基于模型系統工程在全艦計算環境集成框架的應用概覽

董曉明，胡洋

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

基于模型系統工程在全艦計算環境集成框架的應用概覽

董曉明，胡洋

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

“全艦計算環境”（TSCE）作為當今軟件密集型復雜武器系統的典型代表，需要從研制模式上轉變傳統的系統工程實踐，采用基于模型的系統工程（MBSE）解決方案，從以文檔為中心轉變為以模型為中心，實現系統的快速開發以應對需求和環境的變化。首先，介紹MBSE的發展概況及國內外相關研究情況，然后，結合TSCE集成框架并參考經典的V模型，梳理系統工程過程，初步建立各個階段與美國國防部體系結構框架（DoDAF）視點或模型的對應關系。重點討論為了得到合適的TSCE系統模型應該采用的建模規范和標準，主要包括：系統建模語言（SysML）、可擴展標記語言（XML）模式、面向服務架構（SOA）、業務流程模型與標注（BPMN）、軍事想定定義語言（MSDL）、聯合作戰管理語言（C-BML）等。形式化建模方法的應用預期將在構建TSCE集成框架的過程中發揮重要作用。

基于模型的系統工程（MBSE）；建模規范；全艦計算環境（TSCE）；集成框架

0 引 言

系統工程是上世紀60年代以來國內外國防領域所重視和推行的研制管理方法。然而，隨著系統規模及復雜性的顯著增加和裝備信息化水平的提高，傳統的、基于文本的系統工程方法（Texted Systems Engineering，TSE）已經不能滿足需求。因此，傳統的系統工程實踐正在向基于模型的系統工程發展演進，實現從以文檔為中心向以模型為中心的轉變［1］。

圖1 從以文檔為中心向以模型為中心的系統工程轉變Fig.1 Transition from document centric to model centric systems engineering

根據國際系統工程學會（International Councilon Systems Engineering，INCOSE）在《系統工程2020年愿景》中給出的定義，基于模型的系統工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）是“從概念性設計階段開始對建模的正式應用，以支持系統需求、設計、分析、校核與驗證等活動，持續貫穿到開發以及后來的壽命周期階段”。

MBSE的定義強調了建模（modeling）的應用問題。模型是對系統的簡化和描述，建模就是建立系統的模型。如王崑聲等［2］在“概念與內涵”中所述：系統工程的關鍵在于構建一個系統架構模型；傳統的系統工程用各種文本文檔構建系統架構模型；基于模型的系統工程用系統建模語言構建系統架構模型。實際上，各專業學科及系統工程一直在使用建模與仿真方法，也就是說，MBSE與傳統系統工程的根本區別并不在于是否建模，而在于是否形式化（formalized）的建模，即建模的過程和方法是否有規范和標準。

“全艦計算環境”（Total Ship Computing Environment，TSCE）代表了艦船信息系統集成技術的先進水平，并帶來艦船系統設計和集成方式的變化［3-4］。同時，作為當今軟件密集型復雜武器系統的典型代表，其研制模式也應該向以模型為中心的方向轉變。采用基于模型的系統工程解決方案，從需求階段開始即通過模型（而非文檔）的不斷演化、迭代來實現產品的設計，為各方提供一個公共、無二義性的系統集成框架和工程環境。通過模型的形式化定義，可在設計過程中清晰描述系統架構、功能和行為等各方面的需求，并通過仿真測試對設計方案進行驗證和優化。

此外，目前在軟件工程領域還有其他幾個類似的術語，例如，模型驅動開發（Model-Driven Development，MDD）、模型驅動工程（Model-Driven Engineering，MDE）、基于模型設計（Model-Based Design，MBD），也有MBSE指的是基于模型的軟件工程（Model-Based Software Engineering）。

1 MBSE概況及相關研究

國外在MBSE的方法論以及應用方面開展了研究與實踐。不僅美國航空航天局（NASA）、美國國防部（DoD）、歐空局等政府組織和相關承包商在項目中積極應用MBSE方法論，IBM等軟件和方案提供商也在開發相關的支持環境。

關于MBSE方法論，Estefan和Reichwein等［5-6］對包括一系列相關過程、方法和工具以及美國國防部體系結構框架（DoDAF）和建模語言作了較全面的綜述。在過程方面有3種經典的開發過程模型，包括瀑布模型、螺旋模型和V模型。此外，系統工程過程標準已從早期的MIL-STD-499發展到了現在的ANSI/EIA 632，IEEE 1220-1998和ISO/IEC 15288：2002，并在系統工程中發揮了重要作用。

