知識(shí)驅(qū)動(dòng)的艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)方法＊

李 皓 王 媛

（船舶系統(tǒng)工程部 北京 100094）

1 引言

大型艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜工程系統(tǒng)，處于以網(wǎng)絡(luò)為中心的作戰(zhàn)體系之中，涉及多種兵力、多個(gè)平臺(tái)、多種手段，規(guī)模龐大、組成復(fù)雜、功能綜合[1]。為了使其更好滿(mǎn)足軍事需求，更加詳細(xì)、全面且一致地描述并設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的最優(yōu)，必須有一種有效的方法來(lái)指導(dǎo)系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)。

目前，國(guó)外廣泛采用的復(fù)雜大型工程系統(tǒng)通用總體設(shè)計(jì)方法包括：質(zhì)量功能展開(kāi)方法、統(tǒng)一規(guī)劃方法、公理化設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣方法、領(lǐng)域映射矩陣方法、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和復(fù)雜大型綜合開(kāi)放系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。美國(guó)國(guó)防部體系結(jié)構(gòu)框架DoDAF（Department of Defense Architecture Framework）[2～4]是目前應(yīng)用最廣泛和最成熟的體系結(jié)構(gòu)框架，能夠?yàn)轶w系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，保證復(fù)雜系統(tǒng)的互連、互通和一致性。信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多遵循DoDAF標(biāo)準(zhǔn)，并且使用軟件工程的統(tǒng)一建模語(yǔ)言或者系統(tǒng)建模語(yǔ)言加以實(shí)現(xiàn)。

另一方面，仿真技術(shù)在國(guó)外典型信息系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)中，已經(jīng)得到了足夠的重視和廣泛的應(yīng)用。美國(guó)提出的協(xié)同作戰(zhàn)處理器總體仿真計(jì)劃[5]是面向協(xié)同作戰(zhàn)能力的設(shè)計(jì)、仿真和驗(yàn)證環(huán)境，它能夠幫助用戶(hù)進(jìn)行硬件在環(huán)和軟件在環(huán)仿真環(huán)境下協(xié)同作戰(zhàn)處理器軟硬件單元、系統(tǒng)集成和系統(tǒng)驗(yàn)證的測(cè)試。俄羅斯海軍將建模仿真技術(shù)成功應(yīng)用于艦空導(dǎo)彈武器的設(shè)計(jì)、艦載雷達(dá)目標(biāo)指示和艦空導(dǎo)彈作戰(zhàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中[6～7]。

而國(guó)內(nèi)在多年的信息系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)過(guò)程中，同樣也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，形成了一套以接口、流程設(shè)計(jì)為主，仿真技術(shù)部分應(yīng)用的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和流程，但仍然存在一些問(wèn)題，影響了頂層設(shè)計(jì)的效率和效果。現(xiàn)將國(guó)內(nèi)信息系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)方法存在的問(wèn)題總結(jié)如下：

1）體系結(jié)構(gòu)描述需要進(jìn)一步完善與規(guī)范化

對(duì)于信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的做法是設(shè)計(jì)人員按照自己的理解以及自己喜好的方式和語(yǔ)言，對(duì)系統(tǒng)的組成關(guān)系、流程和信息接口等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)和描述，完成體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)報(bào)告，形成相關(guān)技術(shù)文檔和模型。然而，這種設(shè)計(jì)方法并不規(guī)范和完整，且因人而異，導(dǎo)致系統(tǒng)研制過(guò)程中的各階段之間不能正確理解，無(wú)法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、互通、互操作性，需要標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一和規(guī)范化。

2）仿真驗(yàn)證需與體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程緊密結(jié)合

對(duì)于信息系統(tǒng)這樣的復(fù)雜工程系統(tǒng)，僅僅依靠設(shè)計(jì)方法或設(shè)計(jì)工具中的靜態(tài)檢查已無(wú)法滿(mǎn)足要求，必須依靠先進(jìn)的仿真技術(shù)，通過(guò)建模構(gòu)建完整的、基于作戰(zhàn)效能的仿真系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證和方案優(yōu)化。但長(zhǎng)期以來(lái)，仿真驗(yàn)證往往在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備和軟件開(kāi)發(fā)出來(lái)以后，才通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)集成聯(lián)調(diào)試驗(yàn)環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試和驗(yàn)證，導(dǎo)致本應(yīng)在設(shè)計(jì)早期發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題全部集中在集成聯(lián)調(diào)階段才暴露出來(lái)。

