复杂大系统的体系结构建模方法研究

黄小华

(中国西南电子技术研究所，成都　610036)



工程与应用

复杂大系统的体系结构建模方法研究

黄小华

(中国西南电子技术研究所，成都610036)

针对复杂大系统的复杂性问题及体系结构产品描述的需要，提出了一种复杂大系统的体系结构建模新方法及技术。首先简要介绍了复杂大系统的层次结构及其体系结构的层次和特点，给出了DoDAF 1.X体系结构及其建模的局限性，提出了基于DoDAF 2.X方法的复杂大系统体系结构建模流程，最后以陆海协同攻击的复杂大系统为例进行DoDAF 2.X体系结构建模，验证了方法和技术的可行性，对我军开展网络中心战的体系作战研究有一定借鉴意义。

团队体系结构；体系结构描述；体系结构框架；国防部体系结构框架；复杂大系统；视图；视角

0　引　言

复杂大系统[1-4](System of Systems系统的系统)又称为“体系”，就是指为达成某目标，由相互独立而又相互协作的一些系统组织在一起的更高层次系统。美国国防部《体系系统工程指南》中将复杂大系统列为一类特殊的系统，其中将系统定义为在功能、物理和/或行为上相互交互和依赖的多个组件元素的集合所构成的一个整体，而体系的定义为多个系统的集合和配置，这种配置使得当独立和有用的系统被集成为更大的系统时将形成特有的能力。而系统体系结构[5]通过描述其组成部件、组成部件之间的关系、组成部件与环境之间的关系以及制约其设计和演进的规则、指南，为解决系统建设提供有效机制，是系统顶层设计的蓝图，对系统需求获取、分析、设计以及维护具有重要指导意义。简而言之，体系结构就是建立系统关系和规则，以组装系统完成目标。因此复杂大系统和系统的最大差异在于复杂大系统由各组成系统松散耦合，其中的组成系统可以独立运行，而系统由系统组件相对耦合紧密，其中的组件不能离开系统环境独立运行。因此，复杂大系统的层次划分和对应层次的体系结构如图1所示。

图1　复杂大系统的三个层次示意图

图2　DoDAF 2.X的八大产品视角

从图1中可以看出，复杂大系统可以分为复杂大系统、系统和组件三个层次，在构造系统和复杂大系统的过程中存在两个层次的体系结构，分别是由组件构建系统的解决方案级体系结构(SA)和由系统构建复杂大系统的团队体系结构(EA)。SA和EA除了层次不一样外，EA重点关注系统间关系及服务，侧重于系统广度方面，而SA重点关注系统内部功能及数据，侧重于系统深度方面。由于复杂大系统的焦点问题是系统间的互操作能力和集成特性，即关注复杂大系统的组成和交互复杂性及沟通问题，同时为了提高SoS的研发效率、缩短研制周期和降低研制风险，因此需要重点关注SoS的体系结构设计，并希望能在设计的过程中验证体系结构的正确性，因此对SoS体系结构的设计提出了新的方法和技术要求。

1　体系结构框架

为了有效表示和使用体系结构，就必须对其进行规范化描述，即体系结构描述。体系结构描述是对体系结构特定视角不同关注点的描述，可以用模型、图形、文本及表格等表示。而不同视角及关注点形成体系结构不同分类和组织信息的方法就是体系结构框架。体系结构框架为分类和组织体系结构信息提供依据，为指导体系结构产品的开发提供原则和指南。DoDAF是由美国国防部(DoD)所制定的系统体系结构框架(AF)，其前身是C4ISR体系结构框架(AF)，美国国防部于1996年6月推出C4ISR AF 1.0版本[6]，于1997年12月推出C4ISR AF 2.0版本[7]。为了将C4ISR AF可以应用到所有的任务领域，于2003年8月推出DoDAF 1.0版本，为了在体系结构的描述里体现以网络为中心的概念，于2007年4月推出DoDAF 1.5版本，但这些AF都是以产品为中心，主要包括全景视图(AV)、业务视图(OV)、系统视图(SV)和技术视图(TV)4类26个视图产品，26个产品描述了从需求到实现的整个架构，保证架构描述和沟通的一致性，其中，业务视图的9个产品主要描述要做什么，要支持的业务概念，主要完成业务任务的活动和人员及组织之间的相关信息交换，揭示业务能力和互操作性方面的需求；系统视图的13个产品主要描述如何去做，包括已有系统、待建系统和物理互联，以支持业务视图中记录的业务需求；技术视图2个产品主要定义约束规则，描述系统部件和组件及其互联的技术标准，包含技术细节和技术标准演进的预测；全景视图2个产品是对OV、SV和TV三个视图的总述，主要描述架构项目应用范围和目的等相关总体信息，包括上下文、摘要和综合术语字典等；DoDAF 1.X的产品视图如表1所示。

