基于模型系統(tǒng)工程在全艦計算環(huán)境集成框架的應(yīng)用概覽

董曉明，胡洋

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

基于模型系統(tǒng)工程在全艦計算環(huán)境集成框架的應(yīng)用概覽

董曉明，胡洋

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

“全艦計算環(huán)境”（TSCE）作為當(dāng)今軟件密集型復(fù)雜武器系統(tǒng)的典型代表，需要從研制模式上轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程實踐，采用基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）解決方案，從以文檔為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅Ｐ蜑橹行?，實現(xiàn)系統(tǒng)的快速開發(fā)以應(yīng)對需求和環(huán)境的變化。首先，介紹MBSE的發(fā)展概況及國內(nèi)外相關(guān)研究情況，然后，結(jié)合TSCE集成框架并參考經(jīng)典的V模型，梳理系統(tǒng)工程過程，初步建立各個階段與美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架（DoDAF）視點或模型的對應(yīng)關(guān)系。重點討論為了得到合適的TSCE系統(tǒng)模型應(yīng)該采用的建模規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，主要包括：系統(tǒng)建模語言（SysML）、可擴(kuò)展標(biāo)記語言（XML）模式、面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）、業(yè)務(wù)流程模型與標(biāo)注（BPMN）、軍事想定定義語言（MSDL）、聯(lián)合作戰(zhàn)管理語言（C-BML）等。形式化建模方法的應(yīng)用預(yù)期將在構(gòu)建TSCE集成框架的過程中發(fā)揮重要作用。

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）；建模規(guī)范；全艦計算環(huán)境（TSCE）；集成框架

0 引 言

系統(tǒng)工程是上世紀(jì)60年代以來國內(nèi)外國防領(lǐng)域所重視和推行的研制管理方法。然而，隨著系統(tǒng)規(guī)模及復(fù)雜性的顯著增加和裝備信息化水平的提高，傳統(tǒng)的、基于文本的系統(tǒng)工程方法（Texted Systems Engineering，TSE）已經(jīng)不能滿足需求。因此，傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程實踐正在向基于模型的系統(tǒng)工程發(fā)展演進(jìn)，實現(xiàn)從以文檔為中心向以模型為中心的轉(zhuǎn)變［1］。

圖1 從以文檔為中心向以模型為中心的系統(tǒng)工程轉(zhuǎn)變Fig.1 Transition from document centric to model centric systems engineering

根據(jù)國際系統(tǒng)工程學(xué)會（International Councilon Systems Engineering，INCOSE）在《系統(tǒng)工程2020年愿景》中給出的定義，基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）是“從概念性設(shè)計階段開始對建模的正式應(yīng)用，以支持系統(tǒng)需求、設(shè)計、分析、校核與驗證等活動，持續(xù)貫穿到開發(fā)以及后來的壽命周期階段”。

MBSE的定義強(qiáng)調(diào)了建模（modeling）的應(yīng)用問題。模型是對系統(tǒng)的簡化和描述，建模就是建立系統(tǒng)的模型。如王崑聲等［2］在“概念與內(nèi)涵”中所述：系統(tǒng)工程的關(guān)鍵在于構(gòu)建一個系統(tǒng)架構(gòu)模型；傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程用各種文本文檔構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)模型；基于模型的系統(tǒng)工程用系統(tǒng)建模語言構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)模型。實際上，各專業(yè)學(xué)科及系統(tǒng)工程一直在使用建模與仿真方法，也就是說，MBSE與傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的根本區(qū)別并不在于是否建模，而在于是否形式化（formalized）的建模，即建模的過程和方法是否有規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

“全艦計算環(huán)境”（Total Ship Computing Environment，TSCE）代表了艦船信息系統(tǒng)集成技術(shù)的先進(jìn)水平，并帶來艦船系統(tǒng)設(shè)計和集成方式的變化［3-4］。同時，作為當(dāng)今軟件密集型復(fù)雜武器系統(tǒng)的典型代表，其研制模式也應(yīng)該向以模型為中心的方向轉(zhuǎn)變。采用基于模型的系統(tǒng)工程解決方案，從需求階段開始即通過模型（而非文檔）的不斷演化、迭代來實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計，為各方提供一個公共、無二義性的系統(tǒng)集成框架和工程環(huán)境。通過模型的形式化定義，可在設(shè)計過程中清晰描述系統(tǒng)架構(gòu)、功能和行為等各方面的需求，并通過仿真測試對設(shè)計方案進(jìn)行驗證和優(yōu)化。

此外，目前在軟件工程領(lǐng)域還有其他幾個類似的術(shù)語，例如，模型驅(qū)動開發(fā)（Model-Driven Development，MDD）、模型驅(qū)動工程（Model-Driven Engineering，MDE）、基于模型設(shè)計（Model-Based Design，MBD），也有MBSE指的是基于模型的軟件工程（Model-Based Software Engineering）。

1 MBSE概況及相關(guān)研究

國外在MBSE的方法論以及應(yīng)用方面開展了研究與實踐。不僅美國航空航天局（NASA）、美國國防部（DoD）、歐空局等政府組織和相關(guān)承包商在項目中積極應(yīng)用MBSE方法論，IBM等軟件和方案提供商也在開發(fā)相關(guān)的支持環(huán)境。

關(guān)于MBSE方法論，Estefan和Reichwein等［5-6］對包括一系列相關(guān)過程、方法和工具以及美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架（DoDAF）和建模語言作了較全面的綜述。在過程方面有3種經(jīng)典的開發(fā)過程模型，包括瀑布模型、螺旋模型和V模型。此外，系統(tǒng)工程過程標(biāo)準(zhǔn)已從早期的MIL-STD-499發(fā)展到了現(xiàn)在的ANSI/EIA 632，IEEE 1220-1998和ISO/IEC 15288：2002，并在系統(tǒng)工程中發(fā)揮了重要作用。

在方法論和工具方面，包括IBM Harmony，INCOSE面向?qū)ο笙到y(tǒng)工程方法（OOSEM），IBM Rational統(tǒng)一過程（RUP），Vitech MBSE，NASA噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）狀態(tài)分析（SA），以及Dori對象過程方法（OPM）等大多數(shù)都提供了相應(yīng)的軟件工具，并可支持某些過程標(biāo)準(zhǔn)或內(nèi)部定義的過程模型。

在體系結(jié)構(gòu)框架方面，主要包括IEEE 1471、美國DoDAF、英國MoDAF、北約NAF，開放組織TOGAF、開放分布式處理參考模型RM-ODP及Zachman等［7］。

在建模語言方面，最知名的是對象管理組織（OMG）統(tǒng)一建模語言（UML），它也是軟件工程行業(yè)事實上的標(biāo)準(zhǔn)，具有最廣泛的工具支持和應(yīng)用。系統(tǒng)建模語言（SysML）是在重用和擴(kuò)展新版UML 2的基礎(chǔ)上，針對系統(tǒng)工程提供額外的模型圖，同時也去掉了一些用不到的UML圖，以滿足包含硬件、軟件、數(shù)據(jù)、流程和其他系統(tǒng)部件的復(fù)雜系統(tǒng)建模。其他通用圖形化符號包括實體—關(guān)

系圖（E-R）、功能流程框圖（FFBD）、數(shù)據(jù)流程圖（DFD）、N2圖、IDEF0（數(shù)據(jù)流程）和IDEF1x（實體—關(guān)系）等。

