軍事信息系統體系結構及其相關技術研究發展綜述?

楊雙澤 趙有華 朱 丹 向春鋼

（陸軍工程大學 重慶 400035）

1 引言

美軍近幾場局部戰爭以及網絡中心戰等概念的提出，世界各國軍隊都認識到推進軍事信息系統一體化建設，實現軍事信息系統之間互聯互通互操作的重要性和必要性。而體系結構作為軍事信息系統的頂層設計，是軍事信息系統集成建設的關鍵所在，21 世紀以來，世界各國在參考美國國防部體系結構（DODAF）的基礎上紛紛提出了相應的體系結構框架并不斷改進，學術界和工業界也對體系結構展開了大量的研究。該文針對軍事信息系統體系結構領域研究的熱點問題，梳理了國內外近年來的研究情況，主要從軍事信息系統體系結構框架、體系結構設計方法與開發工具、體系結構驗證以及面向服務架構（Service-Oriented Architecture，SOA）相關研究進行分析和概括，希望為體系結構研究提供思路和借鑒。

2 體系結構框架

海灣戰爭后，美軍逐漸認識到推進C4ISR 系統一體化建設，實現軍事信息系統互聯互操作是取得未來一體化聯合作戰勝利的關鍵所在，開始著手研究和制定體系結構框架和標準規范，于1996年6月推出了C4ISR 體系結構框架的第一個版本，即C4ISRAFv1.0，提出采用作戰體系結構視圖（OV）、技術體系結構視圖（TV）、系統體系結構視圖（SV）來描述體系結構。后又于1997 年12 月頒布C4IS?RAFv2.0 版本，對上述三個視圖進行了擴充，對視圖產品的定義、模板和使用等進行了詳細描述，相比于v1.0，這一版本有了更加全面的通用指南和參考資源。在隨后的發展中，美國國防部意識到數據的重要性，提出采用基于數據倉庫的方法設計，并將體系結構框架的應用范圍拓展至所有聯合能力域（JCA），于2003 年8 月，頒布了DODAF1.0，該框架定義了全視圖、作戰視圖、系統視圖和技術標準視圖共26 種產品。隨著面向服務架構的興起，為打破軍種間的壁壘，實現各軍種信息系統的一體化集成建設，2007 年4 月，美國國防部頒布了DODAF1.5 作為過渡版本，初步引入網絡中心化和服務的概念，原系統視圖更改為系統與服務視圖，視圖產品擴展為29 種。2009 年8 月頒布DoDAFv2.0 版本，提出了“以數據為中心”的思想，并基于IDEAS 規范頒布了國防部元數據模型（DM2），定義了8 種視圖，共52 個產品。2010 年10月頒布的DODAF2.02，對國防部元模型（DM2）進行了部分條目的修改，形成了具備數學意義的DM2。2012 年1 月頒布DoDAFv2.03 版本，主要是使用OWL（Web Ontology Language）描述國防部元數據模型（DM2）。2013 年，參考加拿大國防部體系結構，增加了安全視圖，形成DoDAF/DNDAFv2.04，2014 年，將北約體系結構框架NAF、英國國防部體系結構MODAF 進行整合，研究制定了國防部體系結構統一框架UAFv2.05。美國國防部體系結構DoDAF 經過20 余年的發展，已成為目前最成熟和完善的體系結構框架。其大致發展歷程如圖1所示。

圖1 美國國防部體系結構DODAF演進路線

世界多國和組織在美軍的影響下，參考美國國防部體系結構DoDAF，開發和制定了符合本國實際的體系結構框架［1］。例如，挪威陸軍司令部于1999 年發布的MACCIS（Minimal architecture for CCIS）。澳大利亞頒布的澳大利亞體系結構框架DAF。英國國防部于2005 年8 月頒布的英國國防部體系結構（MoDAF）1.0 版，其最新版本MoDAFv1.2于2008年9月發布。除此之外，北約在美軍的影響下，其體系結構也取得了長足的發展。自2000 年11 月北約C3 委員會在其第11 次會議上通過了《北約C3 系統體系結構框架》（NC3SAF）1.0版以來，經過20 年的發展，其最新版本NAFv4.0 已于2019年10月正式發布。

