基于DoDAF的低慢小飛行器綜合處置體系架構設計

衛繼承, 張 娟,*, 楊文雅, 馬嵐嶺, 張 航

(1. 西北工業大學力學與土木建筑學院, 陜西 西安 710129; 2. 上海烜翊科技有限公司, 上海 200233)

0 引 言

隨著航空工業的快速發展,低慢小飛行器得到廣泛應用,但由于技術手段的制約,低慢小飛行器的處置具有明顯的滯后性,低慢小飛行器的綜合處置作戰已成為新型體系作戰研究的熱點和難點[1-2]。

典型低慢小飛行器的處置系統包括傳感系統、中和系統[3]、指控系統等[4-5],因此傳統低慢小飛行器處置體系的建設思路多基于探測跟蹤[6-7]、預警技術[8-9]、干擾誘騙[10-11]、毀傷技術[12-13]等方面的特長進行研究[14]:部分研究者通過傳統技術手段對低慢小飛行器的綜合處置體系展開系統級的研究[15-16];部分研究者在傳統手段的基礎上對低慢小綜合處置體系中某些關鍵技術流程進行了設計[17]。

隨著作戰模式、作戰手段和作戰空間的改變,低慢小飛行器的處置過程趨于多個系統及其子系統之間互相協調、密切交互的多維度多步驟的綜合過程[18],低集成化的技術手段難以有效解決復雜作戰環境下低慢小目標的綜合處置問題。研究者開始探索其基于模型的體系架構設計方法:在體系架構設計工具層面對低慢小綜合處置體系的架構提供了設計支持[19];采用數值仿真對低慢小綜合處置體系的指控系統進行了建模和仿真[20];從體系建設的層面對低慢小目標綜合處置體系進行了研究,提出一種軟硬兼施的低慢小目標防控體系[21];對包含低慢小飛行器在內的無人機的反制技術體系架構基本框架進行了初探[22]。

然而,面向未來的新型低慢小飛行器的綜合處置體系有著更為突出的難點:其威脅環境更復雜、多學科關鍵技術交互更密切[23]。為解決上述難點、降低設計的復雜性,有必要引入美國國防部體系架構框架(Department of Defense Architecture Framework,DoDAF)來實現對低慢小飛行器的綜合處置體系的架構設計。

DoDAF作為一種體系架構方法為構建復雜作戰體系提供了行之有效的手段。美軍國防部于2004年發布了DoDAF1.0,在2007年更新為DoDAF1.5[24-25],在2009年正式更新為DODAF2.0[26]。由DODAF2.0框架建立的模型,可以對復雜體系各層次及粒度進行體系建模與仿真。

因此,本文基于DODAF2.0對其視角視圖進行“補充、裁剪、融合”,形成一套面向復雜體系分析與設計問題可復用迭代的架構方法及一套體系架構快速設計方法,并以一種新型多元載荷協同作戰的低慢小綜合處置體系進行建模與仿真,為低慢小飛行器的綜合處置體系提供了系統全面的描述和可靠的概念模型支撐。

1 體系架構設計方法

1.1 體系架構設計方法工作流程

DoDAF作為體系架構框架被應用于諸多領域,但在美國國防部發布的DoDAF2.0文檔[26]中并未涉及完備的實踐流程,因此還未有成熟的體系架構設計方法可以借鑒。在基于具體業務的體系架構設計工作中,需要結合體系架構正向設計的需求對設計方法和設計過程進行深入研究。

因此,本節對體系架構設計的視角及各視角下的視圖進行了詳細設計及優化,定義了各視角的建模順序及各視角下的視圖建模方法,新增需求視角,最終建立起基于DoDAF2.0的可覆蓋完整業務的體系架構設計方法。

1.1.1 全局視角建模流程

全局視角的輸入來源是國家頂層軍事戰略描述與整個體系架構有關的頂層內容,包括范圍、背景、威脅、規則、約束條件、假設等。在體系架構開發的整個生命周期中,全局視角保證了組織變化前后體系架構描述的連續性。

全局視角建模流程首先構建AV-1全局背景描述視圖,然后構建AV-2全局數據字典視圖。其中,AV-2視圖在體系架構建模過程中被不斷更新,是整個建模工作的終點。

1.1.2 能力視角建模流程

能力視角用于解決決策層所關心的問題。美國國防部為彌補傳統的“基于威脅規劃”的體系需求開發方法在一體化聯合作戰[27]中的不足,將“基于威脅規劃”的體系需求開發方法發展為“基于能力規劃”方法,并逐漸形成了“能力需求牽引武器裝備體系發展建設”的共識[28]。

