黃玉錢，胡保坤，刁灣灣，夏征華

(杭州師范大學信息科學與技術(shù)學院，浙江 杭州 311121)

0 引言

技術(shù)進步使當今世界的作戰(zhàn)場景變化多端，為國家強大而研發(fā)新型作戰(zhàn)系統(tǒng)的任務(wù)日益復雜和困難.作戰(zhàn)系統(tǒng)包括戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)、訓練和資源(如工具，供應和設(shè)施)[1]等方面.設(shè)計開發(fā)這類新型作戰(zhàn)系統(tǒng)通常包括5個步驟:概念設(shè)計、設(shè)計驗證、原型制作、評估和測試.完成和實現(xiàn)這些步驟需要花費大量的時間和金錢，因為在每個步驟中都使用獨自的方法和技術(shù).擁有強大國防力量的國家在概念設(shè)計階段就開始使用建模和仿真技術(shù)[2-3]以減少作戰(zhàn)系統(tǒng)開發(fā)的時間和成本.建模和仿真技術(shù)的另一個優(yōu)點是：可以通過考慮各種作戰(zhàn)要素，回顧作戰(zhàn)過程中實時變化的數(shù)據(jù)，為武器的設(shè)計和研發(fā)帶來便利性和高效性.為此還需要一個能夠獲取作戰(zhàn)過程實時數(shù)據(jù)的方法，以減少因數(shù)據(jù)變化而導致的反復實驗.

基于模型的系統(tǒng)工程(Model Based System Engineering，MBSE)[4-6]是一種使用模型表達設(shè)計的系統(tǒng)工程方法.為了對MBSE進行更好的支持,對象管理組織 (Object Management Group, OMG)和國際系統(tǒng)工程學會 (International Council of Systems Engineering, INCOSE)聯(lián)合開發(fā)了系統(tǒng)建模語言SysML[7-8].SysML是領(lǐng)域無關(guān)的建模語言，可以通過SysML的可擴展性[9]對其進行擴展，以形成領(lǐng)域相關(guān)建模語言(Domain-specific Modeling Language，DSML).

目前基于模型的系統(tǒng)工程概念已被工業(yè)界廣泛研究,并于航天、航空、作戰(zhàn)、動車等領(lǐng)域得到一定應用[10-12].彭斯明[3]等研究人員提出了將系統(tǒng)建模語言(SysML)用于作戰(zhàn)概念的可視化和規(guī)范化描述的方法，并分析了將國防部體系結(jié)構(gòu)框架(Department of Defense Architecture Framework,DoDAF)和SysML相結(jié)合用于作戰(zhàn)概念描述的思想，采用多視圖產(chǎn)品的形式對作戰(zhàn)概念的作戰(zhàn)背景、能力需求、體系構(gòu)成和作戰(zhàn)活動等多個方面進行規(guī)范化描述，最后通過“分布式殺傷”作戰(zhàn)概念作為實例，論證了其所提方法的有效性和可行性.謝文才[13]等研究人員針對當前體系結(jié)構(gòu)的建模方法不是基于統(tǒng)一的元模型規(guī)范，提出了基于元模型的軍事信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)建模方法，能夠?qū)崿F(xiàn)不同體系結(jié)構(gòu)框架方法論及體系結(jié)構(gòu)工具下所開發(fā)體系結(jié)構(gòu)的可理解、可比較、可交換等優(yōu)點，促進了體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的共享和重用.蘇瑾[14]等研究人員探索了車輛顯控系統(tǒng)智能構(gòu)建方案中基于元模型的需求建模方法，通過擴展標準系統(tǒng)建模語言定義顯控領(lǐng)域的專用語言，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造包含需求域元任務(wù)的可重用模型庫，使系統(tǒng)能夠依照戰(zhàn)場任務(wù)目標自動確定顯控信息內(nèi)容和提供布局方案.該模型的優(yōu)點是使用了元模型建模，使開發(fā)過程更加高效率、規(guī)范化，并且可以支持后續(xù)的任務(wù)功能分解和顯控界面布局.但缺點是當戰(zhàn)場上的任務(wù)目標變化時，需要重新修改模型中的數(shù)據(jù)再次實驗，實驗過程繁瑣，造成一定的局限性.

