楊 光，梁 琨，沈海偉

（1.解放軍91404部隊(duì)，河北秦皇島 066000；2.江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇連云港 222061；3.駐上海地區(qū)第二軍事代表室，上海 200120）

0 引言

隨著高新技術(shù)不斷應(yīng)用于導(dǎo)彈研發(fā)，反艦導(dǎo)彈現(xiàn)已具備射程遠(yuǎn)、速度快、智能化等特點(diǎn)，各種精確制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈對(duì)水面艦艇自防御作戰(zhàn)提出了更高的要求。航空母艦、兩棲艦艇等大型水面作戰(zhàn)艦艇在作戰(zhàn)過(guò)程中目標(biāo)明顯，且平臺(tái)價(jià)值高，面臨的導(dǎo)彈威脅形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻，必須具備應(yīng)對(duì)海上威脅能力，以確保艦艇自身安全，充分發(fā)揮艦艇作戰(zhàn)效能。以兩棲艦艇電子武器裝備配置為例，兩棲艦艇主要配置了2～3 座近程防空艦炮、3～4 座中近程艦空導(dǎo)彈、4～6 座無(wú)源干擾裝置及有源干擾設(shè)備等多種武器裝備［1］。由于艦艇配置的軟硬武器作戰(zhàn)原理、使用時(shí)機(jī)和作用距離均有差異，有必要建立水面艦艇對(duì)空自防御系統(tǒng)對(duì)配置的武器裝備進(jìn)行集成優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)軟硬武器梯次攔截，縮短作戰(zhàn)反應(yīng)時(shí)間，提高綜合防御效能。

為提高艦艇對(duì)空自防御效能，滿足自防御作戰(zhàn)日新月異的發(fā)展需求，需不斷深化自防御系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究，加強(qiáng)自防御系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［2］。美國(guó)國(guó)防部體系結(jié)構(gòu)框架DoDAF 是體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的典型代表，經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，已日漸成熟，成為設(shè)計(jì)或開(kāi)發(fā)體系結(jié)構(gòu)的指南［3-4］。本文基于DoDAF 體系結(jié)構(gòu)框架，構(gòu)建基于DoDAF2.0 的艦艇對(duì)空自防御系統(tǒng)模型，從本質(zhì)上闡述艦艇對(duì)空自防御系統(tǒng)在艦艇近末段防御作戰(zhàn)的活動(dòng)過(guò)程，為艦艇對(duì)空自防御作戰(zhàn)頂層設(shè)計(jì)優(yōu)化和風(fēng)險(xiǎn)控制提供理論支持。

1 對(duì)空自防御系統(tǒng)建模方法

DoDAF 基于C4ISR 體系架構(gòu)，描述了推進(jìn)和實(shí)施體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)劃、指南和視圖，支持作戰(zhàn)體系的靜動(dòng)態(tài)建模［5］。本文根據(jù)艦艇對(duì)空自防御系統(tǒng)作戰(zhàn)需求，結(jié)合DoDAF 體系結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)艦艇自防御系統(tǒng)的作戰(zhàn)視圖、能力視圖和系統(tǒng)視圖展開(kāi)研究，通過(guò)對(duì)自防御作戰(zhàn)活動(dòng)的“自頂向下”分解，遵循作戰(zhàn)—能力—系統(tǒng)映射順序，獲得自防御系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 對(duì)空自防御系統(tǒng)建?？蚣蹻ig.1 Modeling framework of antiaircraft self-defense system

根據(jù)建模框架，視圖產(chǎn)品開(kāi)發(fā)步驟為：

1）基于對(duì)空自防御系統(tǒng)作戰(zhàn)使命任務(wù)，分析自防御系統(tǒng)作戰(zhàn)概念，進(jìn)行作戰(zhàn)想定，從作戰(zhàn)視圖出發(fā)構(gòu)建高級(jí)作戰(zhàn)概念圖OV-1；

2）通過(guò)分析OV-1，確定作戰(zhàn)活動(dòng)關(guān)系，結(jié)合自防御作戰(zhàn)流程，建立作戰(zhàn)活動(dòng)視圖OV-5；

3）在作戰(zhàn)活動(dòng)關(guān)系基礎(chǔ)上，分析事件驅(qū)動(dòng)引起的艦艇作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程，根據(jù)艦艇作戰(zhàn)狀態(tài)完成作戰(zhàn)狀態(tài)視圖OV-6b；

