軍事領域體系結構研究綜述*

王 燦，郭齊勝*，穆 歌，王 敏

（1.陸軍裝甲兵學院，北京 100072；2.軍事科學院系統(tǒng)工程研究院，北京 100141；3.解放軍66736 部隊，北京 100144）

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭強調體系對抗，加強體系建設是軍事領域的重要課題。自20 世紀90 年代美國國防部推出C4ISR 體系結構框架后，體系結構方法論在軍事領域的研究與應用已經(jīng)歷了20 余年的歷程，在軍事體系的需求與設計、集成與構建、演化與評價中發(fā)揮了重要作用，正得到越來越多的關注。

軍事領域體系結構研究與其他領域在研究內容、技術上既有共性也有特性，既包含體系結構基礎理論探索，也包含大量方法研究和應用實踐。Aier等在分析國外大量體系結構文獻的基礎上，按照研究內容把體系結構研究劃分為體系結構理解、體系結構表達、體系結構使用3 個方面［1］。Simon 等通過文獻分析，把體系結構研究劃分為體系結構框架、體系結構概念與建模、體系結構管理設計與操作3個方面［2］。高松等從關鍵技術角度劃分為體系結構框架、體系結構設計方法及工具、體系結構綜合評估方法3 個方面［3］。本文綜合上述劃分方式，通過文獻分析識別出3 個主要研究方向，即體系結構框架與設計方法、體系結構概念與建模、體系結構管理設計與操作，并建立了邏輯關系框圖，如圖1 所示。以下分別對3 個方向研究進行綜述，進而得出下一步的研究建議。

圖1 軍事領域體系結構研究邏輯關系框圖Fig.1 Block diagram of research logic relationship of system of systems architecture in military domain

1 體系結構框架與設計方法

體系結構框架與設計方法是體系結構研究的基礎。體系結構框架從創(chuàng)建和維護體系結構的過程以及體系結構的內容描述兩個方面，闡述創(chuàng)建體系結構的方法論，體系結構設計方法闡述體系結構產(chǎn)品開發(fā)的方法學和詳細過程。二者從內在邏輯和發(fā)展歷程上都具有較強的關聯(lián)性。

1.1 體系結構框架

當前存在眾多軍事體系結構框架，如美國國防部體系結構框架（department of defense architecture framework，DoDAF）2.02 版（2010），英國國防部體系結構框架（ministry of defense architecture framework，MoDAF）1.2.004 版（2010），北約的體系結構框架（NATO architectural framework，NAF）4.0 版（2016），以及對象管理組織（OMG）在UPDM 基礎上開發(fā)的統(tǒng)一體系結構框架（unified architecture framework，UAF）1.1 版（2019）等。我軍于2005 年推出了符合我軍軍情的軍事電子信息系統(tǒng)體系結構框架［4］。在這些軍事體系結構框架中，以DoDAF 的研究和使用最為成熟，實踐應用最為廣泛。UAF［5］的出現(xiàn)解決了框架間概念異構、元模型不匹配及建模語言難以無縫溝通的問題，具有更強大的兼容性和可擴展能力，代表了體系結構框架的發(fā)展方向。目前對UAF的研究正在興起，主要從兩個方面展開。

一是UAF 原理解析。HAUSE 等給出了UAF 行業(yè)建模標準［6］（unified architecture frame profile，UAFP）［7］的簡要開發(fā)流程，包括構建領域元模型，與其他框架中概念和視圖的對齊、統(tǒng)一和重命名，域元模型概念到版型的映射，標準的語言結構、工具實現(xiàn)和重用性考察，添加概述圖表、視圖描述和記錄等步驟，闡明了UAFP 的形成過程。HAUSE 等還針對人的因素如行為、交互、能力、復雜性和局限性等對體系結構的顯著影響，提出了UAF 人力視角（personnel views）描述模型的SysML 構建案例，為體系中人因需求的分析集成提供參考［10］。丁茜等分析了UAF 的方法論意義，認為UAF 的方法本質是面向對象的體系架構產(chǎn)品設計方法、域元模型驅動的建模思想、標準統(tǒng)一的系統(tǒng)建模語言，具有很強的實用性和通用性［8］。

二是UAF 方法擴充。丁茜等針對UAF 沒有提供具體的開發(fā)程序的問題，借鑒開放組織體系結構框架TOGAF，提出了包括預備階段、需求管理、架構愿景、業(yè)務架構、數(shù)據(jù)架構、標準架構、專業(yè)架構、實現(xiàn)方案、驗證仿真和架構變更10 個階段的UAF 架構開發(fā)程序，并指出了開發(fā)過程中應關注的關鍵點［9］。申泓基等關注人工智能在體系結構中的作用，提出了UAF 智因視圖框架，包括智能-分類、智能-連通、智能-狀態(tài)、智能-交互場景、智能-約束、智能-可追溯性等視圖以及設計步驟，并設計了無人智能作戰(zhàn)合成營智因視圖模型［11］。