綜上所述，在作戰(zhàn)領(lǐng)域中基于MBSE方法和任務(wù)建模方面已有較多相關(guān)研究.但在數(shù)據(jù)交互上仍存在一定的局限性，為解決該問題，本文以作戰(zhàn)場景監(jiān)測為研究對象，提出基于SysML的作戰(zhàn)場景監(jiān)測仿真的統(tǒng)一流程框架，研究基于元模型的構(gòu)建方法，并且在仿真模型的基礎(chǔ)上，探索了模型與外部平臺之間的數(shù)據(jù)交互方式，實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)動態(tài)變化功能.

1 總體流程

本文擬定將作戰(zhàn)場景監(jiān)測仿真系統(tǒng)應用于海上軍事系統(tǒng)中.假設(shè)該系統(tǒng)包括：監(jiān)測系統(tǒng)、中央指控系統(tǒng)、作戰(zhàn)系統(tǒng)、武器系統(tǒng).本文假設(shè)系統(tǒng)之間的交互如下：監(jiān)測系統(tǒng)能夠監(jiān)聽到其他客戶端發(fā)出的數(shù)據(jù)信號，捕獲該數(shù)據(jù)信號并且發(fā)送數(shù)據(jù)信息給中央指控系統(tǒng).中央指控系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)發(fā)送給作戰(zhàn)系統(tǒng).作戰(zhàn)系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)并分析各個數(shù)據(jù)，根據(jù)結(jié)果發(fā)送信號給武器系統(tǒng).收到信號的武器系統(tǒng)做出進一步操作.總體流程如圖1所示.

圖1 作戰(zhàn)場景監(jiān)測仿真設(shè)計流程Fig.1 Combat scene monitoring simulation design process

針對本文的研究內(nèi)容和領(lǐng)域，可以進一步細分為以下步驟：

1)需求表達，采用基于模型的需求圖和約束組件，表達作戰(zhàn)場景的功能領(lǐng)域相關(guān)需求；

2)系統(tǒng)上下文關(guān)系表達，采用基于模型的模塊定義圖，表達系統(tǒng)上下文之間關(guān)系；

3)設(shè)計領(lǐng)域元模型，采用基于模型的構(gòu)造型組件《stereotype》，設(shè)計一套作戰(zhàn)場景領(lǐng)域元模型；

4)信息流表達，采用基于模型的內(nèi)部模塊圖，表達作戰(zhàn)場景功能之間的信息流內(nèi)容；

5)接口表達，采用基于端口的組件，表達作戰(zhàn)場景的對外接口以及接口之間的連接；

6)數(shù)據(jù)監(jiān)聽，采用JAVA代碼對軟件進行二次開發(fā)，基于通訊協(xié)議，獲取外部界面?zhèn)鬟f來的相關(guān)數(shù)據(jù)；

7)數(shù)據(jù)賦值，采用JAVA代碼對軟件添加數(shù)據(jù)接收功能，基于SysML語言底層代碼邏輯，將外部數(shù)據(jù)傳到模型系統(tǒng)中；針對以上內(nèi)容，提出了總體設(shè)計方案，如圖2所示.本文采用JAVA語言中的Socket通訊框架實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，為了提高通訊的性能以及考慮到代碼與建模軟件的適配性，選擇異步與非阻塞方式(AIO)進行數(shù)據(jù)的捕獲與發(fā)送.

基于SysML模型的作戰(zhàn)場景建模與仿真，通過對元模型的擴展進行模型搭建.詳細方案如圖3所示，步驟如下：

首先，深入學習、總結(jié)專家的作戰(zhàn)領(lǐng)域知識，定義作戰(zhàn)場景的功能模型集合和組件庫，將領(lǐng)域知識充分應用在仿真模型中.