能力視角下視圖構建流程如圖1所示。能力視角下視圖的構建是能力需求對作戰使命任務的映射:一方面,能力視角作為整個體系架構設計的目的和約束,為后續評估體系的構建提供能力牽引;另一方面能力視角可為決策層審視不同體系架構方案是否存在能力重疊提供依據,避免能力的重復建設、獲取能力缺陷和差距。

1.1.3 作戰視角建模流程

作戰視角從作戰業務的角度對戰略層次的能力需求進行回應,闡述實施作戰所需的任務與活動、作戰流程、作戰要素以及資源流等,重用了能力視角中的各種能力,將其帶入具體的作戰想定中進行分析,從而對能力的邊界進行約束達成共識。因此,通過作戰視角下視圖的定義能夠提升需求的質量及完備性,作戰視角下視圖構建流程如圖2所示。

圖2 作戰視角下視圖構建流程Fig.2 View construction process of operational viewpoint

1.1.4 系統視角建模流程

系統視角用來描述支撐作戰能力的系統功能以及系統之間交互關系等,根據作戰場景中作戰單位和作戰流程,確定參與武器系統的類型、武器系統的配比方案;然后基于攻防對抗流程,分析武器系統所需執行的活動;將各武器系統執行的活動進行綜合,獲得武器系統的頂層功能;逐條分析系統在作戰時的各種約束,并進行基于約束的系統活動時序的分析;確定各武器系統所執行的所有狀態間的遷移關系;最后基于以上系統業務的分析牽引出系統的性能指標度量。系統視角下視圖構建流程如圖3所示。

圖3 系統視角下視圖構建流程Fig.3 View construction process of system viewpoint

1.1.5 標準視角建模

標準視角用來管理系統各組成部分或要素的編排、交互和相互依賴的規則的最小集[29],目的是確保系統能滿足特定的作戰能力、確定現在或將來需要用到的技術標準。標準視角的構建流程為先構建StdV-1標準提要視圖,再構建StdV-2標準預測視圖。

1.1.6 需求視角建模流程

基于DoDAF2.0的體系架構設計是一個以需求為中心的迭代過程,其側重在于從需求到實現的自上而下的細化的過程,為了更直觀地將上層功能精確映射到需求中,在DODAF 2.0框架上補充構建需求視角,需求視圖構建流程如圖4所示。

圖4 需求視角下視圖構建流程Fig.4 View construction process of requirement viewpoint

首先,基于體系架構模型中的使命任務、作戰能力、作戰活動等模型數據生成RV-1體系需求視圖、RV-2使命任務需求視圖。其中,體系需求視圖包括:作戰需求視圖、裝備能力需求視圖、裝備外部接口需求視圖以及裝備狀態集視圖。

其次,構建需求追蹤矩陣視圖:通過RV-4a矩陣視圖建立使命任務與作戰能力需求之間映射的關系,通過RV-4b矩陣視圖建立作戰能力與分系統需求之間映射關系。

通過使命任務到作戰能力需求、作戰能力到分系統需求的矩陣描述可直觀地對需求傳遞的完整性、傳遞過程是否存在重復滿足、需求實現是否存在缺陷等方面進行判斷,最終實現需求上下層之間的滿足度分析。

