黃小華

(中國西南電子技術(shù)研究所, 四川 成都　610036)

在網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)中,偵察是獲取軍事情報(bào)的主要手段之一,偵察手段或工具大體可分為戰(zhàn)略與戰(zhàn)術(shù)兩類,而在戰(zhàn)術(shù)偵察手段中首推航空偵察,因?yàn)槠錂C(jī)動(dòng)性高和活動(dòng)范圍大;同時(shí)可以加載多種偵察設(shè)備如電子偵察和成像偵察等任務(wù)載荷,可以不斷滿足對(duì)偵察的發(fā)展要求[1]。航空偵察是軍事偵察的重要組成部分,負(fù)責(zé)航空偵察的偵察機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)中一個(gè)重要的信息獲取、傳輸和分發(fā)節(jié)點(diǎn),能提供實(shí)時(shí)情報(bào)支持和高精度的戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)探測(cè)及定位能力,能對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)上的雷達(dá)信號(hào)和通信信號(hào)實(shí)施有效偵察,提供高價(jià)值的戰(zhàn)略情報(bào)和戰(zhàn)術(shù)情報(bào)[2-3]。在機(jī)載偵察任務(wù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)開發(fā)過程中,由于航空偵察在網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)中交互的復(fù)雜性和機(jī)載偵察任務(wù)載荷組成的復(fù)雜性,而傳統(tǒng)基于文檔的開發(fā)方法由于存在語義二義性、無法驗(yàn)證一致性和設(shè)計(jì)過程無法驗(yàn)證等固有問題,已經(jīng)無法滿足機(jī)載偵察任務(wù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)開發(fā)要求。

針對(duì)基于文檔的開發(fā)方法不能滿足復(fù)雜機(jī)載偵察任務(wù)系統(tǒng)總體開發(fā)要求的問題,提出了一種基于模型系統(tǒng)工程的總體設(shè)計(jì)方法[4-5]。2006年國際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)(INCOSE)給出了“基于模型系統(tǒng)工程(MBSE)”的定義[6]:基于模型系統(tǒng)工程是對(duì)系統(tǒng)工程活動(dòng)中建模方法應(yīng)用的正式認(rèn)同,以使建模方法支持系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng),這些活動(dòng)從概念設(shè)計(jì)階段開始,持續(xù)貫穿到設(shè)計(jì)開發(fā)及后面的所有壽命周期階段。Harmony[7]系統(tǒng)工程方法是IBM公司提出基于系統(tǒng)建模語言[8]的模型系統(tǒng)工程方法?；谀Ｐ拖到y(tǒng)工程和文檔(代碼)驅(qū)動(dòng)的開發(fā)比較如表1所示,從中可以看出,基于模型系統(tǒng)工程的開發(fā)具有可視化、可理解、可交流、一致性和可驗(yàn)證等特點(diǎn),可有效解決文檔驅(qū)動(dòng)開發(fā)中的問題。

表1　模型系統(tǒng)工程和文檔(代碼)驅(qū)動(dòng)開發(fā)方法對(duì)比

1　基于系統(tǒng)工程的系統(tǒng)總體建模方法

1.1　系統(tǒng)建模語言

在模型驅(qū)動(dòng)開發(fā)的軟件分析設(shè)計(jì)中,對(duì)象管理組織(OMG)建立了標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一建模語言(UML),為了支撐系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的模型開發(fā),對(duì)象管理組織在UML的基礎(chǔ)上發(fā)展了標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)建模語言SysML[8]。SysML語言是在復(fù)用UML的基礎(chǔ)上,將其擴(kuò)展到包括硬件、軟件和其他組件等綜合的系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域,供系統(tǒng)工程師使用的標(biāo)準(zhǔn)化建模語言。SysML語言是模型驅(qū)動(dòng)開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),在支撐系統(tǒng)工程分析和細(xì)化需求、結(jié)構(gòu)、行為和分配及系統(tǒng)屬性限制等方面特別有效。SysML 視圖[8]包括需求、結(jié)構(gòu)、行為和參數(shù)共4個(gè)方面視圖類型, SysML的視圖組成及關(guān)系示意圖如圖1所示。

系統(tǒng)建模語言SysML組成視圖及其作用如表2所示。

表2　系統(tǒng)建模語言SysML組成視圖及其作用

1.2　Harmony系統(tǒng)工程建模設(shè)計(jì)方法

針對(duì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)一致性和SysML語言等特點(diǎn),建立基于模型系統(tǒng)工程的Harmony系統(tǒng)總體建模設(shè)計(jì)方法開發(fā)流程如圖2所示,Harmony系統(tǒng)工程方法[7]主要包括系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)功能分析和系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)三個(gè)主要建模設(shè)計(jì)過程。

