一種基于 DoDAF 的指揮控制系統原型迭代設計方法

王 媛，李 皓，趙科莉

(中國船舶工業系統工程研究院，北京 100094)

一種基于 DoDAF 的指揮控制系統原型迭代設計方法

王 媛，李 皓，趙科莉

(中國船舶工業系統工程研究院，北京 100094)

對目前指揮控制系統設計的現狀進行分析，針對體系結構設計不規范難以互聯互通互操作、系統設計初期難以直觀展現系統原型和迭代優化的問題，提出了一種基于 DoDAF 的指控系統原型迭代設計方法，并完成了該設計方法在設計工具上的軟件實現，驗證了該方法的可行性，實現了指控系統的原型迭代設計。

美國國防部體系結構框架；指揮控制系統；原型迭代；設計方法；設計工具

0 引 言

只有建立并有效使用信息化指揮控制系統，才能最大限度地發揮作戰部隊和武器裝備的綜合作戰效能。因此，信息化指揮控制系統受到各國政府和軍隊的高度重視，發展迅速。指揮控制系統信息交互復雜、人機交互要求高，開展指控系統頂層體系結構和原型迭代優化設計方法的研究非常重要。

1 指揮控制系統設計現狀

指揮控制系統簡稱指控系統，是一種復雜信息系統，需要把指揮、控制、通信、情報和信息緊密聯系在一起，形成一個多功能的統一系統，其涉及要素多、信息交互復雜，因此，系統體系結構設計是指揮控制系統設計過程非常重要的環節。

同時，指揮控制的實現是以計算機為核心的技術設備與指揮人員相結合，對兵力和武器實施指揮與控制的人機融合，實現全域實時動態的高效指揮，因此，人機交互的友好性、便捷性等都是指揮控制系統設計必須考慮的問題。

目前我國在指控系統設計過程中積累了一定的經驗，形成了一些體系結構設計方法，包括基于模型的設計方法、基于仿真的設計方法等，但仍然存在一些問題，影響了頂層設計的效率和效果。主要表現在：

1）體系結構描述需要進一步完善與規范化

對于指控系統的體系結構設計，傳統的做法是設計人員分別對系統的組成關系、流程和信息接口等進行描述，完成體系結構設計報告，形成相關技術文檔和模型。然而，這種設計方法并不規范和完整，系統之間互聯、互通、互操作性不強，缺乏標準的體系結構模型框架對其進行統一和規范化。因此，需要基于標準模型框架的體系結構結構設計方法來支持。

2）難以直觀展現系統原型和設計初期迭代優化

指控系統設計初期往往重在系統組成結構、信息交互關系、以及使用流程等的設計，對系統界面的設計往往到軟件實現層面才會涉及，但這樣的指控系統設計流程往往導致難以及早發現問題并合理優化，難以確保系統界面風格的一致性和用戶友好性。因此，需要一種能快速實現一個可操作、可演示的原型系統，彌補一般指控系統設計中難以所見即所得并快速驗證的不足，為用戶與設計人員提供共同交互、共同理解系統需求的面向計算機的原型系統，在此基礎上實現系統設計與系統需求的逐步完善、逐步深化、逼近最終的系統。

2 基于體系結構設計的原型迭代設計方法

為了解決上述指控系統設計難題，本文提出一種基于體系結構設計的原型迭代設計方法，利用相對標準化的體系結構設計解決體系結構描述和系統互聯互通互操作問題，利用原型迭代設計解決難以直觀展現系統原型和設計初期迭代優化問題。

2.1 美國國防部體系結構框架 DoDAF 設計方法

隨著目前信息系統日趨復雜，其體系結構設計迫切需要一種公認的標準來優化頂層設計，支持、驗證體系結構的規范性，并促進系統實現互連、互通、互操作。目前，已發布了多項體系結構框架標準，如美國國防部的 DoDAF（Department of Defense Architecture Framework）、英國國防部的 MoDAF（Ministry of Defense Architecture Framework）、北約的 NAF（NATO Architecture Framework）等。

美國國防部體系結構框架 DoDAF 最初由C4ISR（Command, Control, Communications, Computers，Intelligence，Surveillance and Reconnaissance）體系結構演進而來，先后經歷了多個版本，發展到現在的DoDAF 2.0 版，已成為當今應用最為廣泛和最為成熟的體系結構框架，它能夠用來確保各個指揮組織、部門的系統和信息體系結構描述和定義的一致性和協調性。利用這種統一的體系結構框架設計指控系統體系結構，便于系統分析、設計和實現人員及使用維護人員對系統體系結構設計的理解、比較和交流。

