C4ISR系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)

伍江華，張仁茹

(中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

C4ISR系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)

伍江華，張仁茹

(中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

闡述了體系結(jié)構(gòu)在C4ISR系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制和建設(shè)過程中的作用，分析了美軍C4ISR系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框架的演化過程，以及C4ISR系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)，探討了關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑與需要解決的問題。最后，總結(jié)了體系結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)。

C4ISR系統(tǒng);體系結(jié)構(gòu);框架;關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，作戰(zhàn)模式正從傳統(tǒng)“平臺(tái)中心戰(zhàn)”向“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”轉(zhuǎn)變，以C4ISR系統(tǒng)為核心的信息化建設(shè)，是獲取信息優(yōu)勢(shì)與決策優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。

C4ISR系統(tǒng)也稱之為綜合電子信息系統(tǒng)，是涉及到指揮控制、情報(bào)偵察、預(yù)警探測(cè)、通信導(dǎo)航、電子對(duì)抗、綜合保障以及作戰(zhàn)人員等多要素的復(fù)雜軍事信息系統(tǒng)。由于系統(tǒng)組成復(fù)雜、設(shè)備異構(gòu)、分布廣域、系統(tǒng)間信息交互頻繁等特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、互操作性、協(xié)同性、可靠性等提出了更高的要求，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

在C4ISR系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中，體系結(jié)構(gòu)起著重要作用，它是保障系統(tǒng)之間可集成和可互操作的關(guān)鍵，也是系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)與開發(fā)的有效方法和指導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行演化的有效途徑。體系結(jié)構(gòu)技術(shù)和方法已經(jīng)成為美軍作戰(zhàn)概念研究、體系構(gòu)建、系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、能力評(píng)估、采辦決策等重要手段，它有力支持了軍隊(duì)轉(zhuǎn)型和信息化裝備體系的建設(shè)。

1 C4ISR體系結(jié)構(gòu)框架演化歷程

從20世紀(jì)90年代以來，美軍體系結(jié)構(gòu)發(fā)展經(jīng)歷了準(zhǔn)備、開發(fā)和轉(zhuǎn)型3個(gè)階段，已形成了完整的體系結(jié)構(gòu)框架及產(chǎn)品，相繼發(fā)布了體系結(jié)構(gòu)發(fā)展框架與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，如圖1所示。

1)準(zhǔn)備階段(1995年前)

以《信息技術(shù)體系結(jié)構(gòu)框架參考模型》和《聯(lián)合技術(shù)體系結(jié)構(gòu)》為基礎(chǔ)，主要是從軟件角度描述系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

2)開發(fā)階段(1996年～2002年)

1997年12月18日，頒布《C4ISR框架2.0》，并規(guī)定將其應(yīng)用所有C4ISR體系結(jié)構(gòu)的描述，即采用作戰(zhàn)視圖、系統(tǒng)視圖和技術(shù)視圖三視圖結(jié)構(gòu)26個(gè)產(chǎn)品(7個(gè)基本產(chǎn)品和19個(gè)支持產(chǎn)品)來描述體系結(jié)構(gòu)(見圖2)。

圖1 美軍體系結(jié)構(gòu)演化過程Fig.1 An evolving process of USA C4ISR architecture

圖2 C4SIRAF視圖的關(guān)系Fig.2 The view relationship of C4SIRAF

3)轉(zhuǎn)型階段

美軍隨著作戰(zhàn)理念的變化，尤其是網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)理論的出現(xiàn)，體系結(jié)構(gòu)框架從 DoDAF1.0向過渡性DoDAF1.5到DoDAF2.0變化。

2003年8月，頒布了DoDAF 1.0版本，調(diào)整了C4ISRAF 2.0版的結(jié)構(gòu)，提供了產(chǎn)品描述和補(bǔ)充信息，并從C4ISR領(lǐng)域拓展到所有聯(lián)合能力域，重視體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，強(qiáng)調(diào)利用體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)元素構(gòu)成體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。

