需求分析和功能分解：探析与优化

初步的军事需求分解对于设计来说还比较初级，有些需求涉及多个平台，而有些需求涉及单个部件，目前还不能将这些能力需求或功能直接分配到具体的设计中去，因此较好的方法是提出一种层次关系来应对这些需求。

1.系统层级划分

传统车辆电子系统的设计对象为一辆坦克或装甲车，再进一步切分到车内的子系统或设备；在综合式车辆电子系统设计中，倾向于将坦克装甲车辆电子综合系统映射为一个6级的层次结构，如图2-7所示。这个结构在处理架构问题方面十分有效，图中强调了硬件，但它包含了软件的功能属性，因此各层间的物理和功能/接口都应有明确说明。坦克装甲车辆电子综合系统层级结构自上而下分别是体系架构/系统之系统、作战单元/平台、综合电子系统/主要子系统、功能域/综合处理计算机、软/硬件模块及软/硬件组件（图2-7）。

1）体系架构/系统之系统

体系架构层是现代坦克装甲车辆电子综合系统中新引入的层级。它考虑的是作战系统之间的组网、协同和应用模式。单一的战斗平台被看作整个体系架构中的元素，可以与其他元素在平台之上的层次进行信息交换。信息交换的接口主要包括数据链、自组网、卫星通信以及传统的短波/超短波信道等。这一层级的设计响应的就是关于体系的需求，交付的设计物将包含多个具有不同作战功能的平台、任务协同的方案和接口等，这就有效地摆脱了交付产品单一而导致组网和协同无法有效验证的缺点。

2）作战单元/平台

平台包括具有多种能力和形态的坦克、装甲车、无人机、无人车以及单兵装备等，甚至还可以扩展到维修保障车、架桥车、通信雷达车等。坦克装甲车辆作为战斗任务的重要节点之一，与其他平台通过网络交互信息，协同操作，完成作战使命。这一层的设计响应的是关于单平台火力、防护和信息力的需求。

图2-7　坦克装甲车辆电子综合系统层级结构

3）综合电子系统/主要子系统

以本书关注的坦克装甲车辆电子综合系统为例，综合电子系统是坦克装甲车辆关键子系统之一。它以计算机、总线网络和人机交互设备为主要组成部件，实现系统信息互联，负责完成坦克装甲车辆的信息采集、处理、分配、存储、传输、显示，从而实现坦克装甲车辆的机动控制、态势感知、通信导航等一系列功能。类似的主要子系统还有推进系统、机电系统、防护系统、武器系统等。其中，坦克装甲车辆电子综合系统的设计响应的是信息相关的任务实现指标性需求，如需要具备360°周视的采集、传输和实时显示的能力。

4）功能域/综合处理计算机

在传统意义上一般采用功能区或物理功能区的概念，如动力舱采集区、乘员舱显示、控制综合区或“三防”灭火闭环控制系统等，它是主要子系统进一步细分的产物。在现代坦克装甲车辆综合化设计中，采用逻辑划分功能域的形式替换了物理域的形式，功能域可分为（任务）信息综合处理域、综合显控域、综合传感域以及与控制系统相关的武器域、防护域、推进域、电气域等，这些功能域不必都在同一个物理功能区中。

5）软/硬件模块

软/硬件模块是构成功能域或子系统的具有特定功能的硬件模块或软件包。它可以是一个处理机架，或是机架中的一个处理模块，或是处理模块中的一个应用软件包。在现代坦克装甲车辆电子综合系统中，往往要求硬件模块具备综合化、通用化、标准化的能力，要求软件包具备架构可复用、软件分层合理，具备任务隔离和一定的实时性。这一层响应的一般不是军事相关需求，而是技术先进性、可靠性、电磁兼容性等。

6）软/硬件组件

软/硬件组件是构成硬件模块和软件包的基本单元。硬件包括处理器、芯片、现场可编程逻辑门阵列（FPGA）等；软件包括软件构件、中间件、驱动程序等，采用超高速集成电路和构件化的编程技术，支持实现系统功能。这一层响应的不是作战需求，而主要是硬件和软件的采购研发成本、工作稳定性、工作温度范围、软件的架构、运行效率和资源占用情况等。

图2-8将前文对T-14坦克的原始军事需求进行了初步的梳理，给出的例子将基本的需求与系统层级划分进行了关联。不难看出，在这6层划分中，越是贴近顶层的需求越和作战相关，越是贴近底层的需求越和技术相关。将需求与不同的系统层级进行对应的优点在于，可以比较完整、少遗漏地综合考虑所需研制的坦克装甲车辆的需求，可以较好地明确每个层次需要考虑的问题和实现的内容。