2003 年 8 月，美國國防部頒布 DoDAF 1.0 版，將體系結構分成全景視圖 AV（All View）、作戰視圖OV（Operation View）、系統視圖 SV（System View）和技術標準視圖 TV（Technical Standards View）來描述，每種視圖又由一系列描述體系結構的圖形、表格和文本產品構成。為了描述美軍提出的網絡中心戰概念，美國國防部于 2007 年 4 月頒布DoDAF 1.5 版，引入了面向服務架構 SOA（Service Oriented Architecture）的思想。2009 年 5 月，美國國防部發布了 DoDAF2.0 版本。它以企業體系結構為焦點，以服務于核心決策過程為目的，以元模型作為數據的組織形式，核心內容是以數據為中心的方法，強調對高效決策所需數據的收集、存儲和維護。DoDAF2.0 將原先的系統視圖劃分為系統視角和服務視角兩部分，以適應系統和軟件工程實踐上的拓展；將邏輯數據模型、物理數據模型和概念數據模型合并，放入新增加的數據信息視角；作戰視角中增加業務、情報、作戰等功能的規則和約束描述；原先的技術視圖更新為標準視圖，增加業務、商用標準和條例的描述；增加能力視角，支持能力的發展和能力數據采集的標準化；增加項目視角，反映國防部采辦的影響。

2.2 基于 DoDAF 的體系結構設計方法

基于 DoDAF 的體系結構設計方法主要包括以下 6個步驟：

1）明確體系結構的目的

定義體系結構的用途、體系結構描述方式、體系結構開發中使用的方法、所需的數據種類、潛在影響、預期達到的性能和客戶滿意度等。

2）明確系統的邊界

確定體系結構描述的深度和廣度等邊界、建立體系結構問題集、幫助定義上下文以及體系結構內容的詳細程度。

3）明確支持體系結構開發所需的數據

它通常與步驟 4 共同完成，迭代地采用至上而下的方式來組織數據采集和開發體系結構。一旦確定了原始數據內容的范圍，其他決策中需要用到的數據就可以通過更容易理解的體系結構的視圖內容來獲得。

4）采集、組織、關聯、存儲體系結構數據

通過視圖的方式采集和組織數據，將數據存儲到公認的商業或政府體系結構工具中。建立術語、定義與元素之間的關系。

5）分析驗證是否支持體系結構目標

對體系結構數據的分析決定了最終體系結構與目標需求相符的程度。為了更好地完成體系結構描述，達到其擬定功能，可以定義額外的開發過程步驟和數據采集需要，這將導致步驟 3 至步驟 5 的重復迭代。

6）構建體系結構產品

通過對基礎數據的查詢，建立體系結構視圖。為了將體系結構數據展示給不同的受眾，需要將數據轉換為決策者能夠理解的表達，這與步驟 3 中的數據需求和步驟 4 中的數據采集方法緊密相關。

體系結構視圖是經過選擇后組織起來的體系結構數據的集合，目的是使數據可視化，從而易于理解。體系結構描述可以采用圖板、融合視圖、文本、組合視圖或圖形等可視化形式，來表現在體系結構開發過程中收集的數據和導出的信息，在實際應用中并不是所有的模型都必須創建，具體創建哪些模型需要以決策者的需要為基礎。

2.3 系統原型迭代設計方法

原型迭代設計方法主要是用來解決既有指控系統設計方法所帶來的問題，包括系統需求不易開發、系統設計迭代不易開展、系統設計結果抽象不易演示、系統開發流程不易管理、系統界面風格不統一，代碼復用工作繁瑣的問題。使用本方法，在項目開發前，可以預覽整個項目中實現的模塊樣式，盡早發現項目中可能出現的問題，從而節省項目開發中的人力成本和時間成本等問題。

原型迭代設計方法主要包括界面風格工程設計、拖拽式界面布局組件化設計、基于界面原型的軟件開發等步驟，同時提供組件擴展方法。這里的組件不僅包括界面組件，還包括功能組件，在界面設計的同時，將基本功能融入，真正實現原型設計。

這種設計方法首先由系統設計人員基于已有的界面組件和功能組件進行界面整體風格設計，并通過簡單便捷拖放和屬性設置從而快速完成界面原型的構建，然后將統一設計的界面原型下發給開發人員開展基于界面原型的軟件開發，同時基于控件庫和控件包的體系不斷的積累擴充，為其他項目功能組件中的代碼復用帶來高效合理的工作模式。