4）基于艦艇作戰(zhàn)指揮流程，結(jié)合實(shí)際作戰(zhàn)情況，建設(shè)指揮機(jī)構(gòu)，研究機(jī)構(gòu)組織和成員之間的指揮關(guān)系，完成組織關(guān)系視圖OV-4；

5）根據(jù)作戰(zhàn)流程及指揮機(jī)構(gòu)組織關(guān)系，按照自防御作戰(zhàn)過(guò)程中各作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)之間信息動(dòng)態(tài)交互的時(shí)序邏輯，構(gòu)建作戰(zhàn)事件追蹤視圖OV-6c；

6）依據(jù)自防御作戰(zhàn)過(guò)程中作戰(zhàn)組織之間的信息和資源交互關(guān)系，以圖形化方式描述節(jié)點(diǎn)間的信息交換，構(gòu)建作戰(zhàn)資源流交互視圖OV-2；

7）通過(guò)對(duì)OV-5 作戰(zhàn)活動(dòng)分析，梳理自防御作戰(zhàn)能力需求，構(gòu)建能力活動(dòng)映射矩陣CV-6，描述所需能力與這些能力支持作戰(zhàn)活動(dòng)之間的映射；

8）依據(jù)CV-6 矩陣分析出來(lái)的能力，進(jìn)行作戰(zhàn)能力分類，構(gòu)建能力分類視圖CV-2，描述能力的層次，規(guī)范體系結(jié)構(gòu)中引用的能力；

9）以艦艇進(jìn)行自防御作戰(zhàn)活動(dòng)所需功能為基礎(chǔ)，分析執(zhí)行作戰(zhàn)活動(dòng)所要求的系統(tǒng)功能，梳理系統(tǒng)功能關(guān)系，構(gòu)建系統(tǒng)功能分解視圖SV-4；

10）基于自防御作戰(zhàn)活動(dòng)，梳理自防御系統(tǒng)系統(tǒng)功能與設(shè)備需求，分析支持作戰(zhàn)活動(dòng)的系統(tǒng)功能和系統(tǒng)設(shè)備，完成系統(tǒng)功能活動(dòng)映射矩陣SV-5a 和系統(tǒng)設(shè)備活動(dòng)映射矩陣SV-5b，可分析系統(tǒng)能否滿足能力需求，每一項(xiàng)能力是否有系統(tǒng)進(jìn)行支持；

11）在完成OV-5 和SV-5b 基礎(chǔ)上，對(duì)自防御系統(tǒng)組成、接口等進(jìn)行分析，構(gòu)建接口描述視圖SV-1，確定自防御系統(tǒng)內(nèi)部各分系統(tǒng)∕設(shè)備間接口與作戰(zhàn)資源交互關(guān)系，為制定分系統(tǒng)∕設(shè)備間信息傳輸接口協(xié)議奠定基礎(chǔ)。

艦艇對(duì)空自防御系統(tǒng)模型開(kāi)發(fā)步驟如下頁(yè)圖2所示。

圖2 艦艇對(duì)空自防御模型開(kāi)發(fā)步驟Fig.2 Development steps of ship antiaircraft self-defense model

2 對(duì)空自防御系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

艦艇對(duì)空自防御交戰(zhàn)過(guò)程為：預(yù)警機(jī)、本艦傳感器或編隊(duì)內(nèi)其他艦艇傳感器搜索空中目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，將目標(biāo)航跡、特征參數(shù)等數(shù)據(jù)發(fā)送至本艦指控系統(tǒng)，指控系統(tǒng)綜合處理搜集到的情報(bào)信息，識(shí)別目標(biāo)類型，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行威脅評(píng)估，以反艦導(dǎo)彈方位、距離、速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)為輸入，通過(guò)戰(zhàn)術(shù)決策軟件生成自防御作戰(zhàn)方案，依據(jù)作戰(zhàn)方案輔助制定攔截策略，組織武器通道，各武器裝備根據(jù)目標(biāo)指示信息，解算射擊參數(shù)，對(duì)目標(biāo)實(shí)施攔截［6］；首先對(duì)目標(biāo)實(shí)施無(wú)源干擾，本艦進(jìn)行機(jī)動(dòng)，引導(dǎo)導(dǎo)彈飛離本艦，如果導(dǎo)彈未飛離本艦，對(duì)目標(biāo)實(shí)施有源干擾，若有源干擾失敗，在目標(biāo)進(jìn)入艦空導(dǎo)彈最大攔截范圍時(shí)，發(fā)射導(dǎo)彈實(shí)施攔截，若導(dǎo)彈未命中目標(biāo)且目標(biāo)仍在艦空導(dǎo)彈攔截區(qū)域內(nèi)，則對(duì)其實(shí)施二次攔截，反之，導(dǎo)彈進(jìn)入近程反導(dǎo)艦炮射界，則由艦炮攔截導(dǎo)彈，實(shí)現(xiàn)對(duì)反艦導(dǎo)彈軟硬武器相結(jié)合的梯次攔截與分層防御。

