基于UML方法的C4ISR體系結構設計研究*

金　亮

(北京西三環中路19號　北京　100841)

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基于UML方法的C4ISR體系結構設計研究*

金亮

(北京西三環中路19號北京100841)

系統體系結構設計技術研究對于系統的研制開發有著極為重要的意義。分析研究了C4ISR體系結構的產品集和相互關系，給出了C4ISR體系結構設計的原則、思路和設計內容。提出了基于UML方法的C4ISR體系結構設計方法，完成了體系架構分析和設計。

UML;C4ISR;作戰體系結構;結構設計

Class NumberTN219

1　引言

未來海軍信息化作戰屬于全新的作戰樣式，軍事需求的復雜多變，由此帶來海軍綜合電子信息系統指揮關系、體系結構、組成與接口復雜。海軍綜合電子信息系統的研制過程中將大量應用新技術，技術難度和風險大，因此，需科學手段開展設計建模與論證，構建快速原型，降低研制風險。

體系結構建模設計與驗證是海戰場綜合電子信息系統這類復雜C4ISR系統先期論證、設計、開發、試驗、測試全過程所采用的重要且有效的方法之一[1]。開展系統體系結構設計技術研究對艦艇指控系統的研制開發有著極為重要的意義。

2　C4ISR體系結構框架內容

2.1體系結構之間的相互關系

作戰體系結構以任務領域或以作戰過程為基礎，描述了關于支持一個特定使命所要求的信息交換、互操作和性能參數的詳細內容：系統體系結構描述了功能和物理自動化系統、節點、平臺、通信線路和其它關鍵要素[4]。它們保障在作戰體系結構中描述的信息交換要求的實現和作戰人員的任務完成：技術體系結構確定了具體的實現規則。三種體系結構共同提供了互聯、互通、互操作的基礎。

2.2體系結構產品集的主要內容

C4ISR系統的體系結構產品集包含的主要內容如圖1所示。

高級作戰概念圖的主要目的是便于高級決策者之間進行交流。內容包括作戰使命、各種設施地理分布連接能力等作戰概念的概要圖形描述。作戰節點連接性描述是高級作戰概念圖進行作戰功能分解后的描述，是其它產品的基礎。該產品表述作戰節點的活動、它們之間的連接線路以及交換信息的特征。產品中的節點不是真實的物理設施，而是作戰角色基礎上的虛擬節點，其中信息交換的詳細設計在作戰信息交換矩陣中描述。活動模型通過模型來理解一個系統，設計時應采用分層結構設計的方法，自頂向下對活動進行逐級分解，直到滿足體系結構目標要求為止。作戰規則模型、作戰狀態變化描述、作戰事件、行程描述三個產品結合起來構成作戰活動序列和計時描述，通過引入時間線的概念，描述體系結構動態行為的特征[5]。邏輯數據模型反映作戰體系結構中的數據要求。

圖1　C4ISR體系結構產品集

系統接口描述是作戰與系統體系結構聯系的紐帶。它通過對分配給作戰節點連接性描述中節點和必需線路的系統及其接口的描述，把作戰體系結構與系統體系結構結合到一起：系統通信描述確定系統的通信系統或網絡以及它們的物理節點、配置細節。該產品主要是針對作戰節點連接性描述中所描述的信息必需線路的物理部分。系統平方矩陣描述在系統接口描述中的節點間和節點內透視圖里定義的系統到系統的關系。系統功能描述表示在系統功能之間的數據流、系統之間或系統功能之間的關系，以及節點上的活動。作戰活動與系統功能跟蹤能力矩陣通過描述作戰活動對系統功能的多對多的映射關系，進一步幫助在作戰與系統體系結構之間建立連接。

3　C4ISR體系結構設計

3.1設計原則

C4ISR系統的體系結構設計過程中，應當遵從如下原則：

重視作戰需求的分析研究，避免研制與應用脫節；使用通用術語和定義，確保體系結構在軍內是相關的、可比較的和可集成的；開發的體系結構應當是“積木式”的，可以重復使用和分解，適用于多種目的；充分借鑒美軍C4ISR系統體系結構研究成果，加強技術引進與消化吸收；立足國情、軍情，重視對現有系統軟硬件的集成與平臺的信息化改造；最大限度地采用國際商用標準，及時采納新技術和新標準，逐步淘汰舊的技術標準。

