基于模型的系统工程方法用于海上编队指挥控制系统概要设计∗

阚亚斌 赵鑫业

（海军大连舰艇学院 大连 116018）

1 引言

由于问题和解决方案空间日益复杂，社会技术系统的系统工程变得越来越困难，这导致了基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）的发展。根据国际系统工程学会（International Councilon Systems Engineering，INCOSE）在《系统工程2020年愿景》中给出的定义，MBSE是“从概念性设计阶段开始对建模的正式应用，以支持系统需求、设计、分析、校核与验证等活动，持续贯穿到开发以及后来的寿命周期阶段”［1］。在需求分析和概念开发阶段，建模用于捕获和表示系统的利益（interest）相关者的心理模型。软件工具可以通过各种图表和视图捕获数据库中的模型信息。这种以数据为中心的方法可确保定义的模型元素及其关系的一致性和可跟踪性。由于指挥和控制（Command&Control，C2）系统可被视为复杂的社会技术系统，因此MBSE应有助于捕获支持概念解决方案开发的需求。本文中介绍的MBSE方法有助于捕获C2系统的要求以及主要逻辑块元素及其所需功能的识别。通过开发适用于特殊复杂作战环境的概念C2系统解决方案，可以证明这种方法。

2 基于模型的系统工程

面对海上编队指挥控制系统概要设计的上述需求，作为解决复杂系统设计领域的新方法——基于模型的系统工程方法，被普遍认为是海上编队指挥控制系统概要设计进行综合设计最有效的解决方案。

系统工程在进行飞机等复杂产品的设计时，采用正向设计过程，即从飞机所处环境的“外在行为”到“内在功能”再到“物理构造”的设计过程进行展开。对应的设计过程是由需求分析、功能分析和设计综合等3个相互依赖、反复迭代和递归的环节构成。

MBSE的重点是依赖系统建模的系统工程过程，因此，需求分析、系统设计、集成、校核与验证等活动都是围绕模型展开的。Piaszczyk［2］通过一组例子，展示了根据DoDAF指导实现的MBSE方法论，它强调需求的可追溯性，从体系结构视图所代表的系统模型得到操作、功能、系统和物理需求。不过，这里给出的模型图采用的是一种接近IDEF的非标准图形化标注。

3 基于模型的系统工程方法用于海上编队指挥控制系统概要设计

海上编队是海军兵力实施海上机动作战、基地防御作战、岛礁区攻防作战、支援濒海登陆、抗登陆作战和保卫海上交通线作战的主要编群（编组）形式［3］。信息化战争与传统的机械化战争相比，在作战样式、作战过程以及作战理论等方面都有着很大不同。现代海上编队指挥控制系统是基于信息系统的体系作战，编队内各种作战平台在先进信息技术的支持下连接起来，构成了一个相互之间具有有机联系的整体作战的复杂自适应系统［4］。

MBSE不仅仅是需要开发一组图表用于补充基于文本的报告，如果仅使用标准建模符号绘制这些图表不会改进模型。如图1所示，MBSE的元模型［5～6］表明了建模系统与建筑框架中建模工具的应用之间的关系，架构（Architecture）为目标（Goal）视图（View）提供了定义，而由工具（Tool）支撑的视图（Visualisation）又可以实现对目标（Goal）视图（View）的可视化。该元模型为开发适合特定应用领域的MBSE方法提供了基础。在通过许多视图对系统建模之前，根据图1的中间“目标（Goal）”列，需要架构（Architecture）。首先，需要一个体系结构（Architecture Framework）来定义模型（Model）的视图（View）。可以通过MBSE方法应用针对问题和解决方案空间的任何合适的体系结构框架（例如，在面向服务的体系结构，如NAF、MoDAF或DODAF）。在所有情况下，都需要一定程度的剪裁。架构框架由描述系统所需的各种视点及其由标准本体定义的行为组成。对系统模型的不同观点用于分析不同层次的系统［7］。

图1 基于模型的系统工程元模型

系统的各种视角可以通过图表可视化。要发挥MBSE的作用，建模者应该超越基于文本的工具。这些基于文本的工具（如Visio™和Powerpoint）仅为基于文本的文档提供图片，它们无法管理复杂图表中元素之间的关系。应实施MBSE的专用数据中心工具。这些工具实现了可接受的建模符号，例如SysML和UML，以通过图表开发一致的系统视图。SysML用于通过系统结构、参数、属性、要求，行为和关系图来模拟复杂系统［8～9］。

行为图表示情境的各个部分及其因果关系。系统的行为使用用例、活动、序列和状态建模机器图。用例图提供了系统功能的高级描述。活动之间的数据流和控制流被捕获在活动图中。序列图表示系统的协作部分之间的交互。需求图确保层次结构以及派生，满意度，验证和细化关系清晰。系统参数约束和其他参数（如性能、可靠性和物理属性）在参数图中捕获。

结构图表示具有逻辑关系的情况的部分。块定义图通过层次结构，关系和分类来描述系统结构。内部框图描述了系统的部件，端口和连接器的内部结构。框图中的块可以表示系统层次结构的任何级别，以将系统描述为它们之间的部件和连接的集合，从而实现通信和其他形式的交互。端口提供对块的内部结构的访问，以便在较大结构的上下文中使用对象时使用。需求视图指定了从利益相关者需求中获得的所需结构和行为属性。参数视图提供了系统的关键工程参数，用于评估性能，可靠性和物理特性。