在方法論和工具方面，包括IBM Harmony，INCOSE面向對象系統工程方法（OOSEM），IBM Rational統一過程（RUP），Vitech MBSE，NASA噴氣推進實驗室（JPL）狀態分析（SA），以及Dori對象過程方法（OPM）等大多數都提供了相應的軟件工具，并可支持某些過程標準或內部定義的過程模型。

在體系結構框架方面，主要包括IEEE 1471、美國DoDAF、英國MoDAF、北約NAF，開放組織TOGAF、開放分布式處理參考模型RM-ODP及Zachman等［7］。

在建模語言方面，最知名的是對象管理組織（OMG）統一建模語言（UML），它也是軟件工程行業事實上的標準，具有最廣泛的工具支持和應用。系統建模語言（SysML）是在重用和擴展新版UML 2的基礎上，針對系統工程提供額外的模型圖，同時也去掉了一些用不到的UML圖，以滿足包含硬件、軟件、數據、流程和其他系統部件的復雜系統建模。其他通用圖形化符號包括實體—關

系圖（E-R）、功能流程框圖（FFBD）、數據流程圖（DFD）、N2圖、IDEF0（數據流程）和IDEF1x（實體—關系）等。

除了通用建模語言外，還有許多領域特定建模 語 言（Domain-Specific Modeling Languages，DSML），例如，數據格式描述語言（DFDL）、軍事想定定義語言（MSDL）、聯合作戰管理語言（C-BML）、業務流程執行語言（WS-BPEL）、Web Services描述語言（WSDL）等。

MBSE的重點是依賴系統建模的系統工程過程，因此，需求分析、系統設計、集成、校核與驗證等活動都是圍繞模型展開的。Piaszczyk［8］通過一組例子，展示了根據DoDAF指導實現的MBSE方法論，它強調需求的可追溯性，從體系結構視圖所代表的系統模型得到操作、功能、系統和物理需求。不過，這里給出的模型圖采用的是一種接近IDEF的非標準圖形化標注。

Hoffmann［9］詳細介紹了IBM的MBSE解決方案Rational Harmony和工具軟件 Rhapsody，將SysML應用于系統集成設計和軟件開發過程，并以某個安全系統的設計為例，從導入干系人需求開始，到完成可執行的系統架構模型定義結束。Montgomery［10］從系統集成商的角度強調在系統設計初期，最大限度地發揮MBSE在系統工程團隊中的影響力，采用其核心方法和工具來降低系統集成和認證的風險，最終實現系統集成的目標。Young［11］探索了大系統（SoS）工程的概念設計，認為優化的系統和SoS以及企業體系結構設計都需要向更多地基于模型的環境轉變，并通過UML/ SysML建模語言來完成，同時還必須符合DoDAF的標準要求。Mittal等［12］研究了基于離散事件系統（DEVS）的DEVS統一過程（DUNIP），結合基于模型和模型驅動的不同風格（例如MBSE和MDE），通過領域特定語言以及模型轉換技術提供關聯SoS需求的機制，并應用于網絡中心環境設計。

約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室（APL）的團隊采用UML/SysML等MBSE方法的概念建模過程（包括領域模型、用例、功能性模型和結構性模型）支持SoS體系結構開發，并應用于復雜系統的分析，特別是應用于因復雜性、信息密集、范圍廣而對建模仿真具有巨大挑戰的網絡中心戰領域［13］。

Tepper［14］以艦船推進系統的體系結構設計為例，使用Vitech CORE和SysML設計工具，研究了MBSE方法在美國海軍艦船設計和采辦過程中的應用，認為該方法可使設計者能更好溝通，追溯需求，支持設計決策。Jepperson［15］介紹了MBSE方法在美國國防部空間與導彈系統中心（SMC）的應用，該論文以實例演示了SysML如何支持OPIR任務地區體系結構的開發。研究使用的建模工具是MagicDraw，文中特別強調了ISO 10303 AP233數據交換規范在不同系統工程和項目管理工具之間進行數據集成的重要作用。