2.1 高級(jí)作戰(zhàn)概念視圖（OV-1）

OV-1 視圖是對(duì)艦艇自防御作戰(zhàn)的頂層描述，以圖形和文字從宏觀視角直觀地刻畫對(duì)空自防御頂層作戰(zhàn)概念、作戰(zhàn)對(duì)象和作戰(zhàn)過(guò)程，方便決策人員和開(kāi)發(fā)人員的理解溝通，保證相關(guān)人員理解一致性［7］，根據(jù)艦艇自防御作戰(zhàn)流程，進(jìn)行作戰(zhàn)想定，形成高級(jí)作戰(zhàn)概念圖OV-1，如圖3所示。

圖3 高級(jí)作戰(zhàn)概念視圖Fig.3 High-level operational concept view

2.2 對(duì)空自防御作戰(zhàn)活動(dòng)視圖（OV-5）

OV-5 視圖描述遂行作戰(zhàn)任務(wù)過(guò)程中相關(guān)的作戰(zhàn)活動(dòng)，研究作戰(zhàn)要素和作戰(zhàn)活動(dòng)之間關(guān)系，對(duì)總體作戰(zhàn)活動(dòng)逐步分解，通過(guò)完成各項(xiàng)分解后的子活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)使命。艦艇對(duì)空自防御作戰(zhàn)活動(dòng)主要分為態(tài)勢(shì)感知、指揮控制、武器攔截三大活動(dòng)［8］，三大活動(dòng)又可細(xì)分為預(yù)警機(jī)預(yù)警、本艦傳感器搜索、編隊(duì)傳感器搜索、情報(bào)處理、威脅評(píng)估、輔助決策、武器分配、目標(biāo)指示、毀傷效果評(píng)估、電子對(duì)抗、艦空導(dǎo)彈打擊、近程反導(dǎo)艦炮打擊10 項(xiàng)子活動(dòng)，由此建立的作戰(zhàn)活動(dòng)視圖OV-5如下頁(yè)圖4所示。

圖4 作戰(zhàn)活動(dòng)視圖Fig.4 Operational activity view

2.3 作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述圖（OV-6b）

OV-6b 描述艦艇作戰(zhàn)狀態(tài)隨各種事件的轉(zhuǎn)換過(guò)程，直觀的體現(xiàn)作戰(zhàn)活動(dòng)的順序，對(duì)來(lái)襲目標(biāo)進(jìn)行電子干擾或火力攔截的交戰(zhàn)結(jié)果直接影響到艦艇對(duì)空自防御作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述視圖OV-6b如圖5所示。

圖5 作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述圖Fig.5 Combat state transition description chart

2.4 組織關(guān)系視圖（OV-4）

OV-4 描述了艦艇對(duì)空自防御系統(tǒng)作戰(zhàn)過(guò)程中的各種作戰(zhàn)組織之間的關(guān)系，通過(guò)關(guān)系圖描述各組織之間的指揮結(jié)構(gòu)或指揮關(guān)系，闡明了指揮體系結(jié)構(gòu)內(nèi)的組織和成員可能存在的各種關(guān)系。

艦艇對(duì)空自防御作戰(zhàn)主要由作戰(zhàn)指揮員完成作戰(zhàn)指揮。艦艇作戰(zhàn)指揮中心統(tǒng)籌全部作戰(zhàn)活動(dòng)，下設(shè)警戒探測(cè)班、指揮控制班、武器操控班以及作戰(zhàn)保障班。艦艇對(duì)空自防御系統(tǒng)在防空作戰(zhàn)中的組織關(guān)系如圖6所示，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可對(duì)該圖進(jìn)行迭代更新，根據(jù)實(shí)際指揮關(guān)系進(jìn)行調(diào)整。

