基于DoDAF的海洋無人信息平臺體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

張 一

(成都天奧信息科技有限公司，成都 611731)

0 引 言

在海洋強(qiáng)國戰(zhàn)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(wǎng)”等重大項(xiàng)目實(shí)施，我國海洋信息化基礎(chǔ)設(shè)施初具規(guī)模，但與世界海洋強(qiáng)國相比還存在明顯差距[1]，缺乏完善的網(wǎng)絡(luò)信息體系，在中遠(yuǎn)海區(qū)缺少常駐平臺，無法進(jìn)行全天時(shí)、全天候、全海域的實(shí)時(shí)信息覆蓋[2]。

海洋信息網(wǎng)絡(luò)是我國近年來海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略下重要的科研示范項(xiàng)目，旨在面向全時(shí)域態(tài)勢感知、全海域網(wǎng)絡(luò)覆蓋、全方位信息服務(wù)、全業(yè)務(wù)綜合應(yīng)用、全體系安全管控等海洋信息化需求，構(gòu)建“天空岸海潛”立體綜合性信息網(wǎng)絡(luò)[3]。海洋信息網(wǎng)絡(luò)涉及的海洋信息獲取、傳輸、處理和融合，在海洋科學(xué)研究、環(huán)境調(diào)查、資源開發(fā)、權(quán)益維護(hù)與安全防衛(wèi)中意義重大，不僅是信息科學(xué)研究的熱點(diǎn)方向，也因?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境的復(fù)雜特性，一直是工程化的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)[4]。

海洋無人信息平臺作為建設(shè)海洋信息網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)，是集多維態(tài)勢感知、綜合信息服務(wù)于一體的全天候無人值守系統(tǒng)，定位為海洋信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵創(chuàng)新裝備[5]。海洋無人信息平臺需要具有良好的海況適應(yīng)性，采用自供電維持，可通過機(jī)動(dòng)部署、無人值守和遠(yuǎn)程操作，根據(jù)任務(wù)策略執(zhí)行目標(biāo)感知、環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、通信傳送和信息服務(wù)等多種任務(wù)。

面臨著海洋信息技術(shù)與海洋復(fù)雜環(huán)境的緊密聯(lián)系，以及海洋無人工程的挑戰(zhàn)，海洋無人信息平臺的任務(wù)能力、架構(gòu)體制、綜合成本、可持續(xù)發(fā)展等頂層設(shè)計(jì)尤其重要，傳統(tǒng)的系統(tǒng)集成方法往往缺乏全局性的綜合分析和設(shè)計(jì)，不能滿足創(chuàng)新研制需求。

為厘清任務(wù)使命與系統(tǒng)設(shè)計(jì)之間的映射關(guān)系，強(qiáng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的約束，本文提出了基于美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架(Department of Defense Architecture Framework，DoDAF)標(biāo)準(zhǔn)2.0版，應(yīng)用先進(jìn)實(shí)用、統(tǒng)一框架的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整性和一致性，不僅易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的綜合集成，也利于可持續(xù)迭代發(fā)展，進(jìn)而提高復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路與流程

1.1 設(shè)計(jì)思路

作為設(shè)計(jì)、開發(fā)、集成和描述復(fù)雜系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的規(guī)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(fā)展為最新的DoDAF V2.02版，其體系結(jié)構(gòu)開發(fā)理念從“以產(chǎn)品為中心”轉(zhuǎn)型為“以數(shù)據(jù)為中心”，強(qiáng)調(diào)以體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)支撐分析與決策，是一套先進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法論，對于裝備自頂向下的設(shè)計(jì)過程和全壽命周期改進(jìn)都具有重要借鑒意義[6]。

從系統(tǒng)研制的短期目標(biāo)來看，采用基于視圖的DoDAF模型來研究和設(shè)計(jì)海洋無人信息平臺體系結(jié)構(gòu)，通過任務(wù)活動(dòng)牽引、能力需求分析，明確任務(wù)規(guī)則、狀態(tài)轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)層級，形成直觀的可視化模型，對加深海洋信息網(wǎng)絡(luò)新型節(jié)點(diǎn)裝備概念認(rèn)知、約束設(shè)計(jì)邊界、固化系統(tǒng)狀態(tài)，以“需求創(chuàng)新”牽引“設(shè)計(jì)創(chuàng)新”完成示范測試階段的使命任務(wù)具有重要指導(dǎo)作用。

