面向航空裝備頂層論證的連續(xù)性體系行為建模

摘要：本文闡述了航空裝備頂層論證的主要工作，分析了體系設(shè)計(jì)和虛擬驗(yàn)證及確認(rèn)對(duì)體系行為建模的需求。為彌合體系架構(gòu)模型和任務(wù)仿真模型間的差距，實(shí)現(xiàn)體系行為連續(xù)性建模，提出了兩種模型轉(zhuǎn)換方法?；诮涌诙x的行為模型轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了架構(gòu)設(shè)計(jì)工具與任務(wù)仿真工具的互聯(lián)，使架構(gòu)模型直接驅(qū)動(dòng)任務(wù)仿真中的實(shí)體。基于格式轉(zhuǎn)換的行為模型轉(zhuǎn)換使運(yùn)行/系統(tǒng)狀態(tài)圖轉(zhuǎn)換為任務(wù)仿真系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)組織/系統(tǒng)的行為模型以實(shí)現(xiàn)模型的傳遞。應(yīng)用案例演示了兩種模型轉(zhuǎn)換方法，取代了人工重復(fù)建模，縮短了建模和仿真迭代周期。

關(guān)鍵詞：體系架構(gòu)；系統(tǒng)工程；建模與仿真；頂層論證；行為建模

中圖分類號(hào)：V21文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.12.013

航空裝備的頂層論證是研制流程中的首個(gè)階段，需要提出該裝備在體系（system of systems，SoS）運(yùn)行中的功能和性能需求[1]。頂層論證的核心工作是通過(guò)體系建模進(jìn)行裝備運(yùn)行概念（ConOps）分析。架構(gòu)建模是描述體系的主要方法，而任務(wù)仿真通常用于體系架構(gòu)邏輯驗(yàn)證后的效能評(píng)估?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程（MBSE）[2-4]、模型中心工程（MCE）[5]、數(shù)字孿生/數(shù)字線索[6-8]等系統(tǒng)工程概念都強(qiáng)調(diào)連續(xù)的虛擬驗(yàn)證和確認(rèn)，這對(duì)模型的傳遞提出了很高的要求。為了提高體系架構(gòu)模型到任務(wù)仿真模型的連續(xù)性，本文提出一種連續(xù)性體系行為建模方法，以滿足航空裝備頂層論證對(duì)行為模型的需求。

1航空裝備頂層論證中的體系行為建模

航空裝備頂層論證位于系統(tǒng)工程V模型[9]的左上角（見(jiàn)圖1），該階段包括場(chǎng)景分析、體系設(shè)計(jì)、虛擬驗(yàn)證與確認(rèn)等活動(dòng)，其可以表示為一個(gè)小的V模型?；趫?chǎng)景分析運(yùn)行概念，使用架構(gòu)方法進(jìn)行體系設(shè)計(jì)，通過(guò)任務(wù)仿真進(jìn)行體系架構(gòu)的虛擬驗(yàn)證和確認(rèn)，梳理出體系中航空裝備的需求，支持后續(xù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

航空裝備頂層論證涉及的任務(wù)仿真涵蓋戰(zhàn)役、任務(wù)和交戰(zhàn)三個(gè)層級(jí)，對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)建模與仿真金字塔[10]的上三層（見(jiàn)圖2）。從建模與仿真金字塔自頂向下，仿真關(guān)注的對(duì)象從體系轉(zhuǎn)向單個(gè)系統(tǒng)。與之對(duì)應(yīng)的是，建模的關(guān)注點(diǎn)從行為模型轉(zhuǎn)向物理模型，模型的顆粒度也由粗到細(xì)。戰(zhàn)役級(jí)仿真更關(guān)注全局的指揮和控制行為，單個(gè)系統(tǒng)的模型可以非常簡(jiǎn)化并可能被聚合模型所替代。而工程級(jí)仿真在航空裝備的工程研制階段應(yīng)用廣泛，更關(guān)注單個(gè)系統(tǒng)或關(guān)鍵子系統(tǒng)，此時(shí)物理模型是研究的重點(diǎn)。因此，航空裝備頂層論證中任務(wù)仿真的建模重點(diǎn)偏向于行為模型，因此本文將重點(diǎn)研究行為的連續(xù)性建模。

行為是物理系統(tǒng)組件對(duì)環(huán)境條件的反應(yīng)和交互或人員、組織和社團(tuán)的反應(yīng)和交互[9]。行為模型可以描述各類任務(wù)中的OODA環(huán)（觀察-判斷-決策-行動(dòng)）。

