李雪超，張金成，陳歡歡，熊加遙

（空軍工程大學，陜西 三原 713800）

信息時代的到來，指揮體系結(jié)構(gòu)的日趨扁平化，使我們越來越多地面對復雜系統(tǒng)。在復雜系統(tǒng)的建模過程中，往往存在需要多方合作、頻繁變更等問題，同時由于系統(tǒng)的解決方案越來越復雜，導致發(fā)現(xiàn)設計錯誤也越來越難，因此，在合理時間內(nèi)對復雜系統(tǒng)進行清晰、準確建模并管理高質(zhì)量體系結(jié)構(gòu)的重要性日益凸現(xiàn)[1]。

DoDAF就是通常所說的美國國防體系結(jié)構(gòu)框架。體系結(jié)構(gòu)框架提供了開發(fā)和表述體系結(jié)構(gòu)的規(guī)則、指南和產(chǎn)品描述，是開發(fā)體系結(jié)構(gòu)的前提條件。DoDAF由C4ISR AF 1.0演進而來，先后經(jīng)歷了C4ISR AF 2.0、DoDAF 1.0、DoDAF 1.5，發(fā)展到現(xiàn)在的DoDAF 2.0。DoDAF是要確保各個指揮組織、服務提供和各個部門的系統(tǒng)和信息體系結(jié)構(gòu)描述和定義的一致性和協(xié)調(diào)性。DoDAF是當今應用最為廣泛和最為成熟的體系結(jié)構(gòu)框架。利用這種統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)框架設計指控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),便于系統(tǒng)分析、設計和實現(xiàn)人員及使用維護人員對系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計的理解、比較和交流。

1 體系結(jié)構(gòu)概述[2]

1.1 體系結(jié)構(gòu)的概念

系統(tǒng)科學認為體系是若干相關事物相互聯(lián)系、相互制約而構(gòu)成的一個整體。整體中各個組成部分的搭配和排列稱之為結(jié)構(gòu)。體系研究整體的內(nèi)涵和外延，結(jié)構(gòu)研究整體的層次和關系。體系結(jié)構(gòu)是指一個整體的層次、序列、相互關系及它們的組成。用到軍事領域，其基本含義不變，只是將其意義的使用范圍擴大。

在1990年IEEE STD 610.12（國際電工組織標準）中，把“體系結(jié)構(gòu)”定義為:“各組成部分及其相互間的關系，以及自始至終支配這些組成部分的設計和演進的原理和原則?！彼^各組成部分，可認為是作為研制對象的特定領域或系統(tǒng)的各組成部分，是對某一復雜事物的本質(zhì)性、原則性、穩(wěn)定性描述。

2000年IEEE STD 1427提出下述定義:“體系結(jié)構(gòu)是概括系統(tǒng)的組成部分、他們相互之間的關系及對環(huán)境的關系和指導設計和演進的原則的基本組織?！边@種定義補充了系統(tǒng)及各組成部分對環(huán)境的關系。這一點在開發(fā)體系結(jié)構(gòu)是不能不考慮的。

1.2 DoDAF產(chǎn)品概述

DoDAF主要由全視圖（AV）、作戰(zhàn)視圖（OV）、系統(tǒng)視圖（SV）和技術(shù)標準視圖（TV）組成。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)視圖的每一個視圖都描述體系結(jié)構(gòu)的一定屬性。其中，作戰(zhàn)視圖描述為完成國家使命所要求的任務及活動、作戰(zhàn)要素和信息交換的一組圖形及文字產(chǎn)品，使命包括作戰(zhàn)使命和公務過程；系統(tǒng)視圖是描述提供或支持功能的系統(tǒng)和互通的一組圖形及文字產(chǎn)品，功能包括作戰(zhàn)功能和公務功能；技術(shù)標準視圖是管理系統(tǒng)部件或零件的排列、交互和互相依賴的最小一組規(guī)則，如圖1所示。

2 體系結(jié)構(gòu)設計方法[3,5]

2.1 作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設計

作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設計的任務是描述系統(tǒng)支持的作戰(zhàn)概念，包括完成作戰(zhàn)任務的活動、作戰(zhàn)要素、人員/組織之間的相關信息交換，定義交互信息的類型、頻度、支持的作戰(zhàn)活動以及信息種類，揭示作戰(zhàn)能力和互操作性方面的需求。相應的產(chǎn)品有:高層作戰(zhàn)概念OV-1，作戰(zhàn)節(jié)點連接描述 OV-2，作戰(zhàn)信息交換矩陣OV-3，組織關系描述OV-4，作戰(zhàn)活動描述OV-5，作戰(zhàn)規(guī)則描述OV-6a，作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述OV-6b，作戰(zhàn)事件跟蹤描述OV-6c，邏輯數(shù)據(jù)模型OV-7等。作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設計具體步驟如下圖2所示。

