基于模型系统工程在全舰计算环境集成框架的应用概览

董晓明，胡洋

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

基于模型系统工程在全舰计算环境集成框架的应用概览

董晓明，胡洋

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

“全舰计算环境”（TSCE）作为当今软件密集型复杂武器系统的典型代表，需要从研制模式上转变传统的系统工程实践，采用基于模型的系统工程（MBSE）解决方案，从以文档为中心转变为以模型为中心，实现系统的快速开发以应对需求和环境的变化。首先，介绍MBSE的发展概况及国内外相关研究情况，然后，结合TSCE集成框架并参考经典的V模型，梳理系统工程过程，初步建立各个阶段与美国国防部体系结构框架（DoDAF）视点或模型的对应关系。重点讨论为了得到合适的TSCE系统模型应该采用的建模规范和标准，主要包括：系统建模语言（SysML）、可扩展标记语言（XML）模式、面向服务架构（SOA）、业务流程模型与标注（BPMN）、军事想定定义语言（MSDL）、联合作战管理语言（C-BML）等。形式化建模方法的应用预期将在构建TSCE集成框架的过程中发挥重要作用。

基于模型的系统工程（MBSE）；建模规范；全舰计算环境（TSCE）；集成框架

0 引 言

系统工程是上世纪60年代以来国内外国防领域所重视和推行的研制管理方法。然而，随着系统规模及复杂性的显著增加和装备信息化水平的提高，传统的、基于文本的系统工程方法（Texted Systems Engineering，TSE）已经不能满足需求。因此，传统的系统工程实践正在向基于模型的系统工程发展演进，实现从以文档为中心向以模型为中心的转变［1］。

图1 从以文档为中心向以模型为中心的系统工程转变Fig.1 Transition from document centric to model centric systems engineering

根据国际系统工程学会（International Councilon Systems Engineering，INCOSE）在《系统工程2020年愿景》中给出的定义，基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）是“从概念性设计阶段开始对建模的正式应用，以支持系统需求、设计、分析、校核与验证等活动，持续贯穿到开发以及后来的寿命周期阶段”。

MBSE的定义强调了建模（modeling）的应用问题。模型是对系统的简化和描述，建模就是建立系统的模型。如王崑声等［2］在“概念与内涵”中所述：系统工程的关键在于构建一个系统架构模型；传统的系统工程用各种文本文档构建系统架构模型；基于模型的系统工程用系统建模语言构建系统架构模型。实际上，各专业学科及系统工程一直在使用建模与仿真方法，也就是说，MBSE与传统系统工程的根本区别并不在于是否建模，而在于是否形式化（formalized）的建模，即建模的过程和方法是否有规范和标准。

“全舰计算环境”（Total Ship Computing Environment，TSCE）代表了舰船信息系统集成技术的先进水平，并带来舰船系统设计和集成方式的变化［3-4］。同时，作为当今软件密集型复杂武器系统的典型代表，其研制模式也应该向以模型为中心的方向转变。采用基于模型的系统工程解决方案，从需求阶段开始即通过模型（而非文档）的不断演化、迭代来实现产品的设计，为各方提供一个公共、无二义性的系统集成框架和工程环境。通过模型的形式化定义，可在设计过程中清晰描述系统架构、功能和行为等各方面的需求，并通过仿真测试对设计方案进行验证和优化。

此外，目前在软件工程领域还有其他几个类似的术语，例如，模型驱动开发（Model-Driven Development，MDD）、模型驱动工程（Model-Driven Engineering，MDE）、基于模型设计（Model-Based Design，MBD），也有MBSE指的是基于模型的软件工程（Model-Based Software Engineering）。

1 MBSE概况及相关研究

国外在MBSE的方法论以及应用方面开展了研究与实践。不仅美国航空航天局（NASA）、美国国防部（DoD）、欧空局等政府组织和相关承包商在项目中积极应用MBSE方法论，IBM等软件和方案提供商也在开发相关的支持环境。

关于MBSE方法论，Estefan和Reichwein等［5-6］对包括一系列相关过程、方法和工具以及美国国防部体系结构框架（DoDAF）和建模语言作了较全面的综述。在过程方面有3种经典的开发过程模型，包括瀑布模型、螺旋模型和V模型。此外，系统工程过程标准已从早期的MIL-STD-499发展到了现在的ANSI/EIA 632，IEEE 1220-1998和ISO/IEC 15288：2002，并在系统工程中发挥了重要作用。