洛克希德·馬丁公司在美國海軍海上系統司令部（NAVSEA）支持下開展的潛艇作戰聯邦戰術系統（Submarine Warfare Federated TacticalSystems，SWFTS）工程與集成項目的研究中，使系統實現了從傳統的以文檔為中心向MBSE的轉變［16-17］。該項目采用UML/SysML/SoaML建模語言以及Magic-Draw建模工具和DOORS需求管理工具提出復雜產品家族（Complex Product Families，CPF）的概念，即由一個公共的產品平臺衍生出一組產品，例如，巡洋艦或驅逐艦等不同平臺的“宙斯盾”作戰系統、不同版本的F-35等。SWFTS作為通用潛艇作戰系統，部署在美國和澳大利亞海軍的潛艇編隊中，該系統通過41個分系統的配置組合可支持包括“洛杉磯”級、“洛杉磯”級改進型、“弗吉尼亞”級等6個不同級別、11個型號近90艘潛艇。

此外，瑞典薩伯航空（Saab Aerosystems）公司還在斯柯達V150 UAV系統的設計生產中獲得了運用UML/SysML實施MBSE的經驗［18］。

在國內，錢學森的系統工程思想在軍工領域，特別是航天領域有著重要影響。他認為“系統工程是成功實現系統的方法，也是應對技術復雜性的有效方法”，航天系統工程方法強調總體設計，遵循研制程序［19］。近年來，航空航天領域也開展了MBSE的應用研究，例如，結合飛機研制過程，分析MBSE技術的實施方法［20］；使用Harmony-SE過程分析MBSE在當前機載電子產品的應用［21］；借助MBSE方法和需求建模工具，在飛機航電系統設計中完成由經驗研發向需求研發的轉變［22］；在航天器研制中，以接口數據單（IDS）作為統一數據源，通過基于模型定義（MBD）開展全三維數字化產品定義［23］；以及在載人飛船交會對接任務設計中［24］、在微系統設計中的應用［25］等。

2 TSCE集成框架與過程

系統工程過程的V模型最早于1991年由NASA提出，經過多年的發展已經產生多種V模型的變體。該模型通常強調如圖2所示左側的“自頂向下”的分解、定義設計過程和右側的“自底向上”的集成、驗證實現過程。從干系人需求定義、需求分析、架構設計到開發實現、集成測試和驗證

的整個項目生命周期都是增量的、迭代的。圖2是我們改造過的TSCE系統集成過程V模型，它簡略地表達了各階段與DoDAF視點或模型的映射關系。

圖2 系統集成過程的V模型Fig.2 Systems engineering process V-model

1）在干系人需求定義階段，主要定義全視點（AV）和能力視點（CV），并對作戰想定達成一致；

2）在系統需求分析階段，針對作戰視點（OV）和概念數據模型（DIV-1）進行建模，以功能需求為主，完成一系列用例設計；

3）在架構設計階段，主要完成系統視點（SV）、服務視點（SvcV）、邏輯數據模型（DIV-2）、技術標準視點（StdV）。

上述各階段產生的模型都應該納入全局統一的模型庫。同時，MBSE更關注需求管理、配置管理、風險管理、數據管理等技術管理過程。

傳統的系統工程以系統需求文檔（SRD）、系統設計文檔（SDD）、接口控制文檔（ICD）、測試與評估計劃（TEMP）等為主。

圖3所示為TSCE技術架構（左）與集成框架（右）的層次示意圖。TSCE技術架構可以分為基礎設施、領域應用和資源管理等部分；系統集成框架包括3個層次：功能集成（任務+服務+構件）、數據集成（實時數據總線+企業服務總線）和物理集成（顯示+核心處理+適配）。整個TSCE集成框架采用面向服務架構（Service-Oriented Architecture，SOA）和大量商用現貨產品（COTS），以實現開放式架構的系統（詳見文獻［3-4］）。通過各層次模型之間的關聯關系，滿足整個系統設計過程對于需求的追溯和實現要求，以模型支撐整個系統的需求分析、功能分析、架構設計、詳細設計、集成測試、校核驗證等活動。

圖3 TSCE技術架構（左）和集成框架（右）Fig.3 TSCE technical architecture（left）and integration framework（right）

下一節將重點關注在系統工程的各階段、集成框架的各層次為了得到合適的系統模型應該采用的建模方法，特別是規范和標準。

3 建模方法

一般講到MBSE離不開系統建模，總會講到UML/SysML。但是，這里的“模型”并不是唯一的，在不同的設計階段和領域，“模型”具有不同的含義。例如，對于系統設計人員，MBSE指的是通過圖形化的系統建模語言（如SysML）建立的模型；對于軟件工程師，MBSE指的是UML建模；對于產品結構設計人員，MBSE指的是通過CAD軟件建立的三維模型；對于仿真控制設計人員，MBSE指的是通過Matlab/Simulink等工具構建的模型。因此，MBSE的實施必須依賴不同的DSML以及模型轉換技術來提供關聯SoS需求的機制。

