基于IABM的多鏈體系集成互操作能力提升

屈天剛, 劉曉磊

(1.中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036；2.海軍裝備部，四川 成都 610036)

0 引 言

新時期體系化作戰是作戰的主要形式，作為戰斗力形成的重要支撐，數據鏈從單鏈組織運用向多鏈體系運用發展，以支持快速形成強敵對抗條件下“傳感器到射手”的體系打擊能力。同時快速發展的各種新型平臺對數據鏈系統的集成鉸鏈提出新的要求，因而必須降低數據鏈與應用平臺集成的難度，提高數據鏈與應用平臺集成的層次，解決新裝備和特殊平臺的數據鏈集成問題，切實提高作戰平臺的數據鏈集成鉸鏈能力。當前在異構平臺多數據鏈集成領域存在以下四個問題。

1)各類數據鏈裝備建設需求迫切，技術狀態頻繁的迭代升級，缺少統一裝備、協調管理等，各類數據鏈裝備仍是“煙囪式”發展，互操作性沒有得到很好的解決，缺乏統一有效的設計。

2)在面向特定任務的單鏈裝備建設模式下，各數據鏈系統相對獨立運行，對多鏈的組織運用相對匱乏，難以在多鏈間共享、處理以及分發通用體制的重要信息。

3)隨著各類數據鏈需要鉸鏈的平臺數量越來越多，平臺類型越來越多元化，平臺的結構也各有不同，其控制流程、信息格式、接口的復雜性也急劇增長。

4)在數據鏈體系設計、建模仿真、運用管理方面數字化水平低，缺乏有效的統一建模支持系統和相關自動化工具，導致數據鏈系統研制、驗證、聯試、試驗等活動成本高、周期長、見效慢。然而，聯合能力不能在各類數據鏈裝備后再設計整合，各類數據鏈必須成體系發展建設，從頂層設計開展聯合作戰的需求分析、體系結構研究試驗驗證和組織運用等，才能保障聯合作戰時各鉸鏈作戰要素效能的發揮。

在作戰需求和信息技術的驅動下，美軍著力打造符合現代信息化戰爭要求的數據鏈裝備。美軍作戰平臺和應用系統種類繁多，尤其是早期各兵種根據自己的作戰需求研發相應的數據鏈系統，導致重復建設和互不兼容的問題。為避免建設資源的浪費，美軍采用組合管理方式高效管理數據鏈項目，例如單一集成空中圖像(Single Integrated Air Picture，SIAP)項目[1]，利用系統之系統(System of Systems,SoS)[2-3]方式整合數據鏈，以保證整個項目進展的一致性[4-5]。通過構建集成體系結構行為模型(Integrated Architecture Behavior Module,IABM)，實現了不同平臺的數據鏈和各類任務系統的體系整合，該模型方法采用模型驅動結構(Model Driven Architecture，MDA)和xUML語言對系統需求和功能進行形式化描述，是構成SIAP的通用軟件規范。IABM將Link-11、Link-16和P2P網絡與傳感器、武器、指揮控制等系統有效地整合在一起，形成跨平臺、跨鏈的SIAP，該模型具有良好的可移植性和擴展性，可以根據平臺裝備具體情況靈活運用在美軍的各類項目中。此外，美軍為整合“煙囪式”發展的數據鏈裝備，研發各種各樣的集成設備促進數據鏈之間的互通，以此實現多鏈路的協同運用，如陸軍聯合對地攻擊巡航導彈防御用網絡傳感器系統(Joint Land-attack Cruise Missile Defense Floating Networked Sensor System，JLENS)、海軍通用數據鏈管理系統(Common DataLink Management System，CDLMS)、戰場機載通信節點(Battlefield Airborne Communication Node，BACN)和通用鏈路集成處理(Common Link Integrated Processor，CLIP)計劃等。

本文圍繞數據鏈體系聯合作戰應用能力形成，結合數據鏈體系特點，采用基于模型的體系工程方法，開發了基于MDA的集成體系結構行為模型，旨在提升各類平臺數據鏈的互操作性和多平臺傳感器、武器的協同能力；在該模型的基礎上，為加快研制的進度，本文進一步提出了基于模型的敏捷開發過程，綜合提高數據鏈裝備體系互操作水平。