在方法论和工具方面，包括IBM Harmony，INCOSE面向对象系统工程方法（OOSEM），IBM Rational统一过程（RUP），Vitech MBSE，NASA喷气推进实验室（JPL）状态分析（SA），以及Dori对象过程方法（OPM）等大多数都提供了相应的软件工具，并可支持某些过程标准或内部定义的过程模型。

在体系结构框架方面，主要包括IEEE 1471、美国DoDAF、英国MoDAF、北约NAF，开放组织TOGAF、开放分布式处理参考模型RM-ODP及Zachman等［7］。

在建模语言方面，最知名的是对象管理组织（OMG）统一建模语言（UML），它也是软件工程行业事实上的标准，具有最广泛的工具支持和应用。系统建模语言（SysML）是在重用和扩展新版UML 2的基础上，针对系统工程提供额外的模型图，同时也去掉了一些用不到的UML图，以满足包含硬件、软件、数据、流程和其他系统部件的复杂系统建模。其他通用图形化符号包括实体—关

系图（E-R）、功能流程框图（FFBD）、数据流程图（DFD）、N2图、IDEF0（数据流程）和IDEF1x（实体—关系）等。

除了通用建模语言外，还有许多领域特定建模 语 言（Domain-Specific Modeling Languages，DSML），例如，数据格式描述语言（DFDL）、军事想定定义语言（MSDL）、联合作战管理语言（C-BML）、业务流程执行语言（WS-BPEL）、Web Services描述语言（WSDL）等。

MBSE的重点是依赖系统建模的系统工程过程，因此，需求分析、系统设计、集成、校核与验证等活动都是围绕模型展开的。Piaszczyk［8］通过一组例子，展示了根据DoDAF指导实现的MBSE方法论，它强调需求的可追溯性，从体系结构视图所代表的系统模型得到操作、功能、系统和物理需求。不过，这里给出的模型图采用的是一种接近IDEF的非标准图形化标注。

Hoffmann［9］详细介绍了IBM的MBSE解决方案Rational Harmony和工具软件 Rhapsody，将SysML应用于系统集成设计和软件开发过程，并以某个安全系统的设计为例，从导入干系人需求开始，到完成可执行的系统架构模型定义结束。Montgomery［10］从系统集成商的角度强调在系统设计初期，最大限度地发挥MBSE在系统工程团队中的影响力，采用其核心方法和工具来降低系统集成和认证的风险，最终实现系统集成的目标。Young［11］探索了大系统（SoS）工程的概念设计，认为优化的系统和SoS以及企业体系结构设计都需要向更多地基于模型的环境转变，并通过UML/ SysML建模语言来完成，同时还必须符合DoDAF的标准要求。Mittal等［12］研究了基于离散事件系统（DEVS）的DEVS统一过程（DUNIP），结合基于模型和模型驱动的不同风格（例如MBSE和MDE），通过领域特定语言以及模型转换技术提供关联SoS需求的机制，并应用于网络中心环境设计。

约翰·霍普金斯大学应用物理实验室（APL）的团队采用UML/SysML等MBSE方法的概念建模过程（包括领域模型、用例、功能性模型和结构性模型）支持SoS体系结构开发，并应用于复杂系统的分析，特别是应用于因复杂性、信息密集、范围广而对建模仿真具有巨大挑战的网络中心战领域［13］。

Tepper［14］以舰船推进系统的体系结构设计为例，使用Vitech CORE和SysML设计工具，研究了MBSE方法在美国海军舰船设计和采办过程中的应用，认为该方法可使设计者能更好沟通，追溯需求，支持设计决策。Jepperson［15］介绍了MBSE方法在美国国防部空间与导弹系统中心（SMC）的应用，该论文以实例演示了SysML如何支持OPIR任务地区体系结构的开发。研究使用的建模工具是MagicDraw，文中特别强调了ISO 10303 AP233数据交换规范在不同系统工程和项目管理工具之间进行数据集成的重要作用。

