馬永龍

(海軍駐中南地區(qū)光電系統(tǒng)軍事代表室 武漢 430074)

體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法在指控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中運(yùn)用分析*

馬永龍

(海軍駐中南地區(qū)光電系統(tǒng)軍事代表室 武漢 430074)

指揮控制系統(tǒng)在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)之前進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),不僅可以提高指控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)運(yùn)行效率,還可以節(jié)省系統(tǒng)的研制、使用和維護(hù)成本,是保證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要方法。論文分析了DoDAF體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法,并將DODAF與UML、SySML方法進(jìn)行了比較分析。

DoDAF; 體系結(jié)構(gòu)框架; UML; SySML

ClassNumberTP391.3

1 引言

體系結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)各部件的結(jié)構(gòu)、各部分之間的關(guān)系以及制約它們?cè)O(shè)計(jì)和隨時(shí)間演化的原則和指南。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)綜合集成的基礎(chǔ),對(duì)系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)有著至關(guān)重要的作用。指揮控制系統(tǒng)通常表現(xiàn)為規(guī)模巨大、技術(shù)復(fù)雜和領(lǐng)域跨度大等特點(diǎn)。一般通過(guò)加強(qiáng)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),達(dá)到系統(tǒng)各部分的有機(jī)結(jié)合,以保證整個(gè)軍事指揮控制系統(tǒng)的互聯(lián)、互通、互操作,最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的全局最優(yōu)化。對(duì)于指控系統(tǒng)來(lái)說(shuō),如何從體系結(jié)構(gòu)指導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、以及系統(tǒng)的后續(xù)開(kāi)發(fā)和使用進(jìn)行規(guī)劃,使系統(tǒng)能夠有效地集成,并滿足未來(lái)信息作戰(zhàn)的要求,是一個(gè)研究熱點(diǎn)。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐步變成指控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)不可或缺的過(guò)程,以及提高指控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)運(yùn)行效率的重要手段。通過(guò)對(duì)指控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)可以節(jié)省系統(tǒng)的建設(shè)、使用和維護(hù)成本,進(jìn)而可以確保系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

DoD體系結(jié)構(gòu)框架(Department of Defense Architecture Framework,DoDAF)是美國(guó)國(guó)防部針對(duì)體系結(jié)構(gòu)提出的一種通用的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)、描述和集成定義了方法[1]。通過(guò)該方法可以確保體系結(jié)構(gòu)描述能在不同機(jī)構(gòu),包括聯(lián)合與多國(guó)之間進(jìn)行比較和關(guān)聯(lián)。DODAF至今已經(jīng)頒布了三個(gè)版本,DoDAF V1.0于2004年2月19日頒布,該版本從作戰(zhàn)應(yīng)用、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)三個(gè)視角對(duì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察、描述與分析,并將結(jié)果分別形成對(duì)應(yīng)的戰(zhàn)視圖(OV)、系統(tǒng)視圖(SV)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)視圖(TV)[2～3]。2007年4月23日,DoDAF V1.5正式頒布,將網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)(NCW)的概念引入到DoDAF當(dāng)中,并對(duì)其進(jìn)行改造,將面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)(SOA)中的服務(wù)等先進(jìn)技術(shù)納入其中。2009年5月28日頒布的DoDAF V2.0是當(dāng)前最新的版本,該版本對(duì)國(guó)防部體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)介紹,并從技術(shù)角度描述系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)構(gòu)造、數(shù)據(jù)類(lèi)別、數(shù)據(jù)交換需求和在開(kāi)發(fā)體系結(jié)構(gòu)視圖中的使用實(shí)例以及國(guó)防部體系結(jié)構(gòu)框架元模型物理交換規(guī)范[4]。

指揮控制系統(tǒng)是典型的“開(kāi)放復(fù)雜巨系統(tǒng)”,需要在科學(xué)的方法引導(dǎo)下,結(jié)合系統(tǒng)工程理論和方法指導(dǎo)下進(jìn)行設(shè)計(jì),以確保系統(tǒng)能滿足現(xiàn)今以及未來(lái)的軍事需求。因此,將DoDAF設(shè)計(jì)方法引入指控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中,根據(jù)現(xiàn)有的軍事需求對(duì)其體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)增加指揮控制系統(tǒng)的研發(fā)效率、降低研發(fā)成本以及提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率具有重要意義。