以下討論幾種可在構建TSCE集成框架過程

中發揮重要作用的建模方法，主要包括UML/Sys-ML（功能模型及概念數據模型）和XML模式（邏輯數據模型），DFDL（物理數據模型），BPMN（業務流程模型），DRL（Drools規則模型），SOA/WS-BPEL/ WSDL（面向服務架構的相關模型），MSDL（軍事想定模型），C-BML（作戰行動中的計劃/命令等模型）。

3.1 UML/SysML功能建模

基于模型的系統工程的主要目標是為了方便溝通、規范開發、提高設計精度及系統集成度。系統模型包括系統規格的有關信息，可促進設計、分析和驗證，導出需求和設計元素，開發測試案例，樹立設計理念，完善所有這些實體之間的相互關系。該模型的輸出也可用于設計一個滿足干系人需求的系統，然后為需求分配至系統的各個部分提供路徑，同時為團隊成員間的溝通提供便利?；谀Ｐ偷南到y工程最重要的一個方面是，它使按照需求進行系統設計的過程具有可追溯性。

SysML是INCOSE和OMG在對UML進行重用和擴展的基礎上，推出的可視化系統建模語言。圖4所示為SysML圖的分類，其中，結構圖包括塊定義圖、內部塊圖、參數圖和包圖；行為圖包括用例圖、順序圖、活動圖和狀態圖［26］。與UML2相比，SysML新增了需求圖和參數圖，塊定義圖、內部塊圖和活動圖是在UML基礎上擴展和修改的，其他重用。

圖4 SysML圖的分類Fig.4 Taxonomy of SysML diagrams

作為通用的圖形化建模語言，能否發揮UML/ SysML的作用，很大程度上取決于不同的模型圖如何與系統工程過程、與體系結構框架相結合［27-28］。

表1給出了SysML與DoDAF模型的映射關系，它充分考慮了各種SysML圖的特點，分工完成不同的模型。例如，塊定義圖一般用來定義“塊”的結構特征及塊之間的關系（組成、分類、層次等）。塊定義圖或內部塊圖可以描述能力依賴關系（CV-4）、組織關系圖（OV-4）、系統接口（SV-1）、概念數據（DIV-1）等模型；同時，結合參數圖定義屬性值的限定；活動圖表示基于輸入輸出流程的行為（OV-5b，SV-4，SvcV-4）；狀態圖表示基于事件的行為（OV-6b，SV-10b，SvcV-10b）；順序圖表示消息交互行為（OV-6c，SV-10c，SvcV-10c）；用例圖可以創建高層作戰概念圖（OV-1）；SysML新增的需求圖表示基于文本的需求以及與其他需求、設計元素、測試用例之間的關系，以支撐需求的可追溯性。

表1 SysML圖與DoDAF模型的映射Tab.1 Mapping from SysML diagrams to DoDAF models

系統集成商更加側重系統重要功能的分解、交互、系統接口，以及是否能夠以較低的風險完成系統裝配、集成、校核與驗證。通過建立SysML系統模型，有助于系統集成商從初期就開始參與工作并貫穿于整個系統工程過程，從技術上對額外的要求和設計變化進行評估。

在傳統的作戰系統體系結構設計過程中，已經注重使用規范的方法建立作戰概念圖、指揮關系圖、功能結構（FFBD）、數據模型（IDEF1x）、運行流程、動態模型（有色Petri網）等［29］。在TSCE集成框架中，尤其是對于前期特別強調與干系人溝通的需求分析、功能分析等階段，更應該考慮Sys-ML的應用，采用統一的方法、可視化工具支撐完成功能建模。

除了前面所述優點之外，使用SysML圖可以

直接映射到DoDAF模型，因為對象管理組織發布了UPDM（Unified Profile for DoDAF/MODAF）標準以支持體系結構框架，允許在SysML開發過程中使用DoDAF/MODAF術語。

3.2 XML數據建模

可擴展標記語言（XML）是無處不在的互聯網技術之一。1998年W3C發布了XML 1.0標準，并逐漸形成成熟的技術體系，包括DOM，DTD，XSD，XSLT，XPath，XQuery，XHTML，CSS等，它們推動了以Web Services為代表的第3次Web技術革命。本質上，XML文檔是保存信息的結構化載體，具有可擴展、自描述性質以及結構、內容和表現分開等特點，并已成為通用的數據格式，而且事實上也是數據交換的標準之一。同時，XML是用來定義精確的邏輯數據模型的重要元數據標準，也是一種元語言，圍繞XML產生了非常多的標準和產品，例如DFDL，MSDL，BPEL，WSDL，SOAP，MathDL等。圖5所示為數據模型“自頂向下”的3個層次，即概念、邏輯和物理層次［30-32］。

