基于DoDAF 的兩棲編隊指揮信息系統體系結構設計*

劉曉東，丁 軍，吳 奎，陳福良

（1.江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222061；2.解放軍63983 部隊，江蘇 無錫 214035）

0 引言

兩棲作戰是海軍陸戰隊最主要的使命任務，它是兩棲作戰編隊采用多種方式，開展由陸向海的裝載行動和由海向陸的突擊上陸行動，旨在向兩棲作戰目標區域投送或撤離作戰力量，以達成預定作戰目的的軍事行動［1-2］。在兩棲登陸部隊“由陸向海、由海向陸”的作戰進程中，兩棲編隊發揮了重要的紐帶作用，兩棲編隊指揮信息系統亦起到承上啟下的功用，兩棲編隊指揮信息系統是編隊指揮所組織登陸部隊、水面艦艇部隊、航空兵部隊和潛艇部隊等實施兩棲登陸作戰的指揮系統［3］。系統的設計應按兩棲編隊遂行登陸登島作戰的要求進行設計，將兩棲編隊指揮信息系統及其所屬的各戰術群的指揮控制系統銜接、融合，形成以“通信網系為基礎，能夠互聯、互通和互操作”，具備作戰任務規劃、作戰保障（情報保障、通信保障）、指揮控制、火力打擊、后勤和裝備保障等能力的作戰指揮系統［4］。

經過十幾年的發展，美國國防部體系結構框架（DoDAF）已日趨成熟，是設計或開發體系結構的指南［5］，2010 年美國國防部公布的DoDAF2.02 代表了目前體系結構研究的最新成果［6］。

美國國防部體系結構框架DoDAF2.0，作為美軍軍事電子信息系統的體系架構設計的方法論，統一系結構描述方法，實現了真正支持網絡化作戰能力開發。DoDAF2.0 體系結構框架也成為武備體系架構開發的綱領性規范，在國防部所屬機構中強制推行并執行，抵制風險以保證系統的互操作性。自21 世紀初，受美軍DoDAF2.0 體系結構框架影響，英國國防部、北約軍事聯盟緊跟當前國際前沿，為了在多邊聯合軍事演習中保持和美國軍事信息系統的互聯、互通和互操作能力，都參照美軍開展了體系結構的專項研究，并取得了一些研究成果。英國國防部于2005 年公布了MODAF 體系結構框架，其最新版本為MODAF v1.2；北約于2006 年公布了NAF 體系結構框架，其最新版本為NAF v3.0［7］。

以兩棲編隊遂行登陸登島作戰為例，結合美軍體系結構框架DoDAF2.0，開展兩棲編隊指揮信息系統體系結構頂層設計，可視化兩棲編隊作戰指揮體系運行機制［8］，清晰地表現靜態模型下的動態機制，為后續系統具體的實現方案和詳細設計奠定基礎，為優化系統頂層設計和武器裝備研發提供理論支持。

1 體系結構設計思想及流程

應用需求論證及體系架構設計支撐平臺軟件TD-CAP，開展兩棲編隊指揮信息系統體系結構設計，一是基于模型的系統工程（msBE）方法論思想，自頂向下逐步細化設計整個系統；二是通過工具保障系統體系結構設計的完備性，迭代解決各部分之間的兼容性；三是與模型驗證相結合，驗證系統設計的可行性。遵循“需求驅動、體系主導、模型支撐、驗證迭代”和“作戰- 能力- 系統”的原則，從兩棲編隊作戰需求出發，分別從作戰視角、能力視角、系統視角，開展兩棲編隊指揮信息系統體系結構模型設計，其詳細開發步驟如下所述。

1.1 作戰視角模型開發流程

1）確定高級作戰概念圖，即OV-1。OV-1 用圖形或文字的方式描述兩棲編隊作戰使命、作戰構想和各種作戰要素的地理分布和設備連接能力等。

2）確定兩棲編隊作戰活動、作戰過程、編隊所屬作戰節點及編隊組織指揮關系，即確定作戰活動分解模型（OV-5a）、作戰活動模型（OV-5b）、組織關系模型（OV-4）。其中，OV-5a 描述了兩棲編隊主要作戰活動的層次關系；OV-5b 詳細描述了分解后的兩棲編隊作戰子活動相互間的輸入和輸出關系；OV-4 描述了兩棲編隊的各級組織機構、組織類型、隸屬關系以及指揮層次。

