艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成設(shè)計(jì)與度量方法

董曉明 姚 晉 秦 克

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064

0 引 言

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與集成可以分為網(wǎng)絡(luò)集成、數(shù)據(jù)集成和應(yīng)用集成3個(gè)層次，其中數(shù)據(jù)集成設(shè)計(jì)工作貫穿于作戰(zhàn)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和集成測(cè)試等各個(gè)階段，其在作戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中處于核心位置，在系統(tǒng)集成堆棧中具有承上啟下的作用。數(shù)據(jù)集成有助于確保作戰(zhàn)系統(tǒng)各模塊之間的數(shù)據(jù)共享和信息交換，提高模塊的重用和互操作性，最終實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)系統(tǒng)的應(yīng)用集成和能力集成。

對(duì)數(shù)據(jù)集成設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，最重要的是接口，接口設(shè)計(jì)是作戰(zhàn)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，包括數(shù)據(jù)格式、接口協(xié)議和信息傳輸機(jī)制等。在傳統(tǒng)的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)研制過(guò)程中，需要通過(guò)大量的Word文檔來(lái)定義各個(gè)系統(tǒng)設(shè)備兩兩之間信息交換的接口，易造成不同的接口協(xié)議內(nèi)容重復(fù)、理解不一致等問(wèn)題，并且還增加了根據(jù)接口協(xié)議進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)、集成測(cè)試的難度。

從最初的C4ISR發(fā)展到后來(lái)的DoDAF（國(guó)防部體系結(jié)構(gòu)框架），美國(guó)國(guó)防部采取分階段的辦法來(lái)指導(dǎo)體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和系統(tǒng)集成，首先是開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)模型，然后是基礎(chǔ)設(shè)施，最后是應(yīng)用［1］。

美國(guó)國(guó)防部開(kāi)發(fā)的核心體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型（CADM）是一個(gè)用來(lái)組織和描繪體系結(jié)構(gòu)信息結(jié)構(gòu)的手段，對(duì)于每個(gè)體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，其都要求必須根據(jù)CADM來(lái)定義體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，利用IDEF1X描述數(shù)據(jù)類型以及其相互關(guān)系［2-4］。從DoDAFV1.0的CADM到V2.0的DM 2，美國(guó)國(guó)防部體系結(jié)構(gòu)框架的核心是以數(shù)據(jù)為中心，更加重視采用通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的方法描述體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。為了更好地進(jìn)行信息交換，大多數(shù)數(shù)據(jù)都可以轉(zhuǎn)換為XML格式，從而進(jìn)行更好的人機(jī)交流或更充分的自動(dòng)化數(shù)據(jù)交換。

美軍一貫重視采用信息基礎(chǔ)設(shè)施支持異構(gòu)系統(tǒng)的信息共享和互操作能力。最新型的DDG 1000級(jí)多用途驅(qū)逐艦就是采用全艦計(jì)算環(huán)境（TSCE）作為作戰(zhàn)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，通過(guò)全艦計(jì)算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施而形成一個(gè)開(kāi)放、虛擬的計(jì)算環(huán)境，所有計(jì)算資源統(tǒng)一調(diào)度管理，能為其他應(yīng)用組件和功能領(lǐng)域提供服務(wù)。目前，美軍已全面轉(zhuǎn)向面向服務(wù)架構(gòu)（SOA），同時(shí)大量采用商用成熟技術(shù)（COTS）實(shí)現(xiàn)開(kāi)放架構(gòu)的系統(tǒng)。

本文的研究目標(biāo)是運(yùn)用建模與仿真技術(shù)支持作戰(zhàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成設(shè)計(jì)和評(píng)估，圖1所示為整體的研究思路及主要研究?jī)?nèi)容之間的關(guān)系。通過(guò)開(kāi)展基于可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（XML）的作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)建模，以模型驅(qū)動(dòng)的思想為指導(dǎo)初步建立新的作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成方法和框架，開(kāi)發(fā)輔助設(shè)計(jì)工具并建立作戰(zhàn)系統(tǒng)元數(shù)據(jù)注冊(cè)庫(kù)，以數(shù)據(jù)模型為中心進(jìn)行數(shù)據(jù)集成設(shè)計(jì)和體系結(jié)構(gòu)度量，并能支持快速生成仿真系統(tǒng)，從而為下一步基于仿真的效能評(píng)估打下基礎(chǔ)。