除了通用建模語言外，還有許多領(lǐng)域特定建模 語 言（Domain-Specific Modeling Languages，DSML），例如，數(shù)據(jù)格式描述語言（DFDL）、軍事想定定義語言（MSDL）、聯(lián)合作戰(zhàn)管理語言（C-BML）、業(yè)務(wù)流程執(zhí)行語言（WS-BPEL）、Web Services描述語言（WSDL）等。

MBSE的重點是依賴系統(tǒng)建模的系統(tǒng)工程過程，因此，需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、集成、校核與驗證等活動都是圍繞模型展開的。Piaszczyk［8］通過一組例子，展示了根據(jù)DoDAF指導(dǎo)實現(xiàn)的MBSE方法論，它強(qiáng)調(diào)需求的可追溯性，從體系結(jié)構(gòu)視圖所代表的系統(tǒng)模型得到操作、功能、系統(tǒng)和物理需求。不過，這里給出的模型圖采用的是一種接近IDEF的非標(biāo)準(zhǔn)圖形化標(biāo)注。

Hoffmann［9］詳細(xì)介紹了IBM的MBSE解決方案Rational Harmony和工具軟件 Rhapsody，將SysML應(yīng)用于系統(tǒng)集成設(shè)計和軟件開發(fā)過程，并以某個安全系統(tǒng)的設(shè)計為例，從導(dǎo)入干系人需求開始，到完成可執(zhí)行的系統(tǒng)架構(gòu)模型定義結(jié)束。Montgomery［10］從系統(tǒng)集成商的角度強(qiáng)調(diào)在系統(tǒng)設(shè)計初期，最大限度地發(fā)揮MBSE在系統(tǒng)工程團(tuán)隊中的影響力，采用其核心方法和工具來降低系統(tǒng)集成和認(rèn)證的風(fēng)險，最終實現(xiàn)系統(tǒng)集成的目標(biāo)。Young［11］探索了大系統(tǒng)（SoS）工程的概念設(shè)計，認(rèn)為優(yōu)化的系統(tǒng)和SoS以及企業(yè)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計都需要向更多地基于模型的環(huán)境轉(zhuǎn)變，并通過UML/ SysML建模語言來完成，同時還必須符合DoDAF的標(biāo)準(zhǔn)要求。Mittal等［12］研究了基于離散事件系統(tǒng)（DEVS）的DEVS統(tǒng)一過程（DUNIP），結(jié)合基于模型和模型驅(qū)動的不同風(fēng)格（例如MBSE和MDE），通過領(lǐng)域特定語言以及模型轉(zhuǎn)換技術(shù)提供關(guān)聯(lián)SoS需求的機(jī)制，并應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)中心環(huán)境設(shè)計。

約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室（APL）的團(tuán)隊采用UML/SysML等MBSE方法的概念建模過程（包括領(lǐng)域模型、用例、功能性模型和結(jié)構(gòu)性模型）支持SoS體系結(jié)構(gòu)開發(fā)，并應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的分析，特別是應(yīng)用于因復(fù)雜性、信息密集、范圍廣而對建模仿真具有巨大挑戰(zhàn)的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)領(lǐng)域［13］。

Tepper［14］以艦船推進(jìn)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，使用Vitech CORE和SysML設(shè)計工具，研究了MBSE方法在美國海軍艦船設(shè)計和采辦過程中的應(yīng)用，認(rèn)為該方法可使設(shè)計者能更好溝通，追溯需求，支持設(shè)計決策。Jepperson［15］介紹了MBSE方法在美國國防部空間與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心（SMC）的應(yīng)用，該論文以實例演示了SysML如何支持OPIR任務(wù)地區(qū)體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)。研究使用的建模工具是MagicDraw，文中特別強(qiáng)調(diào)了ISO 10303 AP233數(shù)據(jù)交換規(guī)范在不同系統(tǒng)工程和項目管理工具之間進(jìn)行數(shù)據(jù)集成的重要作用。

洛克希德·馬丁公司在美國海軍海上系統(tǒng)司令部（NAVSEA）支持下開展的潛艇作戰(zhàn)聯(lián)邦戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)（Submarine Warfare Federated TacticalSystems，SWFTS）工程與集成項目的研究中，使系統(tǒng)實現(xiàn)了從傳統(tǒng)的以文檔為中心向MBSE的轉(zhuǎn)變［16-17］。該項目采用UML/SysML/SoaML建模語言以及Magic-Draw建模工具和DOORS需求管理工具提出復(fù)雜產(chǎn)品家族（Complex Product Families，CPF）的概念，即由一個公共的產(chǎn)品平臺衍生出一組產(chǎn)品，例如，巡洋艦或驅(qū)逐艦等不同平臺的“宙斯盾”作戰(zhàn)系統(tǒng)、不同版本的F-35等。SWFTS作為通用潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)，部署在美國和澳大利亞海軍的潛艇編隊中，該系統(tǒng)通過41個分系統(tǒng)的配置組合可支持包括“洛杉磯”級、“洛杉磯”級改進(jìn)型、“弗吉尼亞”級等6個不同級別、11個型號近90艘潛艇。

此外，瑞典薩伯航空（Saab Aerosystems）公司還在斯柯達(dá)V150 UAV系統(tǒng)的設(shè)計生產(chǎn)中獲得了運用UML/SysML實施MBSE的經(jīng)驗［18］。

在國內(nèi)，錢學(xué)森的系統(tǒng)工程思想在軍工領(lǐng)域，特別是航天領(lǐng)域有著重要影響。他認(rèn)為“系統(tǒng)工程是成功實現(xiàn)系統(tǒng)的方法，也是應(yīng)對技術(shù)復(fù)雜性的有效方法”，航天系統(tǒng)工程方法強(qiáng)調(diào)總體設(shè)計，遵循研制程序［19］。近年來，航空航天領(lǐng)域也開展了MBSE的應(yīng)用研究，例如，結(jié)合飛機(jī)研制過程，分析MBSE技術(shù)的實施方法［20］；使用Harmony-SE過程分析MBSE在當(dāng)前機(jī)載電子產(chǎn)品的應(yīng)用［21］；借助MBSE方法和需求建模工具，在飛機(jī)航電系統(tǒng)設(shè)計中完成由經(jīng)驗研發(fā)向需求研發(fā)的轉(zhuǎn)變［22］；在航天器研制中，以接口數(shù)據(jù)單（IDS）作為統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，通過基于模型定義（MBD）開展全三維數(shù)字化產(chǎn)品定義［23］；以及在載人飛船交會對接任務(wù)設(shè)計中［24］、在微系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用［25］等。

2 TSCE集成框架與過程

系統(tǒng)工程過程的V模型最早于1991年由NASA提出，經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生多種V模型的變體。該模型通常強(qiáng)調(diào)如圖2所示左側(cè)的“自頂向下”的分解、定義設(shè)計過程和右側(cè)的“自底向上”的集成、驗證實現(xiàn)過程。從干系人需求定義、需求分析、架構(gòu)設(shè)計到開發(fā)實現(xiàn)、集成測試和驗證

的整個項目生命周期都是增量的、迭代的。圖2是我們改造過的TSCE系統(tǒng)集成過程V模型，它簡略地表達(dá)了各階段與DoDAF視點或模型的映射關(guān)系。

