基于DoDAF 的兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計*

劉曉東，丁 軍，吳 奎，陳福良

（1.江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222061；2.解放軍63983 部隊，江蘇 無錫 214035）

0 引言

兩棲作戰(zhàn)是海軍陸戰(zhàn)隊最主要的使命任務，它是兩棲作戰(zhàn)編隊采用多種方式，開展由陸向海的裝載行動和由海向陸的突擊上陸行動，旨在向兩棲作戰(zhàn)目標區(qū)域投送或撤離作戰(zhàn)力量，以達成預定作戰(zhàn)目的的軍事行動［1-2］。在兩棲登陸部隊“由陸向海、由海向陸”的作戰(zhàn)進程中，兩棲編隊發(fā)揮了重要的紐帶作用，兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)亦起到承上啟下的功用，兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)是編隊指揮所組織登陸部隊、水面艦艇部隊、航空兵部隊和潛艇部隊等實施兩棲登陸作戰(zhàn)的指揮系統(tǒng)［3］。系統(tǒng)的設計應按兩棲編隊遂行登陸登島作戰(zhàn)的要求進行設計，將兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)及其所屬的各戰(zhàn)術群的指揮控制系統(tǒng)銜接、融合，形成以“通信網(wǎng)系為基礎，能夠互聯(lián)、互通和互操作”，具備作戰(zhàn)任務規(guī)劃、作戰(zhàn)保障（情報保障、通信保障）、指揮控制、火力打擊、后勤和裝備保障等能力的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)［4］。

經(jīng)過十幾年的發(fā)展，美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架（DoDAF）已日趨成熟，是設計或開發(fā)體系結(jié)構(gòu)的指南［5］，2010 年美國國防部公布的DoDAF2.02 代表了目前體系結(jié)構(gòu)研究的最新成果［6］。

美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架DoDAF2.0，作為美軍軍事電子信息系統(tǒng)的體系架構(gòu)設計的方法論，統(tǒng)一系結(jié)構(gòu)描述方法，實現(xiàn)了真正支持網(wǎng)絡化作戰(zhàn)能力開發(fā)。DoDAF2.0 體系結(jié)構(gòu)框架也成為武備體系架構(gòu)開發(fā)的綱領性規(guī)范，在國防部所屬機構(gòu)中強制推行并執(zhí)行，抵制風險以保證系統(tǒng)的互操作性。自21 世紀初，受美軍DoDAF2.0 體系結(jié)構(gòu)框架影響，英國國防部、北約軍事聯(lián)盟緊跟當前國際前沿，為了在多邊聯(lián)合軍事演習中保持和美國軍事信息系統(tǒng)的互聯(lián)、互通和互操作能力，都參照美軍開展了體系結(jié)構(gòu)的專項研究，并取得了一些研究成果。英國國防部于2005 年公布了MODAF 體系結(jié)構(gòu)框架，其最新版本為MODAF v1.2；北約于2006 年公布了NAF 體系結(jié)構(gòu)框架，其最新版本為NAF v3.0［7］。

以兩棲編隊遂行登陸登島作戰(zhàn)為例，結(jié)合美軍體系結(jié)構(gòu)框架DoDAF2.0，開展兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)頂層設計，可視化兩棲編隊作戰(zhàn)指揮體系運行機制［8］，清晰地表現(xiàn)靜態(tài)模型下的動態(tài)機制，為后續(xù)系統(tǒng)具體的實現(xiàn)方案和詳細設計奠定基礎，為優(yōu)化系統(tǒng)頂層設計和武器裝備研發(fā)提供理論支持。

1 體系結(jié)構(gòu)設計思想及流程

應用需求論證及體系架構(gòu)設計支撐平臺軟件TD-CAP，開展兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計，一是基于模型的系統(tǒng)工程（msBE）方法論思想，自頂向下逐步細化設計整個系統(tǒng)；二是通過工具保障系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計的完備性，迭代解決各部分之間的兼容性；三是與模型驗證相結(jié)合，驗證系統(tǒng)設計的可行性。遵循“需求驅(qū)動、體系主導、模型支撐、驗證迭代”和“作戰(zhàn)- 能力- 系統(tǒng)”的原則，從兩棲編隊作戰(zhàn)需求出發(fā)，分別從作戰(zhàn)視角、能力視角、系統(tǒng)視角，開展兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型設計，其詳細開發(fā)步驟如下所述。

