基于系统工程的机载侦察任务系统总体建模设计

黄小华

(中国西南电子技术研究所, 四川 成都　610036)

在网络中心战中,侦察是获取军事情报的主要手段之一,侦察手段或工具大体可分为战略与战术两类,而在战术侦察手段中首推航空侦察,因为其机动性高和活动范围大;同时可以加载多种侦察设备如电子侦察和成像侦察等任务载荷,可以不断满足对侦察的发展要求[1]。航空侦察是军事侦察的重要组成部分,负责航空侦察的侦察机作为网络中心战中一个重要的信息获取、传输和分发节点,能提供实时情报支持和高精度的战场目标探测及定位能力,能对战场上的雷达信号和通信信号实施有效侦察,提供高价值的战略情报和战术情报[2-3]。在机载侦察任务系统总体设计开发过程中,由于航空侦察在网络中心战中交互的复杂性和机载侦察任务载荷组成的复杂性,而传统基于文档的开发方法由于存在语义二义性、无法验证一致性和设计过程无法验证等固有问题,已经无法满足机载侦察任务系统的总体设计开发要求。

针对基于文档的开发方法不能满足复杂机载侦察任务系统总体开发要求的问题,提出了一种基于模型系统工程的总体设计方法[4-5]。2006年国际系统工程学会(INCOSE)给出了“基于模型系统工程(MBSE)”的定义[6]:基于模型系统工程是对系统工程活动中建模方法应用的正式认同,以使建模方法支持系统需求、设计、分析、验证和确认等活动,这些活动从概念设计阶段开始,持续贯穿到设计开发及后面的所有寿命周期阶段。Harmony[7]系统工程方法是IBM公司提出基于系统建模语言[8]的模型系统工程方法。基于模型系统工程和文档(代码)驱动的开发比较如表1所示,从中可以看出,基于模型系统工程的开发具有可视化、可理解、可交流、一致性和可验证等特点,可有效解决文档驱动开发中的问题。

表1　模型系统工程和文档(代码)驱动开发方法对比

1　基于系统工程的系统总体建模方法

1.1　系统建模语言

在模型驱动开发的软件分析设计中,对象管理组织(OMG)建立了标准化的统一建模语言(UML),为了支撑系统总体设计的模型开发,对象管理组织在UML的基础上发展了标准化的系统建模语言SysML[8]。SysML语言是在复用UML的基础上,将其扩展到包括硬件、软件和其他组件等综合的系统开发领域,供系统工程师使用的标准化建模语言。SysML语言是模型驱动开发系统设计的基础,在支撑系统工程分析和细化需求、结构、行为和分配及系统属性限制等方面特别有效。SysML 视图[8]包括需求、结构、行为和参数共4个方面视图类型, SysML的视图组成及关系示意图如图1所示。

系统建模语言SysML组成视图及其作用如表2所示。

表2　系统建模语言SysML组成视图及其作用

1.2　Harmony系统工程建模设计方法

针对系统总体设计的关联一致性和SysML语言等特点,建立基于模型系统工程的Harmony系统总体建模设计方法开发流程如图2所示,Harmony系统工程方法[7]主要包括系统需求分析、系统功能分析和系统综合设计三个主要建模设计过程。

1)系统需求分析:完成系统初步的需求规格说明和系统用例模型,建立系统需求分析模型。

a)根据系统输入的客户需求和用户需求等涉众需求进行分析,将其转换为系统的功能和性能需求,建立需求间包含、满足、验证和跟踪关系,完成需求图设计,形成初步的系统需求规格说明。

b)根据系统需求定义系统用例,将系统需求组合为用例,建立需求与用例间的覆盖和追踪关系,完成用例图设计,形成用例模型。

2)系统功能分析:根据系统用例模型,对每个用例进行静态和动态模型开发,通过模型的执行验证和理解需求,建立系统功能分析模型。

a)用内部块图定义用例的上下文环境,内部块图中的每个块代表用例和相关的参与者。

b)通过建模工作流定义用例块的行为,即用黑盒活动图定义用例的工作流,描述用例的功能流,将功能需求组合为活动/操作和将这些活动/操作联系在一起。

c)根据黑盒活动图,通过黑盒序列图定义用例场景,内部块图中定义端口和接口。

d)从用例的黑盒活动图和黑盒序列图派生黑盒状态机图,基线化系统需求,生成定义系统和外界接口的系统级接口控制文件。

e)通过执行用例的黑盒活动图、黑盒序列图和黑盒状态机图等动态模型验证系统功能分析的正确性、一致性和完整性。

3)系统综合设计:根据系统功能分析模型,设计出能满足功能性和非功能性需求的架构,建立系统架构分析模型、系统架构设计模型和系统架构详细设计模型等系统综合设计模型。

a)系统架构分析:建立系统架构分析模型。确定系统架构方案,建立方案的块定义图,根据系统确定的评价指标体系,采用关联矩阵法或层次分析法[3]等系统工程方法确定候选方案的评估结果,建立块定义图的参数图,根据候选方案的综合效用值确定最终的方案选择。