圖1 DoDAF 1.5產(chǎn)品集示意圖

圖2 作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)模型設計流程圖

在本階段以OV-1驅(qū)動，OV-5為過程，OV-2為核心，OV-6c提供驗證機制，根據(jù)內(nèi)部邏輯關系逐步建立完善的作戰(zhàn)體系模型，這是一個反復迭代的過程。

2.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計的主要任務是對支持或提供作戰(zhàn)功能的各個系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運行規(guī)則及其系統(tǒng)間互連和互操作關系的描述。與之對應的產(chǎn)品有系統(tǒng)接口描述SV-1、系統(tǒng)通信描述SV-2、系統(tǒng)關聯(lián)矩陣SV-3、系統(tǒng)功能描述 SV-4a、服務功能描述 SV-4b、作戰(zhàn)活動與系統(tǒng)功能跟蹤矩陣 SV-5a、作戰(zhàn)活動與系統(tǒng)追蹤能力矩陣 SV-5b、作戰(zhàn)活動與服務追蹤能力矩陣SV-5c，系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互矩陣SV-6、系統(tǒng)性能參數(shù)據(jù)矩陣SV-7、系統(tǒng)演化描述SV-8、系統(tǒng)技術(shù)預測SV-9、系統(tǒng)規(guī)則描述 SV-10a、系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述 SV-10b、系統(tǒng)事件跟蹤描述SV-10c、物理數(shù)據(jù)描述SV-11等。上述16個方面描述了整個DoDAF系統(tǒng)的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計的具體步驟如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型設計流程圖

無論是作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)模型還是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型，在上述階段的實際應用中具有典型的代表性，但卻不是每個階段的模型都要全部創(chuàng)建，要根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模和表現(xiàn)方面的具體情況而定。在實踐中，整個建模過程將呈現(xiàn)多次迭代。

2.3 技術(shù)體系結(jié)構(gòu)設計

技術(shù)體系結(jié)構(gòu)設計的主要任務是建立系統(tǒng)研制、開發(fā)過程中必須遵守的技術(shù)和標準規(guī)范，以規(guī)范和約束系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計的實現(xiàn)選擇。與之相對應的技術(shù)視圖包含技術(shù)體系結(jié)構(gòu)輪廓產(chǎn)品TV-1、標準技術(shù)預測TV-2。技術(shù)體系結(jié)構(gòu)輪廓產(chǎn)品根據(jù)現(xiàn)有的相關領域的技術(shù)標準、規(guī)范和作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)的軍事需求，提供了適用于系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的相關技術(shù)標準子集的說明，包括質(zhì)量管理、進度管理、經(jīng)費管理、組織管理等的規(guī)范；標準技術(shù)預測是一組支配系統(tǒng)實現(xiàn)和操作的規(guī)則，考慮技術(shù)標準的發(fā)展對系統(tǒng)建設的影響，對技術(shù)標準的發(fā)展、變化進行預測。技術(shù)視圖主要反映管理者對系統(tǒng)研制開發(fā)的關注點。

3 多層彈道導彈防御系統(tǒng)作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)建模

彈道導彈作為跨空域武器，具有射程遠、速度快、高度高、多彈頭分導再入和多種突破防御措施等作戰(zhàn)特點，防御難度高，破壞性大，在近代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著其技術(shù)被越來越多的國家掌握，威脅程度也與日俱增。

本例中展現(xiàn)一個對中近程彈道導彈在不同的彈道采用不同武器進行攔截的簡單的作戰(zhàn)場景:敵方彈道導彈發(fā)射后，首先被太空中的預警衛(wèi)星探測到，測出其飛行數(shù)據(jù)，并將其發(fā)回地面指揮所、部署在戰(zhàn)線前沿的雷達和配有機載激光器的飛機。指揮所計算出來襲導彈飛行方向和粗略落腳點，雷達搜索并跟蹤來襲導彈。當導彈發(fā)射后處于助推段時，指揮所下令配有機載激光器的飛機進行攔截；若攔截失敗，指揮所下令戰(zhàn)略地對空導彈對其進行導彈飛行中段攔截；若再次攔截失敗，指揮所將令戰(zhàn)術(shù)地對空導彈在來襲導彈飛行末段攔截。