1)系統(tǒng)需求分析:完成系統(tǒng)初步的需求規(guī)格說明和系統(tǒng)用例模型,建立系統(tǒng)需求分析模型。

a)根據(jù)系統(tǒng)輸入的客戶需求和用戶需求等涉眾需求進(jìn)行分析,將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的功能和性能需求,建立需求間包含、滿足、驗(yàn)證和跟蹤關(guān)系,完成需求圖設(shè)計(jì),形成初步的系統(tǒng)需求規(guī)格說明。

b)根據(jù)系統(tǒng)需求定義系統(tǒng)用例,將系統(tǒng)需求組合為用例,建立需求與用例間的覆蓋和追蹤關(guān)系,完成用例圖設(shè)計(jì),形成用例模型。

2)系統(tǒng)功能分析:根據(jù)系統(tǒng)用例模型,對(duì)每個(gè)用例進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模型開發(fā),通過模型的執(zhí)行驗(yàn)證和理解需求,建立系統(tǒng)功能分析模型。

a)用內(nèi)部塊圖定義用例的上下文環(huán)境,內(nèi)部塊圖中的每個(gè)塊代表用例和相關(guān)的參與者。

b)通過建模工作流定義用例塊的行為,即用黑盒活動(dòng)圖定義用例的工作流,描述用例的功能流,將功能需求組合為活動(dòng)/操作和將這些活動(dòng)/操作聯(lián)系在一起。

c)根據(jù)黑盒活動(dòng)圖,通過黑盒序列圖定義用例場(chǎng)景,內(nèi)部塊圖中定義端口和接口。

d)從用例的黑盒活動(dòng)圖和黑盒序列圖派生黑盒狀態(tài)機(jī)圖,基線化系統(tǒng)需求,生成定義系統(tǒng)和外界接口的系統(tǒng)級(jí)接口控制文件。

e)通過執(zhí)行用例的黑盒活動(dòng)圖、黑盒序列圖和黑盒狀態(tài)機(jī)圖等動(dòng)態(tài)模型驗(yàn)證系統(tǒng)功能分析的正確性、一致性和完整性。

3)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì):根據(jù)系統(tǒng)功能分析模型,設(shè)計(jì)出能滿足功能性和非功能性需求的架構(gòu),建立系統(tǒng)架構(gòu)分析模型、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)模型和系統(tǒng)架構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)模型等系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)模型。

a)系統(tǒng)架構(gòu)分析:建立系統(tǒng)架構(gòu)分析模型。確定系統(tǒng)架構(gòu)方案,建立方案的塊定義圖,根據(jù)系統(tǒng)確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用關(guān)聯(lián)矩陣法或?qū)哟畏治龇╗3]等系統(tǒng)工程方法確定候選方案的評(píng)估結(jié)果,建立塊定義圖的參數(shù)圖,根據(jù)候選方案的綜合效用值確定最終的方案選擇。

b)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì):建立系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)模型。通過塊定義圖和內(nèi)部塊圖定義系統(tǒng)架構(gòu)及其各組成結(jié)構(gòu),通過白盒活動(dòng)圖完成系統(tǒng)的功能需求和非功能需求分配。

c)系統(tǒng)詳細(xì)架構(gòu)設(shè)計(jì):建立系統(tǒng)架構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)模型。根據(jù)白盒活動(dòng)圖派生白盒序列圖,在系統(tǒng)架構(gòu)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部塊圖中定義內(nèi)部端口和接口,通過白盒狀態(tài)機(jī)圖定義塊的狀態(tài)行為。生成邏輯接口控制文件和軟硬件需求規(guī)格說明。

d)通過執(zhí)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的白盒活動(dòng)圖、白盒序列圖和白盒狀態(tài)機(jī)圖等動(dòng)態(tài)模型驗(yàn)證系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性、一致性和完整性。

2　機(jī)載偵察任務(wù)系統(tǒng)總體建模設(shè)計(jì)

