基于IABM的多链体系集成互操作能力提升

屈天刚, 刘晓磊

(1.中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036；2.海军装备部，四川 成都 610036)

0 引 言

新时期体系化作战是作战的主要形式，作为战斗力形成的重要支撑，数据链从单链组织运用向多链体系运用发展，以支持快速形成强敌对抗条件下“传感器到射手”的体系打击能力。同时快速发展的各种新型平台对数据链系统的集成铰链提出新的要求，因而必须降低数据链与应用平台集成的难度，提高数据链与应用平台集成的层次，解决新装备和特殊平台的数据链集成问题，切实提高作战平台的数据链集成铰链能力。当前在异构平台多数据链集成领域存在以下四个问题。

1)各类数据链装备建设需求迫切，技术状态频繁的迭代升级，缺少统一装备、协调管理等，各类数据链装备仍是“烟囱式”发展，互操作性没有得到很好的解决，缺乏统一有效的设计。

2)在面向特定任务的单链装备建设模式下，各数据链系统相对独立运行，对多链的组织运用相对匮乏，难以在多链间共享、处理以及分发通用体制的重要信息。

3)随着各类数据链需要铰链的平台数量越来越多，平台类型越来越多元化，平台的结构也各有不同，其控制流程、信息格式、接口的复杂性也急剧增长。

4)在数据链体系设计、建模仿真、运用管理方面数字化水平低，缺乏有效的统一建模支持系统和相关自动化工具，导致数据链系统研制、验证、联试、试验等活动成本高、周期长、见效慢。然而，联合能力不能在各类数据链装备后再设计整合，各类数据链必须成体系发展建设，从顶层设计开展联合作战的需求分析、体系结构研究试验验证和组织运用等，才能保障联合作战时各铰链作战要素效能的发挥。

在作战需求和信息技术的驱动下，美军着力打造符合现代信息化战争要求的数据链装备。美军作战平台和应用系统种类繁多，尤其是早期各兵种根据自己的作战需求研发相应的数据链系统，导致重复建设和互不兼容的问题。为避免建设资源的浪费，美军采用组合管理方式高效管理数据链项目，例如单一集成空中图像(Single Integrated Air Picture，SIAP)项目[1]，利用系统之系统(System of Systems,SoS)[2-3]方式整合数据链，以保证整个项目进展的一致性[4-5]。通过构建集成体系结构行为模型(Integrated Architecture Behavior Module,IABM)，实现了不同平台的数据链和各类任务系统的体系整合，该模型方法采用模型驱动结构(Model Driven Architecture，MDA)和xUML语言对系统需求和功能进行形式化描述，是构成SIAP的通用软件规范。IABM将Link-11、Link-16和P2P网络与传感器、武器、指挥控制等系统有效地整合在一起，形成跨平台、跨链的SIAP，该模型具有良好的可移植性和扩展性，可以根据平台装备具体情况灵活运用在美军的各类项目中。此外，美军为整合“烟囱式”发展的数据链装备，研发各种各样的集成设备促进数据链之间的互通，以此实现多链路的协同运用，如陆军联合对地攻击巡航导弹防御用网络传感器系统(Joint Land-attack Cruise Missile Defense Floating Networked Sensor System，JLENS)、海军通用数据链管理系统(Common DataLink Management System，CDLMS)、战场机载通信节点(Battlefield Airborne Communication Node，BACN)和通用链路集成处理(Common Link Integrated Processor，CLIP)计划等。

本文围绕数据链体系联合作战应用能力形成，结合数据链体系特点，采用基于模型的体系工程方法，开发了基于MDA的集成体系结构行为模型，旨在提升各类平台数据链的互操作性和多平台传感器、武器的协同能力；在该模型的基础上，为加快研制的进度，本文进一步提出了基于模型的敏捷开发过程，综合提高数据链装备体系互操作水平。

1 数据链体系构建

1.1 数据链体系需求分析

数据链体系需求分析需要首先从数据链装备最新发展情况出发，为提高基于网络信息体系的联合作战能力、全域作战能力，需要重点解决数据链领域多种类型多种型号系统装备间互操作问题，实现数据链装备体系建设、武器平台与数据链体系集成和数据链体系运用。

基于DoDAF 2.0(Architecture Framework of DOD)[6]框架，数据链互操作能力需求分析流程如图1所示。首先，分析数据链装备领域的差距和不足，提出数据链未来发展需求、规划和总体架构，综合考虑各类平台的多链集成应用，构建基本杀伤链，设计高级作战概念；其次，针对数据链全生命周期建设、管理与运用，对组织结构、作战流程进行分解，设计组织机构关系、作战活动模型；接着,以组织结构为参照，对作战节点之间的信息交互需求进行设计，形成作战连接关系视图、作战节点间的信息交互关系；最后，以对系统组成进行分解为基础，获取功能需求、接口需求等，建立系统功能与能力的映射。