洛克希德·马丁公司在美国海军海上系统司令部（NAVSEA）支持下开展的潜艇作战联邦战术系统（Submarine Warfare Federated TacticalSystems，SWFTS）工程与集成项目的研究中，使系统实现了从传统的以文档为中心向MBSE的转变［16-17］。该项目采用UML/SysML/SoaML建模语言以及Magic-Draw建模工具和DOORS需求管理工具提出复杂产品家族（Complex Product Families，CPF）的概念，即由一个公共的产品平台衍生出一组产品，例如，巡洋舰或驱逐舰等不同平台的“宙斯盾”作战系统、不同版本的F-35等。SWFTS作为通用潜艇作战系统，部署在美国和澳大利亚海军的潜艇编队中，该系统通过41个分系统的配置组合可支持包括“洛杉矶”级、“洛杉矶”级改进型、“弗吉尼亚”级等6个不同级别、11个型号近90艘潜艇。

此外，瑞典萨伯航空（Saab Aerosystems）公司还在斯柯达V150 UAV系统的设计生产中获得了运用UML/SysML实施MBSE的经验［18］。

在国内，钱学森的系统工程思想在军工领域，特别是航天领域有着重要影响。他认为“系统工程是成功实现系统的方法，也是应对技术复杂性的有效方法”，航天系统工程方法强调总体设计，遵循研制程序［19］。近年来，航空航天领域也开展了MBSE的应用研究，例如，结合飞机研制过程，分析MBSE技术的实施方法［20］；使用Harmony-SE过程分析MBSE在当前机载电子产品的应用［21］；借助MBSE方法和需求建模工具，在飞机航电系统设计中完成由经验研发向需求研发的转变［22］；在航天器研制中，以接口数据单（IDS）作为统一数据源，通过基于模型定义（MBD）开展全三维数字化产品定义［23］；以及在载人飞船交会对接任务设计中［24］、在微系统设计中的应用［25］等。

2 TSCE集成框架与过程

系统工程过程的V模型最早于1991年由NASA提出，经过多年的发展已经产生多种V模型的变体。该模型通常强调如图2所示左侧的“自顶向下”的分解、定义设计过程和右侧的“自底向上”的集成、验证实现过程。从干系人需求定义、需求分析、架构设计到开发实现、集成测试和验证

的整个项目生命周期都是增量的、迭代的。图2是我们改造过的TSCE系统集成过程V模型，它简略地表达了各阶段与DoDAF视点或模型的映射关系。

图2 系统集成过程的V模型Fig.2 Systems engineering process V-model

1）在干系人需求定义阶段，主要定义全视点（AV）和能力视点（CV），并对作战想定达成一致；

2）在系统需求分析阶段，针对作战视点（OV）和概念数据模型（DIV-1）进行建模，以功能需求为主，完成一系列用例设计；

3）在架构设计阶段，主要完成系统视点（SV）、服务视点（SvcV）、逻辑数据模型（DIV-2）、技术标准视点（StdV）。

上述各阶段产生的模型都应该纳入全局统一的模型库。同时，MBSE更关注需求管理、配置管理、风险管理、数据管理等技术管理过程。

传统的系统工程以系统需求文档（SRD）、系统设计文档（SDD）、接口控制文档（ICD）、测试与评估计划（TEMP）等为主。

图3所示为TSCE技术架构（左）与集成框架（右）的层次示意图。TSCE技术架构可以分为基础设施、领域应用和资源管理等部分；系统集成框架包括3个层次：功能集成（任务+服务+构件）、数据集成（实时数据总线+企业服务总线）和物理集成（显示+核心处理+适配）。整个TSCE集成框架采用面向服务架构（Service-Oriented Architecture，SOA）和大量商用现货产品（COTS），以实现开放式架构的系统（详见文献［3-4］）。通过各层次模型之间的关联关系，满足整个系统设计过程对于需求的追溯和实现要求，以模型支撑整个系统的需求分析、功能分析、架构设计、详细设计、集成测试、校核验证等活动。

图3 TSCE技术架构（左）和集成框架（右）Fig.3 TSCE technical architecture（left）and integration framework（right）

下一节将重点关注在系统工程的各阶段、集成框架的各层次为了得到合适的系统模型应该采用的建模方法，特别是规范和标准。

3 建模方法

一般讲到MBSE离不开系统建模，总会讲到UML/SysML。但是，这里的“模型”并不是唯一的，在不同的设计阶段和领域，“模型”具有不同的含义。例如，对于系统设计人员，MBSE指的是通过图形化的系统建模语言（如SysML）建立的模型；对于软件工程师，MBSE指的是UML建模；对于产品结构设计人员，MBSE指的是通过CAD软件建立的三维模型；对于仿真控制设计人员，MBSE指的是通过Matlab/Simulink等工具构建的模型。因此，MBSE的实施必须依赖不同的DSML以及模型转换技术来提供关联SoS需求的机制。

