基于DoDAF的海洋無人信息平臺體系結構設計*

張 一

(成都天奧信息科技有限公司，成都 611731)

0 引 言

在海洋強國戰略指引下，近年來我國先后開展了“智慧海洋”“全球海洋立體觀測網”等重大項目實施，我國海洋信息化基礎設施初具規模，但與世界海洋強國相比還存在明顯差距[1]，缺乏完善的網絡信息體系，在中遠海區缺少常駐平臺，無法進行全天時、全天候、全海域的實時信息覆蓋[2]。

海洋信息網絡是我國近年來海洋強國戰略下重要的科研示范項目，旨在面向全時域態勢感知、全海域網絡覆蓋、全方位信息服務、全業務綜合應用、全體系安全管控等海洋信息化需求，構建“天空岸海潛”立體綜合性信息網絡[3]。海洋信息網絡涉及的海洋信息獲取、傳輸、處理和融合，在海洋科學研究、環境調查、資源開發、權益維護與安全防衛中意義重大，不僅是信息科學研究的熱點方向，也因為海洋環境的復雜特性，一直是工程化的難點和挑戰[4]。

海洋無人信息平臺作為建設海洋信息網絡的重要節點，是集多維態勢感知、綜合信息服務于一體的全天候無人值守系統，定位為海洋信息網絡的關鍵創新裝備[5]。海洋無人信息平臺需要具有良好的海況適應性，采用自供電維持，可通過機動部署、無人值守和遠程操作，根據任務策略執行目標感知、環境監測、數據處理、通信傳送和信息服務等多種任務。

面臨著海洋信息技術與海洋復雜環境的緊密聯系，以及海洋無人工程的挑戰，海洋無人信息平臺的任務能力、架構體制、綜合成本、可持續發展等頂層設計尤其重要，傳統的系統集成方法往往缺乏全局性的綜合分析和設計，不能滿足創新研制需求。

為厘清任務使命與系統設計之間的映射關系，強化系統設計對系統實現的約束，本文提出了基于美國國防部體系結構框架(Department of Defense Architecture Framework，DoDAF)標準2.0版，應用先進實用、統一框架的體系結構設計方法，確保系統設計的完整性和一致性，不僅易于實現系統間的綜合集成，也利于可持續迭代發展，進而提高復雜系統的設計質量。

1 體系結構設計思路與流程

1.1 設計思路

作為設計、開發、集成和描述復雜系統體系結構的規范性指南，DoDAF已從最初的C4ISR(Command,Control,Communication,Computer,Intelligence,Surveillance and Reconnaissance)體系框架V1.0逐漸發展為最新的DoDAF V2.02版，其體系結構開發理念從“以產品為中心”轉型為“以數據為中心”，強調以體系結構數據支撐分析與決策，是一套先進的系統設計方法論，對于裝備自頂向下的設計過程和全壽命周期改進都具有重要借鑒意義[6]。

從系統研制的短期目標來看，采用基于視圖的DoDAF模型來研究和設計海洋無人信息平臺體系結構，通過任務活動牽引、能力需求分析，明確任務規則、狀態轉換、系統層級，形成直觀的可視化模型，對加深海洋信息網絡新型節點裝備概念認知、約束設計邊界、固化系統狀態，以“需求創新”牽引“設計創新”完成示范測試階段的使命任務具有重要指導作用。

從系列化裝備的長期目標來看，平臺體系結構設計需要面向海洋信息網絡長期建設，采用可持續演進的彈性架構，應具備產業前瞻性和技術先進性。根據DoDAF設計理念，以不同視角描述模型、映射關聯矩陣進行分析，形成不同階段的總體設計方案，并且通過迭代融合、持續優化，不斷完善演進。

1.2 設計流程及成果

本文涉及的海洋無人信息平臺體系結構設計分為6個步驟(stage)，覆蓋全景視角(All View,AV)、任務視角(Operational View,OV)和系統視角(System View,SV)，共完成9個模型設計。設計流程及建模成果示意圖見圖1。

