面向指挥控制软件集成的工作流建模方法

面向指挥控制软件集成的工作流建模方法

（《指挥与控制学 》刊文精选）

引用格式

李佳锋, 聂坤明, 胡春燕, 周武. 面向指挥控制软件集成的工作流建模方法[J]. 指挥与控制学 , 2021, 7(4): 424-435.

LI Jia-Feng, NIE Kun-Ming, HU Chun-Yan, ZHOU Wu. Workflow Modeling Method for Command and Control Software Integration. Journal of Command and Control, 2021, 7(4): 424-435.

摘要

针对多任务条件下指挥控制系统按需灵活重构的需求，基于服务化思想，采用工作流引擎驱动的技术架构，提出面向指挥控制软件插件集成的工作流建模方法。基于UML扩展机制完成指挥控制流程的时间建模、信息建模、柔性建模和插件描述信息建模，解决指挥控制流程时间、信息和柔性不足的问题，满足指挥控制软件插件动态匹配的需求，为指挥控制软件灵活集成提供支撑。基于UML建模工具实现了指挥控制软件工作流模型的可视化构建，并通过实例验证了方法的可行性。

随着信息技术和科学技术的飞速发展，与以往战争相比，现代战争不论在战争形态，还是在运行规律方面都发生了翻天覆地的变化，信息化战争越来越复杂，不再是平台对平台的对抗，而是体系与体系的对抗[1-2]。指挥控制系统是为完成作战任务服务的应用系统，随着信息系统在军事领域的应用以及军事技术的不断发展，使得指挥控制的地位与作用不断提升，争夺指挥控制的优势成为现代战争对抗最为激烈的焦点。指挥流程强调指挥相关的工作流程，是由一系列相对明确、先后有序、首尾衔接的若干阶段或基本环节所构成的一个特定的过程，是指挥者从事指挥活动的基本程序，能够反映不同指挥模式下的作战指挥活动规律[3]。指挥控制系统面向特定作战需求定制而成，功能使命单一、流程固定，各系统间集成难度大。指挥控制系统根据新的指挥作战需求添加相应的功能，“边建设、边验证”的发展途径导致现有的指挥控制系统围绕各级各类指挥所定制设计，每个系统的功能固定、流程固定，形成了一个个“烟囱”。一旦原有的指挥关系、指挥规则或指挥模式发生变化，流程间的紧耦合性导致需要将原有的指挥控制系统进行推倒重建，大大浪费了人力、物力和财力。随着装备水平的提升和国际形势的变化，未来的任务使命趋于多样化，由于现有的指挥控制系统围绕各类指挥所定制而成，软件架构不同，内部功能耦合度高，不易深度集成，在“烟囱”间架设“桥梁”的方式，存在同步效率低和联动性差的问题。

指挥控制系统的部署环境也是多样化的，指挥控制系统既可能部署在固定的指挥大厅里，也可能部署在空间狭小、设施简陋的指挥车里。所以没有一种指挥控制系统能够满足所有指挥控制系统形态的需求，但是针对各形态均开发相应的系统存在成本高、浪费大和周期长等问题。面向多样化需求的灵活重构能力是未来指挥控制系统的必备能力[4-5]。

为了满足指挥控制系统面向多样化任务灵活重构的需求，提出基于工作流引擎的指挥控制软件插件集成方法，由工作流引擎驱动指挥控制软件插件的动态集成。其中，工作流过程建模是工作流技术应用的重要环节，工作流引擎根据构建的模型来解析和执行流程。

1 相关研究

现有的建模技术包括基于图形符 的建模技术、基于数学的建模技术和基于图形符 的且基于数学的建模技术Petri 及其扩展[5]。UML是一种通用的可视化建模语言，是面向对象分析与设计的标准，能够为系统业务流程提供可视化的分析与设计[6]，从而阐明系统“要做什么—>由谁去做—>如何去做—>何时做—>做的顺序怎么样”这样一个核心问题。

流程模型是对业务流程定义的基本元素和规则的抽象，并加以一般性描述，用于指导业务流程管理与插件集成的过程建模。流程一般由开始节点、结束节点、控制节点以及若干个活动节点组成[7]。

目前在各种领域已经有许多可视化的流程建模方法，主要的流程建模方式有基于Petri 建模、基于事件驱动的过程链建模、事务流程建模、基于语言模型的流程建模、基于活动 络的流程建模、基于状态机的流程建模和基于统一建模语言（UML）的流程建模[8]。