以下讨论几种可在构建TSCE集成框架过程

中发挥重要作用的建模方法，主要包括UML/Sys-ML（功能模型及概念数据模型）和XML模式（逻辑数据模型），DFDL（物理数据模型），BPMN（业务流程模型），DRL（Drools规则模型），SOA/WS-BPEL/ WSDL（面向服务架构的相关模型），MSDL（军事想定模型），C-BML（作战行动中的计划/命令等模型）。

3.1 UML/SysML功能建模

基于模型的系统工程的主要目标是为了方便沟通、规范开发、提高设计精度及系统集成度。系统模型包括系统规格的有关信息，可促进设计、分析和验证，导出需求和设计元素，开发测试案例，树立设计理念，完善所有这些实体之间的相互关系。该模型的输出也可用于设计一个满足干系人需求的系统，然后为需求分配至系统的各个部分提供路径，同时为团队成员间的沟通提供便利。基于模型的系统工程最重要的一个方面是，它使按照需求进行系统设计的过程具有可追溯性。

SysML是INCOSE和OMG在对UML进行重用和扩展的基础上，推出的可视化系统建模语言。图4所示为SysML图的分类，其中，结构图包括块定义图、内部块图、参数图和包图；行为图包括用例图、顺序图、活动图和状态图［26］。与UML2相比，SysML新增了需求图和参数图，块定义图、内部块图和活动图是在UML基础上扩展和修改的，其他重用。

图4 SysML图的分类Fig.4 Taxonomy of SysML diagrams

作为通用的图形化建模语言，能否发挥UML/ SysML的作用，很大程度上取决于不同的模型图如何与系统工程过程、与体系结构框架相结合［27-28］。

表1给出了SysML与DoDAF模型的映射关系，它充分考虑了各种SysML图的特点，分工完成不同的模型。例如，块定义图一般用来定义“块”的结构特征及块之间的关系（组成、分类、层次等）。块定义图或内部块图可以描述能力依赖关系（CV-4）、组织关系图（OV-4）、系统接口（SV-1）、概念数据（DIV-1）等模型；同时，结合参数图定义属性值的限定；活动图表示基于输入输出流程的行为（OV-5b，SV-4，SvcV-4）；状态图表示基于事件的行为（OV-6b，SV-10b，SvcV-10b）；顺序图表示消息交互行为（OV-6c，SV-10c，SvcV-10c）；用例图可以创建高层作战概念图（OV-1）；SysML新增的需求图表示基于文本的需求以及与其他需求、设计元素、测试用例之间的关系，以支撑需求的可追溯性。

表1 SysML图与DoDAF模型的映射Tab.1 Mapping from SysML diagrams to DoDAF models

系统集成商更加侧重系统重要功能的分解、交互、系统接口，以及是否能够以较低的风险完成系统装配、集成、校核与验证。通过建立SysML系统模型，有助于系统集成商从初期就开始参与工作并贯穿于整个系统工程过程，从技术上对额外的要求和设计变化进行评估。

在传统的作战系统体系结构设计过程中，已经注重使用规范的方法建立作战概念图、指挥关系图、功能结构（FFBD）、数据模型（IDEF1x）、运行流程、动态模型（有色Petri网）等［29］。在TSCE集成框架中，尤其是对于前期特别强调与干系人沟通的需求分析、功能分析等阶段，更应该考虑Sys-ML的应用，采用统一的方法、可视化工具支撑完成功能建模。

除了前面所述优点之外，使用SysML图可以

直接映射到DoDAF模型，因为对象管理组织发布了UPDM（Unified Profile for DoDAF/MODAF）标准以支持体系结构框架，允许在SysML开发过程中使用DoDAF/MODAF术语。

3.2 XML数据建模

可扩展标记语言（XML）是无处不在的互联网技术之一。1998年W3C发布了XML 1.0标准，并逐渐形成成熟的技术体系，包括DOM，DTD，XSD，XSLT，XPath，XQuery，XHTML，CSS等，它们推动了以Web Services为代表的第3次Web技术革命。本质上，XML文档是保存信息的结构化载体，具有可扩展、自描述性质以及结构、内容和表现分开等特点，并已成为通用的数据格式，而且事实上也是数据交换的标准之一。同时，XML是用来定义精确的逻辑数据模型的重要元数据标准，也是一种元语言，围绕XML产生了非常多的标准和产品，例如DFDL，MSDL，BPEL，WSDL，SOAP，MathDL等。图5所示为数据模型“自顶向下”的3个层次，即概念、逻辑和物理层次［30-32］。

