王芳 葉玲 彭彪

開發(fā)設(shè)計(jì)

基于MBSE的體系設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證平臺(tái)*

王芳 葉玲 彭彪

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇 南京 210014）

根據(jù)大型復(fù)雜信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，從系統(tǒng)組成、技術(shù)架構(gòu)、選型部署、實(shí)現(xiàn)方式等方面進(jìn)行分析，提出基于MBSE的體系設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證平臺(tái)。該平臺(tái)基于模型貫通了“需求分析-體系設(shè)計(jì)-仿真試驗(yàn)-評(píng)估分析”各階段，為大型復(fù)雜信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供高效支撐手段。

基于模型的系統(tǒng)工程；體系設(shè)計(jì)；仿真驗(yàn)證

0 引言

隨著信息系統(tǒng)的復(fù)雜性、規(guī)模、研制難度不斷增大，基于文檔開展信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程工作模式，逐漸暴露出理解不一致、成果難復(fù)用等問題?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程（model-based systems engineering, MBSE）是一種形式化的建模方法，利用數(shù)字化建模取代文檔編寫，可提升信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)的規(guī)范性和研發(fā)效率，是大型復(fù)雜信息系統(tǒng)研制模式發(fā)展的方向。

國外大型組織和企業(yè)，如NASA、ESA、雷神公司、波音公司等，將MBSE理論方法及相關(guān)工具應(yīng)用于大型裝備的立項(xiàng)論證、方案設(shè)計(jì)、運(yùn)用研究等環(huán)節(jié)，取得良好效果[1]。國內(nèi)對(duì)MBSE的研究和應(yīng)用正快速發(fā)展。在航天航空、船舶等領(lǐng)域大型裝備設(shè)計(jì)研制中，MBSE有效解決了各方描述語言不統(tǒng)一、理解認(rèn)識(shí)不一致、跨領(lǐng)域數(shù)據(jù)模型傳遞困難等問題，如運(yùn)用MBSE理念方法實(shí)現(xiàn)航天器創(chuàng)新研發(fā)、空空導(dǎo)彈系統(tǒng)架構(gòu)建模、直升機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)流程落地等[2-5]。在復(fù)雜信息系統(tǒng)領(lǐng)域，MBSE研究應(yīng)用還處于起步階段，尚未形成完整的全流程解決方案與產(chǎn)品。

本文面向大型復(fù)雜信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，提出基于MBSE的體系設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證平臺(tái)，并詳細(xì)分析平臺(tái)的組成、架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用流程，可支撐大型復(fù)雜信息系統(tǒng)體系分析設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)成果仿真評(píng)估。

1 MBSE

MBSE的概念由國際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)在2007年的《系統(tǒng)工程2020年愿景》中正式提出。它是一種建模方法的形式化、規(guī)范化應(yīng)用，用于支持系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)活動(dòng)。與傳統(tǒng)基于文檔的系統(tǒng)工程方法不同，MBSE方法強(qiáng)調(diào)模型在設(shè)計(jì)驗(yàn)證中的核心作用，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求分析到評(píng)估分析階段，傳遞模型包括要素、關(guān)系、活動(dòng)等信息。通過模型的不斷增加、驗(yàn)證和完善，實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)全過程。采用MBSE方法，可達(dá)到知識(shí)表達(dá)一致性、模型可重用性、設(shè)計(jì)驗(yàn)證一體化等目標(biāo)，解決了復(fù)雜系統(tǒng)帶來的問題和挑戰(zhàn)[6]。

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)組成

基于MBSE的體系設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證平臺(tái)由需求分析、體系設(shè)計(jì)、仿真試驗(yàn)、評(píng)估分析以及可視化等部分組成，如圖1所示。

圖1 基于MBSE的體系設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證平臺(tái)組成

2.2 平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

基于MBSE的體系設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)自下而上分別為資源層、服務(wù)層、應(yīng)用層，如圖2所示。