3.2設計思路

體系結構主要是解決多軍兵種之間的互聯、互通、互操作問題。因此，在體系結構設計中，研究重點應是從體系結構中找到互操作途徑，確定交換信息，解決各軍種之間的接口問題。設計過程中，首先依據聯合戰役綱要和各軍種作戰條令，把通用訓練科目表向下擴展，直到不可再分的任務層次，導出完成任務所需要作戰活動的定義[6]。以活動為基礎，導出活動過程中的信息交換需求，按照作戰任務、作戰活動和信息活動三個結構層次，以規范的圖、表形式設計出作戰體系結構。再以作戰體系結構為指導，按技術體系結構的信息標準規定，定義系統物理性能與接口，得到系統體系結構，從而完成C4ISR系統的體系結構設計。

3.3實現途徑與方法

C4ISR系統的體系結構最終是通過該系統的體系結構產品集來描述的。完成后的產品集就構成了對該C4ISR系統的體系結構的具體描述。一個具體C4ISR系統的體系結構產品集取決于該體系結構的目的與用途[8]。一般來說，對于廣闊范圍和高等級的分解，基本產品集就能滿足要求，而對于特定用途和范圍的系統，則要包含更詳細的分解和建模，必須產生支持產品。

體系結構產品集的實現途徑與方法：

1)首先確定系統的目的和功能，廣泛地收集相關領域內的各種信息，確定體系結構相應的范圍、背景和環境等，為后續工作做好基礎。

2)明確作戰概念和需求，根據系統的作戰需求，設計描述作戰使命、各種設施地理配置、連接能力等高級作戰概念圖。

3)利用通用訓練科目表以及組織構成和相互關系，結合設計的高級作戰概念圖，進行功能分解和組織分析，完成指揮關系圖。

4)結合作戰條令、條例，分解作戰任務，得到與作戰節點活動相關的各種任務分配模型、邏輯數據模型、作戰事件與行程描述等；利用分析處理結果，并結合作戰信息元素，進而得到與作戰信息元素相關的產品，如信息元素狀態、交換關系(包括信息交換格式，信息內容和信息量)等產品。

5)分析系統元素及其功能、狀態，結合活動模型有關產品，得到系統接口描述和物理數據模型等產品。

6)利用前面分析得到的系統活動模型產品、作戰信息元素、以及最初的物理結構，并結合相關技術標準和系統屬性要求，得到系統信息元素及其交換、系統通信描述、系統性能參數等產品。

3.4體系結構的設計內容

體系結構的設計包含了作戰體系結構、系統體系結構和技術體系結構的設計內容。

· 作戰使命。在作戰使命描述中應該明確C4ISR系統所支持和參與完成的作戰任務是什么，也就是在一定作戰環境和作戰背景下，明確系統總的作戰任務和使命，完成這些作戰任務所需完成的作戰活動和具有的作戰功能，并且作戰過程中雙方可能的交戰過程和方式，這是對作戰體系結構中系統可能與外界發生的交互關系的描述，是作戰對系統的一個總的需求描述，它是其他分析和設計的基礎[7]。

· 作戰節點的連接關系。作戰節點連接關系主要定義完成作戰任務的基本作戰要素或作戰節點以及它們之間關系，同時明確為支持作戰使命完成各作戰節點應完成的作戰活動和具備的功能，作戰節點的關系包括作戰節點之間的連接和信息交互關系，它反映了作戰體系結構的兩種數據流關系：指揮控制流和信息流。

· 作戰信息交換表。作戰信息交換表根據作戰節點之間的連接關系和指揮關系，明確它們之間的信息交換關系，即決定誰與誰、為什么目的要交換什么樣的信息，因此，必須明確交換信息的屬性、信息交換的要求以及交換信息所支持的活動和功能，如類型、媒體形式、數據量、質量等性能要求。

