面向新質作戰裝備的試驗指揮控制體系結構開發

馬旭亮，馬宇峰，鄭 芳

（1.解放軍63672 部隊，西安 710613；2.國防科技大學信息通信學院，西安 710106；3.解放軍75841 部隊，長沙 410000）

0 引言

新質作戰力量武器裝備作為正在發展和探索中的新型作戰力量，技術復雜、研制周期長、涉及領域廣、作戰模式復雜，新質作戰力量武器裝備試驗具有前瞻性、先導性、探索性，試驗測試評估項目多，體系試驗規模大，接口關系復雜，現有指揮控制手段和保障條件已難以跟上新質作戰力量武器裝備發展和新質作戰力量武器裝備試驗需求［1-5］。特別是隨著新質作戰力量武器裝備信息化、體系化的發展趨勢，試驗對象由單個裝備向裝備體系轉變，試驗環境由簡單環境向實戰環境轉變，試驗手段由外場實裝試驗為主向內外結合、虛實融合轉變，現有新質作戰力量武器裝備試驗指揮控制系統主要面臨以下不足：

一是試驗體系化水平不高。新質武器根據不同配置，可實施前沿部署，或者從后方區域實施作戰行動，可能被賦予防御性或者進攻性任務。為作戰部隊根據不同任務目的提供更加廣泛的選擇方案，這就意味著在武器裝備試驗規劃階段、試驗實施階段需要遵循體系化的試驗方法，傳統試驗方法多針對單一裝備單一目標，體系化水平低。

二是試驗指揮控制效率低。傳統試驗物資、設備、人員分屬各個參試單位和部門，缺乏統一的指揮控制系統，試驗任務規劃困難、資源高度依靠不同單位間協調，程序復雜，時間周期長，試驗指揮部掣肘多，對試驗實施進展和態勢掌握不夠及時，依托統一試驗指揮控制系統，統一調度試驗場人員、設備、物資，不僅效率得到提升，還能夠及時掌握試驗態勢，對試驗風險分析研判和提前處置。

三是先進試驗技術應用不足。缺乏基于統一技術規范的集作戰試驗仿真、復雜環境仿真于一體的綜合建模仿真平臺，現有仿真平臺因缺乏統一規劃，技術標準各異，集成困難，對新質作戰力量武器裝備仿真試驗和試驗評估支持不足。

體系結構方法提供了一種多視角分析方法，可以對試驗指揮控制的各個組成部分及其相互關系進行綜合考慮，不僅降低系統設計復雜度，提升系統開發質量，而且可以架起不同部門人員之間溝通的橋梁，增強系統的互操作性，可以為解決上述問題提供有效的指導。

本文針對我軍新質作戰力量武器裝備試驗指揮控制系統發展的缺陷，旨在采用體系結構的方法進行處理，借鑒當前世界比較流行的軍事指揮控制系統體系結構框架DoDAF2.0［6］，分析該框架對試驗指揮控制系統的支撐，探索基于DoDAF2.0 的新制武器裝備試驗指揮控制系統框架，并對相關的體系結構描述模型進行挖掘，為基于體系結構的試驗指揮控制系統具體設計提供支撐。

1 研究背景

隨著武器裝備的不斷發展，美軍武器裝備試驗系統的發展歷程可分為3 個階段：獨立試驗階段，聯合試驗階段，以及當前的一體化試驗階段。

獨立試驗階段強調單個武器裝備的實驗與鑒定，關注于實驗流程的確定，缺點是靶場建設缺乏組織，系統性不強，建成的靶場專業相同、功能單一，造成重復建設、投資分散、資源浪費。

聯合試驗階段克服獨立試驗時期資源不能充分共享的弊端，開始對各試驗場設施進行整合，建立聯合試驗與評估機制。這一階段的特點是美軍開始從整體上指導、規范、整合裝備試驗場的建設，重視試驗場和試驗資源之間的聯合共享，達到重用的目的。