圖2 基于MBSE的體系設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

2.2.1 資源層

資源層為本平臺(tái)提供運(yùn)行所需的基礎(chǔ)環(huán)境和資源庫。平臺(tái)采用國產(chǎn)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫及辦公軟件，匯集存儲(chǔ)設(shè)計(jì)參考資源庫、仿真模型庫、知識(shí)庫等各類基礎(chǔ)資源。

2.2.2 服務(wù)層

服務(wù)層包括基礎(chǔ)服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)2部分?；A(chǔ)服務(wù)包含服務(wù)運(yùn)行支撐、數(shù)據(jù)訪問、分布式處理框架、網(wǎng)絡(luò)傳輸、日志管理等服務(wù)。其中，服務(wù)運(yùn)行支撐按需對(duì)各類服務(wù)進(jìn)行組織調(diào)度和運(yùn)維管理；數(shù)據(jù)訪問實(shí)現(xiàn)知識(shí)內(nèi)容等數(shù)據(jù)資源的使用；分布式處理框架為多個(gè)用戶并行處理提供支撐；網(wǎng)絡(luò)傳輸為平臺(tái)以及其他試驗(yàn)環(huán)境、物理系統(tǒng)、模擬器等提供網(wǎng)絡(luò)傳輸；日志管理為平臺(tái)提供日志記錄服務(wù)。

應(yīng)用服務(wù)包括通用應(yīng)用服務(wù)、需求分析應(yīng)用服務(wù)、體系設(shè)計(jì)應(yīng)用服務(wù)、仿真試驗(yàn)應(yīng)用服務(wù)、評(píng)估分析應(yīng)用服務(wù)。其中，通用應(yīng)用服務(wù)為上層各類應(yīng)用服務(wù)提供通用支撐?？梢暬?wù)提供GIS、體系結(jié)構(gòu)視圖、通用圖表等呈現(xiàn)手段，可對(duì)平臺(tái)分析設(shè)計(jì)過程、仿真試驗(yàn)過程以及評(píng)估分析結(jié)果進(jìn)行呈現(xiàn)；資源管理提供設(shè)計(jì)參考資源和模型的統(tǒng)一管理及維護(hù)能力，提供基于元數(shù)據(jù)的建模和管理能力，支撐復(fù)雜信息系統(tǒng)從需求分析、體系設(shè)計(jì)、仿真試驗(yàn)各階段建模和使用。需求分析、體系設(shè)計(jì)、仿真試驗(yàn)、評(píng)估分析等4類應(yīng)用服務(wù)，為應(yīng)用層不同的應(yīng)用場(chǎng)景提供服務(wù)支撐。

2.2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層基于服務(wù)層提供的各類基礎(chǔ)服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)，面向復(fù)雜信息系統(tǒng)論證、設(shè)計(jì)、評(píng)估等應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)行體系設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證活動(dòng)。

3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

3.1 軟硬件選型部署

基于MBSE的體系設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證平臺(tái)由7個(gè)前臺(tái)席位、4個(gè)后臺(tái)服務(wù)器以及網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備等構(gòu)成，如圖3所示。其中，前臺(tái)桌面計(jì)算機(jī)、后臺(tái)服務(wù)器、接入交換機(jī)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、辦公軟件等軟硬件選型如表1所示。

表1 平臺(tái)軟硬件選型表

桌面計(jì)算機(jī)按照功能設(shè)定分別部署需求分析、體系設(shè)計(jì)、仿真試驗(yàn)、評(píng)估分析、模擬器、實(shí)裝系統(tǒng)等工具軟件；服務(wù)器分別部署應(yīng)用服務(wù)、基礎(chǔ)服務(wù)、模型數(shù)據(jù)服務(wù)等。

圖3 基于MBSE的體系設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證平臺(tái)軟硬件部署

3.2 體系設(shè)計(jì)建模與驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)

根據(jù)元模型理論，體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及元元模型層、元模型層和模型層3個(gè)層次，以及元建模過程和基于元模型建模2個(gè)過程[7]，如圖4所示。

元元模型層是對(duì)實(shí)體及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)描述，為實(shí)體定義了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)范，為關(guān)系定義了表示風(fēng)格規(guī)范。復(fù)雜信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)高層抽象的可視化模型由實(shí)體集和關(guān)系集構(gòu)成。

