基于TAU和SA的体系结构验证方法研究

杨春雷,赵 亮

(空军装备研究院通信所,北京 100085)

针对现有指挥信息系统之间互联、互通和互操作难度大等问题,不少文献提出加强系统顶层设计,特别是体系结构技术的研究,并利用以体系结构为核心的顶层设计技术对现有系统进行改造,指导新系统的设计开发。目前,体系结构已经从理论研究阶段过渡到了实际应用阶段,实践证明,体系结构对提高系统效能,实现一体化指挥信息系统有较强的支持作用[1]。体系结构验证能够检验现役指挥信息系统体系结构是否与现行的作战指挥体制相匹配,能否有利于当前的指挥决策,找出系统在体系结构上的不足,辅助指挥信息系统使用总体提出体系结构优化的需求和总体方案,确保高质量的体系结构设计。因而,体系结构验证技术是体系结构研究的重要组成部分,对指挥信息系统的建设具有重要的意义。

TAU[2]和SA[3]是IBM公司开发的UML软件建模验证和体系结构设计验证的工具软件。TAU以面向对象的开发方法进行 DODAF[4]体系结构建模,并支持体系结构部分产品的正确性验证;SA以ABM(Activity Based Method)方法为基础进行DODAF体系结构建模,并支持OV-6a(作战规则模型)的合理性验证分析。作为指挥信息系统顶层设计领域的两款优秀软件,很大程度上满足了体系结构验证的需求。

本文给出了体系结构验证的基本概念,重点从体系结构语法层、语义层、语用层三个层次提出了基于TAU和SA的体系结构验证方法,并以无人侦察机系统体系结构验证为例说明了方法的可行性和有效性。

1 体系结构验证的基本概念

体系结构验证[5]是检查体系结构产品在语法、语义上是否正确合理,是否符合系统需求;从结构、性能、可靠性、效能等语用方面对体系结构产品的优劣程度进行评价、并对一组可选体系结构产品进行折中分析和选优。表1列出了体系结构验证的层次划分及各层次的主要验证内容和验证方法。

与其它体系结构验证[1,7]研究不同的是,本文对语义层的可执行验证和语用层的仿真验证进行了区分。所谓仿真验证是指在体系结构产品的基础上,添加相应的仿真参数如想定、概率、时间分布、资源分布等,建立体系结构模型的仿真模型,通过仿真运行进行体系结构的性能、效能分析。而可执行验证仅仅使用构建好的体系结构模型,通过驱动模型运行验证其正确性,不做额外的参数设置也无法进行性能效能方面的分析。

表1 体系结构验证的层次划分及主要内容

2 基于TAU和SA的体系结构验证方法

体系结构建模是体系结构验证的基础,本文的验证过程主要使用SA中ABM方法开发的体系结构模型,但需指出的是,为了使用TAU进行体系结构语义层的验证,需在 TAU中重复开发相应的待验证模型如OV-6b(作战状态转换)。基于TSU和 SA的结构验证方法如图1所示。

图1 基于TAU和SA的体系结构验证方法

按照上文对体系结构验证的层次划分,基于TAU和SA的体系结构验证同样分为三个层次,在体系结构模型的基础上依次按照语法层、语义层和语用层的顺序进行验证。其中,基于SA的语用层验证除了包括直接利用SA对部分产品进行验证外,还设计了基于 SA的语用层分布式仿真验证方法。下面分别进行阐述。

2.1 基于TAU和SA的语法层验证

语法层验证主要验证体系结构模型是否符合语法规则、体系结构数据完备性、体系结构数据一致性等。其中,体系结构模型一致性验证包括:OV-5(作战活动模型)中完成作战活动的节点集与OV-2(作战节点连接关系描述)中定义的作战节点集一致;SV-5(作战活动与系统功能映射矩阵)中的作战活动集与 OV-5中的作战活动集一致,系统功能集与SV-4(系统功能描述)中的系统功能集一致;作战节点的信息交换集与OV-3(作战信息交换矩阵)中的信息交换集一致;SV-1(系统接口描述)中的系统功能集和SV-4的系统功能集一致;OV-3中的信息交换关系的作战节点、作战活动与 OV-2中需求线对应的作战节点以及作战节点完成的作战活动一致。

体系结构模型完备性验证包括:每个作战节点至少完成一个以上的活动;每个作战活动至少由一个作战节点完成;每个组织至少与一个作战节点对应;每条需求线至少包含一个信息交换;每个信息交换至少包含在一条需求线中;系统至少具有一个以上的系统功能;每个系统功能至少由一个以上的系统完成。