实现MBSE的这个元模型将帮助海上编队指挥系统系统工程师（建模人员）组织和呈现信息，以支持基于有形模型的需求的开发，以开发解决方案选项。根据建模工具，模型中捕获的信息可以以文本形式导出，以供审查和合同使用。通过以数据为中心的工具实施的MBSE使系统工程师能够管理需求与模型元素之间的关系。需求变化的影响可以追溯到它们影响的模型元素。接下来将提出海上编队指挥系统的建模过程。

4 对海上编队指挥控制系统的建模过程

从上面的叙述中可以看出，MBSE是一种设计和开发复杂系统的现代方法。原则上，该过程遵循自上而下的模型应用，而不是基于文档的文本，用于指定、设计、集成、验证系统。MBSE采用流程来开发和增加模型的细节，使用并发和增量流程来支持利益相关者之间的沟通［10～11］。

图2 基本的MBSE建模过程

图2 中用于建模指挥控制系统的基本MBSE过程基于MoDAF。方法是从INCOSE手册和其他来源改编和简化，包括以下活动:

1）分析利益相关者的需求（Analyse Stakeholder Needs）。分析利益相关者的需求对应于用户需求（User Requirement）。该活动捕捉了“原样”系统的局限性和潜在改进领域，以支持开发“未来”解决方案。现有的基于文本的作战概念（ConceptofOperations，ConOps）和其他需求文档可以为建立利益相关者需求提供有用的输入。

（1）确定系统上下文（Determine System Context）。第一步是使用与外部系统或操作环境的接口来定义系统的边界。系统上下文关系图的目标是将注意力集中在开发一整套系统要求和约束时应考虑的外部因素和事件上。

（2）生成用例（Generate Use Case）。高级系统功能是从使用视图中的用户需求中捕获的，该视图由包的层次结构中的许多用例图组成。此活动定义了支持任务要求的系统要求。系统被建模为与外部系统和用户交互的黑盒子。从用例中，通过迭代过程导出系统所需的结构和行为。

2）生成功能架构（Generate Functional Architecture）。系统功能以Activity的形式建模用于定义从用例派生的活动之间的关系的图表。应使用描述中的动词和用例的命名来定义活动。功能架构的建模使得能够开发功能系统要求。

3）生成逻辑架构（Generate Logical Architecture）。生成功能架构和生成逻辑架构对应于系统的需求（System Requirements）。系统被分解并划分为逻辑元素，这些元素相互作用，满足系统要求。逻辑元素源自用例中的名词。系统的逻辑元素使用模块图建模，以定义它们之间的关系。场景也使用泳道（swim lanes）建模，泳道将活动图与块定义图结合起来。泳道将活动分配给逻辑块元素以及呈现活动的逻辑流程。逻辑体系结构的建模使得能够开发非功能性系统要求。

4）生成解决方案架构（Generate Solution Architecture）。此步骤描述定义资源分配的物理系统元素或节点之间的关系，对应于系统的实现需求（Solution Implementation Requirements）。逻辑体系结构中标识的块通过框图的属性进行实例化。内部框图用于模拟系统元素之间的接口以及交换的信息元素。可以为多个可能的解决方案实现来实例化逻辑体系结构中的元素。

解决方案体系结构是此建模过程的输出，将用于派生系统功能，接口，数据和性能要求。可以生成许多解决方案以输入到选项选择过程。根据合同准则，可以在基于文本或模型的存储库中导出需求。

从图2中的连接器可以看出，这是一个迭代过程。每个循环都将提高模型的完整性和准确性。这些视图还可用于支持指挥控制系统的ConOps开发。使用以软件数据为中心的MBSE工具实现此过程将确保管理所有模型元素及其标识，以保持一致性和可跟踪性。此过程适用于大多数体系结构框架［12～13］。

在此过程中尚未涉及的方面包括要求和序列图；在实施解决方案设计的较低级别需要它们。本文讨论的过程中未包括的其他步骤包括选择首选架构以及验证和验证所提议的解决方案系统。该框架是制定在指定海上编队指挥控制系统时实施的程序的基础。

5 结语

海上编队中的各种舰艇、飞机和武器系统要充分发挥其作用，必须依靠指挥控制系统的有效工作［14］。大多数MBSE工具使建模人员能够将文本描述添加到模型元素和关系中。这些工具还具有自动化应用程序，可以导出图表，其中包含导出到基于文本的报告的元素的描述，该报告可以是需求规范的形式，ConOps的系统描述仅包含模型所需的特定信息。相比传统系统工程，MBSE利用模型描述系统，从而充分发挥模型优势，提升了系统全周期信息表述的一致性，增强了系统功能性能的先期验证和多学科协同优化设计能力。但是，落地实施MBSE面临着协调范围广、学习转型成本大和筑基工作多等挑战［12］。

本文提出了一个MBSE流程，用于开发基于海上编队的指挥控制系统，从系统科学的角度分析了海上编队作战决策体系含义及其模型，分析了各要素之间的关系，对于海上编队指挥控制系统概要设计的研究具有积极的借鉴意义。随着用于开发复杂和社会技术系统的系统工程变得越来越困难，MBSE提供了一种设计和实施有效和模块化系统的方法。在需求分析和概念开发阶段捕获并表示系统利益相关者的心理模型的建模有助于理解这种复杂性。使用基于模型（以数据为中心）的软件工具对系统建模有助于管理需求与建议的解决方案概念之间的复杂性和可追溯性。维护各种系统图和视图之间的可跟踪性可确保定义的模型元素及其关系的一致性。为了演示MBSE方法，社会技术系统在通用级别建模。这些视图提供了深入分析和开发实际C2系统的结构。