摘要:闡述了美軍信息系統(tǒng)體系框架從C4ISR、DoDAF到UAF的發(fā)展過程,從視角和模型的角度分析各階段體系結(jié)構(gòu)框架的特點,并總結(jié)了框架從具體到宏觀、從局部到全面、向國際化發(fā)展的演化過程,結(jié)合演化過程和技術(shù)發(fā)展,探討性提出體系結(jié)構(gòu)框架的開放式、層次化、服務(wù)化等發(fā)展趨勢,為后續(xù)我國我軍體系結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計開發(fā)提供參考。
關(guān)鍵詞:C4ISR;DoDAF;UAF;體系結(jié)構(gòu)框架;視圖;模型
體系結(jié)構(gòu)方法,是理解和描述人造復(fù)雜系統(tǒng)的本質(zhì)以及與其行為、組成和演變相關(guān)的關(guān)鍵特性的方法學(xué)。體系結(jié)構(gòu)框架,是描述在特定應(yīng)用領(lǐng)域和/或利益相關(guān)者中建立體系結(jié)構(gòu)的約定、原則和實踐。體系結(jié)構(gòu)框架是體系結(jié)構(gòu)方法在某個領(lǐng)域或組織群體中實施的約定或標準,是體系結(jié)構(gòu)方法的落地準則,使各級管理者能夠打破聯(lián)合能力域的界限、部門界限或項目界限,實現(xiàn)有序的信息共享,提高關(guān)鍵的決策能力。
美軍是體系結(jié)構(gòu)框架實踐的先驅(qū)。20世紀90年代,為滿足聯(lián)合作戰(zhàn)需求,美國國防部組織、提煉、總結(jié)體系結(jié)構(gòu)框架開發(fā)經(jīng)驗,逐步形成以視圖、視角、模型、產(chǎn)品等為核心的復(fù)雜組織機構(gòu)和新型系統(tǒng)工程頂層設(shè)計的方法理論,不僅應(yīng)用于多部門多系統(tǒng)的集成,還能夠支撐核心決策與協(xié)同作戰(zhàn)。
美軍體系結(jié)構(gòu)框架的發(fā)展,經(jīng)歷了從軍種聯(lián)合作戰(zhàn)、國防部核心決策、多國聯(lián)合作戰(zhàn)的理念升級變化,形成了以指揮、控制、通信、計算、情報、監(jiān)視和偵察系統(tǒng)(Command, Control,Communication, computer, Intelligence, Surveillance, Reconnaissance, C4ISR)、美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架(Department of Defense Architecture Framework,DoDAF)、統(tǒng)一體系結(jié)構(gòu)框架(Unified Architecture Framework, UAF)等典型成果的過程,如圖1所示。
1995年10月,為解決國防部各部門各軍種信息系統(tǒng)互聯(lián)互通互操作的問題,國防部決定開發(fā)一種確保指揮、控制、通信、計算、情報、監(jiān)視和偵察系統(tǒng)能力滿足作戰(zhàn)需求的方法。在助理國防部長指導(dǎo)下成立的C4ISR集成任務(wù)委員會,于1996年和1997年分別形成《C4ISR體系結(jié)構(gòu)框架》1.0版和2.0版,詳細闡述全景和作戰(zhàn)、系統(tǒng)、技術(shù)的視圖關(guān)系。
2004年2月,為支持需求生成、規(guī)劃計劃、采辦管理,美國國防部正式頒布了DoDAF1.0版;2009年5月,為滿足領(lǐng)導(dǎo)決策和聯(lián)合能力開發(fā)集成、系統(tǒng)工程、項目管理等需求,體系結(jié)構(gòu)工作組建議重點關(guān)注數(shù)據(jù)并向國際標準靠攏,美國國防部正式頒布了DoDAF2.0,提供了8個視角52個模型。
