1、Modular Design Method of Distributed Multi-platform Avionics ArchitectureZHANG Mengmeng1ZHAN Zhijuan2LIU Junxian1LUO Aimin1AbstractIn order to deal with new operational concepts such as distributed warfare,mosaic warfare and all-domain warfare,reduce thecomplexity and uncertainty of multi-platform a
2、vionics system,and solve the problems of multi-platform avionics system architecture designand flexible construction,based on the modular system development method,a modular oriented multi-platform avionics system architecturedesign method is proposed to standardize the modular representation of the
3、 system architecture.On this basis,the modular orientedmulti-platform avionics system organization and application mode is proposed to provide support for flexible generation and dynamicconstruction of the systematic schemes.Key wordsdistributed multi-platform avionics,system-of-systems architecture
4、,modularization,distributed warfareCitationZHANG M M,ZHAN Z J,LIU J X,et al.Modular design method of distributed multi-platform avionics architectureJ.Journal ofCommand and Control,2023,9（4）:433-440分布式多平台航空电子体系架构模块化设计方法张萌萌1詹志娟2刘俊先1罗爱民1Vol.9,No.4August,2023指挥与控制学报JOURNAL OF COMMAND AND CONTROL第 9 卷第
5、4 期2023 年 8 月摘要为应对分布式作战、马赛克战、全域作战等新型作战概念,降低多平台航空电子体系复杂性与不确定性,解决多平台航空电子体系架构设计与灵活构建问题,基于模块化系统开发方法,提出面向模块化的多平台航空电子体系架构设计方法,规范化体系架构模块化表征,在此基础上提出面向模块化的多平台航空电子体系组织运用模式,为体系方案灵活生成与动态构建提供支撑.关键词多平台航空电子系统,体系架构,模块化,分布式作战引用格式张萌萌,詹志娟,刘俊先,等.分布式多平台航空电子体系架构模块化设计方法 J.指挥与控制学报,2023,9（4）:433-440DOI10.3969/j.issn.2096-02
6、04.2023.04.0433随着高新技术的发展与不断提升的功能需求,航空电子系统经历了分立式、联合式、综合式以及先进综合式等发展阶段.开放式系统架构设计理念已成为航空电子系统设计的核心思想.新的作战样式为航空电子系统提出了新的设计要求.诸如分布式作战、多域作战、马赛克战等作战理念不断强化,从单平台航空电子系统到多平台航空电子系统的动态组合、从平台作战功能单元到作战体系综合赋能的设计.内部演进逻辑和外部环境推动促使新一代航空电子系统的发展：一方面,对于多平台航空电子系统的设计,既需要采用统一的架构描述规范,支持开放式架构与应用即插即用,又要不断封装形成体系功能单元模块,生成架构核心资产；另一方
