模型驱动的武器装备体系结构设计

李 龙

(南京政治学院上海校区军事信息管理系， 上海 200433)

模型驱动的武器装备体系结构设计

李 龙

(南京政治学院上海校区军事信息管理系， 上海 200433)

针对现有体系结构设计尚未完全体现模型驱动的设计理念，体系层和系统层结构设计不能平滑过渡，体系结构设计迭代中模型数据关系不清晰等问题，提出了一种基于面向对象、模型驱动的武器装备体系结构设计方法。该方法由能力需求分析、黑盒分析和白盒分析3个基本步骤组成，应用了DoDAF(Department of Defense Architecture Framework)建模框架，采用SysML(System Modeling Language)作为建模语言。最后，通过新型装甲装备作战体系结构设计实例验证了其可行性。

武器装备体系; 装甲装备体系结构; 模型驱动的系统设计; DoDAF; SysML

武器装备体系建设面临2类复杂性：1)武器装备体系作为一个复杂大系统,其自身的复杂性；2)武器装备体系建设过程涉及多部门、多学科、多约束，由此而产生的复杂性。因此，武器装备体系建设是一个复杂的系统工程，包含需求获取与分析、体系结构设计、实现、集成、验证以及评估与优化等。

在武器装备体系建设早期，体系结构设计是管理其复杂性的有效手段。近年来，基于模型的系统工程(Model-Based Systems Engineering，MBSE,又称为模型驱动的系统设计)在复杂系统体系结构设计领域已得到应用[1-3]。MBSE方法在系统设计过程中将模型的建立和分析作为中心，具有描述清晰准确、易于交流、验证方便、重用和需求跟踪等诸多优势。

现有体系层的MBSE方法研究主要分为结构化分析方法和面向对象的分析方法2类。1)在结构化分析方法方面，Levis等[4]设计了C4ISR(Co-mmand, Control, Communication, Computer, Intelli-gence, Surveillance, Reconnaissance)系统体系结构的流程；Wagenhals等[5]通过实例验证了结构化分析方法在C4ISR系统体系结构设计中的有效性；Piazsczyk[6]研究了利用DoDAF(Department of Defense Architecture Framework)视图产品进行需求获取的MBSE方法。总体来看，结构化分析方法主要采用基于功能分解的自顶向下逐步求精的方式，其缺点是：在进行相似需求体系结构设计时，不能重用已有的模块设计成果。2)面向对象的分析方法在体系结构设计成果的可重用性和可扩展性方面均具有优势。Bienvenu等[7]通过实例验证了面向对象的分析方法在C4ISR系统体系结构设计中的有效性；车万方等[8]研究了基于UML的面向对象分析与设计方法来设计C3I(Command, Control, Communication, Intelligence)系统的体系结构；饶德虎等[9]利用UML和面向对象建模方法开发了卫星军事应用系统体系结构；倪枫等[10]研究了基于面向对象思想的SoS(System of System)体系结构DoDAF产品5阶段的迭代设计方法。上述面向对象的分析方法都是针对各自的应用背景提出了体系结构设计流程，主要存在如下不足：(1)没有完全体现模型驱动的设计理念，即未将模型的建立与分析作为整个系统设计的核心；(2)虽然给出了设计流程，却没有清晰定义不同设计阶段模型数据之间的迭代关系；(3)体系结构设计流程仅关注体系层次的设计，且该层设计完成后无法平滑过渡到系统层的设计；(4)很少运用SysML(System Modeling Language)实现体系结构设计[11-14]。

为此，本文提出一种模型驱动的武器装备体系结构设计方法，该方法基于面向对象的思想，将模型的建立、分析与迭代作为整个武器装备体系结构设计的核心，应用DoDAF建模框架，采用SysML来设计武器装备体系结构，并在设计流程中对模型数据之间的迭代关系进行说明。

1 模型驱动的体系结构设计流程

模型驱动的体系结构设计是以军事能力需求为牵引，包括能力需求分析、黑盒分析和白盒分析3个基本步骤，其中通过黑盒、白盒的迭代分析可使体系层、系统层和模块层的设计无缝连接起来。设计中采用SysML规范和DoDAF框架来构建视图模型，设计流程如图1所示。由图1可以看出：黑盒分析和白盒分析是相对而言的，当武器装备体系结构模型有多个层次时，任意相邻的2层模型之间，上层对下层而言是黑盒，下层对上层而言则是白盒。“黑盒-白盒”分析方法不仅适用于装备的体系结构设计，也适用于武器装备系统以及系统子模块的结构设计。通过“黑盒-白盒”的迭代分析，体系层的设计成果作为系统层结构设计的需求输入，系统层的设计成果作为模块层结构设计的需求输入。