b)系统架构设计:建立系统架构设计模型。通过块定义图和内部块图定义系统架构及其各组成结构,通过白盒活动图完成系统的功能需求和非功能需求分配。

c)系统详细架构设计:建立系统架构详细设计模型。根据白盒活动图派生白盒序列图,在系统架构结构的内部块图中定义内部端口和接口,通过白盒状态机图定义块的状态行为。生成逻辑接口控制文件和软硬件需求规格说明。

d)通过执行系统架构设计的白盒活动图、白盒序列图和白盒状态机图等动态模型验证系统架构设计的正确性、一致性和完整性。

2　机载侦察任务系统总体建模设计

航空侦察系统主要由侦察机和地面配套设备组成,地面配套设备为机载任务系统提供任务规划及情报地面处理等功能,实现对机载任务系统设备的性能测试和维修测试等工作。侦察机由机载平台和机载任务系统构成,机载平台是为了装载侦察任务载荷的飞机平台,机载侦察任务系统作为航空侦察系统的核心,为了满足侦察和支撑体系作战能力,通常由信号侦察、成像侦察、通信及指控情报等分系统组成,主要完成对雷达和通信等无线电信号以及机场和港口等成像侦察目标的侦察监视,综合处理有效信息,获取有效情报,形成战场电磁环境态势,按需将情报信息分发至指挥作战单元,实时为支援干扰飞机等提供电磁目标参数和信号样本数据,通过多种机间和机地数据链实现与预警机、干扰机、地面侦测站的空空和空地协同支撑体系化的作战能力。航空侦察系统组成示意图如图3所示。

本文以某型机载侦察任务系统开展总体建模设计,以机载侦察任务系统的空中情报侦察及分发用例为例,给出系统总体建模设计流程中系统需求分析用例模型、系统功能分析的黑盒活动图、系统综合设计中架构设计的架构结构图和详细架构设计的白盒活动图等用例的代表性模型。

2.1　系统需求分析

机载侦察任务系统的空中情报侦察及分发用例简要过程描述:侦察任务开始前,地面站配套设备的任务规划与情报地面处理系统根据上级指令规划侦察机的侦察任务;侦察任务执行过程中,必要时请求其他侦测手段进行双机定位、协同侦察或应其他侦测手段请求进行协同侦察(如预警机和地面侦察系统等),在侦察监视的同时,将一些重要的、时效性强的情报实时传回地面任务规划与情报地面处理系统;接收预警机空情态势,与本机侦察情报数据进行相关融合,获得威胁目标信息;在实施干扰支援时,利用各种侦测手段获取的目标信息,向干扰飞机通过位置、参数、信号样本引导,完成干扰支援任务;任务完成后,将本次侦察所获数据卸载到任务规划与情报地面处理系统。情报侦察及分发用例的用例模型如图4所示。

2.2　系统功能分析

根据机载侦察任务系统的空中情报侦察及分发用例进行系统功能分析,其主要活动流简要描述:根据上级指令制定侦察计划;将生成的侦察计划等信息上传至机上数据库;系统加电初始化,信号侦察、成像侦察、任务通信和指控情报等分系统分别完成初始化自检和任务加载工作,配置相应的工作模式和工作参数等;飞机升空进入任务区域后,任务系统按确定的工作模式和工作方式进行信号侦察和成像侦察及任务通信和情报分发等工作;在侦察和情报处理过程中,是否接收新侦察计划,如没有则继续开展系统侦察任务,如有则更新侦察计划后开展系统侦察任务;根据侦察计划可同时开展信号侦察和成像侦察任务;对侦察的情报进行处理并判断侦察工作是否结束,如侦察结束则卸载机载情报数据,否则继续侦察和情报处理工作,如有协同数据,则接收协同数据进行融合处理,情报处理后如需分发情报,则开展情报分发工作;任务完成后将卸载本次侦察所获数据,进行地面情报处理和深入研究分析,如有价值情报则上报。其功能分析模型如图5所示。

