基于DoDAF的多層彈道導彈防御系統模型研究

李雪超，張金成，陳歡歡，熊加遙

（空軍工程大學，陜西 三原 713800）

信息時代的到來，指揮體系結構的日趨扁平化，使我們越來越多地面對復雜系統。在復雜系統的建模過程中，往往存在需要多方合作、頻繁變更等問題，同時由于系統的解決方案越來越復雜，導致發現設計錯誤也越來越難，因此，在合理時間內對復雜系統進行清晰、準確建模并管理高質量體系結構的重要性日益凸現[1]。

DoDAF就是通常所說的美國國防體系結構框架。體系結構框架提供了開發和表述體系結構的規則、指南和產品描述，是開發體系結構的前提條件。DoDAF由C4ISR AF 1.0演進而來，先后經歷了C4ISR AF 2.0、DoDAF 1.0、DoDAF 1.5，發展到現在的DoDAF 2.0。DoDAF是要確保各個指揮組織、服務提供和各個部門的系統和信息體系結構描述和定義的一致性和協調性。DoDAF是當今應用最為廣泛和最為成熟的體系結構框架。利用這種統一的體系結構框架設計指控系統體系結構,便于系統分析、設計和實現人員及使用維護人員對系統體系結構設計的理解、比較和交流。

1 體系結構概述[2]

1.1 體系結構的概念

系統科學認為體系是若干相關事物相互聯系、相互制約而構成的一個整體。整體中各個組成部分的搭配和排列稱之為結構。體系研究整體的內涵和外延，結構研究整體的層次和關系。體系結構是指一個整體的層次、序列、相互關系及它們的組成。用到軍事領域，其基本含義不變，只是將其意義的使用范圍擴大。

在1990年IEEE STD 610.12（國際電工組織標準）中，把“體系結構”定義為:“各組成部分及其相互間的關系，以及自始至終支配這些組成部分的設計和演進的原理和原則。”所謂各組成部分，可認為是作為研制對象的特定領域或系統的各組成部分，是對某一復雜事物的本質性、原則性、穩定性描述。

2000年IEEE STD 1427提出下述定義:“體系結構是概括系統的組成部分、他們相互之間的關系及對環境的關系和指導設計和演進的原則的基本組織。”這種定義補充了系統及各組成部分對環境的關系。這一點在開發體系結構是不能不考慮的。

1.2 DoDAF產品概述

DoDAF主要由全視圖（AV）、作戰視圖（OV）、系統視圖（SV）和技術標準視圖（TV）組成。系統體系結構視圖的每一個視圖都描述體系結構的一定屬性。其中，作戰視圖描述為完成國家使命所要求的任務及活動、作戰要素和信息交換的一組圖形及文字產品，使命包括作戰使命和公務過程；系統視圖是描述提供或支持功能的系統和互通的一組圖形及文字產品，功能包括作戰功能和公務功能；技術標準視圖是管理系統部件或零件的排列、交互和互相依賴的最小一組規則，如圖1所示。

2 體系結構設計方法[3,5]

2.1 作戰體系結構設計

作戰體系結構設計的任務是描述系統支持的作戰概念，包括完成作戰任務的活動、作戰要素、人員/組織之間的相關信息交換，定義交互信息的類型、頻度、支持的作戰活動以及信息種類，揭示作戰能力和互操作性方面的需求。相應的產品有:高層作戰概念OV-1，作戰節點連接描述 OV-2，作戰信息交換矩陣OV-3，組織關系描述OV-4，作戰活動描述OV-5，作戰規則描述OV-6a，作戰狀態轉換描述OV-6b，作戰事件跟蹤描述OV-6c，邏輯數據模型OV-7等。作戰體系結構設計具體步驟如下圖2所示。

圖1 DoDAF 1.5產品集示意圖

圖2 作戰體系結構模型設計流程圖

在本階段以OV-1驅動，OV-5為過程，OV-2為核心，OV-6c提供驗證機制，根據內部邏輯關系逐步建立完善的作戰體系模型，這是一個反復迭代的過程。

2.2 系統體系結構設計

系統體系結構設計的主要任務是對支持或提供作戰功能的各個系統內部結構和運行規則及其系統間互連和互操作關系的描述。與之對應的產品有系統接口描述SV-1、系統通信描述SV-2、系統關聯矩陣SV-3、系統功能描述 SV-4a、服務功能描述 SV-4b、作戰活動與系統功能跟蹤矩陣 SV-5a、作戰活動與系統追蹤能力矩陣 SV-5b、作戰活動與服務追蹤能力矩陣SV-5c，系統數據交互矩陣SV-6、系統性能參數據矩陣SV-7、系統演化描述SV-8、系統技術預測SV-9、系統規則描述 SV-10a、系統狀態轉換描述 SV-10b、系統事件跟蹤描述SV-10c、物理數據描述SV-11等。上述16個方面描述了整個DoDAF系統的系統體系結構。系統體系結構設計的具體步驟如圖3所示。

圖3 系統體系結構模型設計流程圖

無論是作戰體系結構模型還是系統體系結構模型，在上述階段的實際應用中具有典型的代表性，但卻不是每個階段的模型都要全部創建，要根據系統的規模和表現方面的具體情況而定。在實踐中，整個建模過程將呈現多次迭代。