圖5 數據模型的層次Fig.5 Data model layers

在概念層次，主要關注不同干系人之間的準確溝通，適合采用圖形化的UML/SysML描述數據模型的靜態結構（DIV-1）。然后，使用XML模式（Schema）描述結構與數據類型，完成邏輯數據模型的定義（DIV-2）。XML模式提供對XML文檔結構和內容的約束與解釋。所謂“XML文檔”不僅指磁盤文件，也可以是內存中一段良構的（Well-informed，也稱“格式正確的”）XML字符串，如發送、接收緩沖區的消息。

在物理層次，考慮具體數據如何表示、存儲和傳輸。一般來說，物理消息格式與平臺有關，可以有多種不同類型。例如，IBM消息倉庫管理器（MRM）域定義了3種：二進制的定制連線格式（CWF）、純文本的標記定界字符串（TDS）和XML。相應地，不同平臺的物理數據模型也有多種多樣的描述方法，例如，MRM消息集，CORBA IDL，WSDL，SOAP等。

2011年，開放網格論壇（OGF）發布了數據格式描述語言（Data Format Description Language，DFDL）。該建模語言基于XML模式，用來以獨立于數據格式的方式定義一般的格式化文本數據和二進制數據的結構［33］。DFDL有望發展成為跨平臺、通用的物理數據模型標準。IBM WMB8.0（見下節）已經引入對DFDL的支持。

通過推動XML技術在TSCE集成框架中的應用，可以建立數據模型和接口，進行不同分系統的數據共享和轉換，以獲得改進的互操作性。MBSE的TSCE實現面向消息的數據集成，很重要的一點就是利用數據模型明確定義每個接口的消息格式和內容，并且存入元數據注冊庫（MDR）。企業服務總線（ESB）可以在線獲取XML模式定義或其他物理數據模型，可對消息的有效性、合法性進行驗證。因此，模型化的接口定義，將代替傳統的接口協議文件或ICD（接口控制文檔），以模型為中心實現消息自動解析、消息格式轉換等功能，從而避免接口與代碼的緊耦合，提高集成的靈活性。

3.3 面向服務架構（SOA）

SOA是一種構造分布式系統的方法，它將業務應用功能以服務的形式提供給最終用戶應用或其他服務。SOA并非局限于某一特定技術，而是為了增強復雜系統集成的靈活性采用的先進設計理念和模式。經過十幾年的發展，它已經形成一些有代表性的特征和關鍵技術，例如，企業服務總線（ESB），Web Services，業務流程管理（Business Process Management，BPM）等。

3.3.1 企業服務總線（ESB）

大型分布式系統連通性最重要的架構模式是ESB。作為節點交互的邏輯中介，ESB在服務請求者和提供者之間提供松耦合的互連，可以解析和處理消息，提供消息路由、協議轉換和數據格式轉換等基本功能。典型的復雜大系統是異構的系統，可能存在各種不同消息格式或標準的應用。因此，ESB必須掌握所傳輸消息的數據模型，而不要求交換消息的應用程序，知道對方的信息格式。例如，WebSphere Message Broker（WMB）是IBM公司主要的ESB軟件產品，用戶通過消息模型模式文件來定義與ESB連接的應用所使用消息的邏輯結構和物理格式。如圖6所示，該模式文件都是基于XML Schema（XSD）以及采用DFDL描述SWIFT，EDI，HL7，HIPAA等工業標準格式或C

結構體等數據［34］。

圖6 消息格式和消息模型模式文件Fig.6 Message formats and message model schema file

ESB是實現SOA思想的最好途徑及其解決方案的核心，例如，IBM WebSphere和Oracle Fusion商業套件。另外，還有若干開源軟件，例如，RedHatJBoss，Apache ServiceMix，Mule ESB，Apache Synapse，WSO2 ESB等［35］。

3.3.2 Web Services

Web Services是實現SOA系統和應用的主流技術。圖7所示為典型的協議棧［36］，它包括了BPEL，UDDI，WSDL，SOAP，XML，HTTP。Web Services技術以XML為基礎，服務的提供者和請求者之間通過簡單對象訪問協議（Simple Object Access Protocol，SOAP）交換信息，WSDL用來描述服務端口訪問方式和使用協議的細節，UDDI用來注冊和發現服務。Apache Axis2是目前實現Web Services最常用的一種開源技術框架或平臺。