軍事體系結構框架正向著統(tǒng)一化的方向發(fā)展。UAF 已能夠從軍事領域擴展到工業(yè)、商業(yè)等領域，實現(xiàn)更大范圍的體系集成開發(fā)。未來隨著賽博-物理-社會體系的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、能源網(wǎng)等進一步融合，軍事體系結構框架將向著更宏觀、更高層、更統(tǒng)一的軍民融合方向發(fā)展［12］。

1.2 體系結構設計方法

體系結構框架的發(fā)展推動形成了3 種被廣泛接受的體系結構設計方法：結構化分析和設計方法［13］、面向對象的設計方法［14］和基于活動的方法［15］。在此基礎上，又發(fā)展出體系結構規(guī)范模型［16］、基于模式的系統(tǒng)架構［17］以及面向服務架構［18］等方法。國內在借鑒吸收國外設計方法基礎上，提出了基于信息模型的設計方法［19］、基于元模型的設計方法［20］、基于核心體系結構數(shù)據(jù)的設計方法［21］等。以上方法都可以根據(jù)特定框架開發(fā)一個完整的體系結構描述，但由于使用的語言符號不同，互相之間難以集成和比較。UAF 提出方法不可知論，利用域元模型將底層與表示層分開，不必為UAF 生成XML，使得未使用UML/SysML 建模的工具供應商能夠使用他們自己的工具和語言實施UAF，為設計方法兼容提供了新的思路。

隨著體系結構框架的融合演變，體系結構設計方法也經(jīng)歷了從以產(chǎn)品中心到以數(shù)據(jù)中心，從基于流程到基于活動，從面向系統(tǒng)到面向服務的設計策略轉變。提高方法兼容性的努力正從方法本身逐漸轉移到通過更加基礎的元模型構建來實現(xiàn)。而UML、SysML 等仍然是主流的規(guī)范化建模語言。

2 體系結構概念與建模

體系結構概念與建模闡述體系結構研究中出現(xiàn)的代表性概念，以及針對概念的模型設計、分析、優(yōu)化等。該方向一直是體系結構研究的重點，研究內容廣泛且分散，逐漸形成了面向體系結構本體、面向研究對象領域兩種研究視角，前者側重于從體系結構自身發(fā)展演變角度闡述抽象的研究方法，后者側重于從體系結構建模領域應用角度分析具體的研究對象，兩者互為條件，相互支撐，大多數(shù)研究內容可用兩種視角的交匯來表示，如圖2 所示。

圖2 體系結構概念與建模的兩種研究視角Fig.2 Two kinds of research pespective of architecture concept and modeling

2.1 面向體系結構本體的概念與建模

主要包含體系結構設計［22-26］、體系結構驗證［27-30］、體系結構測量［32-34］、體系結構評估［35-38］、體系結構優(yōu)選［39-40］、體系結構優(yōu)化［41-42］、體系結構演化［43-45］等。近幾年，主要是體系結構設計、測量和評估方面的進展。

體系結構設計主要聚焦多框架、多范式下的建模仿真一體化問題。朱寧提出基于領域特定建模語言（domain specific modeling language，DSML）的建模與仿真方法［25］。針對武器裝備體系結構研究中存在的領域建模支撐不足、多范式建模能力較弱、模型驅動仿真作用不突出等問題，研究提出了領域特定體系結構建模語言的語法、語義、多形式集成方法并仿真設計實現(xiàn)。楊兆瑞提出多架構體系建模與仿真聯(lián)合方法［26］，針對體系建模工具之間異構數(shù)據(jù)難以共享、體系建模工具與仿真工具聯(lián)動困難等問題，基于GOPPRR（graph，object，point，property，relationship，role）建模方法［46］和UPDM 標準進行M3 到M0 模型構建，基于多架構建模語言（kombinalion of architecture model specification，KARMA）［47］設計實現(xiàn)，基于混合有限狀態(tài)機的狀態(tài)仿真進行參數(shù)與變量分析，實現(xiàn)“元模型設計-體系建模-仿真驗證”一體化。

