摘要
机载武器发射系统是军用航空器和机载武器之间的纽带和桥梁。将基于模型的系统工程(model based system engineering，MBSE)的研发思路和流程与机载武器发射系统应用相结合，通过需求分析、功能分析和系统设计综合对其进行应用分析，并对MBSE在机载武器发射系统的应用提出建议。试验结果表明，该研究对加快推进MBSE在机载武器发射系统的应用有一定的支持和工程意义。
《兵工自动化》2017年第12期《基于模型的系统工程在机载武器发射系统应用研究》
作者：余 驰，邓兴民，张钢峰，杨 超。
单位： 庆安集团有限公司航空设备研究所，西安 710077
余 驰，邓兴民，张钢峰，等。基于模型的系统工程在机载武器发射系统应用研究[J].兵工自动化,2017, 36(12):01-03.
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机载武器系统是军用航空器重要的组成子系统之一。机载武器系统又称航空武器系统，是军机航空器上的武器以及相关装置等组成的软、硬件综合系统，包括机载火力控制系统、机载武器和机载武器发射系统。机载武器发射系统是军用航空器和武器之间的纽带和桥梁，按照机载武器发射的特点可以分为机载悬挂武器发射系统和机载随动武器发射系统[1]。随着军用航空器使用环境、性能的变化和提升，对机载武器发射系统的要求和适用性提出了更高的要求，比如能够在高速、隐身、灵活机动、大过载和全天候使用[2]。
我国机载武器发射系统的研发走过了由“跟踪仿制”向“改进研制”到“自主创新”的发展阶段。面对载机平台和武器弹药的跨代发展及全包线发射使用需要，机载武器发射系统需要运用MBSE的先进研发体系和科学思路进行自主创新，开展正向设计研发。通过利益攸关者识别、需求捕获与运行概念设计、系统需求分析、功能架构设计、逻辑分析和系统物理综合集成、分系统集成试验、系统交联试验、全系统模拟与验证等研发途径[3]。实现机载武器发射系统的高效研发，满足载机和武器弹药的全天候使用及全包线发射应用，提高作战效能。
机载武器发射系统新项目的启动始于用户的需求和创新模式应用，需求的定义、分析、创新应用、管理不仅是项目最早启动和开展的工作，而且还贯穿于系统生命周期[4]。需求分析的主要工作就是通过对项目利益攸关者分析、需求的捕获与分析，梳理出项目的顶层系统需求，并将系统需求根据不同的功能架构逐级准确、清晰、无歧义、可追溯地传递和物理实现。
按照系统工程的分层/级、边界划分、功能独立和相互交联的工程实践与分析应用原理，可以将机载武器发射系统作为一个整体研究。机载武器发射系统在地面维护与保障、机动飞行(含起飞和降落)、空战使用的3种场景下与载机机体结构、航电火控、电气能源、武器弹药、目标、操作人员、地面维护设备等密切交联，因此利益攸关者为载机机体结构、航电火控、电气能源、武器弹药、目标、操作人员、地面维护设备。机载武器发射系统在地面维护与保障场景下的用例图和活动图分别见图1和图2。按照不同使用场景的操作应用和交联关系，可以完成其他类似场景下的用例图与活动图。
图1和图2分别给出了机载武器发射系统在地面维护与保障场景下的用例图和活动图。按照类似的方法和思路，可以完成机动飞行及空战使用场景下的用例图和活动图，即可全面地梳理在不同使用场景下，机载武器发射系统与不同利益攸关者的需求，运用需求分析软件工具可完成系统需求分析，并经过讨论确认、评审、发布形成系统需求规范、文档等设计文件。需求分析阶段形成的设计文件将在功能分析中分配、传递给不同的独立功能单元来承载，以物理实现和满足顶层需求，达到MBSE与工程应用结合和逐级传递需求与工程实施。
功能分析的意义是形成能够描述系统功能和其之间相互关系的一系列模型元素[5]，可通过活动图、顺序图和状态图来展现，由不同的分析侧重面对系统功能进行分析。活动图本质是一种流程图，给出了系统功能流的活动逻辑关系，即完成某项系统功能，需要按照一定的控制流执行对应的命令与动作，进一步分析能够为系统功能接口定义与逻辑控制算法提供设计支撑。顺序图又称时序图或序列图，其描述并定义操作、不同功能间的信息发送和接收的时间交互关系。状态图又称状态机，主要用于描述一个对象在其生命周期内的动作行为，将活动图和顺序图的信息汇集在一起，可以展现融合系统状态的背景及不同优先级外界激励产生的系统行为[6]。
