屈天剛, 劉曉磊
(1.中國西南電子技術(shù)研究所,四川 成都 610036;2.海軍裝備部,四川 成都 610036)
新時期體系化作戰(zhàn)是作戰(zhàn)的主要形式,作為戰(zhàn)斗力形成的重要支撐,數(shù)據(jù)鏈從單鏈組織運(yùn)用向多鏈體系運(yùn)用發(fā)展,以支持快速形成強(qiáng)敵對抗條件下“傳感器到射手”的體系打擊能力。同時快速發(fā)展的各種新型平臺對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的集成鉸鏈提出新的要求,因而必須降低數(shù)據(jù)鏈與應(yīng)用平臺集成的難度,提高數(shù)據(jù)鏈與應(yīng)用平臺集成的層次,解決新裝備和特殊平臺的數(shù)據(jù)鏈集成問題,切實(shí)提高作戰(zhàn)平臺的數(shù)據(jù)鏈集成鉸鏈能力。當(dāng)前在異構(gòu)平臺多數(shù)據(jù)鏈集成領(lǐng)域存在以下四個問題。
1)各類數(shù)據(jù)鏈裝備建設(shè)需求迫切,技術(shù)狀態(tài)頻繁的迭代升級,缺少統(tǒng)一裝備、協(xié)調(diào)管理等,各類數(shù)據(jù)鏈裝備仍是“煙囪式”發(fā)展,互操作性沒有得到很好的解決,缺乏統(tǒng)一有效的設(shè)計。
2)在面向特定任務(wù)的單鏈裝備建設(shè)模式下,各數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)相對獨(dú)立運(yùn)行,對多鏈的組織運(yùn)用相對匱乏,難以在多鏈間共享、處理以及分發(fā)通用體制的重要信息。
3)隨著各類數(shù)據(jù)鏈需要鉸鏈的平臺數(shù)量越來越多,平臺類型越來越多元化,平臺的結(jié)構(gòu)也各有不同,其控制流程、信息格式、接口的復(fù)雜性也急劇增長。
4)在數(shù)據(jù)鏈體系設(shè)計、建模仿真、運(yùn)用管理方面數(shù)字化水平低,缺乏有效的統(tǒng)一建模支持系統(tǒng)和相關(guān)自動化工具,導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)研制、驗(yàn)證、聯(lián)試、試驗(yàn)等活動成本高、周期長、見效慢。然而,聯(lián)合能力不能在各類數(shù)據(jù)鏈裝備后再設(shè)計整合,各類數(shù)據(jù)鏈必須成體系發(fā)展建設(shè),從頂層設(shè)計開展聯(lián)合作戰(zhàn)的需求分析、體系結(jié)構(gòu)研究試驗(yàn)驗(yàn)證和組織運(yùn)用等,才能保障聯(lián)合作戰(zhàn)時各鉸鏈作戰(zhàn)要素效能的發(fā)揮。
在作戰(zhàn)需求和信息技術(shù)的驅(qū)動下,美軍著力打造符合現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭要求的數(shù)據(jù)鏈裝備。美軍作戰(zhàn)平臺和應(yīng)用系統(tǒng)種類繁多,尤其是早期各兵種根據(jù)自己的作戰(zhàn)需求研發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng),導(dǎo)致重復(fù)建設(shè)和互不兼容的問題。為避免建設(shè)資源的浪費(fèi),美軍采用組合管理方式高效管理數(shù)據(jù)鏈項(xiàng)目,例如單一集成空中圖像(Single Integrated Air Picture,SIAP)項(xiàng)目[1],利用系統(tǒng)之系統(tǒng)(System of Systems,SoS)[2-3]方式整合數(shù)據(jù)鏈,以保證整個項(xiàng)目進(jìn)展的一致性[4-5]。通過構(gòu)建集成體系結(jié)構(gòu)行為模型(Integrated Architecture Behavior Module,IABM),實(shí)現(xiàn)了不同平臺的數(shù)據(jù)鏈和各類任務(wù)系統(tǒng)的體系整合,該模型方法采用模型驅(qū)動結(jié)構(gòu)(Model Driven Architecture,MDA)和xUML語言對系統(tǒng)需求和功能進(jìn)行形式化描述,是構(gòu)成SIAP的通用軟件規(guī)范。IABM將Link-11、Link-16和P2P網(wǎng)絡(luò)與傳感器、武器、指揮控制等系統(tǒng)有效地整合在一起,形成跨平臺、跨鏈的SIAP,該模型具有良好的可移植性和擴(kuò)展性,可以根據(jù)平臺裝備具體情況靈活運(yùn)用在美軍的各類項(xiàng)目中。此外,美軍為整合“煙囪式”發(fā)展的數(shù)據(jù)鏈裝備,研發(fā)各種各樣的集成設(shè)備促進(jìn)數(shù)據(jù)鏈之間的互通,以此實(shí)現(xiàn)多鏈路的協(xié)同運(yùn)用,如陸軍聯(lián)合對地攻擊巡航導(dǎo)彈防御用網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)(Joint Land-attack Cruise Missile Defense Floating Networked Sensor System,JLENS)、海軍通用數(shù)據(jù)鏈管理系統(tǒng)(Common DataLink Management System,CDLMS)、戰(zhàn)場機(jī)載通信節(jié)點(diǎn)(Battlefield Airborne Communication Node,BACN)和通用鏈路集成處理(Common Link Integrated Processor,CLIP)計劃等。
