基于DoDAF的低慢小目標防御系統體系結構設計

王飛 邱旭陽 張曉雪

摘? 要：針對當前低慢小目標防御系統缺乏頂層設計規(guī)劃的問題，基于美國國防部體系結構框架（Department of Defense Architecture Framework， DoDAF），構建了低慢小目標防御系統體系結構框架。在分析低慢小目標防御系統體系結構的核心要素的基礎上，重點研究了作戰(zhàn)視圖和系統視圖的設計過程，并對低慢小目標防御系統體系結構框架中關鍵視圖產品進行了設計。該設計成果可為低慢小目標防御系統的研制和集成應用提供指導。

關鍵詞：低慢小目標防御系統;體系結構框架;多視圖;作戰(zhàn)活動

中圖分類號：TP18;TP212 ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）19-0092-05

Architecture Design of Low-altitude， Slow-speed， Small Target Defense System Based on DoDAF

WANG Fei1， QIU Xuyang1， ZHANG Xiaoxue2

（1.Beijing Mechanical Equipment Research Institute， Beijing? 100854， China; 2.School of Information System Engineering， National University of Defense Technology， Changsha? 410073， China）

Abstract： Aiming at problem that there is a lack of top-level design planning in the current low-altitude， slow-speed， small （LSS） target defense system， based on U.S. Department of Defense Architecture Framework （DoDAF）， this paper builds the LSS target defense system architecture framework. On the basis of analyzing the core elements of LSS target defense system architecture， the design process of operational view and system view is focused on and the key view products in the LSS target defense system architecture framework are designed. The design results can provide guidance for the development and integrated application of LSS target defense system.

Keywords： LSS target defense system; architecture framework; multi-view; operational activity

0? 引? 言

低慢小目標防御系統是針對當前城市環(huán)境重要區(qū)域“低慢小”目標，提出的一套集多種探測與攔截手段為一體的綜合防控系統。隨著低空空域管制的逐步開放和“低慢小”無人機技術的飛速發(fā)展，“低慢小”無人機違規(guī)飛行可對重大活動造成干擾、竊取秘密、甚至用于恐怖襲擊，嚴重影響到國家安全和國民經濟的正常發(fā)展。為應對城市復雜環(huán)境下的重大活動，需要發(fā)展包括預警探測、偵察監(jiān)視、指揮控制、攔截打擊為一體的低慢小防控系統。

1? 低慢小目標防御系統體系架構框架

框架是描述事物的規(guī)范。體系架構框架是對體系結構描述內容和描述形式的規(guī)范。在民用領域，Zachman最早提出了信息系統體系結構的框架，國際開放組織（The Open Group）提出了適用于企業(yè)的架構框架TOGAF，美國國防部先后提出的DoDAF1.0、DoDAF2.0[1，2]，英國、挪威、北約等國家和組織也提出了適合自己使用信息系統的體系結構框架[3，4]。這些國家和組織的體系結構都是針對特定領域信息系統設計而建立的[5，6]。對于低慢小目標防御系統，其核心的內容是作戰(zhàn)流程、系統組成、技術發(fā)展等方面，基于這一方面的需求，我們可以采用基于DoDAF1.0框架的三視圖架構，將低慢小目標防御體系系統從全視圖、作戰(zhàn)視圖、系統視圖、技術視圖方四個面進行描述，建立相應的體系結構框架和框架產品，產品概要如表1所示。

2? 低慢小目標防御系統體系結構核心要素關系分析

不同的低慢小目標防御體系結構要素在體系結構中起著不同的作用，其中，起著關鍵作用的要素稱為低慢小目標防御體系結構核心要素，核心要素、任務、作戰(zhàn)流程、作戰(zhàn)活動、信息、組織、角色、系統功能、系統、技術等，它們之間的關系如圖1所示。

3? 低慢小目標防御體系結構作戰(zhàn)視圖設計

低慢小目標防御體系結構作戰(zhàn)視圖描述了作戰(zhàn)行動或業(yè)務活動參與者的關系和信息需求，包括高級作戰(zhàn)概念圖（OV-1）、指揮關系圖（OV-4）、作戰(zhàn)活動分解樹（OV-5a）、作戰(zhàn)活動模型（OV-5b）、作戰(zhàn)節(jié)點連接關系模型（OV-2）、作戰(zhàn)規(guī)則描述（OV-4）、作戰(zhàn)信息交換關系模型（OV-3）、作戰(zhàn)規(guī)則模型（OV-6a）、作戰(zhàn)狀態(tài)轉換模型（OV-6b）、邏輯數據模型（OV-7）共10類模型。