表1　DoDAF 1.X的产品视图[1,2]

SoS是为达成某目标，由相互独立而又相互协作的一些系统组织在一起的更高层次系统，是系统之上的系统，由各组成系统松散耦合，其中的组成系统可以独立运行，因此其重点在于系统间的互操作能力和集成特性，即系统间的数据交互和服务问题。随着SoS复杂性的增加，系统体系结构产品从系统产品为中心转为以系统间数据和系统服务为中心，而DoDAF 1.X以模型产品为主，对系统服务和数据的支持有限，美国国防部(DoD)于2009年5月推出新的模型产品DODAF 2.0，后续还推出DoDAF 2.X，DoDAF 2.X明确了体系结构是以数据为中心，而非以产品为中心，支持SOA体系结构设计，DoDAF 2.X的8种产品视角如图2所示。

DoDAF 2.X在原有DoDAF 1.X基础上保留了全景视角(AV)、作战/业务视角(OV)和系统视角(SV)，用范围更广的标准视图(StdV)来替代技术视图，并增加了能力视角(CV)、服务视角(SvcV)、项目视角(PV)、数据和信息视角(DIV)共8类52个视角如表2所示,所有视角可根据需要进行裁剪。

表2　DoDAF 2.X的产品视图[3,4]

从表1的DoDAF V1.X和表2的DoDAF V2.X可以清晰的看出，DoDAF V1.X以产品为中心进行体系结构开发，DoDAF V2.X则是以服务和数据为中心，并从源头上增加了能力视角和计划管理角度出发的项目视角，可以支持SOA架构和系统工程等SoS开发。

2　体系结构建模开发方法

DoDAF体系结构建模[1-4]采用系统建模语言[8](SysML)，在系统静态分解过程中采用结构化分析设计技术，而在系统动态建模过程中采用面向对象分析设计技术，是一种规范化描述体系结构的方法。DoDAF体系结构框架中的各个视角模型产品间是有逻辑关系的，建模过程中需开发并关联能力视角、项目视角、业务视角、服务视角、系统视角和标准视角等的体系结构建模。针对SoS的面向服务和数据等特点，结合DODAF 2.X的体系结构开发过程，建立基于DoDAF2.X的SoS体系结构开发流程如图3所示，具体步骤：

(1)定义项目范围和建立初步规范：建立项目概览AV-1、初步的综合字典AV-2以确保理解的一致性、初步的技术标准概要StdV-1和技术标准预测StdV-2以规范和约束体系结构设计；

(2)能力视角模型开发：建立能力构想CV-1、能力分类法CV-2、能力阶段划分CV-3、和能力依赖性CV-4，初步完成能力视角模型的开发；

(3)项目视角模型开发：建立项目组合关系PV-1、项目时间进度PV-2和项目对能力的映射PV-3，完成项目视角模型的开发；

图3　基于DoDAF2.X的SoS体系结构开发流程

(4)业务体系结构模型开发和验证：描述要系统支持的业务概念，揭示业务能力和互操作性方面的需求；确定任务和行动及业务要素完成业务需求要求的信息流，表述系统支持的职能和逻辑要求。按顺序分别建立业务概念图OV-1、概念数据模型DIV-1、组织结构图OV-4、能力对组织的映射CV-5、业务规则模型OV-6a、业务活动分解树OV-5a、能力对业务活动的映射CV-6、业务活动模型OV-5b、逻辑数据模型DIV-2、业务事件跟踪描述图OV-6c、业务节点连接图OV-2、业务状态转换描述OV-6b和业务信息交互矩阵OV-3等业务及相关视角产品。