TAU和SA均支持上述内容的验证。如图1所示,在SA中所有模型产生的数据统一作为百科全书在数据库中存储,通过百科全书验证工具可以验证模型中存在的问题。在使用 TAU时,体系结构建模的过程中一旦出现语法上的错误,其输出窗口的自动检查功能就会做出信息提示,在建模窗口中也会以颜色和波浪线等标识提示错误信息。两款软件能够实现对所有体系结构模型的语法层验证功能。

2.2 基于TAU的语义层验证

语义层验证主要是针对部分体系结构模型的可达性和正确性的验证。在这一层次上主要使用TAU对OV-5和OV-6b进行验证。在TAU中OV-6b和OV-6c(作战事件/跟踪描述)是等价关系,因而同样支持对OV-6c的验证。

TAU对OV-5的验证方法是:首先利用UML活动图描述模型OV-5;其次利用UML类图定义OV-5中各个活动之间传递的信号;最后以信号刺激活动图的运行,辅助用户观察各个活动执行逻辑是否正确。

TAU对OV-6b的验证方法是:首先利用UML类图描述模型 OV-2,然后以 OV-2中的作战节点为对象,用UML状态图描述模型OV-6b;其次定义各种信号作为作战节点状态图之间的消息传递内容,将不同作战节点的状态图进行连接;最后通过事件或信号刺激作战节点的状态图运行,并将作战节点状态图的执行过程以时序图的方式进行展现,辅助用户观察作战节点状态图的执行逻辑是否正确可达。

TAU中的模型验证功能仅支持用户观察模型的正确性和可达性,而无法进行性能效能的分析,因而属于语义层的验证。

2.3 基于SA的语用层验证

语用层验证侧重体系结构的效用分析,SA支持对OV-6a的合理性验证并支持从时间和资源角度对仿真结果进行分析。

SA对OV-6a的验证实际上是对流程的仿真,其方法是:首先,利用IDEF3 Process Flow Diagram描述模型 OV-6a;其次,添加初始事件和结束事件;然后依次设置IDEF3对象、对象到达概要文件、轮班、时间概要文件、资源分配、资源可用性、角色、活动和任务的成本、流程仿真时间等;最后在SA提供的Simulator工具中对流程进行仿真运行和结果分析。

需要指出的是,OV-6b描述的流程通常由 OV-5得到,仿真中的角色通常由OV-4(组织关系图)得到。Simulator提供的仿真结果分析主要包括:资源利用率、活动利用率和成本分析三个方面。其中资源利用率主要是通过分析资源的繁忙程度来评估其利用率,确定该资源是否为一个瓶颈或是否为空闲的;活动利用率通过对业务活动的执行时间进行统计分析,确定较繁忙的业务活动以及对资源的要求,还建立业务活动之间的依赖关系,确定一个活动对另一个或多个活动的依赖,进而确定延时的原因;成本分析通过统计资源的相关投入费用以及收益确定资源的效益。

2.4 基于SA的语用层分布式仿真验证方法

本文除了利用SA直接对OV-6b进行仿真验证之外,还设计了一种基于SA的体系结构语用层分布式仿真验证的方法,用以综合利用体系结构建模的结果进行仿真验证。其验证思路如下:

1)将作战体系结构视图的模型如 OV-2、OV-4和 OV-5,以及系统体系结构视图的模型如 SV-1、SV-4转换为仿真模型并接入分布式仿真平台;

2)将体系结构模型转换后的仿真模型部分替换为一些实物、半实物的仿真资源,如图1中所示的OV-2中的作战节点可映射替换为情报模拟器、武器装备模拟器;SV-4中的系统功能可替换为实装的指挥信息系统信息融合功能、指挥控制功能;

3)将实物、半实物的仿真资源接入分布式仿真平台;

4)以想定驱动分布式仿真运行,并进行仿真结果分析评估,最终得到对体系结构的验证结果。

该验证方法综合利用了体系结构各种模型,验证结果能够充分体现体系结构建模满足需求的程度及其设计的优劣。

3 应用案例

本文以一个无人机侦察系统体系结构验证为案例,通过使用 TAU对状态图进行验证,SA对 OV-6b进行验证来说明本文方法的正确性和有效性。

无人机侦察系统由无人机、地面移动控制站、发射操纵车组成。无人机装有噪音干扰器及全球导航卫星系统(GPS)接收机,在起飞前把预定的飞行航线输入地面移动控制站的计算机和机载计算机,控制人员根据战场事态发展随时改变无人机的飞行航线。无人机通常沿预定航线对侦察地段实施侦察,机载侦察设备将获取的战役情报通过无线电发送到发射操纵车,而后信息传递给地面移动接收站进行加工和破译,通过情报中心及时报告合成集团军指挥员,机载侦察设备同时对传递的信息进行登记,实时处理量化和目标识别,并判断方位、制作图片资料。