航空偵察系統(tǒng)主要由偵察機(jī)和地面配套設(shè)備組成,地面配套設(shè)備為機(jī)載任務(wù)系統(tǒng)提供任務(wù)規(guī)劃及情報(bào)地面處理等功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載任務(wù)系統(tǒng)設(shè)備的性能測(cè)試和維修測(cè)試等工作。偵察機(jī)由機(jī)載平臺(tái)和機(jī)載任務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成,機(jī)載平臺(tái)是為了裝載偵察任務(wù)載荷的飛機(jī)平臺(tái),機(jī)載偵察任務(wù)系統(tǒng)作為航空偵察系統(tǒng)的核心,為了滿足偵察和支撐體系作戰(zhàn)能力,通常由信號(hào)偵察、成像偵察、通信及指控情報(bào)等分系統(tǒng)組成,主要完成對(duì)雷達(dá)和通信等無線電信號(hào)以及機(jī)場(chǎng)和港口等成像偵察目標(biāo)的偵察監(jiān)視,綜合處理有效信息,獲取有效情報(bào),形成戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境態(tài)勢(shì),按需將情報(bào)信息分發(fā)至指揮作戰(zhàn)單元,實(shí)時(shí)為支援干擾飛機(jī)等提供電磁目標(biāo)參數(shù)和信號(hào)樣本數(shù)據(jù),通過多種機(jī)間和機(jī)地?cái)?shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)與預(yù)警機(jī)、干擾機(jī)、地面?zhèn)蓽y(cè)站的空空和空地協(xié)同支撐體系化的作戰(zhàn)能力。航空偵察系統(tǒng)組成示意圖如圖3所示。

本文以某型機(jī)載偵察任務(wù)系統(tǒng)開展總體建模設(shè)計(jì),以機(jī)載偵察任務(wù)系統(tǒng)的空中情報(bào)偵察及分發(fā)用例為例,給出系統(tǒng)總體建模設(shè)計(jì)流程中系統(tǒng)需求分析用例模型、系統(tǒng)功能分析的黑盒活動(dòng)圖、系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)中架構(gòu)設(shè)計(jì)的架構(gòu)結(jié)構(gòu)圖和詳細(xì)架構(gòu)設(shè)計(jì)的白盒活動(dòng)圖等用例的代表性模型。

2.1　系統(tǒng)需求分析

機(jī)載偵察任務(wù)系統(tǒng)的空中情報(bào)偵察及分發(fā)用例簡(jiǎn)要過程描述:偵察任務(wù)開始前,地面站配套設(shè)備的任務(wù)規(guī)劃與情報(bào)地面處理系統(tǒng)根據(jù)上級(jí)指令規(guī)劃偵察機(jī)的偵察任務(wù);偵察任務(wù)執(zhí)行過程中,必要時(shí)請(qǐng)求其他偵測(cè)手段進(jìn)行雙機(jī)定位、協(xié)同偵察或應(yīng)其他偵測(cè)手段請(qǐng)求進(jìn)行協(xié)同偵察(如預(yù)警機(jī)和地面?zhèn)刹煜到y(tǒng)等),在偵察監(jiān)視的同時(shí),將一些重要的、時(shí)效性強(qiáng)的情報(bào)實(shí)時(shí)傳回地面任務(wù)規(guī)劃與情報(bào)地面處理系統(tǒng);接收預(yù)警機(jī)空情態(tài)勢(shì),與本機(jī)偵察情報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)融合,獲得威脅目標(biāo)信息;在實(shí)施干擾支援時(shí),利用各種偵測(cè)手段獲取的目標(biāo)信息,向干擾飛機(jī)通過位置、參數(shù)、信號(hào)樣本引導(dǎo),完成干擾支援任務(wù);任務(wù)完成后,將本次偵察所獲數(shù)據(jù)卸載到任務(wù)規(guī)劃與情報(bào)地面處理系統(tǒng)。情報(bào)偵察及分發(fā)用例的用例模型如圖4所示。

