反導體系試訓一體化環境體系結構建模方法*1

?

反導體系試訓一體化環境體系結構建模方法*1

張國強1,2a，劉小荷1，蔣方婷2b，張小可3

(1．空軍指揮學院，北京100097；2．空軍裝備研究院 a.防空所；b．雷達所，北京100085；

3．國防科學技術大學 信息系統與管理學院，湖南 長沙410073)

摘要：參考DoDAF2.0 (DoD architecture framework 2.0)和MOF(meta object facility)等相關理論，提出基于元模型的反導體系試訓一體化環境體系結構設計方法，通過定義環境體系結構元模型，規范元模型的存儲，建立元模型到視圖之間的映射等，提高了體系結構建模的標準化程度，確保了體系結構設計成果可有效用于體系后續的開發、集成和評估，為下一步反導體系試訓一體化環境的建設實施奠定了基礎，對其他類似體系結構的設計具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：反導體系；試訓一體化環境；體系結構；元模型；DoDAF；MOF

0引言

反導作戰是典型的以信息為中心的體系聯合作戰，從發現、識別、決策、攔截、評估到再攔截，持續時間短，作戰過程緊密銜接，作戰環節高度融合，對反導體系中的裝備試驗和部隊訓練手段提出了極高的要求，迫切需要構建反導體系試訓一體化環境，在試驗中前推訓練科目，在訓練中后延試驗內容，形成試訓一體化的綜合保障能力，實現裝備與體系、技術與戰術、現役與在研的融合發展，促進反導體系戰斗力的快速生成。

反導體系試訓一體化環境基于體系結構設計方法，利用仿真技術，為反導體系總體設計、集成聯試、能力驗證和部隊訓練等提供一體化的“試、訓、研、評”手段支撐的環境，具有結構上的演化性、組成上的異構性、功能上的多樣性和部署上的分布性等典型的“體系”特征。因此，建設中應以“體系工程”理論方法作為指導[1]，“體系結構設計方法”作為“體系工程”理論方法的主要內容之一，對于反導體系試訓一體化環境的構建至關重要。

目前，體系結構設計大多基于DoDAF(DoD architecture framework)開展。DoDAF是美國國防部為使各級管理者能夠打破各部門、各層次的界限，實現有序的信息共享、提高關鍵決策能力的一套框架，為國防部體系結構開發、描述、繼承定義了一種通用的方法，確保體系結構設計成果能在不同機構之間進行比較和關聯。DoDAF為開發和表示體系結構提供了規則、指導和產品描述，保證在理解、比較和集成體系結構時有一個公共的標準[2]。

基于DoDAF的體系結構設計存在2種設計思想，一種是以“視圖產品”為中心的體系結構設計思想(DoDAF1.5之前)[3]，另一種是以“數據”為中心的體系結構設計思想(DoDAF2.0之后)[4]。國內開展體系結構設計大多采用以“視圖產品”為中心的設計思想[5-8]，以“數據”為中心的體系結構設計尚未見成功應用案例[9-11]。以“視圖產品”為中心開展體系結構設計，主要存在3方面的問題：一是設計成果的可重用性差，不同單位體系結構模型的描述規范、底層數據存儲格式不盡相同，難以實現模型的跨單位、跨平臺共享；二是設計成果的可擴展性差，體系結構模型無統一的標準“詞匯”，缺乏對體系結構模型的一致性理解，用戶難以按照需求對模型進行擴展；三是設計成果的可驗證性差，每類視圖產品描述提供了標準的“詞匯”和“詞匯”間的邏輯關系，但不同類視圖的“詞匯”間缺少關聯關系，導致體系結構模型驗證缺少數據邏輯基礎，難以開展可執行評估、一致性檢驗和沖突檢驗等驗證操作。

針對上述問題，本文采用以“數據”為中心的設計思路，借鑒DoDAF2.0和MOF(meta object facility)中元模型的相關概念，提出了基于“元模型”的反導體系試訓一體化環境體系結構設計方法，解決了體系結構設計成果可重用性、可擴展性、可驗證性差的問題，并通過實例對該方法進行了應用實踐。研究豐富完善了反導體系試訓理論、方法體系，為下一步的環境建設奠定了良好的基礎。