一體化試驗階段是確保試驗設施及仿真資源之間的互操作、可重用與可組合，盡量避免單一試驗和重復性試驗，以顯著減少試驗資源的使用，縮短研制時間，提高試驗效益和能力。在試驗環境上，美軍提出個體靶場向體系靶場轉型，突出聯合、互操作理念，強調聯合試驗和聯合訓練能力的提升，加快試驗靶場信息化改造和試驗能力建設。據此，2004 年11 月美國國防部發布了《聯合任務環境試驗路線圖》［7-8］，該路線圖明確要求“在戰場實驗室、研制試驗設施及部隊的作戰設備之間建立穩固的連接，形成LVC 聯合任務環境，在此環境中進行實驗、研制、試驗或訓練”。2005 年12 月美國國防部啟動了聯合使命環境試驗能力計劃［8］，該計劃旨在建立分布式網絡基礎結構，將分散的試驗設施設備、仿真資源和各方的試驗資源連接起來，為美軍開展體系試驗提供一種分布式的實時、虛擬、構造試驗的能力，最終支持武器裝備的體系化試驗。

我軍目前開展的武器裝備試驗大都按照武器裝備分類在不同試驗場或同一試驗場不同區域進行，由于試驗場條件有限，多為單一武器裝備的性能試驗，這在威脅環境、氣象環境、網絡環境、對抗環境等方面與實戰化要求差距明顯。同時，試驗的組織實施及資源利用仍依靠經驗人為協調，不利于試驗理論、試驗技術的改進和發展，也難以支持體系化試驗數據的保存、共享和開放研究。

2 基于DoDAF 2.0 的體系結構設計

2.1 數據要素確定

DoDAF 的數據元模型包含了體系結構設計相關的數據實體與關系。從武器裝備試驗指控系統的角度出發，建立符合本文研究內容的數據元模型，包含的數據要素以及之間的關系如下頁圖1 所示。該數據模型明確了與試驗指揮控制過程相關的各種實體類型，可進一步根據這些實體類型，從利益相關者的角度確定需要開發的體系結構模型，指導指揮控制系統的具體開發。

根據圖1，依次對核心要素進行解釋。其中，能力明確了聯合試驗指揮控制系統開發所需滿足的具體功能，效果是指對能力實現結果的描述，度量指標是對試驗指揮控制系統運行的結果進行度量，執行者是指試驗指揮控制系統中的不同角色，組織關系是指執行者之間的關聯關系，可包含指揮關系、依賴關系、協同關系等，活動是指完成能力的具體行為，活動關系指活動之間的關聯關系，可以包括分解關系、前后關系等，功能是指系統或者服務完成活動所體現的功能需求，功能關系是指功能之間的關聯關系，系統是指完成功能的系統模塊或者組件，服務是指完成功能的服務模塊，武器裝備指進行試驗的本體，如高功率微波武器、定向能武器等等，通信關系是指不同系統或者裝備之間的連接關系，資源是指系統或者服務產生或者被消耗的數據、信息、物資等內容。

圖1 數據元模型的確定

總之，對以上數據要素分析有助于明確試驗指揮控制系統的核心內容，進而為體系結構模型開發提供指導。根據上述確定的內容，接下來從能力視角、業務視角、系統視角確定相關的描述模型。其中模型的序號來自于DoDAF2.0 框架［6］。

2.2 能力模型

考慮新質作戰裝備試驗的應用場景，本文采用以下4 個與能力相關的模型。

1）能力構想（CV-1）。該模型是對武器裝備試驗指揮控制系統總體的期望，界定能力的戰略構想，用于確定能力需求、能力規劃、溝通能力開發的戰略期望，描述如何利用能力相關術語來陳述高層目標與戰略，闡述一體化聯合試驗的能力需求，一般采用文本描述方法。

2）能力依賴關系（CV-4）。該模型描述能力間的相互依賴性，定義多種能力的分組，主要可用于確定能力間的從屬關系、分組關系等。能力要素可以從能力構想中得到指導。可采用圖形或者映射矩陣形式描述。

3）能力與組織開發映射（CV-5）。該模型描述能力開發的機構，表達能力的部署以及相互之間的關系。根據DoDAF2.0，能力可部署到組織結構，能力要素來自于能力依賴關系，常采用映射矩陣或者表格描述。

4）能力與作戰活動的映射（CV-6）。該模型定義所需能力與作戰活動之間的關系，確保作戰活動與所需的能力相匹配。詳細說明了運用什么能力來支持特定的作戰活動，其中作戰活動來自于作戰活動描述模型，能力來自于能力依賴關系。該模型常采用表格或者映射矩陣的形式來描述。