2.2　系統(tǒng)功能分析

根據(jù)機(jī)載偵察任務(wù)系統(tǒng)的空中情報(bào)偵察及分發(fā)用例進(jìn)行系統(tǒng)功能分析,其主要活動(dòng)流簡(jiǎn)要描述:根據(jù)上級(jí)指令制定偵察計(jì)劃;將生成的偵察計(jì)劃等信息上傳至機(jī)上數(shù)據(jù)庫;系統(tǒng)加電初始化,信號(hào)偵察、成像偵察、任務(wù)通信和指控情報(bào)等分系統(tǒng)分別完成初始化自檢和任務(wù)加載工作,配置相應(yīng)的工作模式和工作參數(shù)等;飛機(jī)升空進(jìn)入任務(wù)區(qū)域后,任務(wù)系統(tǒng)按確定的工作模式和工作方式進(jìn)行信號(hào)偵察和成像偵察及任務(wù)通信和情報(bào)分發(fā)等工作;在偵察和情報(bào)處理過程中,是否接收新偵察計(jì)劃,如沒有則繼續(xù)開展系統(tǒng)偵察任務(wù),如有則更新偵察計(jì)劃后開展系統(tǒng)偵察任務(wù);根據(jù)偵察計(jì)劃可同時(shí)開展信號(hào)偵察和成像偵察任務(wù);對(duì)偵察的情報(bào)進(jìn)行處理并判斷偵察工作是否結(jié)束,如偵察結(jié)束則卸載機(jī)載情報(bào)數(shù)據(jù),否則繼續(xù)偵察和情報(bào)處理工作,如有協(xié)同數(shù)據(jù),則接收協(xié)同數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理,情報(bào)處理后如需分發(fā)情報(bào),則開展情報(bào)分發(fā)工作;任務(wù)完成后將卸載本次偵察所獲數(shù)據(jù),進(jìn)行地面情報(bào)處理和深入研究分析,如有價(jià)值情報(bào)則上報(bào)。其功能分析模型如圖5所示。

2.3　系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能分析模型,設(shè)計(jì)出滿足功能性和非功能性需求的架構(gòu)。

1)架構(gòu)分析:由于機(jī)載偵察任務(wù)系統(tǒng)中的傳感器系統(tǒng)有分離式、聯(lián)合式和綜合化等多種架構(gòu)方案,則根據(jù)業(yè)務(wù)或技術(shù)專家確定的任務(wù)可靠性、重量、采購成本和維護(hù)成本等指標(biāo)體系及權(quán)重,通過如層次分析法等的系統(tǒng)工程方法計(jì)算每種方案的指標(biāo)值,確定采用綜合化傳感器系統(tǒng)作為機(jī)載偵察任務(wù)系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)方案。

2)架構(gòu)設(shè)計(jì):通過塊定義圖分解機(jī)載偵察任務(wù)系統(tǒng)的綜合化傳感器系統(tǒng)到信號(hào)偵察、成像偵察、指控與情報(bào)處理和任務(wù)通信等分系統(tǒng),信號(hào)偵察分系統(tǒng)通常由雷達(dá)信號(hào)、通信信號(hào)和其他電子信號(hào)偵察子系統(tǒng)組成,實(shí)現(xiàn)偵察雷達(dá)和通信等電磁輻射信號(hào),采集記錄信號(hào)樣本,測(cè)量信號(hào)工作參數(shù)及方位、分析信號(hào)參數(shù)特征,并對(duì)已知信號(hào)進(jìn)行解碼和解譯,獲取情報(bào)。成像偵察分系統(tǒng)通常由相機(jī)子系統(tǒng)和合成孔徑雷達(dá)子系統(tǒng)組成,具備全天候、全天時(shí),反隱藏/反偽裝偵察能力,能對(duì)地/海面固定目標(biāo)進(jìn)行大范圍、遠(yuǎn)距離、高分辨的探測(cè)、成像、識(shí)別與定位,能對(duì)地/海面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)、連續(xù)監(jiān)視與跟蹤。指控與情報(bào)處理分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)載偵察任務(wù)系統(tǒng)的資源及任務(wù)管理、合理調(diào)度和配置各傳感器參數(shù),優(yōu)化傳感器探測(cè)資源,實(shí)現(xiàn)多傳感器協(xié)同和對(duì)目標(biāo)的有效偵察;指控與情報(bào)處理分系統(tǒng)具備與外平臺(tái)協(xié)同偵察的組織和管理能力,支持空空協(xié)同和空地協(xié)同等偵察方式;能綜合處理獲取的平臺(tái)內(nèi)外有效信息,分析識(shí)別目標(biāo)屬性,判定目標(biāo)工作狀態(tài)和威脅等級(jí),獲取有效情報(bào),形成戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境態(tài)勢(shì);實(shí)時(shí)為支援干擾飛機(jī)等提供電磁目標(biāo)位置、信號(hào)參數(shù)和信號(hào)樣本數(shù)據(jù)等。任務(wù)通信分系統(tǒng)具備多鏈應(yīng)用與多鏈協(xié)同工作管理能力,可同時(shí)通過衛(wèi)星通信和聯(lián)合信息分發(fā)系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)對(duì)指揮作戰(zhàn)單元的情報(bào)信息分發(fā)和接收。系統(tǒng)架構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