1 作戰(zhàn)系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)集成

1.1 存在的問(wèn)題

作戰(zhàn)系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)首先需要考慮兩個(gè)方面的問(wèn)題，一是接口信息如何表示，二是如何建立接口連接。

圖1 主要研究?jī)?nèi)容之間的關(guān)系Fig.1 Relationshipsbetween contents of thispaper

作戰(zhàn)系統(tǒng)接口信息的發(fā)展過(guò)程為信號(hào)級(jí)—數(shù)據(jù)級(jí)—元數(shù)據(jù)級(jí)，表示信息的層次越來(lái)越高，越來(lái)越接近人的理解，并逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與元數(shù)據(jù)的分離。

在接口設(shè)計(jì)過(guò)程中，最直觀的表現(xiàn)就是信息格式的定義。目前的方法是在接口協(xié)議中使用文字描述，而沒(méi)有對(duì)信息進(jìn)行建模。對(duì)分系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，元數(shù)據(jù)埋藏在程序代碼的字里行間，接口協(xié)議的微小改變或者軟件實(shí)現(xiàn)的任何失誤都會(huì)給調(diào)試與維護(hù)帶來(lái)很大的麻煩。為了提高數(shù)據(jù)集成的水平，要求元數(shù)據(jù)像真實(shí)數(shù)據(jù)一樣被集成，就必須實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與元數(shù)據(jù)的分離。未來(lái)，更會(huì)朝著面向語(yǔ)義的信息邁進(jìn)。

作戰(zhàn)系統(tǒng)接口連接的發(fā)展趨勢(shì)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接—兩兩之間網(wǎng)絡(luò)連接—無(wú)連接（總線），接口雙方建立連接的層次越來(lái)越高。所謂點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，是建立在電纜直連上的物理層連接；網(wǎng)絡(luò)連接是雙方在發(fā)送報(bào)文之前建立的網(wǎng)絡(luò)套接字邏輯連接；而無(wú)連接則是指信源在發(fā)布消息之前，不需要專門(mén)去考慮建立連接的事情，只需根據(jù)應(yīng)用的需要在合適的時(shí)刻把合適的消息發(fā)布出去即可（計(jì)算環(huán)境或基礎(chǔ)設(shè)施負(fù)責(zé)提供網(wǎng)絡(luò)連接和路由）。

作戰(zhàn)系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)與集成方式仍然存在著一些問(wèn)題。首先是接口信息沒(méi)有模型化，數(shù)據(jù)與元數(shù)據(jù)沒(méi)有分離。由于作戰(zhàn)系統(tǒng)的協(xié)議內(nèi)容主要是文字描述，因而容易造成理解上的歧義，導(dǎo)致集成測(cè)試的問(wèn)題較多。其次，是接口復(fù)雜。作戰(zhàn)系統(tǒng)的分系統(tǒng)（設(shè)備）兩兩之間接口眾多，其中部分是采用模擬信號(hào)連接，多數(shù)是通過(guò)數(shù)字接口與網(wǎng)絡(luò)連接。例如，某型艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)有十幾個(gè)分系統(tǒng)，上百個(gè)對(duì)接口關(guān)系，那么整個(gè)系統(tǒng)的研制過(guò)程便會(huì)形成幾千份技術(shù)文件和圖紙，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)達(dá)8～12年。作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)階段的工作內(nèi)容主要是集中在這些接口的設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)與測(cè)試上，不僅工作量大，維護(hù)難度也大，而且這種數(shù)據(jù)集成設(shè)計(jì)還會(huì)造成分系統(tǒng)為緊耦合，不利于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用集成和互操作。

1.2 通用數(shù)據(jù)交換格式

兩個(gè)系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的能力依賴于一定的接口連接，通常，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的中間格式能提供有限的互操作能力。使用數(shù)據(jù)交換格式（DIF）有助于減少系統(tǒng)兩兩之間成對(duì)的接口（pairwise interfaces），這是未來(lái)作戰(zhàn)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的趨勢(shì)之一，對(duì)于縮短作戰(zhàn)系統(tǒng)研制周期并增強(qiáng)互操作性具有重要意義［5］。

