海面監視指揮信息系統體系結構設計*

李宏偉，汪洋，肖柯

(1.中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125000；2.北京無線電測量研究所，北京 100854)

0 引言

海面監視指揮信息系統是集信息感知、網絡通信、情報處理、指揮決策等功能于一體的國家級海面目標監視預警與指揮信息系統。本系統由探測系統、網絡通信系統和指揮控制系統組成，是“系統的系統(system of systems)”，其頂層體系結構的設計過程非常復雜。體系結構框架(architecture framework)為系統頂層設計提供了一種規范化、標準化、可擴展的方法，是解決信息時代復雜系統頂層設計難題的重要手段。目前軍事領域常用的體系結構框架包括美國國防部體系結構框架(department of defense architecture,DoDAF)，以及英國國防部體系結構框架(MODAF)等[1]，其中DoDAF體系結構框架系列影響力最大[2-3]。本文根據海面監視指揮信息系統的總體設計目標，采用DoDAF體系結構框架設計思路，對海面監視指揮信息系統的頂層體系結構設計進行研究。

1 基于DoDAF的體系結構設計方法

1.1 DoDAF概述

DoDAF是美國國防部根據國際系統工程領域的技術進展和美國多年的軍事系統研發經驗所制定的系統體系結構框架，是一種用于指導所有軍事工程項目研發的系統工程方法論[4]。

DoDAF源于美國國防部為規范軍事信息系統而提出的C4ISR結構框架[5-6]。DoDAF 2.0版將前期“以產品為中心”的視圖產品開發模式轉向“以數據為中心”的開發模式，將視圖產品由3種擴展到8種，是一種“以數據為中心”的體系結構框架[7]，模型構建的原則為“符合目的”，即“Fit-for-Purpose”[8]，其最終目標是確保開發出來的體系結構及最終系統是可以綜合集成的、可互操作的和高費效比的。

1.2 DoDAF模型和視圖

架構視圖(architecture viewpoint)是為了促進對系統的理解而選定的一組架構數據，以可視化的方式進行展示。DoDAF 2.0 定義了8種視圖，包括全景視圖(AV)，能力視圖(CV)，作戰視圖(OV)，服務視圖(SvcV)，系統視圖(SV)，標準視圖(StdV)，數據與信息視圖(DIV)和項目視圖(PV)，包含 52個視圖產品模型，如圖1所示。

需要指出的是，系統體系結構的可視化描述用于展示與系統體系結構相關的一組數據和信息，可采用多種形式，例如儀表盤式、合成式、文本式、復合式、圖形式等。每一種視圖僅展示了體系結構數據的一部分，將系統比作一個實物，則一個視圖只是該實物的一張照片。由于事無巨細地展示系統的全貌將非常復雜，且不易聚焦，因此決策者將根據不同的使用目的決定選用哪些視圖和模型進行系統體系結構描述。

1.3 體系結構設計步驟

DoDAF將體系結構的開發過程定義為6個步驟[9-10]：

(1) 確定體系結構的預期用途；

(2) 確定體系結構的范圍；

(3) 確定支持體系結構開發的數據；

(4) 采集、組織、關聯和存儲體系數據，開發體系結構產品、知識庫、活動模型、數據模型、動態特征模型、組織模型；

圖1 DoDAF的8個視圖Fig.1 Eight viewpoints of DoDAF

(5) 進行支持體系結構目標的分析；

(6) 產生符合決策者要求描述結果。

2 海面監視指揮信息系統整體框架

海面監視指揮信息系統主要面向各級作戰指揮人員和作戰參謀人員，是集信息感知、網絡通信、情報處理、指揮決策于一體的國家級海面目標監視信息系統。

2.1 系統任務

本系統是一套“軍民兩用、平戰結合”的信息化系統，平時可為海軍等用戶提供及時準確的預警信息和情報保障，提升對船舶、海上航道、港口和沿岸要地的安全管控能力；戰時可作為海上戰場的預警情報中心，或接入防空或反艦武器系統成為岸防指揮系統，也可接入上級指揮中心，形成一體化作戰指揮體系。本系統可支持以下任務的開展：

