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面向跨域作戰體系的多維架構設計方法研究*

2023-07-05 08:43:00張承龍趙強魏然李通
現代防御技術 2023年3期
關鍵詞:概念體系設計

張承龍,趙強,魏然,李通

?空天防御體系與武器?

面向跨域作戰體系的多維架構設計方法研究*

張承龍,趙強,魏然,李通

(北京電子工程總體研究所,北京 100854)

針對跨域作戰體系架構設計的特殊復雜性,提出了一種多維架構設計方法,包括作戰概念架構、物理架構、邏輯架構設計。給出了上述3種架構的定義、設計內容與設計流程,其中從威脅態勢研究、作戰對手研究、能力需求研究與作戰概念生成等方面開展了作戰概念架構設計,從組成要素選擇、連接關系描述、配系部署設計等方面開展了物理架構設計,從層級與組織關系設計、作戰過程設計、信息交互設計、信息精度傳遞關系設計等方面開展了邏輯架構設計。提出的方法可為跨域作戰體系架構設計提供參考。

跨域作戰體系;作戰概念架構;物理架構;邏輯架構

0 引言

作為一種新的作戰概念,跨域作戰通過綜合運用聯合作戰力量來實施各軍種同步協調行動[1],有效打破傳統以軍種為核心的作戰邊界。跨域作戰過程中,戰略戰役戰術等不同層次、陸海空天網電等不同作戰域的作戰力量有機融合,借助信息的互聯互通,綜合運用云計算、大數據、人工智能等相關技術,根據使命任務與戰場態勢,多域空間內各作戰力量、作戰平臺快速靈活調整,作戰效能由線性疊加向非線性、涌現性、自適應、自組織性等各種系統效應融合轉變,作戰力量精確釋能。

對于跨域作戰體系,架構是最頂層、最宏觀也是最具有決定性的組成部分之一,其作用類似于人體的骨骼、大樓的骨架。跨域作戰體系的架構往往能在很大程度上決定系統的要素組成、連接關系、部署形態、組織關系、作戰流程、信息交互等,是決定跨域作戰體系效能能否有效發揮的重要因素,因此在開展跨域作戰體系其他設計工作前,必須首先明確系統架構。

國外在體系架構設計方面較早開展了廣泛而深入的研究,并形成了體系架構描述方法[2],如DoDAF、MODAF、UPDM、NAF、TOGAF等,在一定程度上對作戰體系的機理模型進行了較為詳細的描述。在此基礎上,結合建模語言、建模工具、仿真工具等[3],提出了一系列架構設計方法,如DANSE架構設計方法[4-5]、基于智能體的架構設計方法[5-6]等,上述方法在一定程度上解決了系統架構的設計問題,但很難適用于跨域作戰體系架構設計。與國外相比,國內缺少具有我國特色的架構描述方法,大量工作更多關注于結合自身情況與目標系統特點對現有的系統架構描述方法的裁剪與改進[7-8]。此外,在結合建模語言、建模工具、仿真工具進行架構設計方面,盡管提出了基于建模仿真的架構設計方法[9-10]、基于模型和數據混合驅動的復雜體系架構設計方法[11]等方法論,但距離實際應用仍有較大差距。

立足我國實際,開展了面向跨域作戰體系的多維架構設計方法研究。首先介紹了跨域作戰體系的多維架構設計方法。在此基礎上,從概念架構、物理架構、邏輯架構3個不同維度,詳細給出了跨域作戰體系架構設計的定義、設計內容與設計流程。

1 跨域作戰體系多維架構設計方法

跨域作戰體系具有作戰樣式復雜多樣、作戰場景開放非穩態、對抗過程隨機動態、智能對抗繁雜激烈等特點,具有組成要素多且層級復雜、組織及信息交互關系復雜、運行及演進模式復雜等特征,傳統的系統設計方法已難以滿足要求。一方面,需在需求、架構、要素、運用等方面開展跨域作戰體系的一體化設計。另一方面,需在要素測試、要素集成、體系驗證等方面開展集成驗證,進而可以對跨域作戰體系的非線性、不確定性、自組織性等特性進行驗證,驗證結果又可支撐需求設計、架構設計、要素設計與運用設計。如此反復迭代,直至滿足功能性能要求。因此,跨域作戰體系的設計流程如圖1所示。