2007年4月，頒布過渡性的DODAF V1.5，開始將焦點(diǎn)從“產(chǎn)品為中心”向“數(shù)據(jù)為中心”轉(zhuǎn)變。首次提出框架由數(shù)據(jù)層和表示層2層結(jié)構(gòu)組成，以加強(qiáng)體系結(jié)構(gòu)內(nèi)部數(shù)據(jù)元素的一致性;引入服務(wù)和面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)的思想，提供了如何在體系結(jié)構(gòu)中反映網(wǎng)絡(luò)中心概念等規(guī)范。

2009年9月，頒布了DoDAF2.0，從三大體系結(jié)構(gòu)視圖擴(kuò)展為八大體系結(jié)構(gòu)視圖，如圖3所示。它支持國(guó)防部網(wǎng)絡(luò)中心數(shù)據(jù)策略和網(wǎng)絡(luò)中心服務(wù)戰(zhàn)略，提供了促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)中心環(huán)境的構(gòu)建和維護(hù)的解決方案。

圖3 DoDAF 2.0體系結(jié)構(gòu)視點(diǎn)Fig.3 Architecture viewpoints in DoDAF V2.0

2 C4ISR體系結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 C4ISR體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā)方法

目前，體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā)方法主要包括結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)與開發(fā)方法、面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)與開發(fā)方法、基于活動(dòng)的方法等3種。

1)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)與開發(fā)方法

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)與開發(fā)方法主要包括3個(gè)階段(圖4):分析階段，利用作戰(zhàn)概念驅(qū)動(dòng)開發(fā)過程，并用技術(shù)體系結(jié)構(gòu)視圖進(jìn)行指導(dǎo)，得出用戶所關(guān)心功能視圖和物理視圖的靜態(tài)表示方法;合成階段，通過對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)體系結(jié)構(gòu)和對(duì)體系結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)描述獲取體系結(jié)構(gòu)的可執(zhí)行模型;評(píng)價(jià)階段，通過可執(zhí)行模型進(jìn)行系統(tǒng)的性能和效能的估量［1－2］。

圖4 基于結(jié)構(gòu)化的體系結(jié)構(gòu)開發(fā)過程Fig.4 Development process based on SS

2)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法

面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)開發(fā)過程是一個(gè)迭代開發(fā)過程［2］，如圖5 所示。

圖5 基于OO迭代過程Fig.5 An iterative process based on OO

①開發(fā)用例，利用領(lǐng)域知識(shí)和作戰(zhàn)概念建立系統(tǒng)高層的各種用例，形成AV-1，OV-1;② 在設(shè)計(jì)用例的基礎(chǔ)上，說明其預(yù)期行為(包括順序圖、所涉及對(duì)象、狀態(tài)圖等)，將用例轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)頂層的順序圖，描述系統(tǒng)之間的信息交互關(guān)系，形成OV-3，SV-6，SV-3，OV-6c，SV-10c，同時(shí)根據(jù)需求擴(kuò)展順序圖，增加狀態(tài)和時(shí)間約束，建立 OV-5，SV-4，SV-5;③ 分解系統(tǒng)對(duì)象，建立系統(tǒng)類圖;④ 通過系統(tǒng)的類圖、順序圖和擴(kuò)展順序建立系統(tǒng)對(duì)象的狀態(tài)變化模型，形成OV-6，SV-10;⑤確定系統(tǒng)信息與接口的映射關(guān)系，形成OV-2，SV-1;⑥構(gòu)建系統(tǒng)的類圖，形成相關(guān)的數(shù)據(jù)模型;⑦確定體系結(jié)構(gòu)模型，如圖6所示。

圖6 面向?qū)ο蟮拈_發(fā)體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計(jì)步驟Fig.6 Some steps of developing the architecture products

3)基于活動(dòng)的設(shè)計(jì)方法

基于活動(dòng)的設(shè)計(jì)方法 ABM，主要針對(duì)一體化DoD體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)和分析，提供了一種嚴(yán)格和規(guī)范的設(shè)計(jì)方法［3］。

