海面監(jiān)視指揮信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計*

李宏偉，汪洋，肖柯

(1.中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125000；2.北京無線電測量研究所，北京 100854)

0 引言

海面監(jiān)視指揮信息系統(tǒng)是集信息感知、網(wǎng)絡(luò)通信、情報處理、指揮決策等功能于一體的國家級海面目標(biāo)監(jiān)視預(yù)警與指揮信息系統(tǒng)。本系統(tǒng)由探測系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)組成，是“系統(tǒng)的系統(tǒng)(system of systems)”，其頂層體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程非常復(fù)雜。體系結(jié)構(gòu)框架(architecture framework)為系統(tǒng)頂層設(shè)計提供了一種規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、可擴展的方法，是解決信息時代復(fù)雜系統(tǒng)頂層設(shè)計難題的重要手段。目前軍事領(lǐng)域常用的體系結(jié)構(gòu)框架包括美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架(department of defense architecture,DoDAF)，以及英國國防部體系結(jié)構(gòu)框架(MODAF)等[1]，其中DoDAF體系結(jié)構(gòu)框架系列影響力最大[2-3]。本文根據(jù)海面監(jiān)視指揮信息系統(tǒng)的總體設(shè)計目標(biāo)，采用DoDAF體系結(jié)構(gòu)框架設(shè)計思路，對海面監(jiān)視指揮信息系統(tǒng)的頂層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計進行研究。

1 基于DoDAF的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

1.1 DoDAF概述

DoDAF是美國國防部根據(jù)國際系統(tǒng)工程領(lǐng)域的技術(shù)進展和美國多年的軍事系統(tǒng)研發(fā)經(jīng)驗所制定的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框架，是一種用于指導(dǎo)所有軍事工程項目研發(fā)的系統(tǒng)工程方法論[4]。

DoDAF源于美國國防部為規(guī)范軍事信息系統(tǒng)而提出的C4ISR結(jié)構(gòu)框架[5-6]。DoDAF 2.0版將前期“以產(chǎn)品為中心”的視圖產(chǎn)品開發(fā)模式轉(zhuǎn)向“以數(shù)據(jù)為中心”的開發(fā)模式，將視圖產(chǎn)品由3種擴展到8種，是一種“以數(shù)據(jù)為中心”的體系結(jié)構(gòu)框架[7]，模型構(gòu)建的原則為“符合目的”，即“Fit-for-Purpose”[8]，其最終目標(biāo)是確保開發(fā)出來的體系結(jié)構(gòu)及最終系統(tǒng)是可以綜合集成的、可互操作的和高費效比的。

1.2 DoDAF模型和視圖

架構(gòu)視圖(architecture viewpoint)是為了促進對系統(tǒng)的理解而選定的一組架構(gòu)數(shù)據(jù)，以可視化的方式進行展示。DoDAF 2.0 定義了8種視圖，包括全景視圖(AV)，能力視圖(CV)，作戰(zhàn)視圖(OV)，服務(wù)視圖(SvcV)，系統(tǒng)視圖(SV)，標(biāo)準(zhǔn)視圖(StdV)，數(shù)據(jù)與信息視圖(DIV)和項目視圖(PV)，包含 52個視圖產(chǎn)品模型，如圖1所示。

需要指出的是，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的可視化描述用于展示與系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的一組數(shù)據(jù)和信息，可采用多種形式，例如儀表盤式、合成式、文本式、復(fù)合式、圖形式等。每一種視圖僅展示了體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的一部分，將系統(tǒng)比作一個實物，則一個視圖只是該實物的一張照片。由于事無巨細地展示系統(tǒng)的全貌將非常復(fù)雜，且不易聚焦，因此決策者將根據(jù)不同的使用目的決定選用哪些視圖和模型進行系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)描述。

1.3 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟

DoDAF將體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)過程定義為6個步驟[9-10]：

(1) 確定體系結(jié)構(gòu)的預(yù)期用途；

(2) 確定體系結(jié)構(gòu)的范圍；

(3) 確定支持體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的數(shù)據(jù)；

(4) 采集、組織、關(guān)聯(lián)和存儲體系數(shù)據(jù)，開發(fā)體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品、知識庫、活動模型、數(shù)據(jù)模型、動態(tài)特征模型、組織模型；

