基于UML的裝甲裝備IETM建模

王國輝 趙鐵軍

(陸軍裝甲兵學院兵器工程系 北京 100072)

0 引 言

裝甲裝備在論證、工程研制、生產部署、使用和保障的過程中會產生大量的設計資料、數據、圖紙、模型，這些資料以紙質資料和PDF文檔儲存，在資料使用、管理、更新方面存在工作量大、效率低、成本高、周期長的難題。交互式電子技術手冊IETM(Interactive Electronic Technical Manual)具有資料無紙化、裝備信息全壽命管理、輔助維修等功能，并以人機交互的方式顯示給官兵，提高了裝甲裝備信息化保障水平。現階段IETM整體處于第四級水平，正向第五級發展，S1000D規范是現行標準中先進的、成熟的規范，歐洲的IETM開發平臺大多使用S1000D規范，國內某大學按照GB/T24463設計IETM通用開發平臺，設計系統功能實現方案，降低信息發布和維護的成本[1]。余容等[2]研究J2EE構建IETM制作平臺的核心技術，提出資料模塊化編制、標準化管理、電子化交付、交互式使用的方案。

IETM在裝甲裝備領域應用處于起步階段，在航空領域應用較為成熟，空客公司的AirN@v系統已經很成熟，某型機載雷達開發IETM系統，提高維護效率，降低全壽命周期成本[3]。某型無人機根據GJB6600標準開發IETM系統，構建IETM的硬件和軟件平臺[4]。IETM應用帶來巨大的經濟效益和軍事效益，美軍LM2500汽輪機開發出IETM系統后，相對傳統查找資料方法用時縮短一半，作業效率提高30%～60%。Patriot Missile 使用IETM每年節約紙張費25萬美元。實踐表明使用IETM很大程度降低了維修難度，節省了維修人員培訓時間和經費，提高了裝備的修理效率和故障隔離成功率。

現階段很多公司開發出自己的IETM開發平臺，PTC公司的Arbortext軟件是成熟的IETM創作軟件，由數據構造和轉換平臺、內容管理系統、發布引擎、IETM瀏覽器等組成，涵蓋了IETM開發全過程。CORENA公司在ATA2200和S1000D標準下開發了LifeSTAR軟件，采用多層設計具有良好的維護性和重用性，能支持S1000D規范的技術出版物全壽命周期業務過程。電子五所研發的IETM創作軟件系統結構和PTC公司的產品類似，外掛XML編輯器和CGM圖形編輯器，能實現IETM開發全過程的各項任務。

1 裝甲裝備IETM系統及UML分析

隨著我國軍工業的迅速發展，二代、三代裝甲裝備占據了陸軍裝備的主體，其結構復雜、電子元件數量巨大，在操作使用、維護保養、維修保障、故障分析方面比一代裝備難度大，部隊現階段使用的資料以傳統的紙質資料和PDF文檔為主，在查找、管理、儲存、更新、維護等方面難以適應裝甲裝備保障要求。IETM把技術資料制作成文字、表格、視頻、動畫、三維模型等儲存在數據庫中，把數據建立成數據模塊，提高了數據共享性與互操作性[5]。采用先進的人機交互方式，提高使用效率，IETM能夠實現資料信息無紙化、裝備信息管理、輔助維修等功能，能滿足裝備保障需求，美國M1A2坦克使用“數字化診斷與預測工具箱”減少了工作量，極大地提高了故障診斷效率。裝甲裝備IETM開發流程如下：進行需求分析、選擇項目規范、確定信息集和信息粒度、建立數據需求列表(DMRL)和數據模塊(DM)、用公共源數據庫(CSDB)管理數據，生成出版物模塊(PM)。

UML具有統一標準、面向對象、獨立于過程、可視化強、易于掌握理解等特點，適用于大型、復雜的裝甲裝備IETM建模。UML建模裝甲裝備IETM通過多張不同角度的視圖清楚地描述部隊需求、軟件框架、系統的層次結構和整體特性，降低系統分析與設計難度，而且復用性好，創建的類和對象能在其他系統中使用，能在不同的編程實現語言和開發平臺上運行，具有較好的跨平臺適用性，易維護性高，縮短開發周期。