圖2 系統(tǒng)集成過程的V模型Fig.2 Systems engineering process V-model

1）在干系人需求定義階段，主要定義全視點（AV）和能力視點（CV），并對作戰(zhàn)想定達(dá)成一致；

2）在系統(tǒng)需求分析階段，針對作戰(zhàn)視點（OV）和概念數(shù)據(jù)模型（DIV-1）進(jìn)行建模，以功能需求為主，完成一系列用例設(shè)計；

3）在架構(gòu)設(shè)計階段，主要完成系統(tǒng)視點（SV）、服務(wù)視點（SvcV）、邏輯數(shù)據(jù)模型（DIV-2）、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)視點（StdV）。

上述各階段產(chǎn)生的模型都應(yīng)該納入全局統(tǒng)一的模型庫。同時，MBSE更關(guān)注需求管理、配置管理、風(fēng)險管理、數(shù)據(jù)管理等技術(shù)管理過程。

傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程以系統(tǒng)需求文檔（SRD）、系統(tǒng)設(shè)計文檔（SDD）、接口控制文檔（ICD）、測試與評估計劃（TEMP）等為主。

圖3所示為TSCE技術(shù)架構(gòu)（左）與集成框架（右）的層次示意圖。TSCE技術(shù)架構(gòu)可以分為基礎(chǔ)設(shè)施、領(lǐng)域應(yīng)用和資源管理等部分；系統(tǒng)集成框架包括3個層次：功能集成（任務(wù)+服務(wù)+構(gòu)件）、數(shù)據(jù)集成（實時數(shù)據(jù)總線+企業(yè)服務(wù)總線）和物理集成（顯示+核心處理+適配）。整個TSCE集成框架采用面向服務(wù)架構(gòu)（Service-Oriented Architecture，SOA）和大量商用現(xiàn)貨產(chǎn)品（COTS），以實現(xiàn)開放式架構(gòu)的系統(tǒng)（詳見文獻(xiàn)［3-4］）。通過各層次模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，滿足整個系統(tǒng)設(shè)計過程對于需求的追溯和實現(xiàn)要求，以模型支撐整個系統(tǒng)的需求分析、功能分析、架構(gòu)設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、集成測試、校核驗證等活動。

圖3 TSCE技術(shù)架構(gòu)（左）和集成框架（右）Fig.3 TSCE technical architecture（left）and integration framework（right）

下一節(jié)將重點關(guān)注在系統(tǒng)工程的各階段、集成框架的各層次為了得到合適的系統(tǒng)模型應(yīng)該采用的建模方法，特別是規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

3 建模方法

一般講到MBSE離不開系統(tǒng)建模，總會講到UML/SysML。但是，這里的“模型”并不是唯一的，在不同的設(shè)計階段和領(lǐng)域，“模型”具有不同的含義。例如，對于系統(tǒng)設(shè)計人員，MBSE指的是通過圖形化的系統(tǒng)建模語言（如SysML）建立的模型；對于軟件工程師，MBSE指的是UML建模；對于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計人員，MBSE指的是通過CAD軟件建立的三維模型；對于仿真控制設(shè)計人員，MBSE指的是通過Matlab/Simulink等工具構(gòu)建的模型。因此，MBSE的實施必須依賴不同的DSML以及模型轉(zhuǎn)換技術(shù)來提供關(guān)聯(lián)SoS需求的機(jī)制。

以下討論幾種可在構(gòu)建TSCE集成框架過程

中發(fā)揮重要作用的建模方法，主要包括UML/Sys-ML（功能模型及概念數(shù)據(jù)模型）和XML模式（邏輯數(shù)據(jù)模型），DFDL（物理數(shù)據(jù)模型），BPMN（業(yè)務(wù)流程模型），DRL（Drools規(guī)則模型），SOA/WS-BPEL/ WSDL（面向服務(wù)架構(gòu)的相關(guān)模型），MSDL（軍事想定模型），C-BML（作戰(zhàn)行動中的計劃/命令等模型）。

3.1 UML/SysML功能建模

基于模型的系統(tǒng)工程的主要目標(biāo)是為了方便溝通、規(guī)范開發(fā)、提高設(shè)計精度及系統(tǒng)集成度。系統(tǒng)模型包括系統(tǒng)規(guī)格的有關(guān)信息，可促進(jìn)設(shè)計、分析和驗證，導(dǎo)出需求和設(shè)計元素，開發(fā)測試案例，樹立設(shè)計理念，完善所有這些實體之間的相互關(guān)系。該模型的輸出也可用于設(shè)計一個滿足干系人需求的系統(tǒng)，然后為需求分配至系統(tǒng)的各個部分提供路徑，同時為團(tuán)隊成員間的溝通提供便利。基于模型的系統(tǒng)工程最重要的一個方面是，它使按照需求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計的過程具有可追溯性。

SysML是INCOSE和OMG在對UML進(jìn)行重用和擴(kuò)展的基礎(chǔ)上，推出的可視化系統(tǒng)建模語言。圖4所示為SysML圖的分類，其中，結(jié)構(gòu)圖包括塊定義圖、內(nèi)部塊圖、參數(shù)圖和包圖；行為圖包括用例圖、順序圖、活動圖和狀態(tài)圖［26］。與UML2相比，SysML新增了需求圖和參數(shù)圖，塊定義圖、內(nèi)部塊圖和活動圖是在UML基礎(chǔ)上擴(kuò)展和修改的，其他重用。

圖4 SysML圖的分類Fig.4 Taxonomy of SysML diagrams

作為通用的圖形化建模語言，能否發(fā)揮UML/ SysML的作用，很大程度上取決于不同的模型圖如何與系統(tǒng)工程過程、與體系結(jié)構(gòu)框架相結(jié)合［27-28］。

表1給出了SysML與DoDAF模型的映射關(guān)系，它充分考慮了各種SysML圖的特點，分工完成不同的模型。例如，塊定義圖一般用來定義“塊”的結(jié)構(gòu)特征及塊之間的關(guān)系（組成、分類、層次等）。塊定義圖或內(nèi)部塊圖可以描述能力依賴關(guān)系（CV-4）、組織關(guān)系圖（OV-4）、系統(tǒng)接口（SV-1）、概念數(shù)據(jù)（DIV-1）等模型；同時，結(jié)合參數(shù)圖定義屬性值的限定；活動圖表示基于輸入輸出流程的行為（OV-5b，SV-4，SvcV-4）；狀態(tài)圖表示基于事件的行為（OV-6b，SV-10b，SvcV-10b）；順序圖表示消息交互行為（OV-6c，SV-10c，SvcV-10c）；用例圖可以創(chuàng)建高層作戰(zhàn)概念圖（OV-1）；SysML新增的需求圖表示基于文本的需求以及與其他需求、設(shè)計元素、測試用例之間的關(guān)系，以支撐需求的可追溯性。

表1 SysML圖與DoDAF模型的映射Tab.1 Mapping from SysML diagrams to DoDAF models

系統(tǒng)集成商更加側(cè)重系統(tǒng)重要功能的分解、交互、系統(tǒng)接口，以及是否能夠以較低的風(fēng)險完成系統(tǒng)裝配、集成、校核與驗證。通過建立SysML系統(tǒng)模型，有助于系統(tǒng)集成商從初期就開始參與工作并貫穿于整個系統(tǒng)工程過程，從技術(shù)上對額外的要求和設(shè)計變化進(jìn)行評估。