ABM方法的設(shè)計(jì)過程:①作戰(zhàn)視圖與系統(tǒng)視圖之間的產(chǎn)品是對(duì)稱分布的，即描述作戰(zhàn)視圖的OV-2，OV-5，OV-7，OV-4 和系統(tǒng)視圖的 SV-1，SV-4，SV-11，SV-1的產(chǎn)品是對(duì)稱。② 這8個(gè)OV產(chǎn)品和SV產(chǎn)品是構(gòu)成完整架構(gòu)的基本組件，形成體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的最小集合，其他產(chǎn)品可以適當(dāng)補(bǔ)充。③ 架構(gòu)數(shù)據(jù)規(guī)格模型定義了信息流、作戰(zhàn)活動(dòng)、作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)、人員角色、數(shù)據(jù)流、系統(tǒng)功能、系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、系統(tǒng)等核心元素之間三元映射的關(guān)系，如圖7所示。④ 核心架構(gòu)數(shù)據(jù)從DoDAF單個(gè)產(chǎn)品中輸入產(chǎn)品開發(fā)過程。以作戰(zhàn)視圖說明開發(fā)過程，首先，建立OV-5父子活動(dòng)模型，在OV-5節(jié)點(diǎn)樹中標(biāo)識(shí)和分解作戰(zhàn)活動(dòng);然后，創(chuàng)建完成作戰(zhàn)活動(dòng)的作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)OV-2，分配完成任務(wù)的角色，在OV-4中標(biāo)識(shí)組織單元和角色;在此基礎(chǔ)上，使用矩陣跟蹤作戰(zhàn)活動(dòng)、作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)、角色間關(guān)系，并檢查三元關(guān)系的映射和生成信息交換線到需要線的映射;最后，描述OV-2作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)連接圖和生成OV-3作戰(zhàn)信息交換矩陣。⑤相關(guān)體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品自動(dòng)從核心架構(gòu)數(shù)據(jù)中生成。⑥根據(jù)需求，DoD產(chǎn)品會(huì)被自動(dòng)補(bǔ)充完整。

圖7 基本產(chǎn)品和核心元素之間的關(guān)系Fig.7 Relationships between basic products and core elements

2.2 C4ISR體系結(jié)構(gòu)建模與描述技術(shù)

體系建模與描述技術(shù)主要包括 IDEF0，UML，SySML等方法。

1)IDEF0方法

IDEF0利用圖形符號(hào)和自然語(yǔ)言，按照自頂向下方法，逐層分解的結(jié)構(gòu)化描述來建立系統(tǒng)的功能模型。它主要側(cè)重系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)和信息流，能較為直觀地反映軍事人員對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)過程的理解和完成作戰(zhàn)任務(wù)的基本需求，達(dá)到軍事和技術(shù)人員交流的目的。但是對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性如同步性、并發(fā)性以及活動(dòng)間的沖突等無法表達(dá)。

2)UML方法

主要采用UML模型中的用例、類圖、狀態(tài)圖、順序圖等以及一些擴(kuò)展機(jī)制(通過構(gòu)造型、標(biāo)記值和約束對(duì)UML模型進(jìn)行擴(kuò)展形成使用體系結(jié)構(gòu)的元模型和元類型)，遵循基于OO的體系結(jié)構(gòu)開發(fā)過程，完成體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品進(jìn)行建模。

3)SysML建模語(yǔ)言

系統(tǒng)建模語(yǔ)言(SysML)是基于UML2.0開發(fā)的系統(tǒng)工程可視化體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)語(yǔ)言，根據(jù)UML對(duì)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)表達(dá)上的不足，對(duì)其中部分圖形進(jìn)行了修改和擴(kuò)展，增加了需求圖和參數(shù)圖，刪除了UML中的合作圖和配置圖，以確保SysML系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)能嚴(yán)格遵循DoDAF體系結(jié)構(gòu)框架文件標(biāo)準(zhǔn)［4］，如圖8所示。

