C4ISR体系结构建模与设计技术研究

论文摘要

体系结构技术已经成为世界各国进行武器装备体系顶层设计的重要手段,并日益展现出显著的优点和巨大的潜力,有力地支持了军队转型和信息化武器装备体系的建设。同时,综合电子信息系统(C4ISR)体系结构已成为分析、验证、评估系统能力、作战概念、构建武器装备体系、制定采办决策、保证系统互操作的重要手段。随着“平台中心战”向“网络中心战”转变和基于能力、面向服务等新概念的出现,C4ISR系统规模和复杂度剧增,用传统的体系结构技术对C4ISR体系结构进行设计和开发,存在一些问题:难以有效描述系统的整体能力、建模方法中缺少C4ISR体系结构元模型、没有提供面向对象设计方法和开发过程以及没有体系结构度量和验证方法等。这些关键技术的不足导致C4ISR系统体系结构设计和开发周期加长、费用增加、系统质量难以保证等问题。本文以“十一五”国防预研课题“海军综合电子信息系统总体方案”(10107010101)课题的研究工作为背景,从C4ISR系统顶层设计的角度上,分析和研究了C4ISR系统体系结构、体系结构建模技术、设计方法和开发过程以及C4ISR体系结构验证等体系结构技术问题。本文主要研究内容和创新点包括以下几点:(1)采用基于能力的C4ISR系统体系结构框架,在作战视图、系统视图、技术视图的基础上,增加系统能力视图和相关产品,扩展和修改了作战视图和系统视图中的产品,定义了能力、作战和系统视图中的关键元素,建立了核心元素之间的映射关系,构建了系统能力、作战活动和系统功能之间三角映射关系,实现了能力视图和作战视图、系统视图、技术视图的关联和映射。(2)基于UML的C4ISR体系结构元建模方法,利用UML扩展机制(构造机制和约束机制),增加了UML中顺序图元模型的时间和状态标志,构建了C4ISR系统行为模型的元模型,为C4ISR体系结构提供了统一的术语、严谨的语义和逻辑表示,实现了对时间和状态的描述,为体系结构验证提供了基础。(3)基于构件面向体系结构的C4ISR体系结构设计方法,将作战节点和系统节点作为系统的构件,需求线和连接作为系统的连接件。从系统的整体能力需求分析出发,规划了C4ISR系统的能力需求和质量属性,实现了系统能力视图到作战视图与系统视图的分配,建立了系统的行为模型和部署模型,提供了一种可行的支持开发可复用、易于互操作的C4ISR系统设计方法。(4)提出了一种基于建模仿真C4ISR体系结构可视化验证方法。将UML状态图和顺序图相结合,通过状态图产生顺序图与设计的顺序图进行可视化对比,验证了C4ISR体系结构模型的活性、一致性和时间特性;通过作战剧情驱动C4ISR体系结构的状态图动态创建系统的执行顺序图,可视化仿真C4ISR系统演化和运行,实现了系统的体系结构和主要功能的检验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外C4ISR系统体系结构研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 研究现状小结
• 1.3 问题的提出及建模仿真测试环境
• 1.3.1 问题提出
• 1.3.2 建模仿真测试环境
• 1.4 研究目标、内容及文章组织结构
• 1.4.1 研究目标和内容
• 1.4.2 文章结构和组织
• 第2章 C4ISR体系结构研究
• 2.1 C4ISR系统定义和组成
• 2.1.1 C4ISR系统定义
• 2.1.2 C4ISR组成要素
• 2.1.3 C4ISR体系结构
• 2.2 美军C4ISR-AF和DoD-AFC4ISR定义和组成
• 2.2.1 美军C4ISR—AF
• 2.2.2 美军DoD—AF
• 2.3 基于能力的C4ISR体系结构
• 2.3.1 能力体系结构视图
• 2.3.2 作战体系结构视图的修改和扩展
• 2.3.3 系统体系结构视图的修改和扩展
• 2.3.4 技术体系结构视图
• 2.3.5 视图元素和产品之间关系
• 2.4 小结
• 第3章 C4ISR体系结构建模方法
• 3.1 传统的C4ISR体系结构建模方法
• 3.1.1 IDEF方法
• 3.1.2 Petri网
• 3.1.3 统一建模语言UML
• 3.1.4 方法比较
• 3.2 基于UML的C4ISR体系结构建模
• 3.2.1 相关定义
• 3.2.2 元建模
• 3.2.3 C4ISR体系结构四层元模型体系结构
• 3.2.4 C4ISR体系结构元模型建立过程
• 3.2.5 C4ISR体系结构元模型建模过程
• 3.3 顺序图元模型扩展
• 3.3.1 顺序图的基本元模型
• 3.3.2 顺序图的扩展
• 3.3.3 系统时间特性扩展
• 3.3.4 UML制品与C4ISR体系结构产品的关系
• 3.4 小结
• 第4章 基于构件面向体系结构的C4ISR体系结构设计方法
• 4.1 传统的设计方法
• 4.1.1 "3A"视图法
• 4.1.2 结构化分析法
• 4.1.3 面向对象分析法
• 4.1.4 方法比较
• 4.2 基于构件面向体系结构的设计方法
• 4.2.1 CBAO的可行性
• 4.2.2 基于CBAO的C4ISR体系结构设计
• 4.2.3 CBAO迭代的设计过程
• 4.2.4 CBAO的视点与体系结构视图之间关系
• 4.3 小结
• 第5章 基于建模和仿真的C4ISR体系结构可视化验证方法
• 5.1 基于建模仿真的C4ISR体系结构验证环境
• 5.1.1 环境组成
• 5.1.2 UML模型与C4ISR体系结构框架模型关系
• 5.1.3 体系结构验证的流程
• 5.2 C4ISR体系结构模型验证
• 5.2.1 体系结构模型活性验证
• 5.2.2 体系结构模型协调性验证
• 5.2.3 体系结构模型时间可达性验证
• 5.2.4 模型验证实例
• 5.3 基于建模和仿真的体系结构验证
• 5.3.1 体系结构执行过程的可视化技术
• 5.3.2 作战概念验证
• 5.3.3 系统体系结构验证
• 5.3.4 实例说明
• 5.3.5 软件体系结构验证
• 5.4 建模仿真工具
• 5.5 小结
• 第6章 C4ISR系统体系结构设计与实现案例
• 6.1 C4ISR系统
• 6.1.1 特点
• 6.1.2 C4ISR系统组成要素
• 6.1.3 典型功能
• 6.2 C4ISR系统体系结构
• 6.2.1 全局视图
• 6.2.2 能力体系结构视图
• 6.2.3 作战体系结构视图
• 6.2.4 系统体系结构视图
• 6.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位其间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录A:C4ISR体系结构框架元模型