2009年,對象管理組織(Object Management Group, OMG)使用UML/SysML創(chuàng)建DoDAF和英國國防部體系結(jié)構(gòu)框架(Ministry of Defence Architectural Framework, MoDAF)的統(tǒng)一配置文件標準UPDM(Unified Profile for DoDAF and MODAF, UPDM)1.0版。在2013年發(fā)布2.1版后,又將北約體系結(jié)構(gòu)框架(Nato Architectural Framework, NAF)、加拿大國防部體系結(jié)構(gòu)框架(Department of National Defense Architecture Framework, DNDAF)的安全視圖集成進來,形成UAF標準取代UPDM,到2022年,分別形成UAF1.0、1.1和1.2版本,提供了11個視圖12個方面的矩陣網(wǎng)格。
視角/視圖,是觀察、分析與描述體系結(jié)構(gòu)的立場、觀點與角度,如作戰(zhàn)部門關(guān)心作戰(zhàn)視角、裝備部門關(guān)心系統(tǒng)視角。產(chǎn)品/模型,是視角內(nèi)的內(nèi)容,一個或多個產(chǎn)品/模型組合成一個視角,如標準視角包含標準配置文件、標準預(yù)測模型。
在美軍的體系結(jié)構(gòu)框架中,視角/視圖是框架描述的切入點,產(chǎn)品/模型是框架描述的主要內(nèi)容。由于篇幅限制,本文主要以C4ISR 2.0、DoDAF 2.0和UAF 1.2版本為研究對象,分析美軍體系結(jié)構(gòu)框架視角與產(chǎn)品的演變。
2.1 C4ISR體系結(jié)構(gòu)框架
C4ISR體系結(jié)構(gòu)框架定義了全景視圖、作戰(zhàn)視圖、系統(tǒng)視圖和技術(shù)視圖,其中除全景視圖之外的三個視圖之間相互的關(guān)系如圖2所示。
1. 作戰(zhàn)視圖與系統(tǒng)視圖:作戰(zhàn)視圖向系統(tǒng)視圖傳遞作戰(zhàn)所需的裝備、人員、信息需求,系統(tǒng)視圖向作戰(zhàn)視圖反饋節(jié)點、活動有關(guān)的系統(tǒng)要素。
2. 系統(tǒng)視圖與技術(shù)視圖:系統(tǒng)視圖向技術(shù)視圖傳遞系統(tǒng)的功能、關(guān)系、信息交互、平臺特性、威脅和約束所需的特定能力;技術(shù)視圖向系統(tǒng)視圖傳遞系統(tǒng)涉及的能力技術(shù)標準和準則。
3. 作戰(zhàn)視圖與技術(shù)視圖:作戰(zhàn)視圖向技術(shù)視圖傳遞作戰(zhàn)技術(shù)、能力要求;技術(shù)視圖向作戰(zhàn)視圖傳遞基礎(chǔ)技術(shù)和新技術(shù)能力。
4個視圖共包含26個產(chǎn)品,其中7個核心產(chǎn)品、19個支持產(chǎn)品。作戰(zhàn)視圖包含9個產(chǎn)品,描述任務(wù)和行動、作戰(zhàn)要素、作戰(zhàn)人員間的相互關(guān)系以及完成或支援軍事作戰(zhàn)所需的信息流。系統(tǒng)視圖包含13個產(chǎn)品,確定系統(tǒng)特征,并為比較系統(tǒng)性能與作戰(zhàn)要求提供基礎(chǔ)。技術(shù)視圖包括2個產(chǎn)品,確定系統(tǒng)實現(xiàn)的具體準則、標準;最終實現(xiàn)一個互操作的系統(tǒng)。
2.2 DoDAF體系結(jié)構(gòu)框架
DoDAF定義了全景、能力、數(shù)據(jù)和信息、作戰(zhàn)、計劃、服務(wù)、標準和系統(tǒng)等8個視角。其中,能力、作戰(zhàn)、服務(wù)和系統(tǒng)4個視角之間具有分層關(guān)系,項目/計劃視角從管理上支撐體系結(jié)構(gòu)框架,全景、數(shù)據(jù)和信息、標準視角分別從背景、模型和標準的角度描述整個體系結(jié)構(gòu)框架。如圖3所示。