3.1? 低慢小目標防御體系結構作戰(zhàn)視圖開發(fā)步驟分析

低慢小目標防御體系結構作戰(zhàn)視圖產品的開發(fā)順序如圖2所示。

具體為：

第一步：分析低慢小目標防御系統的基本使命、任務，以及完成任務的關鍵過程。以此為基礎，建立作戰(zhàn)構想，形成高級作戰(zhàn)概念圖（OV-1）。

第二步：根據OV-1，確定指揮組織單元及結構關系，建立指揮體系描述主要組織單元的內部職能構成，建立組織關系圖（OV-4）;對低慢小目標防御系統使命進行分解，梳理明確達成使命需要完成的作戰(zhàn)任務，并將任務分解到合適的力度，形成作戰(zhàn)活動分解樹（OV-5a）。

第三步：在作戰(zhàn)活動分解樹（OV-5a）基礎上，開展作戰(zhàn)活動分析，分析作戰(zhàn)活動之間的執(zhí)行順序、同步、分支、選擇等關系，建立作戰(zhàn)活動模型（OV-5b）。

圖2? 作戰(zhàn)視圖開發(fā)步驟

第四步：將作戰(zhàn)活動分配到組織機構和作戰(zhàn)單元，建立作戰(zhàn)節(jié)點。根據作戰(zhàn)節(jié)點完成的作戰(zhàn)活動，分析目標體系結構各個節(jié)點的信息交換需求，明確開展作戰(zhàn)活動時所需傳遞、處理信息的類型和要求，形成作戰(zhàn)節(jié)點連接圖（OV-2）。

第五步：對作戰(zhàn)節(jié)點間需求線上的信息交換進行細化完善，補充信息元素、傳輸特征、安保特征等內容，形成作戰(zhàn)信息交換關系（OV-3）。

第六步：在完成作戰(zhàn)節(jié)點連接圖（OV-2）和作戰(zhàn)信息交換關系（OV-3）完成后，設計作戰(zhàn)規(guī)則描述（OV-6a）、作戰(zhàn)狀態(tài)轉移描述（OV-6b）和作戰(zhàn)事件跟蹤描述（OV-6c）。

第七步：對作戰(zhàn)信息交換關系產品（OV-3）中的信息，設計相關屬性并建立起它們之間的關系，形成邏輯數據模型（OV-7）。

3.2? 高級概念圖（OV-1）

OV-1的具體描述為：指控中心所負責整個低慢小目標防控過程的指揮控制。指控中心指揮雷達偵察單元、光電偵察單元在搜索和巡邏過程中發(fā)現低慢小目標后，向指控中心報告。指控中心進行信息融合、判斷決策后，制定各攔截單元的攔截方案，指揮無人機升空，指揮網彈攔截單元、激光攔截單元、無線電攔截單元、無人機攔截單元對低慢小目標實施攔截。同時，雷達偵察單元、光電偵察單元收集目標態(tài)勢信息，實時地向指揮中心匯報。并且，雷達偵察單元、光電偵察單元將偵察的信息傳遞給網彈攔截單元、激光攔截單元、無線電攔截單元、無人機攔截單元，以引導其瞄準低慢小目標，對其實施攔截防御。

3.3? 作戰(zhàn)活動分解樹（OV-5a）和作戰(zhàn)活動模型（OV-5b）

低慢小目標防御系統作戰(zhàn)活動分解樹（OV-5a）描述了低慢小目標防御系統作戰(zhàn)活動分解關系。作戰(zhàn)活動在作戰(zhàn)活動樹中被唯一定義，被其他作戰(zhàn)視圖產品引用。低慢小目標防御系統作戰(zhàn)任務可以分解為偵察監(jiān)視、信息綜合處理、指揮控制、攔截打擊和機動部署。各個作戰(zhàn)活動可以進一步分解，如偵察監(jiān)視可分解為光電偵察、雷達偵察活動，光電偵察活動可以進一步分解為全景探測、光電跟蹤和目標信息上報子活動等。在每個作戰(zhàn)活動的具體描述中，對作戰(zhàn)活動的指標進行了相關描述，表示作戰(zhàn)活動對低慢小目標防御需求的支持情況。如偵察監(jiān)視作戰(zhàn)活動的指標包括察距離，偵察開始時間，發(fā)現目標時間，目標位置等。