在傳統(tǒng)的作戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，已經(jīng)注重使用規(guī)范的方法建立作戰(zhàn)概念圖、指揮關(guān)系圖、功能結(jié)構(gòu)（FFBD）、數(shù)據(jù)模型（IDEF1x）、運行流程、動態(tài)模型（有色Petri網(wǎng)）等［29］。在TSCE集成框架中，尤其是對于前期特別強(qiáng)調(diào)與干系人溝通的需求分析、功能分析等階段，更應(yīng)該考慮Sys-ML的應(yīng)用，采用統(tǒng)一的方法、可視化工具支撐完成功能建模。

除了前面所述優(yōu)點之外，使用SysML圖可以

直接映射到DoDAF模型，因為對象管理組織發(fā)布了UPDM（Unified Profile for DoDAF/MODAF）標(biāo)準(zhǔn)以支持體系結(jié)構(gòu)框架，允許在SysML開發(fā)過程中使用DoDAF/MODAF術(shù)語。

3.2 XML數(shù)據(jù)建模

可擴(kuò)展標(biāo)記語言（XML）是無處不在的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之一。1998年W3C發(fā)布了XML 1.0標(biāo)準(zhǔn)，并逐漸形成成熟的技術(shù)體系，包括DOM，DTD，XSD，XSLT，XPath，XQuery，XHTML，CSS等，它們推動了以Web Services為代表的第3次Web技術(shù)革命。本質(zhì)上，XML文檔是保存信息的結(jié)構(gòu)化載體，具有可擴(kuò)展、自描述性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)、內(nèi)容和表現(xiàn)分開等特點，并已成為通用的數(shù)據(jù)格式，而且事實上也是數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)之一。同時，XML是用來定義精確的邏輯數(shù)據(jù)模型的重要元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，也是一種元語言，圍繞XML產(chǎn)生了非常多的標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品，例如DFDL，MSDL，BPEL，WSDL，SOAP，MathDL等。圖5所示為數(shù)據(jù)模型“自頂向下”的3個層次，即概念、邏輯和物理層次［30-32］。

圖5 數(shù)據(jù)模型的層次Fig.5 Data model layers

在概念層次，主要關(guān)注不同干系人之間的準(zhǔn)確溝通，適合采用圖形化的UML/SysML描述數(shù)據(jù)模型的靜態(tài)結(jié)構(gòu)（DIV-1）。然后，使用XML模式（Schema）描述結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)類型，完成邏輯數(shù)據(jù)模型的定義（DIV-2）。XML模式提供對XML文檔結(jié)構(gòu)和內(nèi)容的約束與解釋。所謂“XML文檔”不僅指磁盤文件，也可以是內(nèi)存中一段良構(gòu)的（Well-informed，也稱“格式正確的”）XML字符串，如發(fā)送、接收緩沖區(qū)的消息。

在物理層次，考慮具體數(shù)據(jù)如何表示、存儲和傳輸。一般來說，物理消息格式與平臺有關(guān)，可以有多種不同類型。例如，IBM消息倉庫管理器（MRM）域定義了3種：二進(jìn)制的定制連線格式（CWF）、純文本的標(biāo)記定界字符串（TDS）和XML。相應(yīng)地，不同平臺的物理數(shù)據(jù)模型也有多種多樣的描述方法，例如，MRM消息集，CORBA IDL，WSDL，SOAP等。

2011年，開放網(wǎng)格論壇（OGF）發(fā)布了數(shù)據(jù)格式描述語言（Data Format Description Language，DFDL）。該建模語言基于XML模式，用來以獨立于數(shù)據(jù)格式的方式定義一般的格式化文本數(shù)據(jù)和二進(jìn)制數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)［33］。DFDL有望發(fā)展成為跨平臺、通用的物理數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)。IBM WMB8.0（見下節(jié)）已經(jīng)引入對DFDL的支持。

通過推動XML技術(shù)在TSCE集成框架中的應(yīng)用，可以建立數(shù)據(jù)模型和接口，進(jìn)行不同分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和轉(zhuǎn)換，以獲得改進(jìn)的互操作性。MBSE的TSCE實現(xiàn)面向消息的數(shù)據(jù)集成，很重要的一點就是利用數(shù)據(jù)模型明確定義每個接口的消息格式和內(nèi)容，并且存入元數(shù)據(jù)注冊庫（MDR）。企業(yè)服務(wù)總線（ESB）可以在線獲取XML模式定義或其他物理數(shù)據(jù)模型，可對消息的有效性、合法性進(jìn)行驗證。因此，模型化的接口定義，將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接口協(xié)議文件或ICD（接口控制文檔），以模型為中心實現(xiàn)消息自動解析、消息格式轉(zhuǎn)換等功能，從而避免接口與代碼的緊耦合，提高集成的靈活性。

3.3 面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）

SOA是一種構(gòu)造分布式系統(tǒng)的方法，它將業(yè)務(wù)應(yīng)用功能以服務(wù)的形式提供給最終用戶應(yīng)用或其他服務(wù)。SOA并非局限于某一特定技術(shù)，而是為了增強(qiáng)復(fù)雜系統(tǒng)集成的靈活性采用的先進(jìn)設(shè)計理念和模式。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，它已經(jīng)形成一些有代表性的特征和關(guān)鍵技術(shù)，例如，企業(yè)服務(wù)總線（ESB），Web Services，業(yè)務(wù)流程管理（Business Process Management，BPM）等。

3.3.1 企業(yè)服務(wù)總線（ESB）

大型分布式系統(tǒng)連通性最重要的架構(gòu)模式是ESB。作為節(jié)點交互的邏輯中介，ESB在服務(wù)請求者和提供者之間提供松耦合的互連，可以解析和處理消息，提供消息路由、協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等基本功能。典型的復(fù)雜大系統(tǒng)是異構(gòu)的系統(tǒng)，可能存在各種不同消息格式或標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。因此，ESB必須掌握所傳輸消息的數(shù)據(jù)模型，而不要求交換消息的應(yīng)用程序，知道對方的信息格式。例如，WebSphere Message Broker（WMB）是IBM公司主要的ESB軟件產(chǎn)品，用戶通過消息模型模式文件來定義與ESB連接的應(yīng)用所使用消息的邏輯結(jié)構(gòu)和物理格式。如圖6所示，該模式文件都是基于XML Schema（XSD）以及采用DFDL描述SWIFT，EDI，HL7，HIPAA等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)格式或C

結(jié)構(gòu)體等數(shù)據(jù)［34］。

圖6 消息格式和消息模型模式文件Fig.6 Message formats and message model schema file

ESB是實現(xiàn)SOA思想的最好途徑及其解決方案的核心，例如，IBM WebSphere和Oracle Fusion商業(yè)套件。另外，還有若干開源軟件，例如，RedHatJBoss，Apache ServiceMix，Mule ESB，Apache Synapse，WSO2 ESB等［35］。

3.3.2 Web Services

Web Services是實現(xiàn)SOA系統(tǒng)和應(yīng)用的主流技術(shù)。圖7所示為典型的協(xié)議棧［36］，它包括了BPEL，UDDI，WSDL，SOAP，XML，HTTP。Web Services技術(shù)以XML為基礎(chǔ)，服務(wù)的提供者和請求者之間通過簡單對象訪問協(xié)議（Simple Object Access Protocol，SOAP）交換信息，WSDL用來描述服務(wù)端口訪問方式和使用協(xié)議的細(xì)節(jié)，UDDI用來注冊和發(fā)現(xiàn)服務(wù)。Apache Axis2是目前實現(xiàn)Web Services最常用的一種開源技術(shù)框架或平臺。

