基于UML方法的C4ISR体系结构设计研究*

金　亮

(北京西三环中路19号　北京　100841)



基于UML方法的C4ISR体系结构设计研究*

金亮

(北京西三环中路19号北京100841)

系统体系结构设计技术研究对于系统的研制开发有着极为重要的意义。分析研究了C4ISR体系结构的产品集和相互关系，给出了C4ISR体系结构设计的原则、思路和设计内容。提出了基于UML方法的C4ISR体系结构设计方法，完成了体系架构分析和设计。

UML;C4ISR;作战体系结构;结构设计

Class NumberTN219

1　引言

未来海军信息化作战属于全新的作战样式，军事需求的复杂多变，由此带来海军综合电子信息系统指挥关系、体系结构、组成与接口复杂。海军综合电子信息系统的研制过程中将大量应用新技术，技术难度和风险大，因此，需科学手段开展设计建模与论证，构建快速原型，降低研制风险。

体系结构建模设计与验证是海战场综合电子信息系统这类复杂C4ISR系统先期论证、设计、开发、试验、测试全过程所采用的重要且有效的方法之一[1]。开展系统体系结构设计技术研究对舰艇指控系统的研制开发有着极为重要的意义。

2　C4ISR体系结构框架内容

2.1体系结构之间的相互关系

作战体系结构以任务领域或以作战过程为基础，描述了关于支持一个特定使命所要求的信息交换、互操作和性能参数的详细内容：系统体系结构描述了功能和物理自动化系统、节点、平台、通信线路和其它关键要素[4]。它们保障在作战体系结构中描述的信息交换要求的实现和作战人员的任务完成：技术体系结构确定了具体的实现规则。三种体系结构共同提供了互联、互通、互操作的基础。

2.2体系结构产品集的主要内容

C4ISR系统的体系结构产品集包含的主要内容如图1所示。

高级作战概念图的主要目的是便于高级决策者之间进行交流。内容包括作战使命、各种设施地理分布连接能力等作战概念的概要图形描述。作战节点连接性描述是高级作战概念图进行作战功能分解后的描述，是其它产品的基础。该产品表述作战节点的活动、它们之间的连接线路以及交换信息的特征。产品中的节点不是真实的物理设施，而是作战角色基础上的虚拟节点，其中信息交换的详细设计在作战信息交换矩阵中描述。活动模型通过模型来理解一个系统，设计时应采用分层结构设计的方法，自顶向下对活动进行逐级分解，直到满足体系结构目标要求为止。作战规则模型、作战状态变化描述、作战事件、行程描述三个产品结合起来构成作战活动序列和计时描述，通过引入时间线的概念，描述体系结构动态行为的特征[5]。逻辑数据模型反映作战体系结构中的数据要求。

图1　C4ISR体系结构产品集

系统接口描述是作战与系统体系结构联系的纽带。它通过对分配给作战节点连接性描述中节点和必需线路的系统及其接口的描述，把作战体系结构与系统体系结构结合到一起：系统通信描述确定系统的通信系统或网络以及它们的物理节点、配置细节。该产品主要是针对作战节点连接性描述中所描述的信息必需线路的物理部分。系统平方矩阵描述在系统接口描述中的节点间和节点内透视图里定义的系统到系统的关系。系统功能描述表示在系统功能之间的数据流、系统之间或系统功能之间的关系，以及节点上的活动。作战活动与系统功能跟踪能力矩阵通过描述作战活动对系统功能的多对多的映射关系，进一步帮助在作战与系统体系结构之间建立连接。

3　C4ISR体系结构设计

3.1设计原则

C4ISR系统的体系结构设计过程中，应当遵从如下原则：

重视作战需求的分析研究，避免研制与应用脱节；使用通用术语和定义，确保体系结构在军内是相关的、可比较的和可集成的；开发的体系结构应当是“积木式”的，可以重复使用和分解，适用于多种目的；充分借鉴美军C4ISR系统体系结构研究成果，加强技术引进与消化吸收；立足国情、军情，重视对现有系统软硬件的集成与平台的信息化改造；最大限度地采用国际商用标准，及时采纳新技术和新标准，逐步淘汰旧的技术标准。

3.2设计思路

体系结构主要是解决多军兵种之间的互联、互通、互操作问题。因此，在体系结构设计中，研究重点应是从体系结构中找到互操作途径，确定交换信息，解决各军种之间的接口问题。设计过程中，首先依据联合战役纲要和各军种作战条令，把通用训练科目表向下扩展，直到不可再分的任务层次，导出完成任务所需要作战活动的定义[6]。以活动为基础，导出活动过程中的信息交换需求，按照作战任务、作战活动和信息活动三个结构层次，以规范的图、表形式设计出作战体系结构。再以作战体系结构为指导，按技术体系结构的信息标准规定，定义系统物理性能与接口，得到系统体系结构，从而完成C4ISR系统的体系结构设计。