低慢小目標防御系統作戰(zhàn)活動模型（OV-5b）描述了作戰(zhàn)活動之間的信息輸入和輸出關系。作戰(zhàn)活動模型不僅可以定義體系結構完成的作戰(zhàn)活動，而且可以為作戰(zhàn)規(guī)則描述（OV-6a）、作戰(zhàn)狀態(tài)轉換圖（OV-6b）和作戰(zhàn)事件跟蹤圖（OV-6c）的設計奠定基礎。采用IDEF0語言描述低慢小目標防御系統作戰(zhàn)活動模型。作戰(zhàn)活動模型采用層層分解的方式進行描述，下一層的作戰(zhàn)活動模型支持上一層的活動完成。偵察監(jiān)視活動向信息綜合處理活動傳遞偵察信息，向攔截打擊傳遞低慢小目標位置信息，信息綜合處理向指揮控制活動傳遞融合信息，指揮控制活動傳遞機動部署命令給機動部署活動，傳遞指控命令給攔截打擊活動，攔截打擊活動上報攔截打擊效果至指揮控制活動。

3.4? 作戰(zhàn)節(jié)點連接關系圖（OV-2）

作戰(zhàn)節(jié)點連接關系圖（OV-2）說明了低慢小目標防御系統作戰(zhàn)節(jié)點以及他們之間交換的信息交換需求。該模型在作戰(zhàn)概念圖（OV-1）的基礎上，進一步細化重要的作戰(zhàn)節(jié)點以及他們之間的信息交換需求。作戰(zhàn)節(jié)點是在作戰(zhàn)視圖中產生、使用、處理信息的單元，作戰(zhàn)節(jié)點不完全是實際物理設施，可根據作戰(zhàn)任務或使命建立虛擬的或邏輯節(jié)點。需求線描述節(jié)點間進行的信息交換需求，用箭頭表示信息流的方向，并用標識和文本注釋交換的主要信息類型。作戰(zhàn)節(jié)點連接關系圖中作戰(zhàn)節(jié)點完成的作戰(zhàn)活動來自作戰(zhàn)活動分解樹中的作戰(zhàn)活動（OV-5a）。防御指控中心向探測設備下達探測命令，向各攔截節(jié)點下達攔截命令，各探測節(jié)點向指控中心上報探測信息，各攔截節(jié)點向指控中心上報實施態(tài)勢。各探測節(jié)點向攔截節(jié)點傳遞目標信息，以達到即探測、即攔截的防御總體目標。

3.5? 作戰(zhàn)規(guī)則模型（OV-6a）

低慢小目標防御作戰(zhàn)規(guī)則模型（OV-6a）的產品設計分為探測階段和指揮攔截階段。探測階段，低慢小防御指控中心接受上級安保任務之后，下達各探測裝備和攔截裝備的部署計劃和命令，各探測裝備開始進行目標偵察和探測。在指揮攔截階段，防御指控中心接收到探測單元的探測信息后，制定攔截部署方案，下達攔截命令到各攔截單元。各攔截單元結合探測單元的位置信息，對低慢小目標進行實時攔截。

4? 低慢小目標防御體系結構系統視圖設計

系統視圖從系統各組成要素及其關系的角度，描述低慢小目標防御系統組成、連接關系、通信關系等。包括8個產品。具體包括：系統組成描述（SV-1a）、系統連接關系圖（SV-1b）、系統通信連接描述（SV-2）、系統關聯關系（SV-3）、系統功能描述（SV-4）、系統功能與作戰(zhàn)活動對應關系（SV-5a）、系統數據交換關系（SV-6）、系統性能參數描述（SV-7）。本部分介紹具體開發(fā)順序和典型系統視圖產品設計（包括SV-4、SV-1a、SV-1b）。

4.1? 低慢小目標防御體系結構系統視圖開發(fā)步驟分析

低慢小目標防御體系結構系統視圖產品的設計建議按照圖4所示順序進行。其具體步驟為：

第一步：分為兩類情況：

第一類情況是在進行新研低慢小目標防御系統的體系結構設計時，根據OV-5描述的作戰(zhàn)活動及其相互關系和需求分析結果，確定完成活動所需要的系統功能，明確系統功能與作戰(zhàn)活動間的對應關系，在此基礎上設計SV-5a。基于SV-5a明確的系統功能及其相互關系，設計SV-4。