1 數據鏈體系構建

1.1 數據鏈體系需求分析

數據鏈體系需求分析需要首先從數據鏈裝備最新發展情況出發，為提高基于網絡信息體系的聯合作戰能力、全域作戰能力，需要重點解決數據鏈領域多種類型多種型號系統裝備間互操作問題，實現數據鏈裝備體系建設、武器平臺與數據鏈體系集成和數據鏈體系運用。

基于DoDAF 2.0(Architecture Framework of DOD)[6]框架，數據鏈互操作能力需求分析流程如圖1所示。首先，分析數據鏈裝備領域的差距和不足，提出數據鏈未來發展需求、規劃和總體架構，綜合考慮各類平臺的多鏈集成應用，構建基本殺傷鏈，設計高級作戰概念；其次，針對數據鏈全生命周期建設、管理與運用，對組織結構、作戰流程進行分解，設計組織機構關系、作戰活動模型；接著,以組織結構為參照，對作戰節點之間的信息交互需求進行設計，形成作戰連接關系視圖、作戰節點間的信息交互關系；最后，以對系統組成進行分解為基礎，獲取功能需求、接口需求等，建立系統功能與能力的映射。

圖1 數據鏈互操作能力需求分析流程

1.2 數據鏈體系框架構建

數據鏈裝備體系需要深度鉸鏈戰場感知、指揮控制、武器控制、電子對抗、敵我識別等作戰信息系統，打造“偵、控、打、評”閉合信息環路，實現大容量情報信息分發、大規模戰場態勢形成、實時性平臺指揮控制、高精度武器協同打擊等能力，從而獲取信息優勢，提高控制精度，增強打擊時效，控制作戰進程，提升聯合作戰效能。

為實現數據鏈體系互操作能力提升，借鑒體系工程、基于模型的數據鏈體系工程方法、基于能力的需求分析等方法理論，結合數據鏈體系演進的層次性、復雜性、演化性和涌現性等特征，開展數據鏈體系設計。按照數據鏈裝備體系能力發展模式，基于數據鏈不同部門、不同人員使用需求以及業務流程，凝練數據鏈體系工程核心要素，設計數據鏈體系工程過程，形成基于模型的數據鏈體系工程方法，包括技術方法和技術管理方法?；谠擉w系工程方法，參考體系互操作模型[7]，提出具有體系特性的“雙V”模型。上層的“V”模型，從項目管理角度，開展體系建設與運用，提出滿足聯合互操作的數據鏈體系能力要求，對數據鏈裝備建設項目進行決策，并能對整個項目實施過程進行監督和調整；從技術角度，開展體系設計和驗證，為管理層面進行數據鏈體系能力確定與評估、項目決策、組織運用等提供技術支持；體系集成和工程支持，作為“雙V”兩層工作的紐帶，從工程實施角度，對上能夠以數據/模型等方式為體系總體設計與驗證工作提供支持，對下在裝備體系設計與優化層面，能夠提出多種解決方案，為體系基線、體系增量和體系擴展的構建提供依據和要求。下層的“V”模型，在裝備體系設計與優化層面，主要基于體系總體集成與工程支持提出的技術要求，開展數據鏈體系基線、增量、擴展的設計，構建相應的數據鏈系統裝備或者數字化技術體制模型。而利用數字化技術等搭建互操作驗證平臺，為科學、高效開展兩個層面工作提供統一的建模仿真、試驗驗證環境支撐，滿足端到端互操作能力和體系功能驗證需要。數據鏈體系的總體框架如圖2所示。