我國同樣十分重視體系結構的研究，長期以來，我國始終緊跟國際學術前沿，于“十五”期間開展了體系結構方面的專項研究，取得了一些理論成果。如，2004 年制定的軍事綜合電子信息系統體系結構框架1.0 版，該框架與DODAF1.0 基本類似，采用經典的三視圖方法來描述體系結構，但在表現形式和產品內容上進行了改進，使其更加符合我軍體制編制、組織結構特點。2011 年又以國家軍用標準GJB的形式發布了《軍事電子信息系統體系結構設計指南》［2］。這些理論成果對于促進我軍軍事信息系統綜合集成和一體化建設，提升軍事信息系統設計質量具有重要意義。

3 體系結構設計方法與開發工具

3.1 體系結構設計方法

當前美國國防部體系結構框架DODAF2.0 只給出了各類視圖產品的描述方法、開發思想和總體步驟等，但沒有指定具體的開發方法和開發工具。在DODAF1.0 頒布前后，面向過程的開發方法和面向對象的開方法是主要的開發方法。隨著DODAF2.0 能力視角的引入，“以數據為中心”開發思想的提出，以及國防部元模型DM2 的完善，基于能力的開發方法與基于元模型的開發方法也被相繼提出。此外，還有基于活動的開發方法與面向服務的開發方法等。

面向過程［3］是一種基礎的開發方法，是最為實際的一種思考方式，它將系統視為一系列過程的集合體，以系統業務流程、執行的活動等動態行為為依據，采取從上往下，逐步求精的方式來描述系統的全貌。特別適用于對一些流程清晰、規模較小、結構簡單的系統的構造。但在大型系統設計與開發的過程中則存在一定的局限性，主要是由于面向過程的方法并不注重識別系統對象的邊界，容易造成概念混淆，引起系統開發人員和用戶的理解偏差。并且基于面向過程開發的系統各模塊是緊密耦合的，會造成系統的重用性和可擴展性較差。功能建模方法IDEF0、信息建模方法IDEF1、數據建模方法IDEF1X以及過程獲取描述方法IDEF3等均是典型的面向過程的結構化分析方法，在分析許多實際問題中起到了極佳的效果。很多學者在系統開發與設計中都利用上述方法對其進行建模［4～6］。

面向對象的開發方法［7］源自軟件工程領域，是軟件開發的成熟方法。該方法通過從現實世界客觀存在的事物來認識問題域和構造系統，非常貼近人的思維方式。面向對象所具備的封裝性、繼承性、多態性等特性使得系統具有較高的靈活性、重用性與可拓展性，因此特別適用于構建復雜度高、規模大的系統。統一建模語言（Unified Modeling Language，UML）是面向對象系統開發的主流方法，它定義良好、表達清晰、功能強大且普遍適用，受到多數學者的青睞。與此同時，DODAF 本體文件也提及了UML 方法對其部分視圖產品的支持。文獻［8～10］在構建DODAF 視圖產品中均用到了UML的模型。

基于活動的開發方法［11～12］，是由美國MITRE公司和洛克希德·馬丁公司于2004 年聯合提出的。該方法以活動、作戰節點、角色、信息、系統功能、系統節點、系統和數據8 個實體為核心，并以與其相關的體系結構產品為設計主線來生成其他體系結構產品。是一種“以數據為中心”的結構化開發方法。文獻［13］基于作戰節點、信息、活動等核心實體及其之間關系，提出了一種以活動為中心的開發過程。文獻［14］采取基于活動的方法對反導作戰體系遂行主動防御作戰任務時所執行的相關活動進行了分析，并以此分析得出其原型系統的邏輯連接關系，驗證了此方法的實用性。文獻［15］提出了一種支持復雜系統可靠性分析與設計的框架，通過系統建模語言（SysML）將部分描述動態行為的視圖模型轉化為基于BPMN 的業務流程模型，實現了復雜系統建模與仿真的集成。

為了適應美國安全戰略從“基于威脅”向“基于能力”的轉變，美國國防部在其DODAF2.0 版本中正式引入能力視圖，基于能力的方法也因此被提出。國內外圍繞基于能力的開發方法也展開了大量的研究，文獻［16］針對“能力”這一術語概念不清晰、定義不一致的問題，借鑒DODAF2.0 中關于“能力”的定義和描述，給出了對多視角下軍事能力的概念定義及能力概念間的關系說明。文獻［17］分析了DODAF2.0 中能力視圖的構成及其與其他視圖的關系，提出了基于能力的結構化分析方法和過程，并進行了應用研究。