首先在界面編輯器中能夠按照需求拖放不同的組件，按照需求和使用體驗把各個不同的功能組件組合在一起，并且設置各個功能組件自適應變換的能力，拖放好相關的功能組件之后可以提前預覽最后開發的程序的樣式，如果滿足需求和使用習慣再生成相關的UI約束文件，這樣減少了只有在開發環境中才能查看相關功能組件樣式的弊端，從而使設計和開發單獨開來，給項目的開發中減少了很多不必要的麻煩。其次，新建項目時導入相關的 UI 約束文件，系統根據向導文件的約束條件控制功能組件的自適應及位置等，項目創建完成之后不需要手動添加任何代碼就可以運行并看到原型程序結果，在后續的開發中，開發人員就不會再花費其他的時間來關心界面樣式的問題。

從設計方法示意圖可以看出，整個過程的應用層主要分為設計人員、開發人員、維護人員。

設計人員是來操作界面編輯器，界面編輯器導入控件庫，然后設計人員在已有的控件庫中選擇相關功能的控件，拖放功能框并設置完成之后生成界面約束文件

維護人員按照需求創建工程模板構件，如組件層的指控模擬器和雷達模擬器是維護成員完成的工程模板構件，方便開發人員在項目的開發中代碼高效的復用，從而省去不必要的麻煩步驟。

開發人員可以用則在創建新項目的時候在向導中選擇維護人員創建的功能模板構件，并且導入設計人員的界面約束文件，然后生成具有簡單功能和樣式的原型程序。開發人員在此基礎上二次開發，添加新的功能并且不用關心界面樣式有關的問題。

3 基于 DoDAF 的指控系統原型迭代設計工具

為了更好地實現基于 DoDAF 的指控系統原型迭代設計方法，實現系統原型迭代設計工具，在系統體系結構設計過程中，開展系統原型設計，及早發現設計問題以便迭代優化。

系統原型迭代設計工具采用界面框架集成模式，提供人機界面快速組裝設計環境、基于界面原型的系統開發環境和可重用的界面元素庫，滿足驗證系統人機界面統一設計、重用集成的需求，主要包括拖拽式界面編輯器、開發平臺、界面組件元素庫等部分。

界面編輯器主要為設計人員準備，設計人員跟據項目需求從已有的功能組件中選擇相關的功能組件，拖動擺放功能組件并設置大小、位置、貼靠的方式等屬性。功能組件的選擇和設置之后可以提前預覽設計是否符合需求及有好的用戶體驗性，如果符合要求之后再生成界面約束文件供開發人員在實際的項目中使用。

開發平臺則是開發人員在創建項目的時候選擇維護人員提供的模板構件，導入設計人員提供的界面約束文件，在生成的工程項目基礎上二次開發。

界面庫是維護人員將項目中的功能組件代碼集成到模板構件中，避免相同的項目中負責不同模塊的開發人員和其他功能組件的開發者有時候需要相同功能的模塊或者不同的項目中需要相同功能的模塊而手動的復制粘貼功能代碼引起的耗時并且不能確保相關代碼準確性的問題，開發人員在創建項目的時候選擇相關的模板構件就行，不用關心這個功能組件的具體實現細節等問題。

3.1 拖拽式界面編輯器

用戶可利用界面編輯器對各個面板組件進行拖拽式布局、支持對拖拽的元素組件進行屬性設置、支持自定義多個顯示器數量級位置，是否自適應屏幕大小、支持多個界面元素以 TAB 欄的方式進行堆疊、支持界面占位元素，用戶也可向組件添加自定義標題文字和圖片。

3.1.1 拖拽相關界面元素

在界面編輯器中導入界面定義文件（UI 定義文件）。需要說明的是，這里的 UI 定義文件對應工程模板構件，每個工程模板都有自己的 UI 定義文件，包括所有可用組件信息，是由系統維護人員來管理維護的，工程模板構件的 UI 定義文件是為了方便設計人員使用，設計完成后生成符合要求的 UI 約束文件，以便產品開發人員使用二次開發。

導入 UI 定義文件后就可以在左側顯示所有可使用組件，按照設計人員的設計需求及功能來選擇組件拖拽到右側窗口，并可以按照 Visual Studio 的操作習慣來完成貼靠和操作，形成可視化的界面原型設計樣例。

