反导体系试训一体化环境体系结构建模方法*1



反导体系试训一体化环境体系结构建模方法*1

张国强1,2a，刘小荷1，蒋方婷2b，张小可3

(1．空军指挥学院，北京100097；2．空军装备研究院 a.防空所；b．雷达所，北京100085；

3．国防科学技术大学 信息系统与管理学院，湖南 长沙410073)

摘要：参考DoDAF2.0 (DoD architecture framework 2.0)和MOF(meta object facility)等相关理论，提出基于元模型的反导体系试训一体化环境体系结构设计方法，通过定义环境体系结构元模型，规范元模型的存储，建立元模型到视图之间的映射等，提高了体系结构建模的标准化程度，确保了体系结构设计成果可有效用于体系后续的开发、集成和评估，为下一步反导体系试训一体化环境的建设实施奠定了基础，对其他类似体系结构的设计具有一定的借鉴意义。

关键词：反导体系；试训一体化环境；体系结构；元模型；DoDAF；MOF

0引言

反导作战是典型的以信息为中心的体系联合作战，从发现、识别、决策、拦截、评估到再拦截，持续时间短，作战过程紧密衔接，作战环节高度融合，对反导体系中的装备试验和部队训练手段提出了极高的要求，迫切需要构建反导体系试训一体化环境，在试验中前推训练科目，在训练中后延试验内容，形成试训一体化的综合保障能力，实现装备与体系、技术与战术、现役与在研的融合发展，促进反导体系战斗力的快速生成。

反导体系试训一体化环境基于体系结构设计方法，利用仿真技术，为反导体系总体设计、集成联试、能力验证和部队训练等提供一体化的“试、训、研、评”手段支撑的环境，具有结构上的演化性、组成上的异构性、功能上的多样性和部署上的分布性等典型的“体系”特征。因此，建设中应以“体系工程”理论方法作为指导[1]，“体系结构设计方法”作为“体系工程”理论方法的主要内容之一，对于反导体系试训一体化环境的构建至关重要。

目前，体系结构设计大多基于DoDAF(DoD architecture framework)开展。DoDAF是美国国防部为使各级管理者能够打破各部门、各层次的界限，实现有序的信息共享、提高关键决策能力的一套框架，为国防部体系结构开发、描述、继承定义了一种通用的方法，确保体系结构设计成果能在不同机构之间进行比较和关联。DoDAF为开发和表示体系结构提供了规则、指导和产品描述，保证在理解、比较和集成体系结构时有一个公共的标准[2]。

基于DoDAF的体系结构设计存在2种设计思想，一种是以“视图产品”为中心的体系结构设计思想(DoDAF1.5之前)[3]，另一种是以“数据”为中心的体系结构设计思想(DoDAF2.0之后)[4]。国内开展体系结构设计大多采用以“视图产品”为中心的设计思想[5-8]，以“数据”为中心的体系结构设计尚未见成功应用案例[9-11]。以“视图产品”为中心开展体系结构设计，主要存在3方面的问题：一是设计成果的可重用性差，不同单位体系结构模型的描述规范、底层数据存储格式不尽相同，难以实现模型的跨单位、跨平台共享；二是设计成果的可扩展性差，体系结构模型无统一的标准“词汇”，缺乏对体系结构模型的一致性理解，用户难以按照需求对模型进行扩展；三是设计成果的可验证性差，每类视图产品描述提供了标准的“词汇”和“词汇”间的逻辑关系，但不同类视图的“词汇”间缺少关联关系，导致体系结构模型验证缺少数据逻辑基础，难以开展可执行评估、一致性检验和冲突检验等验证操作。

针对上述问题，本文采用以“数据”为中心的设计思路，借鉴DoDAF2.0和MOF(meta object facility)中元模型的相关概念，提出了基于“元模型”的反导体系试训一体化环境体系结构设计方法，解决了体系结构设计成果可重用性、可扩展性、可验证性差的问题，并通过实例对该方法进行了应用实践。研究丰富完善了反导体系试训理论、方法体系，为下一步的环境建设奠定了良好的基础。

