基于任務系統集成的艦艇作戰系統體系結構設計過程

姚騰鋼 王劍波

中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

基于任務系統集成的艦艇作戰系統體系結構設計過程

姚騰鋼 王劍波

中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

艦艇作戰系統已演變為具有功能、地理、控制全分布式特征的復雜系統，系統研制向基于任務系統集成的趨勢發展，其體系結構的設計需滿足體系化作戰需求。按照“自上而下為主，兼顧自下而上，層次和內容均衡”的原則，闡述了一種基于任務系統集成的作戰系統體系結構設計過程，通過系統分析、建模、評估的迭代設計過程，實現對作戰系統體系結構設計、驗證以及系統性能評估。

作戰系統；體系結構；任務系統集成；設計過程

1 引言

艦艇作戰系統概念源于在單艦內集成多火力通道，它逐步發展成為集成指控系統、導航系統、通信系統、武器系統以及直接用于目標警戒、目標識別、目標跟蹤、電子對抗及武器發射的其他電子信息系統在內的綜合體，作戰能力已得到顯著提高。雖然艦艇電子、武器、通信、導航等裝備仍處于快速發展過程，但是，受海洋環境、物理空間、自然科學等各種因素的制約以及軍事需求的擴展，作戰能力提升的難度越來越大、對軍事需求的滿足程度越發不足。解決該問題最有效的辦法是，在信息網絡的支持下，充分利用岸、海、空、天、潛各種作戰資源，形成更大范圍的信息化作戰能力，即以“平臺中心戰”轉向“網絡中心戰”，以兵器消耗為基礎的戰略轉向以兵力間信息流轉效率為基礎的戰略［1］。按照該種發展趨勢，艦艇作戰系統將演變為將各種作戰資源集成多任務系統 （可以是平臺內火力通道，也可以是跨平臺任務系統），進而成為構建體系化作戰能力的實際載體，如圖1所示。

系統體系結構設計是艦艇作戰系統研究和設計的核心。IEEE610.12對體系結構的定義是：系統各組件及組件間關系的結構，是管理系統組件系統的設計和系統與時俱進的原則和指導方針。美國國防部對體系結構的定義是：組成單元的結構，它們的關系以及制約設計和演進的原則和指南［2-3］。由此，推導出作戰系統體系結構的定義：規定和控制作戰系統物理實現以及運行過程的邏輯結構，功能及組成單元之間的相互作用。作戰系統體系結構在系統全壽命期內需滿足作戰運行的可用功能的、組織的和物理的需求。根據上述定義，艦艇作戰系統體系結構主要涵蓋：功能（組織）、數據（信息）、邏輯（規則）、運行（行為）4 個方面，而性能（效能）則是作戰系統體系結構設計的目標。

艦艇作戰系統體系結構發展經歷了獨立式、集中式、分開式、分布式 4個階段［4］，系統集成度越來越高，其集成技術復雜度將隨之增加。當前，艦艇作戰系統正向設備間功能耦合度更低、信息內聚度更高的全分布式體系結構方向發展，如表1所示。綜上所述，艦艇作戰系統已發展成具有功能、地理、控制分布特點的復雜大系統（System of systems，SoS），即以網絡通信技術為依托，分布廣、規模大、結構復雜、功能綜合、作戰能力更強的基于任務系統集成的艦艇作戰系統。

表1 艦艇作戰系統體系結構發展Tab.1 Architecture development of shipboard combat system

相對于現有艦艇作戰系統，基于任務系統集成的艦艇作戰系統體系結構涉及的功能界面更復雜、數據交互更緊密、邏輯關系更繁瑣、運行狀態更多樣，因而，對其體系結構設計的周密性、準確性、可行性、可擴展性提出了更高要求，體系結構涉及各要素的基本設計要求是：

1）功能結構必須自頂向下均衡分解；

2）數據結構要實現歸一化、關聯化；

3）邏輯結構要全面、兼容，粒度更細；

4）運行結構的各環節行為定義清晰、準確；

5）支持跨平臺任務系統的互操作性，支持“即插即用”升級；

6）系統性能及形成的體系化作戰能力可隨設計過程動態評估。

由此，有必要、也必需對基于任務系統集成的艦艇作戰系統的功能、數據、邏輯、運行等體系結構要素采用可視化方法進行設計，圍繞性能可達的基本要求對設計進行科學合理的動態評估，并據此調整優化設計。在此方面，美國國防部和北約的體系結構框架設計思路提供了一種很好的方法借鑒。

2 體系結構設計過程

對于一般系統的體系結構設計，普遍采用的方法有2種，其一是起源于系統工程的結構化分析和設計方法，其二是起源于軟件工程的面向對象分析和設計方法［5］。由于基于任務系統集成的艦艇作戰系統體系結構設計需要采用自上而下的系統工程方法，而且結構化的分析和設計方法屬于面向過程方法，更容易讓用戶、系統設計者、裝備研制者理解和接受，因而，本文只描述采用結構化分析和設計方法。

