面向过程的低慢小目标防御系统需求分析研究

面向过程的低慢小目标防御系统需求分析研究

王飞 邱旭阳 卞伟伟 辛振芳

北京机械设备研究，北京 100854

摘要：低慢小目标防御系统涉及的用户种类多，集成了多种探测装备与拦截装备，信息铰链耦合性高，指挥协同相对复杂，需要对其进行规范化需求分析。本文研究了面向过程的低慢小目标防御的需求分析。首先，基于对需求分析的三种方法的比较，提出面向过程的低慢小目标防御需求分析的过程。然后，采用基于SWOT的使命任务分析方法，分析了低慢小目标防御的使命任务和作战活动分解方法，接着，研究了低慢小目标防御的能力需求分析方法并构建了低慢小目标防御系统的能力列表；最后，基于作战活动之间的信息关系，分析如何构建低慢小目标防御系统的作战信息关系需求。面向过程的低慢小目标防御系统需求分析为低慢小目标防御系统的规范化体系结构设计、一体化防御系统装备的研制和集成优化奠定了基础。

关键词：低慢小目标防御系统；需求分析；作战能力；作战任务

中图分类号：TP18；TP212 文献标识码：A

1 引言

低慢小目标具有低空超低空飞行、速度较小、雷达难以发现等特点。随着低空空域管制的逐步开放和“低慢小”无人机技术的飞速发展，“低慢小”无人机违规飞行可对重大活动造

收稿日期： 修回日期：

基金项目：国防科工局重大基础科研项目（JCKY2016201A601）

作者简介：王 飞（1984-），男，山东寿光人，博士，高级工程师，研究方向为低慢小目标防控。

成干扰、窃取秘密、甚至用于恐怖袭击，严重影响到国家安全和国民经济的正常发展。为应对城市复杂环境下的重大活动，需要发展包括预警探测、侦察监视、指挥控制、拦截打击为一体的低慢小防控系统。

目前，低慢小目标防御系统的需求论证是由不同的安保部门针对不同的重大活动提出的，缺少规范性、全局性、战略性和发展性。一方面，不同部门提出的低慢小目标防御系统的功能需求和性能需求，没有统一的技术标准，不同程度的存在“无源”、“无的”、“无实”、“无关”、“无规”、“无据”等问题。这些问题导致低慢小目标防御装备发展建设出现“方向不明”、“不成体系”等一系列与之相关的现象。另一方面，低慢小飞行器装备的性能日趋先进、构成日趋复杂，对低慢小目标防御需求上任何偏差都会给低慢小目标防御装备发展建设带来重要影响。因此，为促进低慢小目标防御装备建设，构建规范的、可集成的低慢小目标防御作战体系，必须对低慢小目标防御进行规范化的需求分析。

当前低慢小目标防御相关的研究往往集中在特定的探测技术和拦截技术上，如Chao Zhou等^[1]研究了基于Hough变换来监测和识别UAV的方法，Yangfeng Wu等^[2]研究了低慢小目标防御中的目标识别问题，吕敬^[3]研究了低慢小无人机威胁与防范，韩晓飞等^[4]研究了激光防御低慢小目标的关键技术，张少峰等^[5]研究了低慢小目标的雷达探测技术，吴聪等针对低慢小目标雷达探测的多路径效应进行了分析，建立了低慢小目标的多路径回波模型^[6]，宫健研究了射击低慢小目标的模拟训练系统，通过虚拟现实技术对低慢小目标的射击训练，可增大低慢小目标的命中率^[7]。张志鹏等研究了拦截低慢小目标的指控系统建模与仿真方法^[8]。在拦截装备研制方面，北斗安全研究院研制了一种全天候无人机拦截系统，实现全天候，全天时，主动防御、探测预警及安全驱离等^[9]，航天科工集团研发了低慢小“天网”拦截系统^[10]。