基于元模型的體系結構設計指以規范的體系結構元模型為基礎，以其所表達的體系結構高層概念間關系作為指導和約束獲取體系結構數據、構建體系結構模型的過程［18］。該方法是隨著DODAF2.0數據元模型DM2 的完善和“以數據為中心”的開發思想逐漸成熟而提出的。文獻［19］根據需求對DM2進行了剪裁，提出了一種基于語義元模型的建模方法，利用類、關系、屬性和實例建立四元組的本體描述框架對作戰視圖、系統視圖和能力視圖進行了描述。并結合實例驗證了方法的可行性。文獻［20］利用DM2 對全視圖、作戰視圖、能力視圖和系統視圖中多個模型進行了裁取，并利用DM2 對所構建的岸艦導彈武器裝備體系結構進行了完備性與一致性的驗證。

面向服務的方法是隨著SOA 架構的興起以及服務視圖的引入而提出的，由于涉及內容較廣，此部分內容在下節進行闡述。

需要注意的是，各類體系結構框架沒有限定具體的開發方法，許多開發人員和學者在實際建模過程中常常將多種方法結合起來使用，并取得較好地效果。但需要考慮各類方法的邊界，比如，基于活動、基于能力、面向服務三種開發方法是從不同設計切入點來進行劃分的；面向過程與面向對象是從認識論的角度來進行劃分的。按照抽象的層次，可將以上幾種方法按照圖2 所示組織起來。一般地，位于下層的方法能夠為位于上層的方法提供支持，而位于同一層次的方法同時使用則會為體系開發過程帶來困擾。而基于元模型的體系結構開方法本質是“以數據為中心”的開發方法，其位于該層次結構的最底層，可以為其他方法提供很好的支持，理論上不會與其他方法相矛盾。

圖2 體系結構開發方法分層模型

3.2 體系結構開發工具

隨著體系結構研究的深入，越來越多的體系結構開發工具應運而生。當前，市場上使用較為廣泛的體系結構開發工具包括System Architect、Enter?prise Architect、MagicDraw等等。

System Architect 是IBM 公司開發的體系結構建模工具，它集需求獲取、系統建模、驗證分析為一體，可很好地支持DODAF、TOGAF、MODAF 等在內的多種框架的開發。

Enterprise Architect 是Sparx Systems 公司推出的CASE工具，全面支持UML2.0，它功能強大、界面友好、并提供系統開發整個過程的追蹤功能，能很好地支撐系統開發的全過程。

MagicDraw是由No Magic公司基于Java開發的UML 建模和面向對象系統分析設計工具。該工具提供對SysML/UML/UAF 語言的全面支持，采用基于模型的協同設計，實現模型元素追溯，便于變更管理及影響分析。

文獻［21］針對DODAF 開發過程的繁瑣性和DODAF 視圖模型產品的復雜性，為了提高產品開發效率和成功率，基于4 項主準則15 項次準則，利用多準則決策方法對當前市面上主流的DODAF開發工具如Enterprise Architect，MagicDraw，MEGA Suite 和System Architect 進行了分析和評估，認為System Architect 是當前最適用的DODAF 開發工具。

4 面向服務架構在體系結構中的應用研究

隨著技術的發展，面向服務架構（Service Ori?ented Architecture，SOA）以其松耦合、可復用、可組合等優勢為長期以來美軍C4ISR 系統緊耦合、系統異構等造成的互聯互通困難等問題提供了解決思路，美軍DoDAFv2.0、英軍MoDAFv1.2、北約NAFv3.0，都紛紛在以前版本基礎上增加了服務視圖，把SOA 應用于體系結構開發中，體現了面向服務架構在體系結構領域的應用，面向服務的開發方法也被提出。在這些研究當中，主要的研究內容包括服務視圖的構建與描述方法、服務視圖的動態驗證、服務識別與生成流程等。

在服務視圖構建與描述方面，國防科技大學羅雪山團隊［22～25］在此方面做了相關研究，提出了服務視圖產品描述方法，并將其引入體系結構進行模型構建，建立了服務視圖與作戰視圖、系統視圖等的聯系，以及將服務視圖轉換為可執行模型進行驗證與分析，很好地展現了服務視圖應用于體系結構設計的優越性。文獻［26］針對當前體系結構的相關研究中缺乏指導面向服務架構SOA 的開發和設計的有效框架和過程，提出了一種基于TOGAF 與DODAF 相結合的企業架構描述框架與設計方法。文獻［27］認為DODAF2.0 服務視圖中的SvcV-5 模型是連接作戰視點和服務視點的關鍵模型，提出一種基于服務識別的SvcV-5 的半自動優化設計方法，通過實驗驗證了此方法能夠有效提升SvcV-5的設計質量。