本文圍繞數(shù)據(jù)鏈體系聯(lián)合作戰(zhàn)應(yīng)用能力形成,結(jié)合數(shù)據(jù)鏈體系特點(diǎn),采用基于模型的體系工程方法,開發(fā)了基于MDA的集成體系結(jié)構(gòu)行為模型,旨在提升各類平臺數(shù)據(jù)鏈的互操作性和多平臺傳感器、武器的協(xié)同能力;在該模型的基礎(chǔ)上,為加快研制的進(jìn)度,本文進(jìn)一步提出了基于模型的敏捷開發(fā)過程,綜合提高數(shù)據(jù)鏈裝備體系互操作水平。
數(shù)據(jù)鏈體系需求分析需要首先從數(shù)據(jù)鏈裝備最新發(fā)展情況出發(fā),為提高基于網(wǎng)絡(luò)信息體系的聯(lián)合作戰(zhàn)能力、全域作戰(zhàn)能力,需要重點(diǎn)解決數(shù)據(jù)鏈領(lǐng)域多種類型多種型號系統(tǒng)裝備間互操作問題,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈裝備體系建設(shè)、武器平臺與數(shù)據(jù)鏈體系集成和數(shù)據(jù)鏈體系運(yùn)用。
基于DoDAF 2.0(Architecture Framework of DOD)[6]框架,數(shù)據(jù)鏈互操作能力需求分析流程如圖1所示。首先,分析數(shù)據(jù)鏈裝備領(lǐng)域的差距和不足,提出數(shù)據(jù)鏈未來發(fā)展需求、規(guī)劃和總體架構(gòu),綜合考慮各類平臺的多鏈集成應(yīng)用,構(gòu)建基本殺傷鏈,設(shè)計高級作戰(zhàn)概念;其次,針對數(shù)據(jù)鏈全生命周期建設(shè)、管理與運(yùn)用,對組織結(jié)構(gòu)、作戰(zhàn)流程進(jìn)行分解,設(shè)計組織機(jī)構(gòu)關(guān)系、作戰(zhàn)活動模型;接著,以組織結(jié)構(gòu)為參照,對作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)之間的信息交互需求進(jìn)行設(shè)計,形成作戰(zhàn)連接關(guān)系視圖、作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)間的信息交互關(guān)系;最后,以對系統(tǒng)組成進(jìn)行分解為基礎(chǔ),獲取功能需求、接口需求等,建立系統(tǒng)功能與能力的映射。
圖1 數(shù)據(jù)鏈互操作能力需求分析流程
數(shù)據(jù)鏈裝備體系需要深度鉸鏈戰(zhàn)場感知、指揮控制、武器控制、電子對抗、敵我識別等作戰(zhàn)信息系統(tǒng),打造“偵、控、打、評”閉合信息環(huán)路,實(shí)現(xiàn)大容量情報信息分發(fā)、大規(guī)模戰(zhàn)場態(tài)勢形成、實(shí)時性平臺指揮控制、高精度武器協(xié)同打擊等能力,從而獲取信息優(yōu)勢,提高控制精度,增強(qiáng)打擊時效,控制作戰(zhàn)進(jìn)程,提升聯(lián)合作戰(zhàn)效能。
為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈體系互操作能力提升,借鑒體系工程、基于模型的數(shù)據(jù)鏈體系工程方法、基于能力的需求分析等方法理論,結(jié)合數(shù)據(jù)鏈體系演進(jìn)的層次性、復(fù)雜性、演化性和涌現(xiàn)性等特征,開展數(shù)據(jù)鏈體系設(shè)計。按照數(shù)據(jù)鏈裝備體系能力發(fā)展模式,基于數(shù)據(jù)鏈不同部門、不同人員使用需求以及業(yè)務(wù)流程,凝練數(shù)據(jù)鏈體系工程核心要素,設(shè)計數(shù)據(jù)鏈體系工程過程,形成基于模型的數(shù)據(jù)鏈體系工程方法,包括技術(shù)方法和技術(shù)管理方法。基于該體系工程方法,參考體系互操作模型[7],提出具有體系特性的“雙V”模型。