圖1  跨域作戰體系的設計流程

在上述提出的跨域作戰體系設計流程的基礎上,從跨域作戰能力的頂層需求出發,對體系架構進行自上而下正向分解,提出了跨域作戰體系的架構設計框架,如圖2所示,包括構建反映跨域作戰體系形態與需求的作戰概念架構,反映跨域作戰體系要素組成、連接關系、配系部署的物理架構,以及反映跨域作戰體系功能服務的邏輯架構。通過概念架構設計生成的能力需求與作戰概念分別用于指導物理架構與邏輯架構設計,物理架構與邏輯架構設計過程中相互促進、相互迭代。

圖2  跨域作戰體系的架構設計框架

2 跨域作戰體系架構設計

針對跨域作戰體系,開展了多維架構設計方法研究,包括概念架構設計、物理架構設計與邏輯架構設計。

2.1 概念架構設計

概念架構是指跨域作戰體系架構設計的最初階段,對跨域作戰體系的威脅態勢、作戰對手、能力需求、作戰概念等進行分析研究,并將其按照一定邏輯勾勒成完整圖像的過程。概念架構設計的主要目的是明確跨域作戰體系設計的大方向,防止因為需求把控不清、對手研究不透、技術發展方向把握不準等原因,造成設計出的跨域作戰體系存在重大方向性錯誤。概念架構設計不在于其最終構設的圖像在細節上的精確性,而在于圖像在宏觀方向的正確性。如圖3所示,概念架構設計的內容包括威脅態勢研究、作戰對手研究、能力需求研究與作戰概念生成。

2.1.1威脅態勢研究

跨域作戰體系概念架構設計的威脅態勢研究內容如圖4所示。通過分析面臨的地緣政治環境、安全威脅形式等,研判跨域作戰背景下可能發生戰爭的作戰對手、作戰空間以及交戰規模,其中作戰空間覆蓋陸海空天網電等作戰域。

圖3  跨域作戰體系的概念架構設計內容

圖4  跨域作戰體系概念架構設計的威脅態勢研究內容

2.1.2作戰對手研究

跨域作戰體系概念架構的作戰對手研究內容如圖5所示。從戰略、戰役、戰術等層面研究跨域作戰背景下的作戰對手,主要包括對手是誰、敵人如何進攻、敵人使用什么裝備進攻等。其中敵人是誰的研究內容包括對手的軍事戰略、作戰概念、裝備發展規劃等;敵人如何進攻的研究內容包括跨域作戰背景下對手的戰術戰法、作戰樣式、作戰條例、裝備采購與部署等內容;敵人使用什么裝備進攻的研究內容包括跨域作戰背景下的作戰空間環境和目標的運動、紅外、電磁特性等。

圖5  跨域作戰體系概念架構的作戰對手研究內容

2.1.3能力需求研究

跨域作戰體系概念架構的能力需求研究內容如圖6所示。結合面臨的地緣政治環境、安全威脅形式以及作戰對手等,構建對抗場景,定量化分析當前跨域作戰的體系能力,評估短板弱項,研究當前的跨域作戰裝備、作戰樣式的不足。

圖6  跨域作戰體系概念架構的能力需求研究內容

2.1.4作戰概念生成

跨域作戰體系概念架構的作戰概念生成內容如圖7所示。分析跨域作戰背景下核心要素及其組織運用流程,在作戰機理的牽引下,采用分層、分級、分域等設計思路,形成戰略級、戰役級、戰術級和裝備級作戰概念。

2.2 物理架構設計

跨域作戰體系的物理架構設計內容如圖8所示。物理架構是對跨域作戰體系在客觀世界中的組成要素類型與功能性能、要素之間的連接關系、要素數量與部署位置等進行表征,但不能對要素之間的內在邏輯關系進行描述。構成跨域作戰體系的要素包括探測感知、指揮控制、攔截對抗等裝備實體。跨域作戰體系架構設計的內容包括組成要素選擇、連接關系描述、配系部署設計等。

圖7  跨域作戰體系概念架構的作戰概念生成內容

圖8  跨域作戰體系的物理架構設計內容

2.2.1組成要素選擇

跨域作戰體系物理架構的要素組成示意圖如圖9所示。跨域作戰體系物理要素的選擇應根據作戰任務分解的作戰能力需求,選擇能夠實現既定能力的作戰域及其要素。作戰能力需求包括作戰對象、作戰目標、作戰區域等。在組成要素設計的過程中,一方面需根據多域各作戰要素的功能性能與戰技指標;另一方面,需充分結合多域戰場網絡的互聯互通能力、多域各要素技術體制、協同作戰支撐程度、網絡化運用模式等因素。

