體系結構關鍵技術研究發(fā)展綜述?

高 松 滕克難 金 哲 段 哲

（1.海軍航空大學 煙臺 264001）（2.91115部隊 舟山 316000）

1 引言

體系結構（Architecture）一詞發(fā)源于建筑領域，后被廣泛用于武器裝備系統(tǒng)、計算機軟硬件、網絡信息系統(tǒng)及系統(tǒng)工程等領域，并相繼提出了裝備體系結構、軟件安全體系結構、作戰(zhàn)體系結構等概念。在軍事裝備領域，借鑒美國國防部關于體系結構的概念，我們將體系結構定義為，對軍事裝備系統(tǒng)的組成、各組成單元之間的關系、系統(tǒng)與系統(tǒng)單元對環(huán)境的關系，以及制約并指導系統(tǒng)設計與演進的原則和指南［1］。從概念分析來看，體系結構是客觀存在且抽象的，需通過某種形式方法將其描述出來，以便實現具體化，方便溝通與交流。從抽象到具體的體系結構描述，需要相關關鍵技術來實現，主要包括體系結構框架、設計參考資源、設計方法及綜合評估等四個方面的關鍵技術。本文主要從體系結構框架標準、設計方法與開發(fā)工具、驗證評估與效能評估的綜合評估方法等三類關鍵技術進行綜述分析，為我軍事裝備體系結構關鍵技術的研究，提供整體發(fā)展思路與建議。

2 體系結構框架

體系結構框架是體系結構開發(fā)的頂層架構和概念模型，是構建和開發(fā)體系結構的統(tǒng)一方法和規(guī)則標準。它在體系結構設計中發(fā)揮著指導和規(guī)范作用，是體系結構研究和開發(fā)的前提條件。

2.1 國外體系結構框架研究現狀

自海灣戰(zhàn)爭后，美軍逐步認清建立統(tǒng)一的C4ISR系統(tǒng)體系結構框架的重要意義，并從1991年開始研究并制定體系結構框架標準，于1996年頒布C4ISRAF v1.0，截止到2009年已發(fā)展到DoDAF v2.0，并在DoDAF v2.0基礎上進行革新。相繼開發(fā)了針對元模型進行11類29項條目修改的DoDAF v2.02，提出DM2的Web本體語言（OWL）的DoDAF v2.03，增加加拿大國防體系結構安全視圖的DoDAF/DNDAF v2.04以及實現與英國國防部體系結構框架MoDAF、北約體系結構框架NAF集成的統(tǒng)一國防部體系結構框架UDAF v2.05等4個版本，如圖1所示。DoDAF經過20多年的不斷應用與革新，已逐步形成了完善的體系結構框架標準，處于世界領先水平。

圖1 DoDAF體系結構框架發(fā)展歷程

挪威、北約、英國、澳大利亞等國家或組織在美國的影響下，結合自身實際，相繼提出了符合自身需求的體系結構框架標準。挪威在1999年提出了名為MACCIS的體系結構框架；北約于2000年提出了C3系統(tǒng)體系結構框架并已發(fā)展到NAF 3.0版；英國于2005年頒布了MoDAF體系結構框架并已發(fā)展到MoDAF 1.2.004版；澳大利亞也在深入研究美軍C4ISR體系結構框架基礎上，基于Meta公司的企業(yè)體系結構戰(zhàn)略EAS，頒布了澳大利亞體系結構框架DAF。

2.2 國內體系結構框架研究現狀

我國在體系結構框架研究方面，主要是參考美軍C4ISR及DoDAF體系結構框架標準，結合自身國情軍情，吸取美軍研究成果的經驗教訓，進行體系結構框架的修改、完善以及相應的擴充。我軍于2001年構建了軍事電子信息系統(tǒng)體系結構框架1.0，在2011年以國家軍用標準GJB形式發(fā)布《軍事電子信息系統(tǒng)體系結構設計指南》，填補了在體系結構框架研究方面的空白。國內學者劉斌等［2］提出了基于DoDAF-ROD（DoDAF-Reliability Oriented Description）的裝備體系建模研究方法，在已有的DoDAF體系構建上加入了任務可靠性ROD描述模型，對裝備體系的ROD進行了規(guī)范化描述；趙振南等［3］將DoDAF與RUP體系結構框架無縫結合，通過多層次體系結構模型對聯(lián)合作戰(zhàn)信息系統(tǒng)體系進行分析，按不同視角與不同級別對體系結構模型進行集成研究。目前對于體系結構框架的研究，大多是在對美國DoDAF體系結構框架構建方法上的修正與擴充，沒有形成規(guī)范統(tǒng)一的框架標準。

