基于DODAF的无人机FMCS体系结构设计

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摘要:体系结构对降低系统研制风险,缩短研制周期、保证系统满足应用需求有着重大意义。针对无人机飞行管理计算机系统的复杂化和智能化的要求,探讨基于dodaf(美国国防体系结构框架)的体系结构建模方法。重点分析了体系结构产品的内容和相互逻辑关系,给出了具体的设计步骤,并对体系结构模型进行了验证,验证结果表明FMCS体系结构的正确性和合理性,为复杂系统的实现提供了支撑。

Abstract: Architecture is important to reduce developing risk, to shorten development cycle, and to ensure the whole system meet the military requirement. In order to meet the requirement of UAV's FMCS, this paper first discusses the DODAF system modeling method. The content of Architecture Framework products and their relations were analyzed. Then, the design method and steps of system architecture were proposed. At last,executable model is simulated and validated.Test results show the correctness and rationality of FMCS architecture which is benefitial for the realization of complex systems.

关键词: DODAF;FMCS;体系结构;模型验证

Key words: DODAF;FMCS;system architecture;model validation

中图分类号:TP311.52 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)19-0121-03

0引言

无人机飞行管理计算机系统(fmcs),是一个管理和协调无人机完成多项任务,如导航、飞行控制、图像识别、航迹规划、航迹跟踪、火控解算等的复杂系统。复杂系统的体系结构是系统设计要考虑的关键问题。合适、可靠的体系结构建模关系着系统构建的成败。体系结构框架,是一种用于信息系统体系结构开发、描述和集成的统一方法。这种方法提供了理解和管理复杂的信息体系结构设计的一种机制。DODAF(美国国防部体系结构框架)是目前应用最为广泛也最为成熟的一种体系结构框架,它用来描述系统的顶层、运作需求和构架[1]。本文依据DODAF,分析了体系结构产品的内容和相互逻辑关系,给出了一个无人机FMCS具体的设计步骤,并对所设计的体系结构模型进行了验证。

1DODAF概述

1.1 DODAF体系结构框架DODAF提出了体系结构描述的4个视图: 全景视图(ALL-View)、作战视图(Operational View)、系统视图(Systems View)和技术视图(Technical Standards View)。每个视图都包含一部分产品集,它们之间的相互关系如图1所示 [3]。四个视图主要是从作战需求、系统实现和技术支持三个方面共同描述系统。

DODAF为体系结构设计提供了共同的原则和实践期望标准,在实际应用中,描述特定的体系结构需要根据体系结构的目的、范围和用途选择需要开发的产品,一个系统的体系结构设计并不需要对全部26个产品进行开发。DODAF规定的最小产品集有:AV-1(概述与摘要),OV-1(高级运作概念图),OV-2(运作节点连接描述),OV-5(运作活动模型),SV-1(系统接口描述)和TV-1(技术标准概览),本文就是在此基础上根据系统需要设计体系结构。

1.2 DODAF 建模思想DODAF作为一个框架提供开发体系结构的规则、标准和关系,它为体系结构设计提供了一个总体的建模思维,如图2所示,它的特点是:个别系统都能独立运作与管理、可分布于各个地方、可各自成长,但一旦连接起来,就能呈现出整体的特殊效果。而DODAF就是从通讯系统和组织两个不同的观点观察系统,而这两个观点蕴含着密切的关系,所以将两个观点并列在一起。过去传统的系统工程偏向由上而下的分解思想,分解成小部分,往往让负责小部分的开发者看不到整体,造成对整体理解的偏差。基于SOS(system of systems)的思维而进行的如图所示的新式分解法,则能确保其整体观,对于构建复杂系统有很大的益处。

2FMCS 体系结构建模

根据DODAF提出的六个步骤的体系结构开发过程[2],结合SysML的模型驱动、以体系结构为中心、迭代递增的模型开发过程,综合了面向过程和面向对象的特性[4],按需求分析、系统模型设计和系统模型验证三个阶段开展FMCS系统的模型设计及验证[5]。