8個視角共包含52個模型,其中,能力、作戰(zhàn)、服務(wù)、系統(tǒng)4個分層視角共包含42個模型。能力視角包含7個模型,除描述能力本身的外,還描述能力與作戰(zhàn)、服務(wù)之間的關(guān)系;作戰(zhàn)視角包含9個模型,主要描述作戰(zhàn)概念、活動、規(guī)則、狀態(tài)和流程;服務(wù)視角和系統(tǒng)視角各包含13個模型,二者包含的模型名稱和描述角度基本一致,都描述背景、功能、度量、演進、狀態(tài)、規(guī)則等,以及自身組成及相互之間的作用和支撐關(guān)系。項目視角包含3個模型,從組成、時間線及其與能力之間的映射關(guān)系描述能力、作戰(zhàn)、服務(wù)和系統(tǒng)。
2.3 UAF體系結(jié)構(gòu)框架
UAF構(gòu)建了架構(gòu)管理、概要和縱覽、戰(zhàn)略、業(yè)務(wù)、服務(wù)、人員、資源、安全、項目、標準、實際資源等11個視角,并給出了視角間的相互關(guān)系,如圖4所示。其中,水平視角的上下關(guān)系表示存在支撐關(guān)系、左右關(guān)系表示相關(guān)關(guān)系;垂直視角是體系結(jié)構(gòu)跨層的支撐。
UAF構(gòu)建的11個視角相互支撐,其中,架構(gòu)管理、概要和縱覽、標準視角描述和服務(wù)整個框架;安全和服務(wù)視角跨業(yè)務(wù)和“人事+資源”兩個層次,并服務(wù)于資源和業(yè)務(wù);戰(zhàn)略、業(yè)務(wù)、人事+資源、實際資源、項目等5個視角具有分層關(guān)系,上下間相互支撐。
UAF的11個視角分別從動機、分類、結(jié)構(gòu)、相關(guān)性、處理、狀態(tài)、順序、信息、參數(shù)、約束、路線圖和可追溯等12個方面描述,視角為行、方面為列,形成合計79個網(wǎng)格,如圖5所示,表達視角和領(lǐng)域規(guī)范之間關(guān)系。各視角的主要描述如下:
1. 架構(gòu)管理視角確定開發(fā)適當架構(gòu)所需的元數(shù)據(jù)和視角;
2. 戰(zhàn)略視角主要是描述能力分類、組成、依賴性和演進過程;
3. 業(yè)務(wù)視角描述需求、行為、結(jié)構(gòu)和交換的組織邏輯結(jié)構(gòu);
4. 服務(wù)視角是支持業(yè)務(wù)所需服務(wù)的描述;
5. 人事視角定義和探索組織資源的分類、關(guān)系、演變過程;
6. 資源視角描述實現(xiàn)解決方案所需的組織、軟件、部件、能力和自然資源的架構(gòu);
7. 安全視角定義軟硬件、政策、環(huán)境等安全資產(chǎn)和領(lǐng)域的層次結(jié)構(gòu);
8. 項目視角描述項目如何形成能力及其過程中的節(jié)點和要素關(guān)系;
9. 標準視角描述所需遵循和依賴的一組規(guī)則;
10. 實際資源視角描述預(yù)期或現(xiàn)實的實際資源配置。
經(jīng)過30年的發(fā)展,美國國防部牽頭組織制定的體系結(jié)構(gòu)框架,經(jīng)歷C4ISR、DoDAF、UAF三個階段。從C4ISR發(fā)展到DoDAF,架構(gòu)需求從聚焦作戰(zhàn)拓展到支撐國防部改革和決策,覆蓋范圍從指揮、控制、通信、偵察等拓展到需求、預(yù)算、項目管理等領(lǐng)域;再面向多國聯(lián)合作戰(zhàn)需求,將體系結(jié)構(gòu)框架發(fā)展到多架構(gòu)融合的UAF階段。
3.1 C4ISR向DoDAF過渡
美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架從C4ISR向DoDAF發(fā)展,由4個視圖變成了8個視角,增加的分別是服務(wù)、數(shù)據(jù)和信息、能力、計劃視角,視圖/視角演變關(guān)系見圖2;產(chǎn)品/模型增加了26個,主要是能力、計劃和服務(wù)視角中增加了新的模型,增加或調(diào)整關(guān)系見表1。