系统功能分析的焦点是将功能性的、表现的、接口的以及其他的需求翻译成系统功能的清晰描述，并用来指导后续的设计集成与综合。针对系统需求进行详细系统功能分析和分解，对需求进行传递与功能实现分配，形成具备一定功能和可执行的功能分析模型。机载武器发射系统其在作战中使用的主要功能是综合多任务管理与控制、探测目标、跟踪目标、武器发控、攻击目标。图3—5分别给出了机载武器发射系统空战活动图、顺序图和状态图。运用同样的方法可以分析系统在地面维护与保障和机动飞行场景的主要功能，即可按照分析的几种运行场景，全面地分析机载武器发射系统在不同场景下的系统功能分析，完成系统功能分析。
功能分析的主要工作是针对需求分析，通过不同的功能描述和相互之间的交联分析，提出能够满足系统需求的功能架构和系统功能集，在系统设计综合时按照一定的原则或依据，对系统功能集评审，确定某种优选的架构并进行分配和工程实现[7]。
系统设计综合主要是依据系统的架构设计，对系统功能进行分析，并将功能分解、定义、分配到相关的部件、组件和子系统中，完成功能分析向承载软硬件的传递与分配。将系统的技术指标通过综合与分配，转换为部件、组件和子系统的设计输入与技术指标要求，包括系统可靠性、维修性和测试性等指标[8]。系统设计综合阶段，在一定要求的限制条件下，对能够满足需求的功能架构进行权衡和优选，为系统设计提供一个最优的架构。
机载武器发射系统主要用于机载武器与航空器的连接、运载、发射和投放，并根据作战应用按照合适的时机、准确的方向、要求的精度、持续的时间和一定的密度发射导弹、火箭弹和弹药等武器，攻击毁伤目标，实现主动攻击与防御，完成既定作战任务。
机载武器发射系统按照主要功能，可划分为控制器、传动/作动子系统、武器运用子系统和结构总体等。控制器主要用于接收载机指令与收入信息，并通过实时综合任务管理调度、逻辑时序控制，生成机载武器发射系统的子系统、部件的指令与输入信息、控制执行部件等，用于执行对应的动作，如电机旋转、阀的开关、直线作动和制动/解锁等；传动/作动子系统是执行部件，按照一定的参数(如速度、加速度、时间)传递动力、能量和物理参数信息检测；武器运用子系统主要是对武器发射引起的振动、冲击等进行的抑制、防护，减小武器发射对结构件和载机引起的不利影响；结构总体主要用是按照一定的空间要求、布局形式、组合关系和体积质量等特性承载各个子系统/部件，以实现系统综合集成；武器主要包括枪炮、导弹等，用于打击、毁伤目标，实现作战任务。图6是机载武器发射系统设计综合的BDD块定义图，描述系统逻辑架构组成。
图7是系统工程中的V模型[3]。在V模型的左侧，通过需求和功能分析、系统综合设计、建模仿真工具，及MBSE方法、思路的学习和应用，在机载武器发射系统的应用已有实践。数字化的仿真试验和迭代分析在分系统、部件级开展研究和应用。需要构建由机载武器发射系统与载机、武器弹药和目标形成的大闭环人-机-瞄-射数字化仿真试验，以充分地对全系统进行数字化仿真试验、分析和挖掘利益攸关者的需求，支撑新技术创新应用、新系统研发和系统综合与集成，更好地满足用户的需求。
机载武器发射系统的研发正在由“改进研制”向“自主创新”的发展。新产品研发、新材料应用、新技术验证，不仅需要数字化的仿真和试验手段，还需要通过关键技术、部件/子系统的物理试验与验证，对部件/子系统的技术性能及功能进行确认、迭代优化和验证测试；因此，虚拟与实物结合的快速交互验证是V模型右侧重点实现和执行的核心，需要加快推进和组织实施半实物及实物试验与验证建设。
模型库是系统工程V模型左侧需求分析、功能分析和系统综合等不同阶段的重要输出。系统工程V模型在重新构建循环迭代过程中引入模型库时，形成的不同模型在经过验证与测试后，模型库实际就成为MBSE的知识库。在不同的工程项目中得到确认、试验验证、模拟验证、性能稳定的模型，通过评审并被允许发布入库，可以为相关领域的专业人员重复使用模型、借鉴已有专业知识、迭代创新设计、提高研发效率、缩短研发周期、降低成本起到至关重要的作用。
对于发布入库模型的质量评估、内容要求、格式版本、约束条件、交联信息、适用范围和特征参数等需要通过一定的规范、标准来限制和管理，以达到描述专业、规范、标准、完整的一致性，便于不同专业人员使用和知识的获取与继承应用。
基于模型的系统工程已经在航空航天领域应用，国外波音、空客、洛克希德-马丁、欧洲导弹集团等企业已经在航空航天装备研发中应用。在机载武器发射系统由“改进研制”向“自主创新”发展的过程中，正向设计需要基于模型的系统工程支持研发，积极地开展利益攸关者识别与分析、需求捕获与分析、数字化建模与仿真、系统综合设计与集成、部件/子系统验证和系统验证。按照模型在环、软件在环、硬件在环、物理在环的MBSE研发流程进行机载武器发射系统研究，将极大地缩短研发周期，降低风险和成本，提高研发效率，对复杂机载武器发射系统项目的研发有实际价值和工程意义。
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