圖7 典型Web Services協議棧Fig.7 Typical Web Services stack

REST（Representational State Transfer）是另一種主流的Web Services實現方案。REST風格相比SOAP更簡潔，通常使用HTTP，URI，HTML和XML這些廣泛流行的協議和標準。同時，經常配合采用JSON（JavaScript Object Notation）格式的消息。JSON是一種輕量級的數據交換格式，類似XML，而且JSON比XML更小、更快、更易解析。

盡管SOA在企業信息系統領域取得了巨大成功，但對于SOA是否適合某些硬實時性的作戰系統意味著低延遲和高可預測性存在疑慮，因此仍保留著部分硬連線和點對點的連接。

美海軍水面戰中心達爾格倫分部（NSWCDD）近期也開展了這方面的研究和測試，新方案的重點是提供航跡和戰備完好性消息交換的作戰系統（CS）和指揮控制系統（C2）網關，其主要功能包括：

1）消息傳輸。CS采用基于OMG DDS（Data Distribution Service）的消息機制，而非實時的C2采用JMS（Java Message Service）或AMQP（Advanced Message Queuing Protocol）。

2）消息協議中介。C2網關提供CS DDS消息到JMS或AMQP消息的格式轉換，即從二進制的IDL到純文本的XML。

3）消息過濾。CS和C2網關的Drools規則引擎過濾器能夠根據消息屬性阻擋消息通過。

4）消息標識。C2網關的Drools規則引擎組件能夠為通過網關的每個消息分配全局唯一標識（GUID），因此是提供航跡信息的有效管理手段。實驗結果表明，統一網關的接入方式能夠滿足CS硬實時應用的性能要求，提供CS與C2網絡之間高效的數據集成［37］。

3.3.3 業務流程管理（BPM）

BPM的實現需要通過WS-BPEL即Web Services業務流程執行語言（Business Process Execution Language）描述業務流程來完成Web Services流程編制或編排，并在流程引擎（例如，Apache ODE）的驅動下執行。BPEL位于Web Services協議棧的最上層（圖7），也對應于TSCE功能集成的最上層。XPDL（XML Process Definition Language）是另一種常見的業務流程建模語言［38］。

在系統工程早期的需求定義階段，業務人員可以借助業務流程模型與標注（Business Process Model and Notation，BPMN）進行圖形化的業務流程建模，創建業務流程圖（BPD）。BPMN 2.0規范的目標是提供一套業務人員易于理解的標注或符號，通過業務分析來創建最初的流程草圖，然后由技術開發人員負責實現業務流程的執行。此外，BPMN也支持基于XML的業務流程執行語言（例如，WS-BPEL或XPDL）的可視化。

雖然之前就有BPM的概念和產品，BPM與SOA的結合更有助于實現分布式系統的靈活性、敏捷性和松耦合等重要特征，同時也可體現“模型與代碼分離”的設計原則。類似的情況還有業務規則管理（Business Rules Management，BRM）。

業務規則是對業務某些方面進行定義或者限制的聲明，以約束業務行為。通過建立業務規則模型將業務邏輯從應用程序代碼中剝離來降低復雜業務邏輯的開發和維護成本。業務規則及規則引擎在各類專家系統或決策支持系統（DSS）中已經有較多的應用，包括作戰指揮系統。

過去20年，許多機構開發了多種規則建模語言，例如，OMG發布的SBVR（Semantics of Business Vocabulary and Business Rules）［39］。JBoss Drools是應用得最廣泛的規則引擎之一，它通過一種類似于Java的Drools規則語言（Drools Rule Language，DRL）來描述業務規則，同時也支持基于XML的規則描述。Drools實現了JSR94標準，即Java規則引擎API標準，可提供規則解析與注冊、規則執行、規則過濾等接口。

目前，一般認為BPM面臨的挑戰是，從業務流程模型中分離業務規則并簡化模型以及促進與業務人員的更好交流；然后，通過后期綁定、在業務執行中整合業務規則和BPM來滿足業務的靈活性。

3.4 作戰管理與想定

3.4.1 聯合作戰管理語言

聯合作戰管理語言（Coalition Battle Management Language，C-BML）是一種在參與聯合作戰的指揮控制系統、建模仿真系統、自主機器系統之間表達和交換作戰計劃、命令、請求、報告等的標準化語言。仿真互操作標準組織（SISO）歷經7年的艱苦開發，于2013年10月發布了C-BML第1階段標準，而第2、第3階段標準還在制定中。