基于任務系統集成的艦艇作戰系統必然包含了新型、改進、選型3類裝備，由于選型裝備的存在，對新的體系結構設計帶來諸多制約，因而在設計中除了遵循自上而下的原則外，還應適當考慮自下而上的方法［6-7］。此外，在體系結構設計過程中，需要對設計層次和內容進行橫向和縱向均衡，層次過多、內容太細會造成設計復雜，且不利于裝備研制的具體實施；層次過少、內容太粗又會造成設計存在缺陷，且不利于形成指導和約束裝備研制的要求。因而，設計者需要對系統各要素及其關聯進行抽象表征和綜合權衡，分清系統設計者和裝備研制者的工作界面。由此，基于任務系統集成的艦艇作戰系統體系結構設計原則是 “自上而下為主、兼顧自下而上，層次和內容均衡”。

基于任務系統集成的艦艇作戰系統體系結構設計方法可以歸結為：系統分析、建立靜態模型并定義系統詞典、建立動態模型、性能仿真評估4個方面，具體流程如圖2所示。

2.1 系統分析

系統分析是一個溝通和分析的循環過程，在充分了解軍方用戶需求的基礎上，通過系統設計者的解讀，形成作戰概念圖和指揮關系圖，這2種設計輸出（對應圖2中的①）需要得到用戶的再次確認，方可作為后續設計的輸入。

作戰概念圖用可視化圖形勾勒了相對完整的作戰體系（類似于一般設計的草圖），反映了作戰對象、參戰兵力和裝備、基本戰術要求、參戰兵力和裝備的基本連接關系、參戰兵力和裝備的主要職責等，如圖3所示。

指揮關系圖用樹狀組織結構圖形式描述了各級指揮機構及人員的指揮層次、職責，以及同指揮級別的協調關系，如圖4所示。

2.2 建立靜態模型并定義系統詞典

根據作戰概念圖，需要分別對系統體系結構涉及的功能（組織）、數據（信息）、邏輯（規則）、運行（行為）4個要素建模，即分別建立功能結構模型、數據結構模型、邏輯結構模型、運行結構模型（對應圖2中的②和③，其中③是在對②評估完善后的靜態模型），并通過系統詞典定義系統所有數據項、信息、規則、流程規范，以保證模型的準確性和一致性。

功能結構模型建立是一個嚴格的自頂向下過程，利用功能流程框圖（Function Flow Block Diagram，FFBD）進行作戰系統功能自頂向下逐級分解，按系統功能層次逐層展開，分解確定各層功能任務，并將這些功能任務按其邏輯順序關系表示出來，直至分解到直接用于系統集成的功能模塊（具有低耦合特性，物理上可獨立存在，功能可獨立運行），如圖5所示。

數據結構模型是對功能結構模型進行統一的數據化定義以及對關聯關系的進一步細化描述。采用對信息結構和語義建模語言IDEF1x來建立數據結構模型，對功能結構模型最低層次的各功能模塊進行名稱和屬性定義，以及對各功能模塊間的輸入／輸出、激勵和控制關系進行描述分析，如圖6所示。

邏輯結構模型是對作戰系統運行的各種客觀

條件、環境因素及相應行為準則等邏輯事項的詳細說明，包含了軍方用戶和系統設計者的經驗。采用庫表形式建立邏輯結構模型（見表2），確保各種邏輯不遺漏、準確且相互兼容是邏輯結構模型的關鍵。

表2 邏輯結構模型示意Tab.2 Model of Logic structure

運行結構模型是對系統行為特性的描述，采用流程圖形式建立運行結構模型 （如圖7所示），逐步表示當某種事件發生時系統狀態的變化，該模型仍是靜態模型。

在完成上述4個靜態模型的同時，同步定義系統詞典。由于4個模型中存在大量重復的內容（4個模型是從不同角度對系統體系結構的描述），因而系統詞典將對系統所有功能定義、數據表述、邏輯規則、信息流有一個清晰、準確的描述，且兼容、無二義性，以確保以上4種模型保持一致，便于對模型進行維護。同時，系統詞典需要隨模型改變而不斷更新維護。

在4種靜態模型建立完成后，必須對4種靜態模型的準確性、完備性、關聯性進行評估，在進一步完善后轉入建立動態模型的過程。

2.3 建立動態模型

基于任務系統集成的艦艇作戰系統具有信息化系統和控制系統的特征，因而是動態的。僅僅對系統體系結構進行靜態建模是不夠的，無法對系統體系結構的動態特性進行詳細分析。因此，在得到靜態模型的基礎上，需要進一步建立動態的可執行模型（對應圖2中的④和⑤，其中⑤是經④迭代分析后的最終可執行模型），該可執行模型可以用于對系統的功能、數據、邏輯、運行結構模型的正確性進行驗證。

尤其值得注意的是，互操作性和“即插即用”升級對基于任務系統集成的艦艇作戰系統是至關重要的，雖然靜態模型可以考慮到互操作性所需的數據交互、邏輯控制和狀態變化，但是否可達必須、也只能通過可執行模型來檢驗。