圖1 設計流程及建模成果示意圖

Stage 1：構建AV-1，描述體系結構設計的背景、范圍、目的、環境、限制條件等綜述和概要信息等。

Stage 2：構建OV-1，構建高級任務概念模型；構建OV-2，描述資源需求。

Stage 3：構建OV-4，描述體系組織關系和平臺運用模式。

Stage 4：構建OV-5b，闡述任務活動模型。

Stage 5：構建OV-6b，描述任務狀態轉換模型；構建OV-6b，給出任務事件跟蹤模型。

Stage 6：構建SV-1，確定系統接口；構建SV-4a，對系統功能進行定義、分解。

2 體系結構建模設計

2.1 全景視角建模設計

構建AV-1，介紹海洋無人信息平臺體系結構設計的背景意義，明確設計范圍，提出任務使命，描述工作環境、限制條件等綜述和概要信息等，如表1所示。

表1 體系概述及摘要信息AV-1

2.2 任務視角建模設計

2.2.1 頂層任務概念定義

構建OV-1，頂層任務概念模型示意圖見圖2。立足海洋無人信息平臺任務使命，主要通過瀕海及海上環境圖形、海上活動對象要素圖元、海洋網絡體系設施圖標、海洋信息交互關系等進行頂層任務可視化建模，輔以簡要文字說明，直觀定義海域監視預警、海域執法管控、海域信息服務、助航及遇險救助、信息共享服務等頂層任務概念場景[7]，并牽引下一層次各任務活動模型設計。

圖2 頂層任務概念模型 OV-1

2.2.2 資源需求分析

構建OV-2，描述任務資源需求，如圖3所示。根據頂層任務使命要求，分析海洋無人信息平臺在海上自主運行、能源自供應條件下，為實現多種使命任務，完成多維信息感知、信息傳送、信息服務應用、平臺管控等能力需求分析和資源配置。

圖3 任務資源流需求描述 OV-2

資源需求分析以功能和資源集群劃分，將平臺分為目標探測、電磁監測、海洋觀測、通信傳送、平臺管控及數據計算存儲等多個功能和資源集群，各功能集群根據OV-1需求進行組合式配置。數據計算存儲資源集作為平臺數據處理和服務核心，與各功能集交互業務數據和控制指令，完成多個功能集的數據匯聚和前端關聯計算等核心資源管理，需考慮主從熱備冗余措施[8]。

2.2.3 組織關系及運用模式

構建OV-4，如圖4所示。根據頂層任務使命和資源需求，分解并描述體系組織關系，明確海洋無人信息平臺運用模式。根據海洋活動對象信息需求、信息網絡節點部署條件、信息交互關系，以信息感知、通信傳送、數據支撐、業務應用、平臺管控等進行分層規劃。

圖4 組織關系及運用模式示意圖OV-4

平臺采用功能集成的聯合式結構，面向不同的外部用戶提供相應的信息服務。需要克服各類海洋數據的時空分布與分辨率一致的困難，考慮信息描述、信息存儲、信息更新、信息查詢、信息分發的一致性問題，通過采用數據統一標識、數據關聯機制、層次化數據訂閱等方式，對各種海洋活動對象提供信息應用服務。

2.2.4 任務活動模型

構建OV-5b，如圖5所示。完成海域監視預警、海域執法管控、海域信息服務、助航及遇險救助、信息共享服務等不同任務活動模型設計，不同的任務活動由相應的模型子圖進行描述。以海域監視預警任務活動為例，給出了體系結構內部各活動之間的輸入輸出流關系，以及體系結構外部的輸入和輸出流關系。在執行海域監視預警任務中，平臺以自主運行或接受遠程控制指令方式，對各類目標探測和監視手段進行了任務策略管理，采取多種主、被動手段對海面及低空各類合作目標和非合作目標進行協同探測和識別，形成時空統一的多維目標態勢，以實現對海域活動進行監視預警。