在2008年《國防部體系結(jié)構(gòu)框架產(chǎn)品開發(fā)問卷分析報告和新產(chǎn)品備忘錄》中,汲取英國國防部體系結(jié)構(gòu)框架和北約體系結(jié)構(gòu)框架的能力、計劃和服務(wù)視角的劃分,增加了能力、計劃視角及模型產(chǎn)品,并從現(xiàn)有的系統(tǒng)視角抽出面向服務(wù)的視角。為了體現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的思想,將原來系統(tǒng)視圖和作戰(zhàn)視圖的數(shù)據(jù)模式部分合并到數(shù)據(jù)和信息視角中。
DoDAF視角模型對C4ISR視圖產(chǎn)品中的OV-5作戰(zhàn)活動模型、SV-5作戰(zhàn)活動與系統(tǒng)功能追溯矩陣進行分解細化,移位OV-7邏輯數(shù)據(jù)模型、SV-11物理模式到數(shù)據(jù)和信息視角,并新增能力和計劃視角的所有模型。
此外,DoDAF從C4ISR視圖系統(tǒng)視角拆分為服務(wù)和系統(tǒng)視角,兩個視角的模型除在SV-3/SvcV-3服務(wù)與系統(tǒng)矩陣、SV-5/SvcV-5作戰(zhàn)與服務(wù)-系統(tǒng)的矩陣關(guān)系時有所不同外,基本上是一一對應(yīng)關(guān)系;這是為了適應(yīng)從系統(tǒng)到服務(wù)的交互模式變化,后續(xù)將以服務(wù)方式交互信息、支撐作戰(zhàn)。
3.2 UAF向DoDAF的映射
UAF由UPDM發(fā)展而來,UPDM的實質(zhì)是在不同框架間建立統(tǒng)一的元模型,并提供一致的、標準化的方法來描述DoDAF和MODAF;發(fā)展到UAF1.2版,標準又增加了UAF企業(yè)體系結(jié)構(gòu)指南,用來指導(dǎo)使用UAF建立企業(yè)(或組織)體系結(jié)構(gòu)的步驟。
由于UAF融合了DoDAF、MODAF、NAF、DNDAF體系結(jié)構(gòu)框架,表達方式變成了矩陣網(wǎng)格,行表示視角、列表示視角的方面。相比DoDAF增加了架構(gòu)管理和安全視角,減少了數(shù)據(jù)與信息視角;增加了動機方面,把信息和數(shù)據(jù)視角變成方面。詳細見圖7。
UAF的網(wǎng)格與DoDAF模型不是明確的一對一關(guān)系,也不是所有的網(wǎng)格都要表示,UAF標準的附件1給出了UAF標準與其他各體系結(jié)構(gòu)框架的模型、元素和類等層面的詳細映射關(guān)系。
美軍體系結(jié)構(gòu)框架的發(fā)展經(jīng)歷了三個主要階段,框架視角越來越全面、模型越來越抽象,并且逐漸向國際標準靠攏,呈現(xiàn)出開放式、層次化、服務(wù)化等趨勢。
4.1 體系結(jié)構(gòu)框架的演化分析
美軍體系結(jié)構(gòu)框架的適用面越來越廣,開發(fā)的思想、方法也在逐步變化,視圖/視角數(shù)量逐步增加,模型/產(chǎn)品逐步細化完善。
4.1.1框架領(lǐng)域從具體領(lǐng)域到全面宏觀
隨著體系結(jié)構(gòu)框架的發(fā)展,適用領(lǐng)域和使用范圍呈現(xiàn)從具體到全面、從系統(tǒng)到宏觀的趨勢,體現(xiàn)在如下兩個方面:
(1)框架覆蓋的組織機構(gòu)越來越廣
C4ISR為了解決不同作戰(zhàn)領(lǐng)域的系統(tǒng)互操作和集成問題,是在若干作戰(zhàn)機構(gòu)范圍;DoDAF為了解決國防部層面的決策支持和管理問題,是在整個國防部及其所管轄范圍;UAF為了解決不同體系結(jié)構(gòu)框架的建模和互通互操作問題,是在不同國家和北約組織范圍。
(2)框架適用的領(lǐng)域范圍越來越寬
C4ISR解決的是指揮、控制、通信、計算、情報、監(jiān)視和偵察等信息系統(tǒng)的集成,是在裝備、系統(tǒng)層面;DoDAF解決的除作戰(zhàn)領(lǐng)域外,還囊括了能力生成、規(guī)劃計劃、采辦、預(yù)算、項目管理、系統(tǒng)工程等領(lǐng)域,上升到戰(zhàn)略層面,也覆蓋具體執(zhí)行層面;UAF力圖解決美國、英國、加拿大、北約體系結(jié)構(gòu)框架的集成表達,是不同國家作戰(zhàn)體系的聯(lián)通。