1.1 作戰(zhàn)視角模型開發(fā)流程

1）確定高級作戰(zhàn)概念圖，即OV-1。OV-1 用圖形或文字的方式描述兩棲編隊作戰(zhàn)使命、作戰(zhàn)構(gòu)想和各種作戰(zhàn)要素的地理分布和設備連接能力等。

2）確定兩棲編隊作戰(zhàn)活動、作戰(zhàn)過程、編隊所屬作戰(zhàn)節(jié)點及編隊組織指揮關系，即確定作戰(zhàn)活動分解模型（OV-5a）、作戰(zhàn)活動模型（OV-5b）、組織關系模型（OV-4）。其中，OV-5a 描述了兩棲編隊主要作戰(zhàn)活動的層次關系；OV-5b 詳細描述了分解后的兩棲編隊作戰(zhàn)子活動相互間的輸入和輸出關系；OV-4 描述了兩棲編隊的各級組織機構(gòu)、組織類型、隸屬關系以及指揮層次。

3）確定作戰(zhàn)事件跟蹤模型，即OV-6c。OV-6c的設計內(nèi)容是兩棲編隊在特定的作戰(zhàn)場景中，對整個作戰(zhàn)過程按照作戰(zhàn)節(jié)點和作戰(zhàn)活動進行分解，以時間順序來描述各作戰(zhàn)節(jié)點間的動態(tài)交互關系和行為邏輯，如：編隊指揮控制、編隊協(xié)同探測、編隊協(xié)同交戰(zhàn)控制等流程。

4）確定作戰(zhàn)節(jié)點間的信息交換和流向關系，即作戰(zhàn)節(jié)點連接模型（OV-2）和作戰(zhàn)節(jié)點信息交換矩陣（OV-3）。其中，OV-2 和OV-3 分別以圖形化的方式和以矩陣的方式，描述作戰(zhàn)節(jié)點間的信息映射關系以及信息參數(shù)、屬性等，重點反映了作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)的指揮控制流和信息流。

1.2 能力視角模型開發(fā)流程

1）構(gòu)建作戰(zhàn)能力與作戰(zhàn)活動的映射矩陣，即CV-6。CV-6 描述了兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)所需能力與這些能力支持作戰(zhàn)活動的映射。

2）進行作戰(zhàn)能力分類，即構(gòu)建兩棲編隊能力需求分類視圖（CV-2），主要依據(jù)CV-6 分析出的能力，構(gòu)建能力分類模型CV-2。

1.3 系統(tǒng)視角模型開發(fā)流程

1）構(gòu)建系統(tǒng)功能描述模型，即SV-4，根據(jù)兩棲編隊作戰(zhàn)需求和能力需求對兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)功能進行分類、梳理。

2）構(gòu)建系統(tǒng)功能對作戰(zhàn)活動的映射矩陣SV-5a和系統(tǒng)設備對作戰(zhàn)活動的映射矩陣SV-5b。

3）以兩棲編隊作戰(zhàn)流程和系統(tǒng)設備組成為基礎，對兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)的組成、接口進行描述，構(gòu)建系統(tǒng)接口描述視圖SV-1。

2 作戰(zhàn)視角設計

2.1 高級作戰(zhàn)概念圖

高級作戰(zhàn)概念圖（OV-1）主要對兩棲編隊承擔的作戰(zhàn)任務和作戰(zhàn)構(gòu)想進行描述，確定兩棲作戰(zhàn)場景概要、作戰(zhàn)使命、參與者、作戰(zhàn)過程、作戰(zhàn)要素（兵力要素和裝備要素）和地理范圍等，給出重要作戰(zhàn)節(jié)點，便于兩棲編隊高級決策者之間進行交流，如圖1 所示。