3.1.2 組件屬性設置

當設計人員完成拖拽之后，需要對擺放好的組件進行微調，如按照顯示器的大小不同各個組件要適應，部分組件的高度或者寬度固定，有的組件自適應，對部分組件的高寬可以微調，這些設置工作可以在界面編輯器左下方的組件設置區域完成（注：這里的屬性設置對單個組件來操作）。

按照不同的需求，可以在界面設計的時候選擇多顯示器顯示相應的組件，可以選擇相應的組件顯示在不同的顯示器上，可以對每個顯示器模板刪除或者修改等操作。

當拖拽完成和微調完成之后可以提前預覽一下生成的系統是否符合設計人員的需求，如果不符合要求之后再做修改，從而減少往返工作量。

3.1.3 生成相關的界面約束文件

對選擇的組件的排版和大小相關參數設置完成、預覽符合項目需求之后，就可以導出相應的界面約束文件（UI 約束文件），方便開發人員導入相應的文件之后二次開發。

3.2 開發平臺

3.2.1 導入界面約束文件

在開發平臺首先選擇工程模板構件，接著選擇界面約束文件，將相應的在界面編輯器中設計完成的界面原型以工程的形式導入開發平臺。在不同的項目中，還可以按照不同的需求選擇工具預設的不同的主題樣式。

這里的約束文件是按照設計需求及功能生成項目，不管是有多少開發人員來操作生成的項目中體架構不會改變，樣式也統一，很好地解決了多個開發人員同時開發的時候界面不統一的問題。

3.2.2 選擇是否加載測試數據

在部分組件中，在二次開發之前運行程序需要原型測試數據，這樣能夠接近實際的需求顯示程序的運行結果，測試完成之后可以很快的注銷相關的測試數據。

3.2.3 開發并運行系統

上述數據加載完成之后，可以在此基礎上進行二次開發，并編譯運行原型軟件。

3.3 界面庫工具

用于管理和維護已有界面元素以及利用基于組件化的拖拽式界面原型設計工具設計完成的工程項目，以便重用和擴展。

4 結 語

本文對目前指控系統設計現狀進行分析，提出了一種基于 DoDAF 的指控系統原型迭代設計方法，解決了指控系統設計中體系結構設計不規范難以實現互聯互通互操作、設計初期難以直觀展現系統原型和迭代優化的問題，并實現了相應的設計工具，提供人機界面快速組裝設計環境、基于界面原型的系統開發環境和可重用的界面元素庫，驗證了該方法的可行性。

[1]周志敏, 紀愛華.觸摸式人機界面工程設計與應用[M].北京:中國電力出版社, 2013.

[2]陳啟安.軟件人機界面設計[M].北京: 高等教育出版社, 2008.

[3]趙英新.人機界面設計[M].濟南: 山東大學出版社, 2011.

[4]馬偉民.基于組件技術的人機界面(HMI)研究[D].杭州: 杭州電子科技大學, 2009.

[5]霍發仁.人機界面設計研究[D].武漢: 武漢理工大學, 2003.

[6]MYERS B, HUDSON S E, PAUSCH R.Past, present, and future of user interface software tools[J].ACM Transactions on Computer-Human Interaction, 2000, 7(1): 3-28.

[7]馮朝剛.基于構件的軟件復用研究[D].重慶: 重慶大學, 2003.

[8]YEN I L, GOLUGURI J, BASTANI F, et al.A componentbased approach for embedded software development[C]//Proceedings of the Fifth IEEE International Symposium on Objectoriented Real-time Distributed Computing.Washington, DC, USA: IEEE, 2002: 402-410.

[9]楊芙清, 梅宏, 黃罡.構件化軟件設計與實現[M].北京: 清華大學出版社, 2008: 35-64.

A prototype iterative design method for the command and control system based on DoDAF

WANG Yuan, LI Hao, ZHAO Ke-li
(Systems Engineering Research Institute, Beijing 100094, China)

This paper analyses the present situation of complex information system design methods, focuses the principle and problem of architecture framework design method, it puts forward a prototype iterative design method for the command and control system based on DoDAF, and completes the software of this method in design tools, it verifies the feasibility of this method, and realizes the prototype iteration design of command and control system.

DoDAF；command and control system；prototype iteration；design method；design tools

TJT68.4

：A

1672-7619(2017)01-0132-05doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.027

2016-03-15；

: 2016-04-04

王媛(1983-)，女，碩士，高級工程師，主要研究方向為計算機應用。