其次，在建模語言SysML(System modeling language)原本的元模型基礎(chǔ)上，充分利用它的擴展機制，根據(jù)仿真的需求擴展領(lǐng)域元模型并且遵守元模型搭建原則(MOF)，包括在活動(Activity)的基礎(chǔ)上擴展功能類型、在類(Class)的基礎(chǔ)上擴展組件元模型、在端口(Port)的基礎(chǔ)上擴展適合表達作戰(zhàn)場景監(jiān)測領(lǐng)域的新端口類型.本文以在活動(Activity)的基礎(chǔ)上擴展功能元模型為例.

最后，基于擴展的元模型，搭建作戰(zhàn)場景監(jiān)測仿真模型.并且在模型基礎(chǔ)上，擴展其數(shù)據(jù)交互功能.

圖2 作戰(zhàn)場景監(jiān)測仿真總體設(shè)計方案Fig.2 Combat scene monitoring simulation overall design scheme

圖3 模型驅(qū)動作戰(zhàn)場景設(shè)計技術(shù)方案Fig.3 Model driven combat scene design technical scheme

2 基于SysML的武器作戰(zhàn)場景元模型

元模型是模型系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)，領(lǐng)域元模型是在基于領(lǐng)域知識的基礎(chǔ)上建立的，它描述了領(lǐng)域相關(guān)的模型內(nèi)容以及它們之間的關(guān)系，并規(guī)范這些模型元素的使用方法.

2.1 元模型構(gòu)造方法

元對象機制Meta-Object Facility(簡稱MOF)，它起源于統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language，UML).MOF是模型驅(qū)動架構(gòu)(Module Driven Architecture, MDA)4個標準之一，它共包含4個模型層次：元元模型層、元模型層、模型層、對象層.

元元模型層：元元模型層位于頂部，它是MOF建立元模型的基礎(chǔ)，是為了描述元模型而定義的一種“抽象語言”.一個元元模型可以定義多個元模型，在本文中可以將元元模型理解為SysML語言.

元模型層：元模型層由元元數(shù)據(jù)組成，元數(shù)據(jù)的組件和語義由元元數(shù)據(jù)定義，元模型是元元數(shù)據(jù)的集合.在本文中可以將元模型理解為構(gòu)造的領(lǐng)域模型庫，用于搭建領(lǐng)域內(nèi)一類產(chǎn)品的模板.

模型層：模型層包含各種模型，元模型層的實例就是它們的結(jié)構(gòu).模型層是為了描述模型層而定義的抽象語言，一個模型即是元模型的一個實例.在本文中可理解為領(lǐng)域內(nèi)一類產(chǎn)品的模板.

對象層：對象是由我們希望描述的數(shù)據(jù)組成，這些數(shù)據(jù)可以是特定領(lǐng)域中數(shù)據(jù)，主要職責是描述領(lǐng)域中的詳細信息.在本文中可以理解為領(lǐng)域內(nèi)一個具體型號的產(chǎn)品.

2.2 SysML擴展

SysML是一種領(lǐng)域無關(guān)的建模語言，為了使模型能夠更加貼切地表達作戰(zhàn)場景領(lǐng)域的相關(guān)需求和功能，需要基于SysML進行擴展以構(gòu)建領(lǐng)域相關(guān)建模語言.構(gòu)建生成的領(lǐng)域元模型庫需要能夠為同一型號模型復用，以減少設(shè)計階段的工作量.目前，SysML的擴展方法主要有兩種：

1)輕量級擴展方法：主要是在SysML語言所提供的模型元素基礎(chǔ)上，創(chuàng)建一些包含領(lǐng)域相關(guān)語義模型元素的構(gòu)造類型(Stereotype)，通過創(chuàng)建的構(gòu)造類型定義相關(guān)領(lǐng)域模型.

2)重量級擴展方法：將SysML語言的元模型根據(jù)自身的需求進行修改，創(chuàng)造符合特定領(lǐng)域的全新模型元素.

