体系结构设计方法在指控系统设计中运用分析*

马永龙

(海军驻中南地区光电系统军事代表室 武汉 430074)

体系结构设计方法在指控系统设计中运用分析*

马永龙

(海军驻中南地区光电系统军事代表室 武汉 430074)

指挥控制系统在系统开发之前进行体系结构设计,不仅可以提高指控系统的开发运行效率,还可以节省系统的研制、使用和维护成本,是保证系统的设计质量的重要方法。论文分析了DoDAF体系结构的设计方法,并将DODAF与UML、SySML方法进行了比较分析。

DoDAF; 体系结构框架; UML; SySML

ClassNumberTP391.3

1 引言

体系结构是系统各部件的结构、各部分之间的关系以及制约它们设计和随时间演化的原则和指南。体系结构设计是系统综合集成的基础,对系统顶层设计有着至关重要的作用。指挥控制系统通常表现为规模巨大、技术复杂和领域跨度大等特点。一般通过加强系统的体系结构设计,达到系统各部分的有机结合,以保证整个军事指挥控制系统的互联、互通、互操作,最终实现整个系统的全局最优化。对于指控系统来说,如何从体系结构指导系统进行设计、以及系统的后续开发和使用进行规划,使系统能够有效地集成,并满足未来信息作战的要求,是一个研究热点。体系结构设计逐步变成指控系统开发不可或缺的过程,以及提高指控系统开发运行效率的重要手段。通过对指控系统体系结构进行设计可以节省系统的建设、使用和维护成本,进而可以确保系统的设计质量。

DoD体系结构框架(Department of Defense Architecture Framework,DoDAF)是美国国防部针对体系结构提出的一种通用的系统体系结构开发、描述和集成定义了方法[1]。通过该方法可以确保体系结构描述能在不同机构,包括联合与多国之间进行比较和关联。DODAF至今已经颁布了三个版本,DoDAF V1.0于2004年2月19日颁布,该版本从作战应用、系统实现和技术标准三个视角对系统的体系结构进行观察、描述与分析,并将结果分别形成对应的战视图(OV)、系统视图(SV)和技术标准视图(TV)[2～3]。2007年4月23日,DoDAF V1.5正式颁布,将网络中心战(NCW)的概念引入到DoDAF当中,并对其进行改造,将面向服务体系结构(SOA)中的服务等先进技术纳入其中。2009年5月28日颁布的DoDAF V2.0是当前最新的版本,该版本对国防部体系结构进行了详细介绍,并从技术角度描述系统的体系结构构造、数据类别、数据交换需求和在开发体系结构视图中的使用实例以及国防部体系结构框架元模型物理交换规范[4]。

指挥控制系统是典型的“开放复杂巨系统”,需要在科学的方法引导下,结合系统工程理论和方法指导下进行设计,以确保系统能满足现今以及未来的军事需求。因此,将DoDAF设计方法引入指控系统设计过程当中,根据现有的军事需求对其体系结构进行设计,对增加指挥控制系统的研发效率、降低研发成本以及提高系统的运行效率具有重要意义。

2 DODAF分析

2.1 DODAF体系结构

DoDAF不仅实现了以数据为中心,而且对“以数据为中心”进行了全新的揭示[5]。当前DODAF体系结构中包含了八种视图,从不同的角度描述系统体系结构。图1显示了DoDAF的核心思想。从图中可以看出,DoDAF提出了多种灵活的表示系统体系结构的途径与方法,为达到符合国防部应用的需要,突出了数据为中心的核心思想,将核心决策过程引入到DoDAF体系结构当中,使系统设计关注的焦点不再是单个系统或者产品的研发,而更多的在于系统的体系结构数据。从而使系统的体系结构数据能够高效灵活地使用,实现体系结构的灵活复用[6～7]。

图1 DoDAF 2.0体系结构图

DoDAF框架为开发和表示军事指挥系统体系结构提供规则、指导和产品描述,从而可以保证在理解、比较和集成体系结构时有一个共同的标准。从早期的三种相关的体系结构视图:作战视图、系统视图和技术标准视图不断扩展细化至现有的多种视图。每种视图都由一套图形、表格或文本来描述的体系结构产品组成。

2.2 DODAF视角描述

DODAF的体系结构中提出了八种描述系统体系结构的视角,而每种视角则通过其对应的子视图进行描述,每个视角以及对应的视图分别描述如下:

1)全局视角(All Viewpoint)

全局视角是架构描述的顶层视角,它与所有的视图密切相关。全局视角(AV)模型提供与整个架构描述相关的信息,如架构描述的范围与背景。架构描述的相关设置包含了相关的条件,其中,这些相关条件组成了架构描述的主要内容。架构描述的文档包括申明、战略、技术以及进程;相关的目标以及期望的结果;作战概念(Concepts of operations,CONOPS)场景;环境条件等。全局视角包含了两个模型视图:AV-1(总览和概要信息)和AV-2(集成字典)。

2)能力视角(Capability Viewpoint)

能力视角(CV)获取执行行动目标与整个期望特定活动的过程,或者在特定标准和条件下,通过结合思维与方式去完成一系列的任务,从而得到所期望效果的能力。能力视角为架构描述中的能力提供了一个战略的全部内容,并且在作战概念图中提出了一个高层范围,比基于场景的范围定义更宽泛。这些能力视角模型处于架构的高层,它们使用专业术语描述的能力模型,决策者很容易理解,且易于交流有关能力演化的战略期望,能力视角包含了7个模型视图。

3)数据与信息视角(Data and Information Viewpoint)

数据与信息视角为架构描述获取业务信息需求与结构化的业务处理规则,在架构描述中,它主要描述与信息转换相关的信息,如属性、特性以及相互关系。数据与信息视角包含了三个模型视图。

4)作战视角(Operational Viewpoint)

作战视角(OV)捕获组织、任务、活动执行以及它们之间的转换信息,从而完成国防部的使命任务。作战视角传递信息转换类型、转换频率、信息转换所支持的任务与活动以及信息交换的本质。作战视角包含了9个模型视图。

5)项目视角(Project Viewpoint)

项目视角(PV)获取的项目通过组织的条款按照一致的方式进行分组,它提供了一种描述多种现有项目之间关系的一种方法,而且现有的任何一个项目都有责任描述单个系统或者能力。项目视角包含了三个模型视图。

6)服务视角(Services Viewpoint)

服务视角(SvcV)捕获与支持战术行动和国防部事物处理(包括作战、业务、情报以及基础职能)的系统、服务、互联功能相关的内容。SvcV中的功能和服务资源及构件对应着OV中相应的架构数据。这些系统功能和服务资源支持战术活动并且为信息转换带来方便。服务视角包含了12个模型视图。

7)标准视角(Standards Viewpoint)

标准视角(StdV)是系统组成部分之间安排、交互、依赖关系的最小管理规则集,它的目标是确保系统满足特定的作战需求。StdV提供了一个系统实施技术指南,如确定工程规格、确立通用构造模块、产品路线制定。StdV包括技术标准、实施章程、标准选取、规则、准则(在架构描述中被用来管理系统以及系统或服务构件的配置)等。标准视角包含了两个模型视图。

8)系统视角(System Viewpoint)

系统视角(SV)捕获关于自动系统、互联(内部联系)以及其它作战行动的系统职能信息。随着时间的推移,由于国防部重点强调面向服务环境和云计算,有可能导致系统视角的消失。系统视角包含了13个模型视图。

3 指挥控制系统体系结构设计方法应用分析

3.1 DODAF方法

结合DoDAF体系结构与指挥控制系统的特点,从作战的视角对指挥控制系统体系结构建模设计过程分为需求分析、模型设计两个阶段。

1)需求分析阶段

OV-1(作战概念图)和OV-4(关系图)在此阶段完成。其中,OV-1用来获取指控系统的各种功能需求。根据指控系统的功能以及使用的要求,分析得出系统的用例、需要的角色以及各个角色之间的关系。OV-4需要根据OV-1得到的功能用例建立指控系统中的组织、人员角色以及相互之间的关系。

2)模型设计阶段

根据需求分析的结果进而对系统进行模型设计。模型设计阶段需要完成OV-2(作战资源流向描述图)、OV-6b(状态转换描述图)和OV-6c(事件-追踪描述图)。在OV-2中对指控系统活动之间资源流向进行描述,OV-6b描述指控系统的对各种条件下相应业务处理,包含了指控系统中运行的状态以及各状态的变更条件。OV-6c描述指控系统的各种事件场景,同样也包括指控系统中相关业务的执行顺序。