(1) 民事任務：日常監視、海上巡邏、港口和要地安防、維權執法、海上交通管理、反恐行動、海上應急救援；

(2) 軍事任務：海軍作戰、聯合作戰。

2.2 系統功能

為完成上述行動任務，本系統應具有以下主要功能：

(1) 目標監視：對任務區域的多層次、全方位、全天時、全天候的監控；

(2) 網絡通信：實現系統各組成要素之間指令、情報、數據、圖像、視頻和語音信息的可靠傳輸；

(3) 信息處理：整合傳感器信息與情報信息，進行智能化數據處理，為用戶提供統一的信息支撐；

(4) 綜合態勢生成：將多源信息進行分類、預處理和分析綜合，生成統一的戰場綜合態勢；

(5) 輔助決策：根據任務目的和綜合態勢，提供各類輔助決策信息，協助指揮員進行分析和判斷；

(6) 指揮控制：對各類資源進行指揮和控制以開展行動任務，實現多級指揮中心的一體化協同行動。

2.3 系統組成

海面監視指揮信息系統主要由探測系統、網絡通信系統和指揮控制系統組成。

探測系統肩負著信息獲取、目標監視和情報偵查的關鍵使命，是為用戶快速建立戰場信息優勢的重要手段。針對用戶需求，通過優化配置、合理部署，地基、空基和天基傳感器相互補充配合、協同工作，實現對海上目標的多層次、立體化、全方位、全天候監視。

網絡通信系統是系統內部各單元的連接通道，是建立一體化的指揮信息系統的重要基礎。采用地面光纖網絡、衛星通訊網絡和無線通訊網絡組成高可靠多層次復合型網絡，實現各種平臺之間的連通，為實現“以數據為中心”的體系結構奠定基礎。

指揮控制系統具有智能化態勢感知與信息處理、統一信息場生成與作戰態勢共享、自動化指揮決策和行動方案生成以及多級一體化指揮協同等功能，實現各作戰要素及多級指揮控制中心的一體化行動協同。

3 海面監視指揮信息系統的DoDAF視圖與模型

使用DoDAF視圖與模型開展體系結構設計與描述的方法并不唯一，根據具體使用目的或聽眾(audience)的不同決策級別，應選用不同的視圖與模型組成數據集，并采用合適的表現形式進行體系描述[11-12]。根據海面監視指揮信息系統的設計目標(purpose)，重點關注系統的整體框架、作戰(operational)過程與系統功能設計，因此選擇全景視圖(AV)、作戰視圖(OV)和系統視圖(SV)3個視圖開展系統設計。本文選用以下6種模型進行體系結構描述與展示，模型的描述見表1[13]，模型之間的關系如圖2所示。

3.1 綜述和概要信息(AV-1)

AV視圖描述的是整個體系結構相關的信息，目的是確保結構的完整性、連續性和可擴展性。AV-1模型是總體概述和概要信息的集合，是OV-1圖形表示的文字描述，是結構開發過程的具體描述，旨在清晰地描述決策的整個過程。海面監視指揮信息系統的AV-1模型如表2所示(由于篇幅所限，僅展示信息要點)。

3.2 頂層作戰概念圖(OV-1)

OV-1描述系統需要完成的使命、作戰方式、作戰地域、作戰對象和作戰活動等，給出了重要的作戰節點，描述重要的或獨特的作戰能力，并描述體系結構與環境之間的關系[14]。以形式化的方式描述交戰雙方作戰情況，便于決策者的交流。海面監視指揮信息系統主要交戰對象包括各型傳感器、各級指揮中心、各類通信鏈路和海面/空中威脅目標，系統的OV-1模型如圖3所示，圖中展示了系統作戰環境、交戰對象、部署位置、通信關系及作戰目標，清晰地說明了海面監視指揮信息系統的頂層作戰概念。