圖9  跨域作戰體系物理架構的要素組成示意圖

2.2.2連接關系描述

跨域作戰體系物理架構中的連接關系是指要素之間的連接關系網、信息的發送與接收對象、通信方式等,通過連接關系可以明確點對點通信時的路由鏈路,如圖10所示。

跨域作戰條件下,基于互聯互通的網絡支持,陸海空天網電作戰域內各要素動態無縫連接,融合到一個在跨域各要素之間實時共享高置信度數據的跨域殺傷網中,多域各要素之間的連接關系呈現網狀特點。

跨域作戰要素的連接關系描述既包括單域作戰要素連接關系描述,也包括跨域作戰要素連接關系描述。對于單域與跨域作戰要素的連接關系,二者均包括同類作戰要素連接關系與異類作戰要素連接關系。同類作戰要素連接關系又包括探測感知要素之間的連接關系、指揮控制要素之間的連接關系、攔截對抗要素之間的連接關系。異類作戰要素的連接關系包括探測感知與指揮控制要素之間的連接關系、探測感知與攔截對抗要素之間的連接關系、指揮控制與攔截對抗要素之間的連接關系,以及探測感知與指揮控制、攔截對抗要素之間的連接關系。顯然,跨域作戰要素的連接關系異常復雜,本質是以由多域各要素實體為節點構成的復雜網絡。

圖10  跨域作戰物理架構設計的要素連接關系描述內容

對于跨域作戰體系要素的連接關系描述,宜采用基于復雜網絡的描述方法:

以探測感知與指揮控制、攔截對抗要素之間的連接關系描述為例,無向圖與有向圖對應的鄰接矩陣如圖11所示。與無向圖相比,有向圖規定了每條邊的方向。對于跨域作戰體系的要素連接關系,存在要素間單向傳遞信息的情況,如某些探測感知要素僅可向指揮控制要素單向傳遞信息,因此跨域作戰體系的要素連接關系宜采用有向圖的鄰接矩陣來表征。

圖11  跨域作戰要素連接關系描述示例

2.2.3配系部署設計

在完成組成要素選擇與連接關系描述后,需要對組成要素的數量與地理空間部署進行設計,給出典型環境條件下的多域各要素的數量與部署方案,如圖12所示。例如,對于對空跨域作戰體系,一方面,進行給定資源下的位置部署,即根據給定的資源,如探測感知、指揮控制、攔截對抗等要素的類型、數量與物理連接關系,結合多域各要素的戰技指標,以最大化作戰效能為目標,優化各資源節點的部署位置等。另一方面,進行給定作戰任務的資源分析和部署,即在給定跨域作戰任務時,優化所需多域各要素的數量及部署位置等,在控制成本的同時最優化效能。

圖12  跨域作戰體系物理架構的配系部署設計

2.3 邏輯架構設計

邏輯架構是指跨域作戰體系在執行不同作戰任務時的架構層級與組織關系、作戰過程、信息交互關系及信息精度傳遞關系,一般通過基于物理架構的多域各要素形成的時間鏈、信息鏈與精度鏈進行描述。如圖13所示,邏輯架構的設計內容包括架構層級與組織關系設計、作戰過程設計、信息交互關系設計及信息精度傳遞關系設計等。

圖13  跨域作戰體系的邏輯架構設計內容

2.3.1層級與組織關系設計

跨域作戰體系的層級與組織關系設計主要用于設計跨域作戰過程中多域各要素在完成作戰任務時所經過的編制級別數,以及指揮控制要素與所屬部隊之間構成的指揮與被指揮的關系。層級與組織關系設計過程中應基于跨域作戰體系的物理架構,根據跨域作戰體系的作戰任務,以及各組成要素的功能性能、戰技指標與要素間連接關系,并結合現有的指揮體制開展設計。

跨域作戰體系邏輯架構的層級與組織關系示意圖如圖14所示。對于集中式層級與組織關系,多域各要素按隸屬關系呈樹狀的層次結構。根節點負責協調、安排葉節點的任務計劃,其余各節點則根據父節點的協調安排生成各自的子任務計劃,并將其分解到各自的葉節點,通過逐級分解適應大規模任務計劃。但是嚴格的層次式指揮依賴上級節點的協調、控制,對于可能影響全局的情況變化需要逐級上報,并由高層節點統一協調,大量底層節點缺乏溝通途徑。