2 DODAF分析

2.1 DODAF體系結(jié)構(gòu)

DoDAF不僅實(shí)現(xiàn)了以數(shù)據(jù)為中心,而且對(duì)“以數(shù)據(jù)為中心”進(jìn)行了全新的揭示[5]。當(dāng)前DODAF體系結(jié)構(gòu)中包含了八種視圖,從不同的角度描述系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。圖1顯示了DoDAF的核心思想。從圖中可以看出,DoDAF提出了多種靈活的表示系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的途徑與方法,為達(dá)到符合國(guó)防部應(yīng)用的需要,突出了數(shù)據(jù)為中心的核心思想,將核心決策過(guò)程引入到DoDAF體系結(jié)構(gòu)當(dāng)中,使系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)注的焦點(diǎn)不再是單個(gè)系統(tǒng)或者產(chǎn)品的研發(fā),而更多的在于系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。從而使系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)能夠高效靈活地使用,實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)的靈活復(fù)用[6～7]。

圖1 DoDAF 2.0體系結(jié)構(gòu)圖

DoDAF框架為開(kāi)發(fā)和表示軍事指揮系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)提供規(guī)則、指導(dǎo)和產(chǎn)品描述,從而可以保證在理解、比較和集成體系結(jié)構(gòu)時(shí)有一個(gè)共同的標(biāo)準(zhǔn)。從早期的三種相關(guān)的體系結(jié)構(gòu)視圖:作戰(zhàn)視圖、系統(tǒng)視圖和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)視圖不斷擴(kuò)展細(xì)化至現(xiàn)有的多種視圖。每種視圖都由一套圖形、表格或文本來(lái)描述的體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品組成。

2.2 DODAF視角描述

DODAF的體系結(jié)構(gòu)中提出了八種描述系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的視角,而每種視角則通過(guò)其對(duì)應(yīng)的子視圖進(jìn)行描述,每個(gè)視角以及對(duì)應(yīng)的視圖分別描述如下:

1)全局視角(All Viewpoint)

全局視角是架構(gòu)描述的頂層視角,它與所有的視圖密切相關(guān)。全局視角(AV)模型提供與整個(gè)架構(gòu)描述相關(guān)的信息,如架構(gòu)描述的范圍與背景。架構(gòu)描述的相關(guān)設(shè)置包含了相關(guān)的條件,其中,這些相關(guān)條件組成了架構(gòu)描述的主要內(nèi)容。架構(gòu)描述的文檔包括申明、戰(zhàn)略、技術(shù)以及進(jìn)程;相關(guān)的目標(biāo)以及期望的結(jié)果;作戰(zhàn)概念(Concepts of operations,CONOPS)場(chǎng)景;環(huán)境條件等。全局視角包含了兩個(gè)模型視圖:AV-1(總覽和概要信息)和AV-2(集成字典)。

2)能力視角(Capability Viewpoint)

能力視角(CV)獲取執(zhí)行行動(dòng)目標(biāo)與整個(gè)期望特定活動(dòng)的過(guò)程,或者在特定標(biāo)準(zhǔn)和條件下,通過(guò)結(jié)合思維與方式去完成一系列的任務(wù),從而得到所期望效果的能力。能力視角為架構(gòu)描述中的能力提供了一個(gè)戰(zhàn)略的全部?jī)?nèi)容,并且在作戰(zhàn)概念圖中提出了一個(gè)高層范圍,比基于場(chǎng)景的范圍定義更寬泛。這些能力視角模型處于架構(gòu)的高層,它們使用專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)描述的能力模型,決策者很容易理解,且易于交流有關(guān)能力演化的戰(zhàn)略期望,能力視角包含了7個(gè)模型視圖。

3)數(shù)據(jù)與信息視角(Data and Information Viewpoint)

數(shù)據(jù)與信息視角為架構(gòu)描述獲取業(yè)務(wù)信息需求與結(jié)構(gòu)化的業(yè)務(wù)處理規(guī)則,在架構(gòu)描述中,它主要描述與信息轉(zhuǎn)換相關(guān)的信息,如屬性、特性以及相互關(guān)系。數(shù)據(jù)與信息視角包含了三個(gè)模型視圖。

4)作戰(zhàn)視角(Operational Viewpoint)