使用UML对工作流过程进行建模，已有不少同行做过相关的工作。有的同行仅使用UML完成工作流建模，有的同行根据UML在工作流建模中存在的不足，提出了改进的方法。马云龙针对UML易于理解、可视化以及UML动态特定与工作流业务流程想吻合的特点，使用多种UML视图完成工作流模型的构建[9]。朱璇等使用UML模型实现了联合作战方案计划的可视化视图建模，构建了时间视图、信息视图和空间视图，将多维复杂的战场数据信息进行简明表述实现了战场数据信息的高效表达[10]。吴雷等针对传统软件建模方法无法满足ERP业务模型到MDA下模型转换的需求，对工作流定义元模型进行改进并基于UML的轻量级扩展机制，建立了UML Profile，通过实例论证了模型理论的可行性[11]。郝可针对传统业务流程不可重入，难以完全适应战场变化，提出流程节点，体现业务流程的柔性变化，并给出了引入流程节点后业务流程的柔性变化以及相应的规则，与现有的模型相比较，其更适合战场环境，但是对日志数据的利用度不高，而且没有给出实际的建模方法和工具[12]。魏然为了满足指挥控制流程对任务动态更改的需求，缩短流程执行周期，针对传统工作流中节点静态、固化的现状，对任务状态空间进行分析，提出对流程节点增加部分提交状态，实现流程任务的多次提交，通过仿真实验，验证了该方法提升了流程的并行性和动态性[13]。

2 基于UML的工作流建模

2.1 UML活动图与工作流模型的映射

现有的UML活动图元素与工作流模型间的映射关系如下[14]：

1) 将UML活动图中的动作状态映射为工作流过程模型中的活动节点。

2) 将UML活动图中的初始状态和终止状态映射为工作流过程模型中的开始节点和结束节点。

3) 将UML活动图中的表示活动间转移的控制流映射为工作流过程模型中活动节点间的顺序流。

4) 将UML活动图中的分支与合并元素映射为工作流过程模型中的条件 关和并行 关的分散图元。

5) 将UML活动图中的分叉和汇合元素映射为工作流过程模型中的并行 关的汇聚图元。

通过以上UML活动图元素和工作流元素之间的映射，描述了工作流的多种属性和相应的状态，但是仍不能完全满足指挥控制软件插件集成需求和工作流柔性需求。

2.2 指挥控制软件插件集成建模需求

2.2.1 集成建模需求

为了实现指挥控制软件的动态集成，采用基于插件的集成方法，在指挥控制软件插件开发和入库的前提下，利用工作流引擎驱动，实现基于规则的功能模块动态按需加载。将指挥控制工作流模型中的活动节点与指挥控制软件插件关联，在指挥控制流程执行过程中，通过获取关联的插件信息，实现对相应插件的调用并完成任务。因此需要实现指挥控制软件插件的集成建模。

1) 插件描述需求

a) 插件的功能信息包括功能名称和是否拥有图形界面。

b) 插件的接口信息包括输入的参数类型列表和返回的参数类型等。

c) 插件的环境信息包括硬件环境和软件环境两部分，硬件环境由最低计算机配置（CPU频率、内存和硬盘）和 络要求等组成；软件环境由操作系统和数据库等组成。

2) 信息建模需求

3) 角色建模需求

2.2.2 指挥控制软件插件集成建模需求与工作流模型的映射

通过对UML活动图和类图的改进，增加以下映射关系：

1) 通过对UML类图的改进，实现插件描述图元，映射为工作流过程模型中的扩展信息。

2) 通过对控制流的扩展实现动态信息建模，并结合插件描述信息中的输入输出参数映射为工作流过程模型中的流程变量。

3) 将UML活动图中的动作状态划分为人工动作和自动动作，并分别映射成工作流过程模型中的人工活动和自动活动。

4) 舍弃UML活动图的泳道，通过对人工动作状态的扩展实现角色的确定，将其映射成工作流过程模型中的角色。

5) 通过UML组织结构图描述人员、角色、部门和职务间的关系，并且映射成工作流过程模型所需的人员、组和权限关系。

2.3 指挥控制工作流柔性建模需求

2.3.1 柔性建模需求

在现代战争中，战场环境充斥这不确定性和偶然性[15]，战场态势是瞬息万变的，已有的指挥控制工作流建模方法中的业务流程都是固定的，不能根据实际的战场情况灵活变化，难以实现指挥控制系统的敏捷性和适应性。因此提出柔性的机动指挥控制工作流建模方法。

