李 皓 王 媛

（船舶系統(tǒng)工程部 北京 100094）

1 引言

大型艦艇編隊信息系統(tǒng)是一個復雜工程系統(tǒng)，處于以網(wǎng)絡為中心的作戰(zhàn)體系之中，涉及多種兵力、多個平臺、多種手段，規(guī)模龐大、組成復雜、功能綜合[1]。為了使其更好滿足軍事需求，更加詳細、全面且一致地描述并設計系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的最優(yōu)，必須有一種有效的方法來指導系統(tǒng)的頂層設計。

目前，國外廣泛采用的復雜大型工程系統(tǒng)通用總體設計方法包括：質(zhì)量功能展開方法、統(tǒng)一規(guī)劃方法、公理化設計方法、設計結(jié)構(gòu)矩陣方法、領域映射矩陣方法、體系結(jié)構(gòu)設計方法和復雜大型綜合開放系統(tǒng)設計方法。美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架DoDAF（Department of Defense Architecture Framework）[2～4]是目前應用最廣泛和最成熟的體系結(jié)構(gòu)框架，能夠為體系結(jié)構(gòu)的設計提供指導，保證復雜系統(tǒng)的互連、互通和一致性。信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設計大多遵循DoDAF標準，并且使用軟件工程的統(tǒng)一建模語言或者系統(tǒng)建模語言加以實現(xiàn)。

另一方面，仿真技術在國外典型信息系統(tǒng)的總體設計中，已經(jīng)得到了足夠的重視和廣泛的應用。美國提出的協(xié)同作戰(zhàn)處理器總體仿真計劃[5]是面向協(xié)同作戰(zhàn)能力的設計、仿真和驗證環(huán)境，它能夠幫助用戶進行硬件在環(huán)和軟件在環(huán)仿真環(huán)境下協(xié)同作戰(zhàn)處理器軟硬件單元、系統(tǒng)集成和系統(tǒng)驗證的測試。俄羅斯海軍將建模仿真技術成功應用于艦空導彈武器的設計、艦載雷達目標指示和艦空導彈作戰(zhàn)系統(tǒng)的設計中[6～7]。

而國內(nèi)在多年的信息系統(tǒng)總體設計過程中，同樣也積累了一定的經(jīng)驗，形成了一套以接口、流程設計為主，仿真技術部分應用的體系結(jié)構(gòu)設計方法和流程，但仍然存在一些問題，影響了頂層設計的效率和效果?，F(xiàn)將國內(nèi)信息系統(tǒng)頂層設計方法存在的問題總結(jié)如下：

1）體系結(jié)構(gòu)描述需要進一步完善與規(guī)范化

對于信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設計，傳統(tǒng)的做法是設計人員按照自己的理解以及自己喜好的方式和語言，對系統(tǒng)的組成關系、流程和信息接口等內(nèi)容進行設計和描述，完成體系結(jié)構(gòu)設計報告，形成相關技術文檔和模型。然而，這種設計方法并不規(guī)范和完整，且因人而異，導致系統(tǒng)研制過程中的各階段之間不能正確理解，無法實現(xiàn)互聯(lián)、互通、互操作性，需要標準的體系結(jié)構(gòu)設計方法對其進行統(tǒng)一和規(guī)范化。

2）仿真驗證需與體系結(jié)構(gòu)設計過程緊密結(jié)合

對于信息系統(tǒng)這樣的復雜工程系統(tǒng)，僅僅依靠設計方法或設計工具中的靜態(tài)檢查已無法滿足要求，必須依靠先進的仿真技術，通過建模構(gòu)建完整的、基于作戰(zhàn)效能的仿真系統(tǒng)進行測試驗證和方案優(yōu)化。但長期以來，仿真驗證往往在整個系統(tǒng)的設備和軟件開發(fā)出來以后，才通過構(gòu)建系統(tǒng)集成聯(lián)調(diào)試驗環(huán)境，對系統(tǒng)進行仿真測試和驗證，導致本應在設計早期發(fā)現(xiàn)的問題全部集中在集成聯(lián)調(diào)階段才暴露出來。