2.3 業務模型

本文認為與新質作戰裝備試驗流程相關的模型有以下5 個。

1）作戰活動模型（OV-5）。該模型描述為完成能力需求所必需的作戰活動，主要用于確定作戰活動組成及其相互關系。表示了描述與試驗相關的作戰活動以及活動之間的輸入流和輸出流，常采用樹狀圖或者流程圖的形式描述。

2）作戰資源流描述（OV-2）。該模型描述作戰資源按照作戰節點進行交互的需求，指出執行相關活動的關鍵角色及其交互。主要用于跟蹤作戰活動之間的資源流需求，描述作戰資源之間的資源交換，常采用結構圖的方式來描述。

3）組織結構圖（OV-4）。該模型描述組織的結構及其相互作用，主要用于分析組織結構，定義人員角色。組織關系可以包括指揮控制關系、協同關系、依賴關系等等。

4）作戰狀態轉移（OV-6b）。該模型確定作戰活動如何通過改變自身狀態來響應各種事件，用于描述活動響應事件的觸發條件、時序邏輯、轉移關系等。描述要素主要包括事件、狀態、轉移，如受到事件觸發而采取某個動作。

5）事件跟蹤描述（OV-6c）。該模型描述特定想定中事件序列的行動軌跡，提供對資源流的時序檢驗，可以與OV-6b 一起使用描述活動的動態行為。該模型有助于定義詳細的試驗流程，常采用時序圖的形式描述。

2.4 系統模型

系統模型可從以下7 個方面進行描述。

1）系統功能描述（SV-4）。該模型描述功能的層次性、系統功能之間的關聯關系。要求清楚描述系統功能組成，確保功能分解到合適的粒度，以便于建立系統功能與作戰活動的映射關系，可采用分解圖描述。

2）活動與功能追溯性矩陣（SV-5a）。該模型建立系統功能集與作戰活動集之間的映射關系。用于建立功能需求與試驗需求的追溯關系，確定業務視角與系統視角的關聯。其中，作戰活動來自于OV-5，系統功能來自于SV-4，常采用映射矩陣來描述。

3）系統接口描述（SV-1）。該模型描述系統、武器裝備、服務之間的組成以及交互關系，主要用于定義系統、武器裝備、服務組成的物理結構，在對應的作戰節點之間進行交互。建立業務視角的邏輯結構到系統視角的物理結構之間的追溯，常采用結構圖的方式描述。

4）系統資源流描述（SV-2）。該模型主要描述系統之間的系統資源流，并確定連接需要的通信協議。根據試驗系統之間的連接關系以及傳輸的資源流，可以輔助確定系統完成使命任務的程度以及對效能進行度量。

5）系統狀態轉換描述（SV-10b）。該模型描述系統、服務、或者裝備如何通過改變自身狀態來響應各種事件。主要描述系統、服務、武器裝備響應事件的觸發條件、時序邏輯、轉移關系等，描述要素主要包括事件、狀態、轉移，該模型常采用狀態轉移圖來描述。

6）系統事件跟蹤描述（SV-10c）。該模型描述特定想定中事件序列的行動軌跡，提供對資源流的時序檢驗。可以與SV-10b 一起使用描述系統、服務、或者武器裝備的動態行為，有助于定義詳細的試驗流程。常采用時序圖的形式描述。

7）系統度量描述（SV-7）。該模型描述系統、服務或者武器裝備等資源的度量指標。界定性能特征和度量指標，確定系統、服務或者武器裝備完成功能的程度。

2.5 模型開發順序

根據上述對16 種描述模型的介紹，可發現模型之間存在依賴關系。本節根據這種依賴關系確定模型的開發順序，便于具體的體系結構開發項目的實施。模型的開發順序如圖2 所示。

