C4ISR系統體系結構及其關鍵技術

伍江華，張仁茹

(中國艦船研究院，北京 100192)

C4ISR系統體系結構及其關鍵技術

伍江華，張仁茹

(中國艦船研究院，北京 100192)

闡述了體系結構在C4ISR系統設計、研制和建設過程中的作用，分析了美軍C4ISR系統體系結構框架的演化過程，以及C4ISR系統體系結構的關鍵技術，探討了關鍵技術的實現途徑與需要解決的問題。最后，總結了體系結構技術發展的特點。

C4ISR系統;體系結構;框架;關鍵技術

0 引言

隨著信息技術和網絡技術發展，作戰模式正從傳統“平臺中心戰”向“網絡中心戰”轉變，以C4ISR系統為核心的信息化建設，是獲取信息優勢與決策優勢的關鍵。

C4ISR系統也稱之為綜合電子信息系統，是涉及到指揮控制、情報偵察、預警探測、通信導航、電子對抗、綜合保障以及作戰人員等多要素的復雜軍事信息系統。由于系統組成復雜、設備異構、分布廣域、系統間信息交互頻繁等特點，對系統的實時性、互操作性、協同性、可靠性等提出了更高的要求，導致系統設計和開發成為一項艱巨的任務。

在C4ISR系統設計和開發過程中，體系結構起著重要作用，它是保障系統之間可集成和可互操作的關鍵，也是系統頂層設計與開發的有效方法和指導系統進行演化的有效途徑。體系結構技術和方法已經成為美軍作戰概念研究、體系構建、系統分析、設計、驗證、能力評估、采辦決策等重要手段，它有力支持了軍隊轉型和信息化裝備體系的建設。

1 C4ISR體系結構框架演化歷程

從20世紀90年代以來，美軍體系結構發展經歷了準備、開發和轉型3個階段，已形成了完整的體系結構框架及產品，相繼發布了體系結構發展框架與標準規范體系，如圖1所示。

1)準備階段(1995年前)

以《信息技術體系結構框架參考模型》和《聯合技術體系結構》為基礎，主要是從軟件角度描述系統體系結構。

2)開發階段(1996年～2002年)

1997年12月18日，頒布《C4ISR框架2.0》，并規定將其應用所有C4ISR體系結構的描述，即采用作戰視圖、系統視圖和技術視圖三視圖結構26個產品(7個基本產品和19個支持產品)來描述體系結構(見圖2)。

圖1 美軍體系結構演化過程Fig.1 An evolving process of USA C4ISR architecture

圖2 C4SIRAF視圖的關系Fig.2 The view relationship of C4SIRAF

3)轉型階段

美軍隨著作戰理念的變化，尤其是網絡中心戰理論的出現，體系結構框架從 DoDAF1.0向過渡性DoDAF1.5到DoDAF2.0變化。

2003年8月，頒布了DoDAF 1.0版本，調整了C4ISRAF 2.0版的結構，提供了產品描述和補充信息，并從C4ISR領域拓展到所有聯合能力域，重視體系結構數據，強調利用體系結構數據元素構成體系結構產品。

2007年4月，頒布過渡性的DODAF V1.5，開始將焦點從“產品為中心”向“數據為中心”轉變。首次提出框架由數據層和表示層2層結構組成，以加強體系結構內部數據元素的一致性;引入服務和面向服務體系結構的思想，提供了如何在體系結構中反映網絡中心概念等規范。

2009年9月，頒布了DoDAF2.0，從三大體系結構視圖擴展為八大體系結構視圖，如圖3所示。它支持國防部網絡中心數據策略和網絡中心服務戰略，提供了促進網絡中心環境的構建和維護的解決方案。

圖3 DoDAF 2.0體系結構視點Fig.3 Architecture viewpoints in DoDAF V2.0

2 C4ISR體系結構關鍵技術

2.1 C4ISR體系結構設計與開發方法

目前，體系結構設計與開發方法主要包括結構化設計與開發方法、面向對象設計與開發方法、基于活動的方法等3種。

1)結構化設計與開發方法

結構化設計與開發方法主要包括3個階段(圖4):分析階段，利用作戰概念驅動開發過程，并用技術體系結構視圖進行指導，得出用戶所關心功能視圖和物理視圖的靜態表示方法;合成階段，通過對系統靜態體系結構和對體系結構的動態描述獲取體系結構的可執行模型;評價階段，通過可執行模型進行系統的性能和效能的估量［1－2］。

圖4 基于結構化的體系結構開發過程Fig.4 Development process based on SS

2)面向對象的設計方法

面向對象設計開發過程是一個迭代開發過程［2］，如圖5 所示。

圖5 基于OO迭代過程Fig.5 An iterative process based on OO

①開發用例，利用領域知識和作戰概念建立系統高層的各種用例，形成AV-1，OV-1;② 在設計用例的基礎上，說明其預期行為(包括順序圖、所涉及對象、狀態圖等)，將用例轉化為系統頂層的順序圖，描述系統之間的信息交互關系，形成OV-3，SV-6，SV-3，OV-6c，SV-10c，同時根據需求擴展順序圖，增加狀態和時間約束，建立 OV-5，SV-4，SV-5;③ 分解系統對象，建立系統類圖;④ 通過系統的類圖、順序圖和擴展順序建立系統對象的狀態變化模型，形成OV-6，SV-10;⑤確定系統信息與接口的映射關系，形成OV-2，SV-1;⑥構建系統的類圖，形成相關的數據模型;⑦確定體系結構模型，如圖6所示。