圖2 數據鏈體系總體框架

本文重點針對體系集成工程實施層面的互操作能力提升工作，圍繞多數據鏈體系集成互操作能力提升這一核心需求，提出數據鏈體系技術體制模型的設計、開發和功能驗證等。

2 基于IABM的數據鏈技術體制模型設計

數據鏈裝備體系種類多，涉及面廣，是一種典型的跨軍種、跨平臺、跨專業裝備的復雜體系。因此，其互操作能力尤為重要，要求也更高，需要橫向整合多類數據鏈系統資源，縱向深度集成傳感器、指控系統、武器系統等各類作戰要素，從作戰應用、需求分析、體系/系統設計、體系/系統裝備研制、平臺集成、測試等多方面進行通用模型化驅動開發，以實現數據鏈互操作能力的全面提升。

本章采用基于集成體系結構行為模型的方法，設計制定統一的數據鏈技術體制可執行模型規范。該模型設計要體現應用能力、邏輯功能、消息處理、網絡結構和運維管理的整合和統一，提升現有數據鏈裝備的互操作能力水平。系統工程技術解決途徑包括構建可執行的統一技術體制模型、構建分布式系統網絡架構和敏捷開發過程三部分內容，最后生成可執行的體系結構模型產品。

2.1 基于IABM的數據鏈技術體制概念設計

首先依據數據鏈體系結構，針對數據鏈體系功能的實現問題，提出構建統一技術體制模型的概念，即基于IABM的數據鏈技術體制模型，并擬采用模型驅動結構開發數據鏈體系的基準系統。MDA定義了三種模型，分別為計算獨立模型(Computation-Independent Model, CIM)、平臺獨立模型(Platform-Independent Model, PIM)和平臺特定模型(Platform-Specific Model, PSM)。其中CIM描述數據鏈系統的需求和將在其中使用系統的業務上下文，PIM描述如何構造數據鏈系統，兩者都不涉及如何實現以及具體的技術。而PSM將從特定的各鏈各平臺的角度給出解決方案，包括如何在各鏈各平臺上完成異構平臺多鏈集成能力實現的細節。

基于IABM的技術體制模型是獨立于軟硬件平臺的數據鏈體系通用功能實現，即PIM，在功能上涵蓋數據鏈系統的頂層需求和作戰需求。當IABM模型通過驗證與確認時，其實現生成將由各鏈各平臺執行。該模型具備靈活適變的優點，各鏈各平臺可以結合自身作戰應用、裝備建設、平臺集成、關鍵技術、系統工程、基礎環境等需求，選擇適當的功能并對其進行裁減，在已有的作戰/武器系統的計算機程序上運行操作，交由各平臺進行性能測試，將IABM的PIM模型轉換為IABM平臺特定模型，以便集成到系統中去。如此可以確保數據鏈體系模型開發過程中軟件高度的一致性和可維護性，以有效縮短開發周期和控制開發成本。而后PSM將被編譯成最終項目代碼輸出，完成多鏈集成互操作能力提升的具體實現(Platform-Specific Initiative,PSI)。

2.2 分布式互操作性網絡結構設計

基于IABM模型的互操作性提升實現需要進一步構建以對等網絡節點為核心的分布式系統網絡結構，網絡節點集成包括各種通信設備和通用信息處理設備(由技術體制模型具體實現)。有相同任務需求的網絡節點，采用統一的數據鏈功能處理架構，即具有相同的輸入、相同的處理流程，從而產生相同的處理結果。其次，在接入各種鏈路的基礎上，設計和實現分布式統一戰術數據(核心是戰術消息)的信息處理機制，即遵循現役、正在開發和設計中的數據鏈消息格式標準，但重新設計和實現統一的消息處理流程標準。

如圖3所示，IABM將每個平臺視為對等的實體，數據通過P2P對等通信網絡或數據鏈網絡在平臺間交換。在數據鏈體系內部開發一個通用分布式處理的技術體制模型集，在體系內每個需要交互的節點上提供邏輯功能層面的、具備數據一致性的功能集合，實現平臺與功能的解耦，在異構多鏈集成體系中實現了各鏈各平臺邏輯上的同構，從而控制了體系的復雜性，實現跨平臺間的體系互操作性。