7、面,对于多平台航空电子系统的运用,需要针对越来越灵活的马赛克战、边缘作战等新兴作战样式,聚合运用体系功能单元模块,支持体系方案的动态生成.在开放式架构设计的基础上,当前需要更加重视体系模块化设计与运用.这也为基于模块的多平台航空电子系统设计提出了挑战.1研究背景1.1作战概念的提出为保持全球的军事优势,2016 年,美军首次提出“多域战”的作战概念,使美军从“空地一体战”“空海一体战”等作战概念向多域战作战设想转变1.美军认为,多域作战是在多个域和竞争空间战胜对手的作战行动,通过在时间和空间上的态势塑造、多域力量编组和部署、跨域能力聚合等方式给对手制造难题.多域作战打破了军种、领域之间的界限,
8、各军种在陆、海、空、天、电及网络等领域拓展作战能力,实现跨域火力协同和全域机动,夺取物理域、信息域、认知域和社会域方面的优势2-5.2017 年,美国国防部高级研究计划局（DefenseAdvanced Research Projects Agency，DARPA）提出了“马赛克战”的概念,并界定“马赛克战”是集中应用高新技术,利用动态、协调和具有高度自适应性的可收稿日期 2023-01-25录用日期 2023-07-10Manuscript received January 25,2023；accepted July 10,2023国防科技重点实验室基金资助Suppored by Key L
9、aboratory Foundation of National Technology1.国防科技大学信息系统工程实验室 湖南 长沙 410072 2.中国航空无线电电子研究所 上海 2002331.Information Systems Engineering Laboratory,National University of De-fense Technology,Changsha Hunan 410072,China 2.China National Aero-nautical Radio Electronics Research Institute,Shanghai 200233,Ch
10、ina指挥与控制学报9 卷组合力量,将低成本、低复杂度的系统以多种方式连接在一起,建成一个类似“马赛克块”组成的作战体系6.体系中的某个部分被敌方摧毁时,能自动动态重组,形成虽功能降级但仍能相互链接、适应战场情境和作战需求的作战体系.“马赛克战”要求以分布式作战管理取代集中式指挥控制.“马赛克战”的分布式作战管理基于激烈、复杂的战斗空间环境,借助智能化决策工具,提供分布式态势感知和自适应规划、控制,帮助相关人员进行任务规划行动控制.美国战略与预算评估中心（Center for Strategic and Budgetary Assessments,CSBA）2020 年发布 马赛克战：利用人工
11、智能和自主系统来实施决策中心作战 研究报告7,提出决策中心战的思想,就是在马赛克作战理念基础上,让美军指挥官更快更有效地决策,同时降低敌方决策的速度和质量.马赛克战：恢复美国的军事竞争力 研究报告中表示,用“杀伤网”取代“杀伤链”,形成节点高度分散、具有良好韧性和较多的冗余节点的杀伤网络8.基于此,作战对手难以对“杀伤网”进行致命性破坏.即使“杀伤网”中部分节点功能失效,也难以影响“杀伤网”的整体作战效能.国防科技大学信息系统工程重点实验室张维明教授等提出“边缘作战”的作战构想9-11,指出在新型通信网络、分布式计算、机器学习等智能化手段越发突出的今天,局部作战中由传统集中式指挥控制向“弱中心
12、”甚至“无中心”的指挥控制模式转变,强调在快速变化的作战环境中快速构建杀伤链.上述相关作战概念的提出与深化研究要求体系组成单元的灵活重组以及作战方案的动态构建,为航空电子体系的演进运行明确研究问题.1.2航空电子系统架构航空电子系统经历了分立式、联合式、综合式以及先进综合式 4 个发展阶段.随着高新技术的发展,航空电子系统能够支持越来越复杂的功能12.现代航空电子系统已经发展成一个由多系统、多任务和多资源构成的相互关联、相互支持和相互制约的复杂系统.20 世纪 90 年代初,莱特实验室在综合式航空电子系统架构的基础上,提出了先进综合模块化航空电子架构.该系统采用开放式的架构提高了系统的可靠性,
13、同时便于采购和维修通用系统模块,大大降低了航空电子系统的成本13-14.其中,开放式系统架构是一种公开可用的标准,包括软件架构的分层和接口分类,设计和开发遵循一定的规则,隔离上层应用程序与底层软件,以便在不同领域中实现系统功能15-16.采用开放式系统架构已成为明确的要求.为提高程序运行时的可靠性以及系统维护的灵活性,航空电子系统在设计时需要保证下层系统和上层应用之间不会发生错误传播,确保应用程序设计标准化、机载接口标准化以及机载平台开发规范化.近年来,由于马赛克战、边缘作战等作战理念的不断提出,强调多平台航空电子系统如何更加快速的协同与聚合,灵活的遂行高对抗、强实时下的作战任务,其核心在于构