體系架構(gòu)包括描述組織或系統(tǒng)活動(dòng)的模型，可以從動(dòng)態(tài)視角描述行為。體系架構(gòu)模型是一種典型的概念模型，而概念模型可以在不需要技術(shù)細(xì)節(jié)的情況下描述一個(gè)系統(tǒng)或體系及其工作形態(tài)[10]，適合用于缺少技術(shù)細(xì)節(jié)的航空裝備的頂層論證階段。體系架構(gòu)模型通常是由諸如SysML（系統(tǒng)建模語(yǔ)言）等規(guī)范化語(yǔ)言描述的概念模型[11]。

對(duì)于計(jì)算機(jī)生成兵力（CGF），行為模型用于驅(qū)動(dòng)任務(wù)仿真系統(tǒng)中仿真實(shí)體的物理模型，因此任務(wù)仿真中的行為模型是可執(zhí)行可仿真的，不同于概念模型。對(duì)于同一個(gè)體系作為描述對(duì)象，體系架構(gòu)的行為模型和任務(wù)仿真中的行為模型有不同的表達(dá)形式。不經(jīng)過(guò)任何模型轉(zhuǎn)換的架構(gòu)模型，不能在任務(wù)仿真系統(tǒng)中直接運(yùn)行。

如果沒(méi)有有效的模型轉(zhuǎn)換機(jī)制，航空裝備頂層論證的不同環(huán)節(jié)中需要人工進(jìn)行重復(fù)的行為建模，導(dǎo)致建模仿真周期拉長(zhǎng)。并且如果建模人員不同，還存在對(duì)模型理解出現(xiàn)歧義的風(fēng)險(xiǎn)。因此，為彌合航空裝備頂層論證中的架構(gòu)模型和仿真模型間的差異，連續(xù)性行為建模方法研究意義重大。

2體系行為連續(xù)性建模方法

在體系架構(gòu)開(kāi)發(fā)和任務(wù)仿真中對(duì)體系行為進(jìn)行人工建模的方式存在前文所述的諸多缺點(diǎn)，而且是一種不連續(xù)的建模方式，因此，需要通過(guò)模型間的轉(zhuǎn)換取代人工重復(fù)建模。

2.1轉(zhuǎn)換需求分析

以美國(guó)國(guó)防部架構(gòu)框架（DoDAF）為例，運(yùn)行視圖（OV）建模關(guān)注組織層級(jí)，建模重點(diǎn)是各個(gè)組織間的運(yùn)行關(guān)系，運(yùn)行節(jié)點(diǎn)是組織（如一支部隊(duì)）而非系統(tǒng)。由于大部分任務(wù)仿真系統(tǒng)中的仿真實(shí)體是系統(tǒng)，因此該層級(jí)的架構(gòu)模型不能與任務(wù)仿真系統(tǒng)中的仿真實(shí)體直接關(guān)聯(lián)。而系統(tǒng)視圖（SV）的建模覆蓋了體系中的主要系統(tǒng)，與任務(wù)仿真系統(tǒng)中的仿真實(shí)體都是系統(tǒng)層級(jí)，其對(duì)各個(gè)系統(tǒng)行為的描述與任務(wù)仿真系統(tǒng)的行為模型可以建立起映射。

任務(wù)仿真系統(tǒng)的行為建模通常也具有組織層面和系統(tǒng)層面，雖然不一定都做了區(qū)分。組織層面的行為模型可以描述任務(wù)中的指揮行為，體現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法，而系統(tǒng)層面的行為模型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的物理模型，實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)體的運(yùn)行。

由于組織層級(jí)架構(gòu)模型不涉及系統(tǒng)，任務(wù)仿真中組織層級(jí)的行為模型顆粒度可以較粗，任務(wù)仿真可以對(duì)體系架構(gòu)的運(yùn)行視圖進(jìn)行時(shí)空驗(yàn)證，即檢查體系運(yùn)行中是否存在時(shí)空沖突問(wèn)題。對(duì)于系統(tǒng)層級(jí)，任務(wù)仿真模型的顆粒度可以較細(xì)，能夠采用不同的系統(tǒng)物理模型，只要行為模型進(jìn)行了轉(zhuǎn)換就可以對(duì)體系架構(gòu)進(jìn)行時(shí)空驗(yàn)證并開(kāi)展效能評(píng)估。當(dāng)實(shí)現(xiàn)體系架構(gòu)和任務(wù)仿真中行為模型的快速轉(zhuǎn)換，修改架構(gòu)模型時(shí)任務(wù)仿真的結(jié)果也會(huì)改變，在對(duì)架構(gòu)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證的同時(shí)快速迭代體系架構(gòu)設(shè)計(jì)。

