基于模型的艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)工程方法研究與應用

楊致怡，劉艷平，楊曉棟，何 強

(1. 中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094；2. 安世亞太科技股份有限公司，北京 100025)

基于模型的艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)工程方法研究與應用

楊致怡1，劉艷平1，楊曉棟2，何 強2

(1. 中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094；2. 安世亞太科技股份有限公司，北京 100025)

針對艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)軟件復雜性增加以及設計與集成難度的增加，本文介紹一種應對復雜系統(tǒng)研發(fā)需求的基于模型的系統(tǒng)工程方法，并闡述需求分析、功能分析及體系架構設計 3 個階段的設計流程。最后以典型水面艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)體系架構的設計為例對該方法的應用進行驗證。經過驗證，證明該方法與基于文檔的系統(tǒng)設計方法相比具有設計準確的特點，能提高系統(tǒng)設計質量，值得大范圍推廣；在方法和工具推廣上需要結合本單位質量體系要求進一步完善。本文所建模型使用到了 IBM 公司 Rhapsody 工具中的 Harmony SE 套件。

基于模型的系統(tǒng)工程；作戰(zhàn)系統(tǒng)；體系架構設計

0 引 言

水面艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)是艦艇平臺上用于執(zhí)行警戒探測、指揮控制以及執(zhí)行對目標交戰(zhàn)的一類復雜系統(tǒng)[1]。復雜系統(tǒng)的交付要求系統(tǒng)總體單位能夠在規(guī)定的時間和規(guī)定的預算范圍內完成符合一定質量要求的系統(tǒng)的設計和開發(fā)工作；而對于復雜系統(tǒng)的集成，即使是最詳細的系統(tǒng)設計工作也彌補不了系統(tǒng)體系架構設計缺陷帶來的先天性影響。近年來，軟件在系統(tǒng)集成中得到廣泛應用，系統(tǒng)集成的復雜性日益增強。在這一背景下，如何更快、更好地滿足用戶需求完成復雜系統(tǒng)的設計和集成工作，同時又能使系統(tǒng)具有良好的保障性是擺在系統(tǒng)設計師面前的一大難題。目前, 國外在應對這一挑戰(zhàn)的最流行做法是利用基于模型的系統(tǒng)工程方法進行系統(tǒng)體系架構的設計和驗證。

本文在對基于模型的系統(tǒng)工程方法的應用進行回顧的基礎上，對水面艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)中基于模型的系統(tǒng)工程方法的應用進行初步研究，并介紹本文具體實踐使用的 Harmony 基于模型的系統(tǒng)工程方法，最后結合Rhapsody 工具的使用對 Harmony 方法的具體應用進行詳細說明。

1 基于模型的系統(tǒng)工程方法介紹

國際系統(tǒng)工程委員會（INCOSE）在 2006 年 10 月發(fā)布的系統(tǒng)工程遠景 2020 中，將基于模型的系統(tǒng)工程方法（以下簡稱“MBSE”）定義為[2]：正式應用建模來支持系統(tǒng)需求、設計、分析、校核與驗證，從概念設計階段開始，在整個開發(fā)過程中以及后續(xù)壽命周期階段繼續(xù)運用。從 SysML 建模語言誕生以來，MBSE 逐漸浮出水面，成為人們研究軟件密集型系統(tǒng)的一種熱門方法。

通過建模解決工程問題具有如下優(yōu)點：建模可以用來降低工程師手工勞動所花費的時間與精力，縮短設計周期；可以用來檢驗信息連續(xù)性與完整性，降低錯誤率，提高精確性；可以用來保留當前的工程結果，用于以后的維護、產品更新或產品更換工作；可以用來清楚地描述每一個符號與數字，并且意義確定唯一不具有二義性。模型能夠確保在過程結束時所有必要信息都是有效的、正確的。當然，建模并不能代替創(chuàng)造性的工程思考與解決問題。

在基于模型的系統(tǒng)工程方法誕生之日起，美國國防部便開始了 MBSE 方法在國防系統(tǒng)體系架構開發(fā)中應用的研究，研究的結論是：DODAF 國防部體系架構框架只對開放系統(tǒng)架構的產品進行說明，但如何建模，使用什么樣的語言和方法建模沒有規(guī)定。國際上用于系統(tǒng)建模的各類建模語言有 IDEF、SysML、UML等，其中 SysML 更加適合系統(tǒng)建模，可以用來設計符合 DODAF 規(guī)范的體系架構產品。對于方法的應用，有哈特利—皮爾布海（HP）方法、馬丁方法等。IBM Rational 公司作為全球領先的 IT 技術及產品供應商，開發(fā)了一套集成系統(tǒng)與嵌入式實時開發(fā)流程 Harmony，這里我們稱之為 Harmony 方法。該方法獨立于工具之外，應用 SysML 為系統(tǒng)工程師提供了詳細的、易于操作的流程指南。它從系統(tǒng)工程的視角出發(fā)，把系統(tǒng)的前期開發(fā)如系統(tǒng)工程的工作任務、責任范圍，以工作流的方式，解剖的淋漓盡致，為系統(tǒng)的后續(xù)開發(fā)和系統(tǒng)的確認和驗證，提供了無縫鏈接。