對于分布式層級與組織關系,處于同一級別的多域各要素實體之間是一種對等、協商的關系,并不區分嚴格的隸屬關系。根據自身的情況與全局的任務目標同級指揮控制要素可橫向協同,不同級指揮控制要素可實現跨級指揮,態勢信息也可實現多層共享,以確保全局任務目標的實現。分布式層級與組織關系下多域各要素實體間更充分有序交流與協作,具有自同步的特點,在快速變化的環境中具有高度適應性。

圖14  跨域作戰體系邏輯架構的層級與組織關系示意圖

對于跨域作戰,分布式層級與組織關系更為適用。通過網絡環境將多域各要素有機連接、融合在一起,促使指揮能力高效發揮。各級各類型指揮機構呈現要素節點式、功能替代式、立體分布式特點。一方面,通過標準規范指揮機構、指揮手段,規范行動控制流程及信息傳輸格式等。同級指揮控制要素之間互為備份,互相替代;另一方面,立體聯合陸海空天網電多域指揮力量,增強柔性抗毀能力。通過多域各指控要素實體之間高效運行、有效釋能,形成體系化作戰指揮能力,確保行動控制穩定可靠。此外,借助信息的互聯互通,形成“開放”的“韌性”指揮控制架構。根據使命任務、環境態勢、力量手段等的臨機變化,靈活接入指揮實體,體現靈活可調的能動性與自組織能力,實現“架構動態重構、指揮快速接續”,確保行動控制靈活順暢。

基于跨域作戰體系架構的按需動態重構特點,邏輯架構的層級與組織關系設計的本質是面向作戰任務的即時聚優跨域殺傷網構建問題。如圖15所示,層級與組織關系設計過程中,首先需進行模型構建,包括跨域作戰效能目標函數以及時間、空間、能量等約束關系。在此基礎上,運用博弈論、運籌學、強化學習等理論,進行跨域殺傷網模型的動態求解,得到此時最優的層級與組織關系。最后,通過指揮節點的中心度、指揮架構網絡圖直徑、指揮架構網絡圖密度、橫向連通度等指標進行邏輯架構評估[12]。跨域作戰體系邏輯架構的評估指標如圖16所示。

圖15  跨域作戰體系邏輯架構的層級與組織關系設計

圖16  跨域作戰體系邏輯架構的評估指標

2.3.2作戰過程設計

跨域作戰體系的作戰過程設計應根據邏輯架構的層級與組織關系。根據跨域作戰體系的作戰任務,設計多域各作戰要素的行為、要素狀態變化等事件發生的先后順序。在信息化作戰條件下,跨域作戰呈現作戰力量高度融合、作戰空間多域多維、指揮要素類型多樣、指揮要素功能多元、指揮關系多重交叉等特點,使得作戰過程設計變得越來越復雜。

為規范跨域作戰體系的作戰過程設計,從總體上系統描述面向特定作戰任務的作戰過程與行動控制關系,以模型數據形式明確跨域作戰的要素組成與作戰流程,開展跨域作戰過程設計,包括同類作戰要素協同過程設計與異類作戰要素協同過程設計等內容。其中同類要素協同過程設計包括探測感知要素之間的協同過程設計、指揮控制要素之間的協同過程設計與攔截對抗要素之間的協同過程設計等內容;異類作戰要素協同過程設計包括探測感知要素與指揮控制要素協同過程設計、探測感知要素與攔截對抗要素協同過程設計、指揮控制要素與攔截對抗要素協同關系設計以及探測感知要素與指揮控制要素、攔截對抗要素協同過程設計等內容。跨域作戰過程設計內容如圖17所示。

圖17  跨域作戰過程設計內容

跨域作戰過程設計主要包括以下步驟:

(1) 根據作戰任務梳理跨域作戰體系的作戰活動,結合跨域作戰體系的作戰活動分解多域各要素的功能活動,并以數據流箭頭來表示多域各要素功能活動之間的連接,明確多域各要素功能活動之間的資源流。

(2) 構建要素的作戰事件/作戰活動之間的時間序列,可用于按照時間先后順序檢查參與其中的多域要素之間的交互信息,明確作戰線程,并對其中的關鍵事件/活動進行跟蹤,確保信息在多域各要素之間高效運轉。

