基于SysML的模型驱动武器装备体系结构设计与分析

第39卷第1期

2017年2月

指輝控制与仿真

Command

Control

&

Simulation

Yol. 39 No. 1

Feb. 2017

文章编号

：1673-3819( 2017) 01-0044-04

基于

SysML

的模型驱动武器装备体系结构设计与分析

陆法，孙文虎，贾鹏

(

解放军后勤学院

，

北京

100858)

摘要

：

随着武器装备体系规模

、

复杂度的不断膨胀

，

模型驱动的体系结构设计方法成为解决复杂系统开发的研究

热点

。

选择

S)rsML( S

5

rstems Modeling Language)

作为建模语言

，

提出了 一种由三个基本步骤

（

能力需求分析

、

黑盒分

析和白盒分析

）

组成的模型驱动体系设计方法

，

探索了

SysML

在体系层面建模的应用

，

并针对当前

SysML

建模工具

在仿真可视化与系统分析等能力上的不足

，

将建模工具与仿真分析工具进行集成

，

共同完成武器装备体系结构的设

计与仿真分析

。

关键词

：

基于模型的系统工程

；

武器装备体系结构

；

模型驱动方法

;SysML

中图分类号

：E917

文献标志码

：A

D0I

:10.3969/.1673-3819.2017.01.010

Model Driven Weapon System-of-Systems Architecture

Design and Analysis Based on SysML

LU

Fa，SUN

Wen

-

hu，JIA

Peng

(Logistic College of PLA，Beijing 100858，China)

Abstract

： With increase of scale and complexity of Weapon System-of-Systems，model driven architecture design method

has become a research hotspot of complex system development. This paper uses systems modeling language (SysML) and

proposes a model driven architecture design method composed of capability requirement analysis， black-box analysis and

white-box analysis. The application of SysML in architecture modeling is presented. Because the SysML tool is insufficient in

simulation visualization and system analysis，the modeling tool is integrated with the simulation analysis tool in design and

simulation analysis of weapon equipment architecture.

Key words

： model based system engineering； Weapon System-of-Systems Architecture； model driven method； SysML

武器装备体系结构描述了武器装备体系组件的结

构、组件之间的关系以及约束它们设计和发展进的原

则和指导方针[|]。随着当前体系规模、复杂度的不断

膨胀，模型驱动的体系结构

（Model

Driven

Architecture

)

方法成为解决复杂系统开发和管理的突破口，是系统

工程界广泛研究与应用的热点[2]。

MDA

方法在系统

设计的过程中将模型的构建与分析作为工作中心，集

成了包括软件和硬件在内的诸多领域模型[3]，相比以

文档为中心的传统方法具有更大优势，正逐步成为复

杂系统设计的基础[4]。

国内外学者对模型驱动武器装备体系结构设计方

法的研究已经取得一些初步成果。

Piazsczyk

[5]提出了

一种基于

DoDAF

建模框架的方法学；

Huynh

研究了

SysML

在武器装备作战体系建模与分析中的应用[6];