4.1.2視角模型從局部聚焦到全面清晰
隨著體系結(jié)構(gòu)框架需求的不斷擴充,視圖和模型的數(shù)量也在不斷增加,并且視圖與模型的邏輯越來越清晰,體現(xiàn)在如下兩個方面:
(1)框架視圖/視角越來越完善
C4ISR視圖聚焦作戰(zhàn)與系統(tǒng)的交聯(lián),并使用技術(shù)視圖和全景視圖支撐描述。DoDAF視角頂層定位上升到能力,并新增計劃、數(shù)據(jù)和信息、標準視角(原技術(shù)視圖)支撐,且在作戰(zhàn)和系統(tǒng)視角之間增加服務(wù)視角,體現(xiàn)了互聯(lián)互通的思想從系統(tǒng)到服務(wù)轉(zhuǎn)變的思想。UAF融合不同框架,與ISO14010國際標準接軌,增加了架構(gòu)管理、安全、實際資源等視角,并將組織從規(guī)劃到執(zhí)行自頂向下、反復(fù)迭代的思想融入其中。
(2)框架產(chǎn)品/模型越來越清晰
C4ISR四個視圖共計26個產(chǎn)品,其中,作戰(zhàn)視圖9個產(chǎn)品,系統(tǒng)視圖13個產(chǎn)品,兩個視圖合計22個產(chǎn)品,詳細描述了作戰(zhàn)和系統(tǒng)視角及其相互關(guān)系。DoDAF八個視角共計52個模型,其中,能力視角7個模型,服務(wù)視角13個模型,作戰(zhàn)和系統(tǒng)視角模型數(shù)量與C4ISR一致,詳細描述了能力、作戰(zhàn)、服務(wù)、系統(tǒng)之間的關(guān)系,計劃視角站在組織機構(gòu)、項目、時間基線等的角度描述從能力到系統(tǒng)的狀態(tài)。UAF共計88個網(wǎng)格,主要增加在架構(gòu)管理、安全視角中的模型,并從動機、分類、結(jié)構(gòu)、相關(guān)性、處理、狀態(tài)、順序、信息、參數(shù)、約束、路線圖、可追溯性等12個方面分別描述11個視角,單個視角下的模型關(guān)系邏輯更加清晰。
4.1.3框架方法向民用和開放組織靠攏
在體系結(jié)構(gòu)框架升級演變過程中,不斷吸納國際先進組織思想,使用本體抽象的方法論和嚴謹一致的建模語言,以適應(yīng)體系結(jié)構(gòu)框架自身升級和融合的需要。
C4ISR整合了陸軍、海軍、空軍、海軍陸戰(zhàn)隊、國防情報局、國防信息系統(tǒng)局等部門的系統(tǒng)標準化元素、參考模型和體系結(jié)構(gòu)等要素,形成以核心體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型(Core Architecture Data Model, CADM)為核心模型的框架描述和數(shù)據(jù)組織方法。DoDAF 2.0版引入國際國防企業(yè)體系結(jié)構(gòu)規(guī)范(International Defense Enterprise Architecture Specification, IDEAS)的DM2(Department of Defence Meta-Model, DM2)元模型,術(shù)語方面向ISO15074、14439以及42010/IEEE1471靠攏,如“視圖”改為“視角”。UAF框架標準由OMG組織牽頭,重用統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language,UML)和系統(tǒng)建模語言(System Modeling Language, SysML)形成統(tǒng)一體系結(jié)構(gòu)框架建模語言(Unified Architecture Framework Modeling Language, UAFML)建模語言,貫徹系統(tǒng)工程(System of Systems, SoS)、業(yè)務(wù)流程建模標識(Business Process Modeling Notation, BPMN)的設(shè)計原則,并引入ISO42010、42020中的框架描述和迭代完善思想,形成以領(lǐng)域元模型、建模語言為標準主體,以追溯性、典型問題、框架指南為標準附錄的系列文件。