3）確定作戰事件跟蹤模型，即OV-6c。OV-6c的設計內容是兩棲編隊在特定的作戰場景中，對整個作戰過程按照作戰節點和作戰活動進行分解，以時間順序來描述各作戰節點間的動態交互關系和行為邏輯，如：編隊指揮控制、編隊協同探測、編隊協同交戰控制等流程。

4）確定作戰節點間的信息交換和流向關系，即作戰節點連接模型（OV-2）和作戰節點信息交換矩陣（OV-3）。其中，OV-2 和OV-3 分別以圖形化的方式和以矩陣的方式，描述作戰節點間的信息映射關系以及信息參數、屬性等，重點反映了作戰體系結構的指揮控制流和信息流。

1.2 能力視角模型開發流程

1）構建作戰能力與作戰活動的映射矩陣，即CV-6。CV-6 描述了兩棲編隊指揮信息系統所需能力與這些能力支持作戰活動的映射。

2）進行作戰能力分類，即構建兩棲編隊能力需求分類視圖（CV-2），主要依據CV-6 分析出的能力，構建能力分類模型CV-2。

1.3 系統視角模型開發流程

1）構建系統功能描述模型，即SV-4，根據兩棲編隊作戰需求和能力需求對兩棲編隊指揮信息系統功能進行分類、梳理。

2）構建系統功能對作戰活動的映射矩陣SV-5a和系統設備對作戰活動的映射矩陣SV-5b。

3）以兩棲編隊作戰流程和系統設備組成為基礎，對兩棲編隊指揮信息系統的組成、接口進行描述，構建系統接口描述視圖SV-1。

2 作戰視角設計

2.1 高級作戰概念圖

高級作戰概念圖（OV-1）主要對兩棲編隊承擔的作戰任務和作戰構想進行描述，確定兩棲作戰場景概要、作戰使命、參與者、作戰過程、作戰要素（兵力要素和裝備要素）和地理范圍等，給出重要作戰節點，便于兩棲編隊高級決策者之間進行交流，如圖1 所示。

圖1 兩棲編隊高級作戰概念圖

2.2 作戰活動分解模型

作戰任務是構建作戰體系的依據，同樣也決定了作戰體系的構成和運行。根據兩棲編隊作戰任務場景，對抽象的、宏觀的作戰任務逐級分解形成不同層次的任務，依據分解的作戰任務，分析支持該作戰任務的作戰活動集合。按照兩棲作戰進程將兩棲編隊作戰活動劃分為：組織準備、集結裝載、海上航渡、突擊上陸、擴大和鞏固登陸場5 個一級作戰活動和17 個二級作戰活動，具體兩棲編隊作戰活動分解模型如圖2 所示。

2.3 作戰活動模型

根據兩棲編隊遂行聯合登陸作戰、保交護航等任務過程，其作戰活動可分解為組織準備、集結裝載、海上航渡、突擊上陸、擴大和鞏固登陸場，文中主要以突擊上陸作戰活動模型為例展開設計。突擊上陸過程中涉及的活動有海上編隊指揮所下達突擊上陸命令、指揮突擊登陸、指揮火力支援、指揮直前掃雷、指揮換乘編波、戰勤保障等，其突擊上陸作戰活動模型如下頁圖3 所示。

2.4 指揮關系模型

圖2 兩棲編隊作戰活動分解模型

指揮關系模型（OV-4）以圖示化描述兩棲編隊中各平臺、節點以及和外部平臺間的指揮結構和組織關系，以兩棲編隊參與登陸作戰為例，作戰場景中的主要組織角色有：上級指揮機構、海上編隊指揮機構、友鄰兵力指揮機構、地方（駐外）機構、登陸輸送群指揮機構、登陸部隊指揮機構、獵掃雷群指揮機構、警戒掩護群指揮機構、支援保障群指揮機構，其組織關系如圖4 所示。

