系统的关键指标进行了体系效能预测算法的研究，评估了单个系统对体系效能的影响，并将系统性能指标映射到体系效能上；Xiong等[38]使用基于知识的可执行模型提出了一种体系架构的评估方法，该方法分为两层，高层自底向上来计算体系的总体性能表现，低层通过建模和仿真获得能力需求的实现程度；Huynh和Osmundson[39]使用系统建模语言(SysML)来进行体系建模和分析，并使其SysML表现的体系概念与执行模型相一致； Solazzi等[40]提出了一种综合基于模型的系统工程(MBSE)和综合保障(ILS)工程的方法以进行复杂系统的评估；陈立新[41]阐述了装备体系的相关概念和典型问题，并分析了装备体系效能评估和装备体系能力评估的难点及潜在的解决方式；李志淮等[42]进行了基于DODAF能力视角的武器装备体系评估方法的研究，直接从构建的体系结构中提取数据，从能力需求满意度上对武器装备体系进行评估；张亮等[43]通过灰色关联分析法与层次分析法的集成对武器装备体系的作战效能进行了评估；高艺珊等[44]利用基于多层次的灰色综合评价法对野营保障力量体系效能进行了评估；蒋德珑和曹建军[45]提出了一种基于模糊数学的武器装备体系评估论证模型，该模型对武器装备体系评估指标进行了尝试性的改良、完善和归类，提出了新的评估分析策略，将不同的模糊变换模型用于处理指标间聚合关系，建立了不同的目标层量化模型；崔荣和常显奇[46]阐述了武器装备体系效能的评估原理，并提出了一种基于模糊系统的体系效能评估方法。这些研究往往综合应用了仿真方法和解析方法来进行评估以降低评估模型的复杂度。虽然以上成果不一定直接适用于航空武器装备顶层论证，但将为相关研究工作提供有益参考。

2.5推演仿真技术

仿真能够在装备被制造出来之前对其作战方式进行研究，其过程和结果能够成为基于计算机的效能评估方法的输入量，因此仿真技术也适用于航空武器装备的顶层论证。由于早期论证阶段尚没有成型的设计方案，因此该阶段的仿真应以全数字仿真为主。

国外对仿真技术的研究早已开展，目前有大量实用化的作战仿真系统。例如，美军联合作战仿真系统(JWARS)是设计用于战役级的作战仿真[47-49]；联合仿真系统(JSIMS)可以对国家战略、联合作战乃至战术层次内容(包括兵力机动、部署、作战、补给等任务)进行仿真[50]；联合建模与仿真系统(JMASS)则是应用于战术和工程设计层次上的建模与仿真系统[51]；美军联合战区级模拟系统(JTLS)是计算机辅助的交互式模拟系统，最多可模拟10方参加的空战、海战、陆战、后勤、特种部队作战和情报支援等行动[52]；联合半自动兵力系统(JSAF)是目前美军联合作战实验和训练的重要工具之一，支持测试与评估、训练、实验等多种应用[53]；战士仿真系统(WARSIM2000)是美国陆军的一个推演训练仿真系统，能够为在联合作战或合成作战的作战想定下进行训练的营到战区级的指挥员和参谋人员提供一个比较真实的仿真训练环境[54]；扩展防空仿真系统(EADSIM)是一个集分析、训练和作战规划于一体的多功能仿真系统[54]。国内在仿真系统的研发上也取得了一定的成果，比较典型的有基于组件的一体化建模仿真环境(CISE)[55]。

目前，较新一代的作战仿真系统普遍采用了组件化的建模方式[56-57]，即将装备分解为各个子系统分别进行参数化建模，并且可以方便地将各个子系统模块进行组合形成不同的装备类型。此外，引入诸如连线等图形化的建模方式使得人机交互变得更为友好。优秀的作战仿真软件能够为军用航空装备论证提供很好的支撑。虽然大多数作战仿真系统最初是设计用于指挥人员的作战训练，但由于论证阶段缺乏装备设计细节的特点，这些成熟的仿真系统配合合适的模型也可用于装备的顶层论证。