1) 节点柔性。节点柔性是指根据当前战场态势判断该活动节点对应的任务是否需要执行，若活动节点对应任务可不执行或当前活动节点对应的作战实体已损毁，则直接跳过该活动，根据指挥控制工作流模型的定义执行下一活动。在工作流建模中通过定义与每个活动节点对应的布尔类型流程变量实现节点柔性，并且使用该参数来确定活动是否执行。

基于节点柔性能够实现基于同一指挥控制工作流模型的指挥控制流程动态定制，指挥员能够在启动流程时，或者流程运行过程中，根据实际情况跳过某些任务节点，提高流程执行效率，来满足不同情况下流程高效运转的需求。例如在指挥控制工作流中，如果打击目标的信息已经明确，则可跳过侦察活动，直接流转至下一活动。

2) 流程柔性。流程柔性是指在建模时考虑各种可能的情况，实现任务分支全覆盖，能够根据流程执行过程中某些流程变量的值动态选择满足条件的分支，实现在指挥控制流程执行过程中动态选择流程流转方向，以适应不同的实际情况。以打击目标可用兵力计算插件为例，所调用的插件与具体的打击目标类型相关，如针对水面舰艇类目标使用打击水面舰艇类的可用兵力计算插件，打击空中目标则使用打击空中目标类的可用兵力计算插件。在工作流模型中使用条件 关完成不同打击目标类型对应不同可用兵力计算插件的建模，实现在流程运行过程中根据打击目标类型，动态选择相应的分支，满足同一指挥控制工作流模型适应多任务的需求。

2.3.2 指挥控制模型柔性需求与工作流模型的映射

指挥控制模型柔性需求与工作流模型的映射关系如下：

1) 对人工活动和自动活动做进一步扩展，实现活动节点的柔性，在工作流模型中，每个活动节点都有一个与活动名对应的流程变量，该值描述了对应的活动是否需要在已创建的流程实例中执行。

2) 对UML活动图中的流程柔性在工作流模型中体现为不同条件的分支，映射为条件 关，通过对不同流程分支的组合，满足多任务需求，以适应实际情况。

3) 通过对UML活动图中控制流的扩展，实现对时间信息的建模，映射为工作流过程模型中的边界定时器事件，实现时间计时。

3 基于UML的指挥控制工作流建模方法

UML构造型是在已定义好的UML模型元素的基础上构造出一个新的模型元素，为UML增加新事物。使用UML的构造型扩展机制能够满足指挥控制软件插件集成需求和指挥控制工作流模型柔性需求。

3.1 指挥控制软件插件集成建模

指挥控制软件插件集成建模阐述了基于UML扩展机制的工作流图元实现，主要有插件信息描述图元、动态信息描述图元、静态信息描述图元和组织结构描述图元，满足指挥控制软件插件集成建模的需求。

3.1.1插件描述信息构造型

用“Plug-in Deion”表示插件描述。根据插件的描述模型分别构建相应的属性，如所需功能名（FunctionName）、是否需要图形界面（GUI）、输入参数（Input）、输出参数（Output）、操作系统（Operation System）、所用的数据库（Database Type）、当前环境所能提供的最高CPU频率（CPU Frequency）、执行插件时允许的最大内存（Memory）、执行插件时允许的最大硬盘容量组成。通过TaskId唯一确定插件与活动的对应关系。

图 1插件描述构造型的声明和使用

Fig.1. Declaration and utilization of plug-in deion stereotypes

3.1.2信息模型构造型

1) 动态信息构造型

动态信息模型用于描述指挥控制流程运行过程中各活动节点间的输入输出信息，以及指挥控制工作流以外的输入和输出信息。

指挥控制工作流模型动态信息的描述通过扩展控制流实现。由于活动节点的输入参数和输出参数在插件描述中已有体现，所以不在动态信息模型中重复构建，动态信息模型构造型如图 2所示，InfoFlowName表示从上一活动节点流向下一活动节点的信息。

图 2动态信息模型构造型的声明和使用

Fig.2. Declaration and use of dynamic information model stereotypes

2) 静态信息构造型

图 3静态信息模型构造型的声明和使用

Fig.3. Declaration and use of static information model stereotypes

3.1.3人工活动构造型

人工活动构造型的声明和使用如图 4所示，用“User Activity”来表示人工活动，共有有5个属性，分别是TaskName、TaskId、AssigneeName/ GroupName、State和Plugin。其中，TaskName表示当前活动的活动名；TaskId用于唯一标识当前活动；AssigneeName/GroupName用于指定可执行当前活动的用户或用户组；Plugin用于描述活动对应的任务是否需要调用插件，true表示需要调用插件；false表示不需要调用插件。