图1 数据链互操作能力需求分析流程

1.2 数据链体系框架构建

数据链装备体系需要深度铰链战场感知、指挥控制、武器控制、电子对抗、敌我识别等作战信息系统，打造“侦、控、打、评”闭合信息环路，实现大容量情报信息分发、大规模战场态势形成、实时性平台指挥控制、高精度武器协同打击等能力，从而获取信息优势，提高控制精度，增强打击时效，控制作战进程，提升联合作战效能。

为实现数据链体系互操作能力提升，借鉴体系工程、基于模型的数据链体系工程方法、基于能力的需求分析等方法理论，结合数据链体系演进的层次性、复杂性、演化性和涌现性等特征，开展数据链体系设计。按照数据链装备体系能力发展模式，基于数据链不同部门、不同人员使用需求以及业务流程，凝练数据链体系工程核心要素，设计数据链体系工程过程，形成基于模型的数据链体系工程方法，包括技术方法和技术管理方法。基于该体系工程方法，参考体系互操作模型[7]，提出具有体系特性的“双V”模型。上层的“V”模型，从项目管理角度，开展体系建设与运用，提出满足联合互操作的数据链体系能力要求，对数据链装备建设项目进行决策，并能对整个项目实施过程进行监督和调整；从技术角度，开展体系设计和验证，为管理层面进行数据链体系能力确定与评估、项目决策、组织运用等提供技术支持；体系集成和工程支持，作为“双V”两层工作的纽带，从工程实施角度，对上能够以数据/模型等方式为体系总体设计与验证工作提供支持，对下在装备体系设计与优化层面，能够提出多种解决方案，为体系基线、体系增量和体系扩展的构建提供依据和要求。下层的“V”模型，在装备体系设计与优化层面，主要基于体系总体集成与工程支持提出的技术要求，开展数据链体系基线、增量、扩展的设计，构建相应的数据链系统装备或者数字化技术体制模型。而利用数字化技术等搭建互操作验证平台，为科学、高效开展两个层面工作提供统一的建模仿真、试验验证环境支撑，满足端到端互操作能力和体系功能验证需要。数据链体系的总体框架如图2所示。

图2 数据链体系总体框架

本文重点针对体系集成工程实施层面的互操作能力提升工作，围绕多数据链体系集成互操作能力提升这一核心需求，提出数据链体系技术体制模型的设计、开发和功能验证等。

2 基于IABM的数据链技术体制模型设计

数据链装备体系种类多，涉及面广，是一种典型的跨军种、跨平台、跨专业装备的复杂体系。因此，其互操作能力尤为重要，要求也更高，需要横向整合多类数据链系统资源，纵向深度集成传感器、指控系统、武器系统等各类作战要素，从作战应用、需求分析、体系/系统设计、体系/系统装备研制、平台集成、测试等多方面进行通用模型化驱动开发，以实现数据链互操作能力的全面提升。

本章采用基于集成体系结构行为模型的方法，设计制定统一的数据链技术体制可执行模型规范。该模型设计要体现应用能力、逻辑功能、消息处理、网络结构和运维管理的整合和统一，提升现有数据链装备的互操作能力水平。系统工程技术解决途径包括构建可执行的统一技术体制模型、构建分布式系统网络架构和敏捷开发过程三部分内容，最后生成可执行的体系结构模型产品。

2.1 基于IABM的数据链技术体制概念设计

首先依据数据链体系结构，针对数据链体系功能的实现问题，提出构建统一技术体制模型的概念，即基于IABM的数据链技术体制模型，并拟采用模型驱动结构开发数据链体系的基准系统。MDA定义了三种模型，分别为计算独立模型(Computation-Independent Model, CIM)、平台独立模型(Platform-Independent Model, PIM)和平台特定模型(Platform-Specific Model, PSM)。其中CIM描述数据链系统的需求和将在其中使用系统的业务上下文，PIM描述如何构造数据链系统，两者都不涉及如何实现以及具体的技术。而PSM将从特定的各链各平台的角度给出解决方案，包括如何在各链各平台上完成异构平台多链集成能力实现的细节。

基于IABM的技术体制模型是独立于软硬件平台的数据链体系通用功能实现，即PIM，在功能上涵盖数据链系统的顶层需求和作战需求。当IABM模型通过验证与确认时，其实现生成将由各链各平台执行。该模型具备灵活适变的优点，各链各平台可以结合自身作战应用、装备建设、平台集成、关键技术、系统工程、基础环境等需求，选择适当的功能并对其进行裁减，在已有的作战/武器系统的计算机程序上运行操作，交由各平台进行性能测试，将IABM的PIM模型转换为IABM平台特定模型，以便集成到系统中去。如此可以确保数据链体系模型开发过程中软件高度的一致性和可维护性，以有效缩短开发周期和控制开发成本。而后PSM将被编译成最终项目代码输出，完成多链集成互操作能力提升的具体实现(Platform-Specific Initiative,PSI)。