圖1 DoDAF的8個視圖Fig.1 Eight viewpoints of DoDAF

(5) 進行支持體系結(jié)構(gòu)目標(biāo)的分析；

(6) 產(chǎn)生符合決策者要求描述結(jié)果。

2 海面監(jiān)視指揮信息系統(tǒng)整體框架

海面監(jiān)視指揮信息系統(tǒng)主要面向各級作戰(zhàn)指揮人員和作戰(zhàn)參謀人員，是集信息感知、網(wǎng)絡(luò)通信、情報處理、指揮決策于一體的國家級海面目標(biāo)監(jiān)視信息系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)任務(wù)

本系統(tǒng)是一套“軍民兩用、平戰(zhàn)結(jié)合”的信息化系統(tǒng)，平時可為海軍等用戶提供及時準(zhǔn)確的預(yù)警信息和情報保障，提升對船舶、海上航道、港口和沿岸要地的安全管控能力；戰(zhàn)時可作為海上戰(zhàn)場的預(yù)警情報中心，或接入防空或反艦武器系統(tǒng)成為岸防指揮系統(tǒng)，也可接入上級指揮中心，形成一體化作戰(zhàn)指揮體系。本系統(tǒng)可支持以下任務(wù)的開展：

(1) 民事任務(wù)：日常監(jiān)視、海上巡邏、港口和要地安防、維權(quán)執(zhí)法、海上交通管理、反恐行動、海上應(yīng)急救援；

(2) 軍事任務(wù)：海軍作戰(zhàn)、聯(lián)合作戰(zhàn)。

2.2 系統(tǒng)功能

為完成上述行動任務(wù)，本系統(tǒng)應(yīng)具有以下主要功能：

(1) 目標(biāo)監(jiān)視：對任務(wù)區(qū)域的多層次、全方位、全天時、全天候的監(jiān)控；

(2) 網(wǎng)絡(luò)通信：實現(xiàn)系統(tǒng)各組成要素之間指令、情報、數(shù)據(jù)、圖像、視頻和語音信息的可靠傳輸；

(3) 信息處理：整合傳感器信息與情報信息，進行智能化數(shù)據(jù)處理，為用戶提供統(tǒng)一的信息支撐；

(4) 綜合態(tài)勢生成：將多源信息進行分類、預(yù)處理和分析綜合，生成統(tǒng)一的戰(zhàn)場綜合態(tài)勢；

(5) 輔助決策：根據(jù)任務(wù)目的和綜合態(tài)勢，提供各類輔助決策信息，協(xié)助指揮員進行分析和判斷；

(6) 指揮控制：對各類資源進行指揮和控制以開展行動任務(wù)，實現(xiàn)多級指揮中心的一體化協(xié)同行動。

2.3 系統(tǒng)組成

海面監(jiān)視指揮信息系統(tǒng)主要由探測系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)組成。

探測系統(tǒng)肩負著信息獲取、目標(biāo)監(jiān)視和情報偵查的關(guān)鍵使命，是為用戶快速建立戰(zhàn)場信息優(yōu)勢的重要手段。針對用戶需求，通過優(yōu)化配置、合理部署，地基、空基和天基傳感器相互補充配合、協(xié)同工作，實現(xiàn)對海上目標(biāo)的多層次、立體化、全方位、全天候監(jiān)視。

網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)是系統(tǒng)內(nèi)部各單元的連接通道，是建立一體化的指揮信息系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。采用地面光纖網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通訊網(wǎng)絡(luò)和無線通訊網(wǎng)絡(luò)組成高可靠多層次復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)各種平臺之間的連通，為實現(xiàn)“以數(shù)據(jù)為中心”的體系結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