將架構(gòu)模型轉(zhuǎn)化為任務(wù)仿真中的行為模型的方式在本文中有以下兩種，即基于接口定義和基于格式轉(zhuǎn)換。

2.2接口定義

部分架構(gòu)建模工具已經(jīng)通過(guò)狀態(tài)機(jī)支持概念模型生成代碼的邏輯驗(yàn)證。另一方面，部分任務(wù)仿真系統(tǒng)以狀態(tài)機(jī)的形式進(jìn)行行為建模。因此，通過(guò)定義架構(gòu)建模工具和任務(wù)仿真工具間的接口用于數(shù)據(jù)交換，體系架構(gòu)中的狀態(tài)圖模型可以映射到任務(wù)仿真系統(tǒng)中的狀態(tài)機(jī)。目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)通過(guò)體系架構(gòu)的狀態(tài)機(jī)模型直接驅(qū)動(dòng)任務(wù)仿真中的實(shí)體[12]。

圖3為體系架構(gòu)模型通過(guò)數(shù)據(jù)分布式服務(wù)（DDS）軟總線[13-14]直接驅(qū)動(dòng)仿真實(shí)體的運(yùn)行概念。在DDS接口管理界面中，左側(cè)紅框內(nèi)定義了體系架構(gòu)模型的輸出數(shù)據(jù)，右側(cè)紅框內(nèi)定義了任務(wù)仿真所需的輸入數(shù)據(jù)。在外部接口升級(jí)后，當(dāng)體系架構(gòu)邏輯仿真和任務(wù)仿真可以同時(shí)運(yùn)行時(shí)，二者通過(guò)DDS進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)體系架構(gòu)模型進(jìn)行有限的修改時(shí)，接口可以不做更改。顯然，與人工重復(fù)建模相比，這種方法能有效提高建模和仿真的效率。

2.3格式轉(zhuǎn)換

當(dāng)任務(wù)仿真系統(tǒng)需要獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，架構(gòu)模型到任務(wù)仿真模型的轉(zhuǎn)換可以以格式轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行。以DoDAF為例，視圖OV-6b/SV-10b是運(yùn)行/系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移描述模型[15-16]。這些概念模型可以由SysML等規(guī)范化建模語(yǔ)言描述。因此，體系架構(gòu)建模工具輸出的數(shù)據(jù)，可以通過(guò)轉(zhuǎn)換為任務(wù)仿真系統(tǒng)所需的輸入數(shù)據(jù)。

在典型的任務(wù)仿真系統(tǒng)中，依附于物理實(shí)體的組織單元與物理系統(tǒng)一樣，也具有行為。OV-6b可以轉(zhuǎn)換為組織的指揮行為，而SV-10b可以轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的控制行為（見(jiàn)圖4）。當(dāng)仿真開(kāi)始時(shí)，組織單元的狀態(tài)機(jī)將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)體的狀態(tài)機(jī)并間接驅(qū)動(dòng)各個(gè)系統(tǒng)的物理模型，仿真想定由此得到執(zhí)行。

模型格式轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)過(guò)程可以分為兩個(gè)階段。在模型開(kāi)發(fā)準(zhǔn)備階段，需要進(jìn)行架構(gòu)模型輸出與行為模型輸入的定義并開(kāi)發(fā)格式轉(zhuǎn)換工具；在建模階段，進(jìn)行體系架構(gòu)狀態(tài)機(jī)建模并轉(zhuǎn)換格式后，就可以用于任務(wù)仿真的運(yùn)行。

需要說(shuō)明的是，由于每個(gè)系統(tǒng)的行為都必須建模才能驅(qū)動(dòng)各個(gè)實(shí)體運(yùn)行，任務(wù)仿真的行為模型通常比體系架構(gòu)的狀態(tài)圖具有更細(xì)的顆粒度。因此，只有相同顆粒度的行為模型才適合進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。體系架構(gòu)中沒(méi)有細(xì)節(jié)描述的更細(xì)顆粒度的模型，應(yīng)該在任務(wù)仿真系統(tǒng)中單獨(dú)建模。例如，一個(gè)體系架構(gòu)描述了一架飛機(jī)在特定條件下會(huì)發(fā)射導(dǎo)彈但沒(méi)有導(dǎo)彈的行動(dòng)建模，而這是任務(wù)仿真系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)導(dǎo)彈實(shí)體運(yùn)行所必需的。這些細(xì)節(jié)較多的行為模型，多數(shù)可以來(lái)自于早先的工程項(xiàng)目積累而非新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。