3）設計知識需要有效的管理與使用

經(jīng)過長期的信息系統(tǒng)相關方面的研究，已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗知識和情報資料，包括技術設計文檔、研究報告、情報資料、標準、專利、個人經(jīng)驗等。然而，這些寶貴的知識只有部分知識得到管理，大部分知識如個人經(jīng)驗、部分研究報告等，都分散在個人手頭，并沒有得到有效的管理和利用，設計人員在設計過程中無法迅速準確地定位知識庫中的知識，設計的智能化程度很低。

針對以上存在的問題，參考國內(nèi)外典型復雜工程系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設計方法，本文提出一種新的大型艦艇編隊信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計方法，即知識驅(qū)動的增量迭代式頂層設計方法（Knowledge Driven Incremental Iterate Simulation Validation Concept Design，KISD）。該方法基于國際上流行的體系結(jié)構(gòu)設計方法，通過將各個子系統(tǒng)的知識集成到設計中，并應用有效的建模、仿真技術進行迭代驗證等，實現(xiàn)了體系結(jié)構(gòu)設計技術、增量迭代式的仿真驗證技術和知識驅(qū)動技術的融合。

2 知識驅(qū)動的增量迭代式頂層設計方法的總體結(jié)構(gòu)

KISD方法是一種通過充分探索和利用復雜系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機制來進行復雜大工程系統(tǒng)（System of System）頂層設計的方法論，是以復雜大系統(tǒng)工程和知識工程思想為理論基礎，融合基于知識的設計（Knowledge Based Design）、基于模型的設計（Model Based Design）、增量迭代式設計（Incremental Iterate Design）、基于仿真的設計（Simulation Based Design）等先進的設計技術，集成各個子系統(tǒng)的知識，應用有效的建模、仿真多次增量迭代式綜合設計策略，進行復雜大系統(tǒng)頂層設計的綜合集成設計方法。

KISD方法主要包括體系結(jié)構(gòu)設計技術、增量迭代式仿真驗證技術、知識驅(qū)動的輔助設計技術以及設計集成技術，其中知識驅(qū)動的輔助設計是其核心，設計集成是其交互手段，體系結(jié)構(gòu)設計是其基礎，增量迭代式仿真驗證技術則是其必要的組成。組成結(jié)構(gòu)具體如圖1所示。

KISD方法的使用流程為：

設計之初，設計人員通過知識驅(qū)動的輔助設計進行知識的檢索，同時，知識驅(qū)動技術也可根據(jù)設計人員的專業(yè)、所屬項目類型、頻繁檢索的用戶行為等屬性，對知識庫中的信息進行綜合后，將符合的設計信息推送給設計人員，并將信息根據(jù)設計人員指定的屬性進行排序。

其后，設計人員利用體系結(jié)構(gòu)設計技術對艦艇編隊信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進行初步設計，形成視圖產(chǎn)品。并通過設計集成技術，識別出設計視圖產(chǎn)品中仿真所需的功能信息、功能關系和接口、流程等信息，將以上信息轉(zhuǎn)換成仿真驗證模塊中定義的xml格式，從而獲得仿真所需的組成、接口和流程定義。

圖1 KISD方法的組成結(jié)構(gòu)圖

采用仿真驗證技術中的代碼框架生成技術，生成概念模型框架，并補充仿真驗證所需的功能模型，根據(jù)需要形成不同粒度的仿真驗證系統(tǒng)，并通過對仿真驗證系統(tǒng)多次試驗，對仿真結(jié)果進行評估，評判體系結(jié)構(gòu)是否合理或是否為最優(yōu)，若不合理，則將結(jié)果反饋給體系結(jié)構(gòu)設計模塊進行相應修改。

3 體系結(jié)構(gòu)設計技術

目前，國際上已發(fā)布了多項體系結(jié)構(gòu)框架標準，如美國國防部的 DoDAF（Department of Defense Architecture Framework）、英國國防部的 MoDAF（Ministry of Defense Architecture Framework）、北約的 NAF（NATO Architecture Framework）等。而應用最廣、發(fā)展最快的是美國國防部的DoDAF，已從DoDAF1.0發(fā)展到DoDAF 2.0版本[8]。