體系結構測量重點關注體系結構的任務可靠性、脆性、彈性等。劉斌提出裝備體系任務可靠性概念及建模方法［32］。針對裝備體系在不同階段、多種類型、動態(tài)環(huán)境中任務的可靠性需求，首先基于DoDAF 建立裝備體系任務可靠性描述模型，而后通過模型元素映射提出了貝葉斯網(wǎng)絡、多Agent 仿真兩種可靠性建模方法，并將其與傳統(tǒng)的Markov 模型、BDD 模型進行驗證和比較，明確了不同方法對不同場景的適應性。蔣卓等提出裝備體系結構脆性及其評價方法［33］。為了表征多元環(huán)境下裝備體系在遭受自身或外部干擾和破壞后的抵抗能力，引入裝備體系結構脆性熵的概念，首先構建體系結構脆性評價的危險因素集，確定組成系統(tǒng)的狀態(tài)矢量，而后建立脆性因素與狀態(tài)矢量的關聯(lián)，并根據(jù)關聯(lián)矩陣和熵計算公式計算體系結構脆性熵，進而得出測量結論。Watson 等提出體系結構彈性度量方法（SoS resilience metrics，SoSRM）［34］。該方法將系統(tǒng)恢復力指標，即抵御故障、最大限度減少服務中斷和高效恢復，視作體系結構的關鍵特性，使用SoS 定義來識別的故障位置，并使用圖論來定義故障和恢復持續(xù)時間，在一個隨機多智能體軍事系統(tǒng)中模擬驗證了SoSRM 的有效性。

體系結構評估研究分為體系結構整體貢獻率、組分系統(tǒng)貢獻率兩個層次。針對前者，羅小明等將裝備體系結構貢獻度分為功能結構貢獻度和信息結構貢獻度［35］。從任務編成能力、結構特性能力兩個方面構建功能結構貢獻度評估模型，從信息保障質量、信息保障時效性和作戰(zhàn)協(xié)同能力3 個方面構建信息結構貢獻度模型，并分別基于復雜網(wǎng)絡理論和結構方程模型理論方法設計實現(xiàn)。針對后者，趙丹玲提出基于異質網(wǎng)絡的武器裝備體系貢獻率評估方法［36］。首先構建基于異質網(wǎng)絡的武器裝備體系模型，而后基于作戰(zhàn)環(huán)提出面向作戰(zhàn)任務的能力靜態(tài)評估方法，基于多Agent 對抗仿真提出面向作戰(zhàn)過程的效能動態(tài)評估方法。羅承昆等提出基于故障樹分析的航空裝備體系結構貢獻率評估方法［37］。首先構建航空裝備體系結構故障樹，而后采用底事件的關鍵重要度指標來計算體系貢獻率。該方法需假設裝備體系結構故障樹中的各底事件相互獨立。魏東濤等提出基于設計結構矩陣（design structure matrix，DSM）和信息熵的裝備體系結構貢獻率評估模型［38］。該方法從體系功能和運行兩方面梳理貢獻率追溯鏈路，首先建立裝備體系貢獻率評估的動態(tài)-靜態(tài)DSM 評價模型，而后以單一能力最小為粒度將作戰(zhàn)過程分解為元活動序列，對裝備體系能力結構進行網(wǎng)絡化建模，然后基于改進信息熵方法計算裝備體系能力的靈敏度，進而計算體系結構貢獻率。

面向體系結構本體的概念與建模研究基本上涵蓋了體系結構生命周期，呈現(xiàn)出涉及范圍廣、涵蓋層次多、研究問題抽象等特征。基于復雜網(wǎng)絡的體系結構測度、評估、演化方面研究日益增多，正成為新興的發(fā)展方向。隨著概念和方法的擴展，對概念的一致性理解、方法適用性等問題需要關注。

2.2 面向研究對象領域的概念與建模

主要包含C4ISR 體系結構［19，27-28，30，48-50］、武器裝備體系結構［25，32-45，51-52］、聯(lián)合（合同）作戰(zhàn)體系結構［53-94］、裝備技術體系結構［95］和國防科技體系結構［96-97］等。

近幾年，體系結構領域建模研究應用不斷深化。在國外，NAF 被用來開發(fā)網(wǎng)絡賦能能力，DoDAF 被用來開發(fā)體系綜合技術和試驗（SoSITE）［53］、聯(lián)合全域指揮與控制（JADC2）等概念。國內則出現(xiàn)了大量關于聯(lián)合（合同）作戰(zhàn)體系結構的研究，本文分析了從2017 年至2021 年間國內發(fā)表的40 篇文獻，見文獻［54-94］。研究顯示，從2017 年至2020 年每年保持在6 篇左右，2021 年驟增到16 篇。參照美軍聯(lián)合能力域（JCA）進行主題分類，從多到少依次為：兵力運用類16 篇、后勤類7 篇、指揮與控制類和戰(zhàn)場環(huán)境感知類各6 篇、網(wǎng)絡中心戰(zhàn)類4 篇、兵力支持類1篇。如圖3、圖4 所示。