圖7 典型Web Services協(xié)議棧Fig.7 Typical Web Services stack

REST（Representational State Transfer）是另一種主流的Web Services實現(xiàn)方案。REST風(fēng)格相比SOAP更簡潔，通常使用HTTP，URI，HTML和XML這些廣泛流行的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。同時，經(jīng)常配合采用JSON（JavaScript Object Notation）格式的消息。JSON是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，類似XML，而且JSON比XML更小、更快、更易解析。

盡管SOA在企業(yè)信息系統(tǒng)領(lǐng)域取得了巨大成功，但對于SOA是否適合某些硬實時性的作戰(zhàn)系統(tǒng)意味著低延遲和高可預(yù)測性存在疑慮，因此仍保留著部分硬連線和點對點的連接。

美海軍水面戰(zhàn)中心達(dá)爾格倫分部（NSWCDD）近期也開展了這方面的研究和測試，新方案的重點是提供航跡和戰(zhàn)備完好性消息交換的作戰(zhàn)系統(tǒng)（CS）和指揮控制系統(tǒng)（C2）網(wǎng)關(guān)，其主要功能包括：

1）消息傳輸。CS采用基于OMG DDS（Data Distribution Service）的消息機(jī)制，而非實時的C2采用JMS（Java Message Service）或AMQP（Advanced Message Queuing Protocol）。

2）消息協(xié)議中介。C2網(wǎng)關(guān)提供CS DDS消息到JMS或AMQP消息的格式轉(zhuǎn)換，即從二進(jìn)制的IDL到純文本的XML。

3）消息過濾。CS和C2網(wǎng)關(guān)的Drools規(guī)則引擎過濾器能夠根據(jù)消息屬性阻擋消息通過。

4）消息標(biāo)識。C2網(wǎng)關(guān)的Drools規(guī)則引擎組件能夠為通過網(wǎng)關(guān)的每個消息分配全局唯一標(biāo)識（GUID），因此是提供航跡信息的有效管理手段。實驗結(jié)果表明，統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)的接入方式能夠滿足CS硬實時應(yīng)用的性能要求，提供CS與C2網(wǎng)絡(luò)之間高效的數(shù)據(jù)集成［37］。

3.3.3 業(yè)務(wù)流程管理（BPM）

BPM的實現(xiàn)需要通過WS-BPEL即Web Services業(yè)務(wù)流程執(zhí)行語言（Business Process Execution Language）描述業(yè)務(wù)流程來完成Web Services流程編制或編排，并在流程引擎（例如，Apache ODE）的驅(qū)動下執(zhí)行。BPEL位于Web Services協(xié)議棧的最上層（圖7），也對應(yīng)于TSCE功能集成的最上層。XPDL（XML Process Definition Language）是另一種常見的業(yè)務(wù)流程建模語言［38］。

在系統(tǒng)工程早期的需求定義階段，業(yè)務(wù)人員可以借助業(yè)務(wù)流程模型與標(biāo)注（Business Process Model and Notation，BPMN）進(jìn)行圖形化的業(yè)務(wù)流程建模，創(chuàng)建業(yè)務(wù)流程圖（BPD）。BPMN 2.0規(guī)范的目標(biāo)是提供一套業(yè)務(wù)人員易于理解的標(biāo)注或符號，通過業(yè)務(wù)分析來創(chuàng)建最初的流程草圖，然后由技術(shù)開發(fā)人員負(fù)責(zé)實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的執(zhí)行。此外，BPMN也支持基于XML的業(yè)務(wù)流程執(zhí)行語言（例如，WS-BPEL或XPDL）的可視化。

雖然之前就有BPM的概念和產(chǎn)品，BPM與SOA的結(jié)合更有助于實現(xiàn)分布式系統(tǒng)的靈活性、敏捷性和松耦合等重要特征，同時也可體現(xiàn)“模型與代碼分離”的設(shè)計原則。類似的情況還有業(yè)務(wù)規(guī)則管理（Business Rules Management，BRM）。

業(yè)務(wù)規(guī)則是對業(yè)務(wù)某些方面進(jìn)行定義或者限制的聲明，以約束業(yè)務(wù)行為。通過建立業(yè)務(wù)規(guī)則模型將業(yè)務(wù)邏輯從應(yīng)用程序代碼中剝離來降低復(fù)雜業(yè)務(wù)邏輯的開發(fā)和維護(hù)成本。業(yè)務(wù)規(guī)則及規(guī)則引擎在各類專家系統(tǒng)或決策支持系統(tǒng)（DSS）中已經(jīng)有較多的應(yīng)用，包括作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)。

過去20年，許多機(jī)構(gòu)開發(fā)了多種規(guī)則建模語言，例如，OMG發(fā)布的SBVR（Semantics of Business Vocabulary and Business Rules）［39］。JBoss Drools是應(yīng)用得最廣泛的規(guī)則引擎之一，它通過一種類似于Java的Drools規(guī)則語言（Drools Rule Language，DRL）來描述業(yè)務(wù)規(guī)則，同時也支持基于XML的規(guī)則描述。Drools實現(xiàn)了JSR94標(biāo)準(zhǔn)，即Java規(guī)則引擎API標(biāo)準(zhǔn)，可提供規(guī)則解析與注冊、規(guī)則執(zhí)行、規(guī)則過濾等接口。

目前，一般認(rèn)為BPM面臨的挑戰(zhàn)是，從業(yè)務(wù)流程模型中分離業(yè)務(wù)規(guī)則并簡化模型以及促進(jìn)與業(yè)務(wù)人員的更好交流；然后，通過后期綁定、在業(yè)務(wù)執(zhí)行中整合業(yè)務(wù)規(guī)則和BPM來滿足業(yè)務(wù)的靈活性。

3.4 作戰(zhàn)管理與想定

3.4.1 聯(lián)合作戰(zhàn)管理語言

聯(lián)合作戰(zhàn)管理語言（Coalition Battle Management Language，C-BML）是一種在參與聯(lián)合作戰(zhàn)的指揮控制系統(tǒng)、建模仿真系統(tǒng)、自主機(jī)器系統(tǒng)之間表達(dá)和交換作戰(zhàn)計劃、命令、請求、報告等的標(biāo)準(zhǔn)化語言。仿真互操作標(biāo)準(zhǔn)組織（SISO）歷經(jīng)7年的艱苦開發(fā)，于2013年10月發(fā)布了C-BML第1階段標(biāo)準(zhǔn)，而第2、第3階段標(biāo)準(zhǔn)還在制定中。

如圖8所示，C-BML的概念主要由3部分規(guī)范組成：信息交換結(jié)構(gòu)與內(nèi)容、數(shù)據(jù)模型、信息交換機(jī)制。它們分別對應(yīng)C-BML三視圖架構(gòu)的條令、表示和協(xié)議。C-BML實際上就是形式化指揮控制兵力所需的5W，即Who，What，When，Where，Why［40-41］。