如果把XML作為接口設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，以XML為核心來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的處理、傳輸和存儲(chǔ)，將使很多工作得到簡(jiǎn)化并提高系統(tǒng)集成的效率。例如，借助XML模式定義（XSD）可以得到精確的數(shù)據(jù)模型，一個(gè)XSD文件即可替代接口協(xié)議中對(duì)數(shù)據(jù)的各種文字描述，有助于消除歧義，另外，對(duì)XML格式數(shù)據(jù)內(nèi)容有效性的判斷也可以自動(dòng)完成，從而能節(jié)省大量檢查數(shù)據(jù)有效性的軟件代碼。也就是說(shuō)，通過(guò)作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型可以解決上節(jié)提到的第一個(gè)問(wèn)題。

1.3 基于總線的集成

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)不是構(gòu)件而是接口，必須確保每個(gè)功能模塊都能很好地工作并交換信息。與其管理數(shù)百個(gè)成對(duì)的接口，交換數(shù)千種專用信息，還不如采用新的軟件體系結(jié)構(gòu)并轉(zhuǎn)移到“發(fā)布/訂閱”環(huán)境，使合適的用戶得到合適的信息。

數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（DDS）是對(duì)象管理組織（ObjectManagement Group，OMG）有關(guān)分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分發(fā)的一個(gè)規(guī)范（2004年12月發(fā)布），該規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化了分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)發(fā)布、傳遞和接收的接口與行為，定義了以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱機(jī)制，從而形成了一條實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)總線。

系統(tǒng)集成體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向之一，是由兩兩之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接轉(zhuǎn)變?yōu)榭偩€連接。對(duì)于SOA來(lái)說(shuō)，通常采用企業(yè)服務(wù)總線（ESB）來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用連接和信息傳輸。ESB的核心功能包括：自動(dòng)匹配服務(wù)提供者和服務(wù)消費(fèi)者、不同傳輸協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換及不同消息格式之間的轉(zhuǎn)換。

2 作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)建模及元數(shù)據(jù)管理

2.1 基于XM L的作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)建模方法

作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成涉及兩種類型的數(shù)據(jù)：第一種是原始數(shù)據(jù)，即系統(tǒng)所需要的實(shí)際信息；第二種是元數(shù)據(jù)（metadata），用于為原始數(shù)據(jù)提供上下文環(huán)境。對(duì)于集成而言，元數(shù)據(jù)很關(guān)鍵，它表達(dá)的是所集成數(shù)據(jù)的意義。對(duì)數(shù)據(jù)交換起決定作用的是數(shù)據(jù)元素的結(jié)構(gòu)特征，當(dāng)數(shù)據(jù)從一個(gè)進(jìn)程轉(zhuǎn)移到另一個(gè)進(jìn)程時(shí)，收到數(shù)據(jù)的進(jìn)程必須完全理解數(shù)據(jù)的格式、可能的值域以及數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

UML（統(tǒng)一建模語(yǔ)言）、XML、IDEF1X和E-R（實(shí)體—關(guān)系模型）等都是有效的建模方法，其數(shù)據(jù)模型具有自頂向下的3個(gè)層次，即概念的、邏輯的和物理的。與數(shù)據(jù)模型的層次對(duì)應(yīng)，數(shù)據(jù)建模的過(guò)程也可以分為3個(gè)階段進(jìn)行［6］：

第1階段，在概念模型層次主要使用UML類描述數(shù)據(jù)模型的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。其主要目的是借助UML定義一致的事物名稱和術(shù)語(yǔ)，實(shí)現(xiàn)不同用戶群體之間準(zhǔn)確的溝通。

第2階段，使用XML模式描述結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)類型，相當(dāng)于邏輯模型的層次。第1階段使用UML建立的概念模型能夠很方便地映射為XML模式，既可手工完成，也可以利用工具自動(dòng)完成。XML模式提供對(duì)XML文檔的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容的約束與解釋。

第3階段，考慮具體的數(shù)據(jù)如何表示、存儲(chǔ)和傳輸。XML文檔本質(zhì)上是保存信息的結(jié)構(gòu)化載體，無(wú)論是需要長(zhǎng)期存儲(chǔ)的永久性數(shù)據(jù)，還是在子系統(tǒng)之間傳輸?shù)南?，都適于用XML文檔表示。