对于航空武器装备顶层论证最需要的体系和复杂系统仿真，多分辨率建模和智能仿真的研究是其中的两大热点。

在多分辨率建模方面，Jain等[58]通过多分辨率建模的方式进行了供应链可持续性的分析；Song等[59]使用多分辨率建模进行了空间任务仿真；Wu等[60]采用多分辨率建模，以聚合和解聚的方式进行了快递物流系统的仿真；Zhang等[61]提出了一种基于基本对象模型(BOM)的多分辨率模型以进行联邦仿真；李元等[62]提出了3种基于BOM的多分辨率建模模式的思想，包括为同一个BOM开发多个不同分辨率的组件实现的多分辨率建模桥模式，基于BOM模式聚合的多分辨率建模组合模式以及基于BOM实例聚合的多分辨率建模共享模式；韩翃等[63]研究了几种典型的多分辨率建模方法，并在分析战役推演仿真系统结构的基础上提出了一种面向多分辨率建模的仿真模块体系结构。目前典型的多分辨率建模方法有聚合解聚法、视点选择法、多分辨率实体法、IHVR法等[63]，并已经在部分仿真软件中进行了应用。

在智能仿真方面，Yu等[64]基于多Agent技术开发了车辆虚拟现实智能仿真系统；Coradeschi等[65]与Saab Military Aircraft AB进行合作，通过建立智能Agent的决策模式和抽象Agent的行为研究了针对超视距战斗空战领域的智能Agent设计；Yang[66]研究了网络化的多Agent作战模型，并提供了实时可视化人在环的仿真允许作战过程中的人为干预；胡艮胜等[67-68]提出了空间分群的多次聚类方法和一种基于模板匹配知识推理的行动认知算法，以用于智能化推演仿真；黄剑锋等[69]针对空战仿真系统中作战飞机编队的复杂决策问题，运用Agent方法建立了飞机编队的决策行为模型；张贞等[70]针对海军航空兵突防作战的特点，将Agent技术应用于航空兵突防作战仿真研究中。以Agent技术为代表的智能仿真已普遍应用于各类体系建模和仿真的研究中，可以为航空装备顶层论证所需的体系仿真环境搭建提供支持。

3航空武器装备顶层论证技术的研究重点及其发展方向

航空武器装备顶层论证技术还在发展中，外部需求的新变化和自身发展的不完善，共同决定了航空武器装备顶层论证技术当前和今后一个时期的研究重点与发展方向。

3.1需求工程技术

航空武器装备需求工程主要解决需求“是什么”和“如何获得”的问题，目的是全面、客观、清晰地获得未来航空武器装备的发展需求。当前，面临的主要困难是：客观上，未来战争复杂多变，涉及多环境、多要素、多领域、多层次，具有极大的不确定性；主观上，航空武器装备需求开发涉及与航空武器装备密切相关的各类人员，如军事人员、体系结构设计人员、系统研发人员、专项技术攻关人员、系统采办人员和项目管理人员等，他们在专业领域、知识结构和需求认知等方面上都存在较大差异，增加了达成共识的难度[71]。

为解决上述问题，国内外通行的基本思路如下[2]。

1) 需求开发规范化

要获得全面、客观、清晰的航空武器装备发展需求，必须从需求生成制度、流程和方法等方面全面着手，多管齐下，实现需求生成的规范化。美国国防部从制度上规定了美军的各项能力建设必须严格遵循联合能力集成与开发制度(JCIDS)，围绕联合作战，贯彻基于能力的方法，采用自顶向下的能力确认方法和流程，确保联合作战能力的有效生成。