3）設(shè)計(jì)知識(shí)需要有效的管理與使用

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的信息系統(tǒng)相關(guān)方面的研究，已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和情報(bào)資料，包括技術(shù)設(shè)計(jì)文檔、研究報(bào)告、情報(bào)資料、標(biāo)準(zhǔn)、專(zhuān)利、個(gè)人經(jīng)驗(yàn)等。然而，這些寶貴的知識(shí)只有部分知識(shí)得到管理，大部分知識(shí)如個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、部分研究報(bào)告等，都分散在個(gè)人手頭，并沒(méi)有得到有效的管理和利用，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中無(wú)法迅速準(zhǔn)確地定位知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)，設(shè)計(jì)的智能化程度很低。

針對(duì)以上存在的問(wèn)題，參考國(guó)內(nèi)外典型復(fù)雜工程系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，本文提出一種新的大型艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，即知識(shí)驅(qū)動(dòng)的增量迭代式頂層設(shè)計(jì)方法（Knowledge Driven Incremental Iterate Simulation Validation Concept Design，KISD）。該方法基于國(guó)際上流行的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)將各個(gè)子系統(tǒng)的知識(shí)集成到設(shè)計(jì)中，并應(yīng)用有效的建模、仿真技術(shù)進(jìn)行迭代驗(yàn)證等，實(shí)現(xiàn)了體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、增量迭代式的仿真驗(yàn)證技術(shù)和知識(shí)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的融合。

2 知識(shí)驅(qū)動(dòng)的增量迭代式頂層設(shè)計(jì)方法的總體結(jié)構(gòu)

KISD方法是一種通過(guò)充分探索和利用復(fù)雜系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機(jī)制來(lái)進(jìn)行復(fù)雜大工程系統(tǒng)（System of System）頂層設(shè)計(jì)的方法論，是以復(fù)雜大系統(tǒng)工程和知識(shí)工程思想為理論基礎(chǔ)，融合基于知識(shí)的設(shè)計(jì)（Knowledge Based Design）、基于模型的設(shè)計(jì)（Model Based Design）、增量迭代式設(shè)計(jì)（Incremental Iterate Design）、基于仿真的設(shè)計(jì)（Simulation Based Design）等先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，集成各個(gè)子系統(tǒng)的知識(shí)，應(yīng)用有效的建模、仿真多次增量迭代式綜合設(shè)計(jì)策略，進(jìn)行復(fù)雜大系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)的綜合集成設(shè)計(jì)方法。

KISD方法主要包括體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、增量迭代式仿真驗(yàn)證技術(shù)、知識(shí)驅(qū)動(dòng)的輔助設(shè)計(jì)技術(shù)以及設(shè)計(jì)集成技術(shù)，其中知識(shí)驅(qū)動(dòng)的輔助設(shè)計(jì)是其核心，設(shè)計(jì)集成是其交互手段，體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是其基礎(chǔ)，增量迭代式仿真驗(yàn)證技術(shù)則是其必要的組成。組成結(jié)構(gòu)具體如圖1所示。

KISD方法的使用流程為：

設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)人員通過(guò)知識(shí)驅(qū)動(dòng)的輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行知識(shí)的檢索，同時(shí)，知識(shí)驅(qū)動(dòng)技術(shù)也可根據(jù)設(shè)計(jì)人員的專(zhuān)業(yè)、所屬項(xiàng)目類(lèi)型、頻繁檢索的用戶(hù)行為等屬性，對(duì)知識(shí)庫(kù)中的信息進(jìn)行綜合后，將符合的設(shè)計(jì)信息推送給設(shè)計(jì)人員，并將信息根據(jù)設(shè)計(jì)人員指定的屬性進(jìn)行排序。