圖2 中存在的關系可以大致解釋如下：CV-4中描述的能力分解來自于CV-1 中對能力的描述；OV-5 中描述的作戰活動以及作戰活動之間的關系是對CV-4 中能力的進一步分解；能力與作戰活動的映射確定了CV-4 中定義的能力與OV-5 中定義的活動之間的映射關系；OV-4 中的組織是OV-5中的活動的執行主體；CV-5 需要確定CV-4 中定義的能力與OV-4 中定義的組織之間的映射關系；OV-2 需要根據OV-5 中描述的作戰活動、OV-4 中的組織確定需要包含的作戰節點，以及節點完成的任務；根據某作戰場景，利用OV-2 中確定的作戰節點，可以明確OV-6c 中不同節點之間的交互時序關系；OV-6c 中明確的事件及消息可以進一步完善OV-2 中作戰節點完成的作戰活動；根據OV-2 中確定的作戰節點以及作戰節點完成的任務，確定每個作戰節點在全作戰周期的OV-6b；根據OV-5 中定義的作戰活動進一步確定武器裝備的SV-4；SV-5a 映射OV-5 中定義的作戰活動與SV-4 確定的系統；根據SV-4 中確定的系統功能明確SV-1 中系統的組成與交互關系；根據SV-1 中確定的系統進一步明確每個系統的性能參數以及度量指標；根據SV-1 中確定的系統交互關系進一步明確SV-2中需要確定的系統資源流以及通信協議；根據某作戰場景，利用SV-1 中確定的系統，可以明確SV-10c 中不同系統之間的交互時序關系；SV-10c中明確的事件及消息可以進一步完善SV-1 中系統完成的系統功能；根據SV-1 中確定的系統以及系統完成的系統功能，確定每個系統在全作戰周期的SV-10b。

圖2 模型開發順序

綜上所述，描述模型之間的關聯關系與描述模型蘊含的數據要素一致，可以根據數據要素的關聯確定確定模型的開發順序。模型開發順序的確定有助于對試驗指控系統體系的開發。

3 案例

3.1 案例背景

本節以激光武器為例，旨在說明該新質作戰裝備與典型裝備為實現聯合作戰任務所進行的聯合試驗過程。激光武器最先出現于美國，美國海軍的激光武器研制已歷經40 多年，先后研制出數種激光武器系統。近幾年來，隨著固體激光器技術的迅速發展，高能固體激光武器轉向實用化研究。其中，以艦載激光武器系統［9］、海上激光演示系統［10］、M K 38- 戰術激光武器系統［11-12］與艦載自由電子激光系統等為代表［13-15］。

目前，激光武器最迫切的運用是防御彈道導彈、巡航導彈等。本章擬以此為基礎，構建基于防空反導為背景的激光武器試驗指控體系。采用激光武器進行防空反導的聯合試驗，是指與預警衛星、雷達、聯合指揮所結合，以防空反導使命任務為輸入，強調試驗過程的指揮控制能力，做到各作戰節點的高效通信與協調，最終實現一體化聯合試驗能力。

3.2 模型開發

本小節旨在對上一部分確定的16 種模型進行開發。由于篇幅有限，只對其中幾個關鍵的模型進行介紹。

CV-1 旨在說明防空反導試驗指控體系的能力構想，可以采用文本描述的方式說明。本案例認為可以瞄準實現兩個構想：能力構想1，試驗流程順利，有效遂行防空反導試驗任務；能力構想2，各武器裝備達到總體性能指標。以CV-1 模型為起點可以構建后續模型。

CV-4 用來說明聯合試驗體系需要實現的能力以及能力之間的分解關系。本案例認為聯合試驗體系需要實現的能力為“試驗能力”，并且可以進一步分解為：“指揮控制能力”，對各個作戰節點協調指揮并且控制試驗的整體流程；“保障能力”，對氣象、物資等信息資源的實時有效保障；“測控能力”，對作戰目標、作戰過程軌跡、狀態等信息的監測；“通信能力”，各個作戰節點之間信息交互的能力；“輔助決策能力”，是對方案制定以及試驗結果分析的自動化實現能力；“武器打擊能力”，是指對目標導彈進行有效打擊的能力。CV-4 如圖3 所示。