14、建开放式的系统架构和模块化的作战运用解决方案.1.3模块化开放式系统架构设计2020 年,美国防工业协会发布模块化开放系统方法（modular open systems approach,MOSA）白皮书,阐述 MOSA 的定位与作用17.MOSA 是一个集成的业务和技术战略,采用模块化设计定义模块之间的接口,使用支撑的标准定义开放式接口.使用 MOSA 方法的好处包括可兼容性、技术的快速更新、提高竞争能力、节省代价.其实现方法是采用模块化设计方式进行系统设计,包括但不限于标准接口、标准流程、可访问数据等.其概念内涵是：模块化技术设计方法,包括设计模块、定义模块间接口、发布共性标准、定义标准化
15、可访问的数据模块等.白皮书提出实现 MOSA 方法的 10 个关键原则：在采办流程前期明确 MOSA 战略和目标；为采购者和提供者等多个角色定义 MOSA 实现方法；利用MIL-STD-881D 标准定义接口；在合适的抽象和复杂性层级应用 MOSA；将实现 MOSA 作为更大、更鲁棒的数字化工程战略的一部分；在 MOSA 应用中集成赛博安全战略,并在初始阶段进行设计而不是后期进行集成；国防部和工业部门共同合作来定义如何评价 MOSA；为 MOSA 的广泛有效实施,需要更改相关的文化与制度等；创建 MOSA 认证系统与接口的列表清单；在 MOSA 使能环境中定义比较和具象标准和接口的方法.MOS
16、A 理念与方法在诸多项目中得到应用.鉴于复杂系统的高代价、难维护与扩展性,为了达到合理的分解系统、有效的组装系统等目标,重要考虑模块性、组合性、开放兼容性 3 个特性,美军开展陆地平台集成的解决方案18.该项目旨在将传统的“栓连式”集成方式转换为数据站的方式,主要解决 3 个问题：减少 SWaP-C 的影响；通过兼容性使能新能力,主要采用数据站来实现；通过通用的规范、软件硬件使能通用性.为了形成具体可操作的 MOSA 方法,实现从闭合式软硬件架构、紧耦合软硬件组成等现状向开放式软硬件架构、基于模型的系统工程的转变,美陆军4344 期建设项目将问题的解决方案定义为若干种架构,并提供统一的设计流程
17、19.其中,参考架构是资源、领域具体化数据模型、用例与概念、政策与标准、工具、示例等内容的集合；目标架构是从参考架构中选择部分内容,并结合具体场景建立的新的作战概念；系统架构是在目标架构的基础上,面向平台具体化需求的扩展或者裁剪,是对单个飞机装备的具体化,并自此开始系统设计；系统建模语言用于对系统层面以及嵌入式计算层面的建模和分析,缓解集成问题.2多平台航空电子体系架构设计方法结合当前研究基础,在多平台航空电子体系设计中需要应对新型的作战样式,重点研究如何基于体系设计成果达到方案动态生成的目的,也就是本文主要研究的开放式和模块化的设计理念.2.1先进航空电子系统体系架构设计要素为应对下一代航空
18、电子系统发展趋势,航空电子系统综合技术国防科技重点实验室提出先进航空电子架构22,应用面向服务体系结构方法和复杂系统架构理论,以构建航空电子信息服务平台为基础,将任务系统、机载武器以及飞机平台等作战资源,通过定义标准接口、建立标准组件、采用网络化手段,实现航空电子系统互联、互通、互操作,满足航空信息化、网络化和体系化的发展要求.先进航电系统体系架构综合运用开放式系统架构理念,面向服务与资源解耦,提出构建应用层、服务层、网络层、接入层、资源层的航空电子系统架构,实现各层资源的分布式管理,支撑面向作战的灵活管理.其层次结构如图 1 所示.2.2多平台航空电子体系架构设计框架研究多平台航空电子体系架
19、构描述方法,结合先进航空电子体系架构,为支撑模块化构建与运用的需要,挖掘并梳理与模块化设计相关的核心数据要素,构建多平台航空电子体系架构数据元模型.结合模块化设计的需要,构建如图 2 所示的数据元模型,将多平台航空电子体系架构划分为作战架构和系统架构.其中,作战架构主要关心航空电子系统在完成作战任务时的任务效果与作战能力,系统架构主要描述支撑作战任务的航空电子系统的系统架构.具体的数据要素描述如下.作战架构主要包括任务、任务效果、能力模块、能力效果.其中,任务与任务效果描述实现作战任务的相关指标,能力模块与能力效果描述是否存在能力模块可以直接实现任务,是对能力模块参考资源的搜索选用.系统架构主