1基于元模型的體系結構設計方法

借鑒DoDAF2.0以“數據”為中心的體系結構設計思路，基于元模型的體系結構設計的基本步驟如圖1所示。第1步是定義元模型，即根據反導體系試訓一體化環境的特點，基于DoDAF2.0的12種元模型(執行者、資源流、信息和數據、活動、訓練/技能、能力、服務、項目、目標、規則、度量、位置)建立反導體系試訓一體化環境體系結構的建模詞匯；第2步是收集數據，每種元模型都有體現其邏輯結構的“邏輯數據模型”，定義“邏輯數據模型”中各數據項的底層存儲格式(XML schema definitions格式，簡稱XSD格式)，并按照各數據項的含義，結合業務領域，收集所需的數據；第3步是數據存儲，抽取、合并、存儲收集到的實例數據，形成“元模型數據集”，并分類保存為XML格式的數據文件；第4步是提取視圖產品，通過定義元模型和視圖產品之間的映射關系，從“元模型數據集”中提取相關數據，并通過圖形化引擎進行展示，形成用戶所需的視圖產品。顯而易見，“元模型”是整個體系結構設計的核心，“視圖產品”只是展示元模型數據的一種方式，開展反導體系試訓一體化環境體系結構設計，重點就是解決其元模型的定義、描述，元模型數據的存儲以及元模型到視圖產品之間的映射關系問題。

基于元模型的體系結構設計，雖然最終設計成果仍是“視圖產品”，但設計的核心卻是“元模型”及其相關數據，基本詞匯由視圖產品中的“圖元”深入到了元模型中的“詞匯”，極大地提高了體系架構建模的標準化和靈活程度。其優勢主要體現在以下3個方面：一是有利于體系結構設計所需數據的收集和設計成果的重用;二是有利于保證體系結構產品之間、不同體系結構視圖之間數據的一致性;三是便于使用不同體系結構工具進行體系結構建模。

2反導體系試訓一體化環境體系結構元模型

2.1元模型的定義

由MOF經典的4層元建模架構[12]可知，元模型層(M2)是對模型層(M1)的抽象，元模型定義了模型的描述語言，模型是元模型的一個實例。借鑒上述概念，定義如下：反導體系試訓一體化環境體系結構元模型是其體系結構建模語言的模型，它不僅為建模語言提供了標準的詞匯，定義了建模語言的語法和語義，而且明確了詞匯的底層數據存儲規范，提供了體系結構建模所需數據的收集方法，為建立可重用、可擴展、可驗證的體系結構模型奠定了底層的數據和邏輯基礎。反導體系試訓一體化環境體系結構元建模的過程，就是定義體系結構元模型中的類、關聯關系以及物理交換規范，建立完備的反導體系試訓一體化環境體系結構元模型體系的過程。

2.2元模型的分類

體系結構元模型的類型是由體系結構建模過程中提取和抽象的核心詞匯決定的。反導體系試訓一體化環境體系結構建模的一項重要工作，就是回答誰(Who)、什么(What)、何時(When)、何地(Where)、為什么(Why)，怎么辦(How)問題。為了回答上述6個標準問題，參照DoDAF2.0中有關元模型數據組[4]的定義，定義“執行者、資源流、信息和數據、活動、能力、服務、項目、目標、規則、度量和位置”作為環境體系結構建模的核心詞匯。其中，執行者對應的是Who，資源流、信息和數據對應的是What，位置對應的是Where，規則、目標對應的是Why，活動、能力、度量對應的是How，When則在上述核心詞匯中均有體現。圍繞這11個核心詞匯，可形成為11個元模型數據組(簡稱為元模型)，如圖2為能力元模型，這11個元模型可實現對反導體系試訓一體化環境體系結構的完備化描述，并為將來的數據采集提供指導。需要強調的是，上述11個元模型只是根據反導體系試訓一體化環境體系結構建模的需求，定義的詞匯分組，用戶具體使用時可根據自己的實際情況，定義不同的詞匯分組。

圖1　基于元模型的體系結構設計步驟Fig.1　Architecture design steps based on meta-model

2.3元模型的描述

元模型可以通過其高層數據結構來進行描述，高層數據結構是各級建模者理解元模型體系結構描述的數據基礎，圖2也是能力元模型的高層體系結構示意圖，易知，圖中包括2類元素：一類是詞匯(白框顯示)，如資源、能力、執行者、活動等；另一類是詞匯和詞匯之間的關聯關系(特殊的詞匯，灰框顯示)，如類型實例關系(TypeInstance)、先后關系(BeforeAfterType)、整體部分關系(WholePartType)、交迭關系(OverlapType)等。需要說明的是描述能力所需的詞匯很多，能力元模型只是定義了描述能力所需的基本詞匯，并沒有涵蓋描述能力的所有詞匯，建模者可以根據需要，在此基礎上擴展新的、不重復的詞匯。