在服務識別與生成流程方面，文獻［28］從體系架構的角度，提出了一種適用于C4ISR 系統的服務部署模型，以執行時間、所需資源最小化和操作可靠性最大化為目標構建服務質量優勢度函數，并采用免疫遺傳算法（IGA）獲取最優解。文獻［29］引入k-clique 社團檢測算法用于挖掘體系中的服務，為武器裝備體系架構的服務識別提供了參考。針對當前缺乏對架構設計過程中服務相關數據的優化設計研究，文獻［30］分析了服務的元模型，獲取了服務視圖的相關數據及其與作戰視圖相關數據的關系，提出了一種基于作戰活動的服務生成流程。

5 體系結構驗證方法

體系結構驗證是體系結構開發階段的重要工作，是體系結構質量的重要保障。其任務主要是檢查體系結構設計的正確性，確保所設計的體系結構能夠滿足系統各項功能性與非功能性需求［31］。體系結構視圖產品樣類繁多，關系復雜，且都是靜態的，雖然有描述系統動態行為的視圖產品，但其中包含大量內容和信息，對其動態行為的驗證必然是復雜且困難的。因此，將體系結構產品通過一定的規則轉化為可執行模型，通過模擬仿真驗證系統動態行為是當前體系結構驗證的熱點和趨勢，文獻［32］詳細介紹了馬爾科夫鏈、Petri 網、系統動力學模型、圖論和網絡分析模型等常見模型構建DODAF 可執行框架的過程、所必須的信息、適用的場景以及通過這些可執行模型能夠獲取的信息等，為體系結構開發先期驗證提供了一個靈活的框架。目前大多數體系結構驗證方法是基于Petri網、系統動力學、Extendsim 以及xUML 等進行轉換的方法。表1 對常用的體系結構驗證方法進行了比較分析。

表1 常用體系結構驗證方法比較分析

Petri網是一種用于描述離散的、分布式系統的數學建模工具，它能形象地描述和分析系統資源的同步、并發、沖突等行為特征。國內外學者將部分描述體系結構動態行為的視圖產品轉換成多種不同的Petri網模型，如著色Petri網［33］（CPN），對象Pe?tri 網［34］（OPN），分層泛化Petri 網［35］（HGPN）、層次著色Petri 網［36］（HCPN）等，對體系結構動態行為如邏輯運行規則、狀態變遷、資源競爭及沖突死鎖等方面進行了驗證，取得了較好地效果。

Extendsim 是由美國Imagine That 公司開發的通用仿真平臺，是一種可以對離散事件系統和連續系統進行仿真的仿真軟件，采用模塊化結構和多層次模型結構，具有較高的靈活性和可擴展性，穩定性強，并具有良好的統計功能和圖形輸出功能。廣泛應用于軍事、工業、交通等多個領域。文獻［37］以Extendsim 仿真工具作為可執行模型的運行環境，并以情報偵察系統為研究實例，分析了此方法作為體系結構動態分析的可行性。文獻［38］基于ExtendTM 仿真環境對聯合作戰時敏目標打擊任務進行了研究，并提出了ExtendTM與OPNET連接的概念模型。

xUML 是對象管理組織（Object Management Group，OMG）指定的模型驅動架構（Model Driving Architecture，MDA）建模方法之一。xUML 是UML的一個子集，它去除了UML 當中的弱語義部分，并添加了精確定義的動作語義，xUML 通過這些精確的動作語義來描述系統中對象之間的交互和行為，使之變為了可執行的模型。文獻［39～40］基于xUML，開發了DoDAFv2.0可執行體系結構。

6 結語

該文對體系結構研究的幾個熱點問題進行了梳理和總結，可以看到，當前體系結構框架已基本趨于成熟，自2009 年DODAF2.0 頒布以后，體系結構框架的變化在其后續版本大多是細枝末節的改動，現有的研究基本上也是基于DODAF2.0 版本進行的。體系結構開發方法和開發工具也能達到實用的程度，并在實際開發中獲得了廣泛的應用。而體系結構驗證方法還需要深入研究，這是因為當前的大多數驗證方法都是基于“轉換”的驗證方法，其設計與驗證是相分離的，存在一定的“轉換”風險，不能完全確保模型轉換的一致性。除此之外，由于DODAF2.0 沒有詳述服務視圖的構建與描述方法，且由于軍用體系結構與商用企業體系結構之間差異的存在，致使軍用面向服務系統構建無法完全照搬商用模式。因此，面向服務的體系架構、體系結構設計與驗證一體化仍將是未來體系結構研究的熱點問題。