3)詳細(xì)架構(gòu)設(shè)計(jì):主要完成機(jī)載偵察任務(wù)系統(tǒng)的各組成分系統(tǒng)分配前期黑盒活動(dòng)圖的系統(tǒng)功能,給信號(hào)偵察分系統(tǒng)、成像偵察分系統(tǒng)、指控與情報(bào)處理分系統(tǒng)和任務(wù)通信分系統(tǒng)等分配系統(tǒng)功能的用例白盒活動(dòng)圖如圖7所示。

4)機(jī)載偵察任務(wù)系統(tǒng)向信號(hào)偵察、成像偵察、指控與情報(bào)處理和任務(wù)通信等分系統(tǒng)的模型交付件通常包括各組成分系統(tǒng)的可執(zhí)行模型、系統(tǒng)端口和邏輯接口的定義、狀態(tài)行為描述(狀態(tài)機(jī))、被分配到各組成分系統(tǒng)的功能性和非功能性需求等,主要包括系統(tǒng)接口N2圖和接口控制文件等文件。

2.4　系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證

在機(jī)載偵察任務(wù)系統(tǒng)建模過程中,通過空中情報(bào)偵察及分發(fā)用例組織功能需求驅(qū)動(dòng)建模流程,構(gòu)建相應(yīng)的用例模型以描述系統(tǒng)與外部環(huán)境的信息交互,用黑盒活動(dòng)圖對(duì)用例進(jìn)行黑盒分析,確定系統(tǒng)的活動(dòng)流程;然后根據(jù)系統(tǒng)需求對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行權(quán)衡選擇,將黑盒活動(dòng)模型中的活動(dòng)進(jìn)行分配,即對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行白盒分析。整個(gè)建模過程自上而下,依次對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的功能模型進(jìn)行分解,最后得出滿足系統(tǒng)空中情報(bào)偵察及分發(fā)用例組織的功能需求。在建模設(shè)計(jì)過程中,通過模型執(zhí)行和迭代分析設(shè)計(jì)完成系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)模型的驗(yàn)證:

1) 模型可執(zhí)行。在模型構(gòu)建過程中即可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可視化分析和模型邏輯準(zhǔn)確性驗(yàn)證,通過執(zhí)行系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)中的活動(dòng)圖、序列圖和狀態(tài)機(jī)圖等動(dòng)態(tài)模型,驗(yàn)證系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)模型的正確性、需求與設(shè)計(jì)前后的一致性、分析與設(shè)計(jì)的完整性等。

2) 模型執(zhí)行分析?？捎行?shí)現(xiàn)系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)的迭代開發(fā)過程,通過基于模型的調(diào)試,開發(fā)過程中更正模型的錯(cuò)誤,有效解決了傳統(tǒng)的系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)結(jié)束后再進(jìn)行測(cè)試帶來的重復(fù)工作。

3) 迭代分析設(shè)計(jì)。通過可執(zhí)行模型獲取分析設(shè)計(jì)結(jié)果,確定需要對(duì)系統(tǒng)哪些部分進(jìn)行完善,對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)開發(fā)。

3　結(jié)束語

本文針對(duì)機(jī)載偵察任務(wù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)過程中采用文檔形式進(jìn)行開發(fā)存在的問題,對(duì)基于模型的系統(tǒng)工程方法進(jìn)行了研究,提出了基于Harmony模型系統(tǒng)工程的復(fù)雜系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)開發(fā)方法。該方法通過在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)過程中開展建模工作,能使用戶和系統(tǒng)總體人員及系統(tǒng)總體人員與后續(xù)子系統(tǒng)或軟硬件開發(fā)人員的溝通和理解保持一致性,通過動(dòng)態(tài)執(zhí)行開發(fā)過程中模型的驗(yàn)證策略,在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)過程中完成對(duì)系統(tǒng)模型的正確性和一致性驗(yàn)證,并能規(guī)范后續(xù)子系統(tǒng)或軟硬件等的開發(fā)及交付產(chǎn)物,將錯(cuò)誤扼殺在前期設(shè)計(jì)過程中,避免前期總體設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的積累,降低系統(tǒng)的研制風(fēng)險(xiǎn),保證系統(tǒng)的研制質(zhì)量。通過在實(shí)際的復(fù)雜系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)過程中開展建模設(shè)計(jì)工作,表明總體建模設(shè)計(jì)技術(shù)是可行的,并具有應(yīng)用推廣價(jià)值。