面向航空裝備頂層論證的連續性體系行為建模

摘要：本文闡述了航空裝備頂層論證的主要工作，分析了體系設計和虛擬驗證及確認對體系行為建模的需求。為彌合體系架構模型和任務仿真模型間的差距，實現體系行為連續性建模，提出了兩種模型轉換方法。基于接口定義的行為模型轉換實現了架構設計工具與任務仿真工具的互聯，使架構模型直接驅動任務仿真中的實體。基于格式轉換的行為模型轉換使運行/系統狀態圖轉換為任務仿真系統中對應組織/系統的行為模型以實現模型的傳遞。應用案例演示了兩種模型轉換方法，取代了人工重復建模，縮短了建模和仿真迭代周期。

關鍵詞：體系架構；系統工程；建模與仿真；頂層論證；行為建模

中圖分類號：V21文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.12.013

航空裝備的頂層論證是研制流程中的首個階段，需要提出該裝備在體系（system of systems，SoS）運行中的功能和性能需求[1]。頂層論證的核心工作是通過體系建模進行裝備運行概念（ConOps）分析。架構建模是描述體系的主要方法，而任務仿真通常用于體系架構邏輯驗證后的效能評估。基于模型的系統工程（MBSE）[2-4]、模型中心工程（MCE）[5]、數字孿生/數字線索[6-8]等系統工程概念都強調連續的虛擬驗證和確認，這對模型的傳遞提出了很高的要求。為了提高體系架構模型到任務仿真模型的連續性，本文提出一種連續性體系行為建模方法，以滿足航空裝備頂層論證對行為模型的需求。

1航空裝備頂層論證中的體系行為建模

航空裝備頂層論證位于系統工程V模型[9]的左上角（見圖1），該階段包括場景分析、體系設計、虛擬驗證與確認等活動，其可以表示為一個小的V模型。基于場景分析運行概念，使用架構方法進行體系設計，通過任務仿真進行體系架構的虛擬驗證和確認，梳理出體系中航空裝備的需求，支持后續的系統設計。

航空裝備頂層論證涉及的任務仿真涵蓋戰役、任務和交戰三個層級，對應傳統建模與仿真金字塔[10]的上三層（見圖2）。從建模與仿真金字塔自頂向下，仿真關注的對象從體系轉向單個系統。與之對應的是，建模的關注點從行為模型轉向物理模型，模型的顆粒度也由粗到細。戰役級仿真更關注全局的指揮和控制行為，單個系統的模型可以非常簡化并可能被聚合模型所替代。而工程級仿真在航空裝備的工程研制階段應用廣泛，更關注單個系統或關鍵子系統，此時物理模型是研究的重點。因此，航空裝備頂層論證中任務仿真的建模重點偏向于行為模型，因此本文將重點研究行為的連續性建模。

行為是物理系統組件對環境條件的反應和交互或人員、組織和社團的反應和交互[9]。行為模型可以描述各類任務中的OODA環（觀察-判斷-決策-行動）。

體系架構包括描述組織或系統活動的模型，可以從動態視角描述行為。體系架構模型是一種典型的概念模型，而概念模型可以在不需要技術細節的情況下描述一個系統或體系及其工作形態[10]，適合用于缺少技術細節的航空裝備的頂層論證階段。體系架構模型通常是由諸如SysML（系統建模語言）等規范化語言描述的概念模型[11]。

對于計算機生成兵力（CGF），行為模型用于驅動任務仿真系統中仿真實體的物理模型，因此任務仿真中的行為模型是可執行可仿真的，不同于概念模型。對于同一個體系作為描述對象，體系架構的行為模型和任務仿真中的行為模型有不同的表達形式。不經過任何模型轉換的架構模型，不能在任務仿真系統中直接運行。

如果沒有有效的模型轉換機制，航空裝備頂層論證的不同環節中需要人工進行重復的行為建模，導致建模仿真周期拉長。并且如果建模人員不同，還存在對模型理解出現歧義的風險。因此，為彌合航空裝備頂層論證中的架構模型和仿真模型間的差異，連續性行為建模方法研究意義重大。