2.4元模型的存儲

元模型中數據的存儲格式是由元模型的數據交換規范決定的，通過定義元數據交換規范，使體系結構設計成果在不同體系結構建模工具和不同設計方法間共享成為可能。由于XML具有結構化良好、自描述、可擴展等特點，因此，反導體系試訓一體化環境體系結構模型數據的存儲采用XML文件格式，其模型數據的存儲格式(即元模型的數據交換規范)，由XSD文件定義。以能力元模型中的“能力(Capability)”和“整體部分關系(WholePartType)”為例(圖2中斜線填充所示)，其XSD文件的格式如圖3所示[13-14]。

其中，“能力”的XSD中定義的要素主要包括類型(FoundationCategory)、標識(id)等；“WholePartType”的XSD中定義的要素除了類型 FoundationCategory、標識(id)外，還要定義其兩端實體的標識(place1Type和place2Type)。在實際的體系結構模型文件中，相同類型的詞匯存儲在一起，其格式、屬性相同，可以方便地進行檢索和提取。

2.5體系結構元模型到視圖產品的映射

以“數據”為中心的體系結構建模的最終結果仍然是“視圖產品”，因此，建立元模型和視圖產品之間的映射，是開展體系結構建模的關鍵，也是最后一個環節。此處以反導體系試訓一體化環境體系結構中的能力分類法模型(CV-2)為例，闡述元模型到視圖產品的映射方法。

圖2　能力元模型示意圖Fig.2　Meta-model for capability

圖3　“能力”和“整體部分關系”的數據存儲格式Fig.3　Storage format of Capability and WholePartType

根據CV-2元模型(由視圖和詞匯映射關系決定[4])，構建CV-2所需的能力元模型中的詞匯包括“能力”、“活動”、“度量類型”和“度量”，所需的關聯關系包括“能力的活動部分”、“整體部分關系”和“能力的活動部分的度量”，如圖2中圓角框和虛線部分所示；而由CV-2的定義可知，該模型主要描述能力和其子能力之間的從屬關系，其包含2類要素：能力和隸屬關系線；因此，建立CV-2元模型和CV-2模型中詞匯的映射關系如圖4中的表b)所示。

依據上述映射關系，可由能力元模型構造CV-2，基本過程如下：首先根據CV-2元模型中定義的詞匯和關聯關系，結合反導體系試訓一體化環境實際情況，收集詞匯和關聯關系對應的數據，形成一個帶有元模型標記的、由CV-2所需數據組成的邏輯關系圖(簡稱CV-2數據關系圖)，如圖4a)所示；其次，根據圖4中表b)定義的映射關系，在CV-2數據關系圖中提取數據，形成反導體系試訓一體化環境的能力分類法模型CV-2，如圖4c)所示。需要說明的是，CV-2數據關系圖只是底層數據的一種可視化表示方法，并不是最終展示給用戶瀏覽的視圖產品。用戶需要根據數據關系圖，生成易于理解、具有通用性的視圖產品。

3應用示例

以反導體系試訓一體化環境能力視圖為例，運用本文提出的方法，進行體系結構設計，受篇幅所限，僅對能力構想模型CV-1、能力到活動的映射模型CV-6的生成過程進行描述，主要步驟如下：

(1) 定義元模型

由2.2節可知，區域反導體系試訓一體化環境體系結構建模所需的元模型主要有11個，其中，根據CV-1，CV-6元模型，CV-1需要的詞匯有“能力”、“預期效果”、“活動”、“度量類型”、“度量”、“能力的活動部分”、“預期效果的度量”和“能力的期望結果”； CV-6需要的詞匯有“能力”、“活動” 和 “能力的活動部分”。

