基于RUP的航空兵作战C4ISR体系结构研究

马颖亮，高晓冬，张光轶

（1.海军航空工程学院，山东 烟台 264001；2.91640部队，广东 湛江 524064；3.海军装备部，北京 100841）

1 航空兵作战C4ISR系统建模的特点

1.1 航空兵作战的特点

随着网络中心战（NCW）概念的提出，作战平台、传感器等各种作战元素都成了作战网络上的节点，航空兵在作战过程中如何处理和运用各种信息将极大地影响其作战效能发挥。航空兵作战具有如下特点：

1）突发性强，应急时间短

从近几场局部战争来看，海军航空兵需要在突发事件发生后第一时间内赶达战场，需要在最短时间内明确作战对象、地点、打击方式，并且完成装备的作战准备。航空兵作战具有实发性能，应急时间短的特点。

2）多平台分布式探测预警

现代化战场上，单兵种、单平台对抗已经被多兵种体系对抗所取代。航空兵作战无论是进攻还是防御，都会得到陆、海、空、天信息的支持。美军的Link16、Link22数据链已经成熟地应用于多种平台的数据传输中。

3）信息融合与管理

(3)“氧化”时有中间产物Fe6(OH)1 2SO4生成,该物质中n[Fe(Ⅱ)]∶n[Fe(Ⅲ)]=____;该物质进一步被空气氧化成FeOOH的化学方程式为____。[注:Fe(Ⅱ)表示二价铁,Fe(Ⅲ)表示三价铁]

由于航空兵作战涉及的传感器多、空域广泛，多平台的不同作战信息需要经过抽取、融合后分发至各个节点。能否在最短时间内剔除错误信息，提供精确的目标信息将直接影响航空兵火力打击的作战效果。

4）信息共享与合同作战

海湾战争中，美军的航母舰载航空兵和巡航导弹发起了联合攻击，摧毁了伊拉克海军大量有生力量。在未来制海权和制空权的较量中，大机群合同作战以及和舰艇编队的协同攻击将成为重要的作战样式。海、空、天之间的信息传输，任务分配以及相互间的火力支持将极大地提升整个作战体系的作战效能。

1.2 系统建模的分类与层次

航空兵作战C4ISR系统不仅牵涉到大量的部门、人员和装备，而且在作战过程中各部门的业务相互交叉、互相依存，因此在模型的构建过程中，首先甄别系统的功能类别和建模层次，才能依据不同的需求完善系统模型的结构和功能。

为了将系统由繁化简、由大化小进行建模，我们可以按照不同的方法对其进行分类（见图 1）。由于关注的特性不同，类别划分的结果也不一样。顶层设计人员比较注重各系统间的融合与协作，更愿意按照系统的功能划分类别属性，作战人员则更关心自己的职责和权限，而技术工程师则对硬件间的联通和功能接口更为关心。因此，要想全面构建这个系统，需要从不同的视角来描述。

图1 航空兵作战系统不同分类

系统分类是为了将复杂庞大的系统变成众多相对独立的建模对象，使得建模过程清晰，增强建模工作的可行性。同时，如上所说，系统对应的对象存在很大的差别，所以需要将系统划分为几个虚拟的层次来对应不同对象的需要。本文以软件系统方法（Soft System Methodology，SSM）[2]将系统分为3个层次：

第一层是“概念层”。在策略层次上对系统各种信息进行管理和驾驭。这一层不考虑具体的问题，但是包括共享的基础认知。

第二层为“逻辑层”。主要是建立系统内部实体之间的关系，所有的实体所遵循的规则和标准都将被包括在这个关系集合中。这一层主要是方法层次上的信息管理和结构构建。

第三层为物理层。由技术约束条件下的模型、方案，实体组成。这一层是操作层次上的信息管理和实体安排。

1.3 建模方法的选择

对于航空兵作战C4ISR系统这样的复杂系统，目前比较常用的建模方法有 RUP（Rational unified procedure，Rational统一建模过程）、MDA（Model Driven Architecture，模型驱动架构）、Zachman框架和DoDAF等[3]。