Bienvenu

尝试利用

DoDAF

视图产品来促进需求获取、

驱动系统工程方法学，如

Harmony

-

SE

方法学、基于模

型的系统工程方法学

（Yitech

MBSE

)等。

SysML

作为

专门面向系统工程领域的通用建模语言，集成了结构

化分析方法和面向对象方法的优势，目前已被多种

MBSE

方法（

Harmony

-

SE[9]、RUP

SE

[10]等）选择作为建

模语言。但是，

SysML

建模工具的设计结果是对系统

结构的静态描述和系统行为的离散状态描述，而武器

装备体系结构设计与分析的本质是动态的，需要根据

使命任务和作战战场态势进行仿真可视化和系统分

析，模型设计过程中的模型要素属性计算、对象环境仿

真则要依靠

STK

/

MATLAB

等计算仿真工具进行。本

文探索

SysML

语言在体系建模中的应用，并针对当前

SysML

建模工具在仿真可视化与系统分析等能力上的

不足，将建模工具与仿真分析工具进行集成，共同完成

武器装备体系结构的设计与仿真分析。

分析和追踪[7]；

Estefan

[8]总结了当前比较流行的模型

1武器装备体系结构建模核心要素的描述

根据对

DoDAF

体系的研究，体系工程活动的核心

收稿日期

：2016-10-09

方向为体系结构

。

修回日期

：2016-11-14

作者简介

：

陆法

（1989-)，

男

，

广西来后人

，

硕士

，

讲师

，

研究

孙文虎

（1973-)，

男

，

副教授

。

贾鹏

（1981-)，

女

，

博士

，

讲师

。

元素描述如图1所示，图中各个核心要素包括：描述能

力目标、了解系统和系统元素之间的关系、评估能力目

标所需的性能、开发和进化体系结构、监视和评估变

化、评估需求，选择解决方案、协调体系演化。围绕体

第1期

指辉控制与仿真

45

系外部环境需求输人和体系结构自身的功能需求，体

系工程过程和相关活动的各个核心要素通过不断循环

和迭代，共同完成体系结构建模。

体系外部环境

图1体系结构建模的核心要素

武器装备体系是一般体系的特殊化。在参考一般

体系核心要素的基础上，武器装备体系结构有独特的

建模核心要素：①需求模型。为了完成特定的使命任

务，武器装备体系在不同作战样式下的作战需求各不

相同。为了更好对武器装备进行描述，应该首先建立

需求模型。②体系总体功能模型。总体功能模型是武

器装备体系建设的指导方针，是对武器装备体系能力

的总体概述。③组分系统结构及其之间的关系。要对

组成武器装备体系的各分系统结构进行描述、从顶层

自上而下进行分解，分解过程重点描述各组分系统的

对外接口，以说明分系统之间的信息共享机制。④分

系统功能行为描述。⑤体系组分系统之间的信息交

互、通信关系。在作战过程中，武器装备体系分系统之

间的信息交互能力、通信可靠性等在很大程度上决定

了体系的总体性能，因此，对体系组分系统之间的信息

交换和通信的描述至关重要。

2

SysML

对武器装备体系结构建模的支持

SysML

建模支持从两个视角对武器装备体系结构

进行描述:用户视角和组分系统视角。用户视角下，将

得到各种用例，从而支持从不同的用户角度对体系进

行描述。组分系统视角下，通过时序图的形式来支持

体系结构的分析和优化。

SysML

对系统的定义主要通

过其结构模型、行为模型、需求模型和参数模型来完

成。其中，结构模型侧重于对系统的层次以及系统间

不同对象的相互关联关系进行建模；行为模型主要针

对基于功能的行为和基于状态的行为进行建模；需求

模型强调用户需求的层次关系、需求间的追溯关系及

设计对需求的满足情况等；参数模型主要强调系统或

系统内部部件间的约束关系。根据

SysML

各模型元素

所能描述的信息，它对武器装备体系建模核心要素的

描述支持如表1所示。

表1武器装备体系结构建模的SysML支持

武器装备体系结构建模要素

SysML模型元素支持

体系能力建设需求

需求图

体系总体功能描述

用例图

体系组分系统结构

及组分系统的接口

包图、块图、内部块图

体系组分系统功能行为描述状态机图、活动图

体系组分系统之间的

信息交互、通信关系

时序图

3基于

SysML

的模型驱动武器装备体系结

构设计

根据

SysML

对武器装备体系结构建模核心要素描

述的支撑程度，探索研究基于

SysML

的模型驱动武器

装备体系结构设计方法，如图2所示。整个流程从武

器装备体系的需求分析开始。根据武器装备体系建设

利益相关者对体系能力的期望、不同作战样式下的使

命任务和作战基本需求构建需求图，需求图包括用户

需求文档的输人和将用户需求转换成系统需求，系统

需求牵引出武器装备体系应具备的能力，形成武器装

备体系的整体功能用例模型及需求模型，并利用需求

与模型知识库对其进行管理。武器装备体系每个功能

需求用一个用例进行描述，以驱动后续的建模流程。

针对每个用例，构建出武器装备体系为完成用例所要

进行的活动，形成用例活动模型。用例活动模型描述

了武器装备体系与外部环境的信息交互，其由多个完

整的活动流程共同组成。每一个完整的活动流程可以

用黑盒时序图表示，即对武器装备体系进行黑盒分析，

描述武器装备体系在作战活动中的外部行为功能，其

主要确定了武器装备体系与用户、外部环境的接口。

然后根据武器装备体系建设需求对子系统进行权衡选

择，确定武器装备体系的组成系统，将黑盒活动模型中

的活动进行分配，在活动分配过程中定义了子系统之

间的接口，即对武器装备体系进行白盒分析。白盒分

析主要确定了体系内部系统完成使命任务的功能行

为。依次迭代，继续对体系建模进行更深层次的剖析，

迭代的次数取决于建模粒度的大小。整个过程自上而

下，依次对体系的结构和对应的功能模型进行分解，最

后得出满足建模粒度的各个体系组成部分的功能模