2體系行為連續性建模方法

在體系架構開發和任務仿真中對體系行為進行人工建模的方式存在前文所述的諸多缺點，而且是一種不連續的建模方式，因此，需要通過模型間的轉換取代人工重復建模。

2.1轉換需求分析

以美國國防部架構框架（DoDAF）為例，運行視圖（OV）建模關注組織層級，建模重點是各個組織間的運行關系，運行節點是組織（如一支部隊）而非系統。由于大部分任務仿真系統中的仿真實體是系統，因此該層級的架構模型不能與任務仿真系統中的仿真實體直接關聯。而系統視圖（SV）的建模覆蓋了體系中的主要系統，與任務仿真系統中的仿真實體都是系統層級，其對各個系統行為的描述與任務仿真系統的行為模型可以建立起映射。

任務仿真系統的行為建模通常也具有組織層面和系統層面，雖然不一定都做了區分。組織層面的行為模型可以描述任務中的指揮行為，體現戰術戰法，而系統層面的行為模型驅動系統的物理模型，實現仿真實體的運行。

由于組織層級架構模型不涉及系統，任務仿真中組織層級的行為模型顆粒度可以較粗，任務仿真可以對體系架構的運行視圖進行時空驗證，即檢查體系運行中是否存在時空沖突問題。對于系統層級，任務仿真模型的顆粒度可以較細，能夠采用不同的系統物理模型，只要行為模型進行了轉換就可以對體系架構進行時空驗證并開展效能評估。當實現體系架構和任務仿真中行為模型的快速轉換，修改架構模型時任務仿真的結果也會改變，在對架構模型進行仿真驗證的同時快速迭代體系架構設計。

將架構模型轉化為任務仿真中的行為模型的方式在本文中有以下兩種，即基于接口定義和基于格式轉換。

2.2接口定義

部分架構建模工具已經通過狀態機支持概念模型生成代碼的邏輯驗證。另一方面，部分任務仿真系統以狀態機的形式進行行為建模。因此，通過定義架構建模工具和任務仿真工具間的接口用于數據交換，體系架構中的狀態圖模型可以映射到任務仿真系統中的狀態機。目前，已經實現通過體系架構的狀態機模型直接驅動任務仿真中的實體[12]。

圖3為體系架構模型通過數據分布式服務（DDS）軟總線[13-14]直接驅動仿真實體的運行概念。在DDS接口管理界面中，左側紅框內定義了體系架構模型的輸出數據，右側紅框內定義了任務仿真所需的輸入數據。在外部接口升級后，當體系架構邏輯仿真和任務仿真可以同時運行時，二者通過DDS進行數據交換。當體系架構模型進行有限的修改時，接口可以不做更改。顯然，與人工重復建模相比，這種方法能有效提高建模和仿真的效率。

2.3格式轉換

當任務仿真系統需要獨立運行時，架構模型到任務仿真模型的轉換可以以格式轉換的方式進行。以DoDAF為例，視圖OV-6b/SV-10b是運行/系統狀態轉移描述模型[15-16]。這些概念模型可以由SysML等規范化建模語言描述。因此，體系架構建模工具輸出的數據，可以通過轉換為任務仿真系統所需的輸入數據。

在典型的任務仿真系統中，依附于物理實體的組織單元與物理系統一樣，也具有行為。OV-6b可以轉換為組織的指揮行為，而SV-10b可以轉換為系統的控制行為（見圖4）。當仿真開始時，組織單元的狀態機將驅動系統實體的狀態機并間接驅動各個系統的物理模型，仿真想定由此得到執行。

模型格式轉換的實現過程可以分為兩個階段。在模型開發準備階段，需要進行架構模型輸出與行為模型輸入的定義并開發格式轉換工具；在建模階段，進行體系架構狀態機建模并轉換格式后，就可以用于任務仿真的運行。