圖8 C-BML三角Fig.8 Three sides of the C-BML triangle

為了實現(xiàn)C2系統(tǒng)之間的互操作性，基于C-BML的交互信息需能夠無歧義地自動處理，而且還必須整理和明確作戰(zhàn)計劃等涉及的實體以及其他信息所依賴的詞匯及其數(shù)據(jù)表示，也就是數(shù)據(jù)模型的問題。C-BML第1階段標(biāo)準(zhǔn)采用JC3IEDM（Joint Command，Control and Consultation Information Exchange Data Model），同時在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展和組織，重新以XML模式定義（XSD）的形式表達(dá)。

條令視圖根據(jù)軍事條令、作戰(zhàn)手冊的內(nèi)容來嚴(yán)格定義各種術(shù)語。C-BML所描述的計劃、命令、請求、報告等基本上可以通過5W描述來建立其生成與解釋的規(guī)則，即形式化語法。

C-BML協(xié)議用來對源系統(tǒng)和目標(biāo)系統(tǒng)之間信息傳輸?shù)囊?guī)則進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。目前認(rèn)為采用XML描述信息交換需求是協(xié)議的基礎(chǔ)，也是作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中數(shù)據(jù)描述的事實標(biāo)準(zhǔn)。研究初期的關(guān)注重點是技術(shù)互操作層次，例如，傳輸協(xié)議、數(shù)據(jù)交換協(xié)議等，但隨著研究的進(jìn)展逐漸轉(zhuǎn)向語用互操作（Pragmatic Interoperability）等更高層次。

鑒于C-BML標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展過程中碰到的困難，研究人員在系統(tǒng)工程方法和體系結(jié)構(gòu)框架的指導(dǎo)下，提出一個C-BML標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)框架（SDF），希望它有助于C-BML第2階段標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)和交流。SDF包含解決語義（內(nèi)容模型）和句法（消息框架）匹配性的產(chǎn)品。圖9所示為C-BML消息框架的XML模式［42-43］。

艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了以XML文檔作為C2系統(tǒng)之間交換作戰(zhàn)計劃的載體，但由于缺少C-BML這樣的技術(shù)架構(gòu)，多數(shù)系統(tǒng)僅采用了基于XML的格式化文本表達(dá)作戰(zhàn)計劃，并且仍是以對待自由文本的方式來解析處理，故作戰(zhàn)計劃的內(nèi)容與軟件代碼緊耦合，導(dǎo)致集成效率低、靈活性差。在TSCE集成框架的建設(shè)中，需要借鑒C-BML及其標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)框架以盡快規(guī)范化XSD數(shù)據(jù)模型、條令和協(xié)議。

圖9 C-BML消息框架Fig.9 C-BML message framework

3.4.2 軍事想定定義語言

“想定”是按照訓(xùn)練課題對作戰(zhàn)雙方的企圖、態(tài)勢以及作戰(zhàn)發(fā)展情況的設(shè)想和假定?！白鲬?zhàn)想定”不僅用于軍事課題訓(xùn)練，也同樣應(yīng)用在基于仿真的武器裝備和作戰(zhàn)方案論證評估等領(lǐng)域［44］。

軍事想定定義語言（Military Scenario Definition Language，MSDL）是基于XML模式、獨立于仿真平臺的建模語言，它為軍事想定的形式化描述提供了一種通用機(jī)制，并可支持作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的初始化，包括想定數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、校驗和加載。在作戰(zhàn)仿真領(lǐng)域，MSDL對于軍事想定的重用、想定與仿真的解耦具有重要意義。SISO于2008年10月發(fā)布該標(biāo)準(zhǔn)，并于2015年5月再次確認(rèn)。如圖10所示，從XML模式文件可以看出，MSDL定義包括想定標(biāo)識、選項、環(huán)境、作戰(zhàn)力量、組織結(jié)構(gòu)（含作戰(zhàn)單元和裝備實體）、透明圖、戰(zhàn)場設(shè)施、戰(zhàn)術(shù)圖、非戰(zhàn)爭軍事行動圖（MOOTW）等信息［45］。

圖10 MSDL根元素的結(jié)構(gòu)Fig.10 Military scenario element structure

在應(yīng)用中需要合理把握MSDL與C-BML的范圍，并適當(dāng)綜合。MSDL的目標(biāo)是采用最少而嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)和屬性定義來完成初始化，使系統(tǒng)（仿真）參與者初始化到相同的狀態(tài)，而并未包含對仿真開始后的作戰(zhàn)任務(wù)、計劃命令等的描述。后續(xù)階段，C-BML的重點是任務(wù)執(zhí)行過程中的信息交換，特別是基于形式化定義實現(xiàn)信息交換的可組合性。MSDL與C-BML標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)活動的協(xié)同匹配一直是SISO的工作重點［46-47］。

4 結(jié) 語

為更好地對TSCE集成框架的復(fù)雜性進(jìn)行管理，把握不同分系統(tǒng)之間無數(shù)的相關(guān)性和接口問題，傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程實踐有必要向MBSE方向發(fā)展演進(jìn)。系統(tǒng)集成設(shè)計不再是一系列文本文檔，而是由豐富的、形式化的模型來定義。模型除了展現(xiàn)大量信息之外，還能在不同干系人之間無歧義地共享和溝通，有利于實現(xiàn)整個設(shè)計過程的可追溯性。

本文主要內(nèi)容包括了3個維度：一是系統(tǒng)工程過程，給出了V模型表達(dá)，初步建立了各個階段與體系結(jié)構(gòu)框架視點或模型的對應(yīng)關(guān)系；二是TSCE集成框架，簡要引用前期成果，并未展開論述；三是相關(guān)的各種模型和建模方法，這是本文的重點，比較系統(tǒng)地梳理出了可用的建模規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

系統(tǒng)模型可在TSCE系統(tǒng)集成的全壽期使用，并且可用于SoS的體系結(jié)構(gòu)量化分析，提升成本效益，但前提是在系統(tǒng)工程合適的階段、合適的范圍能正確使用相關(guān)建模方法，并需特別關(guān)注以下幾點：

1）形式化的模型。MBSE的關(guān)鍵在于確定標(biāo)準(zhǔn)化的建模方法，得到形式化的模型。有時使用普通的框圖好像也可以表達(dá)與SysML塊定義圖同樣的意思，但是這樣就走不到MBSE的路上。表2列出了討論建模方法時涉及到的主要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

2）可轉(zhuǎn)換的模型?！白皂斚蛳隆钡脑O(shè)計過程采用的是一系列通用或DSML進(jìn)行建模，這些模型不應(yīng)該是割裂的，而必須建立有機(jī)關(guān)聯(lián)。盡可能利用模型轉(zhuǎn)換技術(shù)衍生得出新的模型，或者轉(zhuǎn)換生成集成測試過程的輸入，或者轉(zhuǎn)換生成設(shè)計文檔。模型驅(qū)動架構(gòu)（MDA）的基本思想即系統(tǒng)的功能性是運用合適的規(guī)約語言（Specification language，它是計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域使用的一種形式語言，主要用于系統(tǒng)分析和設(shè)計的過程中）以平臺無關(guān)模型（PIM）的方式定義，然后在為實際的實現(xiàn)

時翻譯到一個或多個平臺相關(guān)模型（PSM）上。從PIM向PSM的轉(zhuǎn)換通常是由自動工具完成，而相關(guān)技術(shù)本文尚未論述。

表2 本文所涉及的主要建模標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范一覽表Tab.2 List of related modeling specifications