2.5 作戰事件跟蹤描述模型

作戰事件跟蹤描述模型（OV-6c），是對作戰流程、作戰節點間相互關系、邏輯行為、時序關系等的進一步詳細描述，提供兩棲編隊指揮信息系統在特定作戰場景下參與各作戰節點間信息交換時序檢查和沖突檢查，有助于定義各作戰節點間的接口關系。按照作戰需求，海上編隊指揮所通常設置情報保障部位、作戰籌劃部位和指揮控制部位，其中情報保障部位主要為海上編隊作戰任務規劃和兵力行動控制提供情報態勢支持，作戰籌劃部位主要是作戰方案/計劃制定、推演評估等，指揮控制部位主要對編隊所屬兵力/要素進行指揮和監控作戰進程。以編隊指揮所內部的指揮控制活動作戰事件跟蹤描述為例子開展模型設計，如圖5 所示。

圖3 突擊上陸作戰活動模型

圖4 兩棲編隊組織關系模型

圖5 指揮控制事件跟蹤描述模型

2.6 作戰節點連接模型

作戰節點連接模型（OV-2）以圖形的方式清晰地描述了各個作戰節點、作戰節點間關系的模型，表述了各個作戰節點到其他作戰節點之間的信息交互關系、信息交換內容等。以兩棲編隊遂行聯合登陸作戰為例，作戰的節點主要包括：海上編隊指揮所、登陸輸送群指揮所等，其信息交換內容包括指揮控制指令、情報態勢等，如圖6 所示。

圖6 作戰節點連接模型

兩棲編隊指揮信息系統信息交互矩陣（OV-3）主要以矩陣形式對OV-2 進行描述，用于檢驗兩棲作戰活動、參與作戰節點、角色和信息交換需求這4個作戰體系結構基本數據元素間關系的合理性，是對OV-2 進一步的補充表述，因此，文中簡化OV-3模型設計。

3 能力視角設計

3.1 作戰能力對作戰活動的映射矩陣

作戰能力對作戰活動的映射矩陣（CV-6）描述了兩棲編隊指揮信息系統對各作戰活動的支撐能力，圍繞作戰活動對系統能力的要求，構建作戰能力到作戰活動的映射關系模型，實現作戰活動到能力需求的轉換。作戰能力對兩棲編隊作戰活動的映射矩陣如表1 所示，表中“×”表示該單元對應的作戰活動與系統作戰能力相關聯。

表1 兩棲編隊作戰能力對作戰活動的映射矩陣

3.2 能力分類模型

根據兩棲作戰活動分析出兩棲編隊指揮信息系統能力需求主要有信息獲取能力、信息處理能力、作戰籌劃能力以及指揮控制能力等，其中能力分類模型（CV-2）描述了兩棲編隊指揮信息系統能力框架的層次關系及能力體系，CV-2 可對完成作戰活動所需能力進行規范，其能力分類模型如下頁圖7 所示。

4 系統視角設計

4.1 系統功能分解模型

系統功能分解模型（SV-4）用以描述系統功能及其功能之間的層次結構關系，從系統頂層分析兩棲編隊指揮信息系統的功能需求，為進一步明確系統的組成配置，以及系統間的相互關系等奠定基礎。其中，兩棲編隊指揮信息系統主要包含情報保障、信息傳輸、作戰籌劃和指揮控制4 項一級功能，16 項二級功能，其系統功能分解模型如圖8 所示。

4.2 作戰活動對系統功能追溯矩陣

作戰活動對系統功能追溯矩陣（SV-5a）主要描述了系統各項功能對作戰活動的支撐和映射情況，確定系統的功能分配及其與作戰活動之間的對應關系，即兩棲編隊作戰活動和對系統功能的需求關系。以兩棲編隊遂行登陸登島作戰需求為驅動，分析系統功能與作戰活動的關系，兩棲編隊作戰活動-系統功能追溯矩陣如下頁表2 所示。