1基于元模型的体系结构设计方法

借鉴DoDAF2.0以“数据”为中心的体系结构设计思路，基于元模型的体系结构设计的基本步骤如图1所示。第1步是定义元模型，即根据反导体系试训一体化环境的特点，基于DoDAF2.0的12种元模型(执行者、资源流、信息和数据、活动、训练/技能、能力、服务、项目、目标、规则、度量、位置)建立反导体系试训一体化环境体系结构的建模词汇；第2步是收集数据，每种元模型都有体现其逻辑结构的“逻辑数据模型”，定义“逻辑数据模型”中各数据项的底层存储格式(XML schema definitions格式，简称XSD格式)，并按照各数据项的含义，结合业务领域，收集所需的数据；第3步是数据存储，抽取、合并、存储收集到的实例数据，形成“元模型数据集”，并分类保存为XML格式的数据文件；第4步是提取视图产品，通过定义元模型和视图产品之间的映射关系，从“元模型数据集”中提取相关数据，并通过图形化引擎进行展示，形成用户所需的视图产品。显而易见，“元模型”是整个体系结构设计的核心，“视图产品”只是展示元模型数据的一种方式，开展反导体系试训一体化环境体系结构设计，重点就是解决其元模型的定义、描述，元模型数据的存储以及元模型到视图产品之间的映射关系问题。

基于元模型的体系结构设计，虽然最终设计成果仍是“视图产品”，但设计的核心却是“元模型”及其相关数据，基本词汇由视图产品中的“图元”深入到了元模型中的“词汇”，极大地提高了体系架构建模的标准化和灵活程度。其优势主要体现在以下3个方面：一是有利于体系结构设计所需数据的收集和设计成果的重用;二是有利于保证体系结构产品之间、不同体系结构视图之间数据的一致性;三是便于使用不同体系结构工具进行体系结构建模。

2反导体系试训一体化环境体系结构元模型

2.1元模型的定义

由MOF经典的4层元建模架构[12]可知，元模型层(M2)是对模型层(M1)的抽象，元模型定义了模型的描述语言，模型是元模型的一个实例。借鉴上述概念，定义如下：反导体系试训一体化环境体系结构元模型是其体系结构建模语言的模型，它不仅为建模语言提供了标准的词汇，定义了建模语言的语法和语义，而且明确了词汇的底层数据存储规范，提供了体系结构建模所需数据的收集方法，为建立可重用、可扩展、可验证的体系结构模型奠定了底层的数据和逻辑基础。反导体系试训一体化环境体系结构元建模的过程，就是定义体系结构元模型中的类、关联关系以及物理交换规范，建立完备的反导体系试训一体化环境体系结构元模型体系的过程。

2.2元模型的分类

体系结构元模型的类型是由体系结构建模过程中提取和抽象的核心词汇决定的。反导体系试训一体化环境体系结构建模的一项重要工作，就是回答谁(Who)、什么(What)、何时(When)、何地(Where)、为什么(Why)，怎么办(How)问题。为了回答上述6个标准问题，参照DoDAF2.0中有关元模型数据组[4]的定义，定义“执行者、资源流、信息和数据、活动、能力、服务、项目、目标、规则、度量和位置”作为环境体系结构建模的核心词汇。其中，执行者对应的是Who，资源流、信息和数据对应的是What，位置对应的是Where，规则、目标对应的是Why，活动、能力、度量对应的是How，When则在上述核心词汇中均有体现。围绕这11个核心词汇，可形成为11个元模型数据组(简称为元模型)，如图2为能力元模型，这11个元模型可实现对反导体系试训一体化环境体系结构的完备化描述，并为将来的数据采集提供指导。需要强调的是，上述11个元模型只是根据反导体系试训一体化环境体系结构建模的需求，定义的词汇分组，用户具体使用时可根据自己的实际情况，定义不同的词汇分组。

