C4ISR系统体系结构及其关键技术

伍江华，张仁茹

(中国舰船研究院，北京 100192)

C4ISR系统体系结构及其关键技术

伍江华，张仁茹

(中国舰船研究院，北京 100192)

阐述了体系结构在C4ISR系统设计、研制和建设过程中的作用，分析了美军C4ISR系统体系结构框架的演化过程，以及C4ISR系统体系结构的关键技术，探讨了关键技术的实现途径与需要解决的问题。最后，总结了体系结构技术发展的特点。

C4ISR系统;体系结构;框架;关键技术

0 引言

随着信息技术和网络技术发展，作战模式正从传统“平台中心战”向“网络中心战”转变，以C4ISR系统为核心的信息化建设，是获取信息优势与决策优势的关键。

C4ISR系统也称之为综合电子信息系统，是涉及到指挥控制、情报侦察、预警探测、通信导航、电子对抗、综合保障以及作战人员等多要素的复杂军事信息系统。由于系统组成复杂、设备异构、分布广域、系统间信息交互频繁等特点，对系统的实时性、互操作性、协同性、可靠性等提出了更高的要求，导致系统设计和开发成为一项艰巨的任务。

在C4ISR系统设计和开发过程中，体系结构起着重要作用，它是保障系统之间可集成和可互操作的关键，也是系统顶层设计与开发的有效方法和指导系统进行演化的有效途径。体系结构技术和方法已经成为美军作战概念研究、体系构建、系统分析、设计、验证、能力评估、采办决策等重要手段，它有力支持了军队转型和信息化装备体系的建设。

1 C4ISR体系结构框架演化历程

从20世纪90年代以来，美军体系结构发展经历了准备、开发和转型3个阶段，已形成了完整的体系结构框架及产品，相继发布了体系结构发展框架与标准规范体系，如图1所示。

1)准备阶段(1995年前)

以《信息技术体系结构框架参考模型》和《联合技术体系结构》为基础，主要是从软件角度描述系统体系结构。

2)开发阶段(1996年～2002年)

1997年12月18日，颁布《C4ISR框架2.0》，并规定将其应用所有C4ISR体系结构的描述，即采用作战视图、系统视图和技术视图三视图结构26个产品(7个基本产品和19个支持产品)来描述体系结构(见图2)。

图1 美军体系结构演化过程Fig.1 An evolving process of USA C4ISR architecture

图2 C4SIRAF视图的关系Fig.2 The view relationship of C4SIRAF

3)转型阶段

美军随着作战理念的变化，尤其是网络中心战理论的出现，体系结构框架从 DoDAF1.0向过渡性DoDAF1.5到DoDAF2.0变化。

2003年8月，颁布了DoDAF 1.0版本，调整了C4ISRAF 2.0版的结构，提供了产品描述和补充信息，并从C4ISR领域拓展到所有联合能力域，重视体系结构数据，强调利用体系结构数据元素构成体系结构产品。

2007年4月，颁布过渡性的DODAF V1.5，开始将焦点从“产品为中心”向“数据为中心”转变。首次提出框架由数据层和表示层2层结构组成，以加强体系结构内部数据元素的一致性;引入服务和面向服务体系结构的思想，提供了如何在体系结构中反映网络中心概念等规范。

2009年9月，颁布了DoDAF2.0，从三大体系结构视图扩展为八大体系结构视图，如图3所示。它支持国防部网络中心数据策略和网络中心服务战略，提供了促进网络中心环境的构建和维护的解决方案。

图3 DoDAF 2.0体系结构视点Fig.3 Architecture viewpoints in DoDAF V2.0

2 C4ISR体系结构关键技术

2.1 C4ISR体系结构设计与开发方法

目前，体系结构设计与开发方法主要包括结构化设计与开发方法、面向对象设计与开发方法、基于活动的方法等3种。

1)结构化设计与开发方法

结构化设计与开发方法主要包括3个阶段(图4):分析阶段，利用作战概念驱动开发过程，并用技术体系结构视图进行指导，得出用户所关心功能视图和物理视图的静态表示方法;合成阶段，通过对系统静态体系结构和对体系结构的动态描述获取体系结构的可执行模型;评价阶段，通过可执行模型进行系统的性能和效能的估量［1－2］。

图4 基于结构化的体系结构开发过程Fig.4 Development process based on SS

2)面向对象的设计方法

面向对象设计开发过程是一个迭代开发过程［2］，如图5 所示。

图5 基于OO迭代过程Fig.5 An iterative process based on OO

①开发用例，利用领域知识和作战概念建立系统高层的各种用例，形成AV-1，OV-1;② 在设计用例的基础上，说明其预期行为(包括顺序图、所涉及对象、状态图等)，将用例转化为系统顶层的顺序图，描述系统之间的信息交互关系，形成OV-3，SV-6，SV-3，OV-6c，SV-10c，同时根据需求扩展顺序图，增加状态和时间约束，建立 OV-5，SV-4，SV-5;③ 分解系统对象，建立系统类图;④ 通过系统的类图、顺序图和扩展顺序建立系统对象的状态变化模型，形成OV-6，SV-10;⑤确定系统信息与接口的映射关系，形成OV-2，SV-1;⑥构建系统的类图，形成相关的数据模型;⑦确定体系结构模型，如图6所示。