3.2 UML方法

统一建模语言UML是一种常用的描述系统分析设计的语言。UML语言支持面向对象设计,通过对真实世界的模拟来构造系统的模型[8]。该方法通过对客观事物进行结构和行为按照人类的思维进行模拟,建立问题域的模型,从而使设计的系统能更直接地描述客观世界。UML图包括了系统分析阶段用到的各种用例图、类图、交互图、状态图等。

利用UML语言进行指挥控制系统体系结构设计的步骤如下:

步骤1:构造用例图。根据指挥控制系统的各种作战业务的概念以及其作战过程的描述,利用用例图对以上进行概括性描述,形成系统的用途与作用的用例图。

步骤2:构造指控系统顺序图。顺序图是系统各对象的动态行为的静态表示,反应指控系统内部消息对象的传递的顺序。构造顺序图首先要分析得出指控系统的各操作对象,然后针对指控系统各操作对象按照指控系统的功能进行扩展。

步骤3:系统对象分解。为得到指控系统中系统各实体对象,将整个系统分解为几个主要的组成部分,得到系统的物理对象和系统的功能对象,将系统对象分解得到的对象与顺序图中的对象建立对应关系。

步骤4:构造指控系统状态图,对上一步中得到的对象的所有状态根据功能条件的情况建立转移关系,在此基础上,建立指控系统的各对象构件状态转移图。

UML语言的描述方法与DoDAF视图中描述指控系统体系结构得到的视图结果比较如表1所示。

表1 指挥控制体系架构与UML描述方法的对应关系

4 结语

指挥控制系统在系统开发之前进行体系结构设计不仅可以提高指控系统的开发运行效率,还可以节省系统的建设、使用和维护成本,是保证系统的设计质量的重要方法。本文分析了DoDAF体系结构的设计方法,并将DODAF与UML、SySML方法应用与指控系统体系结构的描述进行了比较分析。指控系统的设计过程,可以充分借鉴美军的设计经验,并开展相关基础技术以及理论的研究,从能力、系统、指挥作战等多个视图分析指控系统,充分利用已有的体系结构开发工具,发展满足现阶段以及适应未来发展需求的指控系统体系结构框架。

[1]DoD Architecture Framework Working Group. DoD Architecture Framework: Volume Ⅰ: Definitions and Guidelines Version 1.0[R]. U.S Departtnent of Defense,2004.

[2]DoD Architecture Framework Working Group. DoD Architecture Framework: Volume Ⅱ: Product Description Version 1.O[R]. U.S Department of Defense,2004.

[3]DoD Architecture Framework Working Group. DoD Architecture Framework: Volume Ⅲ: Desktop Version 1.0[R]. U.S Department of Defense,2004.

[4]DOD Architecture Framework Working Group. DOD Architecture Framework Version 2.0[R]. Volume 1-3, 28 May 2009.

[5]岳增坤,陈炜,夏学知.基于DODAF的体系结构模型设计与验证[J].系统仿真学报,2009,21(5):1407-1411.

[6]丛树学,白奕.基于DODAF的舰载武器系统体系结构建模[J].指挥控制与仿真,2008,30(5):23-26.

[7]陈新中,顾文,李承延.基于DODAF的顶层设计建模与验证[J].计算机工程,2009,35(12):216-219.

[8]耿国桐,史立奇,叶卓映.UML宝典[M].北京:电子工业出版社,2004.

[9]吴娟,王明哲,方华京.基于SysML的系统体系结构产品设计[J].系统工程与电子技术,2006,28(4):594-598.

[10]田川,田罡,刘笑达.系统建模语言(SySML)及其在DODAF产品描述中的应用[J].火力与指挥控制,2008,33(9):102-106.

ApplicationofDoDAFinCommandandControlSystem

MA Yonglong

(Navy Representative Office of EO Systems in Central-South Area, Wuhan 430074)

Before the development of command and control system, the efficiency of system development can be greatly improved by the designment of architecture framework, also the cost of construct, use and maintenance would be decreased. The design of architecture framework plays an important role in ensuring the quality of system designing. In this paper, the design method of DoDAF architecture framework is analyzed, then, the comparison of description in command and control system is made between DoDAF, UML and SySML. The result shows that DoDAF is practicable in the procedure of designing command and control system.

DoDAF, architecture framework, UML, SySML

2013年10月3日,

:2013年11月29日

马永龙,男,硕士,工程师,研究方向:舰船电子。

TP391.3DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.005