2 功能分析

根據現階段存在的問題和部隊官兵的需求，開發裝甲裝備IETM系統，將其設計為系統、子系統、功能模塊三層，如圖1所示。該系統由六個子系統組成，每個子系統包含若干功能模塊，每個子系統用一組模型描述，一個模型由一組視圖組成，把這些模型和視圖按照系統結構結合成IETM系統。具體過程如下：首先分析系統的功能要求和組成，建立靜態模型分析系統的體系結構，然后根據功能劃分子系統，分析子系統體系結構的分布，子系統使用的硬件設備及硬件之間的關系，用構件圖、配置圖對子系統的物理體系建模。把子系統進一步細化分解出功能模塊，建立動態模型分析功能模塊的動態行為和控制結構，整個過程比較復雜，要進行大量的數據和模型的處理。選用方法不當會造成以下問題，在建模與編程過程需要根據部隊需求，不斷評估并修改模型，工作量大、過程繁瑣。裝甲裝備包括多種不同種類的車輛，這些車輛有相似的結構和特點，每種車輛獨立開發IETM，不僅造成重復工作，還因選用的平臺不同、技術不同，不利于形成體系，造成可維護性差。

圖1 裝甲裝備IETM系統功能

各子系統功能如下：技術說明子系統用于官兵學習掌握裝備基本特性和工作原理，能解決官兵對裝備不了解、不熟悉的問題，達到普及裝備基礎知識的目的。操作使用子系統用于官兵掌握戰備訓練時裝備使用方法和戰時操作裝備執行作戰任務的方法，能解決實裝訓練成本高、用時長、受演訓環境影響大的問題。維護保養子系統用于學習維護保養規范、方法、流程，輔助官兵進行維護保養工作。維修子系統輔助維修人員進行故障分析和故障隔離，修理員每進行一步操作，系統提示本步驟的操作方法，普通的修理員根據IETM系統的提示也能完成復雜的修理任務，從而降低復雜部件對修理人員的技術要求，縮短修理時間、提高故障隔離成功率。人員培訓子系統讓官兵首先學習，接著進行訓練，然后進行考核，最后對教學和訓練點評，能夠完成人員培訓任務[6]，解決了培訓經費高、周期長、環節多、協調難的問題。裝備管理子系統具有裝備管理的功能，對裝備基本信息、使用信息、狀態等記錄儲存[7]，解決裝備信息不完善的問題，為裝備可靠性和保障性設計提供依據。

3 裝甲裝備IETM建模

3.1 建立用例需求模型

根據圖1的分析得到的系統功能，為確定這些功能由哪類人員使用，需要通過建立用例模型進行分析，用例圖能描述使用者需要的系統功能，一張裝甲裝備IETM用例圖從一個方面描述用例模型，多張用例圖就可以系統地描述整個用例模型，從而準確地描述部隊需要的IETM功能[8]。用例模型使用圖形化表示，人形符號表示執行者，橢圓符號表示用例，連接線表示關系，方框表示系統。根據不同人員類別執行的活動不同，把使用者劃分為：系統管理員(高級軍官、工程師)，維修人員(工程師、技術軍官和士兵)，裝備管理員(營長、連長)，操作使用員(士兵)。根據使用者的活動行為繪制裝甲裝備IETM系統頂層用例圖如圖2所示，描述不同類別的使用者需要的IETM系統功能。

圖2 裝甲裝備IETM頂層用例圖

為了更加準確詳細地描述使用者活動行為，把圖2中的用例圖進行分解，本文僅以頂層用例圖中“培訓”為例展開繪制第二層用例圖。“培訓”用例圖包含四個用例：教學、虛擬訓練、考核、點評。第二層用例圖進一步細化可以繪制出若干個第三層用例圖，以第二層用例圖中“教學”為例，分解出第三層用例圖，如圖3所示，如果分析需要可以繼續分解。用例分析是一個逐漸細化、逐層深入的過程，用例分析越細，越能全面地表達使用者的活動。

圖3 “培訓”用例的下屬用例圖

3.2 建立系統靜態模型

類圖是系統的靜態模型，可以描述系統的靜態特性和邏輯結構。為了進一步描述系統內部類、類與類之間的關系，根據圖2的分析建立裝甲裝備IETM系統類圖如圖4所示。圖中定義類、屬性和操作，把數據資料按照一定的粒度劃分，按照編碼規則編成DM，由DM組成操作使用、維護保養等PM儲存在CSDB中，通過數據轉化工具生成XSL并添加導航鏈接顯示給客戶端，官兵通過登錄界面登錄，進入到數據庫管理界面使用信息。該圖是裝甲裝備IETM系統面向對象設計的核心，順序圖、狀態圖等都是此基礎上進一步描述系統特性[9]。

圖4 裝甲裝備IETM系統類圖

3.3 建立系統動態模型

靜態模型描述系統類、對象、屬性等靜態結構，不能描述對象的動態行為，考慮到對象間如何進行交互以及信息如何傳遞時，就要對動態過程分析，需要建立動態模型。動態模型描述動態行為和控制結構，反應描述活動者和用例、用例和用例之間的不同時刻地動態交互。