型、对外接口和组成部分之间的信息交互关系。

46

陆法，等:基于SysML的模型驱动武器装备体系结构设计与分析

第39卷

图2基于SysML的模型驱动体系结构设计过程

4集成仿真分析工具对体系结构模型进行

通过

SysML

多视图建模可以得到静态的武器装备

系结构模型进行动态功能分析、属性量化计算和可视

化仿真。

Rhapsody

与

STK

工具综合集成的实现。如下所述

Rhapsody

建模工具为外部程序提供了操作接口和事件

分析

体系结构模型，对武器装备体系结构的功能进行动态

检验，就要将静态的体系结模型转换成可视化的可执

行模型。本文选择

IBM

Rational

Rhapsody

作为武器装

备体系结构设计的建模工具，如图3所示。

回调接口，通过操作接口可以对模型进行建立、修改、

删除等操作，通过事件回调接口可以监控工具建模过

程发生的事件。

STK

自带的

STK

/

Connert

模块可以与

软件开发平台实现互联，它提供了一种使用客户端到

服务器方式连接

STK

的工作方式，用于给第三方的应

用程序提供一个向

STK

引擎发送指令和接收数据的通

信路径。为实现

Rhapsody

与

STK

工具综合集成，本文

以

Microsoft

Visual

Studio

2010 作为

Rhapsody

和

STK

的

互联平台，具体步骤为：

1) 在

Visual

环境中创建与

Rhapsody

关

联的自动化脚本。创建自动化脚本需要两个组件:

Ra

­

tional

Rhapsody

COM

类型库(

rhapsody

.

tlb

) ;

Rhapsody

提供的一个可执行的

COM

服务功能。

图3 Rhapsody与STK模型交互

2) 创建

Rhapsody

的数据模型和

STK

的数据模型。

创建数据模型的目的是通过定义数据模型实现

在应用

SysML

描述系统体系结构的基础上，将

Rhapsody

与

STK

进行综合集成，实现在

Rhapsody

中构

Rhapsody

和

STK

模型兀素之间的映射，通过

Visual

Stu

­

dio

.

NET

环境来专门处理这两个工具之间的模型映射。

建的相关模型转变为

STK

中的仿真模型，两个工具的

模型可互操作，并具备双向可追溯特性，运用

STK

对体

3) 将

Visual

Studio

2010 分别与

Rhapsody

和

STK

关联，使用

TCP

/

IP

协议来完成

Rhapsody

和

STK

两个

第1期

指輝控制与仿真

47

图4仿真分析效果图

工具之间的进程通信。

4) 在

.NET

环境中嵌入

STK

/

X

。在

Visual

Studio

NET

环境中创建工程文件，然后创建一个工具交互平

台，用于添加驱动

STK

/

X

组件。

5) 上述步骤实现后，可在

Rhapsody

中嵌入功能性

插件，这些插件调用第三方工具上定义的功能对模型

进行运转，打幵

STK

的2

D

/3

D

场景展示、分析模块引

擎等。将模型转换完成后效果如图4所示。

模型转换成功后，将自动弹出

STK

的2

D

和3

D

场

景界面。一方面将

Rhapsody

模型转换成

STK

场景提

高了建模的真实程度，系统论证人员将看到作战想定

的实景展示;另一方面，系统论证人员还可以利用

STK

的强大分析功能对模型进行进一步的分析评估，如图5

所示，可以使用

STK

模型进行

AER

(

Azimuth

Rang

Ele

-

vation

)分析。

图5运用STK模型进行AER分析

基于

SysML

建模语言的

Rhapsody

和

STK

的集成，

使得武器装备体系结构论证从单一平台或者单一论证

工具发展到集成不同工具和不同模型的综合平台论证

成为可能，对后续的体系结构评估分析有强大的支撑

作用：

1)模型执行分析。有效实现体系结构设计的迭代

幵发过程，通过基于模型的调试，幵发过程中更正模型

的错误，有效解决了传统的系统幵发设计结束后再进

行测试带来的重复工作。在模型构建过程中即可对系

统进行可视化分析和模型逻辑准确性验证，大大减少

了系统后续设计的复杂度。

2) 结果反馈分析。通过可执行模型获取分析结

果，确定对武器装备体系哪些部分进行完善，从而进入

模型驱动设计幵发的下一个迭代过程。

3) 实现信息化作战装备作战能力与信息交互过程

的三维空间展示，有效展示在信息系统的支持下形成

的具有信息流关系的网络体系，

控制关系等。支持陆海空天一体化战术联合通信系统

.

包括通信关系和指挥

可视化仿真。实现空间实体的飞行任务3

D

视效、飞行

仿真器整合等。

5结束语

模型驱动体系结构设计方法有效处理了复杂系统

设计和管理的复杂度问题，其设计成果便于重用和迭

代修改，并且可以将设计结果模型转换成可执行仿真

的分析模型，真正实现了设计与仿真分析的无缝连接，

实现了体系结构建模与系统工程流程的结合，将建模

工具与仿真分析工具进行集成的举措弥补了

SysML

建

模工具在仿真可视化与系统分析等能力上的缺陷，大

大提高了模型设计的健壮性。

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(下转第

56

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56

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第39卷

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