图1 模型驱动的体系结构设计流程(相邻模型输入未标出)

1.1 体系能力需求分析

依据国家的国防战略和我军的使命任务，得出未来一段时期内我军的军事能力需求。每种军事能力需求由1个高级作战概念图来定义，每个高级作战概念图定义1个或多个用例，用例用于描述外部参与者与体系或系统的交互情况。SysML用例实现了对作战概念的进一步定义，是高级作战概念模型与逻辑体系结构模型之间的桥梁。这一步的输出是高级作战概念模型(OV-1)和用例模型。

1.2 体系结构黑盒分析

体系结构黑盒分析是指在未知体系或系统内部结构的情况下分析体系行为以及体系与外部环境之间的接口关系。具体包括逻辑体系结构分析和物理体系结构设计。

1.2.1 逻辑体系结构分析

逻辑体系结构分析主要分析为实现作战概念应完成的一系列作战活动、作战活动的时间序列以及作战活动之间的信息流，即分析用例中的体系行为，确定详细的活动流程以及体系与外部系统之间的信息交互序列，生成相应的高层作战序列模型(OV-6c)。

1.2.2 物理体系结构设计

物理体系结构设计主要设计为完成逻辑体系结构中的作战活动，体系应包含的作战实体、作战实体应具备的功能以及作战实体之间的信息流，即以体系和外部系统为对象，定义体系的属性、活动及其与外部系统的接口(体系层次SV-1)。依据OV-6c描述的实体之间发生的活动和消息传递，抽取出体系的属性、活动和接口数据。

1.3 体系结构白盒分析

体系结构白盒分析是指在已知体系或系统内部结构的情况下分析组分系统的行为及其接口关系。具体包括物理体系结构分解、详细逻辑体系结构分析和详细物理体系结构设计。

1.3.1 物理体系结构分解

物理体系结构分解主要依据经验知识和客户需求向下分解武器装备体系，得到物理体系结构层次模型。其中首次迭代只分解到组分系统层次，也可根据需要继续迭代向下分解，如可分解到子系统、组件层次等。

1.3.2 详细逻辑体系结构分析

详细逻辑体系结构分析将黑盒分析生成的OV-6c模型中的武器装备体系对象替换成组分系统对象，即将OV-6c模型中发生在外部系统和体系之间的活动分配到相应的组分系统上，添加组分系统之间发生的交互活动和消息传递，建立粒度更高的作战序列模型(SV-10c)。

1.3.3 详细物理体系结构设计

详细物理体系结构设计主要分析黑盒内部结构，即将组分系统信息添加到武器装备体系结构内部，把体系的属性、活动及其与外部的接口分配到相应的组分系统。当组分系统之间存在交互活动或消息传递时，从SV-10c中抽取数据，并据此将属性、活动和接口添加到相应的组分系统，进而建立体系内部组分系统的通信接口模型(SV-1)。

2 设计实例

以新型装甲装备作战体系(New Generation Armored Equipment Operational System of Systems，NGAEOSoS)结构设计为例，验证本文方法的可行性。

2.1 NGAEOSoS作战想定

设NGAEOSoS的作战想定为：当敌方目标处于我方地面侦察范围以外时，运用侦察卫星的广域侦察能力获取敌方地理位置、规模、目标属性等目标信息，然后迅速将侦察到的目标信息下传到地面指挥车，指挥车接收信息并转发给数据处理中心，数据处理中心处理信息后生成战场态势信息再发送给指挥车，指挥车制定作战计划，并将态势信息和作战计划经通信卫星中转下发给主战坦克、武装直升机等各作战单元，各作战单元收到作战命令后，马上自行进入战斗状态。当敌方目标侵入侦察坦克的侦察范围时，侦察坦克利用自身配备的侦察感知子系统探测、识别敌方目标，确定其位置和类型信息，既可引导武装直升机攻击，也可引导主战坦克间瞄攻击。若敌方坦克处于主战坦克射程内，主战坦克可对其实施直瞄攻击。完成攻击后，侦察坦克对被攻击目标实施毁伤效果评估，并通过通信卫星中转后将评估结果上报指挥车。