(2) 收集數據

針對視圖產品CV-1和CV-6所需的詞匯，結合反導體系試訓一體化環境實際情況，收集相關數據，形成CV-1，CV-6的數據關系圖，如圖5a)、圖6a)所示。

(3) 存儲數據

按照CV-1.xsd和CV-6.xsd定義的數據存儲格式，對收集到的數據分類存儲，形成CV-1.xml和CV-6.xml數據文件。

(4) 生成視圖產品

設置CV-1和CV-6中的要素和元模型中的要素之間的映射關系，提取CV-1.xml和CV-6.xml中的數據，并通過圖形化引擎形成視圖產品。對于CV-1來說，主要映射關系如下：能力→能力，開始時間→度量，結束時間→度量，目標→預期效果，前景→預期效果，能力與階段連線→預期效果的度量，階段目標連線→能力的期望結果；對于CV-6來說，主要映射關系如下：能力→能力，活動→活動，能力到活動的映射→能力的活動部分，則由數據關系圖生成的CV-1和CV-6如圖6所示。

圖5　CV-1數據關系圖與CV-1模型Fig.5　CV-1 with DoDAF Meta-model Markups and CV-1 model

圖6　CV-6數據關系圖與CV-6模型Fig.6　CV-6 with DoDAF Meta-model Markups and CV-6 model

4結束語

本文針對反導體系試訓一體化環境建設急需，參考DoDAF和MOF相關理論，提出了基于“元模型”的反導體系試訓一體化環境體系結構設計方法，為解決目前以“視圖產品”為中心的體系結構設計中存在的設計成果可重用性、可擴展性、可驗證性差的問題，提供了一條思路，具有一定的現實和借鑒意義。下一步將重點在3個方面展開研究:一是需不斷擴充完善反導體系試訓一體化環境體系結構元模型；本文只是定義了反導體系試訓一體化環境體系結構建模所需的11類元模型及元模型中典型的詞匯，并沒有包含全部，后續應根據其和仿真相關的特點，繼續補充和完善。二是需加大對基于元模型的體系結構建模工具的研究[15]；與以“視圖產品”為中心的體系結構建模相比，基于元模型的體系結構建模過程更為復雜，對建模人員自身的業務素質和對建模語言的理解要求更高，建模難度較大，因此，應盡早展開基于元模型的體系結構建模工具的研制，降低建模門檻。三是需加強反導體系試訓一體化環境體系結構設計方法與開發集成、評估方法的一體化研究；基于元模型開展體系結構設計的主要目的，是提高體系結構設計成果的可重用性，便于后續的開發集成和評估，并確保體系結構設計的不變形。因此，應從構建反導體系試訓一體化環境建設方法體系的角度，一體化地對各方法展開研究。

參考文獻：

[1]楊克巍，趙青松，譚躍進，等．體系需求工程技術與方法[M]．北京：科學出版社，2011．

YANG Ke-wei,ZHAO Qing-song,TAN Yue-jin,et al.System-of-Systems Requirements Engineering Technology and Method[M].Beijing:Science Press,2011.

[2]姜軍，柏曉莉，羅雪山．體系結構方法本質[J]．火力與指揮控制，2010，35(3)：29-33．

JIANG Jun, BAI Xiao-li, LUO Xue-shan. The Essence of Architecture Methodology[J]. Fire Control & Command Control, 2010, 35(4):29-33.

[3]徐斌，許建峰，沈艷麗．美國國防部體系結構框架新發展[J]．兵工自動化，2010，29(5)：54-56．

XU Bin, XU Jian-feng, SHEN Yan-li. Latest Development of US Defense Architecture Framework[J]. Ordnance Industry Automation, 2010, 29(5): 54-56.

[4]DoD Architecture Framework Working Group. DoD Architecture Framework Version 2.0 [R]. U.S.. Department of Defense，2009．

[5]趙峰，周學軍，吳芬，等．基于DoDAF的水下綜合信息保障系統體系結構研究[J]．空軍預警學院學報，2013，27(6)：423-426．

ZHAO Feng, ZHOU Xue-jun, WU Fen, et al. Research on the Architecture of the Underwater Integrated Information Security System Based on DoDAF[J]. Journal of Air Force Early Warning Academy, 2013, 27(6): 423-426.

[6]馬穎亮，黃定東，王保乳．基于DoDAF的“宙斯盾”防空作戰體系結構[J]．兵工自動化，2012，31(2)：9-13．

MA Ying-liang, HUANG Ding-dong, WANG Bao-ru. AEGIS Air Defense System Architecture Based on DoDAF [J]. Ordnance Industry Automation, 2012, 31(2): 9-13.

