體系結構設計方法在指控系統設計中運用分析*

馬永龍

(海軍駐中南地區光電系統軍事代表室 武漢 430074)

體系結構設計方法在指控系統設計中運用分析*

馬永龍

(海軍駐中南地區光電系統軍事代表室 武漢 430074)

指揮控制系統在系統開發之前進行體系結構設計,不僅可以提高指控系統的開發運行效率,還可以節省系統的研制、使用和維護成本,是保證系統的設計質量的重要方法。論文分析了DoDAF體系結構的設計方法,并將DODAF與UML、SySML方法進行了比較分析。

DoDAF; 體系結構框架; UML; SySML

ClassNumberTP391.3

1 引言

體系結構是系統各部件的結構、各部分之間的關系以及制約它們設計和隨時間演化的原則和指南。體系結構設計是系統綜合集成的基礎,對系統頂層設計有著至關重要的作用。指揮控制系統通常表現為規模巨大、技術復雜和領域跨度大等特點。一般通過加強系統的體系結構設計,達到系統各部分的有機結合,以保證整個軍事指揮控制系統的互聯、互通、互操作,最終實現整個系統的全局最優化。對于指控系統來說,如何從體系結構指導系統進行設計、以及系統的后續開發和使用進行規劃,使系統能夠有效地集成,并滿足未來信息作戰的要求,是一個研究熱點。體系結構設計逐步變成指控系統開發不可或缺的過程,以及提高指控系統開發運行效率的重要手段。通過對指控系統體系結構進行設計可以節省系統的建設、使用和維護成本,進而可以確保系統的設計質量。

DoD體系結構框架(Department of Defense Architecture Framework,DoDAF)是美國國防部針對體系結構提出的一種通用的系統體系結構開發、描述和集成定義了方法[1]。通過該方法可以確保體系結構描述能在不同機構,包括聯合與多國之間進行比較和關聯。DODAF至今已經頒布了三個版本,DoDAF V1.0于2004年2月19日頒布,該版本從作戰應用、系統實現和技術標準三個視角對系統的體系結構進行觀察、描述與分析,并將結果分別形成對應的戰視圖(OV)、系統視圖(SV)和技術標準視圖(TV)[2～3]。2007年4月23日,DoDAF V1.5正式頒布,將網絡中心戰(NCW)的概念引入到DoDAF當中,并對其進行改造,將面向服務體系結構(SOA)中的服務等先進技術納入其中。2009年5月28日頒布的DoDAF V2.0是當前最新的版本,該版本對國防部體系結構進行了詳細介紹,并從技術角度描述系統的體系結構構造、數據類別、數據交換需求和在開發體系結構視圖中的使用實例以及國防部體系結構框架元模型物理交換規范[4]。

指揮控制系統是典型的“開放復雜巨系統”,需要在科學的方法引導下,結合系統工程理論和方法指導下進行設計,以確保系統能滿足現今以及未來的軍事需求。因此,將DoDAF設計方法引入指控系統設計過程當中,根據現有的軍事需求對其體系結構進行設計,對增加指揮控制系統的研發效率、降低研發成本以及提高系統的運行效率具有重要意義。

2 DODAF分析

2.1 DODAF體系結構

DoDAF不僅實現了以數據為中心,而且對“以數據為中心”進行了全新的揭示[5]。當前DODAF體系結構中包含了八種視圖,從不同的角度描述系統體系結構。圖1顯示了DoDAF的核心思想。從圖中可以看出,DoDAF提出了多種靈活的表示系統體系結構的途徑與方法,為達到符合國防部應用的需要,突出了數據為中心的核心思想,將核心決策過程引入到DoDAF體系結構當中,使系統設計關注的焦點不再是單個系統或者產品的研發,而更多的在于系統的體系結構數據。從而使系統的體系結構數據能夠高效靈活地使用,實現體系結構的靈活復用[6～7]。

圖1 DoDAF 2.0體系結構圖

DoDAF框架為開發和表示軍事指揮系統體系結構提供規則、指導和產品描述,從而可以保證在理解、比較和集成體系結構時有一個共同的標準。從早期的三種相關的體系結構視圖:作戰視圖、系統視圖和技術標準視圖不斷擴展細化至現有的多種視圖。每種視圖都由一套圖形、表格或文本來描述的體系結構產品組成。

2.2 DODAF視角描述

DODAF的體系結構中提出了八種描述系統體系結構的視角,而每種視角則通過其對應的子視圖進行描述,每個視角以及對應的視圖分別描述如下:

1)全局視角(All Viewpoint)

全局視角是架構描述的頂層視角,它與所有的視圖密切相關。全局視角(AV)模型提供與整個架構描述相關的信息,如架構描述的范圍與背景。架構描述的相關設置包含了相關的條件,其中,這些相關條件組成了架構描述的主要內容。架構描述的文檔包括申明、戰略、技術以及進程;相關的目標以及期望的結果;作戰概念(Concepts of operations,CONOPS)場景;環境條件等。全局視角包含了兩個模型視圖:AV-1(總覽和概要信息)和AV-2(集成字典)。

2)能力視角(Capability Viewpoint)

能力視角(CV)獲取執行行動目標與整個期望特定活動的過程,或者在特定標準和條件下,通過結合思維與方式去完成一系列的任務,從而得到所期望效果的能力。能力視角為架構描述中的能力提供了一個戰略的全部內容,并且在作戰概念圖中提出了一個高層范圍,比基于場景的范圍定義更寬泛。這些能力視角模型處于架構的高層,它們使用專業術語描述的能力模型,決策者很容易理解,且易于交流有關能力演化的戰略期望,能力視角包含了7個模型視圖。

3)數據與信息視角(Data and Information Viewpoint)

數據與信息視角為架構描述獲取業務信息需求與結構化的業務處理規則,在架構描述中,它主要描述與信息轉換相關的信息,如屬性、特性以及相互關系。數據與信息視角包含了三個模型視圖。

4)作戰視角(Operational Viewpoint)

作戰視角(OV)捕獲組織、任務、活動執行以及它們之間的轉換信息,從而完成國防部的使命任務。作戰視角傳遞信息轉換類型、轉換頻率、信息轉換所支持的任務與活動以及信息交換的本質。作戰視角包含了9個模型視圖。

5)項目視角(Project Viewpoint)

項目視角(PV)獲取的項目通過組織的條款按照一致的方式進行分組,它提供了一種描述多種現有項目之間關系的一種方法,而且現有的任何一個項目都有責任描述單個系統或者能力。項目視角包含了三個模型視圖。

6)服務視角(Services Viewpoint)

服務視角(SvcV)捕獲與支持戰術行動和國防部事物處理(包括作戰、業務、情報以及基礎職能)的系統、服務、互聯功能相關的內容。SvcV中的功能和服務資源及構件對應著OV中相應的架構數據。這些系統功能和服務資源支持戰術活動并且為信息轉換帶來方便。服務視角包含了12個模型視圖。

7)標準視角(Standards Viewpoint)

標準視角(StdV)是系統組成部分之間安排、交互、依賴關系的最小管理規則集,它的目標是確保系統滿足特定的作戰需求。StdV提供了一個系統實施技術指南,如確定工程規格、確立通用構造模塊、產品路線制定。StdV包括技術標準、實施章程、標準選取、規則、準則(在架構描述中被用來管理系統以及系統或服務構件的配置)等。標準視角包含了兩個模型視圖。

8)系統視角(System Viewpoint)

系統視角(SV)捕獲關于自動系統、互聯(內部聯系)以及其它作戰行動的系統職能信息。隨著時間的推移,由于國防部重點強調面向服務環境和云計算,有可能導致系統視角的消失。系統視角包含了13個模型視圖。

3 指揮控制系統體系結構設計方法應用分析

3.1 DODAF方法

結合DoDAF體系結構與指揮控制系統的特點,從作戰的視角對指揮控制系統體系結構建模設計過程分為需求分析、模型設計兩個階段。

1)需求分析階段

OV-1(作戰概念圖)和OV-4(關系圖)在此階段完成。其中,OV-1用來獲取指控系統的各種功能需求。根據指控系統的功能以及使用的要求,分析得出系統的用例、需要的角色以及各個角色之間的關系。OV-4需要根據OV-1得到的功能用例建立指控系統中的組織、人員角色以及相互之間的關系。

2)模型設計階段

根據需求分析的結果進而對系統進行模型設計。模型設計階段需要完成OV-2(作戰資源流向描述圖)、OV-6b(狀態轉換描述圖)和OV-6c(事件-追蹤描述圖)。在OV-2中對指控系統活動之間資源流向進行描述,OV-6b描述指控系統的對各種條件下相應業務處理,包含了指控系統中運行的狀態以及各狀態的變更條件。OV-6c描述指控系統的各種事件場景,同樣也包括指控系統中相關業務的執行順序。