2.2 NGAEOSoS能力需求分析

根据作战想定，绘制如图2所示的高级作战概念图(OV-1)。高级作战概念图在特定的抽象层次上描述了武器装备体系包含的装备系统、装备系统之间的协同关系与作战样式以及体系与外部环境之间的交互关系，驱动后续体系结构模型的建立。

图2 NGAEOSoS高级作战概念图(OV-1)

由图2可得出4个用例：制定作战决策、坦克直瞄火力攻击、坦克间瞄火力攻击和引导直升机间瞄攻击。由于卫星的建设相对独立，因此将侦察卫星(sat_rec)和通信卫星(sat_com)看作NGAEOSoS的外部系统，完成的用例如图3所示。

图3 NGAEOSoS的用例

2.3 NGAEOSoS结构黑盒分析

2.3.1 NGAEOSoS逻辑体系结构分析

以用例“坦克间瞄火力攻击”为例，说明如何通过添加更多的作战活动细节信息将体系用例转换为如图4所示的NGAEOSoS黑盒作战序列模型(OV-6c)。图4采用SysML序列图来描述“坦克间瞄火力攻击”的作战过程，参与作战的实体有入侵者(intruder)、NGAEOSoS、通信卫星(sat_com)。按照作战活动的时序，首先是入侵者入侵(intrude)我方防卫领域，NGAEOSoS识别(intruder_detect)到入侵者，NGAEOSoS跟踪(intruder_track)入侵者，NGAEOSoS将目标信息分发(targets_distribute)给相应的火力打击装备，火力打击装备制定打击决策(decide)，火力打击入侵者(engage)，NGAEOSoS评估打击效果(assess_kill)，NGAEOSoS利用通信卫星向指挥中心上传评估报告(report_upload)，指挥中心利用通信卫星向NGAEOSoS下发命令(report_receive)。

图4 NGAEOSoS黑盒作战序列模型(OV-6c)

2.3.2 NGAEOSoS物理体系结构设计

物理体系结构设计首先逐个分析NGAEOSoS黑盒作战序列模型中的所有活动，并将它们分配给活动执行者(被活动线连接的活动发起对象)。其次逐个分析所有的消息传递，并将它们分配给连接的对象作为其属性(消息发送方)。对象之间存在消息传递时则建立接口。完成后的NGAEOSoS与外部系统的黑盒物理体系结构(SV-1)如图5所示。需要注意的是：此处的SV-1是体系层次的块和接口描述模型，而详细物理体系结构设计阶段的SV-1模型是组分系统或更低层次的模型。

图5 NGAEOSoS与外部系统的黑盒物理体系结构(SV-1)

图5采用SysML块图(Block Definition Diagram)来描述NGAEOSoS与外部系统的黑盒物理体系结构，每个作战实体用1个块来表示，其中：块的属性(Attributes)表示实体接收或传递的信息；块的方法(Operations)表示实体应具备的功能；作战实体之间的连接线和接口表示信息流。NGAEOSoS的块应具备如下功能：入侵识别、入侵跟踪、目标信息分发、作战决策、火力打击、毁伤评估、上传评估报告到通信卫星、从通信卫星接收命令。NGAEOSoS与通信卫星存在信息接口，并能收集入侵目标的信息。

2.4 NGAEOSoS结构白盒分析

2.4.1 NGAEOSoS物理体系结构分解

依据OV-1描述的作战概念，NGAEOSoS共包含5类组分系统：指挥车、主战坦克、侦察坦克、武装直升机和数据处理中心，据此建立如图6所示的NGAEOSoS内部物理体系结构层次模型。图6定义了NGAEOSoS与各类组分系统间的数量关系，如1个NGAEOSoS只包含1辆指挥车(1-1)，但1个NGAEOSoS可包含1辆以上的主战坦克(1-1..*)。