· 作戰活動模型。在作戰節點連接關系描述的作戰活動的基礎上，進一步明確各功能活動實現所必須的子功能，即進行功能和活動的分解，在功能分解的基礎上，描述完成作戰任務系統必須具有的作戰活動。

· 作戰活動動態特征。體系結構中的一些關鍵特征常常出現在系統的動態行為中。因此，應該對反映和影響體系結構關鍵特征的作戰狀態的變化進行具體的描述，作戰活動動態特征描述應該包括典型作戰狀態的變化、關鍵作戰狀態變化遵循的基本規則、關鍵狀態之間的時序關系[9]。

邏輯數據模型。邏輯數據模型應該全面描述在作戰體系結構中涉及的數據的邏輯結構，邏輯數據模型是在信息交換設計的基礎上，進一步明確具體交換的數據所包含的屬性(數據項)以及數據之間的關系。

4　基于UML方法的體系結構設計

4.1面向對象設計方法

面向對象設計方法是一種圍繞真實世界的概念來組成模型的思維方法，其基本思想是：對問題空間進行自然分割，以更接近人類思維方式建立問題域模型，以便對客觀實體進行結構和行為模擬，從而使設計的系統盡可能直接地描述現實世界。在面向對象設計中，對象是描述實體的概念。面向對象設計包括兩個重要方面，一是面向對象的分解，二是使用面的對象表示方法描述所設計系統的邏輯模型(類和對象結構)、物理模型(模塊和過程體系結構)以及系統的靜態和動態模型(交互、順序、狀態)。面向對象設計方法是一種自底向上歸納和自頂向下分解相結合的方法。

4.2利用UML描述C4ISR體系架構

統一建模語言UML是支持面向對象設計的常用語言。UML語言包括用例圖、類圖、交互圖、狀態圖等。下面以UML語言為例說明面向對象的體系結構設計方法。

表1　C4ISR體系架構與UML2.0描述方法的對應關系

圖2　C4ISR體系架構的UML描述方法

利用UML語言進行C4ISR系統體系結構設計的步驟如下：

1)利用用例圖產生一般概括性描述根據C4ISR系統支持作戰活動的概念和作戰過程的描述以及系統的用途和作用，構造說明系統用途的用例圖。

2)反復使用用例，構造體系結構的順序圖順序圖是系統對象動態行為的靜態表示，體現對象間消息傳遞的前后順序。在順序圖構造的過程中，要提取系統的對象類。此外，由于系統功能在順序圖上執行，對順序圖進行擴展，可以由此得到系統的功能分解[10]。

3)對象分解，對象分解的目的就是要把整個系統由單一的實體分解為幾個主要的組成部分，這樣不僅可以得到系統的物理實體分解，而且可以得到系統的功能實體。對象分解與順序圖中的實體建立對應關系。

4)構造狀態圖，狀態圖描述一個對象的所有可能狀態以及由于事件觸發引起狀態之間的轉移關系。在對象分解的基礎上，對各對象構建狀態轉移圖。

按照上述步驟，利用UML語言可以得到美軍的“C4ISR體系結構框架2.0”的主要產品，設計過程和得到的主要產品如圖3所示。和結構化分析設計方法相比，面向對象分析方法雖然不能夠得到體系結構框架的全部產品，但是利用面向對象的設計方法可以通過單一的工具支持設計的全過程，如支持UML語言的軟件工具，在具體設計上更容易獲得完整的設計數據。

圖3　利用UML設計C4ISR體系結構的過程

5　C4ISR體系結構設計實例

本文利用Rhapsody DoDAF Pack工具，采用三視圖體系結構設計方法，對C4ISR系統的簡單原型系統進行了體系結構設計。該簡單原型系統可能還存在很多不妥之處，但該簡單實例的目的重在說明三視圖體系結構設計方法在C4ISR系統中的應用。設計以DoDAF架構中OV-1高層作戰概念圖、OV-4指揮關系圖、SV-10a/b系統活動規則和狀態轉移圖為例進行設計說明。