3.2 UML方法

統一建模語言UML是一種常用的描述系統分析設計的語言。UML語言支持面向對象設計,通過對真實世界的模擬來構造系統的模型[8]。該方法通過對客觀事物進行結構和行為按照人類的思維進行模擬,建立問題域的模型,從而使設計的系統能更直接地描述客觀世界。UML圖包括了系統分析階段用到的各種用例圖、類圖、交互圖、狀態圖等。

利用UML語言進行指揮控制系統體系結構設計的步驟如下:

步驟1:構造用例圖。根據指揮控制系統的各種作戰業務的概念以及其作戰過程的描述,利用用例圖對以上進行概括性描述,形成系統的用途與作用的用例圖。

步驟2:構造指控系統順序圖。順序圖是系統各對象的動態行為的靜態表示,反應指控系統內部消息對象的傳遞的順序。構造順序圖首先要分析得出指控系統的各操作對象,然后針對指控系統各操作對象按照指控系統的功能進行擴展。

步驟3:系統對象分解。為得到指控系統中系統各實體對象,將整個系統分解為幾個主要的組成部分,得到系統的物理對象和系統的功能對象,將系統對象分解得到的對象與順序圖中的對象建立對應關系。

步驟4:構造指控系統狀態圖,對上一步中得到的對象的所有狀態根據功能條件的情況建立轉移關系,在此基礎上,建立指控系統的各對象構件狀態轉移圖。

UML語言的描述方法與DoDAF視圖中描述指控系統體系結構得到的視圖結果比較如表1所示。

表1 指揮控制體系架構與UML描述方法的對應關系

4 結語

指揮控制系統在系統開發之前進行體系結構設計不僅可以提高指控系統的開發運行效率,還可以節省系統的建設、使用和維護成本,是保證系統的設計質量的重要方法。本文分析了DoDAF體系結構的設計方法,并將DODAF與UML、SySML方法應用與指控系統體系結構的描述進行了比較分析。指控系統的設計過程,可以充分借鑒美軍的設計經驗,并開展相關基礎技術以及理論的研究,從能力、系統、指揮作戰等多個視圖分析指控系統,充分利用已有的體系結構開發工具,發展滿足現階段以及適應未來發展需求的指控系統體系結構框架。

[1]DoD Architecture Framework Working Group. DoD Architecture Framework: Volume Ⅰ: Definitions and Guidelines Version 1.0[R]. U.S Departtnent of Defense,2004.

[2]DoD Architecture Framework Working Group. DoD Architecture Framework: Volume Ⅱ: Product Description Version 1.O[R]. U.S Department of Defense,2004.

[3]DoD Architecture Framework Working Group. DoD Architecture Framework: Volume Ⅲ: Desktop Version 1.0[R]. U.S Department of Defense,2004.

[4]DOD Architecture Framework Working Group. DOD Architecture Framework Version 2.0[R]. Volume 1-3, 28 May 2009.

[5]岳增坤,陳煒,夏學知.基于DODAF的體系結構模型設計與驗證[J].系統仿真學報,2009,21(5):1407-1411.

[6]叢樹學,白奕.基于DODAF的艦載武器系統體系結構建模[J].指揮控制與仿真,2008,30(5):23-26.

[7]陳新中,顧文,李承延.基于DODAF的頂層設計建模與驗證[J].計算機工程,2009,35(12):216-219.

[8]耿國桐,史立奇,葉卓映.UML寶典[M].北京:電子工業出版社,2004.

[9]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.

[10]田川,田罡,劉笑達.系統建模語言(SySML)及其在DODAF產品描述中的應用[J].火力與指揮控制,2008,33(9):102-106.

ApplicationofDoDAFinCommandandControlSystem

MA Yonglong

(Navy Representative Office of EO Systems in Central-South Area, Wuhan 430074)

Before the development of command and control system, the efficiency of system development can be greatly improved by the designment of architecture framework, also the cost of construct, use and maintenance would be decreased. The design of architecture framework plays an important role in ensuring the quality of system designing. In this paper, the design method of DoDAF architecture framework is analyzed, then, the comparison of description in command and control system is made between DoDAF, UML and SySML. The result shows that DoDAF is practicable in the procedure of designing command and control system.

DoDAF, architecture framework, UML, SySML

2013年10月3日,

:2013年11月29日

馬永龍,男,碩士,工程師,研究方向:艦船電子。

TP391.3DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.005