图1　基于元模型的体系结构设计步骤Fig.1　Architecture design steps based on meta-model

2.3元模型的描述

元模型可以通过其高层数据结构来进行描述，高层数据结构是各级建模者理解元模型体系结构描述的数据基础，图2也是能力元模型的高层体系结构示意图，易知，图中包括2类元素：一类是词汇(白框显示)，如资源、能力、执行者、活动等；另一类是词汇和词汇之间的关联关系(特殊的词汇，灰框显示)，如类型实例关系(TypeInstance)、先后关系(BeforeAfterType)、整体部分关系(WholePartType)、交迭关系(OverlapType)等。需要说明的是描述能力所需的词汇很多，能力元模型只是定义了描述能力所需的基本词汇，并没有涵盖描述能力的所有词汇，建模者可以根据需要，在此基础上扩展新的、不重复的词汇。

2.4元模型的存储

元模型中数据的存储格式是由元模型的数据交换规范决定的，通过定义元数据交换规范，使体系结构设计成果在不同体系结构建模工具和不同设计方法间共享成为可能。由于XML具有结构化良好、自描述、可扩展等特点，因此，反导体系试训一体化环境体系结构模型数据的存储采用XML文件格式，其模型数据的存储格式(即元模型的数据交换规范)，由XSD文件定义。以能力元模型中的“能力(Capability)”和“整体部分关系(WholePartType)”为例(图2中斜线填充所示)，其XSD文件的格式如图3所示[13-14]。

其中，“能力”的XSD中定义的要素主要包括类型(FoundationCategory)、标识(id)等；“WholePartType”的XSD中定义的要素除了类型 FoundationCategory、标识(id)外，还要定义其两端实体的标识(place1Type和place2Type)。在实际的体系结构模型文件中，相同类型的词汇存储在一起，其格式、属性相同，可以方便地进行检索和提取。

2.5体系结构元模型到视图产品的映射

以“数据”为中心的体系结构建模的最终结果仍然是“视图产品”，因此，建立元模型和视图产品之间的映射，是开展体系结构建模的关键，也是最后一个环节。此处以反导体系试训一体化环境体系结构中的能力分类法模型(CV-2)为例，阐述元模型到视图产品的映射方法。

图2　能力元模型示意图Fig.2　Meta-model for capability

图3　“能力”和“整体部分关系”的数据存储格式Fig.3　Storage format of Capability and WholePartType

根据CV-2元模型(由视图和词汇映射关系决定[4])，构建CV-2所需的能力元模型中的词汇包括“能力”、“活动”、“度量类型”和“度量”，所需的关联关系包括“能力的活动部分”、“整体部分关系”和“能力的活动部分的度量”，如图2中圆角框和虚线部分所示；而由CV-2的定义可知，该模型主要描述能力和其子能力之间的从属关系，其包含2类要素：能力和隶属关系线；因此，建立CV-2元模型和CV-2模型中词汇的映射关系如图4中的表b)所示。

依据上述映射关系，可由能力元模型构造CV-2，基本过程如下：首先根据CV-2元模型中定义的词汇和关联关系，结合反导体系试训一体化环境实际情况，收集词汇和关联关系对应的数据，形成一个带有元模型标记的、由CV-2所需数据组成的逻辑关系图(简称CV-2数据关系图)，如图4a)所示；其次，根据图4中表b)定义的映射关系，在CV-2数据关系图中提取数据，形成反导体系试训一体化环境的能力分类法模型CV-2，如图4c)所示。需要说明的是，CV-2数据关系图只是底层数据的一种可视化表示方法，并不是最终展示给用户浏览的视图产品。用户需要根据数据关系图，生成易于理解、具有通用性的视图产品。

3应用示例

以反导体系试训一体化环境能力视图为例，运用本文提出的方法，进行体系结构设计，受篇幅所限，仅对能力构想模型CV-1、能力到活动的映射模型CV-6的生成过程进行描述，主要步骤如下：

(1) 定义元模型

由2.2节可知，区域反导体系试训一体化环境体系结构建模所需的元模型主要有11个，其中，根据CV-1，CV-6元模型，CV-1需要的词汇有“能力”、“预期效果”、“活动”、“度量类型”、“度量”、“能力的活动部分”、“预期效果的度量”和“能力的期望结果”； CV-6需要的词汇有“能力”、“活动” 和 “能力的活动部分”。