3）基于XML的模型。XML作為通用的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，同時也是元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)又是元語言，覆蓋了本文涉及的幾乎所有建模標(biāo)準(zhǔn)。不僅有XML Schema和各種以XML為宿主的DSML，而且UML，SysML，BPMN等圖形化的建模語言背后也離不開XML，因為不同建模語言和開發(fā)工具交換其數(shù)據(jù)模型依賴 XMI（XML Metadata Interchange），它是一種基于XML的元數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，同時也定義了從UML到XML的映射。

MBSE的成功實施，即模型的作用能否在TSCE系統(tǒng)集成設(shè)計中得到發(fā)揮，很大程度上取決于不同的模型如何與系統(tǒng)工程過程、集成框架相結(jié)合。下一步工作，需要明確各種建模方法與集成框架的映射關(guān)系，不僅需要勾畫出3個維度的目標(biāo)圖像，而且還需要結(jié)合工程實踐，選購合適的開發(fā)工具平臺，掌握相應(yīng)的模型開發(fā)和轉(zhuǎn)換技術(shù)。此外，MBSE也需要更加關(guān)注需求管理、配置管理等與模型有關(guān)的技術(shù)管理過程。

［1］ INCOSE.Systems engineering vision 2020：INCOSETP-2004-004-02［R］.San Diego，CA：International Council on Systems Engineering（INCOSE），2007.

［2］ 王崑聲，袁建華，陳紅濤，等.國外基于模型的系統(tǒng)工程方法研究與實踐［J］.中國航天，2012（11）：52-57. WANG Kunsheng,YUAN Jianhua,CHEN Hongtao,et al.Study and practice on the technology of modle-based engineering in the foreign［J］.Aerospace China，2012（11）：52-57.

［3］ 董曉明，石朝明，黃坤，等.美海軍DDG-1000全艦計算環(huán)境體系結(jié)構(gòu)探析［J］.中國艦船研究，2012，7（6）：7-15. DONG Xiaoming，SHI Chaoming，HUANG Kun，et al.Analysis on the architecture of USN DDG-1000 total ship computing environment［J］.Chinses Journal of Ship Research，2012，7（6）：7-15.

［4］ 董曉明，馮浩，石朝明，等.全艦計算環(huán)境體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)集成框架［J］.中國艦船研究，2014，9（1）：8-13，30. DONG Xiaoming，F(xiàn)ENG Hao，SHI Chaoming，et al. Architecture and system integration framework of total ship computing environme［tJ］.Chinses Journal of Ship Research，2014，9（1）：8-13，30.

［5］ ESTEFAN J A.Survey of model-based systems engineering（MBSE）methodologies：INCOSE-TP-2007-003-01［R］.San Diego，CA：International Council on Systems Engineering（INCOSE），2008.

［6］ REICHWEIN A，PAREDIS C J J.Overview of architecture frameworks and modeling languages for model-based systems engineering［C］//ASME 2011 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference.Washington，DC：ASME，2011.

［7］ 石劍琛，董曉明.C4I系統(tǒng)集成體系結(jié)構(gòu)框架概述［J］.計算機(jī)與數(shù)字工程，2012，40（7）：44-47. SHI Jianchen，DONG Xiaoming.Overview on architecture framwork for C4I systems integration［J］.Computer&Digital Engineering，2012，40（7）：44-47.

［8］ PIASZCZYK C.Model based systems engineering with department of defense architectural framework［J］.Systems Engineering，2011，14（3）：305-326.

［9］ HOFFMANN H P.Systems engineering best practices with the rational solution for systems and software engineering deskbook release 3.1.2［R］.Somers，NY：IBM，2011.

［10］MONTGOMERY P R.Model-based system integration（MBSI）-key attributes of MBSE from the system integrator's perspective［J］.Procedia Computer Science，2013，16：313-322.

［11］YOUNG M.System architecture optimization via model-based systems engineering and utilization of the DOD architecture framework and system modeling language［J］.Naval Engineers Journal，2012，124（4）：59-65.

［12］MITTAL S，MARTíN J L R.Model-driven systems engineering for netcentric system of systems with DEVS unified process［C］//Proceedings of the 2013 Winter Simulation Conference.Washington，DC：IEEE，2013.

［13］ TEPPER J S，HORNER N C.Model-based systems engineering in support of complex systems development［J］.Johns Hopkins APL Technical Digest，2013，32（1）：419-432.

［14］ TEPPER N A.Exploring the use of model-based systems engineering（MBSE）to develop systems architecture in naval ship design［D］.Cambridge，MA：Massachusetts Institute of Technology，2010.

［15］ JEPPERSON D B.Using model based systems engineering and the systems modeling language to develop space mission area architectures［D］.Monterey，CA：Naval Postgraduate School，2013.

［16］ MITCHELL S W.Model-based system development for managing the evolution of a common submarine combat system［C］//Proceedings of AFCEA-GMU Symposium on Critical Issues in C4I.Fairfax，VA：George Mason University，2010.

［17］ MITCHELL S W.Transitioning the SWFTS program combat system product family from traditional document-centric to model-based systems engineering［J］.Systems Engineering，2014，17（3）：313-329.

［18］ ANDERSSON H，HERZOG E，JOHANSSON G，et al.Experience from introducing unified modeling language/systems modeling language at Saab aerosystems［J］.Systems Engineering，2010，13（4）：369-380.

［19］ 郭寶柱.“系統(tǒng)工程”辨析［J］.航天器工程，2013，22（4）：1-6. GUO Baozhu.What is systems engineering［J］.Spacecraft Engineering，2013，22（4）：1-6.

［20］ 吳穎，劉俊堂，鄭黨黨.基于模型的系統(tǒng)工程技術(shù)探析［J］.航空科學(xué)技術(shù)，2015，26（9）：69-73. WU Ying，LIU Juntang，ZHENG Dangdang.Research on the technology of model based system engineering［J］.Aeronautical Science& Technology，2015，26（9）：69-73.

［21］ 白潔，呂偉，張磊，等.基于模型的系統(tǒng)工程在機(jī)載電子系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2015（4）：96-99. BAI Jie,LV Wei,ZHANG Lei,et al.Application of model-based system engineering in area of airborne avionics system［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2015（4）：96-99.

［22］ 葛立敏，劉遠(yuǎn)恒，王揚(yáng).基于模型的系統(tǒng)工程在航電系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用研究［J］.航空制造技術(shù)，2015（8）：60-63. GE Limin,LIU Yuanheng,WANG Yang.Study on application of model-based system engineering in avionics system design［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2015（8）：60-63.

［23］ 韓鳳宇，林益明，范海濤.基于模型的系統(tǒng)工程在航天器研制中的研究與實踐［J］.航天器工程，2014， 23（3）：119-125. HANG Fengyu,LIN Yiming,FAN Haitao.Research and piactice of model-based systems engineering in spacecraft development［J］.Spacecraft Engineering，2014，23（3）：119-125.

［24］ 張有山，楊雷，王平，等.基于模型的系統(tǒng)工程方法在載人航天任務(wù)中的應(yīng)用探討［J］.航天器工程，2014，23（5）：121-128. ZHANG Youshan,YANG Lei,WANG Ping,et al.Discussion on application of model-based systems engineering method to human spaceflight mission［J］. Spacecraft Engineering，2014，23（5）：121-128.

［25］ 金長林，郝繼山，羅海坤.系統(tǒng)工程方法論在微系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用探索［J］.電子工藝技術(shù)，2015，36（4）：199-202. JIN Changlin,HAO Jishan,LUO Haikun.Exploration of system engineering methodology in micro-system design［J］.Electionics Process Technology，2015，36（4）：199-202.