元模型層是元元模型通過元建模過程對(duì)元元模型層的實(shí)體集和關(guān)系集中相關(guān)元素的實(shí)例化得到，對(duì)體系結(jié)構(gòu)各類模型元素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和表示風(fēng)格進(jìn)行定義。

圖4 核心實(shí)體之間的相互關(guān)系

模型層基于元模型建模得到，是面向用戶的各種體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)視圖模型。在模型層，本平臺(tái)借鑒美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架（department of defense architecture framework, DoDAF）2.0版[8-9]，對(duì)全視圖、能力視圖、作戰(zhàn)視圖、系統(tǒng)視圖等體系結(jié)構(gòu)視圖進(jìn)行選用、修改、新增，滿足大型復(fù)雜信息系統(tǒng)體系設(shè)計(jì)需要。

體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果通過語法信息、語義信息和語用信息表示。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在設(shè)計(jì)不規(guī)范、數(shù)據(jù)不一致、不能滿足實(shí)際需求等問題，就是語法層、語義層和語用層的設(shè)計(jì)問題。本平臺(tái)基于3層模型框架，從語法、語義、語用3個(gè)方面，對(duì)設(shè)計(jì)模型的數(shù)據(jù)、信息進(jìn)行分析檢查，驗(yàn)證模型設(shè)計(jì)是否完整、準(zhǔn)確。其中，語法層主要驗(yàn)證設(shè)計(jì)內(nèi)容是否完整、形式是否規(guī)范、描述是否準(zhǔn)確，如設(shè)計(jì)某攔截彈接收指揮中心指令實(shí)施攔截的活動(dòng)視圖時(shí)，檢查設(shè)計(jì)人員是否完整填寫“攔截活動(dòng)”所需的4個(gè)前提條件，若有遺漏或錯(cuò)誤則給出相關(guān)提示；語義層主要驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性，采用基于Petri網(wǎng)的流程合理性驗(yàn)證技術(shù)，將設(shè)計(jì)成果的信息流程、業(yè)務(wù)流程等相關(guān)模型轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行仿真的Petri網(wǎng)模型，驗(yàn)證是否存在流程沖突、思索、重復(fù)循環(huán)等情況；語用層主要驗(yàn)證設(shè)計(jì)對(duì)象的性能和效能是否滿足需求，如分析體系中各單元的負(fù)載性、信息傳輸能力等。

3.3 設(shè)計(jì)與仿真模型傳遞實(shí)現(xiàn)

體系設(shè)計(jì)模型與仿真模型之間的差異較大，因此體系設(shè)計(jì)與仿真試驗(yàn)之間的數(shù)據(jù)貫通、模型傳遞是平臺(tái)實(shí)現(xiàn)工具鉸鏈的難點(diǎn)。按照不同階段模型描述抽象要求的不同，需求分析、體系設(shè)計(jì)階段建立概念分析設(shè)計(jì)模型，成果是表征作戰(zhàn)能力、作戰(zhàn)活動(dòng)、系統(tǒng)組成等視圖模型；仿真試驗(yàn)階段建立數(shù)字仿真模型，形成各類艦艇、作戰(zhàn)飛機(jī)等實(shí)體裝備模型，傳感、通信、電子干擾等組件模型，以及機(jī)動(dòng)、規(guī)避、攔截等行為模型?！绑w系設(shè)計(jì)-仿真試驗(yàn)”模型框架如圖5所示。

模型驅(qū)動(dòng)工程（model driven engineering, MDE）是一種圍繞模型和建模技術(shù)的聚集或綜合，提倡在系統(tǒng)的整個(gè)開發(fā)過程中使用模型，基于UML標(biāo)準(zhǔn)框架，支持軟件設(shè)計(jì)模型可視化、存儲(chǔ)與交換[10]。MDE的重要實(shí)現(xiàn)手段之一就是模型轉(zhuǎn)換技術(shù)，將一個(gè)模型轉(zhuǎn)換為同一個(gè)系統(tǒng)的另一個(gè)模型，包括模型到模型（M2M）的轉(zhuǎn)換和模型到文本（M2T）的轉(zhuǎn)換2大類。