2.2 元數(shù)據(jù)注冊(cè)庫(kù)與數(shù)據(jù)模型模板

UML和XML也是元數(shù)據(jù)的兩大標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化元數(shù)據(jù)的表示與交換，從而實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、跨工具的元數(shù)據(jù)共享。元數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化關(guān)系到信息的發(fā)現(xiàn)與資源的共享，是有效利用信息資源的保障。國(guó)外在元數(shù)據(jù)方面已進(jìn)行了大量研究，目前存在的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)就有幾十種［7-8］。美國(guó)國(guó)防部建立了DoD元數(shù)據(jù)注冊(cè)系統(tǒng)（https：//metadata.dod.mil/），其中包括與國(guó)防信息基礎(chǔ)設(shè)施公共操作環(huán)境（DII-COE）相關(guān)的XML元素、屬性等元數(shù)據(jù)定義，減少了不兼容性問(wèn)題，增加了系統(tǒng)的互操作性、可重用性和集成能力。

在一家組織機(jī)構(gòu)或一群組織機(jī)構(gòu)內(nèi)部，每當(dāng)必須協(xié)調(diào)一致地使用數(shù)據(jù)時(shí)，就需要建立元數(shù)據(jù)注冊(cè)系統(tǒng)（Metadata Registry，MDR）進(jìn)行元數(shù)據(jù)的管理。元數(shù)據(jù)管理是指對(duì)元數(shù)據(jù)的瀏覽、添加、刪除、修改、下載和查詢等數(shù)據(jù)管理的基本操作，元數(shù)據(jù)注冊(cè)系統(tǒng)是存儲(chǔ)和維護(hù)元數(shù)據(jù)定義的中樞部位。

為了明確定義元數(shù)據(jù)注冊(cè)庫(kù)的結(jié)構(gòu)，借鑒了高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）的對(duì)象模型模板（OMT）方法。HLA的核心思想是互操作和重用，要求采用對(duì)象模型來(lái)描述聯(lián)邦和聯(lián)邦成員以及相關(guān)的數(shù)據(jù)。HLA對(duì)象模型是通過(guò)填寫(xiě)對(duì)象模型模板完成。HLA 1.3的對(duì)象模型模板由9個(gè)表格組成［9］，需要專門(mén)的對(duì)象模型開(kāi)發(fā)工具（OMDT）來(lái)完成OMT的設(shè)計(jì)。IEEE 1516版本的對(duì)象模型模板有較大的變化，同時(shí)還使用了更為通用的XML文檔來(lái)表示［10］。基于對(duì)象模型模板，HLA仿真程序設(shè)計(jì)人員按照其規(guī)定的格式創(chuàng)建聯(lián)邦和聯(lián)邦對(duì)象模型，即可完成數(shù)據(jù)建模，并在運(yùn)行時(shí)在基礎(chǔ)設(shè)施（RTI）的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成。

通過(guò)分析現(xiàn)有的作戰(zhàn)系統(tǒng)接口協(xié)議文檔，可抽象得出作戰(zhàn)系統(tǒng)接口協(xié)議的數(shù)據(jù)模型模板（DMT），也即描述作戰(zhàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型所需要的數(shù)據(jù)——元數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)模型模板由XSD文件表示，其中定義了作戰(zhàn)系統(tǒng)的型號(hào)項(xiàng)目、二級(jí)系統(tǒng)、上網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、接口規(guī)格、消息報(bào)文、信息單元、數(shù)據(jù)字段等元素之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，以及用來(lái)約束每個(gè)元素的詳細(xì)信息，例如，數(shù)據(jù)字段的名稱、類型、長(zhǎng)度、最大值、最小值等［11］。這些元素構(gòu)成了DMT的7個(gè)表，按照模板填寫(xiě)即可得到作戰(zhàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型。

2.3 作戰(zhàn)系統(tǒng)接口協(xié)議輔助設(shè)計(jì)軟件

本文在作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)建模與元數(shù)據(jù)管理技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了作戰(zhàn)系統(tǒng)接口協(xié)議輔助設(shè)計(jì)軟件。該軟件的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將現(xiàn)有及未來(lái)的作戰(zhàn)系統(tǒng)接口協(xié)議相關(guān)數(shù)據(jù)模型化，利用元數(shù)據(jù)管理技術(shù)輔助作戰(zhàn)系統(tǒng)接口協(xié)議的設(shè)計(jì)，從而提高作戰(zhàn)系統(tǒng)研制開(kāi)發(fā)的效率。

