基于体系结构物理交换规范的作战活动可执行模型构建方法

罗爱民， 傅 炯

(国防科技大学 信息系统工程重点实验室， 湖南 长沙 410073)



基于体系结构物理交换规范的作战活动可执行模型构建方法

罗爱民， 傅 炯

(国防科技大学 信息系统工程重点实验室， 湖南 长沙 410073)

作战活动是体系结构的核心数据，保证作战活动的正确性是提高体系结构质量的关键。基于DoDAF2.0提出的体系结构数据物理交换规范，定义了作战活动模型和作战规则模型的数据模型；对基本Petri网交换规范进行扩展，形成扩展Petri网的数据交换规范；建立活动模型相关数据与扩展Petri网交换规范的映射规则，根据映射规则自动生成作战活动Petri网模型，并研制了可执行模型自动生成工具。最后,通过案例验证了方法的合理性。

体系结构；可执行模型；物理交换规范；扩展Petri网标记语言

体系结构是系统组成及其关系，以及它们随时间演进的原则和指南。组成、关系以及指南是体系结构设计的基本要素。作战活动不仅反映了系统体系结构的功能和流程，而且也决定了信息交换关系和交换内容。因此作战活动及其流程是体系结构设计的核心内容。在美国国防部体系结构框架(DoD Architecture Framework，DoDAF)2.0提出的DM2[1](DoDAF Meta-model)中，活动也是重要的数据实体。科学地分析、验证与评估活动的动态特性是保证体系结构设计质量的关键。利用可执行模型进行数据分析、验证与评估是体系结构开发中最常用的方法之一。通过构建体系结构可执行模型，可以分析行为合理性、逻辑合理性，验证评估与活动相关的属性、性能等。因此，体系结构可执行模型构建方法多年来一直受到关注。如Levis等[2-3]将UML模型、IDEF0模型和IDEF3模型转为有色Petri网(Colored Petri Net,CPN)可执行模型；倪枫等[4]将IDEF0模型和IDEF1X模型等转换为层次有色Petri网(Hierarchical Colored Petri Net,HCPN)模型；文献[5]将IDEF0模型和IDEF3模型等转为对象Petri网(Object Petri Net,OPN)可执行模型。这些研究都是针对具体的建模方法制定的转换规则，生成体系结构可执行模型。如采用IDEF0对作战活动建模，将其转换为Petri网模型时，一般采用将建模元素-活动转换为转移，输入(输出)箭头转换为位置和弧等。DoDAF2.0中提出了以数据为中心的体系结构设计方法，体系结构最终以规范的数据文件展示，与具体的建模方法和表现形式无关，体系结构数据值包含数据的具体内容，没有每类数据具体的建模方法以及数据对应的建模元素。因此，原有的方法不能满足需求，必须研究基于体系结构数据规范的可执行模型构建方法。在这方面有学者[6-9]研究了基于DM2的体系结构数据向Petri网模型转换的相关问题，在一定程度上解决了可执行模型生成时体系结构建模语言多样化带来的问题。但这些研究更多是针对体系结构中的一类模型数据，难以对活动整体数据进行分析。

本文基于符合物理交换规范(PES)的体系结构数据，在扩展Petri网标记语言(PNML)规范的基础上，提出了作战活动的Petri网可执行模型构建方法，能够实现作战活动数据直接构建符合PNML规范的Petri网模型。

1 体系结构数据模型

1.1 体系结构数据物理交换规范

为规范体系结构数据收集、共享与交换，DoDAF2.0中提出了PES规范。按照DoDAF2.0，PES规范分为2部分(如图1所示)，即核心数据(IdeasData)和模型数据(IdeasViews)部分。其中，IdeasData是按照DM2中定义的类别来组织数据，并对分布在不同模型中的同一数据汇总，将不同类数据组织在不同的目录下。如分布在不同模型中的information数据都被汇集在IdeasData的Information目录下，并且记录Information的名称、ID、描述等各类信息。

图1 PES规范根目录

IdeasViews主要是各模型包含的数据及其表现形式等，它按照模型类别来组织模型中包含的数据。一般来讲，IdeasViews按照IdeasViews→ViewName(视图名称)→ModelName(模型名称)→…(模型数据)的层次关系来组织数据。

PES作为一种推荐的体系结构数据交换规范，正在成为不同体系结构框架进行数据交换的规范。目前已经有一些工具支持该规范，如No Magic公司旗下的MagicDraw和Cameo Enterprise Architecture[10]系列建模工具等。