综合国内外研究现状，当前对低慢小目标防御的相关研究并没有从体系结构的角度，分析低慢小探测、指挥控制、拦截打击的流程需求、信息需求、功能需求。并且，防御装备的技术、战术指标往往是参照国内已有的或发达国家的相应产品，与我国重大活动安保的实际需求并不十分吻合，与低慢小目标防御相关的其他装备也不完全配套，难以形成整体战斗力。为有效保障未来时期的重大活动安全有序实施，必须对低慢小目标防御系统进行需求与能力分析，明确防控的威胁、明确防控的使命任务、作战活动组成、能力结构和作战信息交换关系等，研究需求描述的规范化表示方法，为下一步建立科学、合理的低慢小目标防御体系奠定基础。

针对这一问题，本文研究了面向过程的低慢小目标防御系统需求分析方法，构建了低慢小目标防御的规范化的需求分析过程，明确了不同过程的输出成果。重点研究了低慢小目标防御系统的使命任务需求分析、作战能力需求分析和作战信息交换需求分析。通过低慢小目标防御系统的需求分析，指导低慢小目标防御系统装备的规范化发展和集成建设，进而保障城市环境下低慢小目标防控任务的有效实施。

2 低慢小目标防控需求分析的过程

2.1 需求与需求分析的概念

需求是用户解决问题或达到系统目标所需要的条件，是系统或系统构件为了满足一个协约、标准、规格或其他正式制定的文档，所需要满足和具有的条件或能力，是对这些条件和能力的规范化描述

^[11]。在军事领域，美军认为:需求是根据军事上的需要，分析、探求各种可能满足作战要求的途径或武器，换言之，也就是提出采用什么手段或获取何种武器来完成特定领域的作战任务^[12]。

低慢小目标防御需求就是根据低慢小目标防御使命任务的需要，分析、探索满足防御需求的途径。是对低慢小目标防御所需要的条件、标准等规范化的描述。针对低慢小目标防御的需求，需要结合其具体问题，研究适合低慢小目标防御问题背景的需求分析的方法和过程。

2.2 需求分析的方法

目前常用的对信息系统进行需求分析方法主要有：面向过程的需求分析方法、面向对象的需求分析方法和基于多视图的需求分析方法。面向过程的需求分析方法也是一种结构化的分析方法，如IDEF方法^[13]是一种结构化分析方法，集中了功能分解法和数据流方法的优点，能同时表达系统的活动和数据流以及它们之间的关系，结构化的分析方法不能有效地分离系统的关注点，任何功能变化都可能导致系统体系结构的再次重新设计，而且系统功能模块的描述和分解没有统一的衡量尺度，描述的正确性无法得到保障，因此只适合用于分析中小型的系统。面向对象的方法论是一种自底向上的、以现实世界的事物作为模型进行思考的方法，它将现实世界的事物映射至系统中直接封装，着重分析事物与事物之间的关系。由于其符合人们的认知方式，在获取、分析用户需求方面具有很大的优势。面向对象的分析方法主要是利用面向对象的建模语言（UML、SysML等）对C4ISR需求和体系结构产品进行分析。基于多视图的需求分析方法，往往是采用 Zachman框架用于对复杂信息系统的体系结构进行多视图的建模^[14][15]。其主要特点是：采用图形图表的形式，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整体的描述。根据低慢小目标防御系统的特点，对低慢小目标防御系统的需求分析可采用面向过程的需求方法。

2.3 面向过程的低慢小目标防御系统需求分析的步骤

需求分析是开发人员经过细致的调研和分析，准确理解用户和项目的功能、性能等具体要求，将用户非形式化的需求转化为完整的需求定义，从而确定系统必须做什么的过程。需求分析更强调能力在需求分析中的重要作用。低慢小目标防控系统需求分析是对低慢小目标防御系统的需求进行完整的梳理,并将需求进行规范化的表达出来的过程。

面向过程的需求分析方法强调，采用自顶向下的方法和自底向上的方法相结合。通过对低慢小目标防控系统的威胁、使命任务、作战能力需求、装备需求进行一体化分析，给出低慢小目标防控系统的作战能力框架和作战任务清单，明确低慢小目标防控系统使命任务需求与作战能力需求。将分析结果按照规范格式描述，形成需求分析不同的结果形成，如图1所示。其具体步骤为：