在“體系設(shè)計(jì)-仿真試驗(yàn)”的模型轉(zhuǎn)換過程中，本平臺(tái)采用基于SysML的建模統(tǒng)一框架，設(shè)定“概念-仿真-算法”3類元模型，借助XML和M2M方法，實(shí)現(xiàn)模型要素的傳遞和交互，支撐設(shè)計(jì)成果向仿真?zhèn)鬟f和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)追蹤。通過體系設(shè)計(jì)與仿真試驗(yàn)功能模塊之間基于模型和數(shù)據(jù)的鉸鏈，體系設(shè)計(jì)結(jié)果可仿真、驗(yàn)證、確認(rèn)，能夠?qū)Ⅱ?yàn)證從研發(fā)后前移到研發(fā)前，達(dá)到提前暴露論證設(shè)計(jì)階段問題的目的。

3.4 異構(gòu)資源分布式仿真實(shí)現(xiàn)

在復(fù)雜信息系統(tǒng)仿真驗(yàn)證環(huán)節(jié)，涉及實(shí)況仿真（L）、虛擬仿真（V）、構(gòu)造仿真（C）等不同類型的資源，這3類資源在軟件形態(tài)、運(yùn)行模式、技術(shù)體制、接口標(biāo)準(zhǔn)等方面均不相同。其中，“L”具備真實(shí)世界的系統(tǒng)或設(shè)備，人在環(huán)中的模擬仿真能力，提供逼真的業(yè)務(wù)處理能力；“V”具備虛擬裝備，人在環(huán)中的模擬仿真能力，以數(shù)字化模擬器形式提供典型裝備模型；“C”具備虛擬裝備，人不在環(huán)中的模擬仿真能力，提供算法級(jí)的傳感器、作戰(zhàn)平臺(tái)、干擾機(jī)等模型。

為支撐L、V、C 這3類異構(gòu)資源的集成運(yùn)用，構(gòu)建分布式仿真運(yùn)行支撐平臺(tái)，如圖6所示。

圖5 “體系設(shè)計(jì)-仿真試驗(yàn)”模型框架

圖6 面向LVC集成的仿真運(yùn)行支撐平臺(tái)

面向LVC集成的仿真運(yùn)行支撐平臺(tái)提供分布式仿真集成服務(wù)，包括接入服務(wù)、訂閱服務(wù)、分發(fā)服務(wù)、成員管理、時(shí)鐘服務(wù)、傳輸服務(wù)等，為異構(gòu)仿真資源的集成提供公共支撐[11]?；诜植际椒抡孢\(yùn)行支撐平臺(tái)，能夠開展“分布式虛擬仿真”和“構(gòu)造式仿真”及其混合應(yīng)用，具備“人在環(huán)中”、“超實(shí)時(shí)”等典型仿真模式；能夠提供體系級(jí)仿真推演所需的大規(guī)模、高復(fù)雜度的作戰(zhàn)場(chǎng)景模擬功能。

4　平臺(tái)應(yīng)用

以某大型復(fù)雜信息系統(tǒng)論證設(shè)計(jì)方案為例，介紹基于MBSE的體系設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證平臺(tái)的具體應(yīng)用過程。某大型復(fù)雜信息系統(tǒng)作為整個(gè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的核心節(jié)點(diǎn)，對(duì)整體效能的發(fā)揮起關(guān)鍵作用。為確保該系統(tǒng)論證設(shè)計(jì)的合理性和有效性，指導(dǎo)后續(xù)研制開發(fā)，需要在設(shè)計(jì)階段提前對(duì)成果進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)估，主要應(yīng)用過程如圖7所示。