RUP是一个重复和迭代开发的过程[4]。其主要特点是：①用例驱动；②以架构为中心；③迭代的增量式开发。MDA在建模过程中创建了PIM（Platform Independent Model，平台无关模型）、PSM（Platform Specific Model，平台相关模型）和代码。PIM是具有高抽象层次、独立任何实现技术的模型，PIM生成一个或多个PSM[5]。OMG（Object Management Group，国际对象管理集团）推出MDA的目的在于寻找一条新的途径来创建和描述系统。Zachman框架主要是以矩阵的形式，从6个视角设计体系结构中6个不同的方面（视图）。DoDAF在2004年颁布了1.0版本，通过作战视图（OV）、系统视图（SV）和技术标准视图（TV）来构建体系结构产品，描述系统的结构。其特点是没有规定表述的方式，许多常用的建模语言，如UML、XML，都能对DoDAF提供良好的支持[5]。DoDAF于2009年推出了2.0版本，更是通过7个视角来描述系统，并以数据为中心，更加注重产品核心数据的可重用和可移植性[6]。

通过上面的分析我们可以看出，通过DoDAF来对空战系统建模最能符合我们多视点描述的要求，而RUP能很好地符合软件系统方法对系统进行层次化建模，二者间的桥梁正是UML。通过UML我们可以用RUP的方法，结合DoDAF构建出不同的体系结构产品，描述空战系统。文献[5]提出了将 RUP、MDA和 DoDAF相结合对作战系统建模的可能性，本文则直接将RUP与DoDAF结合，构建系统。为了能够更加清晰地表述开发过程，本文还是采用DoDAF 1.5版本。

2 RUP在DoDAF体系结构开发中的应用

2.1 用例驱动方法在DoDAF体系结构开发中的应用

用例是描绘系统外在可见的需求情况，代表系统中各个项目相关人员之间就系统的行为所达成的契约。RUP是将系统模型开发的周期划分为若干个螺旋式的开发阶段[7]。用例是项目计划、进度控制、测试等环节的基础。

在建立活动模型过程中，一般是先将系统看作一个黑盒子，从顶层描述系统与外界的输入输出关系。然后，逐层分解系统活动（如图2所示），直到得到用户所需要的具体信息。当一个活动被分解成几个子活动时，用箭头表示各子活动之间的接口。活动模型的层级划分尺度由体系结构建立的范围和目的确定。

通过用例驱动，RUP开始其迭代开发过程，用例图的开发与 DoDAF开发过程中的顶层设计 OV-1、AV-1相吻合。RUP统一过程的活动强调创建和维护模型（UML模型），而不是大量的文本工作。同时它也是有效使用UML的指南[8]。因此，UML成为RUP与DoDAF产品开发的桥梁，通过UML可以将RUP过程应用于DoDAF视图开发中（图3）。

图2 活动模型的分解

2.2 基于UML的面向对象方法在DoDAF中的应用

面向对象设计方法是一种围绕真实世界的概念来组成模型的思维方法。其基本思想是对问题空间进行自然分割，以更观近人类的思维方式建立问题域模型，以便对客观实体进行结构和行为模拟，从而使设计的系统尽可能直接地描述现实世界。这是一种自底向上归纳和自顶向下分解相结合的方法。

图3 UML在体系结构产品构建中的桥梁作用

图4 RUP开发过程中DoDAF视图抽取

遵循RUP统一过程对C4ISR系统进行开发的一大优点是利用面向对象的建模语言 UML对系统各层级的需求进行分析建模，在执行RUP的核心工作流的过程中构建系统DoDAF视图（见图4）。UML主要包括用例图、静态图、行为图和交互图等几类视图，它们可被用来表示DoDAF的多视图产品。