3 體系結構設計方法及工具

3.1 體系結構設計方法

3.1.1 國外體系結構設計方法研究現狀

美國喬治梅森大學在2000年提出了面向過程和面向對象的體系結構設計方法。2004年美國國防部提出了基于能力的體系結構設計方法。2009年隨著DoDAF v2.0頒布，體系結構設計從“以產品為中心”轉向“以數據為中心”，美軍開始了基于元模型的體系結構設計方法研究，并且借鑒DoDAF v2.0面向服務的建模思想，同時開展了面向服務的體系結構設計方法研究?？偟膩砜矗儡娭饕劳蠨oDAF體系結構框架標準，已形成了一套比較完善的體系結構設計方法，代表了當今世界研究的領先水平。其他國家如英國、澳大利亞、挪威等，在體系結構設計方法研究方面，參考美國提出的方法，結合自身實際進行運用與革新，也取得了一些應用成果。

3.1.2 國內體系結構設計方法研究現狀

我國體系結構框架設計思想主要是跟蹤美國體系結構設計方法的研究動向，并結合我國相關體系建設情況展開研究，運用面向過程、面向對象、面向服務、基于活動、基于能力、基于元模型等方法，取得了一定的研究進展與成果。

1）面向過程的方法也稱結構化體系結構設計方法，目前該方法運用較為成熟，多運用在對數據、系統(tǒng)簡單的小型體系進行構建，同時也開始研究該方法在大規(guī)模體系結構構建上的運用。Yang Mei等［4］運用面向對象的方法，通過分層設計法構建了具有多級功能的軍隊聯(lián)合作戰(zhàn)指揮信息“超大系統(tǒng)”的體系架構。

2）面向對象的方法是以一種更接近人的思維，圍繞真實世界的概念進行描述的體系結構設計方法。該方法研究較為成熟，且僅適用于面向單個任務，現主要是研究面向對象系統(tǒng)體系結構開發(fā)過程和建模的方法。廖晶靜等［5］運用UML技術，研究分析了面向對象的SoS體系結構的模型構建方法及過程。武利娟等［6］運用面向對象的理論，通過對作戰(zhàn)單位的靜態(tài)描述與聚合得到的動態(tài)描述分析，給出了一種作戰(zhàn)單位形式化描述的方法。

3）面向服務的方法是一種高層軟件開發(fā)方法，基于面向服務的裝備體系構建方法是利用面向服務的思想及其優(yōu)勢，對體系結構服務視角進行描述，從而有效處理原有體系構建方法中，軍事裝備資源緊密耦合難以適應作戰(zhàn)流程動態(tài)調整等問題的方法。羅雪山及其團隊［7～9］在此方面做了大量研究工作，引入服務視圖對C4ISR體系結構進行模型構建，建立了服務視圖與作戰(zhàn)視圖、系統(tǒng)視圖之間的聯(lián)系，并分析了構建的體系架構的執(zhí)行過程，實現了資源動態(tài)集成過程描述，取得了很好的效果。

4）基于活動的方法是一種以數據為中心，與開發(fā)工具無關的、嚴格的結構化方法。羅愛民等［10］提出了以活動為中心的體系結構設計方法及開發(fā)過程，定義了節(jié)點、信息、活動等體系結構的核心實體以及相互關系。劉金榮等［11］運用基于活動的方法，對理想條件下主動防御作戰(zhàn)行動對應的作戰(zhàn)活動進行了分解和細化，得出了反導原型系統(tǒng)的邏輯連接設計，得到了很好的應用效果。

5）基于能力的方法是從網絡中心作戰(zhàn)支撐能力—體系能力最大化角度出發(fā)的一種體系結構設計方法。伍江華等［12］運用該方法對C4ISR系統(tǒng)體系結構框架進行研究，增加系統(tǒng)能力視圖及相關產品，并實現了能力視圖和作戰(zhàn)視圖、系統(tǒng)視圖、技術視圖之間的映射關聯(lián)關系。舒宇等［13］運用基于能力的方法，構建了武器裝備體系結構框架，設計開發(fā)了支持基于能力需求的建模描述產品并進行了應用研究。

6）基于元模型的方法是指基于規(guī)范的體系結構元模型，以其所表達的體系結構數據之間的關系為基礎，并通過相關數據進行體系結構設計的方法。Jiong Fu等［14］采用基于UML的元模型方法對體系結構進行構建，解決了產品模型中存在的問題，同時便于獲得模型工具。宛海寧［15］、沈偉業(yè)［16］分別提出基于元模型的體系結構開發(fā)方法，展現了元模型方法構建體系結構的優(yōu)勢。