而我國總裝備部在某個項目中也提出了一種改進的體系結(jié)構(gòu)設計方法，該方法充分吸收了DODAF、MoDAF的優(yōu)點，結(jié)合了我國裝備系統(tǒng)的實際情況，包括了全視圖AV、作戰(zhàn)視圖OV、系統(tǒng)視圖SV、技術視圖TV、裝備視圖EV、能力視圖CV等六個視圖，從系統(tǒng)能力需求、作戰(zhàn)應用、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、裝備結(jié)構(gòu)、技術標準等方面進行全面地刻畫，為作戰(zhàn)需求人員、系統(tǒng)設計人員、系統(tǒng)實現(xiàn)人員之間形成一致的認識提供了良好的平臺（各視圖之間的關系如圖2所示）。知識驅(qū)動的增量迭代式頂層設計方法KISD就是以改進的體系結(jié)構(gòu)設計技術為核心的方法。

4 增量迭代式仿真驗證技術

體系結(jié)構(gòu)設計方法和相關的工具雖然能對大型艦艇編隊信息系統(tǒng)中參與作戰(zhàn)的節(jié)點、作戰(zhàn)活動、指揮關系以及系統(tǒng)的功能、功能關系、通信關系、部署情況、系統(tǒng)對作戰(zhàn)需求的實現(xiàn)情況等進行描述，也能對功能間的關聯(lián)、功能與作戰(zhàn)需求的關系、接口定義的完備性等方面進行檢查，無法從作戰(zhàn)效能的角度評判所設計的體系結(jié)構(gòu)是否合理、是否為最佳方案，必須在系統(tǒng)全部研制出來進行集成聯(lián)調(diào)試驗，才能發(fā)現(xiàn)設計的是否正確，會造成大量的返工和浪費 。

圖2 改進的體系結(jié)構(gòu)各視圖之間的關系

因此，本文提出了在改進的體系結(jié)構(gòu)設計技術基礎上，通過增量迭代式的仿真驗證技術，對系統(tǒng)設計過程中的各個階段加以驗證，實現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)的小閉環(huán)迭代和優(yōu)化。

該技術主要采用基于作戰(zhàn)效能的流程迭達仿真，對艦船編隊信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進行逐步地迭代驗證，優(yōu)化結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)方案初步設計階段，根據(jù)初步設計的體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品，建立以概念原型為核心的數(shù)字仿真環(huán)境，驗證系統(tǒng)的工作原理、指揮所的設置等，演示系統(tǒng)設計的整體構(gòu)想，從而完善系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。在方案設計階段，同樣根據(jù)詳細設計的體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品，以基于概念原型的數(shù)字仿真環(huán)境為基礎，建立基于確定仿真想定、以虛擬原型為核心的分布式仿真環(huán)境，對多種方案進行優(yōu)選，即通過制定一個典型的能全面反映艦艇編隊信息系統(tǒng)功能的作戰(zhàn)想定，在其牽引下，通過建模工具快速構(gòu)建不同方案下的編隊作戰(zhàn)系統(tǒng)虛擬原型，并對不同仿真方案的運行結(jié)果進行分析比較，以此達到選優(yōu)的目的。在技術設計階段，通過提供陸試的配試環(huán)境，來驅(qū)動原型樣機進行接口、流程、功能和性能測試和驗證。每個階段又與體系結(jié)構(gòu)設計之間不斷的進行迭代驗證和優(yōu)化。

圖3 增量迭代式仿真驗證技術的流程圖

5 知識驅(qū)動的輔助設計技術

體系結(jié)構(gòu)在設計過程中，會大量地參考以前類似系統(tǒng)的設計成果、標準、專利以及現(xiàn)有技術的發(fā)展和使用情況等，但不管是DODAF還是MoDAF，或者改進的體系結(jié)構(gòu)設計方法和工具，并沒有將這些情報和經(jīng)驗知識與設計緊密結(jié)合，設計人員在設計過程中需要借助其它手段，通過不斷地切換獲得所需的情報和知識，降低了設計效率[13]。

因此，本文提出了在改進的體系結(jié)構(gòu)設計技術基礎上，通過集成知識驅(qū)動技術，實現(xiàn)設計過程中知識的有效管理和所需知識的主動推送，提高系統(tǒng)的智能化設計。