图5 数据模型的层次Fig.5 Data model layers

在概念层次，主要关注不同干系人之间的准确沟通，适合采用图形化的UML/SysML描述数据模型的静态结构（DIV-1）。然后，使用XML模式（Schema）描述结构与数据类型，完成逻辑数据模型的定义（DIV-2）。XML模式提供对XML文档结构和内容的约束与解释。所谓“XML文档”不仅指磁盘文件，也可以是内存中一段良构的（Well-informed，也称“格式正确的”）XML字符串，如发送、接收缓冲区的消息。

在物理层次，考虑具体数据如何表示、存储和传输。一般来说，物理消息格式与平台有关，可以有多种不同类型。例如，IBM消息仓库管理器（MRM）域定义了3种：二进制的定制连线格式（CWF）、纯文本的标记定界字符串（TDS）和XML。相应地，不同平台的物理数据模型也有多种多样的描述方法，例如，MRM消息集，CORBA IDL，WSDL，SOAP等。

2011年，开放网格论坛（OGF）发布了数据格式描述语言（Data Format Description Language，DFDL）。该建模语言基于XML模式，用来以独立于数据格式的方式定义一般的格式化文本数据和二进制数据的结构［33］。DFDL有望发展成为跨平台、通用的物理数据模型标准。IBM WMB8.0（见下节）已经引入对DFDL的支持。

通过推动XML技术在TSCE集成框架中的应用，可以建立数据模型和接口，进行不同分系统的数据共享和转换，以获得改进的互操作性。MBSE的TSCE实现面向消息的数据集成，很重要的一点就是利用数据模型明确定义每个接口的消息格式和内容，并且存入元数据注册库（MDR）。企业服务总线（ESB）可以在线获取XML模式定义或其他物理数据模型，可对消息的有效性、合法性进行验证。因此，模型化的接口定义，将代替传统的接口协议文件或ICD（接口控制文档），以模型为中心实现消息自动解析、消息格式转换等功能，从而避免接口与代码的紧耦合，提高集成的灵活性。

3.3 面向服务架构（SOA）

SOA是一种构造分布式系统的方法，它将业务应用功能以服务的形式提供给最终用户应用或其他服务。SOA并非局限于某一特定技术，而是为了增强复杂系统集成的灵活性采用的先进设计理念和模式。经过十几年的发展，它已经形成一些有代表性的特征和关键技术，例如，企业服务总线（ESB），Web Services，业务流程管理（Business Process Management，BPM）等。

3.3.1 企业服务总线（ESB）

大型分布式系统连通性最重要的架构模式是ESB。作为节点交互的逻辑中介，ESB在服务请求者和提供者之间提供松耦合的互连，可以解析和处理消息，提供消息路由、协议转换和数据格式转换等基本功能。典型的复杂大系统是异构的系统，可能存在各种不同消息格式或标准的应用。因此，ESB必须掌握所传输消息的数据模型，而不要求交换消息的应用程序，知道对方的信息格式。例如，WebSphere Message Broker（WMB）是IBM公司主要的ESB软件产品，用户通过消息模型模式文件来定义与ESB连接的应用所使用消息的逻辑结构和物理格式。如图6所示，该模式文件都是基于XML Schema（XSD）以及采用DFDL描述SWIFT，EDI，HL7，HIPAA等工业标准格式或C

结构体等数据［34］。

图6 消息格式和消息模型模式文件Fig.6 Message formats and message model schema file

ESB是实现SOA思想的最好途径及其解决方案的核心，例如，IBM WebSphere和Oracle Fusion商业套件。另外，还有若干开源软件，例如，RedHatJBoss，Apache ServiceMix，Mule ESB，Apache Synapse，WSO2 ESB等［35］。

3.3.2 Web Services

Web Services是实现SOA系统和应用的主流技术。图7所示为典型的协议栈［36］，它包括了BPEL，UDDI，WSDL，SOAP，XML，HTTP。Web Services技术以XML为基础，服务的提供者和请求者之间通过简单对象访问协议（Simple Object Access Protocol，SOAP）交换信息，WSDL用来描述服务端口访问方式和使用协议的细节，UDDI用来注册和发现服务。Apache Axis2是目前实现Web Services最常用的一种开源技术框架或平台。