20、要包含应用、服务/服务模块、接口、网络、资源/资源模块等核心要素,在先进航电系统体系架构的基础上,重点突出了服务模块与资源模块的描述内容,将服务与资源作为体系架构描述的核心资产,表示可以通过服务模块动态形成能力模块、或者通过资源模块动态形成服务模块.上述能力模块、服务模块、资源模块可以作为体系架构的数据资产,是体系方案动态生成的基础.根据上述数据元模型,提出如图 3 所示的描述模型集合,由作战架构包括的任务视角、能力视角,以及系统架构包括的应用视角、服务视角、网络视角、接入视角、资源视角组成.这些描述模型既可以用来构建多平台航空电子体系,也可以根据设计数图 1先进航空电子系统体系层次结构Fig
21、.1Hierarchical structure of advanced avionics architecture图 2多平台航空电子体系架构数据元模型Fig.2Data meta-model of multi-platform avionics architecture张萌萌等:分布式多平台航空电子体系架构模块化设计方法435指挥与控制学报9 卷据动态生成多平台航空电子体系方案.任务视角根据作战想定与作战场景,描述不同层次的作战任务以及任务的实现效果,包括任务的分解、任务的流程以及任务的效果等内容,其中,任务分解采用树状图形式描述,表示需要实现的不同层次的任务,叶子任务需要进一步指定实现的
22、航空电子平台；任务流程采用流程图形式描述,表示任务的信息流转关系；任务效果采用表格形式描述,表示实现每一个任务需要满足的指标.能力视角用来描述当前体系中存在的能力模块,表示体系的能力模块化程度,包括能力模块列表、能力模块描述、能力模块效果等内容,其中,能力模块列表采用表格的形式描述体系中包含的所有能力模块,能力模块描述采用网络图的形式表示能力模块的内容,如与应用、服务、资源等要素的包含关系,能力模块效果采用表格的形式描述能力模块可以达到的指标.对于每一项叶子任务,需要搜索体系中是否存在能力模块可以完成该任务,如果存在的话,则可以直接选用该能力模块描述中的应用、服务、资源等要素.应用视角表示航空
23、电子系统平台所能提供的应用,包括应用清单、应用与任务的映射、应用与能力模块的映射等,其中,应用清单可采用表格的形式描述所有航空电子系统所能提供的所有应用；应用与任务的映射采用矩阵形式描述任务的实现情况；应用与能力模块的映射采用矩阵描述能力模块所包含的应用或者应用集合.如果存在完成任务的能力模块,则可以根据能力模块中包含的应用建立任务与应用的映射,如果对于某任务而言不存在能力模块可实现,则需要通过搜索应用或者应用集合的形式实现该任务.服务视角表示支撑应用实现的服务描述与服务定义,包括应用与服务/服务模块映射、服务/服务模块定义、服务/服务模块接口等,其中,应用与服务/服务模块映射采用矩阵形式描述
24、支撑应用实现的服务或者服务模块,服务/服务模块定义描述每一个服务或者服务模块的组成、质量特性等,服务/服务模块接口描述支撑某应用的多个服务之间的关联关系.服务模块是由若干个服务组合在一起向外暴露出服务功能的综合体,可以认为是较粗粒度的服务,可以单独实现某一个应用,如果不存在实现某应用的服务模块,则需要通过搜索组合若干个服务的形式生成服务模块.网络视角描述体系中存在的网络类型,包括网络类型与网络与服务/服务模块的映射两个模型,前者采用表格的形式描述,后者采用矩阵的形式进行描述.接入视角描述当前体系中存在的不同网络接入方式,包括接入方式描述模型,可采用表格的形式进行描述.资源视角用来描述支撑服务/
25、服务模块实现的物理平台,包含资源/资源模块接入方式、资源/资源模块与服务的映射、资源/资源模块与网络映射、资源/资源模块性能描述以及资源/资源模块接口描述等内容,其中,资源/资源模块接入方式采用表格形式描述资源接入网络的形式,资源/资源模块与服务的映射采用矩阵映射描述资源或者资源模块支撑服务实现的情况,资源/资源模块与网络映射采用矩阵形式描述资源可以接入的网络类型,资源/资源模块性能描述采用表格形式描述资源或者资源模块可以支撑实图 3描述模型集合Fig.3Description models4364 期能力模块名称协同探测模块能力模块标识Block-C1能力模块效果探测范围=1 000 km虚
26、警率=90%支撑完成能力模块情况协同探测能力模块服务模块接口目标跟踪接口包含服务情况航迹融合服务落点判断服务服务模块状态可用包含资源情况航迹判断模块落点判断模块结构化描述资源模块名称目标跟踪资源模块资源模块标识Block-R1资源模块效果目标跟踪准确率=90%支撑完成服务模块情况目标跟踪服务模块资源模块接口目标跟踪接口包含资源情况航迹判断模块落点判断模块资源模块状态可用结构化描述包含指标情况航迹融合准确率=90%落点判断准确率=90%网络化接入情况J 链表 2服务模块化定义模板Table 2Definition template of service modularization链接与网络通信