圖7 能力分類模型

4.3 作戰活動與系統映射矩陣

兩棲編隊作戰活動與系統映射矩陣（SV-5b）主要描述了系統到作戰活動之間的映射關系，反映了兩棲編隊指揮信息系統對作戰能力的支持和實現情況，確定系統組成對作戰能力追溯關系，是兩棲編隊指揮信息系統功能實現的支撐。兩棲編隊遂行登陸登島作戰過程中需要警戒探測系統、水文氣象系統、武器系統、通信系統、所屬戰術群指控設備，以及模擬訓練設備等共同參與，其作戰活動與系統/設備映射矩陣如下頁表3 所示。

圖8 系統功能分解模型

表2 兩棲編隊作戰活動對系統功能追溯矩陣

表3 兩棲編隊作戰活動與系統映射矩陣

4.4 系統接口描述模型

系統接口描述模型（SV-1）主要是基于系統的邏輯組成，確定系統組成裝備要素及系統間的互聯互通關系（接口關系）。兩棲編隊指揮信息系統內外接口主要包括傳感器控制接口、武器系統控制接口、水文氣象及導航信息接口、情報處理/作戰指揮/本地監控等接口，各系統/設備之間的接口和信息交互關系如圖9 所示。

5 兩棲編隊指揮信息系統體系結構模型驗證

圖9 系統接口描述模型

模型驗證最主要目的是檢驗體系結構設計的正確性，驗證體系結構的行為、邏輯與系統用戶的期望是否一致，即系統功能/性能是否滿足用戶方需求，并及時規避風險、提高設計質量［9-10］。文中以OV-1 為驅動，OV-2 為核心，OV-5a/OV-5b 為作戰過程，開展兩棲編隊指揮信息系統體系結構設計，OV-6c 提供驗證機制。OV-6c 描述了兩棲編隊所屬作戰節點之間信息交換順序，其設計的合理性直接影響整個系統設計的質量。通過分析OV-6c，驗證所定義的信息交換能否支持兩棲編隊作戰使命的完成，根據目前定義的信息交換所建設的指揮信息系統能否滿足作戰應用需求。兩棲編隊指揮信息系統是受事件驅動的，具備并發、同步和分布的特點，Petri網在描述和分析離散事件動態系統方面的優勢，在指揮信息系統建模及分析中應用廣泛?；赑etri網的方法，應用Visual object Net++ 工具對兩棲編隊指揮信息系統的OV-6c 模型進行邏輯、時序等進行驗證，其可執行模型如圖10 所示。

圖10 作戰事件跟蹤模型驗證

經過多次模型仿真驗證、修改設計、再驗證過程，最終結果表明：兩棲編隊指揮信息系統邏輯結構正確，作戰流程、信息交互及系統功能與設計預期一致，符合兩棲編隊指揮信息系統設計需求。

6 結論

兩棲編隊指揮信息系統組成復雜，研制周期長成本高，在系統研制之前開展體系結構頂層設計并對其進行驗證，可全面、系統謀劃兩棲編隊指揮信息系統的研制、集成和發展，形成滾動發展、持續提升的良好局面，為兩棲作戰裝備體系建設提供支持。本文在深入研究DoDAF2.0 的基礎上，給出了具體的兩棲編隊指揮信息系統體系結構設計步驟，結合兩棲編隊遂行登陸登島作戰的具體作戰場景，從作戰應用、能力、系統3 個不同視角設計體系頂層架構，并詳細描述了體系結構模型設計過程。最后基于Petri網理論，應用Visual object Net++ 對建立的體系結構模型進行驗證。經過多次模型驗證、修改設計、再驗證過程，最終結果表明，通過該方法建立的體系結構模型符合系統需求及設計要求，其研究結果可為兩棲編隊指揮信息系統的建設提供參考。當然該設計僅是目前論證階段的初步成果，待下一步系統進入工程研制或者未來部隊使用過程中，可能還會有新的認識、新的見解，同時也會投入更多的精力到體系結構設計模型的驗證中。