图7 典型Web Services协议栈Fig.7 Typical Web Services stack

REST（Representational State Transfer）是另一种主流的Web Services实现方案。REST风格相比SOAP更简洁，通常使用HTTP，URI，HTML和XML这些广泛流行的协议和标准。同时，经常配合采用JSON（JavaScript Object Notation）格式的消息。JSON是一种轻量级的数据交换格式，类似XML，而且JSON比XML更小、更快、更易解析。

尽管SOA在企业信息系统领域取得了巨大成功，但对于SOA是否适合某些硬实时性的作战系统意味着低延迟和高可预测性存在疑虑，因此仍保留着部分硬连线和点对点的连接。

美海军水面战中心达尔格伦分部（NSWCDD）近期也开展了这方面的研究和测试，新方案的重点是提供航迹和战备完好性消息交换的作战系统（CS）和指挥控制系统（C2）网关，其主要功能包括：

1）消息传输。CS采用基于OMG DDS（Data Distribution Service）的消息机制，而非实时的C2采用JMS（Java Message Service）或AMQP（Advanced Message Queuing Protocol）。

2）消息协议中介。C2网关提供CS DDS消息到JMS或AMQP消息的格式转换，即从二进制的IDL到纯文本的XML。

3）消息过滤。CS和C2网关的Drools规则引擎过滤器能够根据消息属性阻挡消息通过。

4）消息标识。C2网关的Drools规则引擎组件能够为通过网关的每个消息分配全局唯一标识（GUID），因此是提供航迹信息的有效管理手段。实验结果表明，统一网关的接入方式能够满足CS硬实时应用的性能要求，提供CS与C2网络之间高效的数据集成［37］。

3.3.3 业务流程管理（BPM）

BPM的实现需要通过WS-BPEL即Web Services业务流程执行语言（Business Process Execution Language）描述业务流程来完成Web Services流程编制或编排，并在流程引擎（例如，Apache ODE）的驱动下执行。BPEL位于Web Services协议栈的最上层（图7），也对应于TSCE功能集成的最上层。XPDL（XML Process Definition Language）是另一种常见的业务流程建模语言［38］。

在系统工程早期的需求定义阶段，业务人员可以借助业务流程模型与标注（Business Process Model and Notation，BPMN）进行图形化的业务流程建模，创建业务流程图（BPD）。BPMN 2.0规范的目标是提供一套业务人员易于理解的标注或符号，通过业务分析来创建最初的流程草图，然后由技术开发人员负责实现业务流程的执行。此外，BPMN也支持基于XML的业务流程执行语言（例如，WS-BPEL或XPDL）的可视化。

虽然之前就有BPM的概念和产品，BPM与SOA的结合更有助于实现分布式系统的灵活性、敏捷性和松耦合等重要特征，同时也可体现“模型与代码分离”的设计原则。类似的情况还有业务规则管理（Business Rules Management，BRM）。

业务规则是对业务某些方面进行定义或者限制的声明，以约束业务行为。通过建立业务规则模型将业务逻辑从应用程序代码中剥离来降低复杂业务逻辑的开发和维护成本。业务规则及规则引擎在各类专家系统或决策支持系统（DSS）中已经有较多的应用，包括作战指挥系统。

过去20年，许多机构开发了多种规则建模语言，例如，OMG发布的SBVR（Semantics of Business Vocabulary and Business Rules）［39］。JBoss Drools是应用得最广泛的规则引擎之一，它通过一种类似于Java的Drools规则语言（Drools Rule Language，DRL）来描述业务规则，同时也支持基于XML的规则描述。Drools实现了JSR94标准，即Java规则引擎API标准，可提供规则解析与注册、规则执行、规则过滤等接口。

目前，一般认为BPM面临的挑战是，从业务流程模型中分离业务规则并简化模型以及促进与业务人员的更好交流；然后，通过后期绑定、在业务执行中整合业务规则和BPM来满足业务的灵活性。

