基于SysML的模型驱动武器装备体系结构设计与分析

陆 法,孙文虎,贾 鹏

(解放军后勤学院,北京 100858)

基于SysML的模型驱动武器装备体系结构设计与分析

陆 法,孙文虎,贾 鹏

(解放军后勤学院,北京 100858)

随着武器装备体系规模、复杂度的不断膨胀,模型驱动的体系结构设计方法成为解决复杂系统开发的研究热点。选择SysML(Systems Modeling Language)作为建模语言,提出了一种由三个基本步骤(能力需求分析、黑盒分析和白盒分析)组成的模型驱动体系设计方法,探索了 SysML在体系层面建模的应用,并针对当前SysML建模工具在仿真可视化与系统分析等能力上的不足,将建模工具与仿真分析工具进行集成,共同完成武器装备体系结构的设计与仿真分析。

基于模型的系统工程;武器装备体系结构;模型驱动方法;SysML

武器装备体系结构描述了武器装备体系组件的结构、组件之间的关系以及约束它们设计和发展进的原则和指导方针[1]。随着当前体系规模、复杂度的不断膨胀,模型驱动的体系结构(Model Driven Architecture)方法成为解决复杂系统开发和管理的突破口,是系统工程界广泛研究与应用的热点[2]。MDA方法在系统设计的过程中将模型的构建与分析作为工作中心,集成了包括软件和硬件在内的诸多领域模型[3],相比以文档为中心的传统方法具有更大优势,正逐步成为复杂系统设计的基础[4]。

国内外学者对模型驱动武器装备体系结构设计方法的研究已经取得一些初步成果。Piazsczyk[5]提出了一种基于DoDAF建模框架的方法学；Huynh研究了SysML在武器装备作战体系建模与分析中的应用[6]；Bienvenu尝试利用DoDAF视图产品来促进需求获取、分析和追踪[7]；Estefan[8]总结了当前比较流行的模型驱动系统工程方法学,如 Harmony-SE方法学、基于模型的系统工程方法学(Vitech MBSE)等。SysML作为专门面向系统工程领域的通用建模语言,集成了结构化分析方法和面向对象方法的优势,目前已被多种MBSE方法(Harmony-SE[9]、RUP SE[10]等)选择作为建模语言。但是, SysML建模工具的设计结果是对系统结构的静态描述和系统行为的离散状态描述,而武器装备体系结构设计与分析的本质是动态的,需要根据使命任务和作战战场态势进行仿真可视化和系统分析,模型设计过程中的模型要素属性计算、对象环境仿真则要依靠STK/MATLAB等计算仿真工具进行。本文探索SysML语言在体系建模中的应用,并针对当前SysML建模工具在仿真可视化与系统分析等能力上的不足,将建模工具与仿真分析工具进行集成,共同完成武器装备体系结构的设计与仿真分析。

1 武器装备体系结构建模核心要素的描述

根据对DoDAF体系的研究,体系工程活动的核心元素描述如图1所示,图中各个核心要素包括:描述能力目标、了解系统和系统元素之间的关系、评估能力目标所需的性能、开发和进化体系结构、监视和评估变化、评估需求,选择解决方案、协调体系演化。围绕体系外部环境需求输入和体系结构自身的功能需求,体系工程过程和相关活动的各个核心要素通过不断循环和迭代,共同完成体系结构建模。

图1 体系结构建模的核心要素

武器装备体系是一般体系的特殊化。在参考一般体系核心要素的基础上,武器装备体系结构有独特的建模核心要素:①需求模型。为了完成特定的使命任务,武器装备体系在不同作战样式下的作战需求各不相同。为了更好对武器装备进行描述,应该首先建立需求模型。②体系总体功能模型。总体功能模型是武器装备体系建设的指导方针,是对武器装备体系能力的总体概述。③组分系统结构及其之间的关系。要对组成武器装备体系的各分系统结构进行描述、从顶层自上而下进行分解,分解过程重点描述各组分系统的对外接口,以说明分系统之间的信息共享机制。④分系统功能行为描述。⑤体系组分系统之间的信息交互、通信关系。在作战过程中,武器装备体系分系统之间的信息交互能力、通信可靠性等在很大程度上决定了体系的总体性能,因此,对体系组分系统之间的信息交换和通信的描述至关重要。

