基于模型的系統(tǒng)工程方法用于海上編隊(duì)指揮控制系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)?

闞亞斌 趙鑫業(yè)

（海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018）

1 引言

由于問題和解決方案空間日益復(fù)雜，社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)的系統(tǒng)工程變得越來越困難，這導(dǎo)致了基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）的發(fā)展。根據(jù)國際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)（International Councilon Systems Engineering，INCOSE）在《系統(tǒng)工程2020年愿景》中給出的定義，MBSE是“從概念性設(shè)計(jì)階段開始對(duì)建模的正式應(yīng)用，以支持系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、校核與驗(yàn)證等活動(dòng)，持續(xù)貫穿到開發(fā)以及后來的壽命周期階段”［1］。在需求分析和概念開發(fā)階段，建模用于捕獲和表示系統(tǒng)的利益（interest）相關(guān)者的心理模型。軟件工具可以通過各種圖表和視圖捕獲數(shù)據(jù)庫中的模型信息。這種以數(shù)據(jù)為中心的方法可確保定義的模型元素及其關(guān)系的一致性和可跟蹤性。由于指揮和控制（Command&Control，C2）系統(tǒng)可被視為復(fù)雜的社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)，因此MBSE應(yīng)有助于捕獲支持概念解決方案開發(fā)的需求。本文中介紹的MBSE方法有助于捕獲C2系統(tǒng)的要求以及主要邏輯塊元素及其所需功能的識(shí)別。通過開發(fā)適用于特殊復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境的概念C2系統(tǒng)解決方案，可以證明這種方法。

2 基于模型的系統(tǒng)工程

面對(duì)海上編隊(duì)指揮控制系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)的上述需求，作為解決復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的新方法——基于模型的系統(tǒng)工程方法，被普遍認(rèn)為是海上編隊(duì)指揮控制系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)最有效的解決方案。

系統(tǒng)工程在進(jìn)行飛機(jī)等復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)，采用正向設(shè)計(jì)過程，即從飛機(jī)所處環(huán)境的“外在行為”到“內(nèi)在功能”再到“物理構(gòu)造”的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行展開。對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)過程是由需求分析、功能分析和設(shè)計(jì)綜合等3個(gè)相互依賴、反復(fù)迭代和遞歸的環(huán)節(jié)構(gòu)成。

MBSE的重點(diǎn)是依賴系統(tǒng)建模的系統(tǒng)工程過程，因此，需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成、校核與驗(yàn)證等活動(dòng)都是圍繞模型展開的。Piaszczyk［2］通過一組例子，展示了根據(jù)DoDAF指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的MBSE方法論，它強(qiáng)調(diào)需求的可追溯性，從體系結(jié)構(gòu)視圖所代表的系統(tǒng)模型得到操作、功能、系統(tǒng)和物理需求。不過，這里給出的模型圖采用的是一種接近IDEF的非標(biāo)準(zhǔn)圖形化標(biāo)注。

3 基于模型的系統(tǒng)工程方法用于海上編隊(duì)指揮控制系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)

海上編隊(duì)是海軍兵力實(shí)施海上機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)、基地防御作戰(zhàn)、島礁區(qū)攻防作戰(zhàn)、支援瀕海登陸、抗登陸作戰(zhàn)和保衛(wèi)海上交通線作戰(zhàn)的主要編群（編組）形式［3］。信息化戰(zhàn)爭(zhēng)與傳統(tǒng)的機(jī)械化戰(zhàn)爭(zhēng)相比，在作戰(zhàn)樣式、作戰(zhàn)過程以及作戰(zhàn)理論等方面都有著很大不同。現(xiàn)代海上編隊(duì)指揮控制系統(tǒng)是基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)，編隊(duì)內(nèi)各種作戰(zhàn)平臺(tái)在先進(jìn)信息技術(shù)的支持下連接起來，構(gòu)成了一個(gè)相互之間具有有機(jī)聯(lián)系的整體作戰(zhàn)的復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)［4］。