從系列化裝備的長期目標(biāo)來看，平臺體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要面向海洋信息網(wǎng)絡(luò)長期建設(shè)，采用可持續(xù)演進(jìn)的彈性架構(gòu)，應(yīng)具備產(chǎn)業(yè)前瞻性和技術(shù)先進(jìn)性。根據(jù)DoDAF設(shè)計(jì)理念，以不同視角描述模型、映射關(guān)聯(lián)矩陣進(jìn)行分析，形成不同階段的總體設(shè)計(jì)方案，并且通過迭代融合、持續(xù)優(yōu)化，不斷完善演進(jìn)。

1.2 設(shè)計(jì)流程及成果

本文涉及的海洋無人信息平臺體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為6個(gè)步驟(stage)，覆蓋全景視角(All View,AV)、任務(wù)視角(Operational View,OV)和系統(tǒng)視角(System View,SV)，共完成9個(gè)模型設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)流程及建模成果示意圖見圖1。

圖1 設(shè)計(jì)流程及建模成果示意圖

Stage 1：構(gòu)建AV-1，描述體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的背景、范圍、目的、環(huán)境、限制條件等綜述和概要信息等。

Stage 2：構(gòu)建OV-1，構(gòu)建高級任務(wù)概念模型；構(gòu)建OV-2，描述資源需求。

Stage 3：構(gòu)建OV-4，描述體系組織關(guān)系和平臺運(yùn)用模式。

Stage 4：構(gòu)建OV-5b，闡述任務(wù)活動(dòng)模型。

Stage 5：構(gòu)建OV-6b，描述任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型；構(gòu)建OV-6b，給出任務(wù)事件跟蹤模型。

Stage 6：構(gòu)建SV-1，確定系統(tǒng)接口；構(gòu)建SV-4a，對系統(tǒng)功能進(jìn)行定義、分解。

2 體系結(jié)構(gòu)建模設(shè)計(jì)

2.1 全景視角建模設(shè)計(jì)

構(gòu)建AV-1，介紹海洋無人信息平臺體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的背景意義，明確設(shè)計(jì)范圍，提出任務(wù)使命，描述工作環(huán)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(wù)視角建模設(shè)計(jì)

2.2.1 頂層任務(wù)概念定義

構(gòu)建OV-1，頂層任務(wù)概念模型示意圖見圖2。立足海洋無人信息平臺任務(wù)使命，主要通過瀕海及海上環(huán)境圖形、海上活動(dòng)對象要素圖元、海洋網(wǎng)絡(luò)體系設(shè)施圖標(biāo)、海洋信息交互關(guān)系等進(jìn)行頂層任務(wù)可視化建模，輔以簡要文字說明，直觀定義海域監(jiān)視預(yù)警、海域執(zhí)法管控、海域信息服務(wù)、助航及遇險(xiǎn)救助、信息共享服務(wù)等頂層任務(wù)概念場景[7]，并牽引下一層次各任務(wù)活動(dòng)模型設(shè)計(jì)。

圖2 頂層任務(wù)概念模型 OV-1

2.2.2 資源需求分析

構(gòu)建OV-2，描述任務(wù)資源需求，如圖3所示。根據(jù)頂層任務(wù)使命要求，分析海洋無人信息平臺在海上自主運(yùn)行、能源自供應(yīng)條件下，為實(shí)現(xiàn)多種使命任務(wù)，完成多維信息感知、信息傳送、信息服務(wù)應(yīng)用、平臺管控等能力需求分析和資源配置。

圖3 任務(wù)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(biāo)探測、電磁監(jiān)測、海洋觀測、通信傳送、平臺管控及數(shù)據(jù)計(jì)算存儲(chǔ)等多個(gè)功能和資源集群，各功能集群根據(jù)OV-1需求進(jìn)行組合式配置。數(shù)據(jù)計(jì)算存儲(chǔ)資源集作為平臺數(shù)據(jù)處理和服務(wù)核心，與各功能集交互業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和控制指令，完成多個(gè)功能集的數(shù)據(jù)匯聚和前端關(guān)聯(lián)計(jì)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(guān)系及運(yùn)用模式