3.2 體系結構設計工具

3.2.1 國外體系結構設計工具研究現狀

目前，國外已有一些較成熟的支持體系結構框架產品開發(fā)的軟件工具，如Computas AS公司的METIS、Proforma Corporation公司的ProVision Modeling Suite、I-Logix公司的 Rhapsody、Teleogic公司的 Tau G2、Logicon公司的 JCAPS、Vitech公司的CORE、Ptech公司的Framework、Metastorm公司的ProVision及IBM公司的System Architect（SA）等軟件工具［17］。其中，工程中常用的體系結構開發(fā)平臺是IBM公司的SA，C4ISR體系結構開發(fā)的專用軟件是Logicon公司的JCAPS。

3.2.2 國內體系結構設計工具研究現狀

國內主要以美軍DoDAF體系結構設計思想為借鑒，以上述軟件工具為參考，結合自身國情軍情及技術條件研發(fā)的體系結構開發(fā)軟件，如國防科技大學的C4ISR體系結構開發(fā)工具Archi Designer（AD），中國電科28所研發(fā)的軍事信息系統(tǒng)體系結構開發(fā)環(huán)境MISADE，北京神州普惠研發(fā)的AM和AppAMS體系結構建模工具，北京凌瑞智同研發(fā)的TDCAP和TDMAP體系結構建模工具等。

表1 常用體系結構設計方法的比較分析

4 體系結構綜合評估方法

4.1 體系結構驗證評估方法

4.1.1 國外體系結構驗證評估方法研究現狀

體系結構驗證評估是體系結構設計的重要環(huán)節(jié)之一。美國國防部計劃將體系結構驗證評估方法寫入DoDAF最新版本中，但由于包含信息量大、內容龐雜、指標甚多，目前仍處于研究階段。在系統(tǒng)評估方法方面，國外提出了體系結構分析方法、基于過程模型和xUML的體系結構評估理論方法；在可操作評估手段上，國外主要通過體系結構開發(fā)工具SA、體系結構驗證與評估軟件CAESAR等，進行模型轉換生成可執(zhí)行模型，進行完整性、一致性檢驗；此外，美國還開發(fā)了如uRapide、xUML等可執(zhí)行體系結構定義語言，用于完成體系構建的自身評估。

4.1.2 國內體系結構驗證評估方法研究現狀

國內主要從體系結構開發(fā)工具自身驗證和驗證評估方法兩方面，對體系結構進行一致性、完整性的科學性檢驗。國內學者在驗證評估方法方面取得了一定成果，如黃林鵬等［18］發(fā)明了一種利用支持體系結構動態(tài)變化的Breeze圖文法，來驗證體系結構重配置前后一致性和完整性的方法。羅愛民［19］提出了將體系結構數據轉換為可執(zhí)行模型進行驗證評估體系的方法。吳海等［20］給出了利用UML模型轉Petri網模型的圖文法進行體系結構驗證的方法，有效驗證了UML模型的正確性；軟件開發(fā)工具進行自評估方面，主要有國防科技大學信息系統(tǒng)工程重點實驗室研究的體系結構評估工具，但相對應用范圍較窄?？偟膩碚f，相對國外在體系結構驗證評估方面的研究，我國還有一定差距。

4.2 體系效能評估方法

4.2.1 國外體系效能評估方法研究現狀

以美國為代表的國外體系效能評估方法，主要采用解析法與仿真法相結合的建模方法，對相關問題進行作戰(zhàn)效能評估，以優(yōu)化構建的武器裝備體系結構。美軍強調按照不同層次，采用費效分析、建模仿真、多目標規(guī)劃、層次分析等方法，對構建體系進行綜合評估［21］。如美國的RAND公司研究的RAND戰(zhàn)略評估方法，運用評估模型RSAS中的各種模塊求得優(yōu)化規(guī)劃解，基于RAND戰(zhàn)略評估方法，美軍對網絡中心戰(zhàn)作戰(zhàn)效能進行評估，給出了作戰(zhàn)效能的評估框架與結果。

4.2.2 國內體系效能評估方法研究現狀

國內對于體系效能評估的研究方法，主要是采用專家調查法、試驗統(tǒng)計法、解析方法、仿真方法和混合方法。羅鵬程等［22］提出了一種裝備體系作戰(zhàn)效能評估聚合框架，該框架對裝備體系從底層的裝備性能參數/技戰(zhàn)指標到頂層的體系作戰(zhàn)能力逐層進行聚合。唐鐵軍等［23］在進行體系效能評估研究時則采用矩陣形式的多元蘭徹斯特方程，將任務完成率作為效能指標，分析了作戰(zhàn)雙方處于平方律和線性律等兩種情況下的體系作戰(zhàn)效能。