輕量級擴展方法具有效率高、靈活性強等特點.但是輕量級方法是在SysML語言元素基礎(chǔ)上通過繼承的方式進行擴展，其局限性比較大，可擴展范圍小.重量級擴展方法需要了解SysML元模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而對其進行相應的修改，其擴展空間比輕量級擴展方法大，但是工作量大，效率低.兩者各有其優(yōu)缺點，本文依據(jù)作戰(zhàn)場景領(lǐng)域的擴展內(nèi)容和需求，選擇SysML輕量級擴展方法進行研究.

2.3 作戰(zhàn)場景領(lǐng)域元模型

基于上述元模型的生成原理以及SysML元模型輕量級擴展方法，設(shè)計出圖4所示的功能元模型以及對應的功能類型和流類型.

功能是系統(tǒng)的核心，功能表示系統(tǒng)應該實現(xiàn)某種預期的行為，與功能最貼切的SysML模型元素是Activity.故而此處選擇SysML中的Activity作為它的基類.

1)function表示的是作戰(zhàn)場景中的系統(tǒng)功能，它的類型是functionType.其中最為關(guān)鍵的功能是信號傳遞、數(shù)據(jù)捕獲.

·信號傳遞：一個組件從等候的狀態(tài)進入執(zhí)行狀態(tài)，需要依靠信號進行數(shù)據(jù)或者消息傳輸，因此信號傳遞的功能在仿真系統(tǒng)中是必不可少的.例如本文的研究內(nèi)容，在中央指控系統(tǒng)中發(fā)送“數(shù)據(jù)信號”給作戰(zhàn)系統(tǒng).

·數(shù)據(jù)捕獲：在本次研究中，外部數(shù)據(jù)捕獲起著重要作用，只有它的成功執(zhí)行才能真正實現(xiàn)仿真系統(tǒng)與外部平臺軟件之間的交互，將外部數(shù)據(jù)傳入到模型系統(tǒng)中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時變化，將仿真系統(tǒng)由單一模型向多元交互的方向發(fā)展.

(2)inputFlow表示的是輸入流，從輸入數(shù)據(jù)到輸出數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是一個產(chǎn)品在系統(tǒng)設(shè)計層主要強調(diào)的.因此，關(guān)鍵的一個任務(wù)是指定功能的輸入流，其類型為flowType.例如作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)送“X-x防空導彈發(fā)射”給武器系統(tǒng)，這里的“X-x防空導彈發(fā)射”就是作為輸入流輸入到武器系統(tǒng)中.

(3)outputFlow表示的是輸出流，它和inputFlow類似，用于指定復雜產(chǎn)品在系統(tǒng)設(shè)計層面表示的輸出元素，通常以流的形式呈現(xiàn).輸出流的類型也是flowType.

SysML提供的<>組件，具有枚舉的功能.如圖4所示，“functionType”中列舉了作戰(zhàn)場景領(lǐng)域的主要功能：信號傳遞、數(shù)據(jù)捕獲、導彈數(shù)量查詢、外部數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)格式修改等.

同樣的，通過<>自定義了“flowType”，它主要是用來表示inputFlow和outputFlow的構(gòu)造類型.如圖4所示，使用“flowType”表示“inputFlow”和“outputFlow”的類型.

圖4 基于SysML構(gòu)造類型定義的功能元模型、功能類型和流類型Fig.4 Construct the functional metamodel, functional types, and flow types of type definitions based on SysML

圖5 功能元模型Fig.5 Functional metamodel

表1 數(shù)據(jù)流參數(shù)Tab.1 Data flow parameter

具體的功能元模型如圖5所示，“復雜功能”和“元功能”構(gòu)造類型是由“功能”構(gòu)造類型繼承而來.“元功能”再進一步可以細分為驅(qū)動、數(shù)據(jù)傳遞、制動、輸入、輸出、支撐、輔助功能等元功能，其中輔助功能也可再進一步細分為信號監(jiān)測、異端傳輸、信號傳遞、數(shù)據(jù)捕獲等元功能.