構(gòu)建OV-4，如圖4所示。根據(jù)頂層任務(wù)使命和資源需求，分解并描述體系組織關(guān)系，明確海洋無人信息平臺運(yùn)用模式。根據(jù)海洋活動(dòng)對象信息需求、信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署條件、信息交互關(guān)系，以信息感知、通信傳送、數(shù)據(jù)支撐、業(yè)務(wù)應(yīng)用、平臺管控等進(jìn)行分層規(guī)劃。

圖4 組織關(guān)系及運(yùn)用模式示意圖OV-4

平臺采用功能集成的聯(lián)合式結(jié)構(gòu)，面向不同的外部用戶提供相應(yīng)的信息服務(wù)。需要克服各類海洋數(shù)據(jù)的時(shí)空分布與分辨率一致的困難，考慮信息描述、信息存儲(chǔ)、信息更新、信息查詢、信息分發(fā)的一致性問題，通過采用數(shù)據(jù)統(tǒng)一標(biāo)識、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)機(jī)制、層次化數(shù)據(jù)訂閱等方式，對各種海洋活動(dòng)對象提供信息應(yīng)用服務(wù)。

2.2.4 任務(wù)活動(dòng)模型

構(gòu)建OV-5b，如圖5所示。完成海域監(jiān)視預(yù)警、海域執(zhí)法管控、海域信息服務(wù)、助航及遇險(xiǎn)救助、信息共享服務(wù)等不同任務(wù)活動(dòng)模型設(shè)計(jì)，不同的任務(wù)活動(dòng)由相應(yīng)的模型子圖進(jìn)行描述。以海域監(jiān)視預(yù)警任務(wù)活動(dòng)為例，給出了體系結(jié)構(gòu)內(nèi)部各活動(dòng)之間的輸入輸出流關(guān)系，以及體系結(jié)構(gòu)外部的輸入和輸出流關(guān)系。在執(zhí)行海域監(jiān)視預(yù)警任務(wù)中，平臺以自主運(yùn)行或接受遠(yuǎn)程控制指令方式，對各類目標(biāo)探測和監(jiān)視手段進(jìn)行了任務(wù)策略管理，采取多種主、被動(dòng)手段對海面及低空各類合作目標(biāo)和非合作目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同探測和識別，形成時(shí)空統(tǒng)一的多維目標(biāo)態(tài)勢，以實(shí)現(xiàn)對海域活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)視預(yù)警。

圖5 海域監(jiān)視預(yù)警任務(wù)活動(dòng)子模型OV-5b

通過整合各類目標(biāo)探測和監(jiān)視手段，實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)、光電、船舶自動(dòng)識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS) 、自動(dòng)相關(guān)監(jiān)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(qū)域海面及低空各類目標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)屬性判斷和航跡計(jì)算分析，通過目標(biāo)特征和運(yùn)動(dòng)軌跡對目標(biāo)趨勢進(jìn)行判證，目標(biāo)信號引導(dǎo)光電進(jìn)行跟蹤和記錄取證，形成目標(biāo)事件監(jiān)視預(yù)警。多源多目標(biāo)異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)和空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將目標(biāo)在探測空間域和時(shí)間域上匹配對準(zhǔn)，形成時(shí)空統(tǒng)一的綜合目標(biāo)態(tài)勢。

2.2.5 任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型

構(gòu)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(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型設(shè)計(jì)。受限于AV-1中平臺無人值守、能源自供給、適應(yīng)多種海況等限制條件，平臺執(zhí)行任務(wù)時(shí)需通過海洋環(huán)境觀測系統(tǒng)、定位測向測姿系統(tǒng)、電站監(jiān)測裝置，隨時(shí)掌握平臺能源供應(yīng)能力和實(shí)時(shí)海況，依照預(yù)置的運(yùn)行模式切換策略自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)行模式切換。