3應(yīng)用案例

下面用兩個(gè)例子分別介紹上文兩種行為模型轉(zhuǎn)換方式的應(yīng)用。

3.1接口定義

首先，基于運(yùn)行概念（ConOps）進(jìn)行場(chǎng)景分析并完成體系架構(gòu)的建模。接著，在DDS軟總線中分別定義和映射體系架構(gòu)設(shè)計(jì)工具的輸出數(shù)據(jù)和任務(wù)仿真工具的輸入數(shù)據(jù)。通過(guò)DDS軟總線，用體系架構(gòu)模型中系統(tǒng)視圖狀態(tài)機(jī)模型取代任務(wù)仿真系統(tǒng)中的對(duì)應(yīng)的行為模型狀態(tài)機(jī)（見(jiàn)圖5）。由架構(gòu)模型直接驅(qū)動(dòng)仿真實(shí)體，避免了在任務(wù)仿真系統(tǒng)中進(jìn)行重復(fù)的行為模型建模。同時(shí)，任務(wù)仿真中實(shí)體狀態(tài)的變化，也會(huì)反饋到體系架構(gòu)設(shè)計(jì)工具并驅(qū)動(dòng)邏輯仿真的運(yùn)行。體系架構(gòu)不涉及的仿真行為模型，可以充分利用不同任務(wù)仿真系統(tǒng)中已有的模型資源。該案例通過(guò)有限的開(kāi)發(fā)工作，實(shí)現(xiàn)了架構(gòu)設(shè)計(jì)工具和任務(wù)仿真系統(tǒng)間的行為模型轉(zhuǎn)換。

3.2格式轉(zhuǎn)換

這個(gè)案例是一個(gè)空對(duì)面打擊任務(wù)建模與仿真中的格式轉(zhuǎn)換。如圖6所示，右側(cè)為任務(wù)仿真系統(tǒng)中一架飛機(jī)的行為模型，其再現(xiàn)了左側(cè)經(jīng)過(guò)邏輯驗(yàn)證的體系架構(gòu)模型。該行為模型與體系架構(gòu)的狀態(tài)機(jī)同樣具有三個(gè)狀態(tài)，分別是巡航、靠近目標(biāo)和發(fā)射導(dǎo)彈。圖中的紅色箭頭表示了這些狀態(tài)在兩種模型間的映射關(guān)系。而狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件也同步轉(zhuǎn)換為不同的模型表現(xiàn)形式。通過(guò)這種體系架構(gòu)到任務(wù)仿真的狀態(tài)機(jī)模型轉(zhuǎn)換，行為的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證可以快速迭代。相較于傳統(tǒng)的人工行為建模，本案例省去了相同狀態(tài)機(jī)的重復(fù)建模。另一方面，與接口定義方式的模型轉(zhuǎn)換方法相比，本案例中任務(wù)仿真系統(tǒng)可以獨(dú)立于體系架構(gòu)建模工具用于仿真試驗(yàn)。

4結(jié)論

航空裝備頂層論證需要體系行為模型的連續(xù)性驗(yàn)證與確認(rèn)。為取代傳統(tǒng)人工方式的重復(fù)建模，通過(guò)接口定義和格式轉(zhuǎn)換，能夠?qū)崿F(xiàn)體系架構(gòu)到任務(wù)仿真的行為模型轉(zhuǎn)換，滿足航空裝備頂層論證中的時(shí)空驗(yàn)證和效能評(píng)估需求。通過(guò)接口定義，體系架構(gòu)中的狀態(tài)機(jī)模型能直接驅(qū)動(dòng)任務(wù)仿真中的實(shí)體；通過(guò)格式轉(zhuǎn)換，體系架構(gòu)中的狀態(tài)機(jī)模型能轉(zhuǎn)為任務(wù)仿真中可以運(yùn)行的相應(yīng)狀態(tài)機(jī)。這兩種方法能夠部分解決連續(xù)性體系行為建模問(wèn)題，未來(lái)還需要進(jìn)一步開(kāi)展體系架構(gòu)與任務(wù)仿真統(tǒng)一的行為模型的元模型定義，拓展模型轉(zhuǎn)換的普適性。

參考文獻(xiàn)

[1]李清，閆娟，朱家強(qiáng)，等.航空武器裝備頂層論證技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].航空學(xué)報(bào)，2016，37（1）：1-16. Li Qing， Yan Juan， Zhu Jiaqiang， et al. State of art and development trends of top-level demonstration technology for aviation weapon equipment[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2016， 37（1）：1-16. （in Chinese）

[2]MacCalman A，Lesinski G，Goerger S. Integrating external simulations within the model-based systems engineering approach using statistical metamodels[J]. Procedia Computer Science，2016，95：436-441.