如圖8所示，C-BML的概念主要由3部分規范組成：信息交換結構與內容、數據模型、信息交換機制。它們分別對應C-BML三視圖架構的條令、表示和協議。C-BML實際上就是形式化指揮控制兵力所需的5W，即Who，What，When，Where，Why［40-41］。

圖8 C-BML三角Fig.8 Three sides of the C-BML triangle

為了實現C2系統之間的互操作性，基于C-BML的交互信息需能夠無歧義地自動處理，而且還必須整理和明確作戰計劃等涉及的實體以及其他信息所依賴的詞匯及其數據表示，也就是數據模型的問題。C-BML第1階段標準采用JC3IEDM（Joint Command，Control and Consultation Information Exchange Data Model），同時在此基礎上進行擴展和組織，重新以XML模式定義（XSD）的形式表達。

條令視圖根據軍事條令、作戰手冊的內容來嚴格定義各種術語。C-BML所描述的計劃、命令、請求、報告等基本上可以通過5W描述來建立其生成與解釋的規則，即形式化語法。

C-BML協議用來對源系統和目標系統之間信息傳輸的規則進行標準化。目前認為采用XML描述信息交換需求是協議的基礎，也是作戰指揮系統中數據描述的事實標準。研究初期的關注重點是技術互操作層次，例如，傳輸協議、數據交換協議等，但隨著研究的進展逐漸轉向語用互操作（Pragmatic Interoperability）等更高層次。

鑒于C-BML標準發展過程中碰到的困難，研究人員在系統工程方法和體系結構框架的指導下，提出一個C-BML標準的開發框架（SDF），希望它有助于C-BML第2階段標準的開發和交流。SDF包含解決語義（內容模型）和句法（消息框架）匹配性的產品。圖9所示為C-BML消息框架的XML模式［42-43］。

艦船作戰系統已經實現了以XML文檔作為C2系統之間交換作戰計劃的載體，但由于缺少C-BML這樣的技術架構，多數系統僅采用了基于XML的格式化文本表達作戰計劃，并且仍是以對待自由文本的方式來解析處理，故作戰計劃的內容與軟件代碼緊耦合，導致集成效率低、靈活性差。在TSCE集成框架的建設中，需要借鑒C-BML及其標準開發框架以盡快規范化XSD數據模型、條令和協議。

圖9 C-BML消息框架Fig.9 C-BML message framework

3.4.2 軍事想定定義語言

“想定”是按照訓練課題對作戰雙方的企圖、態勢以及作戰發展情況的設想和假定?！白鲬鹣攵ā辈粌H用于軍事課題訓練，也同樣應用在基于仿真的武器裝備和作戰方案論證評估等領域［44］。

軍事想定定義語言（Military Scenario Definition Language，MSDL）是基于XML模式、獨立于仿真平臺的建模語言，它為軍事想定的形式化描述提供了一種通用機制，并可支持作戰仿真系統的初始化，包括想定數據的產生、校驗和加載。在作戰仿真領域，MSDL對于軍事想定的重用、想定與仿真的解耦具有重要意義。SISO于2008年10月發布該標準，并于2015年5月再次確認。如圖10所示，從XML模式文件可以看出，MSDL定義包括想定標識、選項、環境、作戰力量、組織結構（含作戰單元和裝備實體）、透明圖、戰場設施、戰術圖、非戰爭軍事行動圖（MOOTW）等信息［45］。

圖10 MSDL根元素的結構Fig.10 Military scenario element structure

在應用中需要合理把握MSDL與C-BML的范圍，并適當綜合。MSDL的目標是采用最少而嚴格的結構和屬性定義來完成初始化，使系統（仿真）參與者初始化到相同的狀態，而并未包含對仿真開始后的作戰任務、計劃命令等的描述。后續階段，C-BML的重點是任務執行過程中的信息交換，特別是基于形式化定義實現信息交換的可組合性。MSDL與C-BML標準開發活動的協同匹配一直是SISO的工作重點［46-47］。

4 結 語

為更好地對TSCE集成框架的復雜性進行管理，把握不同分系統之間無數的相關性和接口問題，傳統的系統工程實踐有必要向MBSE方向發展演進。系統集成設計不再是一系列文本文檔，而是由豐富的、形式化的模型來定義。模型除了展現大量信息之外，還能在不同干系人之間無歧義地共享和溝通，有利于實現整個設計過程的可追溯性。