上層的“V”模型,從項(xiàng)目管理角度,開展體系建設(shè)與運(yùn)用,提出滿足聯(lián)合互操作的數(shù)據(jù)鏈體系能力要求,對數(shù)據(jù)鏈裝備建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行決策,并能對整個項(xiàng)目實(shí)施過程進(jìn)行監(jiān)督和調(diào)整;從技術(shù)角度,開展體系設(shè)計和驗(yàn)證,為管理層面進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈體系能力確定與評估、項(xiàng)目決策、組織運(yùn)用等提供技術(shù)支持;體系集成和工程支持,作為“雙V”兩層工作的紐帶,從工程實(shí)施角度,對上能夠以數(shù)據(jù)/模型等方式為體系總體設(shè)計與驗(yàn)證工作提供支持,對下在裝備體系設(shè)計與優(yōu)化層面,能夠提出多種解決方案,為體系基線、體系增量和體系擴(kuò)展的構(gòu)建提供依據(jù)和要求。下層的“V”模型,在裝備體系設(shè)計與優(yōu)化層面,主要基于體系總體集成與工程支持提出的技術(shù)要求,開展數(shù)據(jù)鏈體系基線、增量、擴(kuò)展的設(shè)計,構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)裝備或者數(shù)字化技術(shù)體制模型。而利用數(shù)字化技術(shù)等搭建互操作驗(yàn)證平臺,為科學(xué)、高效開展兩個層面工作提供統(tǒng)一的建模仿真、試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境支撐,滿足端到端互操作能力和體系功能驗(yàn)證需要。數(shù)據(jù)鏈體系的總體框架如圖2所示。
圖2 數(shù)據(jù)鏈體系總體框架
本文重點(diǎn)針對體系集成工程實(shí)施層面的互操作能力提升工作,圍繞多數(shù)據(jù)鏈體系集成互操作能力提升這一核心需求,提出數(shù)據(jù)鏈體系技術(shù)體制模型的設(shè)計、開發(fā)和功能驗(yàn)證等。
數(shù)據(jù)鏈裝備體系種類多,涉及面廣,是一種典型的跨軍種、跨平臺、跨專業(yè)裝備的復(fù)雜體系。因此,其互操作能力尤為重要,要求也更高,需要橫向整合多類數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)資源,縱向深度集成傳感器、指控系統(tǒng)、武器系統(tǒng)等各類作戰(zhàn)要素,從作戰(zhàn)應(yīng)用、需求分析、體系/系統(tǒng)設(shè)計、體系/系統(tǒng)裝備研制、平臺集成、測試等多方面進(jìn)行通用模型化驅(qū)動開發(fā),以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈互操作能力的全面提升。
本章采用基于集成體系結(jié)構(gòu)行為模型的方法,設(shè)計制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)體制可執(zhí)行模型規(guī)范。該模型設(shè)計要體現(xiàn)應(yīng)用能力、邏輯功能、消息處理、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和運(yùn)維管理的整合和統(tǒng)一,提升現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈裝備的互操作能力水平。系統(tǒng)工程技術(shù)解決途徑包括構(gòu)建可執(zhí)行的統(tǒng)一技術(shù)體制模型、構(gòu)建分布式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和敏捷開發(fā)過程三部分內(nèi)容,最后生成可執(zhí)行的體系結(jié)構(gòu)模型產(chǎn)品。
首先依據(jù)數(shù)據(jù)鏈體系結(jié)構(gòu),針對數(shù)據(jù)鏈體系功能的實(shí)現(xiàn)問題,提出構(gòu)建統(tǒng)一技術(shù)體制模型的概念,即基于IABM的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)體制模型,并擬采用模型驅(qū)動結(jié)構(gòu)開發(fā)數(shù)據(jù)鏈體系的基準(zhǔn)系統(tǒng)。MDA定義了三種模型,分別為計算獨(dú)立模型(Computation-Independent Model, CIM)、平臺獨(dú)立模型(Platform-Independent Model, PIM)和平臺特定模型(Platform-Specific Model, PSM)。其中CIM描述數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的需求和將在其中使用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)上下文,PIM描述如何構(gòu)造數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng),兩者都不涉及如何實(shí)現(xiàn)以及具體的技術(shù)。而PSM將從特定的各鏈各平臺的角度給出解決方案,包括如何在各鏈各平臺上完成異構(gòu)平臺多鏈集成能力實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。