3.3实现途径与方法

C4ISR系统的体系结构最终是通过该系统的体系结构产品集来描述的。完成后的产品集就构成了对该C4ISR系统的体系结构的具体描述。一个具体C4ISR系统的体系结构产品集取决于该体系结构的目的与用途[8]。一般来说，对于广阔范围和高等级的分解，基本产品集就能满足要求，而对于特定用途和范围的系统，则要包含更详细的分解和建模，必须产生支持产品。

体系结构产品集的实现途径与方法：

1)首先确定系统的目的和功能，广泛地收集相关领域内的各种信息，确定体系结构相应的范围、背景和环境等，为后续工作做好基础。

2)明确作战概念和需求，根据系统的作战需求，设计描述作战使命、各种设施地理配置、连接能力等高级作战概念图。

3)利用通用训练科目表以及组织构成和相互关系，结合设计的高级作战概念图，进行功能分解和组织分析，完成指挥关系图。

4)结合作战条令、条例，分解作战任务，得到与作战节点活动相关的各种任务分配模型、逻辑数据模型、作战事件与行程描述等；利用分析处理结果，并结合作战信息元素，进而得到与作战信息元素相关的产品，如信息元素状态、交换关系(包括信息交换格式，信息内容和信息量)等产品。

5)分析系统元素及其功能、状态，结合活动模型有关产品，得到系统接口描述和物理数据模型等产品。

6)利用前面分析得到的系统活动模型产品、作战信息元素、以及最初的物理结构，并结合相关技术标准和系统属性要求，得到系统信息元素及其交换、系统通信描述、系统性能参数等产品。

3.4体系结构的设计内容

体系结构的设计包含了作战体系结构、系统体系结构和技术体系结构的设计内容。

· 作战使命。在作战使命描述中应该明确C4ISR系统所支持和参与完成的作战任务是什么，也就是在一定作战环境和作战背景下，明确系统总的作战任务和使命，完成这些作战任务所需完成的作战活动和具有的作战功能，并且作战过程中双方可能的交战过程和方式，这是对作战体系结构中系统可能与外界发生的交互关系的描述，是作战对系统的一个总的需求描述，它是其他分析和设计的基础[7]。

· 作战节点的连接关系。作战节点连接关系主要定义完成作战任务的基本作战要素或作战节点以及它们之间关系，同时明确为支持作战使命完成各作战节点应完成的作战活动和具备的功能，作战节点的关系包括作战节点之间的连接和信息交互关系，它反映了作战体系结构的两种数据流关系：指挥控制流和信息流。

· 作战信息交换表。作战信息交换表根据作战节点之间的连接关系和指挥关系，明确它们之间的信息交换关系，即决定谁与谁、为什么目的要交换什么样的信息，因此，必须明确交换信息的属性、信息交换的要求以及交换信息所支持的活动和功能，如类型、媒体形式、数据量、质量等性能要求。

· 作战活动模型。在作战节点连接关系描述的作战活动的基础上，进一步明确各功能活动实现所必须的子功能，即进行功能和活动的分解，在功能分解的基础上，描述完成作战任务系统必须具有的作战活动。

· 作战活动动态特征。体系结构中的一些关键特征常常出现在系统的动态行为中。因此，应该对反映和影响体系结构关键特征的作战状态的变化进行具体的描述，作战活动动态特征描述应该包括典型作战状态的变化、关键作战状态变化遵循的基本规则、关键状态之间的时序关系[9]。

逻辑数据模型。逻辑数据模型应该全面描述在作战体系结构中涉及的数据的逻辑结构，逻辑数据模型是在信息交换设计的基础上，进一步明确具体交换的数据所包含的属性(数据项)以及数据之间的关系。

4　基于UML方法的体系结构设计

4.1面向对象设计方法

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，以更接近人类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。在面向对象设计中，对象是描述实体的概念。面向对象设计包括两个重要方面，一是面向对象的分解，二是使用面的对象表示方法描述所设计系统的逻辑模型(类和对象结构)、物理模型(模块和过程体系结构)以及系统的静态和动态模型(交互、顺序、状态)。面向对象设计方法是一种自底向上归纳和自顶向下分解相结合的方法。

4.2利用UML描述C4ISR体系架构

统一建模语言UML是支持面向对象设计的常用语言。UML语言包括用例图、类图、交互图、状态图等。下面以UML语言为例说明面向对象的体系结构设计方法。

表1　C4ISR体系架构与UML2.0描述方法的对应关系

图2　C4ISR体系架构的UML描述方法

利用UML语言进行C4ISR系统体系结构设计的步骤如下：

1)利用用例图产生一般概括性描述根据C4ISR系统支持作战活动的概念和作战过程的描述以及系统的用途和作用，构造说明系统用途的用例图。

2)反复使用用例，构造体系结构的顺序图顺序图是系统对象动态行为的静态表示，体现对象间消息传递的前后顺序。在顺序图构造的过程中，要提取系统的对象类。此外，由于系统功能在顺序图上执行，对顺序图进行扩展，可以由此得到系统的功能分解[10]。