(5)服务体系结构模型开发和验证：对支持或提供业务功能的各个系统需提供的服务进行描述，按顺序分别建立服务背景描述SvcV-1、服务功能描述SvcV-4、服务规则模型SvcV-10a、服务演进描述SvcV-8、服务技术预测SvcV-9、物理数据模型DIV-3、服务事件跟踪描述SvcV-10c、服务状态转换描述SvcV-10b、业务活动与服务跟踪矩阵SvcV-5、系统服务矩阵SvcV-3a、服务服务矩阵SvcV-3b、服务资源流矩阵SvcV-6、服务资源流描述SvcV-2和服务度量矩阵SvcV-7等服务及相关视角产品。

(6)系统体系结构模型开发和验证：对支持或提供业务功能的各个系统内部结构和运行规则，以及其系统间互连和互操作关系的描述，为了达到所期望的行为确定必须交互的系统(逻辑组件)和系统节点(物理组件)。按顺序分别建立主要完成系统接口描述SV-1、系统功能描述SV-4、系统规则模型SV-10a、系统演进描述SV-8、系统技术预测SV-9、物理数据模型DIV-3、系统事件跟踪描述SV-10c、系统状态转换描述SV-10b、业务活动与系统功能跟踪矩阵SV-5a、业务活动与系统跟踪矩阵SV-5b、系统关联矩阵SV-3、系统数据交互矩阵SV-6、系统通信描述SV-2和系统性能参数矩阵SV-7等系统视图产品。

(7)完善系统相关术语和技术路线：根据能力、项目、业务和系统体系结构等建模完善综合字典AV-2，技术标准概要StdV-1和技术标准预测StdV-2，建立系统建模过程中遵守的技术和标准规范。

在我军构建网络中心战[9]的体系过程中，可以借鉴DoDAF 2.X的SoS体系结构开发过程，按照先固化再消化后优化的思想，结合我军自身复杂大系统的特点，从项目、能力、关系、业务、服务、系统等多视角出发，逐步建立起具有自己特色的复杂大系统开发方法及过程。

3　应用实例

目前IBM公司大力推崇的Rhapsody工具[10,11]不仅能支持基于DoDAF的SoS体系结构建模设计，还推出了后续的基于Harmony方法的系统工程[10]和软件工程[11]方法建模设计，为了将建模技术贯穿体系结构设计和系统及软件设计，本文以陆海协同攻击的复杂大系统[12]为例，选用Rhapsody建模工具进行DoDAF 2.x的SoS体系结构模型开发，但受篇幅限制, 本文只给出体系结构建模流程中的能力视角CV-2、项目视角PV-1、业务视角OV-6c、数据和信息视角DIV-2、服务视角SvcV-4和系统视角SV-4等部分代表性的模型。

(1)开发能力视角模型：陆海协同攻击体系具备陆海协同攻击能力，陆海协同攻击能力需进行分级分类分解，第一级可分解为威胁评估、通信和目标攻击三大能力，对三大能力进一步分解如图4能力分类视角CV-2示意图所示。

图4　陆海协同攻击能力分类视角CV-2示意图

(2)开发项目视角模型：陆海协同攻击体系由联合情报委员会(JIC)、联合参谋部(JCS)、空中防卫侦察办公室(DARO)、联合情报图像处理服务机构(JIPS)、联合军事海事指挥部(JFMCC)和深度行动协同机构(DOCC)等机构角色组成，各机构需负责的项目及项目间关系如图5项目组合关系图PV-1所示。

(3)开发业务视角模型：首先需建立高层业务概念图OV-1，确定业务使命和业务节点，根据业务场景序列分析创建攻击目标的任务目标活动模型OV-5，根据OV-5创建业务事件跟踪描述图OV-6c，OV-6c是针对业务攻击目标的时序活动，可以用于描述包括正常和失败及异常等不同的业务场景，一次性攻击目标的正常业务场景如图6所示。

图5　陆海协同攻击体系项目组合关系PV-1

图6　一次性攻击目标的正常业务场景OV-6c

(4)开发数据视角模型：在业务视角建模中建立信息元素攻击评估报告的逻辑数据模型DIV-2如图7所示，包括坐标、任务时间、攻击状态和攻击类型等信息元素。

图7　攻击评估报告的逻辑数据模型DIV-2

(5)开发服务视角模型：安全通信能力对应的密码服务包括对消息的加密服务和对加密消息的解密服务，服务功能描述SvcV-4如图8所示。

图8　安全通信的密码服务功能描述SvcV-4

(6)开发系统视角模型：针对攻击的业务活动建立系统功能，需要联合军事海事指挥部(JFMCC)的潜艇和导弹系统完成选择导弹发射井、打开发射井门、展开发射管、装备、发射和引导等系统功能，攻击活动的系统功能描述SV-4如图9所示。