4.2 體系結(jié)構(gòu)框架的發(fā)展展望
從C4ISR發(fā)展到UAF,體系結(jié)構(gòu)框架逐漸順應(yīng)服務(wù)化、抽象化的趨勢,在視角、模型、表達等方面逐漸完善、全面,但也存在信息量龐大、抽象層次高、理解和使用復(fù)雜等情況。隨著信息管理技術(shù)的開放式、智能化發(fā)展,體系結(jié)構(gòu)框架必定全面融入國際化標準組織,并與民用體系結(jié)構(gòu)框架共同發(fā)展,將出現(xiàn)以下發(fā)展趨勢。
(1)體系結(jié)構(gòu)框架的視角越來越全面,且能夠適當分層分類。
體系結(jié)構(gòu)框架是向不斷全面和完善的方向發(fā)展,需要向不同層次、不同分工的利益攸關(guān)者提供不同視角,所需的視角也越來越多樣,整體上不斷完善。視角數(shù)量越多越全面,但也帶來理解和定位復(fù)雜的問題,需要將視角縱向按照決策-執(zhí)行分層,或橫向按照分工或?qū)I(yè)分組。
(2)體系結(jié)構(gòu)框架的模型逐漸嚴謹、細致,且可以靈活組合、即插即用。
體系結(jié)構(gòu)框架是為了形成一個對復(fù)雜組織體規(guī)范的、統(tǒng)一的成果集,指導(dǎo)其設(shè)計、運行或發(fā)展。越是形式化、規(guī)范化、模型化的成果,越容易轉(zhuǎn)換成復(fù)雜系統(tǒng)或組織體的輸入;隨著大系統(tǒng)的開放式、松散耦合理念的發(fā)展應(yīng)用,體系結(jié)構(gòu)模型也應(yīng)基于嚴謹?shù)慕UZ言設(shè)計,體現(xiàn)模塊化、服務(wù)化、標準化等特征。
(3)體系結(jié)構(gòu)框架的元素概念越來越抽象,粒度越來越細致。
UAF從融合不同體系結(jié)構(gòu)框架出發(fā),已經(jīng)定義了一套在不同架構(gòu)間映射的元模型和概念。將來的體系結(jié)構(gòu)框架方法有趨向統(tǒng)一的趨勢,這不僅是在不同體系結(jié)構(gòu)間做映射能夠解決的,必將使框架元素原子化、框架概念抽象化,以滿足各類組織或系統(tǒng)描述的需求。
(4)體系結(jié)構(gòu)框架應(yīng)配套智能工具,降低理解和實施的門檻。
如前所述的發(fā)展趨勢,視角和模型都是越來越多,視角和模型的關(guān)系越嚴謹,模型越來越松散;而對應(yīng)的底層元素和概念卻是越來越抽象、越來越細致。從范圍、數(shù)量和深度上都有增加,所以非常必要配套輔助框架理解和實施的軟硬件工具,甚至還可以開發(fā)輔助識別的智能算法和模型,以降低人為理解和識別體系架構(gòu)的門檻。
體系結(jié)構(gòu)從不同角度給出對組織或系統(tǒng)的全面描述,體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法吸納服務(wù)化、模塊化和系統(tǒng)工程等思想,逐漸成為復(fù)雜組織的管理者改革,或復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)者設(shè)計的工具。我軍結(jié)合國情和管理模式,吸收其他體系結(jié)構(gòu)框架的經(jīng)驗,剪裁、制定了兩版信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計指南,可在項目論證、系統(tǒng)研制建設(shè)中參照使用。
體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法需要團隊的認知、溝通、表達有高度的一致性,才能形成體系化、層次化的領(lǐng)域框架成果;并且需要抽象化、系統(tǒng)化思維的人才,和配套描述和管理模型的工具,才能形成規(guī)范化、可復(fù)用的成果集。我國、我軍在體系結(jié)構(gòu)相關(guān)人才的培養(yǎng)、配套工具的研發(fā)、體系框架的設(shè)計與實施驗證等方面,還有很長的路要走。