基于SysML的模型驅動武器裝備體系結構設計與分析

陸 法,孫文虎,賈 鵬

(解放軍后勤學院,北京 100858)

基于SysML的模型驅動武器裝備體系結構設計與分析

陸 法,孫文虎,賈 鵬

(解放軍后勤學院,北京 100858)

隨著武器裝備體系規模、復雜度的不斷膨脹,模型驅動的體系結構設計方法成為解決復雜系統開發的研究熱點。選擇SysML(Systems Modeling Language)作為建模語言,提出了一種由三個基本步驟(能力需求分析、黑盒分析和白盒分析)組成的模型驅動體系設計方法,探索了 SysML在體系層面建模的應用,并針對當前SysML建模工具在仿真可視化與系統分析等能力上的不足,將建模工具與仿真分析工具進行集成,共同完成武器裝備體系結構的設計與仿真分析。

基于模型的系統工程;武器裝備體系結構;模型驅動方法;SysML

武器裝備體系結構描述了武器裝備體系組件的結構、組件之間的關系以及約束它們設計和發展進的原則和指導方針[1]。隨著當前體系規模、復雜度的不斷膨脹,模型驅動的體系結構(Model Driven Architecture)方法成為解決復雜系統開發和管理的突破口,是系統工程界廣泛研究與應用的熱點[2]。MDA方法在系統設計的過程中將模型的構建與分析作為工作中心,集成了包括軟件和硬件在內的諸多領域模型[3],相比以文檔為中心的傳統方法具有更大優勢,正逐步成為復雜系統設計的基礎[4]。

國內外學者對模型驅動武器裝備體系結構設計方法的研究已經取得一些初步成果。Piazsczyk[5]提出了一種基于DoDAF建?？蚣艿姆椒▽W；Huynh研究了SysML在武器裝備作戰體系建模與分析中的應用[6]；Bienvenu嘗試利用DoDAF視圖產品來促進需求獲取、分析和追蹤[7]；Estefan[8]總結了當前比較流行的模型驅動系統工程方法學,如 Harmony-SE方法學、基于模型的系統工程方法學(Vitech MBSE)等。SysML作為專門面向系統工程領域的通用建模語言,集成了結構化分析方法和面向對象方法的優勢,目前已被多種MBSE方法(Harmony-SE[9]、RUP SE[10]等)選擇作為建模語言。但是, SysML建模工具的設計結果是對系統結構的靜態描述和系統行為的離散狀態描述,而武器裝備體系結構設計與分析的本質是動態的,需要根據使命任務和作戰戰場態勢進行仿真可視化和系統分析,模型設計過程中的模型要素屬性計算、對象環境仿真則要依靠STK/MATLAB等計算仿真工具進行。本文探索SysML語言在體系建模中的應用,并針對當前SysML建模工具在仿真可視化與系統分析等能力上的不足,將建模工具與仿真分析工具進行集成,共同完成武器裝備體系結構的設計與仿真分析。

1 武器裝備體系結構建模核心要素的描述

根據對DoDAF體系的研究,體系工程活動的核心元素描述如圖1所示,圖中各個核心要素包括:描述能力目標、了解系統和系統元素之間的關系、評估能力目標所需的性能、開發和進化體系結構、監視和評估變化、評估需求,選擇解決方案、協調體系演化。圍繞體系外部環境需求輸入和體系結構自身的功能需求,體系工程過程和相關活動的各個核心要素通過不斷循環和迭代,共同完成體系結構建模。

圖1 體系結構建模的核心要素

武器裝備體系是一般體系的特殊化。在參考一般體系核心要素的基礎上,武器裝備體系結構有獨特的建模核心要素:①需求模型。為了完成特定的使命任務,武器裝備體系在不同作戰樣式下的作戰需求各不相同。為了更好對武器裝備進行描述,應該首先建立需求模型。②體系總體功能模型?？傮w功能模型是武器裝備體系建設的指導方針,是對武器裝備體系能力的總體概述。③組分系統結構及其之間的關系。要對組成武器裝備體系的各分系統結構進行描述、從頂層自上而下進行分解,分解過程重點描述各組分系統的對外接口,以說明分系統之間的信息共享機制。④分系統功能行為描述。⑤體系組分系統之間的信息交互、通信關系。在作戰過程中,武器裝備體系分系統之間的信息交互能力、通信可靠性等在很大程度上決定了體系的總體性能,因此,對體系組分系統之間的信息交換和通信的描述至關重要。

2 SysML對武器裝備體系結構建模的支持

SysML建模支持從兩個視角對武器裝備體系結構進行描述:用戶視角和組分系統視角。用戶視角下,將得到各種用例,從而支持從不同的用戶角度對體系進行描述。組分系統視角下,通過時序圖的形式來支持體系結構的分析和優化。SysML對系統的定義主要通過其結構模型、行為模型、需求模型和參數模型來完成。其中,結構模型側重于對系統的層次以及系統間不同對象的相互關聯關系進行建模;行為模型主要針對基于功能的行為和基于狀態的行為進行建模;需求模型強調用戶需求的層次關系、需求間的追溯關系及設計對需求的滿足情況等;參數模型主要強調系統或系統內部部件間的約束關系。根據SysML各模型元素所能描述的信息,它對武器裝備體系建模核心要素的描述支持如表1所示。