圖1 兩棲編隊高級作戰(zhàn)概念圖

2.2 作戰(zhàn)活動分解模型

作戰(zhàn)任務是構(gòu)建作戰(zhàn)體系的依據(jù)，同樣也決定了作戰(zhàn)體系的構(gòu)成和運行。根據(jù)兩棲編隊作戰(zhàn)任務場景，對抽象的、宏觀的作戰(zhàn)任務逐級分解形成不同層次的任務，依據(jù)分解的作戰(zhàn)任務，分析支持該作戰(zhàn)任務的作戰(zhàn)活動集合。按照兩棲作戰(zhàn)進程將兩棲編隊作戰(zhàn)活動劃分為：組織準備、集結(jié)裝載、海上航渡、突擊上陸、擴大和鞏固登陸場5 個一級作戰(zhàn)活動和17 個二級作戰(zhàn)活動，具體兩棲編隊作戰(zhàn)活動分解模型如圖2 所示。

2.3 作戰(zhàn)活動模型

根據(jù)兩棲編隊遂行聯(lián)合登陸作戰(zhàn)、保交護航等任務過程，其作戰(zhàn)活動可分解為組織準備、集結(jié)裝載、海上航渡、突擊上陸、擴大和鞏固登陸場，文中主要以突擊上陸作戰(zhàn)活動模型為例展開設計。突擊上陸過程中涉及的活動有海上編隊指揮所下達突擊上陸命令、指揮突擊登陸、指揮火力支援、指揮直前掃雷、指揮換乘編波、戰(zhàn)勤保障等，其突擊上陸作戰(zhàn)活動模型如下頁圖3 所示。

2.4 指揮關系模型

圖2 兩棲編隊作戰(zhàn)活動分解模型

指揮關系模型（OV-4）以圖示化描述兩棲編隊中各平臺、節(jié)點以及和外部平臺間的指揮結(jié)構(gòu)和組織關系，以兩棲編隊參與登陸作戰(zhàn)為例，作戰(zhàn)場景中的主要組織角色有：上級指揮機構(gòu)、海上編隊指揮機構(gòu)、友鄰兵力指揮機構(gòu)、地方（駐外）機構(gòu)、登陸輸送群指揮機構(gòu)、登陸部隊指揮機構(gòu)、獵掃雷群指揮機構(gòu)、警戒掩護群指揮機構(gòu)、支援保障群指揮機構(gòu)，其組織關系如圖4 所示。

2.5 作戰(zhàn)事件跟蹤描述模型

作戰(zhàn)事件跟蹤描述模型（OV-6c），是對作戰(zhàn)流程、作戰(zhàn)節(jié)點間相互關系、邏輯行為、時序關系等的進一步詳細描述，提供兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)在特定作戰(zhàn)場景下參與各作戰(zhàn)節(jié)點間信息交換時序檢查和沖突檢查，有助于定義各作戰(zhàn)節(jié)點間的接口關系。按照作戰(zhàn)需求，海上編隊指揮所通常設置情報保障部位、作戰(zhàn)籌劃部位和指揮控制部位，其中情報保障部位主要為海上編隊作戰(zhàn)任務規(guī)劃和兵力行動控制提供情報態(tài)勢支持，作戰(zhàn)籌劃部位主要是作戰(zhàn)方案/計劃制定、推演評估等，指揮控制部位主要對編隊所屬兵力/要素進行指揮和監(jiān)控作戰(zhàn)進程。以編隊指揮所內(nèi)部的指揮控制活動作戰(zhàn)事件跟蹤描述為例子開展模型設計，如圖5 所示。

圖3 突擊上陸作戰(zhàn)活動模型

圖4 兩棲編隊組織關系模型

圖5 指揮控制事件跟蹤描述模型

2.6 作戰(zhàn)節(jié)點連接模型

作戰(zhàn)節(jié)點連接模型（OV-2）以圖形的方式清晰地描述了各個作戰(zhàn)節(jié)點、作戰(zhàn)節(jié)點間關系的模型，表述了各個作戰(zhàn)節(jié)點到其他作戰(zhàn)節(jié)點之間的信息交互關系、信息交換內(nèi)容等。以兩棲編隊遂行聯(lián)合登陸作戰(zhàn)為例，作戰(zhàn)的節(jié)點主要包括：海上編隊指揮所、登陸輸送群指揮所等，其信息交換內(nèi)容包括指揮控制指令、情報態(tài)勢等，如圖6 所示。