2) 需求管理一体化

需求管理一体化有两方面的含义：①将作战需求、产品规格和技术方案作为一个整体进行优化；②将需求开发与需求管理作为一个整体，往复迭代、持续推进。法国国防部在其“前景研究”项目中，规范对未来作战环境的分析，统筹远中近期需求，实现能力需求、装备建设与技术发展的紧密衔接；同时强调军事需求开发与管理的协调性，避免或减少各方面的重复性劳动，实现相关工作、组织、进度、资金、技术等要素的总体协调。

综合上述分析，未来航空武器装备需求工程的研究重点与发展方向是：

1) 随着航空武器装备使命任务的不断扩展及其体系交联关系的日趋复杂，基于体系结构的需求开发方法可能成为需求开发的基本方法。

2) 随着面向服务的能力建设思想的提出，建立在体系结构方法之上的面向服务的需求开发方法可能成为需求开发方法的新热点。面向服务的需求开发具有松散耦合、平台无关、动态绑定、业务流程随需应变和支持应用系统高效融合等特点，有利于产品集成向服务集成的转变。

3) 实现数据采集与积累的规范化可能成为基于体系结构的需求开发的重要工作。基于体系结构的需求开发方法的基本思路是通过规范需求分析流程与模型，力求实现相同数据条件下的需求描述的一致性，数据因此成为决定需求描述质量的关键性因素。如何实现数据采集与积累的规范化，可能成为未来的重要工作。

3.2体系结构技术

在航空武器装备顶层论证中，体系结构技术以“需求驱动、结构主导”为特征[72]，为航空武器装备体系设计和型号目标图像论证提供了方法、流程和标准，有利于实现“设计驱动仿真，仿真验证设计”的规范化论证。基于体系结构技术的航空武器顶层论证，依据DODAF等体系结构框架标准、利用建模平台工具，自顶向下、从抽象到具体，从作战概念设计开始，通过作战体系结构概念模型和系统体系结构概念模型的开发和运行，逐次完成作战概念和装备概念逻辑、行为和性能层次的评估验证。通过科学获取武器装备体系发展需求，设计并优化装备体系结构，建立适当的装备体系发展方案，提升装备体系整体能力和作战效能，为武器装备体系建设和管理提供决策支持。

体系结构技术在当前航空武器顶层论证实践中应用，主要面临三大薄弱环节：

1) 装备作战概念设计方法落后。装备的发展，已经由传统的“军事需求牵引”演进到了“作战概念牵引”。装备作战概念设计是基于体系结构技术进行航空武器顶层论证的逻辑起点和关键步骤，需要准确把握未来军事需求，提炼典型作战场景，并将高层作战概念细化成时序化作战活动和作战节点间的信息交互，形成详细作战需求并分配给各系统，形成系统需求。装备作战概念设计依赖对作战的深刻理解、对未来需求的准确把握、以及设计者智慧和创新能力的充分发挥，要求极高、难度极大。美军的作战概念主要包含3个层次[73]：①依据未来可能存在的威胁所确认的装备作战使命，初步形成的作战概念想法；②创造性构想设计的具体形象的、用文字、图形、矩阵和活动图等表示的作战概念方案；③经过规范化开发与评估后正式颁布的作战概念文件。相比之下，国内对装备作战概念的研究起步较晚，尚未形成作战概念设计、开发和评估的完整、成熟的方法体系和操作流程。

2) 符合中国武器装备顶层论证需求的体系结构框架尚未建立。体系结构框架是体系结构技术发展与应用的标志性成果。国外在体系结构方法论、企业信息系统和军事领域的体系结构框架等方面，经过30余年的发展，实现了从感性认识到理性认识的跃升，体系结构框架日趋成熟，广泛应用于政府部门和国防领域的核心决策过程。到目前为止，国内在体系结构框架方面主要形成了《军事电子信息系统体系结构设计指南》，但在武器装备总体的顶层设计领域尚未形成体系结构框架标准，在实践中主要参照DODAF等体系结构框架标准。由于在指挥体制、系统研制程序和基础条件等方面存在很大差别，国外体系结构框架并不完全适用于中国，制定符合中国国情的武器装备体系结构框架迫在眉睫。