图9　攻击活动的系统功能描述SV-4

(7)体系结构模型追踪；在项目视角开发中，需通过PV-3完成项目视角对能力的映射；在业务视角开发中，需分别通过CV-5和CV-6分别完成能力对组织和业务活动的追踪关系；在服务视角开发中，需分别通过CV-7和SvcV-5分别完成能力对服务和业务活动对服务的追踪关系；在系统视角开发中，需分别通过SV-5a和SV-5b完成业务活动与系统功能及系统间的追踪关系。

(8)体系结构模型验证：体系结构模型验证[10]就是根据能力、项目、业务、服务和系统体系结构描述过程中分别形成的活动模型、数据模型、规则模型和追踪模型，生成对应视角体系结构的可执行模型，验证DoDAF 视角及其间的一致性。通过比较模型的执行结果与动态模型，对体系结构的描述进行逻辑和行为验证。

4　结　语

复杂大系统的系统组成结构和系统间的交互都很复杂，在系统开发之前进行体系结构设计并对其进行建模验证，不仅能增强用户和系统开发人员之间的理解一致性，也是降低研制风险和保证研制质量的重要方法。本文通过实例分析，表明该方法在复杂大系统的开发中是可行的，在体系结构建模中具有推广应用价值，对我军开展网络中心战的体系作战研究有一定借鉴意义。下一步将复杂大系统的体系结构建模结果导入到后续的系统级设计建模中，以作为系统级建模设计的输入，完成复杂大系统的模型驱动开发全过程，全面支撑复杂大系统的系统开发过程。

[1]DoD Architecture Framework Version 1.0, DoD Architecture Framework Working Group, 2003.

[2]DoD Architecture Framework Version 1.5, DoD Architectural Framework Working Group, 2007.

[3]DoD Architecture Framework Version 2.0, DoD Architectural Framework Working Group, 2009.

[4]DoD Architecture Framework Version 2.02, DoD Architectural Framework Working Group, 2010.

[5]Zachman J.A, Enterprise Architecture: The Issue of the Century[J], Database Programming and Design,1997.

[6]C4ISR Architecture Framework(Version 1.0), The United States: Department of Defense, 1996.

[7]C4ISR Architecture Framework(Version 2.0), The United States: Department of Defense, 1997.

[8]OMG Systems Modeling Language Version 1.0, Object Management Group, 2007.

[9]南建设，梁德文. 信息感知——夺取战场信息优势的前提与先导[J].中国电子科学研究院学报, 2013,8(3):221-226.

[10]Hans-Peter Hoffmann, Ph.D. Systems Engineering Best Practices with the Rational Solution for Systems and Software Engineering, IBM Corporation, 2011.

[11]Bruce Powel Douglass, Ph.D. IBM Rational Harmony for Embedded RealTime: Overview with Systems and Software, IBM Corporation, 2008.

[12]Rhapsody DoDAF Tutorial, IBM Corporation, 2008.

黄小华(1978—)，男，重庆人，高级工程师，主要研究方向为系统总体、系统体系结构、系统工程和建模技术研究；E-mail:huangxh_1@126.com

Architectural Modeling Method Research of SoS

HUANG Xiao-hua

(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

Aim at the complexity problem of System of Systems(SoS) and the need of architecture description, a new architectural modeling method and technology of SoS is proposed. Firstly, the character and architecture level of SoS are introduced, DoDAF 1.X model views and its localization are given. Secondly, the modeling method and flow of architecture based on DoDAF 2.X viewpoint are presented. Finally, a model example of “coordinated land and sea attacks” is used to validate the feasibility of the SoS architecture modeling method based on DoDAF 2.X viewpoint. It can be used in architecture research of Network Centric Warfare for reference.

Enterprise Architecture(EA); Architecture description; Architecture Framework(AF); DoD Architecture Framework(DoDAF); System of Systems(SoS); View; Viewpoint

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.04.019

2016-06-04

2016-07-28

N945.12; TP391.9

A

1673-5692(2016)04-444-09