圖6 面向對象的開發體系結構產品設計步驟Fig.6 Some steps of developing the architecture products

3)基于活動的設計方法

基于活動的設計方法 ABM，主要針對一體化DoD體系結構的開發和分析，提供了一種嚴格和規范的設計方法［3］。

ABM方法的設計過程:①作戰視圖與系統視圖之間的產品是對稱分布的，即描述作戰視圖的OV-2，OV-5，OV-7，OV-4 和系統視圖的 SV-1，SV-4，SV-11，SV-1的產品是對稱。② 這8個OV產品和SV產品是構成完整架構的基本組件，形成體系結構產品的最小集合，其他產品可以適當補充。③ 架構數據規格模型定義了信息流、作戰活動、作戰節點、人員角色、數據流、系統功能、系統節點、系統等核心元素之間三元映射的關系，如圖7所示。④ 核心架構數據從DoDAF單個產品中輸入產品開發過程。以作戰視圖說明開發過程，首先，建立OV-5父子活動模型，在OV-5節點樹中標識和分解作戰活動;然后，創建完成作戰活動的作戰節點OV-2，分配完成任務的角色，在OV-4中標識組織單元和角色;在此基礎上，使用矩陣跟蹤作戰活動、作戰節點、角色間關系，并檢查三元關系的映射和生成信息交換線到需要線的映射;最后，描述OV-2作戰節點連接圖和生成OV-3作戰信息交換矩陣。⑤相關體系結構產品自動從核心架構數據中生成。⑥根據需求，DoD產品會被自動補充完整。

圖7 基本產品和核心元素之間的關系Fig.7 Relationships between basic products and core elements

2.2 C4ISR體系結構建模與描述技術

體系建模與描述技術主要包括 IDEF0，UML，SySML等方法。

1)IDEF0方法

IDEF0利用圖形符號和自然語言，按照自頂向下方法，逐層分解的結構化描述來建立系統的功能模型。它主要側重系統的功能結構和信息流，能較為直觀地反映軍事人員對作戰任務過程的理解和完成作戰任務的基本需求，達到軍事和技術人員交流的目的。但是對系統動態特性如同步性、并發性以及活動間的沖突等無法表達。

2)UML方法

主要采用UML模型中的用例、類圖、狀態圖、順序圖等以及一些擴展機制(通過構造型、標記值和約束對UML模型進行擴展形成使用體系結構的元模型和元類型)，遵循基于OO的體系結構開發過程，完成體系結構產品進行建模。

3)SysML建模語言

系統建模語言(SysML)是基于UML2.0開發的系統工程可視化體系結構設計語言，根據UML對系統體系結構表達上的不足，對其中部分圖形進行了修改和擴展，增加了需求圖和參數圖，刪除了UML中的合作圖和配置圖，以確保SysML系統工程設計能嚴格遵循DoDAF體系結構框架文件標準［4］，如圖8所示。

圖8 SysML主要組成Fig.8 Main composition of SysML

2.3 C4ISR體系結構數據模型

體系結構數據為體系結構描述的使用和重用提高了效率和靈活性。目前體系結構數據已從核心數據模型演化為DM2，強調了體系結構數據及其導出信息的采集、組織和維護。DM2采用元建模技術，對體系結構中數據進行定義和建模，定義了體系結構中數據元素，其目的是組成用于描述和交流DoDAF模型的基本詞匯;形成物理交換規范的基礎，實現在體系結構工具和各種數據庫之間的數據交換。

DM2由概念數據模型(CDM)、邏輯數據模型(LDM)和物理數據交換規范(PES)組成。概念數據模型定義了涉及體系結構描述中創建的高層數據結構如活動、能力、協議等，為所有執行者和管理者提供了解體系結構描述的數據基礎。概念數據模型的底層是利用通用數據建模構造，從而提高通用數據模式的重用。邏輯數據模型包括所有基本元素、通用模式及其與DoDAF概念間的關聯。同時包含了信息來源、保密等標記和識別符的一些通用核心屬性，采用UML模型描述，通過這些UML元模型定義了8個視圖中的組成、關系，從而形成視圖。物理數據交換規范提供了1個有效、標準的方法，主要通過1套XML范式定義體系結構數據和信息，以確保在1個與工具集無關、與方法無關的環境中能夠共享數據。

2.4 C4ISR體系結構度量與驗證技術

C4ISR系統體系結構度量與驗證的主要任務是檢查體系結構設計的正確性，確定體系結構描述是否滿足系統的功能需求和非功能(性能)需求及滿足需求的程度，它分為靜態分析和可執行模型2種方法。