本文主要內容包括了3個維度：一是系統工程過程，給出了V模型表達，初步建立了各個階段與體系結構框架視點或模型的對應關系；二是TSCE集成框架，簡要引用前期成果，并未展開論述；三是相關的各種模型和建模方法，這是本文的重點，比較系統地梳理出了可用的建模規范和標準。

系統模型可在TSCE系統集成的全壽期使用，并且可用于SoS的體系結構量化分析，提升成本效益，但前提是在系統工程合適的階段、合適的范圍能正確使用相關建模方法，并需特別關注以下幾點：

1）形式化的模型。MBSE的關鍵在于確定標準化的建模方法，得到形式化的模型。有時使用普通的框圖好像也可以表達與SysML塊定義圖同樣的意思，但是這樣就走不到MBSE的路上。表2列出了討論建模方法時涉及到的主要標準規范。

2）可轉換的模型?！白皂斚蛳隆钡脑O計過程采用的是一系列通用或DSML進行建模，這些模型不應該是割裂的，而必須建立有機關聯。盡可能利用模型轉換技術衍生得出新的模型，或者轉換生成集成測試過程的輸入，或者轉換生成設計文檔。模型驅動架構（MDA）的基本思想即系統的功能性是運用合適的規約語言（Specification language，它是計算機科學領域使用的一種形式語言，主要用于系統分析和設計的過程中）以平臺無關模型（PIM）的方式定義，然后在為實際的實現

時翻譯到一個或多個平臺相關模型（PSM）上。從PIM向PSM的轉換通常是由自動工具完成，而相關技術本文尚未論述。

表2 本文所涉及的主要建模標準規范一覽表Tab.2 List of related modeling specifications

3）基于XML的模型。XML作為通用的數據交換標準，同時也是元數據標準又是元語言，覆蓋了本文涉及的幾乎所有建模標準。不僅有XML Schema和各種以XML為宿主的DSML，而且UML，SysML，BPMN等圖形化的建模語言背后也離不開XML，因為不同建模語言和開發工具交換其數據模型依賴 XMI（XML Metadata Interchange），它是一種基于XML的元數據交換標準，同時也定義了從UML到XML的映射。

MBSE的成功實施，即模型的作用能否在TSCE系統集成設計中得到發揮，很大程度上取決于不同的模型如何與系統工程過程、集成框架相結合。下一步工作，需要明確各種建模方法與集成框架的映射關系，不僅需要勾畫出3個維度的目標圖像，而且還需要結合工程實踐，選購合適的開發工具平臺，掌握相應的模型開發和轉換技術。此外，MBSE也需要更加關注需求管理、配置管理等與模型有關的技術管理過程。

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Overview of application of model-based systems engineering in integration framework of total ship computing environment

DONG Xiaoming，HU Yang
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The Total Ship Computing Environment（TSCE）is a representation of the software intensive complex weapons system and advanced technology of ship information system integration.It requires great changes to be made in the design patterns of ship systems，such as Model-Based Systems Engineering（MBSE）instead of traditional document-centric system engineering.In this paper，MBSE related works are introduced first，then mappings are proposed between the design phases of TSCE integrating and DoDAF viewpoints or models according to the system engineering process V-model.Finally，some modeling specifications and standards are introduced，including System Modeling Language（SysML），Service-Oriented Architecture（SOA），XML Schema，Business Process Model and Notation（BPMN），Military Scenario Definition Language（MSDL），Coalition Battle Management Language（C-BML），etc.The formalized application of modeling will play key roles in supporting the construction of the TSCE integration framework.

Model-Based Systems Engineering（MBSE）；modeling specification；Total Ship Computing Environment（TSCE）；integration framework

U674.7；TP311.523

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.06.019

2016-05-14

時間：2016-11-18 15:19

董曉明（通信作者），男，1975年生，博士，高級工程師。研究方向：艦載作戰系統，分布式仿真，計算機系統結構。E-mail：phdotd@gmail.com胡洋，男，1983年生，博士，工程師。研究方向：計算機系統結構，信息系統體系結構及集成

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.tj.20161118.1519.038.html 期刊網址：www.ship-research.com

董曉明，胡洋.基于模型系統工程在全艦計算環境集成框架的應用概覽［J］.中國艦船研究，2016，11（6）：124-135. DONG Xiaoming，HU Yang.Overview of application of model-based systems engineering in integration framework of total ship computing environmen［tJ］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（6）：124-135.