其后，設(shè)計(jì)人員利用體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，形成視圖產(chǎn)品。并通過(guò)設(shè)計(jì)集成技術(shù)，識(shí)別出設(shè)計(jì)視圖產(chǎn)品中仿真所需的功能信息、功能關(guān)系和接口、流程等信息，將以上信息轉(zhuǎn)換成仿真驗(yàn)證模塊中定義的xml格式，從而獲得仿真所需的組成、接口和流程定義。

圖1 KISD方法的組成結(jié)構(gòu)圖

采用仿真驗(yàn)證技術(shù)中的代碼框架生成技術(shù)，生成概念模型框架，并補(bǔ)充仿真驗(yàn)證所需的功能模型，根據(jù)需要形成不同粒度的仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，并通過(guò)對(duì)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)多次試驗(yàn)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，評(píng)判體系結(jié)構(gòu)是否合理或是否為最優(yōu)，若不合理，則將結(jié)果反饋給體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行相應(yīng)修改。

3 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

目前，國(guó)際上已發(fā)布了多項(xiàng)體系結(jié)構(gòu)框架標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)國(guó)防部的 DoDAF（Department of Defense Architecture Framework）、英國(guó)國(guó)防部的 MoDAF（Ministry of Defense Architecture Framework）、北約的 NAF（NATO Architecture Framework）等。而應(yīng)用最廣、發(fā)展最快的是美國(guó)國(guó)防部的DoDAF，已從DoDAF1.0發(fā)展到DoDAF 2.0版本[8]。

而我國(guó)總裝備部在某個(gè)項(xiàng)目中也提出了一種改進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，該方法充分吸收了DODAF、MoDAF的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合了我國(guó)裝備系統(tǒng)的實(shí)際情況，包括了全視圖AV、作戰(zhàn)視圖OV、系統(tǒng)視圖SV、技術(shù)視圖TV、裝備視圖EV、能力視圖CV等六個(gè)視圖，從系統(tǒng)能力需求、作戰(zhàn)應(yīng)用、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、裝備結(jié)構(gòu)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行全面地刻畫(huà)，為作戰(zhàn)需求人員、系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人員之間形成一致的認(rèn)識(shí)提供了良好的平臺(tái)（各視圖之間的關(guān)系如圖2所示）。知識(shí)驅(qū)動(dòng)的增量迭代式頂層設(shè)計(jì)方法KISD就是以改進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)為核心的方法。

4 增量迭代式仿真驗(yàn)證技術(shù)

體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和相關(guān)的工具雖然能對(duì)大型艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)中參與作戰(zhàn)的節(jié)點(diǎn)、作戰(zhàn)活動(dòng)、指揮關(guān)系以及系統(tǒng)的功能、功能關(guān)系、通信關(guān)系、部署情況、系統(tǒng)對(duì)作戰(zhàn)需求的實(shí)現(xiàn)情況等進(jìn)行描述，也能對(duì)功能間的關(guān)聯(lián)、功能與作戰(zhàn)需求的關(guān)系、接口定義的完備性等方面進(jìn)行檢查，無(wú)法從作戰(zhàn)效能的角度評(píng)判所設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)是否合理、是否為最佳方案，必須在系統(tǒng)全部研制出來(lái)進(jìn)行集成聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，才能發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的是否正確，會(huì)造成大量的返工和浪費(fèi) 。

圖2 改進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)各視圖之間的關(guān)系

因此，本文提出了在改進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)增量迭代式的仿真驗(yàn)證技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的各個(gè)階段加以驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)的小閉環(huán)迭代和優(yōu)化。

該技術(shù)主要采用基于作戰(zhàn)效能的流程迭達(dá)仿真，對(duì)艦船編隊(duì)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐步地迭代驗(yàn)證，優(yōu)化結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)方案初步設(shè)計(jì)階段，根據(jù)初步設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品，建立以概念原型為核心的數(shù)字仿真環(huán)境，驗(yàn)證系統(tǒng)的工作原理、指揮所的設(shè)置等，演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體構(gòu)想，從而完善系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。在方案設(shè)計(jì)階段，同樣根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品，以基于概念原型的數(shù)字仿真環(huán)境為基礎(chǔ)，建立基于確定仿真想定、以虛擬原型為核心的分布式仿真環(huán)境，對(duì)多種方案進(jìn)行優(yōu)選，即通過(guò)制定一個(gè)典型的能全面反映艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)功能的作戰(zhàn)想定，在其牽引下，通過(guò)建模工具快速構(gòu)建不同方案下的編隊(duì)作戰(zhàn)系統(tǒng)虛擬原型，并對(duì)不同仿真方案的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析比較，以此達(dá)到選優(yōu)的目的。在技術(shù)設(shè)計(jì)階段，通過(guò)提供陸試的配試環(huán)境，來(lái)驅(qū)動(dòng)原型樣機(jī)進(jìn)行接口、流程、功能和性能測(cè)試和驗(yàn)證。每個(gè)階段又與體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間不斷的進(jìn)行迭代驗(yàn)證和優(yōu)化。