作戰(zhàn)系統(tǒng)接口協(xié)議輔助設(shè)計(jì)軟件的主要功能是構(gòu)建作戰(zhàn)系統(tǒng)元數(shù)據(jù)注冊(cè)庫(kù)，軟件采用瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)和XML技術(shù)，提供基于Web表單的用戶界面。用戶通過(guò)客戶端瀏覽器填寫(xiě)表單，利用AJAX技術(shù)提交作戰(zhàn)系統(tǒng)接口協(xié)議元數(shù)據(jù)，并操作管理元數(shù)據(jù)注冊(cè)庫(kù)，然后，服務(wù)器便根據(jù)用戶的請(qǐng)求完成數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)，并處理、返回?cái)?shù)據(jù)。通過(guò)XML數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)系統(tǒng)元數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，根據(jù)元數(shù)據(jù)注冊(cè)庫(kù)的內(nèi)容，借助可擴(kuò)展樣式表語(yǔ)言轉(zhuǎn)換（XSLT）技術(shù)，即可生成作戰(zhàn)系統(tǒng)接口協(xié)議文檔。

數(shù)據(jù)模型模板是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的核心，其決定了用戶界面（表單）的樣子和元數(shù)據(jù)注冊(cè)庫(kù)的結(jié)構(gòu)，因而也就決定了后面進(jìn)行樣式轉(zhuǎn)換的輸入。

建立元數(shù)據(jù)注冊(cè)庫(kù)之后，該軟件便可利用元數(shù)據(jù)開(kāi)展作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成設(shè)計(jì)。除了能轉(zhuǎn)換生成多種格式的接口協(xié)議文檔外，還可提供元數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)信息，以及轉(zhuǎn)換生成作戰(zhàn)系統(tǒng)進(jìn)行接口信息仿真開(kāi)發(fā)所需的數(shù)據(jù)模型文件和源代碼框架等，從而輔助實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型驅(qū)動(dòng)的度量與開(kāi)發(fā)。

3 數(shù)據(jù)模型驅(qū)動(dòng)的度量與開(kāi)發(fā)

數(shù)據(jù)模型在作戰(zhàn)系統(tǒng)的集成與仿真開(kāi)發(fā)方面起著很大作用。基于模型驅(qū)動(dòng)的方法，數(shù)據(jù)模型的修改能自動(dòng)反映到設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，例如，更新接口協(xié)議、更新度量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、更新仿真模型、更新仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)代碼等。

3.1 基于數(shù)據(jù)模型的作戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模塊化度量評(píng)估方法

體系結(jié)構(gòu)的分析和評(píng)估是一個(gè)較新的研究領(lǐng)域，許多研究組織提出了眾多結(jié)構(gòu)化的評(píng)估方法，可以分為兩類：定性分析方法和定量分析方法［12-13］。體系結(jié)構(gòu)定量分析方面的工作目前仍處于成形階段，比較常見(jiàn)的是針對(duì)系統(tǒng)規(guī)模、復(fù)雜度、控制層次（扇入和扇出）、耦合度、環(huán)復(fù)雜度和復(fù)用度等指標(biāo)的測(cè)度［14-15］。

美國(guó)國(guó)防部體系結(jié)構(gòu)框架（DoDAF）的發(fā)展與體系結(jié)構(gòu)評(píng)估技術(shù)密切相關(guān)，可以說(shuō)，體系結(jié)構(gòu)的度量是DoDAF的根本要求。DoDAF給出了一些有助于項(xiàng)目經(jīng)理識(shí)別和定位風(fēng)險(xiǎn)的基于體系結(jié)構(gòu)的指標(biāo)，例如，項(xiàng)目完成情況、體系結(jié)構(gòu)的規(guī)模、復(fù)雜度和互操作性，以及穩(wěn)定性等方面的指標(biāo)。一個(gè)完整的體系結(jié)構(gòu)描述應(yīng)該包括通過(guò)定義性能度量（MOP）來(lái)評(píng)估信息系統(tǒng)的效果與進(jìn)步，并在作戰(zhàn)視圖中說(shuō)明效能度量（MOE）。