2.1 需求分析模型作战视图产品设计过程实际上是一个需求分析过程,包含任务分析、功能分析。作战体系结构研究的内容包括:作战概念图、作战活动图、功能体系结构。无人机FMCS完成典型作战任务的作战活动描述为:在接受地面站任务后,进行任务管理,经控制到达目标区域后,选择侦察设备进行目标侦察,经数据融合、威胁评估和武器配置得到合理的攻击方案并控制武器系统对目标实施打击。

根据描述,确定系统的作战节点有地面站、无人机、侦察设备、武器系统。由此得到系统任务概念图(OV-1),如图3所示,无人机不仅具有侦察能力,而且具有发现目标立即进行攻击的能力,所以系统任务目标有四个:任务管理(MissionManagement)、侦察(ScoutTarget)、飞行控制(Flight control)、攻击(Attack),运作节点有:飞行管理系统(FMS)、侦察设备(ScoutEquipment)、武器系统(WeaponSystem)、地面站(GroundStation)。图中的关联线(表示依赖),表明了运作节点和任务目标之间的依赖关联。

确定系统作战任务目标之后,把作战活动分解到对应的任务目标的活动图中。任务目标之任务管理的作战活动图(OV-5)如图4所示,任务管理包括、任务分析、任务规划、航迹规划、发送任务命令、态势评估等运作活动。

任务概念图、任务活动图完成之后,对系统进行功能分析。功能体系结构描述包括实现四个任务目标的节点的信息和信息交互、行为状态,数据模型,作战活动的顺序事件和时序。其具体实现流程如图5所示。包括OV-2/OV-6c/OV-6b/ OV-7四个产品视图。作战节点间的连接和信息交互用面向数据流的作战节点连接描述(OV-2)表示。而面向服务的OV-2描述运作节点实现的运作活动,它对应着系统的功能,它和系统功能描述SV-4一起实现了作战节点、作战活动和系统功能、系统等四个要素之间的关联,体系了运作视图和系统视图的一致性。OV-6c的设计内容是对整个作战过程按照作战节点和作战活动进行分解,以事件时序方式描述各作战节点之间的动态交互关系和行为逻辑[6]。OV-6b以图形描述作战节点的内部状态转换关系,如状态的转移、状态转换的条件、状态内部活动及特征等。FMS节点的任务管理状态图,它表示的只是一个顶层的状态图,如图6所示,节点从等待状态到任务规划、态势评估、航迹规划、发送任务、执行任务、结束任务等状态,最后又回到等待状态。执行任务的状态中还包含了子状态图,可以进一步细化节点的动态行为。逻辑数据模型OV-7,描述体系结构领域里的信息型别和属性,以及信息之间的关联。例如OV-2中的信息流“任务类型”可以通过OV-7描述它的子类。在完成系统作战视图的任务分析、功能体系结构描述后,可自动生成面向数据流和面向服务的信息交换矩阵OV-3。通过以上产品描述实现了任务管理目标的系统功能描述,其它三个任务目标的描述同理,共同构成系统的运作视图,由以上设计过程可以看出运作视图各产品间的逻辑依赖关系,一个视图的完成是靠各个产品的相互迭代完成的。

2.2 系统模型设计系统模型设计对应系统视图(SV)中的产品设计,描述作战功能的各个系统内部结构和运作规则及系统间互连和互操作关系。系统视图一共有13个体系结构产品,其中SV-1、SV-2、SV-3、SV-4、SV-6、SV-7和SV-11用来描述系统的静态模型和互联,SV-3、SV-6、SV-7和SV-11是对SV-1的细化,包括子系统的性能参数、连接关系和交互数据;SV-5、SV-10(a,b,c)描述的是系统的动态特性;SV-8、SV-9描述的是系统的演化进程和未来预测,用于系统扩展。