(3) 按多域各要素分別梳理其參與的作戰事件,明確多域各要素在跨域作戰過程中的狀態及其狀態轉換關系,完成時序關系檢查和優化。

(4) 由邏輯視圖模型生成可執行的代碼框架,可基于外部事件驅動完成邏輯仿真、檢驗系統視角的一致性與完整性,并根據邏輯仿真結果返回步驟(2)進行迭代。

對于跨域作戰體系的作戰過程設計,一般通過結構型視圖的方式進行描述。

2.3.3信息交互設計

跨域作戰體系信息交互關系設計是在作戰過程設計的基礎上,對作戰過程中多域各要素之間的信息交互關系進行設計。

圖18  跨域作戰體系邏輯架構的信息交互關系示意圖

在信息交互關系設計的過程中,重點設計信息的來源要素、目的要素、信息內容等,通常通過結構型視圖形式進行描述,如圖18所示。在此基礎上,通過標準規范信息傳輸內容與格式。

2.3.4信息精度傳遞關系設計

跨域作戰的信息精度傳遞關系設計是在信息交互關系設計的基礎上,圍繞殺傷鏈有效閉合,對多域各要素與各作戰環節的誤差進行分析,并根據信息傳遞誤差選擇構成殺傷鏈的各要素。跨域作戰的殺傷鏈是指與殺傷過程相關的作戰鏈條,包含偵察鏈、感知鏈、決策鏈、打擊鏈、保障鏈、評估鏈等。美高度重視跨域作戰的殺傷鏈精度驗證,較為典型的跨域作戰試驗為美陸軍“項目融合-2021”,試驗中通過智能自主偵察、聯合空地打擊、聯合全域火力打擊、智能打擊等多項演練科目,測試了偵察鏈、打擊鏈等多種類型作戰鏈條的有效性。

對于信息精度傳遞關系設計,一般需結合仿真建模的方法進行。通過數值仿真得到大量數據,通過數據挖掘得到殺傷概率與影響跨域作戰信息傳遞精度的諸因素之間的函數關系。以對空跨域作戰為例,影響針對特定目標殺傷概率的因素包括單發殺傷概率隨傳感器探測威力、探測精度、導彈飛行速度、過載能力等,殺傷概率與上述因素之間的函數關系具有較強的非線性,適宜采用神經網絡進行擬合表征,數學模型公式為

通過以上數學模型對單條殺傷鏈進行可靠建模和表征后,即可對跨域作戰體系內的大量可選殺傷鏈進行統一表述。對于同一攔截目標,對不同殺傷鏈進行單發殺傷概率預估,得到滿足殺傷概率要求的殺傷鏈組合。

3 結束語

跨域作戰體系架構設計的復雜性源于其本身的強對抗性,強對抗環境下跨域作戰體系的要素組成,要素與要素間、要素與環境之間的關系,以及指導架構設計的準則都時刻發生變化。多維架構設計方法為強對抗環境下跨域作戰體系的架構設計提供了一種有效途徑。本文以滿足能力需求為目標,圍繞作戰能力生成,運用多維架構設計方法,開展跨域作戰體系的概念架構、物理架構與邏輯架構設計,給出了上述3種架構映射的模型,實現了滿足跨域作戰體系非線性、對抗性、自組織性等特性要求的綜合性系統設計。

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Research on Design Method of Multi-dimensional Architecture of Cross-Domain Operational Systems

ZHANGChenglong,ZHAOQiang,WEIRan,LITong

(Beijing Institute of Electronic System Engineering, Beijing 100854, China)

In order to solve the special complexity of architecture design of cross-domain operational systems, a design method of multi-dimensional architecture is proposed, including the design of conceptual architecture, physical architecture and logical architecture. The definitions and design procedures of the three above architectures are provided, with the conceptual architecture design including threat situation research, opposition research, capacity requirements analysis and operational concept generation, the physical architecture design including component elements selection, connection relationships description and deployment design, the logical architecture design including organizational hierarchy relationships design, operational process design, information sharing design and precision information transmission analysis. The proposed method can provide guidance for the architecture design of cross-domain operational systems.

cross-domain operational systems;conceptual architecture;physical architecture;logical architecture

2022 -12 -15 ;

2023 -02 -06

張承龍(1986-),男,安徽碭山人。研究員,博士,研究方向為體系與系統總體設計、分布式與無人作戰技術、人工智能技術應用等。

10.3969/j.issn.1009-086x.2023.03.003

TJ0; E835.8

A

1009-086X(2023)-03-0020-11

張承龍, 趙強, 魏然, 等.面向跨域作戰體系的多維架構設計方法研究[J].現代防御技術,2023,51(3):20-30.

Reference format:ZHANG Chenglong,ZHAO Qiang,WEI Ran,et al.Research on Design Method of Multi-dimensional Architecture of Cross-Domain Operational Systems[J].Modern Defence Technology,2023,51(3):20-30.

通信地址:100854 北京市142信箱30分箱

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