3) 适用中国国情的体系结构开发工具与应用环境薄弱。武器装备顶层论证涉及的因素很多，美国军方和军工部门把认知域、信息域与物理域在理论上统一起来，把信息系统与武器平台的论证融为一体，以杀伤链的优化为目的，支撑“作战概念-体系分析-武器平台”的统一论证，形成完整的开发应用环境和开发工具，并已经在多个大型武器装备采办项目中得到成功应用。与国外相比，国内武器装备体系结构开发尚处于起步阶段，装备使用部门和研制部门的某些认识尚未完全统一，标准化、规范化的开发流程和模式有待建立，体系结构开发能力薄弱、支撑资源和工具手段不够丰富，成果应用仍以项目级的方案论证与决策为重点，对发展战略研究、装备体系论证、武器装备建设规划论证的支持力度明显不足。

综合上述分析，未来体系结构技术领域的研究重点与发展方向是：

1) 加强体系需求开发和装备作战概念设计技术研究。研究不同于传统系统需求分析技术的体系需求开发技术，开展基于能力的体系需求开发过程、基于核心数据和元模型的体系需求建模技术和基于价值的体系需求管理方法和技术等研究。在体系环境下，对装备作战概念涉及的任务背景、运用方式、能力需求、系统需求、技术需求等进行深入研究。

2) 开发适合中国航空武器装备顶层论证需求的体系结构框架。面向中国武器装备体系和装备顶层论证需求，研究和借鉴国外成果，提出体系结构框架，形成体系整体结构的描述模型，提供统一、规范的体系结构框架的建模方法和技术，开展体系结构建模过程、体系结构建模方法、体系结构验证方法等研究，建立体系结构开发的程序机制。

3) 重视面向航空武器装备顶层论证的体系结构开发资源环境和应用研究。围绕航空武器装备顶层论证的任务架构、系统体系结构，研究相关上下游资源需求，如使命任务和能力体系标准化描述、作战任务和作战行动库、及相关模型、标准库等，支撑快速构建作战概念、体系结构产品集构建。同时，推动体系结构成果应用，从以支持项目决策为主发展到以支持核心决策、表述新系统体系结构设想和支持系统总体方案的开发与决策。

3.3概念方案设计技术

新军事革命和航空技术的发展使航空武器装备需要满足的需求越来越多、越来越高。装备设计也从传统的“面向性能的设计”向“面向经济可承受性和质量的设计”转变。概念方案设计技术的发展也要适应从关注装备性能向追求系统综合效能转变、从考虑传统学科向考虑新兴学科转变、从串行迭代设计向集成并行设计转变，从而提高设计质量、缩短设计周期、降低设计风险[74]。

为应对装备与技术发展带来的挑战，概念方案设计将借助信息技术的发展成果，深入、广泛地应用多学科优化设计工具手段，采用并行设计模式，对概念方案进行智能化综合评估论证。未来，概念方案设计技术将围绕优化设计这一主轴，不断扩大和提高多要素设计与智能化评估的应用范围与技术水平。

综合上述分析，未来概念方案设计技术的研究重点与发展方向是：

1) 多学科优化设计应用的不断深化与拓展。为使优化获得的方案具有稳健性，降低方案的技术风险，需要考虑设计模型、物理材料、生产制造以及装备使用过程中存在的各种不确定因素，研究基于不确定性的MDO。为降低装备的全寿命期费用，未来的航空装备可能更多地采用通用性策略，形成装备族。这就要求从更高层次考虑装备设计模式，需要开展装备族MDO的研究[75]。

2) 概念方案评估的智能化。航空装备概念方案评估的内容非常广泛，涉及系统分析、方案优化、综合评价、决策、费用预测、效能评估、仿真论证等，传统常规的评估理论、方法、手段已经不能完全满足工作需求。为适应不断发展的新形势和新技术要求，提高评估论证的水平、质量和效率，需要以飞机总体设计评估准则为基础，通过各种智能算法，对航空装备概念方案进行优化评估[76]。