3.4 作战管理与想定

3.4.1 联合作战管理语言

联合作战管理语言（Coalition Battle Management Language，C-BML）是一种在参与联合作战的指挥控制系统、建模仿真系统、自主机器系统之间表达和交换作战计划、命令、请求、报告等的标准化语言。仿真互操作标准组织（SISO）历经7年的艰苦开发，于2013年10月发布了C-BML第1阶段标准，而第2、第3阶段标准还在制定中。

如图8所示，C-BML的概念主要由3部分规范组成：信息交换结构与内容、数据模型、信息交换机制。它们分别对应C-BML三视图架构的条令、表示和协议。C-BML实际上就是形式化指挥控制兵力所需的5W，即Who，What，When，Where，Why［40-41］。

图8 C-BML三角Fig.8 Three sides of the C-BML triangle

为了实现C2系统之间的互操作性，基于C-BML的交互信息需能够无歧义地自动处理，而且还必须整理和明确作战计划等涉及的实体以及其他信息所依赖的词汇及其数据表示，也就是数据模型的问题。C-BML第1阶段标准采用JC3IEDM（Joint Command，Control and Consultation Information Exchange Data Model），同时在此基础上进行扩展和组织，重新以XML模式定义（XSD）的形式表达。

条令视图根据军事条令、作战手册的内容来严格定义各种术语。C-BML所描述的计划、命令、请求、报告等基本上可以通过5W描述来建立其生成与解释的规则，即形式化语法。

C-BML协议用来对源系统和目标系统之间信息传输的规则进行标准化。目前认为采用XML描述信息交换需求是协议的基础，也是作战指挥系统中数据描述的事实标准。研究初期的关注重点是技术互操作层次，例如，传输协议、数据交换协议等，但随着研究的进展逐渐转向语用互操作（Pragmatic Interoperability）等更高层次。

鉴于C-BML标准发展过程中碰到的困难，研究人员在系统工程方法和体系结构框架的指导下，提出一个C-BML标准的开发框架（SDF），希望它有助于C-BML第2阶段标准的开发和交流。SDF包含解决语义（内容模型）和句法（消息框架）匹配性的产品。图9所示为C-BML消息框架的XML模式［42-43］。

舰船作战系统已经实现了以XML文档作为C2系统之间交换作战计划的载体，但由于缺少C-BML这样的技术架构，多数系统仅采用了基于XML的格式化文本表达作战计划，并且仍是以对待自由文本的方式来解析处理，故作战计划的内容与软件代码紧耦合，导致集成效率低、灵活性差。在TSCE集成框架的建设中，需要借鉴C-BML及其标准开发框架以尽快规范化XSD数据模型、条令和协议。

图9 C-BML消息框架Fig.9 C-BML message framework

3.4.2 军事想定定义语言

“想定”是按照训练课题对作战双方的企图、态势以及作战发展情况的设想和假定。“作战想定”不仅用于军事课题训练，也同样应用在基于仿真的武器装备和作战方案论证评估等领域［44］。

军事想定定义语言（Military Scenario Definition Language，MSDL）是基于XML模式、独立于仿真平台的建模语言，它为军事想定的形式化描述提供了一种通用机制，并可支持作战仿真系统的初始化，包括想定数据的产生、校验和加载。在作战仿真领域，MSDL对于军事想定的重用、想定与仿真的解耦具有重要意义。SISO于2008年10月发布该标准，并于2015年5月再次确认。如图10所示，从XML模式文件可以看出，MSDL定义包括想定标识、选项、环境、作战力量、组织结构（含作战单元和装备实体）、透明图、战场设施、战术图、非战争军事行动图（MOOTW）等信息［45］。

图10 MSDL根元素的结构Fig.10 Military scenario element structure

在应用中需要合理把握MSDL与C-BML的范围，并适当综合。MSDL的目标是采用最少而严格的结构和属性定义来完成初始化，使系统（仿真）参与者初始化到相同的状态，而并未包含对仿真开始后的作战任务、计划命令等的描述。后续阶段，C-BML的重点是任务执行过程中的信息交换，特别是基于形式化定义实现信息交换的可组合性。MSDL与C-BML标准开发活动的协同匹配一直是SISO的工作重点［46-47］。

4 结 语

为更好地对TSCE集成框架的复杂性进行管理，把握不同分系统之间无数的相关性和接口问题，传统的系统工程实践有必要向MBSE方向发展演进。系统集成设计不再是一系列文本文档，而是由丰富的、形式化的模型来定义。模型除了展现大量信息之外，还能在不同干系人之间无歧义地共享和沟通，有利于实现整个设计过程的可追溯性。