3.1 状态图可达性验证

按照上文基于 TAU的语义层验证方法,依次对无人机侦察系统的OV-2模型、各节点的OV-6b模型进行建模,并使用类图建立节点之间的信息交互即信号。建模结果如图2、图3所示。四个节点的状态图中状态的转换依赖于图2(b)所示的信号激励,如图3(a)所示的无人机状态图中,当无人机接收到无人机控制信息时,状态由就绪转为定位。

图2 无人机侦察系统OV-2模型及信号定义类图

图3 无人机侦察系统OV-6b模型

图4 OV-6b验证的执行阶段

TAU中的模型验证执行时,其执行控制过程与编程开发环境如Visual Studio的调试运行控制类似,可设置断点、变量观察窗等便于观察节点的状态转移是否符合设计需求,节点的状态是否都是可达的。图4给出了模型执行时的三个阶段示意图。如图4(a)左下部分所示,TAU中节点状态的变化依赖于信号的激励;如图4(b)、(c)所示当信号的取值发生变化时,可以人在回路的方式对模型执行过程进行控制;此外,可以看到当模型执行时TAU自动启动状态图对应的作战节点事件跟踪描述即时序图,极大地方便了对状态图和时序图的观察验证。

3.2 作战规则合理性验证

按照2.3节所示的基于SA的语用层验证方法,建立无人机侦察系统侦察过程模型OV-6a,如图5所示。该侦察过程依次由任务获取、管理无人机任务列表、管理无人机活动执行、管理存储的目标数据和情报处理五个主要活动组成;之后添加初始事件提出侦察任务的需求和结束事件决策指挥;接下来,依次设置IDEF3对象、对象到达概要文件、轮班、时间概要文件、资源分配、资源可用性、角色、活动和任务的成本、流程仿真时间等仿真参数,这些参数的设置都是在SA的属性设置对话框进行的,这里不再罗列。

最后,调用 SA Simulator对流程进行仿真执行,图6给出了资源利用率和活动利用率的仿真结果。图6(a)可以看到在 SA的流程仿真中资源主要是指参与流程活动的人员,如情报监测人员、无人机控制人员等,与组织结构图OV-4中的角色相对应;图6(b)可以看到活动与OV-6a流程中的每个活动相对应。从此次仿真的结果可知,每种资源和活动处于“忙”的状态的比率较低,表明当前的仿真参数设置情况下,资源和活动没有被充分利用。实际上,不同的仿真参数设置代表了不同的体系结构设计方案,通过仿真执行可达到比较不同体系结构优劣的目的。

图5 无人机侦察系统侦察过程OV-6a

图6 无人机侦察系统OV-6a仿真执行结果

4 结束语

本文在分析体系结构验证的层次划分及内容的基础上,提出了基于TAU和SA的体系结构验证方法,较完整地回答了如何使用这两个工具从语法层、语义层、语用层三个层次对体系结构模型进行验证。应用案例表明了方法的有效性和实用性,通过使用这两个工具提供的验证功能能够及时发现体系结构建模存在的问题,并进行初步的分析。但同时可以看到 TAU和 SA仅支持对部分体系结构模型的验证,不能综合利用体系结构模型从性能效能上得出完整的验证评估结论。因而仍需深入研究提出的基于SA的体系结构语用层分布式仿真方法,并开发相应的分布式仿真平台,充分利用已有的实物半实物仿真资源,对体系结构所代表的虚拟指挥信息系统进行性能效能的完整验证评估。

[1]罗爱民.基于可执行模型的体系结构验证评估方法[J].计算机科学,2010,37(8):294-297.

[2]Scott Heyhoe,Application Note:"Tau/Architect for Systems Engineers"[EB/OL],http://www.ibm.com.

[3]System Architect Users’ Guide[EB/OL],http://www‐01.ibm.com/software/awdtools/systemarchitect.

[4]DoD Architecture Framework Working Group.DoD Architecture Framework Version 1.0 Volume I[EB/OL].2004.

[5]罗雪山,等.军事信息系统体系结构技术[M].北京:国防工业出版社,2010.

[6]IBM Rational Rhapsody[EB/OL],http://www.ibm.com/ developerworks/rational/products/rhapsody.

[7]姜军.可执行体系结构及 DODAF的可执行化方法研究[D].长沙:国防科学技术大学博士论文,2008.