MBSE不僅僅是需要開發(fā)一組圖表用于補(bǔ)充基于文本的報(bào)告，如果僅使用標(biāo)準(zhǔn)建模符號(hào)繪制這些圖表不會(huì)改進(jìn)模型。如圖1所示，MBSE的元模型［5～6］表明了建模系統(tǒng)與建筑框架中建模工具的應(yīng)用之間的關(guān)系，架構(gòu)（Architecture）為目標(biāo)（Goal）視圖（View）提供了定義，而由工具（Tool）支撐的視圖（Visualisation）又可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)（Goal）視圖（View）的可視化。該元模型為開發(fā)適合特定應(yīng)用領(lǐng)域的MBSE方法提供了基礎(chǔ)。在通過許多視圖對(duì)系統(tǒng)建模之前，根據(jù)圖1的中間“目標(biāo)（Goal）”列，需要架構(gòu)（Architecture）。首先，需要一個(gè)體系結(jié)構(gòu)（Architecture Framework）來定義模型（Model）的視圖（View）。可以通過MBSE方法應(yīng)用針對(duì)問題和解決方案空間的任何合適的體系結(jié)構(gòu)框架（例如，在面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，如NAF、MoDAF或DODAF）。在所有情況下，都需要一定程度的剪裁。架構(gòu)框架由描述系統(tǒng)所需的各種視點(diǎn)及其由標(biāo)準(zhǔn)本體定義的行為組成。對(duì)系統(tǒng)模型的不同觀點(diǎn)用于分析不同層次的系統(tǒng)［7］。

圖1 基于模型的系統(tǒng)工程元模型

系統(tǒng)的各種視角可以通過圖表可視化。要發(fā)揮MBSE的作用，建模者應(yīng)該超越基于文本的工具。這些基于文本的工具（如Visio?和Powerpoint）僅為基于文本的文檔提供圖片，它們無法管理復(fù)雜圖表中元素之間的關(guān)系。應(yīng)實(shí)施MBSE的專用數(shù)據(jù)中心工具。這些工具實(shí)現(xiàn)了可接受的建模符號(hào)，例如SysML和UML，以通過圖表開發(fā)一致的系統(tǒng)視圖。SysML用于通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)、屬性、要求，行為和關(guān)系圖來模擬復(fù)雜系統(tǒng)［8～9］。

行為圖表示情境的各個(gè)部分及其因果關(guān)系。系統(tǒng)的行為使用用例、活動(dòng)、序列和狀態(tài)建模機(jī)器圖。用例圖提供了系統(tǒng)功能的高級(jí)描述。活動(dòng)之間的數(shù)據(jù)流和控制流被捕獲在活動(dòng)圖中。序列圖表示系統(tǒng)的協(xié)作部分之間的交互。需求圖確保層次結(jié)構(gòu)以及派生，滿意度，驗(yàn)證和細(xì)化關(guān)系清晰。系統(tǒng)參數(shù)約束和其他參數(shù)（如性能、可靠性和物理屬性）在參數(shù)圖中捕獲。

結(jié)構(gòu)圖表示具有邏輯關(guān)系的情況的部分。塊定義圖通過層次結(jié)構(gòu)，關(guān)系和分類來描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。內(nèi)部框圖描述了系統(tǒng)的部件，端口和連接器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。框圖中的塊可以表示系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的任何級(jí)別，以將系統(tǒng)描述為它們之間的部件和連接的集合，從而實(shí)現(xiàn)通信和其他形式的交互。端口提供對(duì)塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的訪問，以便在較大結(jié)構(gòu)的上下文中使用對(duì)象時(shí)使用。需求視圖指定了從利益相關(guān)者需求中獲得的所需結(jié)構(gòu)和行為屬性。參數(shù)視圖提供了系統(tǒng)的關(guān)鍵工程參數(shù)，用于評(píng)估性能，可靠性和物理特性。