圖6 作戰(zhàn)節(jié)點連接模型

兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)信息交互矩陣（OV-3）主要以矩陣形式對OV-2 進行描述，用于檢驗兩棲作戰(zhàn)活動、參與作戰(zhàn)節(jié)點、角色和信息交換需求這4個作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)基本數(shù)據(jù)元素間關系的合理性，是對OV-2 進一步的補充表述，因此，文中簡化OV-3模型設計。

3 能力視角設計

3.1 作戰(zhàn)能力對作戰(zhàn)活動的映射矩陣

作戰(zhàn)能力對作戰(zhàn)活動的映射矩陣（CV-6）描述了兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)對各作戰(zhàn)活動的支撐能力，圍繞作戰(zhàn)活動對系統(tǒng)能力的要求，構(gòu)建作戰(zhàn)能力到作戰(zhàn)活動的映射關系模型，實現(xiàn)作戰(zhàn)活動到能力需求的轉(zhuǎn)換。作戰(zhàn)能力對兩棲編隊作戰(zhàn)活動的映射矩陣如表1 所示，表中“×”表示該單元對應的作戰(zhàn)活動與系統(tǒng)作戰(zhàn)能力相關聯(lián)。

表1 兩棲編隊作戰(zhàn)能力對作戰(zhàn)活動的映射矩陣

3.2 能力分類模型

根據(jù)兩棲作戰(zhàn)活動分析出兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)能力需求主要有信息獲取能力、信息處理能力、作戰(zhàn)籌劃能力以及指揮控制能力等，其中能力分類模型（CV-2）描述了兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)能力框架的層次關系及能力體系，CV-2 可對完成作戰(zhàn)活動所需能力進行規(guī)范，其能力分類模型如下頁圖7 所示。

4 系統(tǒng)視角設計

4.1 系統(tǒng)功能分解模型

系統(tǒng)功能分解模型（SV-4）用以描述系統(tǒng)功能及其功能之間的層次結(jié)構(gòu)關系，從系統(tǒng)頂層分析兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)的功能需求，為進一步明確系統(tǒng)的組成配置，以及系統(tǒng)間的相互關系等奠定基礎。其中，兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)主要包含情報保障、信息傳輸、作戰(zhàn)籌劃和指揮控制4 項一級功能，16 項二級功能，其系統(tǒng)功能分解模型如圖8 所示。

4.2 作戰(zhàn)活動對系統(tǒng)功能追溯矩陣

作戰(zhàn)活動對系統(tǒng)功能追溯矩陣（SV-5a）主要描述了系統(tǒng)各項功能對作戰(zhàn)活動的支撐和映射情況，確定系統(tǒng)的功能分配及其與作戰(zhàn)活動之間的對應關系，即兩棲編隊作戰(zhàn)活動和對系統(tǒng)功能的需求關系。以兩棲編隊遂行登陸登島作戰(zhàn)需求為驅(qū)動，分析系統(tǒng)功能與作戰(zhàn)活動的關系，兩棲編隊作戰(zhàn)活動-系統(tǒng)功能追溯矩陣如下頁表2 所示。

圖7 能力分類模型

4.3 作戰(zhàn)活動與系統(tǒng)映射矩陣

兩棲編隊作戰(zhàn)活動與系統(tǒng)映射矩陣（SV-5b）主要描述了系統(tǒng)到作戰(zhàn)活動之間的映射關系，反映了兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)對作戰(zhàn)能力的支持和實現(xiàn)情況，確定系統(tǒng)組成對作戰(zhàn)能力追溯關系，是兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)功能實現(xiàn)的支撐。兩棲編隊遂行登陸登島作戰(zhàn)過程中需要警戒探測系統(tǒng)、水文氣象系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、所屬戰(zhàn)術群指控設備，以及模擬訓練設備等共同參與，其作戰(zhàn)活動與系統(tǒng)/設備映射矩陣如下頁表3 所示。