圖3 分布式互操作性體系結構示意圖

2.3 數據鏈體系敏捷開發過程設計

敏捷開發與管理是指應用已證實有效的原理、方法，通過合適的工具和標識，系統地描述出待開發系統及其行為和相關約束。數據鏈體系集成能力要求支持需求、研制、運用等不同時期平臺集成鉸鏈的敏捷開發和快速生成，具備多鏈、單鏈、平臺、設備和軟件等不同層次平臺集成鉸鏈的一致性、靈活性、可擴展性。本節參照工程理論模型，開展數據鏈體系體制模型敏捷開發過程設計。

將數據鏈技術體制模型開發過程分解為六個層次，如圖4所示，每個層次都有自己的需求、運行概念、產品開發(配置項)、開發團隊和可追蹤的關系，下層工作依賴上層的需求定義和產品。采用時間盒管理方法進行敏捷迭代開發，每個時間盒包括功能需求規格描述、功能建模、技術體制模型集成和測試以及時間盒評估的完整過程。

圖4 數據鏈體系敏捷開發過程示意圖

2.4 數據鏈體系功能結構設計

數據鏈系統只有集成到平臺上才能為平臺賦能，需要適配于各種指控系統、傳感器和武器系統，提供端到端的信息交互能力，其功能架構應足夠開放和具有擴展性。為此，數據鏈技術體制模型體系功能設計分為核心層、選項層和適配層三個功能層次，其集成架構如圖5所示。核心層是所有數據鏈系統實現都需要的通用功能。選項層的功能可以根據平臺的具體情況進行取舍。適配層與特定的系統/平臺有關，提供與各種傳感器、武器、指控和數據鏈系統的接口功能。實例化的多數據鏈技術體制模型功能結構，如圖6所示。

圖5 數據鏈體系技術體制模型集成架構示意圖

圖6 多數據鏈技術體制模型功能結構示意圖

在數據鏈體系功能設計和建模驗證過程中，依據作戰想定，借助統一建模平臺(Unified Platform for Defense Modeling，UPDM)進行體系功能結構設計。在UPDM上，對體系功能結構模型進行業務流程建模，即通過統一建模語言完整描述系統體系架構模型，利用解耦有限狀態機的方式來實現系統的可執行性。借助UPDM與SysML建模語言的歸一化特點，可以較完善地描述系統體系及內部功能流程，螺旋上升式地循環考察體系模型的正確性。

數據鏈體系功能設計和建模的輸入是高層作戰需求，借助UPDM的架構設計工具進行體系結構設計，形成符合DoDAF2.0、SysML等規范的作戰體系結構、系統體系結構和分系統設計產品，由于該平臺提供統一的描述和管理手段，各階段的設計產品可平滑地用作下一階段的設計輸入。借助UPDM系統設計工具，將架構設計工具傳遞的模型生成可執行的數據鏈技術體制模型。同時，該工具支持與Matlab、HLA等仿真環境互聯接口，能夠結合軟件設計工具硬件研發平臺和測試平臺開展系統的設計和開發。UPDM應用過程與其他系統開發工具的關系如圖7所示。

圖7 體系統一建模平臺應用過程示意圖

3 結 語

本文分析了當前數據鏈體系集成面臨的問題，結合數據鏈演進特點，通過貫穿于數據鏈體系全生命周期的建模設計，以靈活的模型驅動結構開發了數據鏈體系多數據鏈集成技術體制模型。而后進一步構建了以對等網絡節點為核心的分布式系統，最后設計了適用于數據鏈體系的敏捷開發過程，并借助統一建模平臺進行了體系功能驗證，驗證結果表明對于提升異構平臺多數據鏈體系集成的互操作性有重要意義。

采用模型驅動結構方法和SysML語言對系統需求和功能進行形式化描述，產生可裁剪計算機化的系統規范或者可執行的體系結構。各作戰平臺依據各自平臺的具體情況對集成架構行為模型進行適當裁減，便可生成可執行代碼，方便地集成到系統中去。通過這種基于模型的系統工程思想的軟件開發方式，確保開發過程中軟件高度的一致性、可維護性，并且可以縮短開發周期和控制成本。