2 SysML对武器装备体系结构建模的支持

SysML建模支持从两个视角对武器装备体系结构进行描述:用户视角和组分系统视角。用户视角下,将得到各种用例,从而支持从不同的用户角度对体系进行描述。组分系统视角下,通过时序图的形式来支持体系结构的分析和优化。SysML对系统的定义主要通过其结构模型、行为模型、需求模型和参数模型来完成。其中,结构模型侧重于对系统的层次以及系统间不同对象的相互关联关系进行建模;行为模型主要针对基于功能的行为和基于状态的行为进行建模;需求模型强调用户需求的层次关系、需求间的追溯关系及设计对需求的满足情况等;参数模型主要强调系统或系统内部部件间的约束关系。根据SysML各模型元素所能描述的信息,它对武器装备体系建模核心要素的描述支持如表1所示。

表1 武器装备体系结构建模的SysML支持

3 基于SysML的模型驱动武器装备体系结构设计

根据SysML对武器装备体系结构建模核心要素描述的支撑程度,探索研究基于SysML的模型驱动武器装备体系结构设计方法，如图2所示。整个流程从武器装备体系的需求分析开始。根据武器装备体系建设利益相关者对体系能力的期望、不同作战样式下的使命任务和作战基本需求构建需求图,需求图包括用户需求文档的输入和将用户需求转换成系统需求,系统需求牵引出武器装备体系应具备的能力,形成武器装备体系的整体功能用例模型及需求模型,并利用需求与模型知识库对其进行管理。武器装备体系每个功能需求用一个用例进行描述,以驱动后续的建模流程。针对每个用例,构建出武器装备体系为完成用例所要进行的活动,形成用例活动模型。用例活动模型描述了武器装备体系与外部环境的信息交互,其由多个完整的活动流程共同组成。每一个完整的活动流程可以用黑盒时序图表示,即对武器装备体系进行黑盒分析,描述武器装备体系在作战活动中的外部行为功能,其主要确定了武器装备体系与用户、外部环境的接口。然后根据武器装备体系建设需求对子系统进行权衡选择,确定武器装备体系的组成系统,将黑盒活动模型中的活动进行分配,在活动分配过程中定义了子系统之间的接口,即对武器装备体系进行白盒分析。白盒分析主要确定了体系内部系统完成使命任务的功能行为。依次迭代,继续对体系建模进行更深层次的剖析,迭代的次数取决于建模粒度的大小。整个过程自上而下,依次对体系的结构和对应的功能模型进行分解,最后得出满足建模粒度的各个体系组成部分的功能模型、对外接口和组成部分之间的信息交互关系。

图2 基于SysML的模型驱动体系结构设计过程

4 集成仿真分析工具对体系结构模型进行分析

通过SysML多视图建模可以得到静态的武器装备体系结构模型,对武器装备体系结构的功能进行动态检验,就要将静态的体系结模型转换成可视化的可执行模型。本文选择IBM Rational Rhapsody 作为武器装备体系结构设计的建模工具,如图3所示。

图3 Rhapsody与STK模型交互

在应用SysML描述系统体系结构的基础上,将 Rhapsody与STK进行综合集成,实现在Rhapsody中构建的相关模型转变为STK中的仿真模型,两个工具的模型可互操作，并具备双向可追溯特性,运用STK对体系结构模型进行动态功能分析、属性量化计算和可视化仿真。