圖8 系統(tǒng)功能分解模型

表2 兩棲編隊作戰(zhàn)活動對系統(tǒng)功能追溯矩陣

表3 兩棲編隊作戰(zhàn)活動與系統(tǒng)映射矩陣

4.4 系統(tǒng)接口描述模型

系統(tǒng)接口描述模型（SV-1）主要是基于系統(tǒng)的邏輯組成，確定系統(tǒng)組成裝備要素及系統(tǒng)間的互聯(lián)互通關系（接口關系）。兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)內(nèi)外接口主要包括傳感器控制接口、武器系統(tǒng)控制接口、水文氣象及導航信息接口、情報處理/作戰(zhàn)指揮/本地監(jiān)控等接口，各系統(tǒng)/設備之間的接口和信息交互關系如圖9 所示。

5 兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型驗證

圖9 系統(tǒng)接口描述模型

模型驗證最主要目的是檢驗體系結(jié)構(gòu)設計的正確性，驗證體系結(jié)構(gòu)的行為、邏輯與系統(tǒng)用戶的期望是否一致，即系統(tǒng)功能/性能是否滿足用戶方需求，并及時規(guī)避風險、提高設計質(zhì)量［9-10］。文中以OV-1 為驅(qū)動，OV-2 為核心，OV-5a/OV-5b 為作戰(zhàn)過程，開展兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計，OV-6c 提供驗證機制。OV-6c 描述了兩棲編隊所屬作戰(zhàn)節(jié)點之間信息交換順序，其設計的合理性直接影響整個系統(tǒng)設計的質(zhì)量。通過分析OV-6c，驗證所定義的信息交換能否支持兩棲編隊作戰(zhàn)使命的完成，根據(jù)目前定義的信息交換所建設的指揮信息系統(tǒng)能否滿足作戰(zhàn)應用需求。兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)是受事件驅(qū)動的，具備并發(fā)、同步和分布的特點，Petri網(wǎng)在描述和分析離散事件動態(tài)系統(tǒng)方面的優(yōu)勢，在指揮信息系統(tǒng)建模及分析中應用廣泛?；赑etri網(wǎng)的方法，應用Visual object Net++ 工具對兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)的OV-6c 模型進行邏輯、時序等進行驗證，其可執(zhí)行模型如圖10 所示。

圖10 作戰(zhàn)事件跟蹤模型驗證

經(jīng)過多次模型仿真驗證、修改設計、再驗證過程，最終結(jié)果表明：兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)正確，作戰(zhàn)流程、信息交互及系統(tǒng)功能與設計預期一致，符合兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)設計需求。

6 結(jié)論

兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)組成復雜，研制周期長成本高，在系統(tǒng)研制之前開展體系結(jié)構(gòu)頂層設計并對其進行驗證，可全面、系統(tǒng)謀劃兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)的研制、集成和發(fā)展，形成滾動發(fā)展、持續(xù)提升的良好局面，為兩棲作戰(zhàn)裝備體系建設提供支持。本文在深入研究DoDAF2.0 的基礎上，給出了具體的兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計步驟，結(jié)合兩棲編隊遂行登陸登島作戰(zhàn)的具體作戰(zhàn)場景，從作戰(zhàn)應用、能力、系統(tǒng)3 個不同視角設計體系頂層架構(gòu)，并詳細描述了體系結(jié)構(gòu)模型設計過程。最后基于Petri網(wǎng)理論，應用Visual object Net++ 對建立的體系結(jié)構(gòu)模型進行驗證。經(jīng)過多次模型驗證、修改設計、再驗證過程，最終結(jié)果表明，通過該方法建立的體系結(jié)構(gòu)模型符合系統(tǒng)需求及設計要求，其研究結(jié)果可為兩棲編隊指揮信息系統(tǒng)的建設提供參考。當然該設計僅是目前論證階段的初步成果，待下一步系統(tǒng)進入工程研制或者未來部隊使用過程中，可能還會有新的認識、新的見解，同時也會投入更多的精力到體系結(jié)構(gòu)設計模型的驗證中。