表1 武器裝備體系結構建模的SysML支持

3 基于SysML的模型驅動武器裝備體系結構設計

根據SysML對武器裝備體系結構建模核心要素描述的支撐程度,探索研究基于SysML的模型驅動武器裝備體系結構設計方法，如圖2所示。整個流程從武器裝備體系的需求分析開始。根據武器裝備體系建設利益相關者對體系能力的期望、不同作戰樣式下的使命任務和作戰基本需求構建需求圖,需求圖包括用戶需求文檔的輸入和將用戶需求轉換成系統需求,系統需求牽引出武器裝備體系應具備的能力,形成武器裝備體系的整體功能用例模型及需求模型,并利用需求與模型知識庫對其進行管理。武器裝備體系每個功能需求用一個用例進行描述,以驅動后續的建模流程。針對每個用例,構建出武器裝備體系為完成用例所要進行的活動,形成用例活動模型。用例活動模型描述了武器裝備體系與外部環境的信息交互,其由多個完整的活動流程共同組成。每一個完整的活動流程可以用黑盒時序圖表示,即對武器裝備體系進行黑盒分析,描述武器裝備體系在作戰活動中的外部行為功能,其主要確定了武器裝備體系與用戶、外部環境的接口。然后根據武器裝備體系建設需求對子系統進行權衡選擇,確定武器裝備體系的組成系統,將黑盒活動模型中的活動進行分配,在活動分配過程中定義了子系統之間的接口,即對武器裝備體系進行白盒分析。白盒分析主要確定了體系內部系統完成使命任務的功能行為。依次迭代,繼續對體系建模進行更深層次的剖析,迭代的次數取決于建模粒度的大小。整個過程自上而下,依次對體系的結構和對應的功能模型進行分解,最后得出滿足建模粒度的各個體系組成部分的功能模型、對外接口和組成部分之間的信息交互關系。

圖2 基于SysML的模型驅動體系結構設計過程

4 集成仿真分析工具對體系結構模型進行分析

通過SysML多視圖建?？梢缘玫届o態的武器裝備體系結構模型,對武器裝備體系結構的功能進行動態檢驗,就要將靜態的體系結模型轉換成可視化的可執行模型。本文選擇IBM Rational Rhapsody 作為武器裝備體系結構設計的建模工具,如圖3所示。

圖3 Rhapsody與STK模型交互

在應用SysML描述系統體系結構的基礎上,將 Rhapsody與STK進行綜合集成,實現在Rhapsody中構建的相關模型轉變為STK中的仿真模型,兩個工具的模型可互操作，并具備雙向可追溯特性,運用STK對體系結構模型進行動態功能分析、屬性量化計算和可視化仿真。

Rhapsody與STK工具綜合集成的實現。如下所述Rhapsody建模工具為外部程序提供了操作接口和事件回調接口,通過操作接口可以對模型進行建立、修改、刪除等操作,通過事件回調接口可以監控工具建模過程發生的事件。STK自帶的STK/Connect模塊可以與軟件開發平臺實現互聯,它提供了一種使用客戶端到服務器方式連接STK的工作方式,用于給第三方的應用程序提供一個向STK引擎發送指令和接收數據的通信路徑。為實現Rhapsody與STK工具綜合集成,本文以Microsoft Visual Studio 2010 作為Rhapsody和STK的互聯平臺,具體步驟為:

1)在Visual Studio.NET環境中創建與Rhapsody關聯的自動化腳本。創建自動化腳本需要兩個組件：Rational Rhapsody COM 類型庫(rhapsody.tlb)；Rhapsody提供的一個可執行的COM服務功能。

2)創建Rhapsody的數據模型和STK的數據模型。創建數據模型的目的是通過定義數據模型實現Rhapsody和STK模型元素之間的映射,通過Visual Studio.NET環境來專門處理這兩個工具之間的模型映射。

圖4 仿真分析效果圖

3)將Visual Studio 2010分別與Rhapsody和STK關聯,使用TCP/IP協議來完成Rhapsody和STK兩個工具之間的進程通信。

4)在.NET環境中嵌入STK/X。在Visual Studio.NET環境中創建工程文件,然后創建一個工具交互平臺,用于添加驅動STK/X組件。

5)上述步驟實現后,可在Rhapsody中嵌入功能性插件,這些插件調用第三方工具上定義的功能對模型進行運轉,打開STK的2D/3D場景展示、分析模塊引擎等。將模型轉換完成后效果如圖4所示。