［26］ OMG Systems modeling language（OMG SysML）specification：Version 1.4［S］.［S.l.］：OMG，2015.

［27］ 孫煜，梁琰，馬力.基于模型的系統(tǒng)工程與SysML應(yīng)用研究［J］.信息系統(tǒng)工程，2012（10）：114-118. SUN Yu，LIANG Yan，MA Li.Model-based systems engineering and systems modeling language［J］.Information System Engineering，2012（10）：114-118.

［28］ ZUR MUEHLEN M，HAMILTON D，PEAK R.Integration of M&S（Modeling and Simulation），software design and DoDAF（Department of Defense Architecture Framework（RT 24））：SERC-2012-TR-024［R］.Hoboken，NJ：Systems Engineering Research Center，2012.

［29］ 姚騰鋼，王劍波.基于任務(wù)系統(tǒng)集成的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計過程［J］.中國艦船研究，2011，6（3）：40-44. YAO Tenggang,WANG Jianbo.An architecture design process for shipboard combat system with integration of mission systems［J］.Chinese Journal of Ship Research，2011，6（3）：40-44.

［30］ DoDAF eta-model（DM2），DoD architecture framework:Version 2.02［EB/OL］.http://dedcio defense. gov/Library/DoD-Architecture-Framework/dodaf20_ dm2

［31］ 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，2010，22（9）：2048-2051，2055. DONG Xiaoming,MIN Shaorong,LEI Jing,et al. Mehtod and application of data modeling based on UML and XML［J］.Journal of System Simulation，2010，22（9）：2048-2051，2055.

［32］ 董曉明，姚晉，秦克.艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成設(shè)計與

度量方法［J］.中國艦船研究，2012，7（4）：94-99. DONG Xiaoming,YAO Jin,QIN Ke.Method for data integration design and measurement of ship combat system［J］.Chinese Journal of Ship Research，2012，7（4）：94-99.

［33］ IBM.Data format description language（DFDL）V1.0 specification：GFD-P-R.207［S］.Armonk，NY：IBM，2011.

［34］ IBM.WebSphere message broker version 8.0 readme［EB/OL］.［2011-12-09］.http：//www.ibm.com/support/knowledgecenter/api/content/nl/en-us/SSKM8N_ 8.0.0/com.ibm.etools.mft.doc/bd40430_.htm.

［35］ DAVIS J.Open Source SOA［M］.Shelter lsland，NY：Manning Publications Co，2009.

［36］ Web services architecture,W3C working group note［EB/OL］.［2004-02-11］.http://www.w3.org/TR/ws-arch

［37］ MORELANDJR J D，SARKANI S，MAZZUCHI T. Service-oriented architecture（SOA） instantiation within a hard real-time，deterministic combat system environment［J］.Systems Engineering，2014，17（3）：264-277.

［38］ 陳廣智，潘嶸，李磊.工作流建模技術(shù)綜述及其研究趨勢［J］.計算機(jī)科學(xué)，2014，41（6A）：11-17，23. CHENG Guangzhi,PAN Rong,LI Lei.Survey and research trends of workflow modeling techniques［J］. Computer Science，2014，41（6A）：11-17，23.

［39］ ZUR MUEHLEN M，INDULSKA M.Modeling languages for business processes and business rules：a representational analysis［J］.Information Systems，2010，35（4）：379-390.

［40］ C-BML Product Development Group.Standard for coalition battle management language（C-BML）phase 1，version 1.0：SISO-STD-011-2014［S］.Orlando，F(xiàn)L：Simulation Interoperability Standards Orgnization（SISO），2013.

［41］ 黃紅兵，李賢玉，王學(xué)寧.C-BML關(guān)鍵問題研究進(jìn)展［J］.指揮與控制學(xué)報，2015，1（3）：241-253. HUANG Hongbing,LI Xianyu,WANG Xuning.Key issues in C-BML:a survey［J］.Journal of Command and Control，2015，1（3）：241-253.

［42］ HEFFNER K，GUPTON K.Implementing a standards development framework for the coalition battle management language［C］//Proceedings of the 18th International Command and Control Research and Technology Symposium on C2in Underdeveloped Degraded and Operation Environments.Alexandria，VA：ICCRTS，2013.

［43］ BOWERS A，BLAISC L，GALVIN K，et al.A systems engineering approach to M&S standards development：application to the coalition battle management language［C］//Proceedings of 2013 Spring Simulation Interoperability Workshop.San Diego，CA：Simulation Interoperability Standards Organization（SISO），2013.

［44］ 肖濱，孫永忠，衡軍.作戰(zhàn)想定的形式化表述方法研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，20（11）：2978-2981. XIAO Bin,SUN Yongzhong,HENG Jun.Research of formalization representation method for operation scenario［J］.Journal of System Simulation，2008，20（11）：2978-2981.

［45］ Command and Control Systems-Simulation Systems Interoperation Product Development Group.Standard for military scenario definition language（MSDL）：SISO-STD-007-2008［S］.Orlando，F(xiàn)L：Simulation Interoperability Standards Orgnization（SISO），2015.

［46］ PULLEN J M，ALSTAD A，BROOK A，et al.MSDL and C-BML working together for NATO MSG-085［C］//Proceedings of 2012 Fall Simulation Interoperability Workshop.Orlando，F(xiàn)L：Simulation Interoperability Standards Orgnization（SISO），2012.

［47］ BLAIS C，ABBOTT J.Integrating the coalition battle management language（C-BML）into the military scenario definition language（MSDL）［D］.Monterey, CA：Naval Postgraduate School，2010.

Overview of application of model-based systems engineering in integration framework of total ship computing environment

DONG Xiaoming，HU Yang
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The Total Ship Computing Environment（TSCE）is a representation of the software intensive complex weapons system and advanced technology of ship information system integration.It requires great changes to be made in the design patterns of ship systems，such as Model-Based Systems Engineering（MBSE）instead of traditional document-centric system engineering.In this paper，MBSE related works are introduced first，then mappings are proposed between the design phases of TSCE integrating and DoDAF viewpoints or models according to the system engineering process V-model.Finally，some modeling specifications and standards are introduced，including System Modeling Language（SysML），Service-Oriented Architecture（SOA），XML Schema，Business Process Model and Notation（BPMN），Military Scenario Definition Language（MSDL），Coalition Battle Management Language（C-BML），etc.The formalized application of modeling will play key roles in supporting the construction of the TSCE integration framework.

Model-Based Systems Engineering（MBSE）；modeling specification；Total Ship Computing Environment（TSCE）；integration framework

U674.7；TP311.523

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.06.019

2016-05-14

時間：2016-11-18 15:19

董曉明（通信作者），男，1975年生，博士，高級工程師。研究方向：艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)，分布式仿真，計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。E-mail：phdotd@gmail.com胡洋，男，1983年生，博士，工程師。研究方向：計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及集成

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.tj.20161118.1519.038.html 期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

董曉明，胡洋.基于模型系統(tǒng)工程在全艦計算環(huán)境集成框架的應(yīng)用概覽［J］.中國艦船研究，2016，11（6）：124-135. DONG Xiaoming，HU Yang.Overview of application of model-based systems engineering in integration framework of total ship computing environmen［tJ］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（6）：124-135.