圖6 組織關(guān)系視圖Fig.6 Organizational relationship view

2.5 作戰(zhàn)事件跟蹤視圖（OV-6c）

作戰(zhàn)事件跟蹤視圖描述在艦艇自防御作戰(zhàn)過(guò)程中各節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)信息交互的時(shí)序邏輯，為確定節(jié)點(diǎn)間接口協(xié)議打下基礎(chǔ)，確保節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳遞的必要性與時(shí)序性，使得各作戰(zhàn)活動(dòng)有序銜接，保障自防御作戰(zhàn)任務(wù)順利完成，如下頁(yè)圖7所示。

圖7 作戰(zhàn)事件跟蹤視圖Fig.7 Combat event tracking view

2.6 作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)連接描述（OV-2）

OV-2 將各節(jié)點(diǎn)之間的信息需求以圖形方式系統(tǒng)地展現(xiàn)，由信息需求線構(gòu)成信息交互邏輯網(wǎng)絡(luò)，能夠清晰、直觀地表述各節(jié)點(diǎn)間互相傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，該視圖與OV-5、OV-4 視圖緊密關(guān)聯(lián)，能夠體現(xiàn)作戰(zhàn)組織為完成作戰(zhàn)活動(dòng)進(jìn)行的資源交互。

2.7 作戰(zhàn)能力對(duì)作戰(zhàn)活動(dòng)的映射矩陣（CV-6）

作戰(zhàn)能力對(duì)作戰(zhàn)活動(dòng)的映射矩陣將作戰(zhàn)視角的自防御作戰(zhàn)行動(dòng)分析與能力視角的能力分析緊密結(jié)合在一起，有助于梳理艦艇完成對(duì)空自防御作戰(zhàn)活動(dòng)所需的能力，進(jìn)而為構(gòu)建艦艇自防御武器裝備體系提供依據(jù)［9］。作戰(zhàn)能力活動(dòng)映射矩陣如下頁(yè)表1所示，其中“×”表示相對(duì)應(yīng)的活動(dòng)與能力存在映射關(guān)系。

表1 作戰(zhàn)能力活動(dòng)映射矩陣Table 1 Mapping matrix of combat capability activities

2.8 能力分類視圖（CV-2）

根據(jù)作戰(zhàn)能力活動(dòng)映射矩陣（CV-6）得到能力分類視圖（CV-2），CV-2 視圖通過(guò)結(jié)構(gòu)圖說(shuō)明能力的層次結(jié)構(gòu)與分類。對(duì)于艦艇對(duì)空自防御系統(tǒng)，CV-2 視圖可對(duì)完成自防御作戰(zhàn)活動(dòng)所需能力進(jìn)行規(guī)范。

2.9 系統(tǒng)功能分解視圖（SV-4）

對(duì)于艦艇對(duì)空自防御系統(tǒng)，SV-4通過(guò)對(duì)自防御系統(tǒng)功能進(jìn)行逐層分解，將分解后的子功能以樹(shù)狀圖進(jìn)行展示，如圖8 所示。對(duì)空自防御功能包括態(tài)勢(shì)感知功能、指揮控制功能、武器攔截功能以及作戰(zhàn)輔助功能，各功能按任務(wù)需求可進(jìn)一步細(xì)分出子功能，各功能共同協(xié)作完成自防御作戰(zhàn)。

圖8 系統(tǒng)功能分解視圖Fig.8 System Function Decomposition View

2.10 系統(tǒng)功能映射矩陣（SV-5a）

SV-5a 描述系統(tǒng)功能與作戰(zhàn)活動(dòng)的需求關(guān)系，其映射關(guān)系通常為“多對(duì)多”關(guān)系，即一個(gè)系統(tǒng)功能可以涉及到多個(gè)作戰(zhàn)活動(dòng)，一個(gè)作戰(zhàn)活動(dòng)可由多個(gè)系統(tǒng)功能共同協(xié)作完成［10］。

2.11 系統(tǒng)設(shè)備映射矩陣（SV-5b）

SV-5b 描述系統(tǒng)設(shè)備與作戰(zhàn)活動(dòng)的需求關(guān)系，通過(guò)SV-5b 將作戰(zhàn)活動(dòng)、能力、系統(tǒng)功能以及設(shè)備進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)，形成完整的體系。

2.12 系統(tǒng)接口描述視圖（SV-1）

以艦艇自防御作戰(zhàn)流程和系統(tǒng)設(shè)備組成為基礎(chǔ)，定義自防御系統(tǒng)接口關(guān)系，構(gòu)建SV-1 視圖，如下頁(yè)圖9 所示。以SV-1 視圖為紐帶，使得自防御作戰(zhàn)和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，本文SV-1 主要描述自防御系統(tǒng)內(nèi)部各分系統(tǒng)間交互信息，包括警戒探測(cè)設(shè)備、指控系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等各系統(tǒng)之間的接口和信息交互關(guān)系。