作戰(zhàn)視角(OV)捕獲組織、任務(wù)、活動(dòng)執(zhí)行以及它們之間的轉(zhuǎn)換信息,從而完成國(guó)防部的使命任務(wù)。作戰(zhàn)視角傳遞信息轉(zhuǎn)換類(lèi)型、轉(zhuǎn)換頻率、信息轉(zhuǎn)換所支持的任務(wù)與活動(dòng)以及信息交換的本質(zhì)。作戰(zhàn)視角包含了9個(gè)模型視圖。

5)項(xiàng)目視角(Project Viewpoint)

項(xiàng)目視角(PV)獲取的項(xiàng)目通過(guò)組織的條款按照一致的方式進(jìn)行分組,它提供了一種描述多種現(xiàn)有項(xiàng)目之間關(guān)系的一種方法,而且現(xiàn)有的任何一個(gè)項(xiàng)目都有責(zé)任描述單個(gè)系統(tǒng)或者能力。項(xiàng)目視角包含了三個(gè)模型視圖。

6)服務(wù)視角(Services Viewpoint)

服務(wù)視角(SvcV)捕獲與支持戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)和國(guó)防部事物處理(包括作戰(zhàn)、業(yè)務(wù)、情報(bào)以及基礎(chǔ)職能)的系統(tǒng)、服務(wù)、互聯(lián)功能相關(guān)的內(nèi)容。SvcV中的功能和服務(wù)資源及構(gòu)件對(duì)應(yīng)著OV中相應(yīng)的架構(gòu)數(shù)據(jù)。這些系統(tǒng)功能和服務(wù)資源支持戰(zhàn)術(shù)活動(dòng)并且為信息轉(zhuǎn)換帶來(lái)方便。服務(wù)視角包含了12個(gè)模型視圖。

7)標(biāo)準(zhǔn)視角(Standards Viewpoint)

標(biāo)準(zhǔn)視角(StdV)是系統(tǒng)組成部分之間安排、交互、依賴(lài)關(guān)系的最小管理規(guī)則集,它的目標(biāo)是確保系統(tǒng)滿足特定的作戰(zhàn)需求。StdV提供了一個(gè)系統(tǒng)實(shí)施技術(shù)指南,如確定工程規(guī)格、確立通用構(gòu)造模塊、產(chǎn)品路線制定。StdV包括技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)施章程、標(biāo)準(zhǔn)選取、規(guī)則、準(zhǔn)則(在架構(gòu)描述中被用來(lái)管理系統(tǒng)以及系統(tǒng)或服務(wù)構(gòu)件的配置)等。標(biāo)準(zhǔn)視角包含了兩個(gè)模型視圖。

8)系統(tǒng)視角(System Viewpoint)

系統(tǒng)視角(SV)捕獲關(guān)于自動(dòng)系統(tǒng)、互聯(lián)(內(nèi)部聯(lián)系)以及其它作戰(zhàn)行動(dòng)的系統(tǒng)職能信息。隨著時(shí)間的推移,由于國(guó)防部重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)面向服務(wù)環(huán)境和云計(jì)算,有可能導(dǎo)致系統(tǒng)視角的消失。系統(tǒng)視角包含了13個(gè)模型視圖。

3 指揮控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法應(yīng)用分析

3.1 DODAF方法

結(jié)合DoDAF體系結(jié)構(gòu)與指揮控制系統(tǒng)的特點(diǎn),從作戰(zhàn)的視角對(duì)指揮控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)建模設(shè)計(jì)過(guò)程分為需求分析、模型設(shè)計(jì)兩個(gè)階段。

1)需求分析階段

OV-1(作戰(zhàn)概念圖)和OV-4(關(guān)系圖)在此階段完成。其中,OV-1用來(lái)獲取指控系統(tǒng)的各種功能需求。根據(jù)指控系統(tǒng)的功能以及使用的要求,分析得出系統(tǒng)的用例、需要的角色以及各個(gè)角色之間的關(guān)系。OV-4需要根據(jù)OV-1得到的功能用例建立指控系統(tǒng)中的組織、人員角色以及相互之間的關(guān)系。

2)模型設(shè)計(jì)階段

根據(jù)需求分析的結(jié)果進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。模型設(shè)計(jì)階段需要完成OV-2(作戰(zhàn)資源流向描述圖)、OV-6b(狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述圖)和OV-6c(事件-追蹤描述圖)。在OV-2中對(duì)指控系統(tǒng)活動(dòng)之間資源流向進(jìn)行描述,OV-6b描述指控系統(tǒng)的對(duì)各種條件下相應(yīng)業(yè)務(wù)處理,包含了指控系統(tǒng)中運(yùn)行的狀態(tài)以及各狀態(tài)的變更條件。OV-6c描述指控系統(tǒng)的各種事件場(chǎng)景,同樣也包括指控系統(tǒng)中相關(guān)業(yè)務(wù)的執(zhí)行順序。