圖3 增量迭代式仿真驗(yàn)證技術(shù)的流程圖

5 知識(shí)驅(qū)動(dòng)的輔助設(shè)計(jì)技術(shù)

體系結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，會(huì)大量地參考以前類(lèi)似系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成果、標(biāo)準(zhǔn)、專(zhuān)利以及現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展和使用情況等，但不管是DODAF還是MoDAF，或者改進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和工具，并沒(méi)有將這些情報(bào)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)與設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要借助其它手段，通過(guò)不斷地切換獲得所需的情報(bào)和知識(shí)，降低了設(shè)計(jì)效率[13]。

因此，本文提出了在改進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)集成知識(shí)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中知識(shí)的有效管理和所需知識(shí)的主動(dòng)推送，提高系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)。

知識(shí)驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要在統(tǒng)一的知識(shí)表征方式下，以知識(shí)庫(kù)為核心，為設(shè)計(jì)人員提供模糊、精確、索引等多種知識(shí)檢索方式，依據(jù)設(shè)定的規(guī)則，按照設(shè)計(jì)人員的專(zhuān)業(yè)、所屬項(xiàng)目類(lèi)型、用戶(hù)平時(shí)檢索的行為特征等屬性，運(yùn)行知識(shí)挖掘技術(shù)，及時(shí)地將相關(guān)的信息推送給設(shè)計(jì)人員，使設(shè)計(jì)人員能快速獲得所需的知識(shí)，免除各種繁雜的搜索操作。尤其通過(guò)具備推理規(guī)則和學(xué)習(xí)功能的知識(shí)推理機(jī)可逐步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能化。

對(duì)大型艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中知識(shí)庫(kù)的形成，主要通過(guò)整理分析和提煉歸納以外設(shè)計(jì)中涉及的專(zhuān)利、國(guó)內(nèi)外情報(bào)資料、歷史資料、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、設(shè)計(jì)模型、性能指標(biāo)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等知識(shí)，同時(shí)對(duì)未來(lái)設(shè)計(jì)中形成的設(shè)計(jì)方案、算法、模型、數(shù)據(jù)等沉淀為知識(shí)，進(jìn)行統(tǒng)一管理，供后續(xù)研究工作或其它項(xiàng)目使用。

圖4 知識(shí)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的組成結(jié)構(gòu)圖

6 設(shè)計(jì)集成技術(shù)

設(shè)計(jì)集成技術(shù)是其它三個(gè)部分的紐帶，通過(guò)采用Java Web Start技術(shù)，將知識(shí)庫(kù)、設(shè)計(jì)工具、仿真驗(yàn)證工具等進(jìn)行集成。通過(guò)采用基于XML的模型集成技術(shù)和模型實(shí)時(shí)映射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品和仿真模型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換和相互映射，從而使體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品能快速轉(zhuǎn)換成仿真驗(yàn)證所需的概念原型，體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品或仿真模型的更改也能及時(shí)地被發(fā)現(xiàn)并通知相對(duì)應(yīng)的部分。

7 結(jié)語(yǔ)

本文提出的知識(shí)驅(qū)動(dòng)的增量迭代式頂層設(shè)計(jì)方法，解決信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式和描述語(yǔ)言不規(guī)范、設(shè)計(jì)與驗(yàn)證分離、知識(shí)分散、智能化程度不高等問(wèn)題，為大型艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，也為大型艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)綜合集成設(shè)計(jì)平臺(tái)研制提供依據(jù)，從而提高信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力和效率，逐步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)。

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