基于IABM的技術(shù)體制模型是獨(dú)立于軟硬件平臺的數(shù)據(jù)鏈體系通用功能實(shí)現(xiàn),即PIM,在功能上涵蓋數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的頂層需求和作戰(zhàn)需求。當(dāng)IABM模型通過驗(yàn)證與確認(rèn)時,其實(shí)現(xiàn)生成將由各鏈各平臺執(zhí)行。該模型具備靈活適變的優(yōu)點(diǎn),各鏈各平臺可以結(jié)合自身作戰(zhàn)應(yīng)用、裝備建設(shè)、平臺集成、關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)工程、基礎(chǔ)環(huán)境等需求,選擇適當(dāng)?shù)墓δ懿ζ溥M(jìn)行裁減,在已有的作戰(zhàn)/武器系統(tǒng)的計算機(jī)程序上運(yùn)行操作,交由各平臺進(jìn)行性能測試,將IABM的PIM模型轉(zhuǎn)換為IABM平臺特定模型,以便集成到系統(tǒng)中去。如此可以確保數(shù)據(jù)鏈體系模型開發(fā)過程中軟件高度的一致性和可維護(hù)性,以有效縮短開發(fā)周期和控制開發(fā)成本。而后PSM將被編譯成最終項(xiàng)目代碼輸出,完成多鏈集成互操作能力提升的具體實(shí)現(xiàn)(Platform-Specific Initiative,PSI)。
基于IABM模型的互操作性提升實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)一步構(gòu)建以對等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為核心的分布式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集成包括各種通信設(shè)備和通用信息處理設(shè)備(由技術(shù)體制模型具體實(shí)現(xiàn))。有相同任務(wù)需求的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)鏈功能處理架構(gòu),即具有相同的輸入、相同的處理流程,從而產(chǎn)生相同的處理結(jié)果。其次,在接入各種鏈路的基礎(chǔ)上,設(shè)計和實(shí)現(xiàn)分布式統(tǒng)一戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)(核心是戰(zhàn)術(shù)消息)的信息處理機(jī)制,即遵循現(xiàn)役、正在開發(fā)和設(shè)計中的數(shù)據(jù)鏈消息格式標(biāo)準(zhǔn),但重新設(shè)計和實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的消息處理流程標(biāo)準(zhǔn)。
如圖3所示,IABM將每個平臺視為對等的實(shí)體,數(shù)據(jù)通過P2P對等通信網(wǎng)絡(luò)或數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)在平臺間交換。在數(shù)據(jù)鏈體系內(nèi)部開發(fā)一個通用分布式處理的技術(shù)體制模型集,在體系內(nèi)每個需要交互的節(jié)點(diǎn)上提供邏輯功能層面的、具備數(shù)據(jù)一致性的功能集合,實(shí)現(xiàn)平臺與功能的解耦,在異構(gòu)多鏈集成體系中實(shí)現(xiàn)了各鏈各平臺邏輯上的同構(gòu),從而控制了體系的復(fù)雜性,實(shí)現(xiàn)跨平臺間的體系互操作性。
圖3 分布式互操作性體系結(jié)構(gòu)示意圖
敏捷開發(fā)與管理是指應(yīng)用已證實(shí)有效的原理、方法,通過合適的工具和標(biāo)識,系統(tǒng)地描述出待開發(fā)系統(tǒng)及其行為和相關(guān)約束。數(shù)據(jù)鏈體系集成能力要求支持需求、研制、運(yùn)用等不同時期平臺集成鉸鏈的敏捷開發(fā)和快速生成,具備多鏈、單鏈、平臺、設(shè)備和軟件等不同層次平臺集成鉸鏈的一致性、靈活性、可擴(kuò)展性。本節(jié)參照工程理論模型,開展數(shù)據(jù)鏈體系體制模型敏捷開發(fā)過程設(shè)計。
將數(shù)據(jù)鏈技術(shù)體制模型開發(fā)過程分解為六個層次,如圖4所示,每個層次都有自己的需求、運(yùn)行概念、產(chǎn)品開發(fā)(配置項(xiàng))、開發(fā)團(tuán)隊(duì)和可追蹤的關(guān)系,下層工作依賴上層的需求定義和產(chǎn)品。采用時間盒管理方法進(jìn)行敏捷迭代開發(fā),每個時間盒包括功能需求規(guī)格描述、功能建模、技術(shù)體制模型集成和測試以及時間盒評估的完整過程。
圖4 數(shù)據(jù)鏈體系敏捷開發(fā)過程示意圖