圖2 6種DoDAF模型之間的關系Fig.2 Relationships among six DoDAF models

3.3 作戰活動分解樹(OV-5a)

OV-5a 模型是描述作戰活動的模型，描述為實現一個任務或目標的作戰行動過程，通過層次化的行動分解，為作戰行動提供清晰的作戰思路和作戰方案。海面監視指揮信息系統的工作過程包含監視、分析、計劃、行動和總結5個步驟：

表1 海面監視指揮信息系統DoDAF視圖與模型Table 1 DoDAF viewpoints and models of maritime surveillance and command information system

表2 綜述和概要信息AV-1Table 2 Overview and summary information AV-1

(1) 監控：對監控區域進行持續性的定期監控；

(2) 分析：分析威脅或緊急事件，評估事件與海軍的相關性，決定是否使用作戰力量；

(3) 策劃：策劃如何使用作戰力量，準備形成指令；

(4) 行動：執行指令，同時監控并調整行動；

(5) 總結：任務結束后，形成總結報告。

系統的OV-5a模型如圖4所示。

圖3 頂層作戰概念圖OV-1Fig.3 Top-level operational concept OV-1 viewpoint

圖4 作戰活動分解樹OV-5aFig.4 Operational activity decomposition tree OV-5a viewpoint

3.4 作戰活動模型(OV-5b)

OV-5b模型研究在作戰任務過程中，作戰要素、信息和作戰活動之間的關系。具體描述能力、作戰活動(任務)、作戰活動之間輸入和輸出的信息流，并將描述信息流的來源和去向、作戰活動的順序和相互關系。在此以海面監視指揮信息系統執行“海上應急救援行動”任務時開展的“監視”活動為例，采用泳道圖[15]對活動中探測系統、服務系統和用戶界面系統等作戰要素的工作內容、活動順序和信息流的方向等進行描述，圖5展示了監視活動的OV-5b模型。

圖5 作戰活動模型OV-5bFig.5 Operational activity model OV-5b viewpoint

3.5 系統功能描述(SV-4)

SV-4模型用于明確體系結構資源的功能，主要目的是清晰地描述每個資源數據流的輸入和輸出，保證系統功能的完整性，確保功能分解達到一個適當水平。海面監視指揮信息系統功能包括目標監視、網絡通信、信息處理、綜合態勢生成、輔助決策和指揮控制，主要由探測系統、網絡通信系統和指揮控制系統實現，通過各子系統之間的數據傳輸和控制下達，實現各類系統功能，系統的SV-4模型如圖6所示。

3.6 作戰活動到系統功能映射矩陣(SV-5a)

SV-5a模型描述作戰行為到系統功能的映射，從而將作戰需求轉變為由系統實現的活動。如前文所述，海面監視指揮信息系統功能包括目標監視、網絡通信、信息處理、綜合態勢生成、輔助決策和指揮控制，作戰活動包括監視、分析、計劃、行動和總結。根據系統功能對各類作戰活動的支持關系，系統的SV-5a模型可通過表3進行描述。

圖6 系統功能描述SV-4Fig.6 System function description SV-4 viewpoint

表3 作戰活動到系統功能追蹤矩陣SV-5aTable 3 Operational activity to system function tracking matrix SV-5a viewpoint

*注：●表示該列對應的功能支撐了該行對應的作戰活動。

4 結束語

本文采用DoDAF體系結構框架，從AV，OV和SV等3個視圖出發，構建了AV-1,OV-1,OV-5a,OV-5b,SV-4和SV-5a等6個模型，對海面監視指揮信息系統的頂層體系結構進行了設計，得到了標準化、規范化、可擴展的理論模型，為系統的具體技術設計與開發、系統性能綜合評價與分析奠定了理論基礎，有利于實現系統的可集成、互操作和高效費比，同時對其他復雜信息系統頂層設計具有重要的借鑒作用。