[3]Acheson P，Dagli C，Kilicay-Ergin N. Model based systems engineering for system of systems using agent-based modeling[J]. Procedia Computer Science，2013，16：11-19.

[4]Ruijven L C. Ontology and model-based systems engineering. Procedia Computer Science[J]. 2012，8：194-200.

[5]Blackburn M，Bone M. Transforming systems engineering through model-centric engineering[R]. SERC-2016-TR-109，2016.

[6]West T D，Blackburn M. Is digital thread/digital twin affordable？A systemic assessment of the cost of DoDs latest manhattan project[J]. Procedia Computer Science，2017，114：47-56.

[7]Uhlemann T H，Schock C，Lehmann C，et al. The digital twin：demonstrating the potential of real time data acquisition in production systems[J]. Procedia Manufacturing，2017，9：113-120.

[8]Helu M，Hedberg T，F(xiàn)eeney A B. Reference architecture to integrate heterogeneous manufacturing systems for the digital thread[J]. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology，2017，19：191-195.

[9]沈騰，孟繁鑫，張浩馳.需求工程方法在機(jī)載系統(tǒng)研發(fā)中的應(yīng)用研究[J].航空科學(xué)技術(shù)，2019，30（12）：23-29. Shen Teng， Meng Fanxin， Zhang Haochi. Application research of requirement engineering method in airborne system development[J]. Aeronautical Science & Technology. 2019， 30（12）：23-29. （in Chinese）

[10]Loper M L. Modeling and simulation in the systems engineering life cycle[M]. Springer，2015.

[11]浦樂(lè)，王西超，楊藝.基于MBSE與SysML的空空導(dǎo)彈系統(tǒng)架構(gòu)建模研究[J].航空科學(xué)技術(shù)，2020，31（2）：54-59. Pu Le， Wang Xichao， Yang Yi. Research on architecture modeling of air to air missile system based on MBSE and SysML[J]. Aeronautical Science & Technology，2020， 31（2）：54-59. （in Chinese）

[12]Zang Jing，Wang Qian，Zhu Jiaqiang. Continuous modeling in aircraft top-level demonstration[C]// 31st Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences（ICAS 2018），2018.

[13]Kim D，Oh H，Hwang S W.A DDS-based distributed simulation for anti-air missile systems[C]// 2016 6th International Conference on Simulation and Modeling Methodologies，Technologies and Applications（SIMULTECH），2016.

[14]Park Y，Min D. Distributed traffic simulation using DDS-communication based HLA for V2X[C]// 2015 Seventh International Conference on Ubiquitous and Future Networks，2015.

[15]Guo Jing，Lin Qi. The research on requirement analysis of electronic information equipment SoS based on DoDAF[C]// 2011 International Conference on Electronic & Mechanical Engineering and Information Technology，2011.

[16]Wang Junxiang，Zou Jie，Yang Feng，et al. Research on architecture modeling of the strategic early-warning system based on DoDAF[C]// 32nd Chinese Control Conference，2013.

（責(zé)任編輯陳東曉）

作者簡(jiǎn)介

臧精（1987-）男，博士，高級(jí)工程師。主要研究方向：航空領(lǐng)域的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)、建模仿真和效能評(píng)估。

Tel：010-57827743

E-mail：zangjing2006@163.com

Continuous SoS Behavior Modeling for Aircraft Top-level Demonstration

Zang Jing*

Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated and Systematic Demonstration，Aviation Industry Development Research Center of China，Beijing 100029，China

Abstract： The main work of aircraft top-level demonstration is introduced. The requirement of modeling and simulation for SoS design and virtual verification and validation in aircraft top-level demonstration is analysed. To fill in gaps between SoS architecture models and mission simulation models for achieving continuous SoS behavior modeling， two model transformation methods are proposed. Based on interface definition， the interconnection between architecture design tool and mission simulation tool is realized and the architecture models can drive the entities in mission simulation directly. Based on format conversion， the operational/ system state diagrams can be transformed to the corresponding organizations/ systems behavior models in the mission simulation system to achieve the models transformation. A sample case is provided to illustrate the two model transformation methods. Instead of manual repetitive modeling， the iterative cycle of modeling and simulation is shortened.

Key Words： SoS architecture； system engineering； modeling and simulation； top-level demonstration； behavior modeling