图2-8　按系统层级划分的需求关联

2.坦克装甲车辆电子综合系统需求分析

尽管按6层的划分能够较好地梳理坦克装甲车辆的所有功能需求，但是最终所有的需求都是由具体的底层技术实现的，因此必须开展进一步细化的需求分析。系统需求分析是在作战使用需求形成基础上，进一步分析形成的系统功能需求，是系统工程研制过程中的重要活动，主要致力于对系统设计所需相关信息进行完整性、一致性的确定和定量分析，建立具有完整的、一致的和明确分类的系统需求，以避免系统研制后期的重复设计，从而降低成本。

系统需求分析过程的目的是检查、评估和平衡所有用户的不同需求，以及将这些需求转换成满足用户需求的系统里面的一项功能的技术方法和途径，该方法可以用相关规范、图表或其他方式来表示。

在需求管理过程中，通过对市场信息的理解和验证，形成归一化、条目化的用户需求。在项目论证中，通过系统方案将用户需求转化为系统需求，形成对系统及其设备具体功能和指标的描述。随着项目研制的深入，再将系统需求分解到各个模块，形成模块需求，之后再将需求分解到组件需求。通过逐级分解，逐步细化需求分解分配过程，实现系统的设计过程。

本节简单介绍使用质量功能展开（Quality Function Deployment，QFD）的方法对系统进行需求描述。结合综合化的思想，将前面分析的坦克装甲车辆电子综合系统的需求联合综合化系统的技术需求分解为基本的能力。

1）基本要求

坦克装甲车辆电子综合系统是一个高度综合化的开放式系统。它在整个任务过程中担负着多平台协同、任务规划、系统管理、车辆控制、人机交互等多重任务，是坦克装甲车辆执行和完成作战任务的重要系统。

2）指挥通信

指挥通信包括指挥和通信两个层次，其中通信位于下层，指挥位于上层（应用层）。在技术层面上，指挥通信的关注点主要是指车际通信和车内通信。车际通信主要依靠自组网、短波电台与超短波电台，与战场其他节点完成通信，并具备综合运用多种数据链的能力，能与其他车辆作战平台，卫星、地面指挥控制中心等单元和信息源完成信息交换和协同，使坦克装甲车辆成为作战体系网络的一个节点，支持多军兵种联合作战；车内通信主要依靠乘员通话盒。

3）综合化人机交互

采用高人机功效的一体化座舱显示布局，实现智能化的座舱显示控制和管理。人机交互包括接收驾驶员、车长、炮长的操控指令；将信息以合理的布局和形式进行处理并提供给乘员，具有语音控制功能和驾驶员辅助决策能力。

4）一体化定位导航

定位导航主要是利用组合惯导、北斗或GPS卫星确定坦克装甲车辆当前所处的位置以及导航参数，导引车辆按照既定的路线行进，确定目标的相对位置等，也为任务协同提供辅助的时钟和定位信息。

5）多传感器信息处理与融合

这里指的多传感器信息主要包括数据量较大、与任务相关度较高的射频和光电等，专用于武器控制、推进等系统的温度、压强等传感器不在此列。多传感器信息融合包括将多个视频传感器的图像进行360°拼接成像，将多个射频频段的通信信息进行融合，将多个探测雷达的目标信息进行融合计算等。

6）武器与防护控制

提供与武器控制及状态相关的操作部件和显示界面，包括目标搜索、目标选择、测距、观瞄等；提供与综合防护、主动拦截、“三防”灭火等相关控制及状态相关的操作部件和显示界面，包括多源告警界面、烟幕弹、拦截弹保险装置等。

7）底盘推进、电气控制

提供与推进、电气控制及其状态相关的操作和显示界面，包括发动机、传动、制动、电池组、发电机、电动机和分布在多个舱位中的采集驱动装置。

8）系统容错与重构

具备系统冗余、系统容错和重构能力，能够进行故障的快速检测与隔离。

9）任务保障和系统维护

能实现作战任务数据的快速加载和卸载，以及对大容量数据的快速处理和分析，具备坦克装甲车辆电子综合系统的故障管理能力，能实时监控、记录、传送状态信息。

10）模块化(www.xing528.com)

坦克装甲车辆电子综合系统由标准化的外场可更换模块（Line Replaceable Module，LRM）组成，模块的种类和数量可控。LRM是在系统安装结构上和功能上相对独立的单元，故障定位可以达到LRM级，通过LRM的方式排除故障，实现二级维护。