指揮控制系統(tǒng)具有智能化態(tài)勢感知與信息處理、統(tǒng)一信息場生成與作戰(zhàn)態(tài)勢共享、自動化指揮決策和行動方案生成以及多級一體化指揮協(xié)同等功能，實現(xiàn)各作戰(zhàn)要素及多級指揮控制中心的一體化行動協(xié)同。

3 海面監(jiān)視指揮信息系統(tǒng)的DoDAF視圖與模型

使用DoDAF視圖與模型開展體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與描述的方法并不唯一，根據(jù)具體使用目的或聽眾(audience)的不同決策級別，應(yīng)選用不同的視圖與模型組成數(shù)據(jù)集，并采用合適的表現(xiàn)形式進行體系描述[11-12]。根據(jù)海面監(jiān)視指揮信息系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)(purpose)，重點關(guān)注系統(tǒng)的整體框架、作戰(zhàn)(operational)過程與系統(tǒng)功能設(shè)計，因此選擇全景視圖(AV)、作戰(zhàn)視圖(OV)和系統(tǒng)視圖(SV)3個視圖開展系統(tǒng)設(shè)計。本文選用以下6種模型進行體系結(jié)構(gòu)描述與展示，模型的描述見表1[13]，模型之間的關(guān)系如圖2所示。

3.1 綜述和概要信息(AV-1)

AV視圖描述的是整個體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息，目的是確保結(jié)構(gòu)的完整性、連續(xù)性和可擴展性。AV-1模型是總體概述和概要信息的集合，是OV-1圖形表示的文字描述，是結(jié)構(gòu)開發(fā)過程的具體描述，旨在清晰地描述決策的整個過程。海面監(jiān)視指揮信息系統(tǒng)的AV-1模型如表2所示(由于篇幅所限，僅展示信息要點)。

3.2 頂層作戰(zhàn)概念圖(OV-1)

OV-1描述系統(tǒng)需要完成的使命、作戰(zhàn)方式、作戰(zhàn)地域、作戰(zhàn)對象和作戰(zhàn)活動等，給出了重要的作戰(zhàn)節(jié)點，描述重要的或獨特的作戰(zhàn)能力，并描述體系結(jié)構(gòu)與環(huán)境之間的關(guān)系[14]。以形式化的方式描述交戰(zhàn)雙方作戰(zhàn)情況，便于決策者的交流。海面監(jiān)視指揮信息系統(tǒng)主要交戰(zhàn)對象包括各型傳感器、各級指揮中心、各類通信鏈路和海面/空中威脅目標(biāo)，系統(tǒng)的OV-1模型如圖3所示，圖中展示了系統(tǒng)作戰(zhàn)環(huán)境、交戰(zhàn)對象、部署位置、通信關(guān)系及作戰(zhàn)目標(biāo)，清晰地說明了海面監(jiān)視指揮信息系統(tǒng)的頂層作戰(zhàn)概念。

圖2 6種DoDAF模型之間的關(guān)系Fig.2 Relationships among six DoDAF models

3.3 作戰(zhàn)活動分解樹(OV-5a)

OV-5a 模型是描述作戰(zhàn)活動的模型，描述為實現(xiàn)一個任務(wù)或目標(biāo)的作戰(zhàn)行動過程，通過層次化的行動分解，為作戰(zhàn)行動提供清晰的作戰(zhàn)思路和作戰(zhàn)方案。海面監(jiān)視指揮信息系統(tǒng)的工作過程包含監(jiān)視、分析、計劃、行動和總結(jié)5個步驟：

表1 海面監(jiān)視指揮信息系統(tǒng)DoDAF視圖與模型Table 1 DoDAF viewpoints and models of maritime surveillance and command information system

表2 綜述和概要信息AV-1Table 2 Overview and summary information AV-1

(1) 監(jiān)控：對監(jiān)控區(qū)域進行持續(xù)性的定期監(jiān)控；

(2) 分析：分析威脅或緊急事件，評估事件與海軍的相關(guān)性，決定是否使用作戰(zhàn)力量；

(3) 策劃：策劃如何使用作戰(zhàn)力量，準(zhǔn)備形成指令；

(4) 行動：執(zhí)行指令，同時監(jiān)控并調(diào)整行動；

(5) 總結(jié)：任務(wù)結(jié)束后，形成總結(jié)報告。

系統(tǒng)的OV-5a模型如圖4所示。

圖3 頂層作戰(zhàn)概念圖OV-1Fig.3 Top-level operational concept OV-1 viewpoint

圖4 作戰(zhàn)活動分解樹OV-5aFig.4 Operational activity decomposition tree OV-5a viewpoint