3.2 UML方法

統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML是一種常用的描述系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的語(yǔ)言。UML語(yǔ)言支持面向?qū)ο笤O(shè)計(jì),通過(guò)對(duì)真實(shí)世界的模擬來(lái)構(gòu)造系統(tǒng)的模型[8]。該方法通過(guò)對(duì)客觀事物進(jìn)行結(jié)構(gòu)和行為按照人類(lèi)的思維進(jìn)行模擬,建立問(wèn)題域的模型,從而使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能更直接地描述客觀世界。UML圖包括了系統(tǒng)分析階段用到的各種用例圖、類(lèi)圖、交互圖、狀態(tài)圖等。

利用UML語(yǔ)言進(jìn)行指揮控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟如下:

步驟1:構(gòu)造用例圖。根據(jù)指揮控制系統(tǒng)的各種作戰(zhàn)業(yè)務(wù)的概念以及其作戰(zhàn)過(guò)程的描述,利用用例圖對(duì)以上進(jìn)行概括性描述,形成系統(tǒng)的用途與作用的用例圖。

步驟2:構(gòu)造指控系統(tǒng)順序圖。順序圖是系統(tǒng)各對(duì)象的動(dòng)態(tài)行為的靜態(tài)表示,反應(yīng)指控系統(tǒng)內(nèi)部消息對(duì)象的傳遞的順序。構(gòu)造順序圖首先要分析得出指控系統(tǒng)的各操作對(duì)象,然后針對(duì)指控系統(tǒng)各操作對(duì)象按照指控系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴(kuò)展。

步驟3:系統(tǒng)對(duì)象分解。為得到指控系統(tǒng)中系統(tǒng)各實(shí)體對(duì)象,將整個(gè)系統(tǒng)分解為幾個(gè)主要的組成部分,得到系統(tǒng)的物理對(duì)象和系統(tǒng)的功能對(duì)象,將系統(tǒng)對(duì)象分解得到的對(duì)象與順序圖中的對(duì)象建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。

步驟4:構(gòu)造指控系統(tǒng)狀態(tài)圖,對(duì)上一步中得到的對(duì)象的所有狀態(tài)根據(jù)功能條件的情況建立轉(zhuǎn)移關(guān)系,在此基礎(chǔ)上,建立指控系統(tǒng)的各對(duì)象構(gòu)件狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

UML語(yǔ)言的描述方法與DoDAF視圖中描述指控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)得到的視圖結(jié)果比較如表1所示。

表1 指揮控制體系架構(gòu)與UML描述方法的對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

指揮控制系統(tǒng)在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)之前進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅可以提高指控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)運(yùn)行效率,還可以節(jié)省系統(tǒng)的建設(shè)、使用和維護(hù)成本,是保證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要方法。本文分析了DoDAF體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法,并將DODAF與UML、SySML方法應(yīng)用與指控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的描述進(jìn)行了比較分析。指控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程,可以充分借鑒美軍的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),并開(kāi)展相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)以及理論的研究,從能力、系統(tǒng)、指揮作戰(zhàn)等多個(gè)視圖分析指控系統(tǒng),充分利用已有的體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)工具,發(fā)展?jié)M足現(xiàn)階段以及適應(yīng)未來(lái)發(fā)展需求的指控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框架。

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ApplicationofDoDAFinCommandandControlSystem

MA Yonglong

(Navy Representative Office of EO Systems in Central-South Area, Wuhan 430074)

Before the development of command and control system, the efficiency of system development can be greatly improved by the designment of architecture framework, also the cost of construct, use and maintenance would be decreased. The design of architecture framework plays an important role in ensuring the quality of system designing. In this paper, the design method of DoDAF architecture framework is analyzed, then, the comparison of description in command and control system is made between DoDAF, UML and SySML. The result shows that DoDAF is practicable in the procedure of designing command and control system.

DoDAF, architecture framework, UML, SySML

2013年10月3日,

:2013年11月29日

馬永龍,男,碩士,工程師,研究方向:艦船電子。

TP391.3DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.005