基于DoDAF的彈藥供應保障體系構建與效能評估

劉昊邦,史憲銘,華 斌,李 皎,朱 博,梁俊鵬

(1.陸軍工程大學石家莊校區，石家莊 050003；2.中國人民解放軍77618部隊, 拉薩 850000;3.中國人民解放軍65739部隊, 遼寧 丹東 118000)

1 引言

以信息化為主要特征的現代高技術戰爭，彈藥消耗量大，保障任務重，彈藥保障在戰爭中的作用和地位日益突出，尤其是彈藥供應保障已成為我軍裝備保障建設的重點[1]。目前，我軍對彈藥供應保障體系結構的研究還處于初級階段，相關研究較少。彈藥供應保障體系不僅涉及到各個層級的指揮人員、彈藥保障人員，還和戰前、戰中、戰后3個階段及階段動態轉換密切聯系。其體系結構龐大、作用機理復雜，亟需創造出一種全面描述彈藥供應保障體系的結構視圖與保障效能的評估方法。

美國國防部體系架構框架(department of defense architecture framework，DoDAF)憑借其系統全面的體系設計理念，吸引很多學者進行DoDAF產品的研究。但DoDAF產品涉及的內容多是飛機作戰體系[2-3]、反導裝備體系[4-5]，雷達偵探體系等領域[6-7]，關于彈藥供應保障體系方面的研究較少。現有的彈藥供應保障體系結構研究大多是對體系結構組成及其行為屬性進行建模，缺少對保障能力需求的響應，沒有描述體系與需求之間的映射，無法從能力需求的角度去描述和優化供應保障體系[8-9]。并且，現有的體系結構建模研究多采用定性方法,對體系結構組成元素、層次結構、相互聯系進行描述，很少提供定量化工具進行更精確的建模[10]。

此外，現有的彈藥供應保障體系研究很少將體系結構與保障效能評估組合考慮，難以對供應保障水平進行衡量。ADC(availability dependability capability,ADC)模型考慮問題全面、數學模型嚴謹，是目前對體系實施效能評估的有效方法[11-12]。在DoDAF體系中融入ADC模型，能夠將彈藥供應保障活動視圖與供應保障效能評估進行結合，對推動彈藥供應保障能力建設具有重要作用。

2 基于DoDAF的體系設計流程

2.1 DoDAF概述

DoDAF是美國國防部定義的用于國防和航空航天行業的架構框架，目前已經從DoDAF1.0版本發展到DoDAF2.02版本。DoDAF2.02涵蓋8類視圖、52個子模型[13]，在軍事作戰體系構建研究中應用廣泛，可用于組織和共享大型、復雜的分布式體系結構。利用DoDAF2.02整體架構對彈藥供應保障體系進行構建，讓各自獨立的系統有效協同，把供應目標、供應能力和支持彈藥供應的各種資源有效結合，幫助系統工程師、軟件開發人員進行彈藥供應保障體系設計。

2.2 基于DoDAF的體系設計理念

DoDAF用于指導各類復雜系統分析，完成該復雜系統的頂層設計。主要分析過程包括：需求分析論證、總體框架設計、標準規范制定、建設實施計劃。趨向于采用體系結構方法，利用一種標準形式，設計多個架構，從多個視角描述系統藍圖。利用DoDAF提供的一整套需求分析工具實現作戰需求向保障需求的映射，將作戰任務中提出的能力需求與體系中彈藥供應的功能需求相對應，形成能力需求下的彈藥供應保障體系結構模型。

在基于DoDAF的體系結構建模過程中，重點從作戰活動、作戰能力、系統功能3個視圖方面進行分析描繪。

1)作戰活動描述。將使命任務分解為包含隸屬關系的若干子任務，并梳理任務與子任務的層層聚合關系。主要分析工具采用DoDAF作戰視圖(OV)產品。

2)作戰能力描述。建立作戰任務和作戰活動之間的映射關系，對其作戰能力進行分解，得到子能力和相應的能力需求。主要分析工具采用能力視圖(CV)產品。

3)系統功能描述。對彈藥供應保障體系功能進行構建，描述該系統所執行的功能和系統功能間的信息流。主要分析工具采用DoDAF系統視圖(SV)產品。

2.3 基于DoDAF的體系設計流程

利用DoDAF以數據為中心的驅動開發特點，依據通用數據元模型DM2提供的核心概念，收集關于彈藥供應保障體系的結構數據，形成初始綜合字典(AV-2),并在設計過程當中對AV-2進行不斷完善[14]。在開發過程中還要堅持以下5個開發原則，以保證體系構建過程的準確性[15]。開發原則為：① 堅持自頂向下的設計流程；② 堅持活動-系統的開發流程；③ 堅持靜態-動態-映射的設計流程；④ 堅持邏輯關系約束原則；⑤ 堅持過程迭代完善原則。