第二類情況是在升級或改造現有低慢小目標防御系統時，首先對現有系統功能進行分析，形成初步的SV-4，將已有系統功能映射到它們所支持的作戰(zhàn)活動上，對沒有完全支持或未支持的作戰(zhàn)活動補充系統功能，完善SV-4，在此基礎上，建立完整的系統功能與作戰(zhàn)活動映射關系，形成SV-5a。

第二步：在得到SV-4之后，根據作戰(zhàn)節(jié)點連接圖（OV-2）確定的作戰(zhàn)節(jié)點組成結構，逐級分配SV-4確定的系統功能，明確系統組成及其組合關系，設計系統組成描述（SV-1a）。在此基礎上，根據SV-1b中各系統組成元素實現的系統功能，定義系統組成元素之間的接口關系，設計系統連接關系圖（SV-1b）。

第三步：SV-1b完成后，設計系統數據交換關系（SV-6）、系統關聯關系（SV-3）、系統通信連接描述（SV-2）和系統性能參數描述（SV-7）。根據OV-3明確的信息交換關系和SV-1b確定的系統結構，分析系統運行中各類數據自動交換的情況，設計SV-6。根據SV-1b中定義的系統接口關系，具體描述各類系統接口的特征，設計SV-3;確定系統接口的通信實現方式，設計SV-2。根據SV-4確定的系統功能，分析SV-1b定義的系統組成元素應達到的性能指標，設計SV-7。根據SV-2對通信系統以及相關軟硬件的性能要求，修改完善SV-7。

4.2? 系統功能描述（SV-4）

系統功能描述定義系統功能、系統功能間的結構關系。系統功能描述的設計要確保所描述系統功能的完整性，同時也要確保系統功能分解到合適的粒度。系統功能是作戰(zhàn)活動對系統要求的具體實現。根據作戰(zhàn)活動模型的設計結果和系統設計需求，可將低慢小目標防御系統功能分為目標探測功能、信息綜合處理功能、指揮決策功能、攔截指揮與控制能力、后勤保障能力。各個能力可以繼續(xù)分解。

4.3? 系統組成描述（SV-1a）

根據系統功能描述的結果，可以設計低慢小目標防御系統組成。低慢小目標防御系統由網彈攔截系統、激光攔截系統、無線電攔截系統、低慢小目標防御指控系統和探測系統組成，其中，網彈攔截系統分為網彈指控系統、網彈發(fā)射控制系統;探測系統由雷達探測系統、光電探測系統，雷達探測系統由雷達探測指控系統和探測信息處理系統組成，光電探測系統由光電探測指控系統和光電探測信息處理系統組成。具體的系統組成數據設計示意如表2所示。其中，性能指標要求對應了作戰(zhàn)活動模型中的作戰(zhàn)活動指標，反映了對系統總體設計需求的滿足程度。

在設計完系統功能描述、系統組成描述后，可以設計其他低慢小目標防御體系結構系統視圖產品，如系統連接關系圖（SV-1b）、系統通信連接描述（SV-2）、系統關聯關系（SV-3）、系統功能描述（SV-4）、系統功能與作戰(zhàn)活動對應關系（SV-5a）、系統數據交換關系（SV-6）、系統性能參數描述（SV-7）產品。

5? 結? 論

本文針對低慢小目標防御系統設計中缺乏統一規(guī)范的問題，研究了低慢小目標防御系統的體系結構框架，該框架基于DoDAF，由全視圖、作戰(zhàn)視圖、系統視圖、技術視圖組成。結合低慢小目標防御系統體系結構核心要素分析，本文提出了低慢小目標防御系統的作戰(zhàn)視圖設計過程和系統視圖設計過程，并設計了作戰(zhàn)視圖和系統視圖中的幾類關鍵視圖產品，包括高級概念圖（OV-1）、作戰(zhàn)活動分解樹（OV-5a）、作戰(zhàn)活動模型（OV-5b）、作戰(zhàn)節(jié)點連接關系圖（OV-2）、作戰(zhàn)規(guī)則模型（OV-6a）、系統功能描述（SV-4）、系統組成描述（SV-1a）。通過對低慢小目標防御系統體系結構的規(guī)范化設計，可為低慢小目標防御系統研制和集成應用提供指導和技術支持。下一步研究將關注于低慢小目標防御系統體系結構設計產品的評估與優(yōu)化等方面。

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作者簡介：王飛（1984—），男，漢族，山東壽光人，高工，博士研究生，主要研究方向：“低慢小”目標防控。