（1）高層作戰(zhàn)概念圖OV-1

OV-1描述需要完成的使命、建設范圍、服務范圍、對象等。它給出了重要的作戰(zhàn)節(jié)點，描述重要的或獨特的作戰(zhàn)能力，并描述目標體系結(jié)構(gòu)與環(huán)境之間的關系和體系結(jié)構(gòu)與外部系統(tǒng)之間的關系，如圖4所示。

圖4 高層作戰(zhàn)概念圖 OV-1

（2）作戰(zhàn)節(jié)點關聯(lián)描述

OV-2是描述作戰(zhàn)節(jié)點和這些作戰(zhàn)節(jié)點間的需求線的一個產(chǎn)品。作戰(zhàn)節(jié)點關聯(lián)圖包括這個體系結(jié)構(gòu)內(nèi)部的作戰(zhàn)節(jié)點，也包含外部節(jié)點，需求線說明需要交換的信息，如圖5所示。

圖5 作戰(zhàn)節(jié)點鏈接描述 OV-2

（3）組織關系圖

OV-4描述在體系結(jié)構(gòu)中起關鍵作用的作戰(zhàn)人員或作戰(zhàn)組織之間的指揮結(jié)構(gòu)，其目的是清晰系統(tǒng)內(nèi)部和外部的組織及下級組織關系。這些關系可能是監(jiān)督報告、指揮控制、命令等。如圖6所示。

（4）作戰(zhàn)活動模型

OV-5是關鍵的體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，描述為了完成任務或者達到目標需要執(zhí)行的一系列活動，由能力、作戰(zhàn)活動、活動間的輸入輸出流等建模元素構(gòu)成。OV-5的兩種關系必須要體現(xiàn)，一種是層次關系，即作戰(zhàn)活動具有子活動，一種就是信息流的關系。如圖7所示。

圖6 組織關系圖 OV-4

（5）作戰(zhàn)事件跟蹤描述

OV-6c定義作戰(zhàn)事件的蹤跡描述，提供作戰(zhàn)節(jié)點之間的信息交換的時間順序的檢查。它有助于定義節(jié)點接口，并能夠確保特定作戰(zhàn)節(jié)點具有必要的信息，以便在正確的時間完成賦予它的作戰(zhàn)活動。如圖8。

從具體設計過程和各類產(chǎn)品之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以得出作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品之間的邏輯關系如圖 9所示。作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品集作為需求用例影響系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計。

模型以美國多層彈道導彈防御系統(tǒng)為原型，闡述了其系統(tǒng)的組成部分，簡單分析了各組成部分的關系和作戰(zhàn)防御流程，并基于DoDAF建立了體系結(jié)構(gòu)模型，為今后導彈防御系統(tǒng)研究者提供了一些參考。

圖7 作戰(zhàn)活動模型OV-5

圖8 作戰(zhàn)事件跟蹤描述OV-6c

圖9 作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品依賴關系

4 多層彈道導彈防御系統(tǒng)作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)模型設計中存在的不足

在多層彈道導彈防御系統(tǒng)作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設計中,還有以下不足和有待深入改進的地方。

1）改進體系結(jié)構(gòu)建模方法。文中多層彈道導彈防御系統(tǒng)建模，對模型的層次關系描述還存在不足，應該進一步完善方法的層次描述，使模型層次關系描述更加緊密。

2）完善系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計的產(chǎn)品集模型，使體系結(jié)構(gòu)模型設計更加完整。對于 DoDAF三大視圖，本文只對作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)進行了建模，而作為一完整系統(tǒng)模型，其他兩個視圖也需要合理的建模與分析。

3）改進體系結(jié)構(gòu)一致性開發(fā)過程，保證產(chǎn)品的一致性。多層彈道導彈防御系統(tǒng)是一個十分復雜的系統(tǒng)，在它的設計模型演進和修改過程中，還是可能出現(xiàn)不一致。如何改進開發(fā)過程，保證一致性也是研究重點。

4）沒有深入研究系統(tǒng)的可執(zhí)行性模型和驗證。

5）對多層彈道導彈防御系統(tǒng)所包含的子系統(tǒng)引入有限，不能較全面反映系統(tǒng)狀態(tài)。

5 結(jié)束語

良好的體系結(jié)構(gòu)設計不僅是解決復雜大系統(tǒng)開發(fā)研制周期長、成本高問題的重要途徑，也是保證系統(tǒng)之間可集成、可互操作，實現(xiàn)高效一體化的基本措施。本文以多層彈道導彈防御系統(tǒng)為對象，就體系結(jié)構(gòu)框架產(chǎn)品的內(nèi)容和邏輯關系進行了研究分析，提出了體系結(jié)構(gòu)簡單明晰的設計方法和步驟，并建立了相應模型。

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