图6 面向对象的开发体系结构产品设计步骤Fig.6 Some steps of developing the architecture products

3)基于活动的设计方法

基于活动的设计方法 ABM，主要针对一体化DoD体系结构的开发和分析，提供了一种严格和规范的设计方法［3］。

ABM方法的设计过程:①作战视图与系统视图之间的产品是对称分布的，即描述作战视图的OV-2，OV-5，OV-7，OV-4 和系统视图的 SV-1，SV-4，SV-11，SV-1的产品是对称。② 这8个OV产品和SV产品是构成完整架构的基本组件，形成体系结构产品的最小集合，其他产品可以适当补充。③ 架构数据规格模型定义了信息流、作战活动、作战节点、人员角色、数据流、系统功能、系统节点、系统等核心元素之间三元映射的关系，如图7所示。④ 核心架构数据从DoDAF单个产品中输入产品开发过程。以作战视图说明开发过程，首先，建立OV-5父子活动模型，在OV-5节点树中标识和分解作战活动;然后，创建完成作战活动的作战节点OV-2，分配完成任务的角色，在OV-4中标识组织单元和角色;在此基础上，使用矩阵跟踪作战活动、作战节点、角色间关系，并检查三元关系的映射和生成信息交换线到需要线的映射;最后，描述OV-2作战节点连接图和生成OV-3作战信息交换矩阵。⑤相关体系结构产品自动从核心架构数据中生成。⑥根据需求，DoD产品会被自动补充完整。

图7 基本产品和核心元素之间的关系Fig.7 Relationships between basic products and core elements

2.2 C4ISR体系结构建模与描述技术

体系建模与描述技术主要包括 IDEF0，UML，SySML等方法。

1)IDEF0方法

IDEF0利用图形符号和自然语言，按照自顶向下方法，逐层分解的结构化描述来建立系统的功能模型。它主要侧重系统的功能结构和信息流，能较为直观地反映军事人员对作战任务过程的理解和完成作战任务的基本需求，达到军事和技术人员交流的目的。但是对系统动态特性如同步性、并发性以及活动间的冲突等无法表达。

2)UML方法

主要采用UML模型中的用例、类图、状态图、顺序图等以及一些扩展机制(通过构造型、标记值和约束对UML模型进行扩展形成使用体系结构的元模型和元类型)，遵循基于OO的体系结构开发过程，完成体系结构产品进行建模。

3)SysML建模语言

系统建模语言(SysML)是基于UML2.0开发的系统工程可视化体系结构设计语言，根据UML对系统体系结构表达上的不足，对其中部分图形进行了修改和扩展，增加了需求图和参数图，删除了UML中的合作图和配置图，以确保SysML系统工程设计能严格遵循DoDAF体系结构框架文件标准［4］，如图8所示。

图8 SysML主要组成Fig.8 Main composition of SysML

2.3 C4ISR体系结构数据模型

体系结构数据为体系结构描述的使用和重用提高了效率和灵活性。目前体系结构数据已从核心数据模型演化为DM2，强调了体系结构数据及其导出信息的采集、组织和维护。DM2采用元建模技术，对体系结构中数据进行定义和建模，定义了体系结构中数据元素，其目的是组成用于描述和交流DoDAF模型的基本词汇;形成物理交换规范的基础，实现在体系结构工具和各种数据库之间的数据交换。

DM2由概念数据模型(CDM)、逻辑数据模型(LDM)和物理数据交换规范(PES)组成。概念数据模型定义了涉及体系结构描述中创建的高层数据结构如活动、能力、协议等，为所有执行者和管理者提供了解体系结构描述的数据基础。概念数据模型的底层是利用通用数据建模构造，从而提高通用数据模式的重用。逻辑数据模型包括所有基本元素、通用模式及其与DoDAF概念间的关联。同时包含了信息来源、保密等标记和识别符的一些通用核心属性，采用UML模型描述，通过这些UML元模型定义了8个视图中的组成、关系，从而形成视图。物理数据交换规范提供了1个有效、标准的方法，主要通过1套XML范式定义体系结构数据和信息，以确保在1个与工具集无关、与方法无关的环境中能够共享数据。

2.4 C4ISR体系结构度量与验证技术

C4ISR系统体系结构度量与验证的主要任务是检查体系结构设计的正确性，确定体系结构描述是否满足系统的功能需求和非功能(性能)需求及满足需求的程度，它分为静态分析和可执行模型2种方法。