5.1高層概念圖設計

艦艇指控系統是海戰場綜合電子信息系統中的重要組成部分，該系統是整個編隊聯合作戰的核心系統，是指揮控制、信息共享、武器協同控制等環節的關鍵所在，對艦船編隊作戰效能的發揮有著至關重要的作用。海戰場綜合電子信息系統的OV-1高層作戰概念圖的主要構成如圖4所示，有艦船編隊指揮中心、艦船本艦指揮中心、航空聯隊指揮中心艦載探測系統、 艦載武器系統、航載通信系統、潛艇作戰系統、無人機綜合航電系統、作戰飛機綜合航電系統、空中預警指揮系統岸基指揮控制系統等。海戰場綜合電子信息系統由空空網、艦空網、艦艦網、本艦內網、艦潛網等通信鏈路和通信網絡實現信息共享和互聯互通，協同作戰。

圖4　海戰場綜合電子信息系統的主要構成

海戰場綜合電子信息系統的典型作戰任務由對空作戰、對海作戰、對潛作戰，作戰節點由編隊指揮艦、預警機、攻擊機機組、戰斗機、驅護艦編隊、驅逐艦、護衛艦、直升機、潛艇共同構成，如圖5所示。

圖5　編隊指揮艦指控系統作戰任務和作戰節點

5.2指揮關系圖設計

編隊作戰中的OV-4指揮關系圖如圖6所示。指揮艦負責攻擊機機組、艦艇編隊等編隊級兵力的直接指揮控制以及攻擊型核潛艇和空中預警機的配置與部署等；攻擊機機組負責空中戰斗機編隊的各架戰斗機的具體指揮控制任務，協同整個機組兵力完成對空攔截、對海攻擊任務；艦艇編隊指揮所負責驅逐艦、護衛艦、直升機在對海、反潛作戰任務中的具體指揮控制和作戰實施。

圖6　編隊作戰指揮關系圖

5.3系統活動規則和狀態轉移設計

以指揮艦雷達系統為例設計了系統活動規則和狀態轉移圖如圖7所示。雷達系統對空中目標、水面目標進行掃描跟蹤，為情報處理和統一態勢提供情報信息，其工作狀態分為探測狀態、信號處理狀態、邊掃邊跟狀態。

圖7　指揮艦雷達系統活動規則和狀態轉移圖

其狀態轉換關系為

1)系統開機進入探測狀態；

2)接收回波信號，進入探測信號處理狀態，如果探測到目標，進入邊掃邊跟狀態，否則回到探測狀態；

3)邊掃邊跟狀態下如果有目標入侵，進入探測信號處理狀態，處理后回到邊掃邊跟狀態；

4)邊掃邊跟狀態下如果有目標消失，判斷是否還跟蹤其它目標，如果沒有跟蹤對象，則進入探測狀態。

6　結語

本文首先分析了體系結構的定義和組成部分，重點研究了C4ISR體系結構框架的組成部分，分析作戰體系結構、系統體系結構、技術體系結構的相互關系，研究了C4ISR體系結構產品集的內容和邏輯關系。給出了C4ISR體系結構的設計原則和設計思路，并重點研究了體系結構各產品的設計內容。最后基于UML方法對C4ISR體系架構進行分析和設計。本文對C4ISR系統體系結構設計內容和設計方法的研究，不僅可以應用在以海上指揮控制系統的原型設計、論證和研制中，還可以應用在其他綜合電子信息系統的原型設計、論證和研制中。

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C4ISR Architecture Design Based on UML

JIN Liang

(No.19 Central Xisanhuan Road,Beijing100841)

System architecture design technology is very important for system manufacture.This paper studies products of C4ISR architecture and their interrelationship in system architecture.Then principles,ways and contents of design of C4ISR architecture are given out.This paper proposes design method of C4ISR architecture based on UML,and then completes analysis and design architecture of C4ISR.

UML,C4ISR,combat system architecture,architecture design

2016年3月7日,

2016年4月23日

金亮，男，碩士，工程師，研究方向：電子信息系統。

TN219DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.003