模型中的流，則是繼承了來自SysML中的Parameter構(gòu)造類型.對于流又可以進一步分為輸入流、輸出流和信號流.本文中對于流中的數(shù)據(jù)字段，設(shè)定了一個名為Block的類，該類中包含isEnable、missileCount、isReady和isCaptureTargeted 4個參數(shù).參數(shù)描述和類型如表1所示.

3 武器作戰(zhàn)場景系統(tǒng)建模

元功能是模型系統(tǒng)中較為重要的一部分，它是系統(tǒng)中各個功能的基石.因此元功能設(shè)計在整個過程中是十分重要的環(huán)節(jié)，元功能的設(shè)計需要依據(jù)以下原則：

1)元功能應盡量達到各資源實體的要求.每個元功能是由具體的資源實體來承擔的，因此元功能不能超過各資源實體的能力范圍，否則不能被有效執(zhí)行，即分解失效.

2)元功能需要明確且獨立.首先元功能作為資源實體執(zhí)行的不可再分的功能單元，必須要明確目標，才能匹配對應的資源實體.其次元功能必須獨立，以減少功能之間的耦合度.

基于上述元功能設(shè)計原則，構(gòu)建作戰(zhàn)場景監(jiān)測的元功能模型.首先創(chuàng)建Activity組件，對于復雜的任務(wù)需要將其分解為多個子任務(wù).其次根據(jù)每個Activity所擔任的功能將其命名為所要創(chuàng)建的元功能名稱.

圖6展示了功能分解關(guān)系.在模型中條件校驗功能可以被認為是父任務(wù)，信號接收、發(fā)射環(huán)境校驗、發(fā)送信號、導彈發(fā)射狀態(tài)校驗、導彈數(shù)量校驗、捕獲目標校驗、數(shù)據(jù)捕獲則被認為是子任務(wù).

圖6 條件校驗功能詳細信息及其關(guān)系Fig.6 Conditional verification function details and relationships

4 作戰(zhàn)場景監(jiān)測仿真系統(tǒng)及驗證

4.1 定制化作戰(zhàn)場景監(jiān)測原型系統(tǒng)

為了推進模型的多樣化發(fā)展，本文在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上研究了模型與外部平臺之間的數(shù)據(jù)交互功能.基于Cameo Systems Modeler軟件，研發(fā)了“SIM”插件，使該插件能夠兼容Cameo Systems Modeler軟件并且實現(xiàn)模型與外部平臺之間的數(shù)據(jù)交互.

4.2 定制化作戰(zhàn)場景監(jiān)測系統(tǒng)流程

圖7 定制化作戰(zhàn)場景監(jiān)測流程及原理Fig.7 Customized battle scene monitoring process and principle

本文通過Java代碼模擬外部平臺的數(shù)據(jù)發(fā)送，定制化作戰(zhàn)場景監(jiān)測流程及原理如圖7所示.具體步驟如下：

1)在java代碼中編寫異步且非阻塞(Asynchronous IO)的Socket通信代碼，并且監(jiān)聽指定IP地址和端口號；

2)在軟件中通過插件的方式導入開發(fā)功能，并且開啟數(shù)據(jù)監(jiān)聽；

3)在外部平臺中發(fā)送missileCount、isReady、isEnabled、isCaptureTargeted等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的發(fā)送同樣是基于Socket通信的基本原理，并且采用異步非阻塞的方式進行；

4)監(jiān)測系統(tǒng)捕獲到所有數(shù)據(jù)，通過中央指控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的處理.

4.3 系統(tǒng)驗證

為驗證上述方法的有效性，本文建立了如下遐想任務(wù)：在某一作戰(zhàn)場景中，雷達系統(tǒng)監(jiān)測到前方存在非法入侵，數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至指定IP及端口，具體內(nèi)容為如下：前方30 n mile發(fā)現(xiàn)非法入侵船只，正在向西南方向以30 Knot的速度行駛.我方導彈狀況數(shù)據(jù)：’missileCount’:15，’isEnabled’：true，’isReady’：true，’isCaptureTargeted’：true.