Rhapsody与STK工具综合集成的实现。如下所述Rhapsody建模工具为外部程序提供了操作接口和事件回调接口,通过操作接口可以对模型进行建立、修改、删除等操作,通过事件回调接口可以监控工具建模过程发生的事件。STK自带的STK/Connect模块可以与软件开发平台实现互联,它提供了一种使用客户端到服务器方式连接STK的工作方式,用于给第三方的应用程序提供一个向STK引擎发送指令和接收数据的通信路径。为实现Rhapsody与STK工具综合集成,本文以Microsoft Visual Studio 2010 作为Rhapsody和STK的互联平台,具体步骤为:

1)在Visual Studio.NET环境中创建与Rhapsody关联的自动化脚本。创建自动化脚本需要两个组件：Rational Rhapsody COM 类型库(rhapsody.tlb)；Rhapsody提供的一个可执行的COM服务功能。

2)创建Rhapsody的数据模型和STK的数据模型。创建数据模型的目的是通过定义数据模型实现Rhapsody和STK模型元素之间的映射,通过Visual Studio.NET环境来专门处理这两个工具之间的模型映射。

图4 仿真分析效果图

3)将Visual Studio 2010分别与Rhapsody和STK关联,使用TCP/IP协议来完成Rhapsody和STK两个工具之间的进程通信。

4)在.NET环境中嵌入STK/X。在Visual Studio.NET环境中创建工程文件,然后创建一个工具交互平台,用于添加驱动STK/X组件。

5)上述步骤实现后,可在Rhapsody中嵌入功能性插件,这些插件调用第三方工具上定义的功能对模型进行运转,打开STK的2D/3D场景展示、分析模块引擎等。将模型转换完成后效果如图4所示。

模型转换成功后,将自动弹出STK的2D和3D场景界面。一方面将Rhapsody模型转换成STK场景提高了建模的真实程度,系统论证人员将看到作战想定的实景展示;另一方面,系统论证人员还可以利用STK的强大分析功能对模型进行进一步的分析评估,如图5所示,可以使用STK模型进行AER(AzimuthRangElevation)分析。

图5 运用STK模型进行AER分析

基于SysML建模语言的Rhapsody和STK的集成,使得武器装备体系结构论证从单一平台或者单一论证工具发展到集成不同工具和不同模型的综合平台论证成为可能,对后续的体系结构评估分析有强大的支撑作用:

1)模型执行分析。有效实现体系结构设计的迭代开发过程,通过基于模型的调试,开发过程中更正模型的错误,有效解决了传统的系统开发设计结束后再进行测试带来的重复工作。在模型构建过程中即可对系统进行可视化分析和模型逻辑准确性验证,大大减少了系统后续设计的复杂度。

2)结果反馈分析。通过可执行模型获取分析结果,确定对武器装备体系哪些部分进行完善,从而进入模型驱动设计开发的下一个迭代过程。

3)实现信息化作战装备作战能力与信息交互过程的三维空间展示,有效展示在信息系统的支持下形成的具有信息流关系的网络体系,包括通信关系和指挥控制关系等。支持陆海空天一体化战术联合通信系统可视化仿真。实现空间实体的飞行任务3D视效、飞行仿真器整合等。

5 结束语

模型驱动体系结构设计方法有效处理了复杂系统设计和管理的复杂度问题,其设计成果便于重用和迭代修改,并且可以将设计结果模型转换成可执行仿真的分析模型,真正实现了设计与仿真分析的无缝连接,实现了体系结构建模与系统工程流程的结合,将建模工具与仿真分析工具进行集成的举措弥补了SysML建模工具在仿真可视化与系统分析等能力上的缺陷,大大提高了模型设计的健壮性。

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

[2] 杨克巍.体系需求工程技术与方法[M]. 北京：科学出版社,2011.

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[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.

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[11]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,2000, 28(4): 594-598.

[12]陈洪辉. 基于多视图的C4ISR系统需求一致性验证方法研究[D]. 长沙: 国防科技大学, 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

陆 法(1989-),男，广西来后人，硕士，讲师，研究方向为体系结构。 孙文虎(1973-),男，副教授。 贾 鹏(1981-)，女，博士，讲师。

1673-3819(2017)01-0044-04

E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.01.010

修回日期： 2016-11-14