3.4 作戰(zhàn)活動模型(OV-5b)

OV-5b模型研究在作戰(zhàn)任務(wù)過程中，作戰(zhàn)要素、信息和作戰(zhàn)活動之間的關(guān)系。具體描述能力、作戰(zhàn)活動(任務(wù))、作戰(zhàn)活動之間輸入和輸出的信息流，并將描述信息流的來源和去向、作戰(zhàn)活動的順序和相互關(guān)系。在此以海面監(jiān)視指揮信息系統(tǒng)執(zhí)行“海上應(yīng)急救援行動”任務(wù)時開展的“監(jiān)視”活動為例，采用泳道圖[15]對活動中探測系統(tǒng)、服務(wù)系統(tǒng)和用戶界面系統(tǒng)等作戰(zhàn)要素的工作內(nèi)容、活動順序和信息流的方向等進行描述，圖5展示了監(jiān)視活動的OV-5b模型。

圖5 作戰(zhàn)活動模型OV-5bFig.5 Operational activity model OV-5b viewpoint

3.5 系統(tǒng)功能描述(SV-4)

SV-4模型用于明確體系結(jié)構(gòu)資源的功能，主要目的是清晰地描述每個資源數(shù)據(jù)流的輸入和輸出，保證系統(tǒng)功能的完整性，確保功能分解達到一個適當(dāng)水平。海面監(jiān)視指揮信息系統(tǒng)功能包括目標(biāo)監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)通信、信息處理、綜合態(tài)勢生成、輔助決策和指揮控制，主要由探測系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)實現(xiàn)，通過各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制下達，實現(xiàn)各類系統(tǒng)功能，系統(tǒng)的SV-4模型如圖6所示。

3.6 作戰(zhàn)活動到系統(tǒng)功能映射矩陣(SV-5a)

SV-5a模型描述作戰(zhàn)行為到系統(tǒng)功能的映射，從而將作戰(zhàn)需求轉(zhuǎn)變?yōu)橛上到y(tǒng)實現(xiàn)的活動。如前文所述，海面監(jiān)視指揮信息系統(tǒng)功能包括目標(biāo)監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)通信、信息處理、綜合態(tài)勢生成、輔助決策和指揮控制，作戰(zhàn)活動包括監(jiān)視、分析、計劃、行動和總結(jié)。根據(jù)系統(tǒng)功能對各類作戰(zhàn)活動的支持關(guān)系，系統(tǒng)的SV-5a模型可通過表3進行描述。

圖6 系統(tǒng)功能描述SV-4Fig.6 System function description SV-4 viewpoint

表3 作戰(zhàn)活動到系統(tǒng)功能追蹤矩陣SV-5aTable 3 Operational activity to system function tracking matrix SV-5a viewpoint

*注：●表示該列對應(yīng)的功能支撐了該行對應(yīng)的作戰(zhàn)活動。

4 結(jié)束語

本文采用DoDAF體系結(jié)構(gòu)框架，從AV，OV和SV等3個視圖出發(fā)，構(gòu)建了AV-1,OV-1,OV-5a,OV-5b,SV-4和SV-5a等6個模型，對海面監(jiān)視指揮信息系統(tǒng)的頂層體系結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，得到了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、可擴展的理論模型，為系統(tǒng)的具體技術(shù)設(shè)計與開發(fā)、系統(tǒng)性能綜合評價與分析奠定了理論基礎(chǔ)，有利于實現(xiàn)系統(tǒng)的可集成、互操作和高效費比，同時對其他復(fù)雜信息系統(tǒng)頂層設(shè)計具有重要的借鑒作用。