(2) 收集数据

针对视图产品CV-1和CV-6所需的词汇，结合反导体系试训一体化环境实际情况，收集相关数据，形成CV-1，CV-6的数据关系图，如图5a)、图6a)所示。

(3) 存储数据

按照CV-1.xsd和CV-6.xsd定义的数据存储格式，对收集到的数据分类存储，形成CV-1.xml和CV-6.xml数据文件。

(4) 生成视图产品

设置CV-1和CV-6中的要素和元模型中的要素之间的映射关系，提取CV-1.xml和CV-6.xml中的数据，并通过图形化引擎形成视图产品。对于CV-1来说，主要映射关系如下：能力→能力，开始时间→度量，结束时间→度量，目标→预期效果，前景→预期效果，能力与阶段连线→预期效果的度量，阶段目标连线→能力的期望结果；对于CV-6来说，主要映射关系如下：能力→能力，活动→活动，能力到活动的映射→能力的活动部分，则由数据关系图生成的CV-1和CV-6如图6所示。

图5　CV-1数据关系图与CV-1模型Fig.5　CV-1 with DoDAF Meta-model Markups and CV-1 model

图6　CV-6数据关系图与CV-6模型Fig.6　CV-6 with DoDAF Meta-model Markups and CV-6 model

4结束语

本文针对反导体系试训一体化环境建设急需，参考DoDAF和MOF相关理论，提出了基于“元模型”的反导体系试训一体化环境体系结构设计方法，为解决目前以“视图产品”为中心的体系结构设计中存在的设计成果可重用性、可扩展性、可验证性差的问题，提供了一条思路，具有一定的现实和借鉴意义。下一步将重点在3个方面展开研究:一是需不断扩充完善反导体系试训一体化环境体系结构元模型；本文只是定义了反导体系试训一体化环境体系结构建模所需的11类元模型及元模型中典型的词汇，并没有包含全部，后续应根据其和仿真相关的特点，继续补充和完善。二是需加大对基于元模型的体系结构建模工具的研究[15]；与以“视图产品”为中心的体系结构建模相比，基于元模型的体系结构建模过程更为复杂，对建模人员自身的业务素质和对建模语言的理解要求更高，建模难度较大，因此，应尽早展开基于元模型的体系结构建模工具的研制，降低建模门槛。三是需加强反导体系试训一体化环境体系结构设计方法与开发集成、评估方法的一体化研究；基于元模型开展体系结构设计的主要目的，是提高体系结构设计成果的可重用性，便于后续的开发集成和评估，并确保体系结构设计的不变形。因此，应从构建反导体系试训一体化环境建设方法体系的角度，一体化地对各方法展开研究。

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Modeling Method of BMDS Integrated Test and Training Environment Architecture

ZHANG Guo-qiang1,2a, LIU Xiao-he1, JIANG Fang-ting2b, ZHANG Xiao-ke3

(1．Air Force Command College, Beijing 100097, China;2． Equipment Academy of Air Force;a.Land-Based Air Defense Equipment Institute;b．Radar and Electromagnetic Countermeasure Equipment Institute,Beijing 100085, China;3．National University of Defense Technology,College of Information System and Management, Hunan Changsha 410073, China)

Abstract:By referring to the relevant theories of DoDAF2.0 (DoD architecture framework 2.0) and MOF (meta object facility), BMDS integrated test and training environment architecture design method is proposed based on meta-model. By defining the concept of architecture meta-model, specifying the storage format of meta-model, and setting up the map between the meta-model and viewpoint products, this method improves the degree of the standardization of architectural modeling and ensures that the design results can be reused for subsequent development, integration and evaluation. The achievements laid the foundation for the further construction of environment, and also can be learned by other system-of-systems architecture design.

Key words:ballistic missile defense system-of-systems; integrated test and training environment; architecture; meta-model; DoD architecture framework(DoDAF); meta object facility(MOF)

中图分类号：TP391.9；TJ761

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2015)-05-0223-07

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.036

通信地址：100085北京市2861信箱5分箱E-mail：moonlight1999@sina.cn

作者简介：张国强(1976-)，男，河南洛阳人。工程师，博士生，研究方向为地面防空反导装备体系论证。

*收稿日期：2014-12-31；修回日期：2015-03-13