根據以上分析和開發原則，并依據目標、能力、活動、執行者、資源流、信息等7個DM2核心概念詞，進行供應保障體系的數據收集與分析，用以支撐彈藥供應保障體系構建。分析得到基于DoDAF體系結構模型的設計流程，并可繪制DoDAF的體系設計流程圖，如圖1所示。

圖1 基于DoDAF的體系設計流程

階段1建立AV-1，AV-2全景視圖、CV-1能力構想視圖。并使AV-2的開發貫穿體系結構建模全過程。

階段2建立彈藥供應保障體系的高級作戰概念圖OV-1，組織關系視圖OV-4，能力分類視圖CV-2。

階段3建立彈藥供應保障體系的作戰活動分解視圖OV-5a，作戰活動模型視圖OV-5b，作戰資源流描述視圖OV-2，能力依賴視圖CV-4。

階段4建立彈藥供應保障體系的作戰規則視圖OV-6a，狀態轉移描述視圖OV-6b，事件跟蹤描述視圖OV-6c。

階段5建立系統功能描述視圖SV-4以及作戰活動-系統功能追蹤矩陣視圖SV-5a，并最終完善綜合字典AV-2。

3 基于DoDAF的彈藥供應保障體系視圖構建

彈藥供應保障體系具有多部門指導、多階段保障的特點，利用DM2的7個核心概念詞收集彈藥供應保障體系的相關數據，進行基于DoDAF的彈藥供應保障體系視圖構建。由于篇幅限制，本研究只對一些關鍵視圖進行描繪。

3.1 建立高級作戰概念圖(OV-1)

通過描述作戰活動并對彈藥供應保障需求進行分析，從戰前、戰中、戰后3個階段得到每一階段所需的彈藥保障任務，利用DoDAF將使命任務轉化為高級作戰概念圖(OV-1)，如圖2所示。從而對彈藥保障活動有一個直觀、具體化的了解。

圖2 高級作戰概念圖(OV-1)

3.2 建立作戰活動分解視圖(OV-5a)

通過對彈藥供應保障高級作戰概念圖中的各個活動進行分解，將彈藥供應點、野戰彈藥庫、彈藥保障部門、彈藥處理點4個作戰節點與相關作戰任務進行聯系，從而生成作戰活動分解視圖(OV-5a)，如圖3所示。圖3包含了作戰節點和高級作戰概念圖(OV-1)中的13項作戰活動以及對應關系。

圖3 彈藥供應保障活動分解視圖(OV-5a)

3.3 建立作戰規則模型視圖(OV-6a)

為了更好地描述彈藥供應保障體系的作戰規則、供應補給策略以及與作戰活動之間的關系，建立作戰規則模型(OV-6a)，如圖4所示，其中的具體規則與策略如表1所示。

圖4 作戰規則模型(OV-6a)

表1 具體作戰規則與策略表

3.4 建立作戰狀態轉移描述視圖(OV-6a)

作戰狀態轉移描述視圖(OV-6b)可以對各個作戰節點的動態行為進行描繪。彈藥供應保障受戰前、戰中、戰后狀態變化的影響，其彈藥保障行為也會處于轉移變化當中。對此構建戰前-戰中-戰后彈藥供應保障活動的OV-6b視圖，如圖5所示。

圖5 作戰狀態轉移描述視圖(OV-6b)

3.5 建立作戰活動-系統功能追蹤矩陣視圖(SV-5a)

作戰活動-系統功能追蹤矩陣視圖(SV-5a)能夠分析各項彈藥供應保障活動所涉及的作戰能力，可以得到彈藥供應保障活動的能力追蹤矩陣，清晰直觀地表現出作戰活動與彈藥供應保障能力的映射關系。SV-5a視圖如表2所示。

表2 彈藥供應保障活動映射到能力追蹤表(SV-5a)

通過SV-5a獲取彈藥供應保障活動的能力指標，為進一步構建供應保障效能評估模型提供基礎。

4 基于改進ADC模型的彈藥供應保障效能評估

為完成彈藥供應保障體系構建與效能評估的一體化研究，還需要選擇恰當的供應保障效能評估模型。ADC評價模型在體系實施效能評估方面具有優勢。考慮到彈藥供應保障效能還受供應保障運用方式、供應保障環境等因素的影響，對傳統ADC模型進行改進，引入供應保障運用因子Z和供應保障環境因子H。改進后的評估模型為[16-17]：

