知识驱动的舰艇编队信息系统顶层设计方法＊

2013-08-10李皓王媛

舰船电子工程 2013年7期

李皓王媛

（船舶系统工程部北京 100094）

1 引言

大型舰艇编队信息系统是一个复杂工程系统，处于以网络为中心的作战体系之中，涉及多种兵力、多个平台、多种手段，规模庞大、组成复杂、功能综合[1]。为了使其更好满足军事需求，更加详细、全面且一致地描述并设计系统，实现系统作战效能的最优，必须有一种有效的方法来指导系统的顶层设计。

目前，国外广泛采用的复杂大型工程系统通用总体设计方法包括：质量功能展开方法、统一规划方法、公理化设计方法、设计结构矩阵方法、领域映射矩阵方法、体系结构设计方法和复杂大型综合开放系统设计方法。美国国防部体系结构框架DoDAF（Department of Defense Architecture Framework）[2～4]是目前应用最广泛和最成熟的体系结构框架，能够为体系结构的设计提供指导，保证复杂系统的互连、互通和一致性。信息系统的体系结构设计大多遵循DoDAF标准，并且使用软件工程的统一建模语言或者系统建模语言加以实现。

另一方面，仿真技术在国外典型信息系统的总体设计中，已经得到了足够的重视和广泛的应用。美国提出的协同作战处理器总体仿真计划[5]是面向协同作战能力的设计、仿真和验证环境，它能够帮助用户进行硬件在环和软件在环仿真环境下协同作战处理器软硬件单元、系统集成和系统验证的测试。俄罗斯海军将建模仿真技术成功应用于舰空导弹武器的设计、舰载雷达目标指示和舰空导弹作战系统的设计中[6～7]。

而国内在多年的信息系统总体设计过程中，同样也积累了一定的经验，形成了一套以接口、流程设计为主，仿真技术部分应用的体系结构设计方法和流程，但仍然存在一些问题，影响了顶层设计的效率和效果。现将国内信息系统顶层设计方法存在的问题总结如下：

1）体系结构描述需要进一步完善与规范化

对于信息系统的体系结构设计，传统的做法是设计人员按照自己的理解以及自己喜好的方式和语言，对系统的组成关系、流程和信息接口等内容进行设计和描述，完成体系结构设计报告，形成相关技术文档和模型。然而，这种设计方法并不规范和完整，且因人而异，导致系统研制过程中的各阶段之间不能正确理解，无法实现互联、互通、互操作性，需要标准的体系结构设计方法对其进行统一和规范化。

2）仿真验证需与体系结构设计过程紧密结合

对于信息系统这样的复杂工程系统，仅仅依靠设计方法或设计工具中的静态检查已无法满足要求，必须依靠先进的仿真技术，通过建模构建完整的、基于作战效能的仿真系统进行测试验证和方案优化。但长期以来，仿真验证往往在整个系统的设备和软件开发出来以后，才通过构建系统集成联调试验环境，对系统进行仿真测试和验证，导致本应在设计早期发现的问题全部集中在集成联调阶段才暴露出来。

3）设计知识需要有效的管理与使用

经过长期的信息系统相关方面的研究，已经积累了大量的经验知识和情报资料，包括技术设计文档、研究报告、情报资料、标准、专利、个人经验等。然而，这些宝贵的知识只有部分知识得到管理，大部分知识如个人经验、部分研究报告等，都分散在个人手头，并没有得到有效的管理和利用，设计人员在设计过程中无法迅速准确地定位知识库中的知识，设计的智能化程度很低。

针对以上存在的问题，参考国内外典型复杂工程系统的体系结构设计方法，本文提出一种新的大型舰艇编队信息系统体系结构设计方法，即知识驱动的增量迭代式顶层设计方法（Knowledge Driven Incremental Iterate Simulation Validation Concept Design，KISD）。该方法基于国际上流行的体系结构设计方法，通过将各个子系统的知识集成到设计中，并应用有效的建模、仿真技术进行迭代验证等，实现了体系结构设计技术、增量迭代式的仿真验证技术和知识驱动技术的融合。

2 知识驱动的增量迭代式顶层设计方法的总体结构

KISD方法是一种通过充分探索和利用复杂系统中相互作用的协同机制来进行复杂大工程系统（System of System）顶层设计的方法论，是以复杂大系统工程和知识工程思想为理论基础，融合基于知识的设计（Knowledge Based Design）、基于模型的设计（Model Based Design）、增量迭代式设计（Incremental Iterate Design）、基于仿真的设计（Simulation Based Design）等先进的设计技术，集成各个子系统的知识，应用有效的建模、仿真多次增量迭代式综合设计策略，进行复杂大系统顶层设计的综合集成设计方法。

KISD方法主要包括体系结构设计技术、增量迭代式仿真验证技术、知识驱动的辅助设计技术以及设计集成技术，其中知识驱动的辅助设计是其核心，设计集成是其交互手段，体系结构设计是其基础，增量迭代式仿真验证技术则是其必要的组成。组成结构具体如图1所示。

KISD方法的使用流程为：

设计之初，设计人员通过知识驱动的辅助设计进行知识的检索，同时，知识驱动技术也可根据设计人员的专业、所属项目类型、频繁检索的用户行为等属性，对知识库中的信息进行综合后，将符合的设计信息推送给设计人员，并将信息根据设计人员指定的属性进行排序。