圖7 體系設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證平臺(tái)應(yīng)用過程

用戶通過統(tǒng)一門戶登錄平臺(tái)，選擇需求分析工具頁面進(jìn)行體系需求分析。概念可視化工具支持在三維數(shù)字空間設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，對(duì)各裝備的運(yùn)行軌跡和活動(dòng)順序進(jìn)行編排運(yùn)行，便于用戶確認(rèn)業(yè)務(wù)場(chǎng)景概念。相關(guān)的場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)及相互關(guān)系數(shù)據(jù)導(dǎo)入需求分析視圖建模工具，生成節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系視圖模型。業(yè)務(wù)活動(dòng)過程數(shù)據(jù)導(dǎo)入生成業(yè)務(wù)活動(dòng)視圖模型，進(jìn)一步構(gòu)建信息交互關(guān)系等視圖模型，完成需求分析過程。

基于需求分析視圖模型，采用體系設(shè)計(jì)工具分析得到體系能力組成，并開展系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)、裝備架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)、服務(wù)架構(gòu)等視圖模型構(gòu)建；再對(duì)體系設(shè)計(jì)模型進(jìn)行模型完備性、對(duì)象完備性、流程完備性、實(shí)例一致性、關(guān)聯(lián)一致性等驗(yàn)證；根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果調(diào)整優(yōu)化體系設(shè)計(jì)模型。

需求分析和體系設(shè)計(jì)的相關(guān)視圖模型，能夠傳遞給仿真試驗(yàn)工具，作為仿真想定設(shè)計(jì)的基本輸入和仿真推演的初始態(tài)勢(shì)信息。根據(jù)仿真想定構(gòu)建所需的仿真模型，集成其他物理系統(tǒng)和模擬器，按照仿真目的進(jìn)行試驗(yàn)方法設(shè)定和試驗(yàn)因子設(shè)計(jì)，構(gòu)建試驗(yàn)樣本庫，進(jìn)行多輪次仿真試驗(yàn)，得到仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

評(píng)估分析工具支持用戶設(shè)置評(píng)估流程、構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)，選擇或編輯評(píng)估計(jì)算方法，依據(jù)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)、其他實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、人工輸入數(shù)據(jù)等進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，并圖形化展示被評(píng)系統(tǒng)在體系中作用和能力的評(píng)估結(jié)果，輔助用戶優(yōu)化論證設(shè)計(jì)方案。

5 結(jié)論

面向大型復(fù)雜信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，本文提出基于MBSE的體系設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證平臺(tái)，分析了平臺(tái)組成、技術(shù)架構(gòu)、選型部署及具體實(shí)現(xiàn)，并給出了典型應(yīng)用過程。本平臺(tái)對(duì)提高大型復(fù)雜信息系統(tǒng)的論證、設(shè)計(jì)及驗(yàn)證水平，能夠發(fā)揮重要作用。

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Architectural Design and Simulation Verification Platform Based on MBSE

WANG Fang YE Ling PENG Biao

(The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing 210014, China)

Aiming at the requirements for designing and developing the large complex information system, a integrated architectural design and simulation verification platform is proposed. The components, technology architecture, selection and deployment, application scenarios of this platform were researched. This platform connects the stages of "Requirements Analysis - Architectural Design - Simulation and Verification - Analysis and Evaluation" based on model, and offers efficient supporting means for designing and developing the large complex information system.

MBSE; architectural design; simulation and verification

TP391.9

A

1674-2605(2022)05-0005-07

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.05.005

中國電科發(fā)展資金項(xiàng)目（XC2019ZN005）

王芳,葉玲,彭彪.基于MBSE的體系設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證平臺(tái)[J].自動(dòng)化與信息工程,2022,43(5):23-29.

WANG Fang, YE Ling, PENG Biao. Architectural design and simulation verification platform based on MBSE[J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(5):23-29.

王芳，女，1983年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：聯(lián)合作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)體系驗(yàn)證評(píng)估。E-mail: 13813968805@163.com

葉玲，女，1986年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：聯(lián)合作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)體系驗(yàn)證評(píng)估。

彭彪，男，1990年生，博士，工程師，主要研究方向：聯(lián)合作戰(zhàn)裝備體系仿真驗(yàn)證。