E=A·D·C·Z·(1-H)

(1)

4.1 彈藥供應保障體系可用性向量分析

可用性表示彈藥供應保障體系開始執行保障任務時可能處于的狀態，以體系的可用程度表示。根據戰時條件下敵方對我方彈藥供應保障體系的毀壞程度，將供應保障體系的狀態劃分為正常、輕度受損、中度受損、重度受損等4種。用p1、p2、p3、p4分別表示每種狀態出現的概率，則體系可用性的向量表示為：

(2)

4.2 彈藥供應保障體系可靠性矩陣分析

可靠性用以描述彈藥供應保障過程中體系狀態的穩定性，是持續完成彈藥供應保障任務的度量。隨著敵人對供應保障體系的打擊以及我方保障人員的修復，體系狀態會不斷發生變化。則體系可靠性用矩陣表示為：

(3)

式(3)中，dij表示由狀態i轉化為狀態j的概率。

4.3 彈藥供應保障體系能力矩陣分析

能力矩陣C是彈藥供應保障體系在已知狀態條件下，完成任務能力的度量矩陣，是供應保障能力最直接的體現。不同狀態對應的能力值不同，則能力矩陣可表示為：

(4)

式(4)中，ci表示供應保障體系在狀態i時的能力值。

根據DoDAF體系SV-5a視圖映射到的能力指標，采用模糊綜合評判法對能力指標ci進行求解。

4.3.1建立評價因素集和評語集

評價因素集是影響評價體系能力的各種指標，可以確定彈藥供應保障能力的模糊綜合評判總因素集U={u1,u2,…,u8}。其中，ui為SV-5a視圖中的能力指標。對每一能力指標又可分解為下一級評價指標因素集：u1={u11,u12,…}，u2={u21,u22,…}，…，u8={u81,u82,…}。評語集是對能力指標因素的評定等級劃分，記為V={v1,v2,…,vm}，m為等級劃分數。本研究選用優、中、差等3個等級，則評語集V={v1,v2,v3}={優，中，差}。

4.3.2建立隸屬度函數

隸屬度函數fvi(x)表示某一能力因素取值x屬于評價等級vi的程度高低。隸屬度取值區間為[0,1]，接近1表明能力值評價隸屬于vi越高。由于是定量能力指標，本研究選用高斯形隸屬度函數進行構建。

4.3.3生成隸屬度矩陣

根據隸屬度函數計算因素ui下一級因素uij屬于評價等級vi的隸屬度fvi(x)，計算隸屬度權重為：

(5)

單因素uij的模糊評估向量為：

(6)

最后，得出由n個單因素構成上級因素ui的模糊隸屬度矩陣為：

(7)

4.3.4計算模糊評價結果

采用模糊計算的方式計算因素ui的評價等級向量，其中，Wi為下一級因素權重向量，Ri為該因素的隸屬度矩陣，計算結果為：

Bi=WiRi

(8)

將計算結果作為彈藥供應保障體系能力模糊隸屬度矩陣R的行向量，則有：

(9)

確定總因素集權重向量W，可以得到最終的體系模糊評估向量為：

B=WR

(10)

計算供應保障體系的能力值為：

ci=B·(qv1,qv2,qv3)T

(11)

式(11)中，qvi為評價等級vi對應的標準值。

依據上述推斷過程，可以求出狀態i時的體系能力值ci，最終可以求出彈藥供應保障體系能力矩陣C。

4.4 彈藥供應保障體系運用因子分析

體系運用因子主要考慮組織運用對彈藥供應保障效能的影響，不同彈藥保障人員、不同保障方式對應著不同保障效能。建立規劃協同、保障方式、技術保障3個指標及其子指標權重。計算模型為：

(12)

式(12)中: ti為指標權重; tij為子指標權重; gij為子指標百分制賦值。

4.5 彈藥供應保障體系環境因子分析

地理、氣象等外部環境條件會對彈藥供應保障效能產生影響，因此還需要考慮環境因素。選取地理、氣象2個因素進行考慮，得出計算模型為：

(13)

式(13)中：hi為指標權重；hij為子指標權重；kij為子指標打分賦值，賦值范圍0～1。

聯立上述公式，便可求出彈藥供應保障效能的估計值。

5 結論

本研究對面向彈藥供應保障體系結構建模與效能評估問題進行設計，利用DoDAF框架對該體系結構的作戰視圖、能力視圖、系統視圖進行描繪，能夠對供應保障體系結構有更為全面的認識。并結合改進后的ADC效能評估模型，對供應保障體系的運行效能進行評估。建模結果可為彈藥供應保障體系的頂層設計提供參考依據。