模型轉換成功后,將自動彈出STK的2D和3D場景界面。一方面將Rhapsody模型轉換成STK場景提高了建模的真實程度,系統論證人員將看到作戰想定的實景展示;另一方面,系統論證人員還可以利用STK的強大分析功能對模型進行進一步的分析評估,如圖5所示,可以使用STK模型進行AER(AzimuthRangElevation)分析。

圖5 運用STK模型進行AER分析

基于SysML建模語言的Rhapsody和STK的集成,使得武器裝備體系結構論證從單一平臺或者單一論證工具發展到集成不同工具和不同模型的綜合平臺論證成為可能,對后續的體系結構評估分析有強大的支撐作用:

1)模型執行分析。有效實現體系結構設計的迭代開發過程,通過基于模型的調試,開發過程中更正模型的錯誤,有效解決了傳統的系統開發設計結束后再進行測試帶來的重復工作。在模型構建過程中即可對系統進行可視化分析和模型邏輯準確性驗證,大大減少了系統后續設計的復雜度。

2)結果反饋分析。通過可執行模型獲取分析結果,確定對武器裝備體系哪些部分進行完善,從而進入模型驅動設計開發的下一個迭代過程。

3)實現信息化作戰裝備作戰能力與信息交互過程的三維空間展示,有效展示在信息系統的支持下形成的具有信息流關系的網絡體系,包括通信關系和指揮控制關系等。支持陸?？仗煲惑w化戰術聯合通信系統可視化仿真。實現空間實體的飛行任務3D視效、飛行仿真器整合等。

5 結束語

模型驅動體系結構設計方法有效處理了復雜系統設計和管理的復雜度問題,其設計成果便于重用和迭代修改,并且可以將設計結果模型轉換成可執行仿真的分析模型,真正實現了設計與仿真分析的無縫連接,實現了體系結構建模與系統工程流程的結合,將建模工具與仿真分析工具進行集成的舉措彌補了SysML建模工具在仿真可視化與系統分析等能力上的缺陷,大大提高了模型設計的健壯性。

[1] DoD Architecture Framework Working Group.DoD architecture framework version 2.0[R]U.S:Department of Defense,2009.

[2] 楊克巍.體系需求工程技術與方法[M]. 北京：科學出版社,2011.

[3] Fisher J. Model-based Systems Engineering: A New Paradigm[J]. INCOSE Insight, 1998, 1(3): 3-16.

[4] Ober,I.More Meaningful UML Models.Technology of Object-Oriented Languages and Systems Proceedings[C]. 37th International Conference on,20-23 Nov.2000:146-157.

[5] Piaszczyk C. Model Based Systems Engineering with Department of Defense Architectural Framework[J]. Systems Engineering.2011,14(3):305-326.

[6] Huynh T V, Osmundson J S. A System Engineering Methodology for Analyzing System of Systems Using the Systems Modeling Language (SysML)[R]. Naval Postgraduate School,2007.

[7] Bienvenu M P, Goodwin K A. The DoD AF views as requirements vehicles in an MDA systems development process[C]. Proc. of 2004 Command and Control Research and Technology Symposium.

[8] Estefan A.J. Survey of Model-based Systems Engineering(MBSE) Methodologies[R]. Seattle: INCOSE MBSE Focus Group, 2008.

[9] Hoffman H P. Harmony/SE: A SysML Based Systems Engineering Process[C].Proc. of Innovation 2008: Telelogic User Group Conference, 2008.

[10]Friedenthal S, Moore A, Steiner R. A Practical Guide to SysML: Systems Modeling Language, Second Edition[M]. San Francisco, CA: Morgan Kaufmann OMG Press, 2012.

[11]吳娟, 王明哲, 方華京. 基于SysML 的系統體系結構產品設計[J]. 系統工程與電子技術,2000, 28(4): 594-598.

[12]陳洪輝. 基于多視圖的C4ISR系統需求一致性驗證方法研究[D]. 長沙: 國防科技大學, 2007.

Model Driven Weapon System-of-Systems Architecture Design and Analysis Based on SysML

LU Fa， SUN Wen-hu, JIA Peng

(Logistic College of PLA, Beijing 100858, China)

With increase of scale and complexity of Weapon System-of-Systems, model driven architecture design method has become a research hotspot of complex system development. This paper uses systems modeling language (SysML) and proposes a model driven architecture design method composed of capability requirement analysis, black-box analysis and white-box analysis. The application of SysML in architecture modeling is presented. Because the SysML tool is insufficient in simulation visualization and system analysis, the modeling tool is integrated with the simulation analysis tool in design and simulation analysis of weapon equipment architecture.

model based system engineering; Weapon System-of-Systems Architecture; model driven method; SysML

2016-10-09

陸 法(1989-),男，廣西來后人，碩士，講師，研究方向為體系結構。 孫文虎(1973-),男，副教授。 賈 鵬(1981-)，女，博士，講師。

1673-3819(2017)01-0044-04

E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.01.010

修回日期： 2016-11-14