數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)只有集成到平臺上才能為平臺賦能,需要適配于各種指控系統(tǒng)、傳感器和武器系統(tǒng),提供端到端的信息交互能力,其功能架構(gòu)應(yīng)足夠開放和具有擴(kuò)展性。為此,數(shù)據(jù)鏈技術(shù)體制模型體系功能設(shè)計分為核心層、選項(xiàng)層和適配層三個功能層次,其集成架構(gòu)如圖5所示。核心層是所有數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)都需要的通用功能。選項(xiàng)層的功能可以根據(jù)平臺的具體情況進(jìn)行取舍。適配層與特定的系統(tǒng)/平臺有關(guān),提供與各種傳感器、武器、指控和數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的接口功能。實(shí)例化的多數(shù)據(jù)鏈技術(shù)體制模型功能結(jié)構(gòu),如圖6所示。
圖5 數(shù)據(jù)鏈體系技術(shù)體制模型集成架構(gòu)示意圖
圖6 多數(shù)據(jù)鏈技術(shù)體制模型功能結(jié)構(gòu)示意圖
在數(shù)據(jù)鏈體系功能設(shè)計和建模驗(yàn)證過程中,依據(jù)作戰(zhàn)想定,借助統(tǒng)一建模平臺(Unified Platform for Defense Modeling,UPDM)進(jìn)行體系功能結(jié)構(gòu)設(shè)計。在UPDM上,對體系功能結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行業(yè)務(wù)流程建模,即通過統(tǒng)一建模語言完整描述系統(tǒng)體系架構(gòu)模型,利用解耦有限狀態(tài)機(jī)的方式來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可執(zhí)行性。借助UPDM與SysML建模語言的歸一化特點(diǎn),可以較完善地描述系統(tǒng)體系及內(nèi)部功能流程,螺旋上升式地循環(huán)考察體系模型的正確性。
數(shù)據(jù)鏈體系功能設(shè)計和建模的輸入是高層作戰(zhàn)需求,借助UPDM的架構(gòu)設(shè)計工具進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)設(shè)計,形成符合DoDAF2.0、SysML等規(guī)范的作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和分系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)品,由于該平臺提供統(tǒng)一的描述和管理手段,各階段的設(shè)計產(chǎn)品可平滑地用作下一階段的設(shè)計輸入。借助UPDM系統(tǒng)設(shè)計工具,將架構(gòu)設(shè)計工具傳遞的模型生成可執(zhí)行的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)體制模型。同時,該工具支持與Matlab、HLA等仿真環(huán)境互聯(lián)接口,能夠結(jié)合軟件設(shè)計工具硬件研發(fā)平臺和測試平臺開展系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)。UPDM應(yīng)用過程與其他系統(tǒng)開發(fā)工具的關(guān)系如圖7所示。
圖7 體系統(tǒng)一建模平臺應(yīng)用過程示意圖
本文分析了當(dāng)前數(shù)據(jù)鏈體系集成面臨的問題,結(jié)合數(shù)據(jù)鏈演進(jìn)特點(diǎn),通過貫穿于數(shù)據(jù)鏈體系全生命周期的建模設(shè)計,以靈活的模型驅(qū)動結(jié)構(gòu)開發(fā)了數(shù)據(jù)鏈體系多數(shù)據(jù)鏈集成技術(shù)體制模型。而后進(jìn)一步構(gòu)建了以對等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為核心的分布式系統(tǒng),最后設(shè)計了適用于數(shù)據(jù)鏈體系的敏捷開發(fā)過程,并借助統(tǒng)一建模平臺進(jìn)行了體系功能驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果表明對于提升異構(gòu)平臺多數(shù)據(jù)鏈體系集成的互操作性有重要意義。
采用模型驅(qū)動結(jié)構(gòu)方法和SysML語言對系統(tǒng)需求和功能進(jìn)行形式化描述,產(chǎn)生可裁剪計算機(jī)化的系統(tǒng)規(guī)范或者可執(zhí)行的體系結(jié)構(gòu)。各作戰(zhàn)平臺依據(jù)各自平臺的具體情況對集成架構(gòu)行為模型進(jìn)行適當(dāng)裁減,便可生成可執(zhí)行代碼,方便地集成到系統(tǒng)中去。通過這種基于模型的系統(tǒng)工程思想的軟件開發(fā)方式,確保開發(fā)過程中軟件高度的一致性、可維護(hù)性,并且可以縮短開發(fā)周期和控制成本。