3)对象分解，对象分解的目的就是要把整个系统由单一的实体分解为几个主要的组成部分，这样不仅可以得到系统的物理实体分解，而且可以得到系统的功能实体。对象分解与顺序图中的实体建立对应关系。

4)构造状态图，状态图描述一个对象的所有可能状态以及由于事件触发引起状态之间的转移关系。在对象分解的基础上，对各对象构建状态转移图。

按照上述步骤，利用UML语言可以得到美军的“C4ISR体系结构框架2.0”的主要产品，设计过程和得到的主要产品如图3所示。和结构化分析设计方法相比，面向对象分析方法虽然不能够得到体系结构框架的全部产品，但是利用面向对象的设计方法可以通过单一的工具支持设计的全过程，如支持UML语言的软件工具，在具体设计上更容易获得完整的设计数据。

图3　利用UML设计C4ISR体系结构的过程

5　C4ISR体系结构设计实例

本文利用Rhapsody DoDAF Pack工具，采用三视图体系结构设计方法，对C4ISR系统的简单原型系统进行了体系结构设计。该简单原型系统可能还存在很多不妥之处，但该简单实例的目的重在说明三视图体系结构设计方法在C4ISR系统中的应用。设计以DoDAF架构中OV-1高层作战概念图、OV-4指挥关系图、SV-10a/b系统活动规则和状态转移图为例进行设计说明。

5.1高层概念图设计

舰艇指控系统是海战场综合电子信息系统中的重要组成部分，该系统是整个编队联合作战的核心系统，是指挥控制、信息共享、武器协同控制等环节的关键所在，对舰船编队作战效能的发挥有着至关重要的作用。海战场综合电子信息系统的OV-1高层作战概念图的主要构成如图4所示，有舰船编队指挥中心、舰船本舰指挥中心、航空联队指挥中心舰载探测系统、 舰载武器系统、航载通信系统、潜艇作战系统、无人机综合航电系统、作战飞机综合航电系统、空中预警指挥系统岸基指挥控制系统等。海战场综合电子信息系统由空空网、舰空网、舰舰网、本舰内网、舰潜网等通信链路和通信网络实现信息共享和互联互通，协同作战。

图4　海战场综合电子信息系统的主要构成

海战场综合电子信息系统的典型作战任务由对空作战、对海作战、对潜作战，作战节点由编队指挥舰、预警机、攻击机机组、战斗机、驱护舰编队、驱逐舰、护卫舰、直升机、潜艇共同构成，如图5所示。

图5　编队指挥舰指控系统作战任务和作战节点

5.2指挥关系图设计

编队作战中的OV-4指挥关系图如图6所示。指挥舰负责攻击机机组、舰艇编队等编队级兵力的直接指挥控制以及攻击型核潜艇和空中预警机的配置与部署等；攻击机机组负责空中战斗机编队的各架战斗机的具体指挥控制任务，协同整个机组兵力完成对空拦截、对海攻击任务；舰艇编队指挥所负责驱逐舰、护卫舰、直升机在对海、反潜作战任务中的具体指挥控制和作战实施。

图6　编队作战指挥关系图

5.3系统活动规则和状态转移设计

以指挥舰雷达系统为例设计了系统活动规则和状态转移图如图7所示。雷达系统对空中目标、水面目标进行扫描跟踪，为情报处理和统一态势提供情报信息，其工作状态分为探测状态、信号处理状态、边扫边跟状态。

图7　指挥舰雷达系统活动规则和状态转移图

其状态转换关系为

1)系统开机进入探测状态；

2)接收回波信号，进入探测信号处理状态，如果探测到目标，进入边扫边跟状态，否则回到探测状态；

3)边扫边跟状态下如果有目标入侵，进入探测信号处理状态，处理后回到边扫边跟状态；

4)边扫边跟状态下如果有目标消失，判断是否还跟踪其它目标，如果没有跟踪对象，则进入探测状态。

6　结语

本文首先分析了体系结构的定义和组成部分，重点研究了C4ISR体系结构框架的组成部分，分析作战体系结构、系统体系结构、技术体系结构的相互关系，研究了C4ISR体系结构产品集的内容和逻辑关系。给出了C4ISR体系结构的设计原则和设计思路，并重点研究了体系结构各产品的设计内容。最后基于UML方法对C4ISR体系架构进行分析和设计。本文对C4ISR系统体系结构设计内容和设计方法的研究，不仅可以应用在以海上指挥控制系统的原型设计、论证和研制中，还可以应用在其他综合电子信息系统的原型设计、论证和研制中。

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C4ISR Architecture Design Based on UML

JIN Liang

(No.19 Central Xisanhuan Road,Beijing100841)

System architecture design technology is very important for system manufacture.This paper studies products of C4ISR architecture and their interrelationship in system architecture.Then principles,ways and contents of design of C4ISR architecture are given out.This paper proposes design method of C4ISR architecture based on UML,and then completes analysis and design architecture of C4ISR.

UML,C4ISR,combat system architecture,architecture design

2016年3月7日,

2016年4月23日

金亮，男，硕士，工程师，研究方向：电子信息系统。

TN219DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.003