11）开放性和标准化

坦克装甲车辆电子综合系统采用开放式的系统架构，系统的硬件和软件可以基本上不做修改就可以实现在不同系统之间的移植，系统有较强的升级能力，能够支持因电子技术迅速发展而引起的电子产品快速的升级换代。

开放式架构的核心是标准化，系统的硬件和软件遵循公开的标准进行设计和研制开发。

12）COTS应用

采用成熟的商用现成品或技术（Commercial Off-The-Shelf，COTS），可以大幅缩短开发周期并降低成本，同时提高成熟度和可靠性。

利用质量功能展开方法可对坦克装甲车辆的战术技术指标和技术特性之间的关系度进行量化分析，筛选出满足设计要求贡献度最大的技术特征和技术措施。

表2-1给出了从技术需求到技术措施的一种QFD表，其中需求列来自前文的描述，能力与约束来自本节，每一项的分值按照最小到最大，即0～10分给出，技术措施重要度的计算方法为重要度乘以各个子项的和。

表2-1　坦克装甲车辆电子综合系统质量功能展开

从QFD表中可见，坦克装甲车辆电子综合系统的需求与主要的能力技术特性密切相关。为满足坦克装甲车辆的总体指标，坦克装甲车辆电子综合系统必须采取下列主要技术措施，并按照优先级进行排列：

（1）先进系统架构、统一互联、综合处理计算机（也可称为核心处理计算机或核心机）集中处理。

（2）多传感器综合。

（3）综合化的人机交互。

（4）先进的武器和防护系统升级。

（5）系统容错与重构。

（6）模块化设计，通用底盘、通用炮塔。

（7）底盘推进、电气控制。

（8）任务保障和系统维护，一体化定位导航。

（9）COTS应用。

实际上，表2-1的评分系统随着时代和应用的不同往往会得出差别较大的结果，同时也具有一定的主观性。但是可以看见的一种趋势是，依靠传统高功率、加强装甲、大口径火炮和大威力弹药的发展模式已经一去不复返。随着作战的需求增多，坦克装甲车辆单平台的功能增多需要依靠综合化设计，面向多平台协同作战的坦克装甲车辆电子综合系统设计正变得越来越重要。

3.功能分解

QFD可以对坦克装甲车辆电子综合系统的设计要求进行分析并得出各种技术措施的重要程度排序。从QFD出发，可以将需求再次进行逐步细化，直到进行软件和硬件的设计。

图2-9　需求分析

如图2-9所示，坦克装甲车辆电子综合系统需求分析包含两个层次：第一层次是把任务需求分解并转化为系统需求。在方案论证阶段，用户下发的研制总要求、任务需求等相关文件是从作战使用的角度对车辆提出的能力要求，总体设计人员将用户的需求进行转化，形成可以指导设计的系统需求。第二层次是要在作战使用需求分析的基础上，将一个顶层的需求分解成更加详细的底层需求。在方案论证阶段，主要是将其分解到系统功能的级别，并随着设计活动的开展进行不断的迭代和细化，形成对子系统/设备、软硬件等的功能要求。通过对系统的逐层分析和设计来细化完善系统功能需求，保证每一条需求均满足正确性、完整性、可测试性以及可追溯性的特征，以保证后续的系统架构、功能设计可以完全覆盖、满足顶层需求。

以用户的“驾驶员需闭窗驾驶”的显示需求为例（图2-10），从T1到T2、T3的过程，就是将用户的需求转变为供设计和实现的车辆能力需求；从T3到T4、T5的过程，就是将坦克装甲车辆电子综合系统的“周视视频的实时显示”需求转化为对动力传动控制系统的要求，继而转化为相关软/硬件的要求。

功能分解的目的是在系统级功能被定义的条件下，逐级分解功能，直至定义出功能子系统，以及功能子系统之间的交联关系。功能分解是一个自上而下逐步细化的过程，同时是一个反复迭代的过程，如图2-11所示。

功能分解的原则：

（1）自上而下分解，下一级比上一级更详细、更具体。

（2）一致性原则：同一级或同一层次的功能描述得同样详细、同样具体。

（3）解耦原则：允许一种或几种功能在一个模块或设备内，不允许把一种功能分解到两个或两个以上的模块或设备内。

（4）同一级功能最好不要超过7种。

（5）在需求分析阶段，坦克装甲车辆电子综合系统功能一般分解第二个层次，最多不超过第三个层次。

以本书2.2节为例（先入为主地给出了子系统的概念），其功能再分解如表2-2所示。

图2-11　功能分解

表2-2　系统功能分解

续表

近年来，一些基于模型的系统工程（Model Based System Engineering，MBSE）方法也被用于系统的需求分析、顶层设计和详细设计中。