基于DoDAF的多層彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)模型研究

李雪超，張金成，陳歡歡，熊加遙

（空軍工程大學(xué)，陜西 三原 713800）

信息時(shí)代的到來(lái)，指揮體系結(jié)構(gòu)的日趨扁平化，使我們?cè)絹?lái)越多地面對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)。在復(fù)雜系統(tǒng)的建模過(guò)程中，往往存在需要多方合作、頻繁變更等問(wèn)題，同時(shí)由于系統(tǒng)的解決方案越來(lái)越復(fù)雜，導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤也越來(lái)越難，因此，在合理時(shí)間內(nèi)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行清晰、準(zhǔn)確建模并管理高質(zhì)量體系結(jié)構(gòu)的重要性日益凸現(xiàn)[1]。

DoDAF就是通常所說(shuō)的美國(guó)國(guó)防體系結(jié)構(gòu)框架。體系結(jié)構(gòu)框架提供了開(kāi)發(fā)和表述體系結(jié)構(gòu)的規(guī)則、指南和產(chǎn)品描述，是開(kāi)發(fā)體系結(jié)構(gòu)的前提條件。DoDAF由C4ISR AF 1.0演進(jìn)而來(lái)，先后經(jīng)歷了C4ISR AF 2.0、DoDAF 1.0、DoDAF 1.5，發(fā)展到現(xiàn)在的DoDAF 2.0。DoDAF是要確保各個(gè)指揮組織、服務(wù)提供和各個(gè)部門的系統(tǒng)和信息體系結(jié)構(gòu)描述和定義的一致性和協(xié)調(diào)性。DoDAF是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛和最為成熟的體系結(jié)構(gòu)框架。利用這種統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)指控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),便于系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)人員及使用維護(hù)人員對(duì)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理解、比較和交流。

1 體系結(jié)構(gòu)概述[2]

1.1 體系結(jié)構(gòu)的概念

系統(tǒng)科學(xué)認(rèn)為體系是若干相關(guān)事物相互聯(lián)系、相互制約而構(gòu)成的一個(gè)整體。整體中各個(gè)組成部分的搭配和排列稱之為結(jié)構(gòu)。體系研究整體的內(nèi)涵和外延，結(jié)構(gòu)研究整體的層次和關(guān)系。體系結(jié)構(gòu)是指一個(gè)整體的層次、序列、相互關(guān)系及它們的組成。用到軍事領(lǐng)域，其基本含義不變，只是將其意義的使用范圍擴(kuò)大。

在1990年IEEE STD 610.12（國(guó)際電工組織標(biāo)準(zhǔn)）中，把“體系結(jié)構(gòu)”定義為:“各組成部分及其相互間的關(guān)系，以及自始至終支配這些組成部分的設(shè)計(jì)和演進(jìn)的原理和原則。”所謂各組成部分，可認(rèn)為是作為研制對(duì)象的特定領(lǐng)域或系統(tǒng)的各組成部分，是對(duì)某一復(fù)雜事物的本質(zhì)性、原則性、穩(wěn)定性描述。

2000年IEEE STD 1427提出下述定義:“體系結(jié)構(gòu)是概括系統(tǒng)的組成部分、他們相互之間的關(guān)系及對(duì)環(huán)境的關(guān)系和指導(dǎo)設(shè)計(jì)和演進(jìn)的原則的基本組織?！边@種定義補(bǔ)充了系統(tǒng)及各組成部分對(duì)環(huán)境的關(guān)系。這一點(diǎn)在開(kāi)發(fā)體系結(jié)構(gòu)是不能不考慮的。

1.2 DoDAF產(chǎn)品概述

DoDAF主要由全視圖（AV）、作戰(zhàn)視圖（OV）、系統(tǒng)視圖（SV）和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)視圖（TV）組成。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)視圖的每一個(gè)視圖都描述體系結(jié)構(gòu)的一定屬性。其中，作戰(zhàn)視圖描述為完成國(guó)家使命所要求的任務(wù)及活動(dòng)、作戰(zhàn)要素和信息交換的一組圖形及文字產(chǎn)品，使命包括作戰(zhàn)使命和公務(wù)過(guò)程；系統(tǒng)視圖是描述提供或支持功能的系統(tǒng)和互通的一組圖形及文字產(chǎn)品，功能包括作戰(zhàn)功能和公務(wù)功能；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)視圖是管理系統(tǒng)部件或零件的排列、交互和互相依賴的最小一組規(guī)則，如圖1所示。

2 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[3,5]