图6 NGAEOSoS内部物理体系结构层次模型

图6采用SysML块图来描述NGAEOSoS内部组成结构，块之间的连线描述了各类装备与NGAEOSoS的数量关系。

2.4.2 NGAEOSoS详细逻辑体系结构分析

根据OV-1，“坦克间瞄火力攻击”用例在NGAEOSoS中只有3类组分系统参与：主战坦克、侦察坦克和指挥车。详细逻辑体系结构分析完成3项工作：1)把OV-6c中的NGAEOSoS替换成3类组分系统对象；2)把NGAEOSoS参与的活动分配到组分系统对象，如将入侵识别、入侵跟踪、目标信息分发、毁伤评估等活动分配给侦察坦克，将火力打击决策、火力打击、向通信卫星上传毁伤评估报告等活动分配给主战坦克；3)给组分系统对象添加交互行为，如在主战坦克和侦察坦克间添加assess_request( )活动，表示只有当侦察坦克接收到主战坦克的毁伤评估请求消息之后，侦察坦克才会对被攻击目标进行毁伤评估。完成的NGAEOSoS白盒作战序列模型(SV-10c)如图7所示。

图7 NGAEOSoS白盒作战序列模型(SV-10c)

2.4.3 NGAESoS详细物理体系结构设计

详细物理体系结构设计主要包括NGAEOSoS内部组分系统的属性、方法以及组分系统间消息传递接口的设计，使NGAEOSoS具有黑盒分析阶段定义的体系层次的功能(方法)与对外信息接口。根据SV-10c，将组分系统参与的活动转换为组分系统的方法，建立消息传递双方的通信接口，消息传递的内容转换为对应组分系统的属性。组分系统必须能完整继承黑盒物理体系结构设计阶段所定义的方法、属性和接口，并根据白盒逻辑体系结构把它们分配给内部组分系统。NGAEOSoS白盒物理体系结构(SV-1)如图8所示。

图8 NGAEOSoS白盒物理体系结构(SV-1)

图8采用SysML的内部块图来描述NGAEOSoS白盒物理体系结构。对比NGAEOSoS白盒物理体系结构(SV-1)与黑盒物理体系结构(体系层次SV-1)可以看出：黑盒物理体系结构中NGAEOSoS具有的功能全部分配给了主战坦克、侦察坦克和指挥车3类组分系统；白盒逻辑体系结构中新添加的组分系统之间的交互活动也分配给对应的组分系统；组分系统与外部作战实体、组分系统之间的信息流连接线和接口也建立起来了，如侦察坦克和主战坦克之间存在2对信息接口，即侦察坦克向主战坦克分发入侵目标信息、主战坦克向侦察坦克发送毁伤评估请求。

至此，基本完成了NGAEOSoS体系层次的体系结构设计。需要注意的是：因受篇幅限制，本实例中设计得到的NGAEOSoS体系结构是根据“坦克间瞄火力攻击”用例的需求设计得出的，并不完整。可根据需要将NGAEOSoS白盒物理体系结构作为输入进入下一层次的设计，即NGAEOSoS组分系统层的体系结构设计，系统层的体系结构设计除了可对结构进行建模外，还可利用SysML的参数图对系统内部参数的定量关系进行建模。

3 结论

MBSE方法可有效处理武器装备体系建设时面临的体系自身的复杂性和体系建设过程产生的复杂性，提高了设计质量，便于设计成果的重用和迭代修改。

下一步将主要研究2方面的问题：1)在模型驱动的武器装备体系结构设计流程中实现需求追踪，保证设计成果能完整、正确地反映利益相关方的需求；2)体系结构模型如何与底层物理模型结合，在更高的粒度上实现体系的效能验证和技术指标论证。

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(责任编辑: 王生凤)

Model Driven Approach for Weapon Equipment System Architecture Design

LI Long

(Department of Military Information Management, Nanjing Political Institute of PLA, Shanghai 200433, China)

Aiming at the problems that model driven approach has not been used completely, System of Systems (SoS) level architecture design cannot transit to system level architecture design smoothly, and the transformation of model data has not been clearly defined during design iteration, a novel approach based on object-oriented and model-driven methodology is proposed. It is composed of three major steps: capacity demand analysis, black-box analysis, white-box analysis. Modeling framework of DoDAF(Department of Defense Architecture Framework) is utilized to support architecting, and SysML(System Modeling Language) is used as the modeling language. Finally, an application of New Generation Armored Equipment Operational SoS (NGAEOSoS) is illustrated in detail to verify the feasibility of the novel approach.

weapon equipment system; armored equipment system-of-system architecture; model-based system design; DoDAF; SysML

1672-1497(2015)06-0072-06

2015-07-16

李 龙(1988-)，男，助教，硕士。

E917; TP31

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.06.014