實(shí)現(xiàn)MBSE的這個(gè)元模型將幫助海上編隊(duì)指揮系統(tǒng)系統(tǒng)工程師（建模人員）組織和呈現(xiàn)信息，以支持基于有形模型的需求的開發(fā)，以開發(fā)解決方案選項(xiàng)。根據(jù)建模工具，模型中捕獲的信息可以以文本形式導(dǎo)出，以供審查和合同使用。通過以數(shù)據(jù)為中心的工具實(shí)施的MBSE使系統(tǒng)工程師能夠管理需求與模型元素之間的關(guān)系。需求變化的影響可以追溯到它們影響的模型元素。接下來將提出海上編隊(duì)指揮系統(tǒng)的建模過程。

4 對(duì)海上編隊(duì)指揮控制系統(tǒng)的建模過程

從上面的敘述中可以看出，MBSE是一種設(shè)計(jì)和開發(fā)復(fù)雜系統(tǒng)的現(xiàn)代方法。原則上，該過程遵循自上而下的模型應(yīng)用，而不是基于文檔的文本，用于指定、設(shè)計(jì)、集成、驗(yàn)證系統(tǒng)。MBSE采用流程來開發(fā)和增加模型的細(xì)節(jié)，使用并發(fā)和增量流程來支持利益相關(guān)者之間的溝通［10～11］。

圖2 基本的MBSE建模過程

圖2 中用于建模指揮控制系統(tǒng)的基本MBSE過程基于MoDAF。方法是從INCOSE手冊(cè)和其他來源改編和簡(jiǎn)化，包括以下活動(dòng):

1）分析利益相關(guān)者的需求（Analyse Stakeholder Needs）。分析利益相關(guān)者的需求對(duì)應(yīng)于用戶需求（User Requirement）。該活動(dòng)捕捉了“原樣”系統(tǒng)的局限性和潛在改進(jìn)領(lǐng)域，以支持開發(fā)“未來”解決方案。現(xiàn)有的基于文本的作戰(zhàn)概念（ConceptofOperations，ConOps）和其他需求文檔可以為建立利益相關(guān)者需求提供有用的輸入。

（1）確定系統(tǒng)上下文（Determine System Context）。第一步是使用與外部系統(tǒng)或操作環(huán)境的接口來定義系統(tǒng)的邊界。系統(tǒng)上下文關(guān)系圖的目標(biāo)是將注意力集中在開發(fā)一整套系統(tǒng)要求和約束時(shí)應(yīng)考慮的外部因素和事件上。

（2）生成用例（Generate Use Case）。高級(jí)系統(tǒng)功能是從使用視圖中的用戶需求中捕獲的，該視圖由包的層次結(jié)構(gòu)中的許多用例圖組成。此活動(dòng)定義了支持任務(wù)要求的系統(tǒng)要求。系統(tǒng)被建模為與外部系統(tǒng)和用戶交互的黑盒子。從用例中，通過迭代過程導(dǎo)出系統(tǒng)所需的結(jié)構(gòu)和行為。

2）生成功能架構(gòu)（Generate Functional Architecture）。系統(tǒng)功能以Activity的形式建模用于定義從用例派生的活動(dòng)之間的關(guān)系的圖表。應(yīng)使用描述中的動(dòng)詞和用例的命名來定義活動(dòng)。功能架構(gòu)的建模使得能夠開發(fā)功能系統(tǒng)要求。

3）生成邏輯架構(gòu)（Generate Logical Architecture）。生成功能架構(gòu)和生成邏輯架構(gòu)對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的需求（System Requirements）。系統(tǒng)被分解并劃分為邏輯元素，這些元素相互作用，滿足系統(tǒng)要求。邏輯元素源自用例中的名詞。系統(tǒng)的邏輯元素使用模塊圖建模，以定義它們之間的關(guān)系。場(chǎng)景也使用泳道（swim lanes）建模，泳道將活動(dòng)圖與塊定義圖結(jié)合起來。泳道將活動(dòng)分配給邏輯塊元素以及呈現(xiàn)活動(dòng)的邏輯流程。邏輯體系結(jié)構(gòu)的建模使得能夠開發(fā)非功能性系統(tǒng)要求。