2.1 作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是描述系統(tǒng)支持的作戰(zhàn)概念，包括完成作戰(zhàn)任務(wù)的活動(dòng)、作戰(zhàn)要素、人員/組織之間的相關(guān)信息交換，定義交互信息的類型、頻度、支持的作戰(zhàn)活動(dòng)以及信息種類，揭示作戰(zhàn)能力和互操作性方面的需求。相應(yīng)的產(chǎn)品有:高層作戰(zhàn)概念OV-1，作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)連接描述 OV-2，作戰(zhàn)信息交換矩陣OV-3，組織關(guān)系描述OV-4，作戰(zhàn)活動(dòng)描述OV-5，作戰(zhàn)規(guī)則描述OV-6a，作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述OV-6b，作戰(zhàn)事件跟蹤描述OV-6c，邏輯數(shù)據(jù)模型OV-7等。作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具體步驟如下圖2所示。

圖1 DoDAF 1.5產(chǎn)品集示意圖

圖2 作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)流程圖

在本階段以O(shè)V-1驅(qū)動(dòng)，OV-5為過(guò)程，OV-2為核心，OV-6c提供驗(yàn)證機(jī)制，根據(jù)內(nèi)部邏輯關(guān)系逐步建立完善的作戰(zhàn)體系模型，這是一個(gè)反復(fù)迭代的過(guò)程。

2.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是對(duì)支持或提供作戰(zhàn)功能的各個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行規(guī)則及其系統(tǒng)間互連和互操作關(guān)系的描述。與之對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品有系統(tǒng)接口描述SV-1、系統(tǒng)通信描述SV-2、系統(tǒng)關(guān)聯(lián)矩陣SV-3、系統(tǒng)功能描述 SV-4a、服務(wù)功能描述 SV-4b、作戰(zhàn)活動(dòng)與系統(tǒng)功能跟蹤矩陣 SV-5a、作戰(zhàn)活動(dòng)與系統(tǒng)追蹤能力矩陣 SV-5b、作戰(zhàn)活動(dòng)與服務(wù)追蹤能力矩陣SV-5c，系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互矩陣SV-6、系統(tǒng)性能參數(shù)據(jù)矩陣SV-7、系統(tǒng)演化描述SV-8、系統(tǒng)技術(shù)預(yù)測(cè)SV-9、系統(tǒng)規(guī)則描述 SV-10a、系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述 SV-10b、系統(tǒng)事件跟蹤描述SV-10c、物理數(shù)據(jù)描述SV-11等。上述16個(gè)方面描述了整個(gè)DoDAF系統(tǒng)的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體步驟如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)流程圖

無(wú)論是作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)模型還是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型，在上述階段的實(shí)際應(yīng)用中具有典型的代表性，但卻不是每個(gè)階段的模型都要全部創(chuàng)建，要根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模和表現(xiàn)方面的具體情況而定。在實(shí)踐中，整個(gè)建模過(guò)程將呈現(xiàn)多次迭代。

2.3 技術(shù)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

技術(shù)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是建立系統(tǒng)研制、開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須遵守的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以規(guī)范和約束系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)選擇。與之相對(duì)應(yīng)的技術(shù)視圖包含技術(shù)體系結(jié)構(gòu)輪廓產(chǎn)品TV-1、標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)預(yù)測(cè)TV-2。技術(shù)體系結(jié)構(gòu)輪廓產(chǎn)品根據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)的軍事需求，提供了適用于系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)子集的說(shuō)明，包括質(zhì)量管理、進(jìn)度管理、經(jīng)費(fèi)管理、組織管理等的規(guī)范；標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)預(yù)測(cè)是一組支配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和操作的規(guī)則，考慮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展對(duì)系統(tǒng)建設(shè)的影響，對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展、變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。技術(shù)視圖主要反映管理者對(duì)系統(tǒng)研制開(kāi)發(fā)的關(guān)注點(diǎn)。

3 多層彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)建模

彈道導(dǎo)彈作為跨空域武器，具有射程遠(yuǎn)、速度快、高度高、多彈頭分導(dǎo)再入和多種突破防御措施等作戰(zhàn)特點(diǎn)，防御難度高，破壞性大，在近代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著其技術(shù)被越來(lái)越多的國(guó)家掌握，威脅程度也與日俱增。

本例中展現(xiàn)一個(gè)對(duì)中近程彈道導(dǎo)彈在不同的彈道采用不同武器進(jìn)行攔截的簡(jiǎn)單的作戰(zhàn)場(chǎng)景:敵方彈道導(dǎo)彈發(fā)射后，首先被太空中的預(yù)警衛(wèi)星探測(cè)到，測(cè)出其飛行數(shù)據(jù)，并將其發(fā)回地面指揮所、部署在戰(zhàn)線前沿的雷達(dá)和配有機(jī)載激光器的飛機(jī)。指揮所計(jì)算出來(lái)襲導(dǎo)彈飛行方向和粗略落腳點(diǎn)，雷達(dá)搜索并跟蹤來(lái)襲導(dǎo)彈。當(dāng)導(dǎo)彈發(fā)射后處于助推段時(shí)，指揮所下令配有機(jī)載激光器的飛機(jī)進(jìn)行攔截；若攔截失敗，指揮所下令戰(zhàn)略地對(duì)空導(dǎo)彈對(duì)其進(jìn)行導(dǎo)彈飛行中段攔截；若再次攔截失敗，指揮所將令戰(zhàn)術(shù)地對(duì)空導(dǎo)彈在來(lái)襲導(dǎo)彈飛行末段攔截。