1)静态分析方法

静态分析方法主要采用基于场景的架构权衡分析方法ATAM。它是一种验证架构非功能需求的方法，通过对诸如性能、可更改性、可靠性、安全性等多种非功能需求的分析来检查架构设计的正确性，提供了1个分析多质量属性之间交互和冲突的框架，为改进架构设计提供依据［6］。

该方法的优点是能在系统各类相关角色的参与下，确定各类质量属性的折衷方案，有利于体系结构设计在相关各方达成共识。其缺点是建立与实际系统吻合的质量属性模型非常困难，无法对体系结构的行为特性进行验证。

2)可执行模型

可执行验证法主要用于验证体系结构的逻辑性、合理性等动态特性，即侧重于体系结构验证的语义和语用层次。可执行验证法主要有4种，分别从不同方面对架构的动态行为进行验证。

①将结构化设计模型转换为CPN

在结构化描述中，利用活动模型、规则模型、数据模型组合构建CPN可执行模型，通过执行Petri网模型验证是否存在死锁及体系结构执行结构是否符合需求。该方法主要利用IDEF0描述的作战活动模型，因缺少对输入数据、输出数据等时序描述，在生成对象Petri网模型中，需要人工干预的因素较多［6］。

②基于UML的体系结构验证方法

利用可执行UML思想或者基于UML2.0，通过状态图和扩展的顺序图(含时间、状态标志等)来描述作战节点执行序列和状态变化，通过一序列事件刺激作战节点的状态图，将特定想定下作战节点状态图的执行过程以时序图的方式进行展现，便于用户观察作战节点状态图的执行逻辑。

③ 基于StateChart图验证方法［5］

利用状态图描述体系结构中的OV6b和SV10b，刻画系统实体在生命周期内状态变化过程，利用状态图动态特性，通过模型执行结构验证作战节点状态或者系统状态的可达性。但状态图模型难以验证架构的功能、性能特性，不能很好满足架构验证的要求。

④基于业务规则模型的验证

主要利用IDEF3描述作战规则模型OV6a业务流程仿真，典型工具如Popkin公司的System Architecture(SA)软件。SA利用IDEF3描述作战规则模型，并在仿真器中编辑和运行作战规则模型，通过运行结果来验证作战规则的逻辑性，并利用仿真结果中作战节点资源的利用率或空闲状态分析作战规则设计的合理性。业务流程规则的逻辑性和合理性验证具有很强的可操作性和合理性，无法对架构的状态转移、作战时序关系等动态特性进行验证［6］。

3 结语

体系结构是C4ISR系统设计、研制和建设中的重要环节，对系统设计、实现、集成有着重要作用。在C4ISR系统发展过程中，美军注重体系结构理论与方法、体系结构及相关技术有如下特点:

1)C4ISR系统体系结构框架支持新的军事理论发展，如网络中心战理论、全球信息栅格GIG等。

2)适应网络中心的军队转型需求，支持网络中心数据战略和网络中心战服务战略。

3)体系结构从以产品为中心转向为以数据为中心，注重体系结构数据一致性和重用性，通过元建模技术，形成一套可移植、可互操作的体系结构数据，通过数据模型形成合适的体系结构视图。

4)支持新技术的应用，提供促进网络中心环境构建和维护的面向服务的技术方案。

［1］WAGENHALS L W.KIM I S D，LEVIS A H.C4ISR Architecture Ⅱ:A Structure Analysis Approach for Architecture Design［J］.System Engineering，2000，3(4):248－287.

［2］BIENVENU M P，SHIM I，et al.C4ISR rchitecture Ⅲ:an object-oriented approach to architecture design［J］.System Engineering，2000，3(4):288 －312.

［3］RING S J，NICHOLSON D，etal. Stanleyharris.an activity-based methodology for development and analysis of integrated DoD architectures-“the art of architecture”［A］.2004 Command and Control Research and Technology Symposium:The Power of Information Age Concepts and Technologies［C］，2004.

［4］吴娟，王明哲，方华京.基于SysML的系统体系结构产品设计［J］.系统工程与电子技术，2006，28(4):594－598.

［5］黄力.基于Statechart图的C4lSR系统体系结构验证方法研究［D］.北京:国防科学技术大学，2004.

［6］姜志平.基于CADM的C4ISR体系结构验证方法及关键技术研究［D］.北京:国防科技大学，2007.

The architecture and architecture technology of C4ISR system

WU Jiang-hua，ZHANG Ren-ru
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

The C4ISR architecture had an important effect on the C4ISR system design，development and construction.The evolvement process of C4ISR architecture framework was analyzed，and the key architecture's technologies were summed.Then，some key technologies'approaches how to be realized and some issues which were resolved using the technoloies were discussed.Finally，the characteristics of the architecture's technologies were educed.

C4ISR system;architecture;framework;key technology

TP393.03

A

1672－7649(2011)06－0034－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.009

2011－05－06

伍江华(1975－)，男，博士，高级工程师，研究方向为C3I系统总体技术与系统集成技术。