圖6 任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型OV-6b

海洋無人信息平臺工作狀態(tài)包括常規(guī)下的任務(wù)模式和值班模式，以及降級下的休眠模式和保護(hù)模式。當(dāng)平臺運(yùn)行在值班模式時(shí)，根據(jù)遠(yuǎn)程岸基指令切換至監(jiān)視預(yù)警、執(zhí)法管控、遇險(xiǎn)救助等相應(yīng)任務(wù)，任務(wù)結(jié)束后按預(yù)設(shè)策略返回值班模式。根據(jù)分布式電源、電網(wǎng)、負(fù)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(wǎng)系統(tǒng)設(shè)置控制策略[9]，當(dāng)平臺電站能源儲(chǔ)備下降至警戒線以下，平臺轉(zhuǎn)換至休眠模式，僅對必要的平臺管控系統(tǒng)、應(yīng)急通信系統(tǒng)等提供能源，并盡可能延長系統(tǒng)在休眠模式下的持續(xù)工作時(shí)間，待能源供應(yīng)和儲(chǔ)能恢復(fù)后被喚醒恢復(fù)至值班模式。當(dāng)海況惡化超過平臺極限工作條件，即可切換為保護(hù)模式，閉鎖一切非必要活動(dòng)機(jī)構(gòu)和設(shè)施，保障平臺海上運(yùn)行安全。

2.2.6 任務(wù)事件跟蹤模型

構(gòu)建OV-6c，如圖7所示。描述體系中任務(wù)參與各節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)邏輯流程和順序，便于檢查任務(wù)節(jié)點(diǎn)間信息交換的時(shí)序。以海洋無人信息平臺不同的任務(wù)使命，輔以時(shí)序信息和信息交互關(guān)系，設(shè)計(jì)相應(yīng)的任務(wù)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(wù)事件跟蹤模型OV-6c

2.3 系統(tǒng)視角建模設(shè)計(jì)

2.3.1 系統(tǒng)接口模型

通過任務(wù)視角建模可知，平臺體系結(jié)構(gòu)是以數(shù)據(jù)匯聚處理為核心，實(shí)現(xiàn)各功能系統(tǒng)之間，以及平臺與外部系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和管控?cái)?shù)據(jù)交互，以DoDAF指導(dǎo)思想，系統(tǒng)視角建模也應(yīng)“以數(shù)據(jù)為中心”描述SV-1 系統(tǒng)接口模型，如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)接口描述SV-1

平臺內(nèi)部數(shù)據(jù)交互眾多，可歸納為實(shí)時(shí)傳輸、定時(shí)傳輸、命令傳輸三種方式。根據(jù)不同的傳輸帶寬、時(shí)延、可靠性需求，簡化各功能子系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)功能定義及分解

構(gòu)建SV-4a，如圖9所示。是對照OV-4組織關(guān)系及平臺運(yùn)用模式，并結(jié)合SV-1系統(tǒng)接口模型，對系統(tǒng)功能進(jìn)行定義，選擇適宜的顆粒度，對分系統(tǒng)功能進(jìn)行逐級分解。形成一級功能7個(gè)，二級功能25個(gè)，部分二級功能下設(shè)三級功能。

圖9 系統(tǒng)功能分解描述SV-4a

3 平臺能力發(fā)展分析

從OV-1頂層任務(wù)看，海洋無人信息平臺擔(dān)負(fù)著多種不同復(fù)雜度的任務(wù)。實(shí)現(xiàn)綜合任務(wù)需求的復(fù)雜度，將直接影響系統(tǒng)頂層建模的顆粒度。

從OV-2體系結(jié)構(gòu)資源需求看，整合不同規(guī)模的功能集群所需的計(jì)算存儲(chǔ)資源集群需要匹配適宜，綜合考慮算力存儲(chǔ)、軟件架構(gòu)、接口資源、帶寬時(shí)延等問題，否則會(huì)出現(xiàn)資源集群能力冗余過剩或者可擴(kuò)展性不足。

從OV-5b任務(wù)活動(dòng)及OV-6b任務(wù)轉(zhuǎn)換方式、OV-6c事件處理流程看，功能分系統(tǒng)橫向之間存在眾多信息交互，且需要在平臺本地進(jìn)行前端關(guān)聯(lián)計(jì)算。為降低大量原始數(shù)據(jù)回傳后端對通信傳送分系統(tǒng)的壓力并提升服務(wù)處理響應(yīng)速度，平臺本地的數(shù)據(jù)匯聚預(yù)處理和邊緣計(jì)算非常必要。