图 4人工活动构造型的声明和使用

Fig.4. Declaration and use of user activity stereotypes

3.1.4自动活动构造型

自动活动构造型的声明和使用如图 5所示，与人工活动构造型基本一致，删除人工活动中的执行者，增加调用外部应用程序的相关描述。

图 5自动活动构造型的声明和使用

Fig.5. Declaration and use of auto activity stereotypes

3.1.5组织结构构造型

1) OrganizationTop模块是顶层结构，它描述了当前指挥所的相关信息，如它的上级指挥所和下级指挥所，描述了不同指挥所间的指挥关系。

2) OrganizationDepartment模块是次顶层，它描述了指挥所中各组织实体的相关信息，包括实体的名称以及该实体所对应的信息。

3) OrganizationPerson模块是最底层，它描述了人员的相关信息和相应的席位。

使用3层的组织结构模型描述了指挥所中人员所属的部门组织和席位，为定义指挥控制流程模型中的角色提供参考。

OrganizationPerson的构造型如图 6所示，Name定义了人员名，seat定义了人员的席位。

图 6 组织结构构造型的声明和使用（指战员）

Fig.6.Declaration and use of organizational structure stereotypes(staff)

3.2 指挥控制工作流柔性建模

指挥控制工作流柔性建模针对指挥控制工作流建模柔性需求，在UML扩展机制的基础上，实现节点柔性、流程柔性和时间约束图元。

3.2.1 节点柔性构造型

节点柔性通过在图 4的人工活动构造型和图 5的自动活动构造型中定义State属性实现。State属性定义了活动节点的状态，其值为布尔值。true表示该活动需要被执行，false表示该活动节点对应的任务因可不执行或无法完成而跳过，该状态默认均为true，可在流程启动时或流程执行过程中更改。

3.2.2流程柔性构造型

流程柔性体现在根据工作流模型和实际情况动态选择相应的流程分支，因此对分支与合并元图元扩展实现工作流模型中的条件 关，如图 7所示。在条件 关中共有两个属性，分别是gatewayID和gatewayName。gatewayId具有唯一性，用于标识每一个条件 关；gatewayName定义了条件 关的名称。

图 7 条件 关构造型的声明和使用

Fig.7. Declaration and use of exclusiveGateway structure stereotypes

3.2.3 时间建模构造型

采用扩展控制流的方法实现时间约束信息的建模，如图 8所示。通过对控制流上事件的扩展实现对时间约束的建模，共有3个属性，分别是EndTime最晚结束时间、DurationTime最长持续时间和UnitOfTime时间单位。最晚结束时间是指流程执行过程中在该活动停留的最长时间；最长持续时间是指完成该活动所需的最长时间。根据这两个参数，便可根据活动的执行情况对活动执行者进行通知提醒，避免错过活动；若无法在最长持续时间内完成任务则执行预先定义的情况处置活动。

图 8时间约束

Fig.8. time constraint

3.3 工作流建模工具设计与实现

根据UML的扩展机制以及Papyrus的实现方法，共扩展了多种模型，如表1所示，在Papyrus中的实现如图9所示。

基于扩展后的模型能够实现指挥控制工作流建模，将构建的模型映射成BPMN2.0规范后，便能够被工作流引擎解析和执行。

表 1基于UML的工作流扩展型

Table 1 Workflow extension based on UML

图 9使用Papyrus扩展的图元（部分）

Fig.9.Extended primitives using Papyrus (part)

4 指挥控制工作流建模案例

4.1 案例背景

火力旅攻击移动目标的指挥控制流程大致如下：火力旅指挥所在接收到战备警 之后，全旅进入战备状态，侦察雷达对目标进行搜索，雷达一旦发现敌对目标，则向目标连发送目标点迹信 ，目标连在接收到相应的信 之后，将信 发送给指挥所中的目标分配台，分配台完成敌方目标对应航迹计算、初始诸元计算和威胁评估分析，并将结果发送到火力旅指挥所，由指挥员根据评估结果做出相应的决策，选择打击目标，并将目标信息发送给火力控制台，由火力控制台完成敌对目标的地理位置计算和精确的诸元计算，最后由指挥员完成火力分配并将火力分配指令下发各导弹发射营，指挥员根据雷达对目标监视获得的目标态势情况下达指令，完成火力打击任务。流程图如图 10所示。

在图 10的流程描述中，可将组织结构分为目标侦察连、旅指挥所和导弹发射营等涉及的任务不需要人工参与便可执行相应的算法完成任务，因此，可将其看成自动活动，其余任务均需要人工参与。涉及的插件功能有通信、目标探测、目标接收和航迹计算等。