知識驅(qū)動技術主要在統(tǒng)一的知識表征方式下，以知識庫為核心，為設計人員提供模糊、精確、索引等多種知識檢索方式，依據(jù)設定的規(guī)則，按照設計人員的專業(yè)、所屬項目類型、用戶平時檢索的行為特征等屬性，運行知識挖掘技術，及時地將相關的信息推送給設計人員，使設計人員能快速獲得所需的知識，免除各種繁雜的搜索操作。尤其通過具備推理規(guī)則和學習功能的知識推理機可逐步實現(xiàn)系統(tǒng)設計的智能化。

對大型艦艇編隊信息系統(tǒng)設計過程中知識庫的形成，主要通過整理分析和提煉歸納以外設計中涉及的專利、國內(nèi)外情報資料、歷史資料、經(jīng)驗知識、設計模型、性能指標數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等知識，同時對未來設計中形成的設計方案、算法、模型、數(shù)據(jù)等沉淀為知識，進行統(tǒng)一管理，供后續(xù)研究工作或其它項目使用。

圖4 知識驅(qū)動技術的組成結(jié)構(gòu)圖

6 設計集成技術

設計集成技術是其它三個部分的紐帶，通過采用Java Web Start技術，將知識庫、設計工具、仿真驗證工具等進行集成。通過采用基于XML的模型集成技術和模型實時映射技術，實現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品和仿真模型的自動轉(zhuǎn)換和相互映射，從而使體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品能快速轉(zhuǎn)換成仿真驗證所需的概念原型，體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品或仿真模型的更改也能及時地被發(fā)現(xiàn)并通知相對應的部分。

7 結(jié)語

本文提出的知識驅(qū)動的增量迭代式頂層設計方法，解決信息系統(tǒng)設計模式和描述語言不規(guī)范、設計與驗證分離、知識分散、智能化程度不高等問題，為大型艦艇編隊信息系統(tǒng)的設計提供理論指導，也為大型艦艇編隊信息系統(tǒng)綜合集成設計平臺研制提供依據(jù)，從而提高信息系統(tǒng)的設計能力和效率，逐步實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化設計。

[1]沈長云.艦船系統(tǒng)工程的頂層設計[J].艦船科學技術，2011，33（6）：22－25.

[2]DoD Architecture Framework Working Group.DoD Architecture Framework Version 1.0.The United States：Department of Defense，2004.

[3]DoD Architecture Framework Working Group.DoD Architecture Framework Version 1.5.The United States：Department of Defense，2007.

[4]DoD Architecture Framework Working Group.DoD Architecture Framework Version 2.0.The United States：Department of Defense，2009.

[5]J.E.Coolahan.Modeling and Simulation at APL[J].Johns Hopkins APL Tech.Dig.，2003，24（1）：63－74.

[6]滕克難，王國田.俄海軍艦空導彈武器設計和試驗一體化仿真平臺[J].指揮控制與防治，2003，29（1）：115－117.

[7]馬穎亮，黃定東，王保乳.基于DoDAF的“宙斯盾”防空作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)[J].兵工自動化，2012，31（2）：9－19.

[8]徐斌.基于體系結(jié)構(gòu)方法的建模工具擴展研究[D].電子科技大學碩士論文，2010.

[9]李皓，倪忠德，李小軍，等.基于仿真的編隊作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)設計方法及環(huán)境研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2011，23（增刊1）：228－231.

[10]李皓，黃曉冬，李小軍，等.編隊作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)虛擬原型支撐平臺研究[J].海戰(zhàn)場電子信息技術學術論文集，2011：105－116.

[11]馮玖，白尚旺，黨偉超.基于SOA的物流信息系統(tǒng)架構(gòu)研究[J].計算機與數(shù)字工程 ，2009（1）.

[12]邢利華，劉式宋.炮兵精確打擊指揮信息系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估[J].計算機與數(shù)字工程 ，2010（1）.

[13]肖慧.知識輔助系統(tǒng)及其在工藝設計領域的應用研究[D].北京交通大學碩士學位論文，2007.