本文主要内容包括了3个维度：一是系统工程过程，给出了V模型表达，初步建立了各个阶段与体系结构框架视点或模型的对应关系；二是TSCE集成框架，简要引用前期成果，并未展开论述；三是相关的各种模型和建模方法，这是本文的重点，比较系统地梳理出了可用的建模规范和标准。

系统模型可在TSCE系统集成的全寿期使用，并且可用于SoS的体系结构量化分析，提升成本效益，但前提是在系统工程合适的阶段、合适的范围能正确使用相关建模方法，并需特别关注以下几点：

1）形式化的模型。MBSE的关键在于确定标准化的建模方法，得到形式化的模型。有时使用普通的框图好像也可以表达与SysML块定义图同样的意思，但是这样就走不到MBSE的路上。表2列出了讨论建模方法时涉及到的主要标准规范。

2）可转换的模型。“自顶向下”的设计过程采用的是一系列通用或DSML进行建模，这些模型不应该是割裂的，而必须建立有机关联。尽可能利用模型转换技术衍生得出新的模型，或者转换生成集成测试过程的输入，或者转换生成设计文档。模型驱动架构（MDA）的基本思想即系统的功能性是运用合适的规约语言（Specification language，它是计算机科学领域使用的一种形式语言，主要用于系统分析和设计的过程中）以平台无关模型（PIM）的方式定义，然后在为实际的实现

时翻译到一个或多个平台相关模型（PSM）上。从PIM向PSM的转换通常是由自动工具完成，而相关技术本文尚未论述。

表2 本文所涉及的主要建模标准规范一览表Tab.2 List of related modeling specifications

3）基于XML的模型。XML作为通用的数据交换标准，同时也是元数据标准又是元语言，覆盖了本文涉及的几乎所有建模标准。不仅有XML Schema和各种以XML为宿主的DSML，而且UML，SysML，BPMN等图形化的建模语言背后也离不开XML，因为不同建模语言和开发工具交换其数据模型依赖 XMI（XML Metadata Interchange），它是一种基于XML的元数据交换标准，同时也定义了从UML到XML的映射。

MBSE的成功实施，即模型的作用能否在TSCE系统集成设计中得到发挥，很大程度上取决于不同的模型如何与系统工程过程、集成框架相结合。下一步工作，需要明确各种建模方法与集成框架的映射关系，不仅需要勾画出3个维度的目标图像，而且还需要结合工程实践，选购合适的开发工具平台，掌握相应的模型开发和转换技术。此外，MBSE也需要更加关注需求管理、配置管理等与模型有关的技术管理过程。

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Overview of application of model-based systems engineering in integration framework of total ship computing environment

DONG Xiaoming，HU Yang
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The Total Ship Computing Environment（TSCE）is a representation of the software intensive complex weapons system and advanced technology of ship information system integration.It requires great changes to be made in the design patterns of ship systems，such as Model-Based Systems Engineering（MBSE）instead of traditional document-centric system engineering.In this paper，MBSE related works are introduced first，then mappings are proposed between the design phases of TSCE integrating and DoDAF viewpoints or models according to the system engineering process V-model.Finally，some modeling specifications and standards are introduced，including System Modeling Language（SysML），Service-Oriented Architecture（SOA），XML Schema，Business Process Model and Notation（BPMN），Military Scenario Definition Language（MSDL），Coalition Battle Management Language（C-BML），etc.The formalized application of modeling will play key roles in supporting the construction of the TSCE integration framework.

Model-Based Systems Engineering（MBSE）；modeling specification；Total Ship Computing Environment（TSCE）；integration framework

U674.7；TP311.523

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.06.019

2016-05-14

时间：2016-11-18 15:19

董晓明（通信作者），男，1975年生，博士，高级工程师。研究方向：舰载作战系统，分布式仿真，计算机系统结构。E-mail：phdotd@gmail.com胡洋，男，1983年生，博士，工程师。研究方向：计算机系统结构，信息系统体系结构及集成

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.tj.20161118.1519.038.html 期刊网址：www.ship-research.com

董晓明，胡洋.基于模型系统工程在全舰计算环境集成框架的应用概览［J］.中国舰船研究，2016，11（6）：124-135. DONG Xiaoming，HU Yang.Overview of application of model-based systems engineering in integration framework of total ship computing environmen［tJ］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（6）：124-135.