圖3 CV-4

業務模型主要介紹OV-2 的開發。本文共確定9 個作戰節點，其中把“靶目標”作為外部節點，其他8 個作為內部節點，下面依次進行介紹。

“氣象保障節點”主要完成氣象保障任務，可以把氣象條件傳遞給“靶場指控節點”，也可以接受“靶場指控節點”下達的氣象預報指令。“預警衛星節點”主要完成對靶目標的監測，可以傳遞告警信息給“預警中心節點”，也可以接受“預警中心節點”的監測指令。同理，“預警雷達節點”主要完成對靶目標的監測以及跟蹤，可以傳遞目標信息給“預警中心節點”，也可以接受“預警中心節點”的監測指令。“預警中心節點”主要完成預警信息的處理以及傳遞，可以傳遞告警信息、目標信息給“靶場指控節點”，也可以接受“靶場指控節點”的監測指令。“靶場指控節點”主要實施試驗過程中的決策類信息，如威脅評估、方案制定等，也可以下達指控類信息，包括對“靶目標”下達升空指令、對“科研單位節點”下達準備命令和打擊命令、對“測試節點”下達測試命令。“科研單位節點”主要負責對信息裝備的操作，可以進行作戰試驗準備、下達準備命令打擊命令給“新質作戰裝備節點”，以及返回準備結果打擊結果給“靶場指控節點”。“新質作戰裝備節點”主要負責火力打擊任務，在進行作戰試驗裝備和火力打擊之后回傳準備結果打擊結果給“科研單位節點”。“測試節點”在接受完測試指令之后對試驗數據進行測試，并傳遞測試結果給“靶場指控節點”。通過上述9 個作戰節點的交互，可以對整體的作戰任務有一個較為完整的描述，方便進一步確定執行各作戰節點任務的系統或者服務。OV-2 如圖4 所示。

圖4 OV-2

OV-6c 是針對某一試驗場景的邏輯時序描述。在一個試驗體系的設計中可能存在多個OV-6c。下頁圖5 設計了一個OV-6c，以各個作戰節點的時序圖的方式進行描述，順序與上述解釋類似。例如，“氣象保障節點”進行氣象預報，傳遞氣象信息給“靶場指控節點”，“靶場指控節點”發送發射命令給“靶目標”。“靶目標”升空進而被“預警衛星節點”探測，“預警衛星節點”傳遞告警信息給“預警中心節點”，該信息被“預警中心節點”處理并傳遞給“靶場指控節點”。“靶場指控節點”收到告警信息后下達作戰準備命令給“科研單位節點”，并且給“預警中心節點”下達繼續跟蹤指令。“預警中心節點”下達跟蹤指令給“預警雷達節點”，經探測得到目標信息后傳遞給“預警中心節點”以及“靶場指控節點”。“靶場指控節點”在接收到“科研單位節點”和“新質作戰裝備節點”的準備完成信息后，以及根據得到的詳細靶目標信息，進行威脅評估、落點計算、方案制定等行為。并進一步下達打擊指令給“科研單位節點”以及“新質作戰裝備節點”，發射新質作戰裝備并打擊靶目標，并同時把打擊結果發送給“科研單位節點”與“靶場指控節點”。然后，“靶場指控節點”下達測試命令給“測試節點”，并根據“測試節點”傳回的測試效果進行結果分析。

圖5 OV-6c

系統模型主要介紹SV-1 的開發。SV-1 是系統視角的核心模型，主要描述了組成試驗總體系統的分系統以及它們之間的交互關系。每一個作戰節點可以包含一個或者多個物理系統，如圖6 所示。系統主要包括“氣象預報系統”、“預警衛星”、“預警雷達1”、“預警雷達2”、“導彈”、“靶場指控中心”、“預警中心”、“科研單位”、“激光武器”、“光斑分布測試系統”以及“輻射參數測試系統”。其中把雷達節點具體化為兩個預警雷達，把測試節點具體化為光斑測試系統與輻射參數測試系統。根據這些系統實現的功能可以與系統功能產生映射，這些系統之間的交互關系可以對應到OV-2 的作戰節點連接關系。

綜上所述，根據上一節確定的模型開發順序，以基于激光武器的防空反導試驗案例為背景，開發試驗指揮控制體系架構，明確核心的作戰要素與系統要素，為具體的體系建設與運用提供指導。

圖6 SV-1

4 結論

本文針對當前研究存在的基于新質作戰裝備聯合試驗的缺陷，基于體系結構方法，參考DoDAF 2.0 框架，提出符合應用背景的3 個視角和16 種模型，并確定了模型的開發順序，最后基于激光武器的防空反導場景進行案例開發。本文的研究為新質作戰裝備的聯合試驗規劃提出了途徑，指導了聯合武器裝備試驗的決策與部署。