3.4作战效能评估技术

在航空武器装备的顶层论证阶段，对效能评估提出特定的需求。在体系作战中，不仅需要评估单个装备的效能，更需要评估装备对体系效能的影响，这在新装备的论证中尤为重要，体系贡献度更高的新装备自然需要优先立项。

此外，随着临近空间高超声速飞行器等新型航空器的出现，如何对其进行效能评估也成为航空武器装备顶层论证不可回避的问题。目前缺乏可靠的模型，只能进行粗粒度的概略性能研究，难以进行较为精细的过程仿真与效能评估。

综合上述分析，未来作战效能评估技术的研究重点与发展方向是：

1) 由于受主观影响小，结果直观，适用于灵活的任务分析，基于仿真的效能评估方法可能成为航空武器装备顶层设计与先期论证技术的主要发展方向。

2) 由于需要在规模更大、更接近真实应用条件下的复杂作战体系中进行评估，指标体系的建立方式将成为基于仿真的效能评估的研究重点。尤其在较完整的再现整个战场态势，特别是信息化条件下的作战，在传统的平台中心战思想下建立的评估指标可能将不完全适用。

3) 在论证航空武器装备的关键指标时，如何通过仿真手段有效地将装备参数映射到装备性能，再映射到装备的作战效能，直到对体系效能的影响也将成为航空武器装备顶层论证效能评估方法的研究重点。

3.5推演仿真技术

在仿真技术方面，航空武器装备顶层论证中的仿真目标对象较为模糊，不确定性较大，建模比较困难，同时目标装备的应用方式也有不确定性。在进行装备顶层论证时，需要对装备的不同应用场景进行大量的设定和仿真，由于人工操作对人的军事素养要求很高且可重复性较差，因此更适合采用人不在回路的自动推演模式。

综合上述分析，未来推演仿真技术的研究重点与发展方向是：

1) 为满足不同规模和精度需求的仿真推演，多分辨率建模将提供一种解决方案。多分辨率的模型可以适应不同的仿真需求，同时平衡不同阶段的计算资源。但目前的多分辨率建模方法各有利弊，尚无普适的方法，因此在应用于体系仿真时需要综合使用各类多分辨率模型。

2) 随着仿真对象的增多，作战规模和复杂度越来越高，建模难度急剧加大，同时作战方案的设定也消耗大量的人力和时间。因此，体系仿真对系统的自主性需求越来越高，而智能仿真将会是仿真技术的重要发展方向。然而，诸如Agent等智能技术目前虽然具有广泛的研究，但缺乏严谨定义，在仿真通用化方面会带来一些问题。

3) 仿真的可信度仍然是一个重要问题，但是除了提升建模水平外，更多需要的是不断进行数据的积累以实现模型的改进。

4) 近年来，随着云计算、大数据等新兴技术的出现，一方面为航空武器装备顶层论证提供了新的技术手段，新技术的开发运用有望大大提升仿真的计算能力并方便对海量数据进行分析；另一方面催生了云作战等创新性作战概念，这些创新性作战概念一旦成熟可能对现有作战体系造成巨大冲击，对此也需要有所关注、超前准备。

4结论

随着体系对抗的兴起与发展模式的转变，航空武器装备顶层论证应运而生。航空武器装备顶层论证是航空武器装备发展的顶层设计与型号发展的先期论证，涉及需求工程、体系结构、概念方案设计、效能评估与推演仿真等技术领域。目前，支撑航空武器装备顶层论证的相关技术体系已经初步形成，有望与航空武器装备顶层论证形成双向互动。