[7]謝娟．基于DoDAF的無人機飛行管理計算機系統體系結構研究[D]．南京：南京航空航天大學，2010．

XIE Juan. Research on Architecture of UAV’s Flight Management Computer System Based on DoDAF[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2010.

[8]劉天坤，段文義，王成春,等． 區域防空網絡化作戰體系結構產品設計方法[J]．火力與指揮控制,2011,36(4)：165-174．

LIU Tian-kun, DUAN Wen-yi, WANG Cheng-chun, et al. Product Design Method of Systems Architecture on Zone Air Defense Network-centric Operation[J]. Fire Control & Command Control, 2012, 36(4): 165-174.

[9]姚延軍，王紅，譚賢四,等． DoDAF2.0在軍事信息系統建設中的應用分析[J]．空軍雷達學院學報,2012,26(2)：115-118．

YAO Yan-jun, WANG Hong, TAN Xian-si, et al. The Application Analysis of DoDAF2.0 in Military Information System Construction[J]. Journal of Air Force Radar Academy, 2012, 26(2): 115-118.

[10]李龍躍，劉付顯．DoDAF視圖下的反導作戰軍事概念建模與仿真系統設計[J]．指揮控制與仿真，2012，34(5)：76-80．

LI Long-yue, LIU Fu-xian. Concept Model and Simulation System Design of the Ballistic Missile Defense Based on DoDAF Views[J]. Command Control & Simulation, 2012, 34(5): 76-80.

[11]謝志航，冷洪霞． DoDAF及其在美軍武器裝備體系結構開發中的應用[J]．國防科技，2011，32(4)：25-31．

XIE Zhi-hang, LENG Hong-xia. DODAF and Its Apply to U.S Army Weapon and Equipment System-of-Systems Architecture Development [J]. Defense Tech, 2011, 32(4): 25-31.

[12]Object Management Group. Meta Object Facility (MOF) Core Specification [EB/OL].(2014-04-03).[2014-12-31].http://www.omg.org/spec/mof/2.4.2/pdf.

[13]張小可. 武器裝備體系需求元建模方法研究 [D]. 長沙: 國防科技大學, 2011.

ZHANG Xiao-ke. Research on Weapons System of Systems Requirement Meta-Modeling Methodology and Technology [D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2011.

[14]DoD Deputy Chief Information Officer. DoDAF Physical Exchange Specification (PES)[EB/OL].(2015-01-31)[2015-03-31]. http://www.ideasgroup.org/dmz/.

[15]謝文才，羅雪山，沈偉業．基于元模型的軍事信息系統體系結構表現方法[J]．火力與指揮控制,2012,37(12)：11-15．

XIE Wen-cai, LUO Xue-shan, SHEN Wei-ye. Meta-Model Based Development of Military Information Architectural Representation [J]. Fire Control & Command Control, 2012, 37(12): 11-15.

Modeling Method of BMDS Integrated Test and Training Environment Architecture

ZHANG Guo-qiang1,2a, LIU Xiao-he1, JIANG Fang-ting2b, ZHANG Xiao-ke3

(1．Air Force Command College, Beijing 100097, China;2． Equipment Academy of Air Force;a.Land-Based Air Defense Equipment Institute;b．Radar and Electromagnetic Countermeasure Equipment Institute,Beijing 100085, China;3．National University of Defense Technology,College of Information System and Management, Hunan Changsha 410073, China)

Abstract:By referring to the relevant theories of DoDAF2.0 (DoD architecture framework 2.0) and MOF (meta object facility), BMDS integrated test and training environment architecture design method is proposed based on meta-model. By defining the concept of architecture meta-model, specifying the storage format of meta-model, and setting up the map between the meta-model and viewpoint products, this method improves the degree of the standardization of architectural modeling and ensures that the design results can be reused for subsequent development, integration and evaluation. The achievements laid the foundation for the further construction of environment, and also can be learned by other system-of-systems architecture design.

Key words:ballistic missile defense system-of-systems; integrated test and training environment; architecture; meta-model; DoD architecture framework(DoDAF); meta object facility(MOF)

中圖分類號：TP391.9；TJ761

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-05-0223-07

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.036

通信地址：100085北京市2861信箱5分箱E-mail：moonlight1999@sina.cn

作者簡介：張國強(1976-)，男，河南洛陽人。工程師，博士生，研究方向為地面防空反導裝備體系論證。

*收稿日期：2014-12-31；修回日期：2015-03-13