目前，針對(duì)作戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)評(píng)估的研究比較缺乏，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，大多是依靠經(jīng)驗(yàn)判斷和定性分析。然而任何工程學(xué)科都必然要經(jīng)歷從定性到定量的認(rèn)識(shí)過(guò)程，本文的目標(biāo)是借鑒計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)量化研究方法和軟件工程方法，通過(guò)定量的測(cè)度來(lái)提供作戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的評(píng)估機(jī)制，從而指導(dǎo)、優(yōu)化設(shè)計(jì)。

首先，以數(shù)據(jù)集成為重點(diǎn)，研究提出作戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的度量。針對(duì)作戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的模塊化特性，嘗試選取了分系統(tǒng)數(shù)量、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、接口數(shù)量、信息單元數(shù)量和作戰(zhàn)流程環(huán)復(fù)雜度這5個(gè)直接度量，并衍生得出4個(gè)比例度量，包括功能分布性、集成復(fù)雜度、數(shù)據(jù)耦合度和信息能力成熟度等，具體的分析可參見(jiàn)文獻(xiàn)［16］。

其次，結(jié)合數(shù)據(jù)模型研究獲取度量值的方法，也就是測(cè)量的具體方法。在作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)建模的基礎(chǔ)上，作戰(zhàn)系統(tǒng)接口協(xié)議輔助設(shè)計(jì)軟件提供了項(xiàng)目數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)功能，可以從作戰(zhàn)系統(tǒng)元數(shù)據(jù)注冊(cè)庫(kù)中獲得詳細(xì)統(tǒng)計(jì)信息，自動(dòng)進(jìn)行度量的計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)基于模型的體系結(jié)構(gòu)度量。

統(tǒng)計(jì)信息在HTML頁(yè)面中是以表格的形式顯示，所有統(tǒng)計(jì)信息都是根據(jù)元數(shù)據(jù)注冊(cè)庫(kù)的內(nèi)容通過(guò)樣式轉(zhuǎn)換而生成。本文根據(jù)度量的需求，設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的XSLT文件，然后以XSLT文件和元數(shù)據(jù)注冊(cè)庫(kù)的XML文檔作為XSLT引擎的輸入，即可得到項(xiàng)目度量的值。如果用戶提交了新的元數(shù)據(jù)，這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)就會(huì)隨之改變。

3.2 模型驅(qū)動(dòng)的作戰(zhàn)系統(tǒng)接口仿真開(kāi)發(fā)

作戰(zhàn)系統(tǒng)效能評(píng)估需要強(qiáng)大的分布仿真能力，未來(lái)仿真開(kāi)發(fā)的規(guī)模和工作量會(huì)越來(lái)越大。模型驅(qū)動(dòng)的仿真開(kāi)發(fā)技術(shù)能有力地支持仿真系統(tǒng)的快速開(kāi)發(fā)，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。

作戰(zhàn)系統(tǒng)的仿真是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，隨著仿真規(guī)模的擴(kuò)大，所涉及的子系統(tǒng)增多，接口關(guān)系越來(lái)越復(fù)雜。實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的基本問(wèn)題是有效的消息交互，而基于XML數(shù)據(jù)模型的作戰(zhàn)系統(tǒng)仿真開(kāi)發(fā)技術(shù)能有效解決這個(gè)問(wèn)題。本文從分析典型的物理消息格式和傳輸方式入手，設(shè)計(jì)了作戰(zhàn)系統(tǒng)通用消息解析器以及通用消息仿真界面。

3.2.1 物理消息格式

前面主要關(guān)注的是采用XSD文件描述的邏輯數(shù)據(jù)模型。在具體的編程環(huán)境中，當(dāng)分系統(tǒng)需要發(fā)送或接收消息報(bào)文時(shí)，就必須要考慮消息的物理表達(dá)方式，也就是物理消息格式。一般來(lái)說(shuō)，物理消息格式可以分為3種：XML、CWF和TDS。CWF（Custom W ire Format）是一種對(duì)定長(zhǎng)消息的格式定義，消息本身不包含任何格式信息，接口雙方必須事先規(guī)定每個(gè)字段的起始位置和長(zhǎng)度，例如，TCP/IP報(bào)文或者自定義的二進(jìn)制消息報(bào)文。TDS（Tagged/Delimited String）是由標(biāo)記或分隔符將消息元素分開(kāi)的文本字符串，必須定義字段名和分隔符的識(shí)別規(guī)則，例如，常見(jiàn)的CVS（逗號(hào)分隔的字符串）格式。XML格式則是自定義的，既定義了消息元素的分隔，也定義了消息元素的字段名稱。