從OV-4組織關(guān)系看，當(dāng)前平臺采用總線化的聯(lián)合式架構(gòu)有較好的靈活性，適宜采用定制設(shè)備和商用貨架產(chǎn)品，以適中的研制成本快速完成架構(gòu)相對統(tǒng)一的原型系統(tǒng)研制和示范應(yīng)用。

綜上，通過DoDAF體系結(jié)構(gòu)建模可見，海洋無人信息平臺采用聯(lián)合式總線化體系結(jié)構(gòu)，綜合當(dāng)前示范系統(tǒng)能力需求、貨架產(chǎn)品技術(shù)成熟度和效費(fèi)比是適宜的。但海上活動(dòng)復(fù)雜，任務(wù)場景多樣，海上環(huán)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(xù)提高，而規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)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(shè)計(jì)時(shí)要堅(jiān)持以下原則：

一是充分把握能力需求。通過應(yīng)用場景、需求分析來捕獲系統(tǒng)功能及性能需求，避免系統(tǒng)功能配置及系統(tǒng)指標(biāo)要求的隨意化；堅(jiān)持開放式架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)，保留足夠的升級改進(jìn)和擴(kuò)展能力。

二是加深關(guān)鍵技術(shù)理論研究和工程驗(yàn)證。重點(diǎn)在海空天潛一體化廣域通信能力、超視距雷達(dá)/多光譜/SAR聯(lián)合目標(biāo)探測能力、多平臺組網(wǎng)及信息融合能力等方向形成突破。

三是以先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)海洋無人信息平臺體系結(jié)構(gòu)演進(jìn)，可采用如下措施：

(1)采用綜合化電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)功能集群之間橫向綜合，提升系統(tǒng)探測感知、通信傳送、信息處理能力的同時(shí)，盡可能降低設(shè)備成本及體積重量功耗。逐步發(fā)展綜合化體系結(jié)構(gòu)，從各功能集的計(jì)算存儲(chǔ)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(fā)展，最后實(shí)現(xiàn)高度綜合化體系結(jié)構(gòu)[10]。

(2)加強(qiáng)健康管理設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)海上多點(diǎn)部署無人值守、維護(hù)困難的特點(diǎn)，在系統(tǒng)故障監(jiān)測、故障診斷、健康管理方面進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，提高平臺海上生存能力和任務(wù)可用性。

(3)完善智能化管控設(shè)計(jì)。通過增加平臺管控傳感器、管控?cái)?shù)據(jù)庫，確定平臺各系統(tǒng)管控等級，設(shè)置安全管控機(jī)制，使平臺海上自主管控具備分析、計(jì)算、判斷、決策的思維能力，并通過大數(shù)據(jù)積累具備機(jī)器學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，最終形成智能化管控能力[11]，為平臺大規(guī)模組網(wǎng)應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是從概念研究到平臺研制過程中最重要的第一步。運(yùn)用DoDAF體系結(jié)構(gòu)建模方法，合理選取模型設(shè)計(jì)產(chǎn)品，可以將項(xiàng)目初始階段的設(shè)計(jì)目的、工作目標(biāo)等概念要素，自頂向下細(xì)化為任務(wù)場景、資源配置和操作運(yùn)用等能力要素，并完成系統(tǒng)視角的接口、功能等整體定義，最終有機(jī)地將任務(wù)需求、系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)體制三者緊密銜接起來。

基于DoDAF指導(dǎo)思想，本文從海洋無人信息平臺概念研究出發(fā)，最終完成了方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)系統(tǒng)研制和示范測試，實(shí)現(xiàn)了需求創(chuàng)新和設(shè)計(jì)創(chuàng)新，收獲了眾多應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，取得了數(shù)據(jù)匯聚處理、多天線電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)設(shè)計(jì)等一批具有探索意義的技術(shù)成果。本文對海洋無人信息平臺研制有重要的工程實(shí)踐指導(dǎo)作用，提出的平臺能力發(fā)展分析對海洋無人信息平臺架構(gòu)融合和效能提升，以及支撐海洋信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展具有重要參考意義。