可以利用有色Petri網技術將靜態模型轉化為動態可執行模型，實現對系統所有信息的模擬集成以及邏輯關系測試。作為一種圖示和數學兼具的建模方法，Petri網能夠形象化地描述系統的并發、同步（或異步）平行、沖突分布或等行為特征，同時其理論嚴密，能與矩陣理論結合在一起建立系統狀態方程、代數方程，能與隨機過程論、信息論結合在一起描述和分析系統的不確定性或隨機性。因此Petri網理論廣泛用于指揮控制系統、柔性制造系統等涉及復雜的事件驅動系統建模。

由于已經建立了靜態模型，因而可執行模型建立需要依據靜態模型，同時建成后的可執行模型可以對靜態模型的邏輯一致性進行檢查，并將靜態模型進行調整，以確保與可執行模型對應。

2.4 性能仿真評估

雖然可執行模型可以運行，靜態模型和可執行模型得出的各種設計要素可以指導裝備研制，但是，基于任務系統集成的艦艇作戰系統體系結構設計的主要目標是：系統性能滿足軍事需求，在設計階段（此時實際裝備尚未生產交付），通過系統性能仿真評估可以對體系結構合理性、正確性進行評判，從而確保體系結構設計可以指導裝備研制。

系統性能仿真評估，除了有可執行模型外，更需要裝備模型 （設計階段利用數字化建模得到各種裝備模型，包括各類跨平臺裝備），裝備模型應該具備主要性能參數特征。在既定作戰體系構想下，形成不同仿真作戰背景，驅動各種裝備模型和可執行模型經過多次運行，對各種運行狀態和參數進行記錄、分析，可實現對系統性能仿真評估。系統性能仿真評估環境如圖8所示。如果仿真評估結果不完全滿足軍方需求，則需要回到系統分析階段（對應圖2中的⑥），開始查找原因，并對靜態模型、可執行模型、裝備模型進行逐一檢查完善，直至系統性能仿真評估滿足要求。

2.5 指導裝備研制，組織裝備試驗

在完成上述系統體系結構設計后，對各過程進行總結，尤其需要關注系統詞典，得出一系列設計文檔，包括：功能界面、性能分配、信息流程、接口關系、通信網絡、通信機制、接口定義等設計文件。此外，還應有滿足各種設計規范和行業標準的通用技術要求（如計算機選型、軟件工程、顯示和操控設備、人機界面等要求）。這些設計文檔應簡捷、準確反映系統體系結構設計內容，以指導裝備研制者進行裝備研制，也作為后續組織裝備試驗的依據。

3 結束語

基于任務系統集成的艦艇作戰系統是艦艇作戰系統發展的必然趨勢，為了滿足艦艇作戰系統融入作戰體系的軍事需求及系統具有功能、地理、控制分布特征的發展要求，必須采用新方法進行艦艇作戰系統體系結構設計。借鑒DoDAF和NC3TA的開發思想，按照“自上而下為主，兼顧自下而上，層次和內容均衡”的原則，通過系統分析——建立靜態模型并定義系統詞典——建立動態模型——性能仿真評估的設計過程，完成系統體系結構設計、驗證，以準確地指導裝備研制，達成基于任務系統集成的艦艇作戰系統的使命任務。

［1］魏剛.網絡中心戰——發展和強化信息優勢［M］.北京：中國船舶信息中心，2001.

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［4］邵開文，馬運義.艦船技術與設計概論［M］.北京：國防工業出版社，2005.

［5］ALEXANDER H L，LEE W.C4ISR architecturesⅠ： developing a process for C4ISR architectures design［J］.System Engineering，2000，3（4）：225－247.

［6］LEE W.C4ISR architecturesⅡ：structured analysis approach for C4ISR architectures design ［J］.System Engineering， 2000，3（4）：248－287.

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An Architecture Design Process for Shipboard Combat System with Integration of Mission Systems

Yao Teng－gang Wang Jian－bo
China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064，China

Shipboard combat system has been evolved into a complex system， which characterized by a broad set of functions， distributed controls or processing and geographic features.The system design tends to be developed based on the integration of mission systems，which requires the architecture can fulfill the requirement of systematized operation.In accordance with the tenet of designing the combat system， it gives priority to the top－down requirement while concurrently address the need for bottom－up design， and results in a trade－off solution both in hierarchy and content.This paper illustrates the process for developing such architecture，which has been implemented and verified by the iterative procedure of system analysis，modeling and as well evaluation.

combat system；architecture；mission system integration；design process

U665.26

A

1673－3185（2011）03－40－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.03.009

2010-07-15

國防預研基金資助項目

姚騰鋼（1974－），男，碩士，高級工程師。研究方向：艦船電子信息系統。E-mail：ytgtang@21cn.com

王劍波（1978－），男，碩士，工程師。研究方向：系統分析與集成。E-mail：jbwcn@hotmail.com