3.2.2 物理消息的傳輸

作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成設(shè)計(jì)一方面要考慮物理消息的格式，另一方面還要考慮物理消息的傳輸協(xié)議，如DDS或HTTP/SOAP。用戶數(shù)據(jù)是作戰(zhàn)系統(tǒng)接口協(xié)議定義的若干信息單元，在消息報(bào)文的傳輸過(guò)程中，會(huì)依次添加應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議頭，接收端則需要反向?qū)訉觿冸x協(xié)議頭，最終得到用戶數(shù)據(jù)。

3.2.3 通用消息解析器

應(yīng)用程序之間使用特定的消息格式進(jìn)行信息交換，就需要針對(duì)其物理消息格式實(shí)現(xiàn)專門(mén)的消息解析程序，如果消息格式有變化，消息解析程序也必須隨之修改，因而會(huì)帶來(lái)較大的開(kāi)發(fā)負(fù)擔(dān)。

設(shè)計(jì)通用消息解析器的目的是降低與接口信息有關(guān)的軟件開(kāi)發(fā)維護(hù)成本，其基本思想是，不同的物理消息格式首先轉(zhuǎn)換為一種通用的消息格式，然后，通用消息解析器再根據(jù)邏輯數(shù)據(jù)模型對(duì)消息進(jìn)行解析，即可得到用戶數(shù)據(jù)。圖2所示為通用消息解析器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

圖2 通用消息解析器的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the commonmessage parser

通用消息格式采用的是XML形式，要做到消息的表達(dá)與開(kāi)發(fā)平臺(tái)和編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)。XML格式的消息包含了數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)，雖然比較冗余，但表達(dá)十分清晰，更重要的是XML通用消息格式可以根據(jù)相應(yīng)的XSD邏輯數(shù)據(jù)模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證。由于有關(guān)消息結(jié)構(gòu)和內(nèi)容的所有約束都定義在了XSD文件中，因此，解析器的代碼可大大簡(jiǎn)化，沒(méi)有必要再去對(duì)信息單元的每個(gè)數(shù)據(jù)字段進(jìn)行有效性檢查，直接取得其值即可進(jìn)行處理和顯示。

通用解析器軟件的實(shí)現(xiàn)方案有兩種：第1種是一邊解析XML通用消息格式，一邊解析XSD文件，對(duì)照著邏輯數(shù)據(jù)模型，將消息中的數(shù)據(jù)取出來(lái)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)、靈活，消息格式的變化只需要修改XSD文件，解析器本身可保持不變，缺點(diǎn)是解析器的代碼復(fù)雜，動(dòng)態(tài)解析數(shù)據(jù)模型的負(fù)擔(dān)較重，會(huì)影響消息的解析效率。

第2種方案是根據(jù)XSD邏輯數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換生成解析器的代碼，在執(zhí)行的時(shí)候直接解析XML消息從而得到數(shù)據(jù)。這種方案雖然效率較高，但XSD文件改變之后需要重新生成解析器的代碼。

目前，這兩種方案均已初步實(shí)現(xiàn)并已應(yīng)用于某作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬器的開(kāi)發(fā)中。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，集成優(yōu)化設(shè)計(jì)特別重要。為了提高作戰(zhàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成能力，未來(lái)的作戰(zhàn)系統(tǒng)將采用商用成熟技術(shù)構(gòu)建一個(gè)開(kāi)放的集成環(huán)境，同時(shí)改進(jìn)作戰(zhàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，降低研制風(fēng)險(xiǎn)和成本，提高系統(tǒng)集成的效率和水平。

數(shù)據(jù)集成設(shè)計(jì)最重要的是接口，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量減少專用接口和數(shù)據(jù)格式。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的信息交換是互操作性的關(guān)鍵，應(yīng)用基于XML的信息表達(dá)方式和數(shù)據(jù)格式有助于減少成對(duì)的兩兩系統(tǒng)之間的接口。同時(shí)，采用以數(shù)據(jù)為中心的集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息交換方式從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)向總線的轉(zhuǎn)變，可使作戰(zhàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成和互操作能力提高至新的水平。

為了使建模與仿真在作戰(zhàn)系統(tǒng)的研制中更好地發(fā)揮作用，有必要逐步建立完善基于仿真的設(shè)計(jì)體系。通過(guò)模型的重用產(chǎn)生備選設(shè)計(jì)方案，快速實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)，并在進(jìn)行仿真試驗(yàn)評(píng)估之后修改模型，生成新的方案，如此迭代反復(fù)。

［1］FINKELSTEIN C.Enterprise architecture for integration：rapid deliverymethods and technologies［M］.London：Artech House Publishers，2006：122.