其后，设计人员利用体系结构设计技术对舰艇编队信息系统体系结构进行初步设计，形成视图产品。并通过设计集成技术，识别出设计视图产品中仿真所需的功能信息、功能关系和接口、流程等信息，将以上信息转换成仿真验证模块中定义的xml格式，从而获得仿真所需的组成、接口和流程定义。

图1 KISD方法的组成结构图

采用仿真验证技术中的代码框架生成技术，生成概念模型框架，并补充仿真验证所需的功能模型，根据需要形成不同粒度的仿真验证系统，并通过对仿真验证系统多次试验，对仿真结果进行评估，评判体系结构是否合理或是否为最优，若不合理，则将结果反馈给体系结构设计模块进行相应修改。

3 体系结构设计技术

目前，国际上已发布了多项体系结构框架标准，如美国国防部的 DoDAF（Department of Defense Architecture Framework）、英国国防部的 MoDAF（Ministry of Defense Architecture Framework）、北约的 NAF（NATO Architecture Framework）等。而应用最广、发展最快的是美国国防部的DoDAF，已从DoDAF1.0发展到DoDAF 2.0版本[8]。

而我国总装备部在某个项目中也提出了一种改进的体系结构设计方法，该方法充分吸收了DODAF、MoDAF的优点，结合了我国装备系统的实际情况，包括了全视图AV、作战视图OV、系统视图SV、技术视图TV、装备视图EV、能力视图CV等六个视图，从系统能力需求、作战应用、系统结构、装备结构、技术标准等方面进行全面地刻画，为作战需求人员、系统设计人员、系统实现人员之间形成一致的认识提供了良好的平台（各视图之间的关系如图2所示）。知识驱动的增量迭代式顶层设计方法KISD就是以改进的体系结构设计技术为核心的方法。

4 增量迭代式仿真验证技术

体系结构设计方法和相关的工具虽然能对大型舰艇编队信息系统中参与作战的节点、作战活动、指挥关系以及系统的功能、功能关系、通信关系、部署情况、系统对作战需求的实现情况等进行描述，也能对功能间的关联、功能与作战需求的关系、接口定义的完备性等方面进行检查，无法从作战效能的角度评判所设计的体系结构是否合理、是否为最佳方案，必须在系统全部研制出来进行集成联调试验，才能发现设计的是否正确，会造成大量的返工和浪费。

图2 改进的体系结构各视图之间的关系

因此，本文提出了在改进的体系结构设计技术基础上，通过增量迭代式的仿真验证技术，对系统设计过程中的各个阶段加以验证，实现体系结构的小闭环迭代和优化。

该技术主要采用基于作战效能的流程迭达仿真，对舰船编队信息系统体系结构进行逐步地迭代验证，优化结构。在系统方案初步设计阶段，根据初步设计的体系结构视图产品，建立以概念原型为核心的数字仿真环境，验证系统的工作原理、指挥所的设置等，演示系统设计的整体构想，从而完善系统体系结构。在方案设计阶段，同样根据详细设计的体系结构视图产品，以基于概念原型的数字仿真环境为基础，建立基于确定仿真想定、以虚拟原型为核心的分布式仿真环境，对多种方案进行优选，即通过制定一个典型的能全面反映舰艇编队信息系统功能的作战想定，在其牵引下，通过建模工具快速构建不同方案下的编队作战系统虚拟原型，并对不同仿真方案的运行结果进行分析比较，以此达到选优的目的。在技术设计阶段，通过提供陆试的配试环境，来驱动原型样机进行接口、流程、功能和性能测试和验证。每个阶段又与体系结构设计之间不断的进行迭代验证和优化。

图3 增量迭代式仿真验证技术的流程图

5 知识驱动的辅助设计技术

体系结构在设计过程中，会大量地参考以前类似系统的设计成果、标准、专利以及现有技术的发展和使用情况等，但不管是DODAF还是MoDAF，或者改进的体系结构设计方法和工具，并没有将这些情报和经验知识与设计紧密结合，设计人员在设计过程中需要借助其它手段，通过不断地切换获得所需的情报和知识，降低了设计效率[13]。

因此，本文提出了在改进的体系结构设计技术基础上，通过集成知识驱动技术，实现设计过程中知识的有效管理和所需知识的主动推送，提高系统的智能化设计。

知识驱动技术主要在统一的知识表征方式下，以知识库为核心，为设计人员提供模糊、精确、索引等多种知识检索方式，依据设定的规则，按照设计人员的专业、所属项目类型、用户平时检索的行为特征等属性，运行知识挖掘技术，及时地将相关的信息推送给设计人员，使设计人员能快速获得所需的知识，免除各种繁杂的搜索操作。尤其通过具备推理规则和学习功能的知识推理机可逐步实现系统设计的智能化。

对大型舰艇编队信息系统设计过程中知识库的形成，主要通过整理分析和提炼归纳以外设计中涉及的专利、国内外情报资料、历史资料、经验知识、设计模型、性能指标数据、环境数据等知识，同时对未来设计中形成的设计方案、算法、模型、数据等沉淀为知识，进行统一管理，供后续研究工作或其它项目使用。

图4 知识驱动技术的组成结构图

6 设计集成技术

设计集成技术是其它三个部分的纽带，通过采用Java Web Start技术，将知识库、设计工具、仿真验证工具等进行集成。通过采用基于XML的模型集成技术和模型实时映射技术，实现体系结构视图产品和仿真模型的自动转换和相互映射，从而使体系结构视图产品能快速转换成仿真验证所需的概念原型，体系结构视图产品或仿真模型的更改也能及时地被发现并通知相对应的部分。