系统视图产品的设计步骤如下:第一,系统功能描述。首先将需求分析的作战活动分配到实际的物理系统,并定义相应的子系统执行的功能,子系统执行的功能和功能间关系描述即系统视图SV-4中描述的,由此可以得到作战活动到系统功能的分配关系,即作战活动到系统功能的追溯矩阵SV-5。所以SV-4成为系统视图和作战视图关联的窗口。无人机FMCS的系统视图产品SV-4,一共包括四个SV-4图,分别是:实现攻击活动的系统功能图,实现侦察活动的系统功能图,实现不同模式的飞行活动的系统功能图,实现任务管理方面活动的系统功能图。第二,SV-10(a,b,c)描述执行任务过程中各系统内部规则、状态及系统间的执行顺序及数据交互。系统视图SV-10(a,b,c)的对应于功能体系结构描述的OV-6(a,b,c),换言之,即系统必须是完成作战视图功能的系统,系统视图和作战视图保持一致性。SV-10与OV-6具有相似性。第三,分析支持作战视图的系统节点,定义系统节点中的子系统,分配子系统和接口,描述系统顶层结构,生成SV-1。第四,首先规定系统间的交互,然后产生系统交互信息,给系统添加性能元数据,在此基础上产生系统性能综合,最后完成物理系统设计,生成系统文档,这阶段生成面向数据和服务的SV-2、SV-3、SV-6、SV-7、AV-2;图7表示的是FMCS的内部系统通信SV-2。第五,最后可以考虑系统技术预测和系统演进描述,SV-8/SV-9。

2.3 体系结构产品关系通过以上具体的系统体系结构产品的建模,得出体系结构的建模步骤和各产品间的相互关系如图8所示。运作视图构成体系结构的需求定义过程,系统视图构成解决方案定义过程,OV-5、OV-6作为运作视图的主要产品,SV-4、SV-10作为系统视图的主要产品,SV-5和SV-6用于验证系统体系结构是否满足运作需要。

2.4 模型验证完成需求分析和系统模型设计之后,对两个阶段的模型进行验证。模型验证的主要内容包括:验证体系结构设计的逻辑正确性,体系结构描述中的功能是否按照预期的顺序执行、功能所需的数据是否能够及时提供,验证系统模型的行为是否满足需求分析的行为要求。本文采用消息驱动的方式对体系结构的动态行为逻辑进行验证。图9表示的是无人机接受攻击任务时,FMCS事件响应过程,从接受攻击任务命令开始,到进行火力控制,无人机位置控制,武器投放,攻击结果评估等的过程,该逻辑与预期一致,符合设计要求。

3结论

无人机飞行管理计算机系统是一个多功能的复杂系统。本文依据DoDAF标准,从需求分析、系统模型设计和模型验证三个阶段对FMCS体系结构进行可视化建模和验证,同时研究了体系结构产品设计的方法和产品间的逻辑关系。FMCS体系结构的设计和验证过程,体现了基于DoDAF的建模方法的优势,表明了设计方法的合理性和可行性,证明了所设计的FMCS体系结构的合理性和正确性。

注:本文得到了总装预研基金的资助。

参考文献:

[1]Bernard P. Zeigler, Saurabh Mittal. Enhancing DoDAF with a DEVS-Based System Lifecycle Development Process. Systems, Man and Cybernetics, 2005 IEEE International Conference on.2005,vol.4:3244-3251.

[2]DoD Architecture Framework Version 1.0, Volume II:Definitions and Guidelines. TheUnited States:Department of Defense,2004.

[3]Erik Baumgraten,Raytheon.Dynamic DoDAF and Executable Architectures. Military Communications Conference, 2007,IEEE- 4244-1513:1~5.

[4]PierreDavid,VincentIdasiak,FrédéricKratz. Reliability study of complex physical systems using SysML, Reliability Engineering and System Safety, S0951-8320:1-48.

[5]丛树学,白奕.基于DoDAF的舰载武器系统体系结构建模.指挥控制与仿真,2008,5(30):23-26.

[6]岳增坤,陈炜,夏学知.基于DODAF的体系结构模型设计与验证.系统仿真学报,2009,21(5):1407-141.

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