圖3 時間分布Fig.3 Time distribution

圖4 主題分布Fig.4 Subject distribution

在這40 篇文獻中，有34 篇使用DoDAF，6 篇使用UAF。面向對象和基于活動是采用較多的設計方法。多機協(xié)同探測系統(tǒng)體系結構設計［68］、有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系結構建模［69］、空中智能化作戰(zhàn)概念體系設計［71］、電磁頻譜作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)架構［72］等研究闡述了DM2 構造思路。建模工具主要使用了Telelogic SA［89］、IBM Rational［54，68-70］和TD-CAP［65-67］。

國內外出現(xiàn)了大量面向領域的概念與建模研究，尤其集中在武器裝備體系工程領域和作戰(zhàn)兵力設計領域。國內相關研究熱度抬升有利于促進體系結構方法的推廣使用。研究產(chǎn)生了不同領域為數(shù)眾多的體系結構成果，這些成果的共享重用、效益評估等問題值得關注。

3 體系結構管理設計與操作

體系結構管理設計與操作關注體系結構所服務的對象，闡述如何將抽象的體系結構概念和方法與具體的組織和業(yè)務流程集成融合，通過對體系結構的有效管理促進業(yè)務活動順利開展。分為體系結構管理設計、體系結構管理操作兩個方面，前者側重于對體系結構方法在業(yè)務活動中的應用方式進行規(guī)劃設計，后者側重于探索如何通過條令制度約束更有效地執(zhí)行體系結構。

3.1 體系結構管理設計

主要針對作戰(zhàn)概念研究［98］、裝備需求論證［99-100］、裝備試驗鑒定［86］、軍事信息系統(tǒng)［101］等業(yè)務活動引入體系結構管理設計。隨著作戰(zhàn)概念研究的興起，杜國紅等提出了模型驅動的作戰(zhàn)概念工程化設計方法，基于DoDAF 構建了包括總體描述、作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)對手、作戰(zhàn)任務、作戰(zhàn)能力需求、作戰(zhàn)力量體系、作戰(zhàn)活動、作戰(zhàn)行動構想等視圖模型的建?？蚣?，分析了各視圖模型之間的邏輯關系和詳細構成，并設計了自上而下逐步求精和自下而上集成優(yōu)化的作戰(zhàn)概念開發(fā)策略［98］。文獻［102-104］把作戰(zhàn)概念研究和裝備需求論證相結合，針對武器裝備自主創(chuàng)新發(fā)展的新要求，引入DoDAF 提出了驅動裝備需求論證的作戰(zhàn)概念設計方法。郭齊勝等裝備需求論證工程化理論，比較系統(tǒng)地闡述了裝備需求論證中體系結構模型構建需求、工具集成平臺和資源體系設計等問題［99］。馬旭亮等提出了面向新質裝備作戰(zhàn)試驗指揮控制的DoDAF 應用框架［86］。張萌萌研究了基于體系架構的軍事信息系統(tǒng)業(yè)務與技術匹配關鍵技術，提出在體系結構設計過程中進行動態(tài)資源分配的IT 治理措施，基于DoDAF 構建業(yè)務與技術匹配成熟度指標［101］。

在管理革命、業(yè)務流程再造等潮流影響下，學者們積極探索將體系結構與軍事領域業(yè)務相結合的方法，取得了一定的進展。相關研究成果為體系結構方法論從理論研究走進工程實踐架設了橋梁。

3.2 體系結構管理操作

主要包含體系結構的資源管理、配套體制機制建設、應用流程指南等內容。比如，美國國防部為DoDAF 提供了保密、非保密兩種形式、10 余種公共參考資源［105］，為體系結構視圖開發(fā)提供分級、分類的權威數(shù)據(jù)資源導航，以支持以數(shù)據(jù)為中心的建模應用。在美國國防部推動下，DoDAF 在規(guī)劃、計劃、預算和執(zhí)行（PPBE），國防采辦系統(tǒng)（DAS），聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)（JCIDS），能力組合管理（CPM），使命任務工程（TE）等業(yè)務活動中進行規(guī)范化應用。

例如，新版JCIDS 指南［106］要求，能力需求文件（如ICD、CDD 和CPD 等）中只能包括指定的DoDAF視圖或者認為合理的附加視圖。文件內容與DoDAF視圖模型之間的明確對應關系，如圖5 所示。用于編制能力需求文件的DoDAF 視圖數(shù)據(jù)，要在已有的DoDAF 體系結構視圖數(shù)據(jù)基礎上進行重用、更新而非重建，以減少工作量，并且防止當前體系結構和以前體系結構之間發(fā)生中斷。