需要說明的是，由于每個系統的行為都必須建模才能驅動各個實體運行，任務仿真的行為模型通常比體系架構的狀態圖具有更細的顆粒度。因此，只有相同顆粒度的行為模型才適合進行格式轉換。體系架構中沒有細節描述的更細顆粒度的模型，應該在任務仿真系統中單獨建模。例如，一個體系架構描述了一架飛機在特定條件下會發射導彈但沒有導彈的行動建模，而這是任務仿真系統中驅動導彈實體運行所必需的。這些細節較多的行為模型，多數可以來自于早先的工程項目積累而非新設計的系統。

3應用案例

下面用兩個例子分別介紹上文兩種行為模型轉換方式的應用。

3.1接口定義

首先，基于運行概念（ConOps）進行場景分析并完成體系架構的建模。接著，在DDS軟總線中分別定義和映射體系架構設計工具的輸出數據和任務仿真工具的輸入數據。通過DDS軟總線，用體系架構模型中系統視圖狀態機模型取代任務仿真系統中的對應的行為模型狀態機（見圖5）。由架構模型直接驅動仿真實體，避免了在任務仿真系統中進行重復的行為模型建模。同時，任務仿真中實體狀態的變化，也會反饋到體系架構設計工具并驅動邏輯仿真的運行。體系架構不涉及的仿真行為模型，可以充分利用不同任務仿真系統中已有的模型資源。該案例通過有限的開發工作，實現了架構設計工具和任務仿真系統間的行為模型轉換。

3.2格式轉換

這個案例是一個空對面打擊任務建模與仿真中的格式轉換。如圖6所示，右側為任務仿真系統中一架飛機的行為模型，其再現了左側經過邏輯驗證的體系架構模型。該行為模型與體系架構的狀態機同樣具有三個狀態，分別是巡航、靠近目標和發射導彈。圖中的紅色箭頭表示了這些狀態在兩種模型間的映射關系。而狀態轉移條件也同步轉換為不同的模型表現形式。通過這種體系架構到任務仿真的狀態機模型轉換，行為的設計和驗證可以快速迭代。相較于傳統的人工行為建模，本案例省去了相同狀態機的重復建模。另一方面，與接口定義方式的模型轉換方法相比，本案例中任務仿真系統可以獨立于體系架構建模工具用于仿真試驗。

4結論

航空裝備頂層論證需要體系行為模型的連續性驗證與確認。為取代傳統人工方式的重復建模，通過接口定義和格式轉換，能夠實現體系架構到任務仿真的行為模型轉換，滿足航空裝備頂層論證中的時空驗證和效能評估需求。通過接口定義，體系架構中的狀態機模型能直接驅動任務仿真中的實體；通過格式轉換，體系架構中的狀態機模型能轉為任務仿真中可以運行的相應狀態機。這兩種方法能夠部分解決連續性體系行為建模問題，未來還需要進一步開展體系架構與任務仿真統一的行為模型的元模型定義，拓展模型轉換的普適性。

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（責任編輯陳東曉）

作者簡介

臧精（1987-）男，博士，高級工程師。主要研究方向：航空領域的體系架構設計、建模仿真和效能評估。

Tel：010-57827743

E-mail：zangjing2006@163.com

Continuous SoS Behavior Modeling for Aircraft Top-level Demonstration

Zang Jing*

Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated and Systematic Demonstration，Aviation Industry Development Research Center of China，Beijing 100029，China

Abstract： The main work of aircraft top-level demonstration is introduced. The requirement of modeling and simulation for SoS design and virtual verification and validation in aircraft top-level demonstration is analysed. To fill in gaps between SoS architecture models and mission simulation models for achieving continuous SoS behavior modeling， two model transformation methods are proposed. Based on interface definition， the interconnection between architecture design tool and mission simulation tool is realized and the architecture models can drive the entities in mission simulation directly. Based on format conversion， the operational/ system state diagrams can be transformed to the corresponding organizations/ systems behavior models in the mission simulation system to achieve the models transformation. A sample case is provided to illustrate the two model transformation methods. Instead of manual repetitive modeling， the iterative cycle of modeling and simulation is shortened.

Key Words： SoS architecture； system engineering； modeling and simulation； top-level demonstration； behavior modeling