图 10火力旅打击移动目标流程图

Fig.10. Flow chart of fire brigade hitting moving targets

图 11火力旅信息建模（部分）

Fig.11. Fire Brigade Information Modeling (Part)

在该模型中，共有6个任务和1个条件分支。在收到战备警 后流程正式开始执行，根据时间约束信息，在规定时间内由雷达完成目标探测任务、目标连完成目标接收任务。根据捕获的目标的类型执行不同的任务，若目标为移动目标，则调用相应指挥控制软件插件进行航迹计算和诸元计算。在上述任务完成之后，将相关信息上 指挥所；若目标为固定目标，则直接将相关信息上 指挥所。

图 12改进的UML活动图示例

Fig.12. Improved UML activity diagram example

在图 12中，由于每个活动都需要调用插件完成相应的任务，所以在插件描述模型中，为每个活动创建对应的插件描述图元，并写入相应的属性信息，如图13所示。通过插件描述图元和活动图元的TaskId属性建立插件描述图元和活动图元间的对应关系，因此，TaksId具有唯一性。

图 13插件描述信息

Fig.13. Plug-in deion information

4.2 基于UML的工作流建模实现

根据火力旅的指挥关系和组织结构，构建的部分组织结构模型如图 14所示，使用扩展的组织结构3层模型构建了旅-营-连-指战员的结构。在读取该模型对应的XML文件后，根据定义的标签读取相应的内容，并将其添加到工作流引擎数据库中相应的数据表中。

图 14在Papyrus中的组织结构模型（部分）

Fig.14. Organizational structure Model in Papyrus (part)

根据构建的作战实体静态信息，使用扩展后的UML类图描述如图 15所示

图 15 在Papyrus中的静态信息模型

Fig.15.static information in Papyrus

根据图 12构建的火力旅指挥控制工作流模型，使用Papyrus构建的指挥控制工作流模型如图 16所示。

图 16 Papyrus中的工作流模型

Fig.16. Workflow model in Papyrus

对“ControlFlow”进行扩展实现顺序流、时间约束和动态信息流转；将“IntitialNode”扩展为流程开始节点，将“ActivityFinalNode”扩展为流程结束节点；将“action”扩展为人工活动和自动活动，将“ForkNode”扩展为条件 关和并行 关的分散节点；将“JoinNode”扩展为并行 关的汇聚节点。

在工作流模型中扩展的控制流中增加的动态流转信息和时间约束信息如图 17所示，动态流转信息描述了从顺序流的源头流向顺序流末端的信息；时间约束信息描述了当前活动对时间的约束。

图 17工作流建模中信息流的体现

Fig.17. information flow in workflow modeling

为了体现节点柔性，在流程定义时，为每个活动定义了一个变量用于标识根据实际情况该活动是否需要执行。该变量的值可在流程启动时或流程执行过程中变更，在执行活动前先查询对应变量的值再决定活动是否执行，如图 18所示。

图 18实现节点柔性对应的参数

Fig.18. Realize the corresponding parameters of node flexibility

使用Papyrus构建的插件描述模型如图 19所示，该模块的ID与对应的流程活动节点的ID一致。通过解析对应的XML文件，获得活动对应的插件描述信息，根据该描述信息使用插件匹配模块匹配到相应的插件，并将插件调用的信息如插件名和版本 添加到流程文件中对应活动的扩展节点中，便于工作流引擎的调用相应的插件。

图 19插件描述图元

Fig.19. The plug-in describes the primitives

5 结论

根据UML活动图在工作流建模中的优势、实践过程中存在的不足和已有的指挥控制工作流模型的不足，提出了改进的UML活动图工作流建模方法，在活动节点中增加执行活动的用户信息，以避免使用泳道带来的修改的不便；根据指挥控制软件插件集成需求，提出对UML类图进行扩展，实现插件描述图元、静态信息图元和组织结构图元，扩展UML活动图实现动态信息图元；根据工作流柔性需求，扩展UML活动图实现节点柔性、流程柔性和时间柔性。最后在对UML建模工具进行扩展的基础上，通过对美军火力旅指挥控制流程的建模，验证了提出的面向流程集成的指挥控制软件工作流建模的可行性。但是在信息建模部分还不够完善，后续将进一步研究。

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胡春燕(1980—), 女, 中国航天科工集团有限公司第四研究院北京航天晨信科技有限责任公司研究员, 主要研究方向为指挥信息系统总体.

周 武(1966—), 男, 中国航天科工集团有限公司第四研究院北京航天晨信科技有限责任公司研究员, 主要研究方向为导航与控制.

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