3 航空兵作战体系结构建模示例

根据上面所述的方法，本文结合海军航空兵作战特点，通过一个简单的作战事件，构造一些体系结构产品来说明 RUP在航空兵作战体系结构建模方面的应用。鉴于对UML的强大支持能力，本文采用Rational ROSE作为模型开发工具。

3.1 需求分析阶段

根据DoDAF的要求，首先要明确整个作战环境，作战背景和作战方式。因此，本文通过概念视图加以描述。根据航空兵的作战特点，航空兵的作战和保障力量一般由空战部队、保障部队和侦察部队组成。在作战过程中，首先是地面雷达或预警机发现目标，通知指挥部，经过数据融合、威胁评估后拟制作战方案，地面勤务部队做好战前准备，由空战部队负责实施作战计划。

根据描述，确定系统中的角色由航空兵指挥部、空战部队、勤务部队、侦察部队担任；每级用例有相应的子用例。图5、图6是根据需求描述生成的OV-1、OV-4产品，反映了系统功能和系统的组织构成。

图5 航空兵作战概念视图（OV-1）

图6 作战力量构成（OV-4）

3.2 模型设计阶段

设计阶段首先在用例图的基础上确定系统节点，通过这些节点间的相互关系、信息流向来反映系统的工作过程。对于不同的作战过程，系统的工作过程是不一样的，因此涉及的作战节点也不相同。图7描述的是航空兵作战资源。从图7中可以反映出各节点间的信息流向和事件关系。

图7 航空兵作战资源描述（OV-2）

图8是用活动图OV-5描述航空兵接敌交火作战过程。从图8中可以看出在整个交火过程中虽然只有战斗机节点发生动作，但是从发现目标到攻击目标都有许多信息节点参与了作战，不仅有信息交换，还有各种规则、数据库的调用。通过对不同细化层级的描述，我们可以将作战过程以不同的精度描述出来。图9中 OV-7描述的是接敌作战过程中各节点之间的逻辑关系。

图8 接敌交火作战活动图（OV-5）

图9 航空兵作战逻辑视图（OV-7）

4 结束语

航空兵作战C4ISR体系结构的构建是一个复杂的过程，而Rational Rose工具对UML的强大支持作用则为体系结构开发提供了便利。根据以上的分析，我们可以看出遵循Rational统一过程（RUP）的步骤，能够与 DoDAF体系结构建模过程相结合，将体系结构产品的开发划分为若干阶段，以螺旋式上升循环开发，不断完善体系结构的描述。RUP根据不同产品的特点，使用对应的UML模型图进行描述，不仅保证了描述的准确性，也使得软件具有良好的一致性和互操作性。在此基础上可以为决策者提供多视角、多产品的数据展现。

随着DoDAF版本的升级，体系结构将以数据而非产品为核心。这将更加方便我们灵活运用RUP来描述体系结构。

[1]DoD Architecture Framework Working Group.DoD Architecture Framework Version 1.5[R].U.S.Department of Defense, 2007.

[2]Cropley, D.H., Yue, Y, Cook, S.C.On Identifying a Methodology for Land C2 Architecture Development[C],Land Warfare Conference, Adelaide, Australia, October 2003.

[3]罗雪山,罗爱民,张耀鸿.军事信息系统体系结构技术[M].北京:国防工业出版社,2010:113-118.

[4]吴家菊,席传裕,姜龙.基于 RUP的迭代式软件开发研究与应用[J].现代电子技术,2009(16):95-98.

[5]杨大韬,秦克,闵绍荣.舰艇作战系统建模方法及建模思路规范化研究[J].舰船科学技术,2010,32(6):110-116.

[6]DoD Architecture Framework Working Group.DoD Architecture Framework Version 2.0[R].U.S.Department of Defense, 2009.

[7]梁向阳,康凤举,钟联炯,等.基于RUP的C4ISR体系结构设计[J].微计算机应用,2007,28(12):14-19.

[8]王智学.ROSE对象建模方法与技术[M].北京:机械工业出版社,2003:85.