（1）高層作戰(zhàn)概念圖OV-1

OV-1描述需要完成的使命、建設(shè)范圍、服務(wù)范圍、對(duì)象等。它給出了重要的作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)，描述重要的或獨(dú)特的作戰(zhàn)能力，并描述目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)與環(huán)境之間的關(guān)系和體系結(jié)構(gòu)與外部系統(tǒng)之間的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 高層作戰(zhàn)概念圖 OV-1

（2）作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)描述

OV-2是描述作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)和這些作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)間的需求線的一個(gè)產(chǎn)品。作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)圖包括這個(gè)體系結(jié)構(gòu)內(nèi)部的作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)，也包含外部節(jié)點(diǎn)，需求線說(shuō)明需要交換的信息，如圖5所示。

圖5 作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)鏈接描述 OV-2

（3）組織關(guān)系圖

OV-4描述在體系結(jié)構(gòu)中起關(guān)鍵作用的作戰(zhàn)人員或作戰(zhàn)組織之間的指揮結(jié)構(gòu)，其目的是清晰系統(tǒng)內(nèi)部和外部的組織及下級(jí)組織關(guān)系。這些關(guān)系可能是監(jiān)督報(bào)告、指揮控制、命令等。如圖6所示。

（4）作戰(zhàn)活動(dòng)模型

OV-5是關(guān)鍵的體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，描述為了完成任務(wù)或者達(dá)到目標(biāo)需要執(zhí)行的一系列活動(dòng)，由能力、作戰(zhàn)活動(dòng)、活動(dòng)間的輸入輸出流等建模元素構(gòu)成。OV-5的兩種關(guān)系必須要體現(xiàn)，一種是層次關(guān)系，即作戰(zhàn)活動(dòng)具有子活動(dòng)，一種就是信息流的關(guān)系。如圖7所示。

圖6 組織關(guān)系圖 OV-4

（5）作戰(zhàn)事件跟蹤描述

OV-6c定義作戰(zhàn)事件的蹤跡描述，提供作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)之間的信息交換的時(shí)間順序的檢查。它有助于定義節(jié)點(diǎn)接口，并能夠確保特定作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)具有必要的信息，以便在正確的時(shí)間完成賦予它的作戰(zhàn)活動(dòng)。如圖8。

從具體設(shè)計(jì)過(guò)程和各類產(chǎn)品之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以得出作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品之間的邏輯關(guān)系如圖 9所示。作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品集作為需求用例影響系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

模型以美國(guó)多層彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)為原型，闡述了其系統(tǒng)的組成部分，簡(jiǎn)單分析了各組成部分的關(guān)系和作戰(zhàn)防御流程，并基于DoDAF建立了體系結(jié)構(gòu)模型，為今后導(dǎo)彈防御系統(tǒng)研究者提供了一些參考。

圖7 作戰(zhàn)活動(dòng)模型OV-5

圖8 作戰(zhàn)事件跟蹤描述OV-6c

圖9 作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品依賴關(guān)系

4 多層彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)中存在的不足

在多層彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,還有以下不足和有待深入改進(jìn)的地方。

1）改進(jìn)體系結(jié)構(gòu)建模方法。文中多層彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)建模，對(duì)模型的層次關(guān)系描述還存在不足，應(yīng)該進(jìn)一步完善方法的層次描述，使模型層次關(guān)系描述更加緊密。

2）完善系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品集模型，使體系結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)更加完整。對(duì)于 DoDAF三大視圖，本文只對(duì)作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模，而作為一完整系統(tǒng)模型，其他兩個(gè)視圖也需要合理的建模與分析。

3）改進(jìn)體系結(jié)構(gòu)一致性開(kāi)發(fā)過(guò)程，保證產(chǎn)品的一致性。多層彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)，在它的設(shè)計(jì)模型演進(jìn)和修改過(guò)程中，還是可能出現(xiàn)不一致。如何改進(jìn)開(kāi)發(fā)過(guò)程，保證一致性也是研究重點(diǎn)。

4）沒(méi)有深入研究系統(tǒng)的可執(zhí)行性模型和驗(yàn)證。

5）對(duì)多層彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)所包含的子系統(tǒng)引入有限，不能較全面反映系統(tǒng)狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

良好的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅是解決復(fù)雜大系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研制周期長(zhǎng)、成本高問(wèn)題的重要途徑，也是保證系統(tǒng)之間可集成、可互操作，實(shí)現(xiàn)高效一體化的基本措施。本文以多層彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)為對(duì)象，就體系結(jié)構(gòu)框架產(chǎn)品的內(nèi)容和邏輯關(guān)系進(jìn)行了研究分析，提出了體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明晰的設(shè)計(jì)方法和步驟，并建立了相應(yīng)模型。

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