圖8 SysML主要組成Fig.8 Main composition of SysML

2.3 C4ISR體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型

體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為體系結(jié)構(gòu)描述的使用和重用提高了效率和靈活性。目前體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)已從核心數(shù)據(jù)模型演化為DM2，強(qiáng)調(diào)了體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及其導(dǎo)出信息的采集、組織和維護(hù)。DM2采用元建模技術(shù)，對(duì)體系結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)進(jìn)行定義和建模，定義了體系結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)元素，其目的是組成用于描述和交流DoDAF模型的基本詞匯;形成物理交換規(guī)范的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)在體系結(jié)構(gòu)工具和各種數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)交換。

DM2由概念數(shù)據(jù)模型(CDM)、邏輯數(shù)據(jù)模型(LDM)和物理數(shù)據(jù)交換規(guī)范(PES)組成。概念數(shù)據(jù)模型定義了涉及體系結(jié)構(gòu)描述中創(chuàng)建的高層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如活動(dòng)、能力、協(xié)議等，為所有執(zhí)行者和管理者提供了解體系結(jié)構(gòu)描述的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。概念數(shù)據(jù)模型的底層是利用通用數(shù)據(jù)建模構(gòu)造，從而提高通用數(shù)據(jù)模式的重用。邏輯數(shù)據(jù)模型包括所有基本元素、通用模式及其與DoDAF概念間的關(guān)聯(lián)。同時(shí)包含了信息來源、保密等標(biāo)記和識(shí)別符的一些通用核心屬性，采用UML模型描述，通過這些UML元模型定義了8個(gè)視圖中的組成、關(guān)系，從而形成視圖。物理數(shù)據(jù)交換規(guī)范提供了1個(gè)有效、標(biāo)準(zhǔn)的方法，主要通過1套XML范式定義體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和信息，以確保在1個(gè)與工具集無關(guān)、與方法無關(guān)的環(huán)境中能夠共享數(shù)據(jù)。

2.4 C4ISR體系結(jié)構(gòu)度量與驗(yàn)證技術(shù)

C4ISR系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)度量與驗(yàn)證的主要任務(wù)是檢查體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性，確定體系結(jié)構(gòu)描述是否滿足系統(tǒng)的功能需求和非功能(性能)需求及滿足需求的程度，它分為靜態(tài)分析和可執(zhí)行模型2種方法。

1)靜態(tài)分析方法

靜態(tài)分析方法主要采用基于場(chǎng)景的架構(gòu)權(quán)衡分析方法ATAM。它是一種驗(yàn)證架構(gòu)非功能需求的方法，通過對(duì)諸如性能、可更改性、可靠性、安全性等多種非功能需求的分析來檢查架構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性，提供了1個(gè)分析多質(zhì)量屬性之間交互和沖突的框架，為改進(jìn)架構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)［6］。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是能在系統(tǒng)各類相關(guān)角色的參與下，確定各類質(zhì)量屬性的折衷方案，有利于體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在相關(guān)各方達(dá)成共識(shí)。其缺點(diǎn)是建立與實(shí)際系統(tǒng)吻合的質(zhì)量屬性模型非常困難，無法對(duì)體系結(jié)構(gòu)的行為特性進(jìn)行驗(yàn)證。

2)可執(zhí)行模型

可執(zhí)行驗(yàn)證法主要用于驗(yàn)證體系結(jié)構(gòu)的邏輯性、合理性等動(dòng)態(tài)特性，即側(cè)重于體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證的語(yǔ)義和語(yǔ)用層次。可執(zhí)行驗(yàn)證法主要有4種，分別從不同方面對(duì)架構(gòu)的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行驗(yàn)證。

①將結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換為CPN

在結(jié)構(gòu)化描述中，利用活動(dòng)模型、規(guī)則模型、數(shù)據(jù)模型組合構(gòu)建CPN可執(zhí)行模型，通過執(zhí)行Petri網(wǎng)模型驗(yàn)證是否存在死鎖及體系結(jié)構(gòu)執(zhí)行結(jié)構(gòu)是否符合需求。該方法主要利用IDEF0描述的作戰(zhàn)活動(dòng)模型，因缺少對(duì)輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)等時(shí)序描述，在生成對(duì)象Petri網(wǎng)模型中，需要人工干預(yù)的因素較多［6］。