圖 1 用典型的系統(tǒng)工程 V 模型展示了 Rational 集成系統(tǒng)/嵌入式軟件開發(fā)流程[3]-Harmony，V 模型的左邊描述的是自頂向下的設計流，V 模型的右邊展示了自底向上從單元測試到最終系統(tǒng)驗收測試的集成各階段。無論變更請求在哪個階段出現，流程都將重新回到需求分析階段。Harmony 流程包含 2 個子流程：Harmony/SE（系統(tǒng)工程）和 Harmony/ESW（嵌入式實時開發(fā)），本研究課題重點應用 Harmony/SE 流程，該流程是增量迭代的周期活動流。它由系統(tǒng)需求分析、功能分析和設計綜合 3 個階段構成，增量迭代是基于用例來完成的。

圖 1 Rational 基于模型的嵌入式實時系統(tǒng)開發(fā)方法Fig. 1 Rational model-based embedded real-time system development method

2 基于模型的作戰(zhàn)系統(tǒng)工程流程研究

面向作戰(zhàn)系統(tǒng)應用的基于模型的系統(tǒng)工程流程[4]如圖 2 所示，該流程的主要目標是識別并推導出系統(tǒng)的功能，識別出相關的系統(tǒng)模式和狀態(tài)，并把系統(tǒng)功能和模式/狀態(tài)分配到相應的分系統(tǒng)中。

圖 2 基于模型的系統(tǒng)架構開發(fā)流程Fig. 2 Model-based system architecture development process

2.1 系統(tǒng)需求分析

需求分析階段的首要工作是分析得到系統(tǒng)工程流程的輸入：海軍用戶需求。將涉眾需求翻譯成系統(tǒng)需求，系統(tǒng)需求是定義系統(tǒng)必須做什么（功能需求）以及如何執(zhí)行好（服務需求的質量）。具體工作為將獲得的用戶需求進行收集整理，經過整理和分類的用戶需求按照規(guī)范形成文檔，導入到需求管理軟件進行用戶需求管理[5]。對用戶需求進行分析，分別定義環(huán)境與設計約束、定義運行與保障概念、定義效能指標，在充分理解了上述想定、邊界、需求、目標之后，定義并推導系統(tǒng)功能與性能需求，這一過程一方面實現將定義好的功能和非功能性系統(tǒng)需求導入到需求管理軟件進行管理。為了確保系統(tǒng)需求的完整性，并且滿足用戶及投資人的需求與規(guī)范，可以利用需求管理軟件實現系統(tǒng)需求和用戶需求的關聯。

在需求分析中的下一個主要步驟是定義系統(tǒng)用例或者說是系統(tǒng)狀態(tài)與模式，在作戰(zhàn)系統(tǒng)設計中，我們可以將作戰(zhàn)系統(tǒng)按照多任務的剖面對其進行用例劃分，例如對空自防御任務、對海自防御任務以及對潛自防御任務等（見圖 3）。為保證所有的功能性需求和相關的性能需求由這些用例所覆蓋，跟蹤性連接要分別對應建立起來，可以使用相應的系統(tǒng)建模工具進行。

2.2 系統(tǒng)功能分析

系統(tǒng)功能分析階段的主要重點是把系統(tǒng)功能需求描述成一個連貫的系統(tǒng)服務（業(yè)務操作）[6]。分析是基于用例進行的，即：每一個由之前的需求分析階段確認的用例翻譯成一個可執(zhí)行模型。該模型的基本需求將由模型的執(zhí)行來驗證。通常在需求分析階段不對功能進行分解和設計，在功能分析階段將對系統(tǒng)功能進行詳細分析和分解并將最終經過功能分析確認的需求進行重新分解，功能分析階段的成果是經過確認的功能階段的用戶需求以及可執(zhí)行的功能分析模型。

功能分析模型由 3 個 SysML 圖[7]來展現，而活動圖、序列圖和狀態(tài)圖。被稱為黑盒用例的活動圖，描述了用例整體功能流（故事板），以行動（相當于業(yè)務操作）的方式來組織功能需求，并顯示這些行動是如何互相關聯的。被稱為黑盒用例的序列圖，通過用例描述了一個特定的路徑并定義了操作和角色之間的相互作用（信息或消息）。狀態(tài)圖把活動圖和序列圖的信息匯聚到了具有系統(tǒng)狀態(tài)的背景當中，并增添了對不同優(yōu)先級的外界激勵而產生的系統(tǒng)行為，如圖 4 所示。