首先在模型中通過開啟監(jiān)聽任務(wù)，之后將對應數(shù)據(jù)賦值到模型指定位置中，替換舊的數(shù)據(jù)同時開啟仿真.以上文的“條件校驗功能”為例，由上文可知，條件校驗功能可視為父任務(wù)，其還可以具體細分為發(fā)射環(huán)境校驗、狀態(tài)校驗、導彈數(shù)量校驗、捕獲目標校驗等子功能.如圖8所示，該圖為模型中的狀態(tài)圖，在通過初始化檢查后，可分別對數(shù)據(jù)信號中的missileCount、isReady、isEnabled、isCaptureTargeted參數(shù)進行校驗.

圖8 條件校驗狀態(tài)圖Fig.8 Conditional check status diagram

圖9 發(fā)射環(huán)境校驗活動圖Fig.9 Launch environment verification activity diagram

圖9為發(fā)射環(huán)境校驗的具體內(nèi)容，在校驗過程中，采用readSelf組件獲取信號，使用readStructuralFeature組件讀取信號中的對應參數(shù)(注意此時該參數(shù)已經(jīng)替換為最新數(shù)據(jù)).當isEnabled參數(shù)的值為false時，則通過OpaqueAction組件在控制臺輸出“當前環(huán)境不符合發(fā)射條件”，并且退出整個系統(tǒng).反之在控制臺輸出“當前環(huán)境符合發(fā)射條件”，之后進入下一個參數(shù)校驗.

圖10 發(fā)送信號活動圖Fig.10 Send signal activity diagram

當所有的參數(shù)都校驗成功后，進入“發(fā)送信號”狀態(tài)中，圖10為發(fā)射信號狀態(tài)下的具體內(nèi)容，在該部分，通過StartObjectBehavior啟動“導彈系統(tǒng)”(在此之前導彈系統(tǒng)是處于等待狀態(tài))，然后在參數(shù)中添加一個名為“l(fā)aunch”的參數(shù)并通過addStructuralFeatureValue組件給該參數(shù)賦值為true.最后通過“sent_signal”發(fā)送信號到導彈系統(tǒng)中，其中“send_signal”中編寫的代碼為“ALH.sentSignal(sig，o)”，最終再由導彈系統(tǒng)完成發(fā)射指令操作.

本次實驗，以“條件校驗功能”行為為例，在模型中開啟數(shù)據(jù)監(jiān)聽，系統(tǒng)能夠成功收到其他客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)解析后順利地將數(shù)據(jù)賦值到模型對應的組件中，使模型在仿真的過程能夠讀取到最新的數(shù)據(jù).該實驗驗證了外部平臺與模型之間數(shù)據(jù)交互的可行性.當系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量十分龐大時，就能體現(xiàn)出該方法的優(yōu)越性，能夠極大地減少勞動時間和勞動量，并且降低手動修改模型的次數(shù)，在一定程度上為模型仿真提升了效率.

5 結(jié)論

以MBSE思想為基礎(chǔ)，以基于SysML模型的作戰(zhàn)場景監(jiān)測仿真為研究對象，研究了作戰(zhàn)場景監(jiān)測仿真構(gòu)建方案中基于元模型的建模方法，擴展了標準的SysML語言，通過創(chuàng)建構(gòu)造類型的方式，建立系統(tǒng)功能的領(lǐng)域元模型，基于領(lǐng)域元模型搭建作戰(zhàn)場景監(jiān)測仿真模型.并且實現(xiàn)了將模型中的數(shù)據(jù)與外部數(shù)據(jù)進行交互的功能.在數(shù)據(jù)交互方面，將單一化的模型向多元化的方向發(fā)展.

在未來的研究中，將繼續(xù)探索和實踐模型多元化方法.擬在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，一是提升軟件自動化建模能力，減少建模花費的人力物力及時間，提高建模效率.二是進一步提升數(shù)據(jù)交互的多樣性，研究將模型的數(shù)據(jù)實時傳遞到外部客戶端的方法.形成多平臺模型關(guān)聯(lián)的智能建模方案，為完成作戰(zhàn)任務(wù)建模提供先進的技術(shù)手段.