2.3　系统综合设计

根据系统功能分析模型,设计出满足功能性和非功能性需求的架构。

1)架构分析:由于机载侦察任务系统中的传感器系统有分离式、联合式和综合化等多种架构方案,则根据业务或技术专家确定的任务可靠性、重量、采购成本和维护成本等指标体系及权重,通过如层次分析法等的系统工程方法计算每种方案的指标值,确定采用综合化传感器系统作为机载侦察任务系统的技术架构方案。

2)架构设计:通过块定义图分解机载侦察任务系统的综合化传感器系统到信号侦察、成像侦察、指控与情报处理和任务通信等分系统,信号侦察分系统通常由雷达信号、通信信号和其他电子信号侦察子系统组成,实现侦察雷达和通信等电磁辐射信号,采集记录信号样本,测量信号工作参数及方位、分析信号参数特征,并对已知信号进行解码和解译,获取情报。成像侦察分系统通常由相机子系统和合成孔径雷达子系统组成,具备全天候、全天时,反隐藏/反伪装侦察能力,能对地/海面固定目标进行大范围、远距离、高分辨的探测、成像、识别与定位,能对地/海面运动目标进行远距离探测、连续监视与跟踪。指控与情报处理分系统实现机载侦察任务系统的资源及任务管理、合理调度和配置各传感器参数,优化传感器探测资源,实现多传感器协同和对目标的有效侦察;指控与情报处理分系统具备与外平台协同侦察的组织和管理能力,支持空空协同和空地协同等侦察方式;能综合处理获取的平台内外有效信息,分析识别目标属性,判定目标工作状态和威胁等级,获取有效情报,形成战场电磁环境态势;实时为支援干扰飞机等提供电磁目标位置、信号参数和信号样本数据等。任务通信分系统具备多链应用与多链协同工作管理能力,可同时通过卫星通信和联合信息分发系统等实现对指挥作战单元的情报信息分发和接收。系统架构结构图如图6所示。

3)详细架构设计:主要完成机载侦察任务系统的各组成分系统分配前期黑盒活动图的系统功能,给信号侦察分系统、成像侦察分系统、指控与情报处理分系统和任务通信分系统等分配系统功能的用例白盒活动图如图7所示。

4)机载侦察任务系统向信号侦察、成像侦察、指控与情报处理和任务通信等分系统的模型交付件通常包括各组成分系统的可执行模型、系统端口和逻辑接口的定义、状态行为描述(状态机)、被分配到各组成分系统的功能性和非功能性需求等,主要包括系统接口N2图和接口控制文件等文件。

2.4　系统设计验证

在机载侦察任务系统建模过程中,通过空中情报侦察及分发用例组织功能需求驱动建模流程,构建相应的用例模型以描述系统与外部环境的信息交互,用黑盒活动图对用例进行黑盒分析,确定系统的活动流程;然后根据系统需求对子系统进行权衡选择,将黑盒活动模型中的活动进行分配,即对系统进行白盒分析。整个建模过程自上而下,依次对系统的结构和对应的功能模型进行分解,最后得出满足系统空中情报侦察及分发用例组织的功能需求。在建模设计过程中,通过模型执行和迭代分析设计完成系统分析和设计模型的验证:

1) 模型可执行。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,通过执行系统分析和设计中的活动图、序列图和状态机图等动态模型,验证系统分析和设计模型的正确性、需求与设计前后的一致性、分析与设计的完整性等。

2) 模型执行分析。可有效实现系统建模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。

3) 迭代分析设计。通过可执行模型获取分析设计结果,确定需要对系统哪些部分进行完善,对系统模型进行迭代设计开发。

3　结束语

本文针对机载侦察任务系统总体设计过程中采用文档形式进行开发存在的问题,对基于模型的系统工程方法进行了研究,提出了基于Harmony模型系统工程的复杂系统总体设计开发方法。该方法通过在系统总体设计过程中开展建模工作,能使用户和系统总体人员及系统总体人员与后续子系统或软硬件开发人员的沟通和理解保持一致性,通过动态执行开发过程中模型的验证策略,在系统总体设计过程中完成对系统模型的正确性和一致性验证,并能规范后续子系统或软硬件等的开发及交付产物,将错误扼杀在前期设计过程中,避免前期总体设计错误的积累,降低系统的研制风险,保证系统的研制质量。通过在实际的复杂系统总体设计过程中开展建模设计工作,表明总体建模设计技术是可行的,并具有应用推广价值。