4.2.3 體系效能評估方法比較分析

從國內外體系效能評估方法及模型總體來看，可以分為試驗統(tǒng)計法、作戰(zhàn)模擬法和解析法三大類。

1）解析法

解析法［24］主要是運用數學方法構建指標體系的效能方程，并根據解析表達式對效能指標進行計算評估的方法。目前，基于解析的評估方法主要有可拓學物元分析理論（MEA）、網絡層次分析法（ANP）、支持向量機（SVM）、數據包絡法（DEA）、結構方程模型（SEM）、人工神經（BP）網絡法、灰色綜合評估法、粗糙集理論等，以及模型方法之間綜合運用的方法。

2）作戰(zhàn)模擬法

作戰(zhàn)模擬法［25］也叫仿真法，主要是以計算機模擬模型來進行作戰(zhàn)仿真實驗，在仿真環(huán)境中運用各類仿真信源、仿真模型對系統(tǒng)作戰(zhàn)效能與影響因素及它們之間的協(xié)作進行仿真模擬，再通過統(tǒng)計運算關于作戰(zhàn)進程和結果的實驗數據，得到最終評估結果。主要仿真方法有Agent仿真模型、蒙特卡羅仿真評估等方法。

表2 體系效能評估方法比較

3）試驗統(tǒng)計法

試驗統(tǒng)計法是通過在規(guī)定的現場中觀察武器裝備性能效果，并收集相關數據，進而通過數據處理得到效能評估值的方法。這種方法是最真實可靠的，但由于很難保障大量的武器裝備完成相關試驗的物質基礎，數據信息處于相對貧困狀態(tài)。針對貧信息下武器裝備作戰(zhàn)效能評估困難的問題，目前主要有基于貝葉斯的小子樣試驗評估方法和灰色系統(tǒng)方法等。

5 對我國裝備體系結構關鍵技術發(fā)展的啟示

5.1 開發(fā)適應我國裝備發(fā)展需求的體系結構框架

跟蹤國外體系結構技術前沿發(fā)展動態(tài)，借鑒體系結構框架成功經驗，結合我軍裝備體系發(fā)展需求，對體系結構框架進行合理的剪裁、適當創(chuàng)新，有助于體系結構開發(fā)與現實需求有效對接，有助于盡快形成具有獨創(chuàng)性的體系結構框架。一是要形成完整統(tǒng)一的框架標準，盡快形成完善的適合國情的體系結構國家軍用標準；二是要形成一體化集成體系結構框架思想，消除軍兵種間及科研院所等部門的異構性，加速一體化聯(lián)合作戰(zhàn)能力的發(fā)展；三是要注重開放式體系結構框架設計思想，形成具有可擴展性、可重組型、可互操作性、可維護性等靈活的裝備體系結構。

5.2 強化我國體系結構設計及綜合評估方法研究

一是在體系結構設計方面，要基于統(tǒng)一的體系結構框架標準，以數據為中心的思想，注重數據庫的建立，開發(fā)簡單高效的體系結構設計軟件平臺，研究具有兼容新技術介入等優(yōu)點的開放式體系結構。二是在體系結構驗證評估方面，重點將驗證評估方法融合到體系結構開發(fā)軟件平臺中，使未來體系結構的驗證可自動生成，簡單高效。三是在體系效能評估方面，著重研究仿真實驗方法，以最接近真實戰(zhàn)場環(huán)境、最能反映作戰(zhàn)效能的實驗數據統(tǒng)計分析為主，盡量消除專家評判等主觀影響因素，并結合驗證評估方法，實現對構建的裝備體系的綜合評估。

5.3 加快推進體系結構軍事應用與相應成果共享

構建的裝備體系及體系結構相關技術的合理性、有效性要最終通過軍事應用的檢驗，這也是有效發(fā)展體系結構相關技術的必由之路。在我國裝備體系建設中，一是要進一步突顯裝備需求分析、作戰(zhàn)概念頂層開發(fā)的重要作用，樹立未來體系對抗作戰(zhàn)的思想，有力推動構建的裝備體系完成實際應用轉化。二是要以法規(guī)制度有力推動，將體系結構應用到戰(zhàn)略規(guī)劃、能力管理、裝備發(fā)展、作戰(zhàn)方式等多領域。三是要著眼全局，有效推進裝備體系相關成果的共享，使科研院所的成果與部隊的實際需求相對接，使各軍兵種裝備體系相融合，最終使得體系結構成果在全領域發(fā)揮作用。

6 結語

體系結構研究領域越來越被世界主要軍事強國重視，在全面分析了體系結構關鍵技術的基礎上，通過國內外研究現狀的比較，可以看出我國在體系結構技術研究領域，與國外相比還有不小的差距。認清體系結構技術方面的不足，為更進一步借鑒國外先進技術，結合我國實際軍事裝備發(fā)展需求，形成完善體系框架標準和高效的體系結構設計及評估方法提供思路，為我國未來裝備技術、作戰(zhàn)思想發(fā)展給予參考借鑒。