②基于UML的體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證方法

利用可執(zhí)行UML思想或者基于UML2.0，通過狀態(tài)圖和擴(kuò)展的順序圖(含時(shí)間、狀態(tài)標(biāo)志等)來描述作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行序列和狀態(tài)變化，通過一序列事件刺激作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)圖，將特定想定下作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)圖的執(zhí)行過程以時(shí)序圖的方式進(jìn)行展現(xiàn)，便于用戶觀察作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)圖的執(zhí)行邏輯。

③ 基于StateChart圖驗(yàn)證方法［5］

利用狀態(tài)圖描述體系結(jié)構(gòu)中的OV6b和SV10b，刻畫系統(tǒng)實(shí)體在生命周期內(nèi)狀態(tài)變化過程，利用狀態(tài)圖動(dòng)態(tài)特性，通過模型執(zhí)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)證作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)或者系統(tǒng)狀態(tài)的可達(dá)性。但狀態(tài)圖模型難以驗(yàn)證架構(gòu)的功能、性能特性，不能很好滿足架構(gòu)驗(yàn)證的要求。

④基于業(yè)務(wù)規(guī)則模型的驗(yàn)證

主要利用IDEF3描述作戰(zhàn)規(guī)則模型OV6a業(yè)務(wù)流程仿真，典型工具如Popkin公司的System Architecture(SA)軟件。SA利用IDEF3描述作戰(zhàn)規(guī)則模型，并在仿真器中編輯和運(yùn)行作戰(zhàn)規(guī)則模型，通過運(yùn)行結(jié)果來驗(yàn)證作戰(zhàn)規(guī)則的邏輯性，并利用仿真結(jié)果中作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)資源的利用率或空閑狀態(tài)分析作戰(zhàn)規(guī)則設(shè)計(jì)的合理性。業(yè)務(wù)流程規(guī)則的邏輯性和合理性驗(yàn)證具有很強(qiáng)的可操作性和合理性，無法對(duì)架構(gòu)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移、作戰(zhàn)時(shí)序關(guān)系等動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行驗(yàn)證［6］。

3 結(jié)語(yǔ)

體系結(jié)構(gòu)是C4ISR系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制和建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、集成有著重要作用。在C4ISR系統(tǒng)發(fā)展過程中，美軍注重體系結(jié)構(gòu)理論與方法、體系結(jié)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)有如下特點(diǎn):

1)C4ISR系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框架支持新的軍事理論發(fā)展，如網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)理論、全球信息柵格GIG等。

2)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中心的軍隊(duì)轉(zhuǎn)型需求，支持網(wǎng)絡(luò)中心數(shù)據(jù)戰(zhàn)略和網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)服務(wù)戰(zhàn)略。

3)體系結(jié)構(gòu)從以產(chǎn)品為中心轉(zhuǎn)向?yàn)橐詳?shù)據(jù)為中心，注重體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)一致性和重用性，通過元建模技術(shù)，形成一套可移植、可互操作的體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)模型形成合適的體系結(jié)構(gòu)視圖。

4)支持新技術(shù)的應(yīng)用，提供促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)中心環(huán)境構(gòu)建和維護(hù)的面向服務(wù)的技術(shù)方案。

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The architecture and architecture technology of C4ISR system

WU Jiang-hua，ZHANG Ren-ru
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

The C4ISR architecture had an important effect on the C4ISR system design，development and construction.The evolvement process of C4ISR architecture framework was analyzed，and the key architecture's technologies were summed.Then，some key technologies'approaches how to be realized and some issues which were resolved using the technoloies were discussed.Finally，the characteristics of the architecture's technologies were educed.

C4ISR system;architecture;framework;key technology

TP393.03

A

1672－7649(2011)06－0034－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.009

2011－05－06

伍江華(1975－)，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)镃3I系統(tǒng)總體技術(shù)與系統(tǒng)集成技術(shù)。