1.2 作战活动模型的设计

活动作为体系结构中设计的核心内容，通常需要从不同侧面进行描述。一般可采用活动模型、规则模型、时序图等。因此，活动的描述内容分布在不同的模型中。如DoDAF2.0中作战视角的作战活动模型(OV-5b)、作战规则模型(OV-6a)和作战事件跟踪关系(OV-6c)等。本文重点研究作战活动模型和作战规则模型组合生成可执行模型的构建方法。根据作战活动模型的定义和DM2中定义的活动元模型，建立作战活动OV-5b模型的元模型如图2所示。图中各模型的含义见DM2相关文档。

根据作战规则模型的定义以及DM2定义的活动元模型，建立作战规则模型(OV-6a)的元模型如图3所示。

图2 OV-5b元模型

图3 OV-6a元模型

以上述元模型为基础，利用具体的建模方法可以设计作战活动和作战规则。在具体建模方式上，作战活动模型可选择IDEF0建模语言。作战规则模型可采用活动图描述。为更好地描述规则执行中信息的输入和输出关系，在基本活动图的基础上扩展2个建模元素：输入信息和输出信息，它们分别表示每个规则模型执行过程中与外界交换的信息元素。

为精确描述作战活动及其执行过程，在体系结构设计中，作战活动模型描述活动的组成及其相互关系，作战规则模型是对活动执行细节的详细说明。因此，作战活动模型与作战规则模型必须相互关联。在体系结构设计中，针对OV-5b中叶子活动，分别建立相应的作战规则模型，这样形成对作战活动细化的描述。在图2中，利用RuleConstrainsActivity关系数据可以建立OV-5b中的Activity和OV-6a定义Rule的关系，对作战活动进行细化说明。

由于建立了作战活动与作战规则的关联关系，因此在设计中要对作战活动与作战规则进行数据一致性检查。重点检查作战活动与关联的作战规则在输入、输出信息上是否一致，保证作战活动需要消耗的信息(输入信息)、作战活动产生的信息(输出信息)与关联作战规则定义的输入和输出信息保持一致。

2 作战活动模型的Petri网模型构建

通常可执行模型的类型有多种选择，本文选用的可执行模型是Petri 网模型。

2.1 扩展PNML数据规范

PNML是一种基于XML的Petri网数据建模语言，是一种常用的Petri网模型数据交换的规范。为保证生成的可执行模型能够在不同的Petri网建模工具中使用，研究生成了符合PNML规范的Petri网模型。

对象Petri网[11]是一种支持对象、层次化的Petri网，是对基本Petri网的扩展。标准PNML规范主要针对基本Petri网，只包含了位置(place)、转移(transition)和弧(arc)3类信息，不能支持层次化建模。因此，要支持对象Petri网数据交换，必须对PNML进行扩展。为此，引入模块(module)、输入位置(referenceImportPlace)、输出位置(referenceExportPlace)等概念。Module相当于对象Petri网中对象的概念，Module包含位置、转移、弧、输入位置、输出位置和模块实例。Module中也可以嵌含其他对象的实例。

扩展PNML规范分为Page和Module 2部分。其中，Page为Petri网的顶层页面，包含位置、转移、弧、输入位置、输出位置、模块实例(instance)，如图4所示。需要说明的是，输入位置和输出位置是由位置扩展得到的Petri网元素，它们是模块输入接口和输出接口，目的是用于模块实例和转移之间的连接。

图4 Page基本规范

扩展后的PNML可以作为对象Petri网的数据规范，支持对象Petri网的XML文件存储。

2.2 转换方法

建立体系结构Petri网模型的过程如图5所示。从图中可以看出，建立PES中活动数据与扩展PNML规范中各元素之间的映射关系是构建作战活动Petri网模型的关键。

图5 体系结构Petri网模型构建过程

在分析PES中关于活动元模型和扩展PNML规范中数据元素映射关系的基础上，建立活动数据模型转化为对象Petri网模型的转换规则，如表1和表2所示。表中：A表示非叶子活动；a1表示关联属性RuleConstrainsActivity关系不为空的叶子活动；a2表示关联属性RuleConstrainsActivity关系为空的叶子活动。

在上述转换规则的基础上，利用Java平台设计实现了活动的可执行模型转换工具，实现了作战活动数据到扩展PNML数据转换功能，即利用体系结构中的活动数据，生成了对象Petri网可执行模型。