圖5 海域監視預警任務活動子模型OV-5b

通過整合各類目標探測和監視手段，實現對雷達、光電、船舶自動識別系統(Automatic Identification System，AIS) 、自動相關監視廣播(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B)等多源傳感信息的綜合接入和處理，對周邊區域海面及低空各類目標進行目標屬性判斷和航跡計算分析，通過目標特征和運動軌跡對目標趨勢進行判證，目標信號引導光電進行跟蹤和記錄取證，形成目標事件監視預警。多源多目標異構數據融合技術和空間坐標轉換將目標在探測空間域和時間域上匹配對準，形成時空統一的綜合目標態勢。

2.2.5 任務狀態轉換模型

構建OV-6b，如圖6所示。完成海洋無人信息平臺在海上自主任務狀態轉換模型設計。受限于AV-1中平臺無人值守、能源自供給、適應多種海況等限制條件，平臺執行任務時需通過海洋環境觀測系統、定位測向測姿系統、電站監測裝置，隨時掌握平臺能源供應能力和實時海況，依照預置的運行模式切換策略自動進行運行模式切換。

圖6 任務狀態轉換模型OV-6b

海洋無人信息平臺工作狀態包括常規下的任務模式和值班模式，以及降級下的休眠模式和保護模式。當平臺運行在值班模式時，根據遠程岸基指令切換至監視預警、執法管控、遇險救助等相應任務，任務結束后按預設策略返回值班模式。根據分布式電源、電網、負載和蓄電池的工作情況，自供給電站對最大功率跟蹤控制、蓄電池充放電控制和直流微網系統設置控制策略[9]，當平臺電站能源儲備下降至警戒線以下，平臺轉換至休眠模式，僅對必要的平臺管控系統、應急通信系統等提供能源，并盡可能延長系統在休眠模式下的持續工作時間，待能源供應和儲能恢復后被喚醒恢復至值班模式。當海況惡化超過平臺極限工作條件，即可切換為保護模式，閉鎖一切非必要活動機構和設施，保障平臺海上運行安全。

2.2.6 任務事件跟蹤模型

構建OV-6c，如圖7所示。描述體系中任務參與各節點的動態邏輯流程和順序，便于檢查任務節點間信息交換的時序。以海洋無人信息平臺不同的任務使命，輔以時序信息和信息交互關系，設計相應的任務事件跟蹤子模型，以支撐OV-5b具體事件的場景化描述。

圖7 任務事件跟蹤模型OV-6c

2.3 系統視角建模設計

2.3.1 系統接口模型

通過任務視角建模可知，平臺體系結構是以數據匯聚處理為核心，實現各功能系統之間，以及平臺與外部系統的業務數據和管控數據交互，以DoDAF指導思想，系統視角建模也應“以數據為中心”描述SV-1 系統接口模型，如圖8所示。

圖8 系統接口描述SV-1

平臺內部數據交互眾多，可歸納為實時傳輸、定時傳輸、命令傳輸三種方式。根據不同的傳輸帶寬、時延、可靠性需求，簡化各功能子系統內外部物理層接口類型，降低功能集與資源集之間的硬件耦合度。

2.3.2 系統功能定義及分解

構建SV-4a，如圖9所示。是對照OV-4組織關系及平臺運用模式，并結合SV-1系統接口模型，對系統功能進行定義，選擇適宜的顆粒度，對分系統功能進行逐級分解。形成一級功能7個，二級功能25個，部分二級功能下設三級功能。