圖5 JCIDS 中DoDAF 的應用流程Fig.5 Application flow of DoDAF in JCIDS

另外，指南還對DoDAF 視圖的內容及開發(fā)方法進行了規(guī)范，如OV-5a 必須用通用聯(lián)合任務清單來校正，OV-2 必須以聯(lián)合能力域框架為參照，SV-7必須包含部隊防護、系統(tǒng)生存性、持續(xù)保障、網(wǎng)絡就緒、能源、訓練等強制性關鍵性能參數(shù)等。由此可見，指南提供了為JCIDS 量身定做的DoDAF 應用操作指導，促進了DoDAF 與JCIDS 在流程和內容上緊密耦合。

體系結構管理越來越成為體系結構成功的關鍵性因素，而體系結構管理操作研究與體系結構應用成熟度正相關。目前，國內相關研究報道較少，說明體系結構在實際工程化應用方面還有差距。

4 下一步的研究建議

4.1 加強體系結構基礎研究

近幾年，國內體系結構研究普遍使用的是DoDAF、UAF 等國外框架，調研發(fā)現(xiàn)，由于語言障礙、思維差異等原因，國內用戶需要花費較大精力才能理解框架中的概念內涵。SA、EA、Rational 等主流的建模工具大都來自國外，難以滿足國內用戶使用習慣。加之體系結構方法論蓬勃發(fā)展，新的概念和方法層出不窮，在缺少術語使用規(guī)范和分類標準框架的情況下，難以形成一致性認知等。這些都為體系結構深層次應用造成困難。根本上還是應加強基礎研究，完善提升國內軍事電子信息系統(tǒng)體系結構框架，在此基礎上開發(fā)國產(chǎn)設計工具并推廣應用。嘗試建立體系結構的術語詞典，理清概念內涵外延及相互關系，規(guī)范專業(yè)術語的使用。從源頭上解決目前面臨的理解難統(tǒng)一、工具難使用、成果難共享等問題。

4.2 加強體系結構數(shù)據(jù)資源建設和管理

當前，數(shù)據(jù)資源已成為體系結構研究關注的重要問題。新的體系結構框架和設計方法都強調以數(shù)據(jù)為中心的思想，即以權威數(shù)據(jù)為基礎，在元模型的規(guī)范和約束下，靈活應用體系結構視圖模型收集、分析數(shù)據(jù)并以多種形式進行展現(xiàn)，最終目的是以標準、規(guī)范的體系結構數(shù)據(jù)服務于決策。無論是面向體系結構本體的設計與驗證，還是面向對象領域的建模與分析，都離不開權威、一致的數(shù)據(jù)資源作支撐。伴隨著大數(shù)據(jù)驅動的業(yè)務流程優(yōu)化持續(xù)推進，體系結構測度、評估和演化也必將更加依賴豐富的數(shù)據(jù)資源。為此，應加強體系結構數(shù)據(jù)資源建設與管理，區(qū)分層級、領域建立軍用體系結構數(shù)據(jù)庫，并提供權威、一致的數(shù)據(jù)資源和明確的數(shù)據(jù)應用指引。在軍事體系工程實踐中積極推行知識管理，促進模型和數(shù)據(jù)資源共用共享以及持續(xù)積累更新。通過自上而下規(guī)范指導與自下而上連點成片的方式，逐漸形成完善的數(shù)據(jù)支撐環(huán)境。

4.3 加強體系結構業(yè)務應用研究

體系結構本質上一種管理技術，其生命力在于“適合目的”的應用。建模本身并不是目的，最終目的還是為了驅動和優(yōu)化業(yè)務，從DoDAF 在美軍JCIDS、DAS 等決策活動的應用中可以得到有益啟示。要加強體系結構業(yè)務應用研究，探索體系結構方法在不同類型業(yè)務活動的具體應用方式和流程，使體系結構建模分析與業(yè)務活動需求相契合。對使用的視圖模型、描述的詳細程度、開發(fā)人員和開發(fā)工具等進行規(guī)范，防止出現(xiàn)因模型過多，或建模過程太繁瑣，或工具太復雜而導致不能有效應用的問題。現(xiàn)階段，可在我軍軍事電子信息系統(tǒng)論證的基礎上，借鑒美軍面向裝備發(fā)展的體系結構管理經(jīng)驗，從某型裝備論證和采辦業(yè)務中開始試點，積累經(jīng)驗，完善提升后逐步推廣到其他業(yè)務活動，最終形成適合我軍軍情的多元化應用模式。