表1 OV-5b核心数据转换规则

表2 OV-6a核心数据转换规则

3 案例分析

下面以歼击机防空为例[12]来验证本文提出的方法。某指挥所负责对某一高度敏感区域执行防空任务。如果雷达在该区域发现目标，通知歼击机升空迎击。在战争状态下，目标进入攻击范围击毁该目标。在和平状态下，发送电子应答信息。若对方无应答，就当作敌方目标驱逐；若为友军目标，则返回基地。该过程包括感知、指挥和交战等作战活动，并针对指挥活动建立规则模型。

针对上述案例采用国防科技大学研制的体系结构设计工具设计体系结构，得到满足PES规范的体系结构数据。利用开发的可执行模型转换工具，对体系结构数据转换后，生成满足扩展PNML规范的XML文件，其中指挥活动及其执行规则部分数据如下所示。

id=" "

在对象Petri网建模环境中打开转换得到的XML文件，对应的Petri 网模型如图6所示。图6a)对应作战活动模型，图6b)对应“指挥”活动的规则模型。

a) 防空作战活动顶层Petri网模型 b) 指挥规则Petri网模型 图6 防空作战活动转换后对应的Petri网模型

4 结 束 语

本文针对体系结构中活动的设计与验证问题，以遵循PES规范的体系结构数据文件为基础，将活动数据转换成符合PNML规范的数据，实现了活动的对象Petri网模型生成，为分析、验证和评估活动相关的属性、性能提供支持。该方法直接利用体系结构数据构建可执行模型，与体系结构模型和数据的表现形式无关，体现以数据为中心的设计思想。该方法可以推广到体系结构其他数据的可执行模型。

References)

[1]DoD Architecture Framework Working Group.DoD architecture framework version 2.0 volume 3:DoDAF meta-model[R].Washington D.C.:Department of Defense,2009:28-138.

[2]WAGENHALS L W,LEVIS A H.Service oriented architectures,the DoD architecture framework 1.5,and executable architectures [J].System Engineering,2009,12(4):312-343.

[3]WAGENHALS L W,HAIDER S,LEVIS A H.Synthesizing executable models of object oriented architectures [J].System Engineering,2003,6(4):266-300.

[4]倪枫,王明哲,周丰,等.可执行体系结构的HCPN建模方法 [J].系统工程与电子技术,2010,32(5):959-965.

[5]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.

[6]葛冰峰，任长晟，赵青松，等.可执行体系结构建模与分析[J].系统工程理论与实践，2011,31(11):2191-2201.

[7]LI L,DOU Y J,GE B F,et al.Executable system-of-systems architecting based on DoDAF meta-model [C]//Proceedings ofIEEE.2012 7th International Conference of System of Systems Engineering.Genoa：IEEE，2012：362-367.

[8]张晓雪,罗爱民,黄力,等.基于DM2的体系结构可执行模型构建方法[J].国防科技大学学报,2013,35(2):27-33.

[9]谢文才,于晓浩,朱鹏飞.基于模型转换的C4ISR体系结构可执行模型构建[J].系统工程与电子技术,2014,36(8):1537-1543.

[10]Cameo enterprise architecture[EB/OL].(2015-06-13)[2015-12-04].http://www.nomagic.com/products//cameo-enterprise-architecture.html.

[11]罗雪山，罗爱民，张耀鸿，等.Petri网在C4ISR系统建模、仿真与分析中的应用[M].长沙：国防科技大学出版社，2007：268-290.

[12]修胜龙，罗雪山，罗爱民，等.C4ISR体系结构描述的逻辑和行为验证[J].系统工程与电子技术，2005，27(2):275-279.

(编辑：李江涛)

Construction Method of an Operational Activity Executable Model Based on the Physical Exchange Specification of Architecture

LUO Aimin, FU Jiong

(Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory,National University of Defense Technology, Changsha Hunan 410073, China)

Operational activities constitute the core data of the architecture and the correction of operational activities is key to enhance architectural quality. The DoDAF2.0-based data physical exchange specification (PES) defines data models in the operational activity model and operation rule model; it extends the basic Petri network switching criterion and forms a data exchange criterion for extended Petri net; the paper also establishes a mapping rule of exchange criterion between data related to activity model and extended Petri net, which is the basis in automatically generating operational activity Petri net model, and develops an executable model automatic generating tool. In the end, the paper verifies the reasonability of the method by case study.

architecture; executable model; physical exchange specification (PES); extended Petri net markup language (PNML)

2016-04-11

国家自然科学基金资助项目(71571189)

罗爱民(1970-)，女，教授，博士，主要研究方向为信息系统工程。amluo@nudt.edu.cn

TP311

2095-3828(2016)06-0127-06

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2016.06.024