交互概況圖能突出系統某一特定方面的交互整體，包含了順序圖、通信圖、時序圖，根據表達的需要靈活地結合這幾種圖，交互概況圖之間有判斷、控制、循環等活動。為了進一步分析圖4中官兵使用IETM的過程，建立IETM技術資料查詢交互概況圖如圖5所示，完整地描述了技術資料查詢的動態交互過程。首先進行使用者身份驗證，驗證成功后進入資料查詢界面，使用者可以根據需要選擇不同的子系統查詢資料，也可以反復查詢不同的內容，使用完畢后退出系統。該圖描述資料查詢這類特定交互內容，能幫助開發人員理解如何構建交互整體，簡化代碼結構。

圖5 IETM技術資料查詢交互概況圖

順序圖描繪系統在實際運作過程中，各個對象之間如何交互，不同時刻的信息交互[10]，反應系統的時間特性和時間約束，一個消息都對應一個類操作或者狀態機中引起轉換的觸發事件，用于建立邏輯模型[11]。為了分析行為序列和消息傳遞次序，把圖5中查詢資料進一步細化，分析消息交互過程，以故障維修為例構建順序圖，IETM故障維修順序圖如圖6所示。該圖構建了修理員用故障維修子系統進行交互式故障維修的過程，建立從故障查詢開始到故障隔離結束完整的過程，能幫助系統開發者理解故障維修子系統的結構和信息交互過程。

圖6 故障維修順序圖

活動圖描述實現什么目標、作業結束后系統的狀態，活動圖有活動、狀態和轉移三種標記組件[12]。為了進一步分析圖6中故障隔離過程，用活動圖建立故障隔離工作流，以閂體不能控制在開閂位置為例，建立故障隔離活動圖(如圖7所示)，描述故障排除流程和方法，逐步檢查逐步排除，采用換件維修的方式排除閂體故障，該圖能輔助修理員進行故障隔離。

圖7 故障隔離活動圖

3.4 建立系統實現模型

軟件設計包括邏輯和物理兩個方面，上文構建的裝甲裝備IETM系統靜態模型，完成了系統邏輯設計，接下來要分析和設計物理模型。部署圖可以對硬件建模，描述軟件的各個組件安裝在哪個硬件上，硬件之間如何交互，部署圖由節點和標記符組成。裝甲裝備IETM部署圖如圖8所示。裝甲裝備IETM系統基于B/S模式設計，把數據資料儲存在數據庫服務器的數據庫內，并由DBMS管理，客戶端把請求訪問IETM的信息發送到HTTP服務器，應用服務器處理HTTP服務器和數據庫服務器之間的數據交互，最后HTTP服務器返回請求的數據。該圖表達了裝甲裝備IETM系統軟件、硬件的物理結構和運行系統的結構，對設計系統整體架構提供依據。

圖8 裝甲裝備IETM部署圖

4 模型應用

裝甲裝備IETM系統開發是復雜的工程，涉及到需求分析、功能設計、系統結構設計、數據庫技術、交互技術等多種技術，UML建模是系統開發的一個重要環節，用UML進行需求分析、系統功能設計、生成代碼框架，是下一步開發工作的前提。建立的UML模型在實際應用中具有以下效果：(1) UML可視化建模易于官兵、工程師、設計人員等不同人群的理解與溝通；(2) UML能對IETM系統進行有效劃分，以用例驅動融入部隊需求開發模型，建立的模型能全方位、多角度反應系統屬性和活動，并把各組模型有機結合，表達系統邏輯結構和物理實現；(3) 裝甲裝備IETM系統用Java編程，UML能實現雙向工程，從模型生成代碼、從代碼生成模型，保證代碼一致性、簡化了開發工作，用Rational Rose把圖4中裝甲裝備IETM類圖生成Java代碼(如圖9所示)，如果需求變動只要在Rational Rose對相應的視圖進行修改就可以重新生成代碼，可維護性好；(4) 在后期開發工作中，UML能對數據庫建模，建立關系模型，還能在對象模型和數據模型之間進行雙向工程。裝甲裝備IETM數據模型用可擴展標記語言(XML)編寫，UML有利于XML模塊化和復用。

圖9 UML類圖生成Java代碼

5 結 語

裝甲裝備IETM系統開發是一項復雜的工程，需要建立大量的模型，本文按照UML建模流程選取幾個有代表性的角度建立模型并進行分析。本文首次將UML應用于裝甲裝備IETM系統建模。研究表明，UML適用于裝甲裝備IETM系統建模，能有效解決系統開發存在設計與實現脫節、工作量大、開發周期長的問題，提高系統復用性、易維護性，降低了開發難度。本文的建模方法和建立的模型對裝甲裝備IETM系統開發具有較高參考意義。