4）生成解決方案架構(gòu)（Generate Solution Architecture）。此步驟描述定義資源分配的物理系統(tǒng)元素或節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需求（Solution Implementation Requirements）。邏輯體系結(jié)構(gòu)中標(biāo)識(shí)的塊通過框圖的屬性進(jìn)行實(shí)例化。內(nèi)部框圖用于模擬系統(tǒng)元素之間的接口以及交換的信息元素。可以為多個(gè)可能的解決方案實(shí)現(xiàn)來實(shí)例化邏輯體系結(jié)構(gòu)中的元素。

解決方案體系結(jié)構(gòu)是此建模過程的輸出，將用于派生系統(tǒng)功能，接口，數(shù)據(jù)和性能要求。可以生成許多解決方案以輸入到選項(xiàng)選擇過程。根據(jù)合同準(zhǔn)則，可以在基于文本或模型的存儲(chǔ)庫中導(dǎo)出需求。

從圖2中的連接器可以看出，這是一個(gè)迭代過程。每個(gè)循環(huán)都將提高模型的完整性和準(zhǔn)確性。這些視圖還可用于支持指揮控制系統(tǒng)的ConOps開發(fā)。使用以軟件數(shù)據(jù)為中心的MBSE工具實(shí)現(xiàn)此過程將確保管理所有模型元素及其標(biāo)識(shí)，以保持一致性和可跟蹤性。此過程適用于大多數(shù)體系結(jié)構(gòu)框架［12～13］。

在此過程中尚未涉及的方面包括要求和序列圖；在實(shí)施解決方案設(shè)計(jì)的較低級(jí)別需要它們。本文討論的過程中未包括的其他步驟包括選擇首選架構(gòu)以及驗(yàn)證和驗(yàn)證所提議的解決方案系統(tǒng)。該框架是制定在指定海上編隊(duì)指揮控制系統(tǒng)時(shí)實(shí)施的程序的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

海上編隊(duì)中的各種艦艇、飛機(jī)和武器系統(tǒng)要充分發(fā)揮其作用，必須依靠指揮控制系統(tǒng)的有效工作［14］。大多數(shù)MBSE工具使建模人員能夠?qū)⑽谋久枋鎏砑拥侥Ｐ驮睾完P(guān)系中。這些工具還具有自動(dòng)化應(yīng)用程序，可以導(dǎo)出圖表，其中包含導(dǎo)出到基于文本的報(bào)告的元素的描述，該報(bào)告可以是需求規(guī)范的形式，ConOps的系統(tǒng)描述僅包含模型所需的特定信息。相比傳統(tǒng)系統(tǒng)工程，MBSE利用模型描述系統(tǒng)，從而充分發(fā)揮模型優(yōu)勢(shì)，提升了系統(tǒng)全周期信息表述的一致性，增強(qiáng)了系統(tǒng)功能性能的先期驗(yàn)證和多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)能力。但是，落地實(shí)施MBSE面臨著協(xié)調(diào)范圍廣、學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)型成本大和筑基工作多等挑戰(zhàn)［12］。

本文提出了一個(gè)MBSE流程，用于開發(fā)基于海上編隊(duì)的指揮控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)科學(xué)的角度分析了海上編隊(duì)作戰(zhàn)決策體系含義及其模型，分析了各要素之間的關(guān)系，對(duì)于海上編隊(duì)指揮控制系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)的研究具有積極的借鑒意義。隨著用于開發(fā)復(fù)雜和社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)的系統(tǒng)工程變得越來越困難，MBSE提供了一種設(shè)計(jì)和實(shí)施有效和模塊化系統(tǒng)的方法。在需求分析和概念開發(fā)階段捕獲并表示系統(tǒng)利益相關(guān)者的心理模型的建模有助于理解這種復(fù)雜性。使用基于模型（以數(shù)據(jù)為中心）的軟件工具對(duì)系統(tǒng)建模有助于管理需求與建議的解決方案概念之間的復(fù)雜性和可追溯性。維護(hù)各種系統(tǒng)圖和視圖之間的可跟蹤性可確保定義的模型元素及其關(guān)系的一致性。為了演示MBSE方法，社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)在通用級(jí)別建模。這些視圖提供了深入分析和開發(fā)實(shí)際C2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。