27、；结构化描述是指该资源模块内部包含的资源以及之间的交互关系.根据上述能力、服务、资源的设计模板,可形成模块化的多平台航电体系数据资源,作为航电系统的资产进行存储,便于作战任务的动态实现.在体系运行和演化过程中,需要不断完善模块库,支撑航空电子体系的动态演进.4面向模块化的多平台航空电子体系组织运用模式根据上述体系架构描述框架和模块化设计内容,可以进一步明确面向模块化的多平台航空电子体系组织运用模式,达到体系方案灵活生成的目的.其流程如图 4 所示,分为如下 4 个步骤.4.1任务建模任务建模包括任务分解、明确任务指标、明确任务流转关系、确定任务流程等内容,对应前述任务建模中的任务分解描述、任务
28、流程描述、任务效能描述.任务建模是体系方案生成的输入,在作战场景下任务建模可以依据人机协作的方式进行描述.4.2能力模块搜索筛选对于任务分解的每一个叶子作战任务,根据该作战任务的效果,搜索匹配对应的能力模块,如果存在能力模块,选择指标最好的模块,并可以直接使用该能力模块包含的应用、服务、资源等要素.如果不存在能力模块实现该任务,则可通过语义或者指标匹配的方式选择应用,并组合若干个应用,形成实现叶子作战任务的应用集合.4.3服务模块搜索筛选对于上述应用集合包含的每一个应用,根据该应用的指标,搜索匹配对应的服务模块.如果存在服务模块实现该应用,则可以直接使用该服务模块包含的服务、资源等要素来实现.
29、如果不存在服务模块实现应用,则可通过语义或者指标匹配的方式选择服务,并形成实现该应用的服务组合方案.4.4资源模块搜索筛选对于上述服务组合包含的每一个服务,根据该服务的指标,搜索匹配对应的资源模块.如果存在资源模块实现该服务,则可以直接使用该资源模块包含的资源等要素来实现该服务.如果不存在资源模块实现服务,则可通过语义或者指标匹配的方式选表 3体系资源模块化定义模板Table 3Definition template of system resource modularization4384 期图 4面向模块化的多平台航空电子体系组织运用流程Fig.4Organization and appl
30、ication process of modular oriented multi-platform avionics system architecture择资源,并形成实现该服务的资源集成方案.在上述分析过程中需要运用到要素的匹配方法和编排方法.要素的匹配可采用文本匹配或者指标匹配的方式,生成待组合的要素集合.在匹配的基础上可进一步对体系要素进行编排,形成应用组合、服务组合、资源集成等结构.要素的编排可根据接口的类型以及信息传递的类型进行组织,这里不再赘述.5结论多平台航空电子体系是空战作战体系的重要组成部分,航空电子体系架构是指导航空电子体系建设、运用的基础,航空电子体系架构质量的好坏是
31、形成空战能力优势的关键.当前,多平台航空电子体系要素多、关联关系复杂、组织结构多样、协同控制需求明显,导致体系复杂性升高,由体系复杂性带来的体系设计与管理难度增大.同时,美军提出“马赛克战”“决策中心战”“全域作战”等新兴作战概念以及DARPA 开展的项目实践,不断强调对抗环境下全域体系方案动态生成与灵活适应,以应对随时发生的局部冲突.为了更加有效地支撑采办和作战运用,美国防工业协会提出模块化开放系统方法,应对体系建设与运用过程中可能发生的变化.体系架构设计方法、航空电子系统设计等领域均指出要采用开放式、模块化的设计模式.模块化与开放式成为降低复杂性、应对不确定性的关键途径.本文研究面向模块化
32、的多平台航空电子体系架构设计方法,旨在建立规范化的体系架构设计模式,统一的系统接口标准规范,便于系统的灵活介入与任务的动态实现,为降低体系的复杂性提供了支撑,为能力的持续生成、任务的动态实现提供思路.References1BRUCE H.Shaping NATO for multidomain operations of thefutureM.Joint Air Power Competence Centre,University ofLincoln,United States,2019.2SHERRILL L,JEFF H,ERIC H.Joint all-domain commandand
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