［2］DoD Architecture Framework Working Group.DoD architecture framework version 1.5，volume III：architecture data description［S］.The United States：Departmentof Defense，2007.

［3］DoD Architecture Framework Working Group.DoD architecture framework version 2.0，volume 1～3［S］.The United States：Departmentof Defense，2009.

［4］程華云，尹迪，汪銘東.美軍C4ISR系統(tǒng)核心體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型的分析［J］.情報(bào)指揮控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)，2005，27（3）：53-56.

CHENG H Y，YIN D，WANG M D.The analysis of C4ISR core architecture data model［J］.Information Command Control System and Simulation Technology，2005，27（3）：53-56.

［5］董曉明，黃坤，張劍，等.作戰(zhàn)系統(tǒng)互操作性與XML的應(yīng)用研究［J］.中國(guó)艦船研究，2008，3（3）：59-62，73.

DONG X M，HUANG K，ZHANG J，et al.Research on interoperability of shipboard combat system and applications of XML［J］.Chinese Journal of Ship Research，2008，3（3）：59-62，73.

［6］董曉明，閔紹榮，雷靜，等.基于UML和XML的數(shù)據(jù)建模方法及應(yīng)用［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010，22（9）：2048-2051.

DONG XM，MIN SR，LEIJ，etal.Method and application ofdatamodeling based on UML and XML［J］.Journalof System Simulation，2010，22（9）：2048-2051.

［7］畢強(qiáng)，朱亞玲.元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及其互操作研究［J］.情報(bào)理論與實(shí)踐，2007，30（5）：666-670.

［8］吳娟，王明哲，方華京.基于SysML的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計(jì)［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2006，28（4）：594-598.

WU J，WANGM Z，F(xiàn)ANG H J.Product design of systems architecture using SysML［J］.Systems Engineering and Electronics，2006，28（4）：594-598.

［9］Department of Defense.High-level architecture，object model template specification version 1.3［S］.The United States：Departmentof Defense，1998.

［10］IEEE Std 1516.2-2000 IEEE standard formodeling and simulation（M&S）high level architecture（HLA）-objectmodel template（OMT）specification［S］.2000.

［11］董曉明，程嵐，張劍，等.元數(shù)據(jù)管理在作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2010，38（7）：62-65.

DONG X M，CHENG L，ZHANG J，et al.Application ofmetadatamanagement technology in data integration design of shipborne combat system［J］.Computerand Digital Engineering，2010，38（7）：62-65.

［12］劉霞，李明樹(shù)，王青，等.軟件體系結(jié)構(gòu)分析與評(píng)價(jià)方法評(píng)述［J］.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2005，42（7）：1247-1254.

LIU X，LIM S，WANG Q，et al.Review of software architecture analysisand evaluationmethods［J］.Journal of Computer Research and Development，2005，42（7）：1247-1254.

［13］梅宏，申峻嶸.軟件體系結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展［J］.軟件學(xué)報(bào)，2006，17（6）：1257-1275.

MEIH，SHEN JR.Progress of research on Software Architecture［J］.Journal of Software，2006，17（6）：1257-1275.

［14］EBERTC，DUMKER.Softwaremeasurement：establish-extract-evaluate-execute［M］.Berlin：Springer，2007.

［15］ROGER S.Software engineering：a practitioner's approach（6th Edition）［M］.New York：McGraw-Hill Higher Education，2005.

［16］董曉明，石朝明.一種艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)量化評(píng)估方法［J］.艦船電子工程，2008，28（9）：1-4.

DONG XM，SHICM.A method for quantitative evaluation of shipborne combat system architecture［J］.Ship Electronic Engineering，2008，28（9）：1-4.