圖 3 多任務作戰(zhàn)系統(tǒng)用例圖（背景圖）Fig. 3 Use Case Diagram (Context) for multi-mission combat system

圖 4 功能分析階段的對海戰(zhàn)狀態(tài)圖Fig. 4 State Chart Diagram for anti-surface use case in functional analysis step

2.3 系統(tǒng)設計綜合

設計綜合階段的重點是在所規(guī)定的作戰(zhàn)系統(tǒng)反應時間、系統(tǒng)感知能力、系統(tǒng)打擊能力、系統(tǒng)保障性等性能約束范圍內，開發(fā)一個能夠執(zhí)行所需功能的具備一定能力的物理架構（如一組產品、系統(tǒng)或軟件元素）。設計綜合采用自頂向下的工作方法。設計綜合階段又分為 2 個大的分階段，即架構分析和架構設計。架構分析也稱為權衡分析[8]，是針對一組滿足于給定的功能和性能需求的分系統(tǒng)或設備配置方案，通過優(yōu)化設計從中選取一個最優(yōu)方案出來。優(yōu)化設計是基于一套效能指標進行的，不同效能指標根據相對重要性進行加權，最終得出一個總體的效能指標，通過比較不同方案的總體效能指標從而得出最優(yōu)解。架構設計階段的重點是把功能性需求和非功能性需求分配到經過權衡分析得到的最優(yōu)的系統(tǒng)架構中。這種分配過程是迭代式的，通常是通過與行業(yè)專家合作進行的。不同的分配策略可以進行分析，并帶入對設計約束的考慮中，如在需求分析階段所捕捉的性能需求、安全需求等。

根據對后續(xù)子系統(tǒng)開發(fā)交付要求，架構分析和架構設計階段可以在架構分解的不同層次上重復進行。在最低層次，功能分配可以控制實現，即：哪些操作應該在硬件中實施，哪些操作應該在軟件中實施。

詳細架構設計階段的重點是定義端口和接口，架構分解的最低層次系統(tǒng)模塊基于狀態(tài)行為?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程方法設計的多任務作戰(zhàn)系統(tǒng)內部框架如圖 5 所示。

3 結 語

圖 5 多任務作戰(zhàn)系統(tǒng)內部框圖Fig. 5 IBD diagram for multi-mission combat system

本文所應用的方法已經在船載多用途任務系統(tǒng)研究項目中進行了實際應用。實踐表明，基于模型的系統(tǒng)工程方法可以快速、有效指導作戰(zhàn)系統(tǒng)進行體系架構的開發(fā)，具有流程清晰、邏輯嚴密等特點。需求管理工具和設計建模工具的應用，可有效減輕開發(fā)人員的重復勞動，輔助開發(fā)者對設計成果進行驗證，對設計思路不斷進行完善。此外，本文所提模型開發(fā)方法和工具主要針對系統(tǒng)的功能性開發(fā)進行了嘗試，對于系統(tǒng)性能的分析和分配方法需要進一步深入研究。深入開展基于模型的系統(tǒng)工程方法的研究與實踐，對于艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)設計、建設與維護來說有著十分重要的意義。

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Research for combat system development based on model-based systems engineering method

YAGN Zhi-yi1, LIU Yan-ping1, YANG Xiao-dong2, HE Qiang2
(1. Systems Engineering Research Institate, Beijing 100094, China; 2. Pera Global, Beijing 100025, China)

Shipborne surface combat system is a kind of complex system which is used for surveillance and reconnaissance, command and control and engagement for different kind of threats in surface, air and underwater environment. In accordance with the growing difficulty of design and integration of the surface combat system, a kind of model based systems engineering method is introduced, the detailed procedure of requirements analysis, system functional analysis and design synthesis are described in this paper. Finally, the paper describe the combat system architecture design and verify based on the method. The conclusion is model based method is more accurate in system design than traditional document based method, can be widely used in combat system design. In the future, the detailed instructions for the method and tools should be optimized according the company’s quality standard. In this paper, the models is build by the IBM Rhapsody software Harmony SE toolkit.

model based systems engineering；combat system；architecture design

TP391

A

1672–7619(2016)12–0159–04

10.3404/j.issn.1672–7619.2016.12.033

2015–04–14

楊致怡(1980–)，男，高級工程師，從事水面作戰(zhàn)系統(tǒng)及綜合電子信息系統(tǒng)的研究工作