第一步，分析低慢小目标防控威胁种类，分析低慢小目标防控的威胁评估方法。具体的威胁度评估方法可参考文献[16]。

第二步，根据低慢小目标防控的使命任务分析，具体分析低慢小目标防控的作战使命、作战样式等。

第三步，分析低慢小防控作战使命任务所需要的能力需求，得到作战能力框架，其中，作战能力框架包括了能力需求清单、能力的指标体系。

第四步，作战活动需求分析，即分析典型作战样式的作战过程，作战过程中每个作战单元的作战任务以及作战活动，得到作战活动清单。

第五步，作战信息交换关系需求分析，即分析所有作战活动中各作战单元需要哪些信息，信息需求应包含具体的属性及信息质量要求，得到信息需求列表。

第六步，根据作战单元的作战活动和信息需求，归纳并提出装备应该具备哪些功能来满足作战单元的信息需求，找出所有的装备功能需求。

图1 面向过程的低慢小目标防御系统需求分析步骤

3 低慢小目标防御系统的作战使命任务分析

3.1 使命任务相关概念

作战任务需求是低慢小目标防御装备作战需求的具体体现。明确低慢小目标防御装备的使命任务需求，科学选择装备使命任务需求分析方法，提高使命任务需求分析。对于低慢小目标防御装备需求论证具体重要意义。

低慢小目标防御装备使命任务分析包括使命和任务2项内容。

（1）使命。使命是围绕特定时期的目标，赋予低慢小目标防御装备发展建设的总体目标和要求，是形成特定时期防御能力和保卫能力的重要保障。根据应用目的和应用环境的变化，使命通常分为多个子使命。

（2）任务。任务是为完成特定使命，装备所必须能够完成的，或必须具备相应的能力以完成使命所需要的作战任务。典型作战环境下的典型作战任务的分析，包括作战活动分解和作战活动的关系分析。

3.2 基于SWOT低慢小目标防御使命任务分析方法

SWOT方法是美国哈佛大学商学院安德鲁斯教授于20世纪60年代首先提出的，并在麦肯锡公司进行企业战略分析中得到了推广和应用

^[17]。SWOT分析最早应用于企业战略管理，是一个用于分析企业环境而制定战略计划的经典方法，具有结构化和系统化的特点。SWOT分析认为企业的环境分析包括内部环境分析与外部环境分析。内部环境分析包括企业的优势（Strength）分析和劣势（Weakness）分析，外部环境分析包括面临的机会分析（Opportunity）和威胁（Threats）分析。

图2 SWOT分析矩阵

基于SWOT方法分析低慢小目标防御系统作战使命任务分析的基本步骤如下：

（1）收集作战使命分析的权威资料。低慢小目标防御系统的使命分析以国际国内安全形势发展变化、国内外威胁、国家安全战略、军队发展战略、装备发展战略和作战理论研究等内容。通过这些权威资料的收集，为科学分析低慢小目标防御装备作战使命的内外部影响因素提供基础。

（2）确定低慢小目标防御装备发展的机遇与威胁，从政治、经济、社会、军事和技术等方面分析低慢小目标防御系统装备发展的外部条件、确定发展的有利条件和不利因素，提出推动低慢小目标防御装备发展的机遇与威胁。

（3）确认装备发展的优势与劣势，以重大活动安保的使命任务为依据，充分研究影响低慢小目标防御装备发展的装备与技术因素，从装备论证、研制、生产、使用等领域分析支持低慢小目标防御装备发展的内在优势和劣势，为有针对性提出装备发展方向和方案提供依据。

（4）构建SWOT矩阵。按照SWOT分析矩阵的四个象限的设计要求，将影响装备发展的外部机遇与威胁、内部优势与劣势填入矩阵、形成支撑低慢小目标防御装备作战使命分析的SWOT矩阵，以区分不同因素对装备发展的影响情况。

（5）提出装备作战使命。根据SWOT分析矩阵，按照抓住机遇、强化优势、避免威胁、克服劣势的逻辑归纳原则，定位低慢小目标防御装备体系的地位作用，合理提出防御装备作战使命。

基于SWOT方法，分析低慢小目标防御系统执行的使命任务，构建低慢小目标防御装备的SWOT矩阵，如表1所示。

根据SWOT矩阵的分析结果，综合考虑装备内部优势与劣势，外部机遇与威胁的基础，统筹可利用、改进、关注和消除的策略，提出低慢小目标防御系统的作战使命包括下面内容。

低慢小目标防御系统的使命：

（1）安全保护：在国际国内重大活动中，能够保证重大活动的场所不被低慢小飞行器干扰。典型活动包括如下几类：国家领导人出席的重大活动、重大体育赛事、国际重大会议、政治敏感区域、机场等重大安防区域。

（2）实时威慑：通过实施各类防御武器的展开，完成快速部署，彰显安保部门的低慢小目标防御能力，威慑低慢小目标持有人员，以稳定重大活动安全态势。

（3）机动造势；通过低慢小目标防御武器的前期部署和机动性能，能够实施广泛快速的机动。

（4）突击防御：通过地面机动和突击防御，能够实施防御空间内的快速反应和低慢小目标的准确捕获。

根据使命分析，得到低慢小防控的作战阶段一般分为：机动部署阶段、侦察阶段、方案生成阶段、拦截阶段、停止拦截阶段。

表1 低慢小目标防御系统装备的SWOT矩阵

3.3 低慢小目标防御作战活动分析

作战活动分析的目的是获取作战活动的输入、输出、控制和资源信息，促进各类人员对作战活动的一致理解，是对作战使命任务的具体化和实例化，作战活动是作战力量遂行作战任务的动作或行动的组合。具有很强的目的性与时效性，需要完成的作战任务的要求和作战力量功能密切相关。对低慢小目标防御系统进行作战任务的分析，形成作战活动的规范化描述，有利于不同人员对低慢小目标防御系统的作战活动形成一致理解。

作战活动分析的内容包括作战活动的分解和作战活动的描述规范化描述。一般作战活动分解方法包括三种：按照作战功能分解的方法、按照作战目标分解方法、作战过程的分解方法、技术手段的分解方法。

按照作战功能的分解方法，是根据作战功能分解低慢小目标防御装备的作战活动，如根据低慢小目标防御体系的作战功能可以分解为侦察、监视、指挥控制、防御打击、保障等基本作战功能。

按照目标类别分解方法，是按照作战目标的特征分类，对作战活动进行分解。由于低慢小目标具备多个特征，因此，在作战活动分解时，可考虑到作战目标的多样性，全面反映低慢小目标防御装备的作战活动。如低慢小目标防御打击可以分解为静态目标打击、慢速移动目标打击、快速移动目标打击，等等。

按照作战过程分解方法。要求按照低慢小目标防御系统遂行使命任务的作战过程分解作战活动。比如低慢小目标的防御作战按照作战过程分解为集结、火力打击准备、设定打击参数、实施攻击四个作战活动。

按照作战手段分解，是指当前面临的同一个或同一类目标可采用多种打击手段实施打击，分别描述不同打击手段的作战活动。如针对无人机飞行器的防御打击，可分解为网弹拦截、激光拦截、无线电拦截和无人机拦截等。

由于作战活动具有鲜明的层次性特征，根据作战概念及其任务要求，可以将作战任务区分为作战活动，将作战活动再进一步分解为原子活动。最后形成作战活动的分解结构。原子活动是最基本的行动单元，是不能再进行分解的作战活动。某个作战任务需要有多个作战活动组成的序列完成，每个作战活动又有多个原子作战活动完成。原子作战活动与上层作战活动之间不构成树形结构关系，一个原子作战活动可包含在多个上层活动中，作战活动分解的层次数量由作战活动的分解粒度确定。

按照上述的作战活动分解方法，对低慢小目标防御系统作战任务分解为侦察监视、信息综合处理、指挥控制、机动部署、拦截打击五个子活动。每个子活动可以进行再分解，直到分解到原子活动为止。例如侦察监视和拦截打击作战任务的分解结构如图3、图4所示。

图3 低慢小目标防御作战活动分解——侦察监视

图4 低慢小目标防御作战活动分解——拦截打击

表2 低慢小目标防御系统作战任务清单示例

低慢小目标防御系统的所有作战任务进行分解，得到了作战活动清单如表2所示。其中，每个作战活动有相应的指标组成。

4 低慢小目标防御系统作战能力需求分析

4.1 能力需求分析的概念与过程

能力是为完成某项任务所具备的某项本领。能力作为系统完成特定任务的本领，既依托系统的静态性能指标，也依靠系统的动态效能指标。低慢小目标防御系统的作战能力表示低慢小目标防御系统完成使命任务所具备的本领。作战能力需求是在给定条件下，系统为完成使命任务，实现预定的目标所需要的能力的集合^[11]。能力需求分析的内容包括能力的组成关系分析、能力与作战活动的关系分析和能力指标分析。通过分析装备作战能力组成关系结构，建立装备作战能力的指标体系，提出装备的作战能力指标需求，根据使命任务需求，通过作战活动与作战能力的关系映射，按照作战活动的指标要求提取作战能力需求及其指标要求，从而构建低慢小目标防御系统的能力需求。

4.1 能力分解结构

能力分解关系包括构成关系，泛化关系和依赖关系三种。由低慢小目标防御系统的发展要求和使命任务可知，低慢小目标防御系统必须具备机动能力、侦察监视能力、指控能力、拦截能力、通信保障能力，并以此为基础构建低慢小目标防御系统装备使命任务和系统需求的设计分析。其中，低慢小目标防御作战能力与机动能力、侦察监视能力、指控能力、拦截能力和通信保障能力是构成关系，机动能力与拦截装备机动能力和探测装备机动能力是泛化关系，信息融合能力与侦察能力是依赖关系，前者依赖于后者。低慢小目标防御作战能力结构如图5所示。

图5 低慢小目标防御能力分解关系

4.2 能力需求分析的概念与过程

通过对低慢小目标防御系统的能力目标及其作战运用规律的深入分析，对各个能力进行分解与细化，构建低慢小目标防御能力指标体系。对低慢小目标防御能力结构进行分析，分析每一项底层能力的具体量度，得出低慢小目标防御能力需求列表，该列表在能力量度项中给出了低慢小目标防御的具体指标。如表3所示。

5 低慢小目标防御系统信息关系需求分析

根据低慢小目标防御系统的作战过程与作战活动，分析所有作战活动的指标，进而分析实施作战活动时各作战单元需要那些信息，并从中找出需要信息支持，即信息关系需求。分析低慢小目标防御系统的信息流中应该包含具体的属性及信息质量要求，可以得到低慢小目标防御作战单元的信息需求模型。在不同作战阶段，不同低慢小作战单元之间需要交换的信息关系不同。根据主要作战单元在作战各个阶段的作战任务和作战活动，可以得到作战单元的信息需求，包括信息种类、性能需求估计和使用方式等。如表4所示。

表3 低慢小目标防御能力需求列表示例

表4 低慢小目标防御的作战单元信息需求模型示例

6 小结

需求分析是进行低慢小目标防御系统开发的第一步，是进行后续体系结构设计和装备系统研制的基础和依据。要保证由不同单位、不同时期、采用不同方式分别研制的低慢小目标防御子系统能够综合集成，并发挥最大效能，必须在建设初期，对这些系统进行规范的需求分析。本文研究了低慢小目标防御系统的需求分析，分析了需求分析的要素，构建了需求分析的过程模型，详细研究了作战使命分析，作战能力框架分析，作战活动分解和作战信息交换关系，为下一步开展低慢小防控系统的体系结构设计和低慢小目标防御装备发展论证奠定了理论基础。

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作者简介：

王飞（1984-），男（汉族），山东省寿光市人，博士，主要研究领域为“低慢小”无人机协同防控。

邱旭阳（1970-），男（汉族），湖北省襄阳市人，研究员，主要研究领域为“低慢小”无人机协同防控。

卞伟伟（1984-），男（汉族），江苏省连云港市人，博士，高级工程师，主要研究领域为“低慢小”无人机协同防控。

辛振芳（1986-），男（汉族），安徽省安庆人，博士，高级工程师，主要研究领域为“低慢小”无人机协同防控。

联系方式：

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