2.2 分布式互操作性网络结构设计

基于IABM模型的互操作性提升实现需要进一步构建以对等网络节点为核心的分布式系统网络结构，网络节点集成包括各种通信设备和通用信息处理设备(由技术体制模型具体实现)。有相同任务需求的网络节点，采用统一的数据链功能处理架构，即具有相同的输入、相同的处理流程，从而产生相同的处理结果。其次，在接入各种链路的基础上，设计和实现分布式统一战术数据(核心是战术消息)的信息处理机制，即遵循现役、正在开发和设计中的数据链消息格式标准，但重新设计和实现统一的消息处理流程标准。

如图3所示，IABM将每个平台视为对等的实体，数据通过P2P对等通信网络或数据链网络在平台间交换。在数据链体系内部开发一个通用分布式处理的技术体制模型集，在体系内每个需要交互的节点上提供逻辑功能层面的、具备数据一致性的功能集合，实现平台与功能的解耦，在异构多链集成体系中实现了各链各平台逻辑上的同构，从而控制了体系的复杂性，实现跨平台间的体系互操作性。

图3 分布式互操作性体系结构示意图

2.3 数据链体系敏捷开发过程设计

敏捷开发与管理是指应用已证实有效的原理、方法，通过合适的工具和标识，系统地描述出待开发系统及其行为和相关约束。数据链体系集成能力要求支持需求、研制、运用等不同时期平台集成铰链的敏捷开发和快速生成，具备多链、单链、平台、设备和软件等不同层次平台集成铰链的一致性、灵活性、可扩展性。本节参照工程理论模型，开展数据链体系体制模型敏捷开发过程设计。

将数据链技术体制模型开发过程分解为六个层次，如图4所示，每个层次都有自己的需求、运行概念、产品开发(配置项)、开发团队和可追踪的关系，下层工作依赖上层的需求定义和产品。采用时间盒管理方法进行敏捷迭代开发，每个时间盒包括功能需求规格描述、功能建模、技术体制模型集成和测试以及时间盒评估的完整过程。

图4 数据链体系敏捷开发过程示意图

2.4 数据链体系功能结构设计

数据链系统只有集成到平台上才能为平台赋能，需要适配于各种指控系统、传感器和武器系统，提供端到端的信息交互能力，其功能架构应足够开放和具有扩展性。为此，数据链技术体制模型体系功能设计分为核心层、选项层和适配层三个功能层次，其集成架构如图5所示。核心层是所有数据链系统实现都需要的通用功能。选项层的功能可以根据平台的具体情况进行取舍。适配层与特定的系统/平台有关，提供与各种传感器、武器、指控和数据链系统的接口功能。实例化的多数据链技术体制模型功能结构，如图6所示。

图5 数据链体系技术体制模型集成架构示意图

图6 多数据链技术体制模型功能结构示意图

在数据链体系功能设计和建模验证过程中，依据作战想定，借助统一建模平台(Unified Platform for Defense Modeling，UPDM)进行体系功能结构设计。在UPDM上，对体系功能结构模型进行业务流程建模，即通过统一建模语言完整描述系统体系架构模型，利用解耦有限状态机的方式来实现系统的可执行性。借助UPDM与SysML建模语言的归一化特点，可以较完善地描述系统体系及内部功能流程，螺旋上升式地循环考察体系模型的正确性。

数据链体系功能设计和建模的输入是高层作战需求，借助UPDM的架构设计工具进行体系结构设计，形成符合DoDAF2.0、SysML等规范的作战体系结构、系统体系结构和分系统设计产品，由于该平台提供统一的描述和管理手段，各阶段的设计产品可平滑地用作下一阶段的设计输入。借助UPDM系统设计工具，将架构设计工具传递的模型生成可执行的数据链技术体制模型。同时，该工具支持与Matlab、HLA等仿真环境互联接口，能够结合软件设计工具硬件研发平台和测试平台开展系统的设计和开发。UPDM应用过程与其他系统开发工具的关系如图7所示。

图7 体系统一建模平台应用过程示意图

3 结 语

本文分析了当前数据链体系集成面临的问题，结合数据链演进特点，通过贯穿于数据链体系全生命周期的建模设计，以灵活的模型驱动结构开发了数据链体系多数据链集成技术体制模型。而后进一步构建了以对等网络节点为核心的分布式系统，最后设计了适用于数据链体系的敏捷开发过程，并借助统一建模平台进行了体系功能验证，验证结果表明对于提升异构平台多数据链体系集成的互操作性有重要意义。

采用模型驱动结构方法和SysML语言对系统需求和功能进行形式化描述，产生可裁剪计算机化的系统规范或者可执行的体系结构。各作战平台依据各自平台的具体情况对集成架构行为模型进行适当裁减，便可生成可执行代码，方便地集成到系统中去。通过这种基于模型的系统工程思想的软件开发方式，确保开发过程中软件高度的一致性、可维护性，并且可以缩短开发周期和控制成本。