航空武器装备顶层论证技术的发展得益于通用领域的相关研究、国防领域的有益探索以及航空领域的经验总结。面向未来，对航空武器装备顶层论证的旺盛需求与其自身发展不完善之间的矛盾，依然是推动航空武器装备顶层论证持续发展的内在动力。建立符合国情的体系结构框架、完善体系结构运行环境、实现体系结构与需求工程的有机融合、推进概念方案多学科优化设计与方案评估智能化、寻求适应体系对抗与顶层论证需要的效能评估与推演仿真的新方法/新工具/新手段，是当前航空武器装备顶层论证技术研究的关注重点，其进展顺利与否必将影响航空武器装备顶层论证技术的未来走向。

伴随着航空武器装备顶层论证技术的进步，其相应的输出成果将更加强有力地指引航空武器装备总体设计工作的开展，进一步体现航空武器装备顶层论证的导向作用，强化其在航空武器装备发展全流程中的基础地位和先导作用。

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李清男, 硕士, 研究员。主要研究方向： 军事战略与航空装备发展战略。

Tel: 010-57827755

E-mail: liqing0431@sohu.com

闫娟女, 硕士, 高级工程师。主要研究方向： 航空武器总体论证。

Tel: 010-57827736

E-mail: adr_yj@sina.cn

朱家强男, 博士, 副研究员。主要研究方向： 航空器体系论证。

Tel: 010-57827745

E-mail: zhujiaqiang@163.com

黄涛男, 博士, 高级工程师。主要研究方向： 航空飞行器总体论证。

Tel: 010-57827749

E-mail: huangtao111@sina.com

臧精男, 博士, 工程师。主要研究方向： 航空器效能评估与仿真。

Tel: 010-57827743

E-mail: zangjing2014@163.com

Received： 2015-08-28; Revised: 2015-09-25; Accepted: 2015-10-16; Published online: 2015-11-0214:54

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151102.1454.008.html

Foundation items： Aviation Industry Technological Innovation Foundation of China (2012A62827, 2013A6286R, 2014A62045)

State of art and development trends of top-level demonstration technology for aviation weapon equipment

LI Qing1, 2, YAN Juan1, 2, ZHU Jiaqiang1, 2, HUANG Tao1, 2, ZANG Jing1, 2,*

1. Aviation Industry Development Research Center of China, Beijing 100029, China 2. AVIC Aviation General Demonstration Laboratory, Beijing 100029, China

Abstract:The top-level demonstration, an important content of the aviation weapon equipment demonstration, is the initial demonstration for the top-level design of the aviation weapon equipment development and the model development. It satisfies the need of the aviation weapon equipment system-of-systems combat and the bridge from the tracking development to the independent innovation. The challenge of the top-level demonstration technology for aviation weapon equipment is described. The development history from the origin to the gradual improvement of the top-level demonstration technology for aviation weapon equipment is reviewed. The technical difficulties and the potential strategies of the aviation weapon equipment top-level demonstration are analyzed. The research priorities and development trends of the top-level demonstration technology for aviation weapon equipment in the near future are discussed.

Key words:aviation weapon equipment; top-level demonstration; requirements engineering; architectural design; effectiveness evaluation; deduction simulation

*Corresponding author. Tel.： 010-57827743E-mail: zangjing2014@163.com

作者简介：

中图分类号：V221

文献标识码：A

文章编号：1000-6893(2016)01-0001-16

DOI：10.7527/S1000-6893.2015.0283

*通讯作者.Tel.： 010-57827743E-mail: zangjing2014@163.com

基金项目：中航工业技术创新基金 (2012A62827， 2013A6286R， 2014A62045)

收稿日期：2015-08-28; 退修日期: 2015-09-25; 录用日期: 2015-10-16; 网络出版时间: 2015-11-0214:54

网络出版地址： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151102.1454.008.html

引用格式： 李清， 闫娟， 朱家强， 等. 航空武器装备顶层论证技术发展现状与趋势[J]. 航空学报, 2016, 37(1): 1-16. LI Q, YAN J, ZHU J Q, et al. State of art and development trends of top-level demonstration technology for aviation weapon equipment[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(1): 1-16.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn