DoDAF视图下的反导作战军事概念建模与仿真系统设计*

李龙跃,刘付显

(空军工程大学防空反导学院,陕西 西安 710051)

为实现各军种之间信息的无缝流通及互操作,美军在 C4ISR体系结构框架的基础上,于 2003年 1月颁布了国防部体系结构框架;DoDAF(Department of Defense Architecture Framework)1.0版。之后,又于 2007年 4月颁布了国防部体系结构框架 1.5版(DOD AF 1.5)。2009年,在DOD AF 1.5版的基础上,美国防部开发了DOD AF 2.0版。DOD AF 2.0版扩充了视图和产品,共包括 8个视图和 51种产品。美国国防部 DoDAF定义了一个用于作战过程的系统体系结构描述、开发、表示和系统集成的通用方法,用来指导国防运作过程的集成系统体系结构设计。DoDAF所描述的体系结构是系统建设的蓝图,是复杂信息系统建设中必须遵循的标准,它在系统的整个生命周期中都发挥重要作用[1]。一般而言,作战体系尤其是反导作战体系是一个极其复杂的作战系统,弹道导弹拦截系统是典型离散事件系统,作战过程由一系列事件和活动组成,如目标预警、搜索与跟踪、拦截、杀伤效果评估,等等。

统一建模语言(UML,Unified Modeling Language)是对象管理组织(OMG,Object Management Group)确定的面向对象建模语言标准。其表达能力丰富、严谨并具有较强的扩充性,能够描述、说明、建立文档和可视化构造软件或仿真系统开发的各个阶段,所有参与人员均可从 UML中无歧义地获取所需信息[2]。

本文在借鉴美国 DoDAF框架视图产品规范的基础上,结合 UML语言对反导作战的概念模型与仿真系统设计开展研究。

1 建模思路

DoDAF提供了一个推进和实施体系结构设计的一体化的概念、指南,特别在面向决策者的数据语言选择和根据面向服务架构设计的要求等方面进行了改进,提供了以全视图(AV)、作战视图(OV)、系统视图(SV)和标准技术视图(TV)四种类型视图为主的视图产品集,DoDAF各个视图的概念和关系如图 1所示。UML中定义了 5类模型图,包括用例图、静态图(对象图、类图和包图)、行为图(状态图和活动图)、交互图(协作图和顺序图)、实现图(构件图和配置图)[3]。基于UML与DoDAF的作战军事概念建模就是建立 DoDAF产品和 UML图的映射,反映军事需求,从面向对象方法论上给出一个设计表示规范。为了更系统、更全面地描述建模对象,UML提供多视点建模机制,进行多视图建模,将UML模型分为静态模型和动态模型两大类,图2给出了UML建模的基本框架。

图1 DoDAF体系结构视图

图2 UML建模框架

2 反导作战军事概念模型

2.1 反导拦截系统的构成及作战流程

反导武器系统作战,首先需要具备完善的预警网,即由天基、空基、面基预警系统构成的三维预警体系;其次,需要高效的指挥控制系统,准确、快捷地完成信息的处理与分发;再次,拦截武器系统的性能对反导成败影响巨大,当前主要的反导武器是地空导弹。对TBM实施拦截过程可分为预警探测、跟踪监视、系统分析、指挥决策、适时拦截等几个阶段,当来袭 TBM穿过稠密大气层后,预警系统中的导弹预警卫星或预警飞机上的红外探测器就能探测到导弹火箭发动机的喷焰,跟踪其红外能量,直到熄火。经过 60～90秒的监视便能判定其发射位置或出水面处的坐标,跟踪其弹道,并初步判定导弹的飞行方向和弹头落点,向可能受到攻击的地区及其防御系统发出预警信号。预警卫星发现导弹升空后,通过作战管理/指挥、控制、通信和情报(BM/C3I)系统,将目标弹道的估算数据传送给空间防御指挥中心,并向远程地基预警雷达指示目标。BM/C3I系统是整个防御系统运行的关键,它将多种探测器的探测和识别能力进行融合集成,做出包括人工参与的作战决策,给拦截弹下达发射命令,负责各系统之间的通讯,监测作战过程,并对拦截弹的射击效果进行评估。

2.2 DoDAF框架下的反导作战UML模型

DoDAF框架下的反导作战军事概念建模,是指利用 UML模型元素,详细描述 DoDAF框架作战视图和系统视图的过程。DoDAF中的作战概念视图由UML用例分析来描述。用例分析是系统设计的基础,从宏观上描述反导作战过程并进行需求分析。根据用例描述,可得到反导系统概念视图(图3)。作战概念视图描述了反导作战流程并突出了主要的运作节点,强调军事活动的主要方面。由于仅从图形上不能够直接获得隐含的许多必要信息,因此,除了给出图形描述外,通常还需给出文字描述。作战组织关系视图阐明了预警探测系统、拦截系统之间等存在的各种关系。实际需求需要经过简化,突出体现主要模型,这符合UML的主要设计理念;分治和反馈。图4为用类图描述反导作战组织间关系的视图。

图3 反导系统概念视图

图4 作战组织关系视图

UML中的用例、类、类操作都可以用来表示反导作战中的作战组织关系视图。图 4中 Sensor Networks、Warning Radar等都是系统中的实体类,其活动均通过访问类的属性和调用操作来完成。在建立类图时要紧密结合用例图,确保类属性和类操作能完全覆盖用例。根据面向对象设计的思想,所有的类应该独立封装,尽量避免非法改动及类之间耦合[4]。对于每一个类都有非常详细的属性数和操作数。限于篇幅,这里仅以 TBM目标参数及预警雷达的类图[5]为例,根据 TBM的目标特性,可以将属性分为时间、发射平台、位置信息、速度、RCS、红外辐射等,并可对其进行相关的计算操作。同样,对预警雷达的属性和操作也可定义,如图5所示。

图5 (图4中)TBM目标数据与预警雷达类图

图6 作战事件跟踪视图

反导作战事件跟踪视图可用 UML序列模型来描述。作战时间跟踪视图描述了在特定场景下反导作战各节点之间的序列关系,更好地定义了节点间交互和运作流程,保证各个作战节点在适当的时间获得所需的信息来执行作战活动。对各个节点序列模型,分别建立,体现了分治的思想,能更好描述反导作战系统。图6和表1分别为作战事件跟踪视图和消息说明。

表1 (图6中)消息说明

Info(5) { 战术BM/C3对火力单元目标分配、目标指示信息 }Check { 射击效果观察,视情再次发射 }*Info(1) { 地基预警雷达目标跟踪信息;目标识别、方位角、高低角、速度 }*Info(2) { 目标跟踪信息;目标方位角、高低角、速度 }*Info(3) { 拦截武器对战术BM/C3上报战果 }*Info(4) { 战术BM/C3I对战区BM/C3上报战果 }

表2是 DoDAF产品作战视图与系统视图的UML表示对应表。作战系统活动的静态结构主要包括实体的组织结构,系统单位的编成等;动态行为主要表现为达成一定的军事目的所采取的系统行动。上面给出的反导作战概念视图、组织关系视图和作战事件跟踪视图是DoDAF框架下多视图的一部分。用UML模型可以较好地解决如何描述DoDAF产品(视图)的问题。当然,DoDAF框架下完整的产品集应该是一系列视图。对 DoDAF四大视图,本文仅从反导作战的系统和作战两方面建立军事概念模型作为示例,实际反导作战概念模型,仍需要对其它两类视图分别进行分析与建模。

表2 DoDAF产品作战视图与系统视图的UML表示

3 基于 DoDAF视图的反导作战仿真系统设计

基于 DoDAF视图的反导作战仿真系统设计设计主要有以下4个步骤。

Step1:对作战系统进行抽象,建立DoDAF反导系统视图。系统的需求分析及结构、功能描述可由用例图来描述,用例图是系统的顶层视图,不涉及系统的细节。系统的具体结构,不同对象的类和类的接口、属性、操作、结构及类之间的关系则由类图来描述。

Step2:对作战系统交互关系、对象之间的通信联系和消息传递进行描述,建立 DoDAF反导作战视图。除了顺序图和活动图外,UML还提供包图、协作图、实施图和构件图等,用户可根据系统的具体特点选择其中的一种或几种。

Step3:系统设计人员对反导作战系统建立DoDAF系统视图和作战视图之后,用UML顺序图和活动图制定系统的运行方案,每一个对象都对应一个仿真单元,都需要编写一个图形仿真语言(GSL)程序框架来驱动架构的仿真行为,并利用仿真单元间的通信协议进行交互[6]。

Step4:系统实现。根据具体 UML模型利用UML支持工具提供的代码到处功能生成代码,以java为例,添加各实体对象的仿真代码,采用MFC对系统进行软件实现。UML主要有IBM Rational Rose和Microsoft Visio,其中Rose是一个强大的面向对象设计软件,可以实现对系统的建模、设计和编码,并且可以利用源代码信息创建或更新模型,保证了模型与代码的同步。下文中还给出了一段系统初始化代码示例[7]。

通过上述 4个步骤的描述,可以给出基于DoDAF视图的反导作战仿真系统设计框架,如图 7所示。利用该框架,结合分布交互仿真(HLA、DIS等)支撑系统建立完善有效的分布式仿真规则,包括协调一致的结构、标准和数据库等,可以支持 TBM拦截作战的分析、设计、实验等仿真。在HLA仿真中,消息传递中联邦成员的订购、公布等机制由RTI来决定;在 DIS仿真体系中,消息交互则通过仿真节点间发送 PDU实现,操作人员对仿真的最后控制还需要友好的人机界面来完成。代码重用性高、系统易于扩展、维护是UML面形对象的三个主要优点,此外,代码间直接移植、可以依靠继承机制扩充新的类和单个类的修改不影响整个系统的结构体系等优势,使得基于 DoDAF的仿真系统设计效率大大得到提高。

在仿真系统正式建立之前可以进行测试,充分暴露出仿真方案设计中的缺陷,方便设计人员进行可行性和效率性评估。例如,可采集以往反导作战试验数据,在仿真系统中通过数据驱动验证设计方案及理论模型的不足之处,尔后修改系统模型,重新设计仿真系统,最终得到优化、可靠的方案。

系统初始化代码示例：

图7 基于UML的仿真系统设计框架

4 结束语

规范的体系结构和军事作战描述方法,是指挥信息系统建设、运行的基础,旨在跨越不同的系统,形成一体化的系统。因而,提高系统的互操作性和兼容度,必须应用规范化的视图产品,形成概念摸型。这些军事概念模型是作战系统兼容性、连通性、共享性和互操作性的基础,对建立规范的体系结构十分必要。本文以弹道导弹防御作战为对象,基于DoDAF建立军事概念模型,并给出一种仿真系统设计方法,对研究其他类似军事问题及指控系统的开发具有一定参考价值。

[1]李为民,辛永平.防空反导一体化作战与军事系统工程[J].军事运筹与系统工程,2008,22(4):19-21.

[2]李 波,高晓光.基于 UML的空空导弹仿真建模[J].飞行力学,2010,28(1):61-64.

[3]Ying Liang.From Use Cases to a Way of Building Object Model with UML [J].Information and Software Technology,2003,45(2):83-93.

[4]陆波,华耀祖.应用UML进行反辐射导弹对抗仿真建模[J].计算机仿真,2003,20(12):17-18.

[5]徐忠富,王国良,姜芳.UML在电子战仿真建模中的应用研究[J].指挥控制与仿真,2009,31(5):73-77.

[6]徐刚,陆廷金,米继承.UML可视化仿真方法及在武器中的应用[J].火炮发射与控制学报,2007(3):24-27.

[7]李雪超.基于 DoDAF的防空反导指控系统模型研究[D].西安:空军工程大学导弹学院学位论文,2010.