圖9 系統功能分解描述SV-4a

3 平臺能力發展分析

從OV-1頂層任務看，海洋無人信息平臺擔負著多種不同復雜度的任務。實現綜合任務需求的復雜度，將直接影響系統頂層建模的顆粒度。

從OV-2體系結構資源需求看，整合不同規模的功能集群所需的計算存儲資源集群需要匹配適宜，綜合考慮算力存儲、軟件架構、接口資源、帶寬時延等問題，否則會出現資源集群能力冗余過剩或者可擴展性不足。

從OV-5b任務活動及OV-6b任務轉換方式、OV-6c事件處理流程看，功能分系統橫向之間存在眾多信息交互，且需要在平臺本地進行前端關聯計算。為降低大量原始數據回傳后端對通信傳送分系統的壓力并提升服務處理響應速度，平臺本地的數據匯聚預處理和邊緣計算非常必要。

從OV-4組織關系看，當前平臺采用總線化的聯合式架構有較好的靈活性，適宜采用定制設備和商用貨架產品，以適中的研制成本快速完成架構相對統一的原型系統研制和示范應用。

綜上，通過DoDAF體系結構建模可見，海洋無人信息平臺采用聯合式總線化體系結構，綜合當前示范系統能力需求、貨架產品技術成熟度和效費比是適宜的。但海上活動復雜，任務場景多樣，海上環境惡劣，海洋信息感知、處理、傳送等綜合性能和可靠性需要持續提高，而規模化、產業化的過程需要平臺建造綜合成本不斷降低。未來海洋無人信息平臺總體設計時要堅持以下原則：

一是充分把握能力需求。通過應用場景、需求分析來捕獲系統功能及性能需求，避免系統功能配置及系統指標要求的隨意化；堅持開放式架構、標準化模塊設計，保留足夠的升級改進和擴展能力。

二是加深關鍵技術理論研究和工程驗證。重點在海空天潛一體化廣域通信能力、超視距雷達/多光譜/SAR聯合目標探測能力、多平臺組網及信息融合能力等方向形成突破。

三是以先進技術實現聲、光、電、磁等探測通信平臺一體、水上水下多手段共平臺集成[2]，驅動海洋無人信息平臺體系結構演進，可采用如下措施：

(1)采用綜合化電子系統設計。實現功能集群之間橫向綜合，提升系統探測感知、通信傳送、信息處理能力的同時，盡可能降低設備成本及體積重量功耗。逐步發展綜合化體系結構，從各功能集的計算存儲控制的初級綜合化為起始，逐步向天線集成、綜合射頻方向發展，最后實現高度綜合化體系結構[10]。

(2)加強健康管理設計。根據系統海上多點部署無人值守、維護困難的特點，在系統故障監測、故障診斷、健康管理方面進行針對性設計，提高平臺海上生存能力和任務可用性。

(3)完善智能化管控設計。通過增加平臺管控傳感器、管控數據庫，確定平臺各系統管控等級，設置安全管控機制，使平臺海上自主管控具備分析、計算、判斷、決策的思維能力，并通過大數據積累具備機器學習和自適應能力，最終形成智能化管控能力[11]，為平臺大規模組網應用打下基礎。

4 結束語

體系結構設計是從概念研究到平臺研制過程中最重要的第一步。運用DoDAF體系結構建模方法，合理選取模型設計產品，可以將項目初始階段的設計目的、工作目標等概念要素，自頂向下細化為任務場景、資源配置和操作運用等能力要素，并完成系統視角的接口、功能等整體定義，最終有機地將任務需求、系統架構和技術體制三者緊密銜接起來。

基于DoDAF指導思想，本文從海洋無人信息平臺概念研究出發，最終完成了方案設計、試驗系統研制和示范測試，實現了需求創新和設計創新，收獲了眾多應用經驗，取得了數據匯聚處理、多天線電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)設計等一批具有探索意義的技術成果。本文對海洋無人信息平臺研制有重要的工程實踐指導作用，提出的平臺能力發展分析對海洋無人信息平臺架構融合和效能提升，以及支撐海洋信息網絡建設發展具有重要參考意義。