圖9 系統(tǒng)接口描述視圖Fig.9 System interface description view

3 水面艦艇對(duì)空自防御系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證目的是檢驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性與合理性，驗(yàn)證系統(tǒng)功能∕性能是否滿足用戶設(shè)計(jì)期望，及時(shí)規(guī)避系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)［11］。OV-6c 描述了作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)間信息交換順序，通過(guò)分析OV-6c 視圖，驗(yàn)證信息交換是否能支持自防御系統(tǒng)使命任務(wù)完成，根據(jù)目前定義的信息交互時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)的自防御系統(tǒng)是否能滿足自防御作戰(zhàn)應(yīng)用需求。基于Petri 網(wǎng)建模理論，應(yīng)用仿真工具對(duì)水面艦艇自防御系統(tǒng)的OV-6c模型進(jìn)行時(shí)序邏輯、信息交互等進(jìn)行驗(yàn)證。

在仿真試驗(yàn)前，針對(duì)警戒探測(cè)設(shè)備、來(lái)襲目標(biāo)及武器不同的屬性和指標(biāo)確定仿真初值，各屬性和指標(biāo)初值如表2～表5 所示。假設(shè)警戒探測(cè)設(shè)備（雷達(dá)）功率為30 kw，周期為4 s，選取目標(biāo)速度300 m∕s進(jìn)行仿真，通過(guò)Petri 網(wǎng)的可達(dá)性分析，系統(tǒng)中的任務(wù)都會(huì)被執(zhí)行，系統(tǒng)無(wú)死循環(huán)，證明了自防御系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型沒(méi)有死鎖，不會(huì)因邏輯結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤進(jìn)入死鎖狀態(tài)，自防御系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型合理。

表2 警戒探測(cè)設(shè)備（雷達(dá)）屬性Table 2 Properties of surveillance detection equipment（radar）

表3 硬攔截武器初始屬性Table 3 Initial properties of hard interception weapon

表4 電子對(duì)抗設(shè)備初始屬性Table 4 Initial properties of electronic warfare equipment

表5 來(lái)襲目標(biāo)信息Table 5 Information of incoming targets

利用仿真工具進(jìn)行多次仿真，最終結(jié)果表明：艦外平臺(tái)或傳感器發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，將目標(biāo)情報(bào)上報(bào)本艦，本艦指揮控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)情報(bào)處理、目標(biāo)識(shí)別、威脅評(píng)估、輔助決策等，向各武器下發(fā)目標(biāo)指示，通過(guò)電子干擾、發(fā)射艦空導(dǎo)彈、艦炮射擊，完成整個(gè)自防御作戰(zhàn)過(guò)程，該邏輯結(jié)構(gòu)正確，作戰(zhàn)流程、信息交互及系統(tǒng)功能與設(shè)計(jì)期望一致，符合自防御系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)論

本文以水面艦艇對(duì)空自防御作戰(zhàn)為基礎(chǔ)，基于DoDAF 構(gòu)建自防御系統(tǒng)模型，從作戰(zhàn)、能力以及系統(tǒng)視角，對(duì)自防御系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)視圖的研究和設(shè)計(jì)，對(duì)艦艇自防御系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和作戰(zhàn)過(guò)程進(jìn)行了描述與分析，明確了作戰(zhàn)需求、系統(tǒng)功能、系統(tǒng)設(shè)備、作戰(zhàn)活動(dòng)、能力及組織等要素之間的相互關(guān)系。最后，基于Petri 網(wǎng)理論，應(yīng)用仿真軟件對(duì)構(gòu)建的自防御系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)多次模型仿真驗(yàn)證，最終結(jié)果表明，通過(guò)該方法建立的體系結(jié)構(gòu)模型符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，研究結(jié)果可對(duì)艦艇自防御系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)控制提供理論支持，也可為指揮員、系統(tǒng)工程人員提供提高系統(tǒng)防御效能和改進(jìn)作戰(zhàn)環(huán)節(jié)的輔助依據(jù)。在艦艇實(shí)際部署的自防御系統(tǒng)要更復(fù)雜，涉及的角色、要素、信息也更多，后續(xù)將開(kāi)展更深入細(xì)致的研究，并結(jié)合新的認(rèn)知和見(jiàn)解投入更多的精力到體系結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證。