1)靜態分析方法

靜態分析方法主要采用基于場景的架構權衡分析方法ATAM。它是一種驗證架構非功能需求的方法，通過對諸如性能、可更改性、可靠性、安全性等多種非功能需求的分析來檢查架構設計的正確性，提供了1個分析多質量屬性之間交互和沖突的框架，為改進架構設計提供依據［6］。

該方法的優點是能在系統各類相關角色的參與下，確定各類質量屬性的折衷方案，有利于體系結構設計在相關各方達成共識。其缺點是建立與實際系統吻合的質量屬性模型非常困難，無法對體系結構的行為特性進行驗證。

2)可執行模型

可執行驗證法主要用于驗證體系結構的邏輯性、合理性等動態特性，即側重于體系結構驗證的語義和語用層次。可執行驗證法主要有4種，分別從不同方面對架構的動態行為進行驗證。

①將結構化設計模型轉換為CPN

在結構化描述中，利用活動模型、規則模型、數據模型組合構建CPN可執行模型，通過執行Petri網模型驗證是否存在死鎖及體系結構執行結構是否符合需求。該方法主要利用IDEF0描述的作戰活動模型，因缺少對輸入數據、輸出數據等時序描述，在生成對象Petri網模型中，需要人工干預的因素較多［6］。

②基于UML的體系結構驗證方法

利用可執行UML思想或者基于UML2.0，通過狀態圖和擴展的順序圖(含時間、狀態標志等)來描述作戰節點執行序列和狀態變化，通過一序列事件刺激作戰節點的狀態圖，將特定想定下作戰節點狀態圖的執行過程以時序圖的方式進行展現，便于用戶觀察作戰節點狀態圖的執行邏輯。

③ 基于StateChart圖驗證方法［5］

利用狀態圖描述體系結構中的OV6b和SV10b，刻畫系統實體在生命周期內狀態變化過程，利用狀態圖動態特性，通過模型執行結構驗證作戰節點狀態或者系統狀態的可達性。但狀態圖模型難以驗證架構的功能、性能特性，不能很好滿足架構驗證的要求。

④基于業務規則模型的驗證

主要利用IDEF3描述作戰規則模型OV6a業務流程仿真，典型工具如Popkin公司的System Architecture(SA)軟件。SA利用IDEF3描述作戰規則模型，并在仿真器中編輯和運行作戰規則模型，通過運行結果來驗證作戰規則的邏輯性，并利用仿真結果中作戰節點資源的利用率或空閑狀態分析作戰規則設計的合理性。業務流程規則的邏輯性和合理性驗證具有很強的可操作性和合理性，無法對架構的狀態轉移、作戰時序關系等動態特性進行驗證［6］。

3 結語

體系結構是C4ISR系統設計、研制和建設中的重要環節，對系統設計、實現、集成有著重要作用。在C4ISR系統發展過程中，美軍注重體系結構理論與方法、體系結構及相關技術有如下特點:

1)C4ISR系統體系結構框架支持新的軍事理論發展，如網絡中心戰理論、全球信息柵格GIG等。

2)適應網絡中心的軍隊轉型需求，支持網絡中心數據戰略和網絡中心戰服務戰略。

3)體系結構從以產品為中心轉向為以數據為中心，注重體系結構數據一致性和重用性，通過元建模技術，形成一套可移植、可互操作的體系結構數據，通過數據模型形成合適的體系結構視圖。

4)支持新技術的應用，提供促進網絡中心環境構建和維護的面向服務的技術方案。

［1］WAGENHALS L W.KIM I S D，LEVIS A H.C4ISR Architecture Ⅱ:A Structure Analysis Approach for Architecture Design［J］.System Engineering，2000，3(4):248－287.

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［3］RING S J，NICHOLSON D，etal. Stanleyharris.an activity-based methodology for development and analysis of integrated DoD architectures-“the art of architecture”［A］.2004 Command and Control Research and Technology Symposium:The Power of Information Age Concepts and Technologies［C］，2004.

［4］吳娟，王明哲，方華京.基于SysML的系統體系結構產品設計［J］.系統工程與電子技術，2006，28(4):594－598.

［5］黃力.基于Statechart圖的C4lSR系統體系結構驗證方法研究［D］.北京:國防科學技術大學，2004.

［6］姜志平.基于CADM的C4ISR體系結構驗證方法及關鍵技術研究［D］.北京:國防科技大學，2007.

The architecture and architecture technology of C4ISR system

WU Jiang-hua，ZHANG Ren-ru
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

The C4ISR architecture had an important effect on the C4ISR system design，development and construction.The evolvement process of C4ISR architecture framework was analyzed，and the key architecture's technologies were summed.Then，some key technologies'approaches how to be realized and some issues which were resolved using the technoloies were discussed.Finally，the characteristics of the architecture's technologies were educed.

C4ISR system;architecture;framework;key technology

TP393.03

A

1672－7649(2011)06－0034－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.009

2011－05－06

伍江華(1975－)，男，博士，高級工程師，研究方向為C3I系統總體技術與系統集成技術。