2.3 技術體系結構設計

技術體系結構設計的主要任務是建立系統研制、開發過程中必須遵守的技術和標準規范，以規范和約束系統體系結構設計的實現選擇。與之相對應的技術視圖包含技術體系結構輪廓產品TV-1、標準技術預測TV-2。技術體系結構輪廓產品根據現有的相關領域的技術標準、規范和作戰體系結構的軍事需求，提供了適用于系統體系結構的相關技術標準子集的說明，包括質量管理、進度管理、經費管理、組織管理等的規范；標準技術預測是一組支配系統實現和操作的規則，考慮技術標準的發展對系統建設的影響，對技術標準的發展、變化進行預測。技術視圖主要反映管理者對系統研制開發的關注點。

3 多層彈道導彈防御系統作戰體系結構建模

彈道導彈作為跨空域武器，具有射程遠、速度快、高度高、多彈頭分導再入和多種突破防御措施等作戰特點，防御難度高，破壞性大，在近代戰爭中發揮著舉足輕重的作用。隨著其技術被越來越多的國家掌握，威脅程度也與日俱增。

本例中展現一個對中近程彈道導彈在不同的彈道采用不同武器進行攔截的簡單的作戰場景:敵方彈道導彈發射后，首先被太空中的預警衛星探測到，測出其飛行數據，并將其發回地面指揮所、部署在戰線前沿的雷達和配有機載激光器的飛機。指揮所計算出來襲導彈飛行方向和粗略落腳點，雷達搜索并跟蹤來襲導彈。當導彈發射后處于助推段時，指揮所下令配有機載激光器的飛機進行攔截；若攔截失敗，指揮所下令戰略地對空導彈對其進行導彈飛行中段攔截；若再次攔截失敗，指揮所將令戰術地對空導彈在來襲導彈飛行末段攔截。

（1）高層作戰概念圖OV-1

OV-1描述需要完成的使命、建設范圍、服務范圍、對象等。它給出了重要的作戰節點，描述重要的或獨特的作戰能力，并描述目標體系結構與環境之間的關系和體系結構與外部系統之間的關系，如圖4所示。

圖4 高層作戰概念圖 OV-1

（2）作戰節點關聯描述

OV-2是描述作戰節點和這些作戰節點間的需求線的一個產品。作戰節點關聯圖包括這個體系結構內部的作戰節點，也包含外部節點，需求線說明需要交換的信息，如圖5所示。

圖5 作戰節點鏈接描述 OV-2

（3）組織關系圖

OV-4描述在體系結構中起關鍵作用的作戰人員或作戰組織之間的指揮結構，其目的是清晰系統內部和外部的組織及下級組織關系。這些關系可能是監督報告、指揮控制、命令等。如圖6所示。

（4）作戰活動模型

OV-5是關鍵的體系結構產品，描述為了完成任務或者達到目標需要執行的一系列活動，由能力、作戰活動、活動間的輸入輸出流等建模元素構成。OV-5的兩種關系必須要體現，一種是層次關系，即作戰活動具有子活動，一種就是信息流的關系。如圖7所示。

圖6 組織關系圖 OV-4

（5）作戰事件跟蹤描述

OV-6c定義作戰事件的蹤跡描述，提供作戰節點之間的信息交換的時間順序的檢查。它有助于定義節點接口，并能夠確保特定作戰節點具有必要的信息，以便在正確的時間完成賦予它的作戰活動。如圖8。

從具體設計過程和各類產品之間的內在聯系，可以得出作戰體系結構產品之間的邏輯關系如圖 9所示。作戰體系結構產品集作為需求用例影響系統體系結構設計。

模型以美國多層彈道導彈防御系統為原型，闡述了其系統的組成部分，簡單分析了各組成部分的關系和作戰防御流程，并基于DoDAF建立了體系結構模型，為今后導彈防御系統研究者提供了一些參考。

圖7 作戰活動模型OV-5

圖8 作戰事件跟蹤描述OV-6c

圖9 作戰體系結構產品依賴關系

4 多層彈道導彈防御系統作戰體系結構模型設計中存在的不足

在多層彈道導彈防御系統作戰體系結構設計中,還有以下不足和有待深入改進的地方。

1）改進體系結構建模方法。文中多層彈道導彈防御系統建模，對模型的層次關系描述還存在不足，應該進一步完善方法的層次描述，使模型層次關系描述更加緊密。

2）完善系統體系結構設計的產品集模型，使體系結構模型設計更加完整。對于 DoDAF三大視圖，本文只對作戰體系結構進行了建模，而作為一完整系統模型，其他兩個視圖也需要合理的建模與分析。

3）改進體系結構一致性開發過程，保證產品的一致性。多層彈道導彈防御系統是一個十分復雜的系統，在它的設計模型演進和修改過程中，還是可能出現不一致。如何改進開發過程，保證一致性也是研究重點。

4）沒有深入研究系統的可執行性模型和驗證。

5）對多層彈道導彈防御系統所包含的子系統引入有限，不能較全面反映系統狀態。

5 結束語

良好的體系結構設計不僅是解決復雜大系統開發研制周期長、成本高問題的重要途徑，也是保證系統之間可集成、可互操作，實現高效一體化的基本措施。本文以多層彈道導彈防御系統為對象，就體系結構框架產品的內容和邏輯關系進行了研究分析，提出了體系結構簡單明晰的設計方法和步驟，并建立了相應模型。

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