最后,進行需求追蹤分析與管理:分析使命任務是否被完全覆蓋,裝備功能能否實現使命任務,對分系統需求和裝備能力需求之間的來源進行分析。

1.1.7 體系架構設計方法工作流程

通過前節中對DoDAF各個典型視角的標準建模流程的分析與設計,提出如圖5所示的體系架構設計完整建模流程。

圖5 體系架構設計完整建模流程Fig.5 Total modeling process of architecture design

1.2 體系架構快速設計方法

在體系的架構設計過程中,本文基于業務因素在DoDAF各主要視角完整工作流程的基礎上提出體系架構快速設計方法如圖6所示。

圖6 體系架構快速設計方法Fig.6 Rapid design method for architecture

步驟 1對作戰概念進行構想,完成AV全局視圖建模。

步驟 2對殺傷鏈[30]和作戰能力進行分析,完成CV能力視圖建模。

步驟 3對作戰過程進行分析,基完成OV作戰視圖建模。

步驟 4設計武器裝備配置方案,對武器系統的行為邏輯進行分析,完成SV系統視圖建模。

步驟 5將AV、OV視圖中的使命任務與CV視圖中的作戰能力、SV中的武器裝備建立映射關系,進行需求分析。

2 低慢小飛行器綜合處置體系架構設計實例

根據上述體系架構設計方法,本節搭建起一套基于偵察、指控、通信、攔截四方面載荷高效集成、協同防控的新型低慢小飛行器綜合處置體系。該體系在探測與處置手段相結合的基礎上,增加了指控、通信等載荷,以各方面載荷的協同及綜合集成作為設計目標,將指控節點服務化、體系能力條目化、處置手段多元化、目標攔截精準化作為架構設計思路,形成了基于DoDAF2.0以指控為核心的綜合處置體系模型。由于篇幅限制,本文只展示部分關鍵體系結構模型。

2.1 全局視角建模

AV-1全局背景描述視圖包含了低慢小綜合處置體系架構的概述和頂層信息,使決策者能夠在體系架構模型之間快速參考和比較,主要記錄項目作者和版本信息、作戰區域、作戰時間、作戰背景等。

2.2 能力視角建模

CV-1能力構想視圖用來描述低慢小綜合處置體系架構生命周期、愿景、目標等高層視野。本文提出的新型低慢小飛行器綜合處置體系架構的生命周期可以分為發現目標和實施打擊兩個階段,主要依賴的一級作戰能力有:探測、指控、通信、打擊、機動等能力。

CV-2能力分解視圖描述作戰中的能力的層次化結構即描述低慢小綜合處置過程中所需的二級或更細粒度的作戰能力以及各個層次能力之間的層級關系,如圖7所示。

圖7 CV-2能力分解視圖Fig.7 CV-2 capability breakdown view

CV-2和CV-4都是用來處理能力之間關系的視圖,CV-2進行能力的分解,而CV-4用于描述能力之間的依賴關系,低慢小綜合處置體系能力依賴如圖8所示。

圖8 CV-4能力依賴關系視圖Fig.8 CV-4 capability dependency view

2.3 作戰視角建模

OV-1高層作戰概念視圖是對作戰高層作戰概念進行圖形化的表示。低慢小綜合處置中的作戰單位主要有:預警探測單位、地面指揮單位、處置單位。

OV-2作戰資源流描述視圖,描述低慢小飛行器綜合處置作戰節點之間的連接和信息交互及作戰單位之間的關聯關系,作戰資源流描述視圖如圖9所示。

圖9 OV-2作戰單位資源流描述視圖Fig.9 OV-2 operational unit resource flow description view

OV-5b作戰活動流視圖,描述低慢小綜合處置中作戰活動與作戰活動之間的關系以及作戰活動與作戰單位之間的關系,作戰活動流視圖如圖10所示。

圖10 OV-5b作戰活動流視圖Fig.10 OV-5b operational activities flow view

OV-6c作戰時序視圖,描述低慢小綜合處置中指定作戰規則下作戰單位的作戰時序以及作戰單位之間的事件交互,作戰時序視圖如圖11所示。

圖11 OV-6c作戰活動時序圖Fig.11 OV-6c operational activity sequences view

OV-6b作戰單位狀態轉換視圖,描述作戰單位在作戰中所執行的狀態及狀態間的轉換關系以及外部事件驅動,作戰單位狀態轉換視圖如圖12所示。

圖12 OV-6b作戰單位狀態轉換視圖Fig.12 OV-6b operational unit state transitions view

2.4 系統視角建模

SV-2系統關系視圖,定義低慢小飛行器綜合處置作戰中武器系統之間的關系、接口及資源交互,如圖13所示。

圖13 SV-2系統關系視圖Fig.13 SV-2 system relationship view

SV-4系統功能分解視圖,定義低慢小飛行器綜合處置作戰中武器系統的頂層功能需求、武器系統標準功能的組成和層級關系以及武器系統之間的數據流和功能流,分別如圖14和圖15所示。

圖14 SV-4系統分解視圖Fig.14 SV-4 systems breakdown view

圖15 SV-4系統功能流描述視圖Fig.15 SV-4 systems function description flow view

SV-5a系統功能與作戰活動映射視圖,描述低慢小綜合處置體系中武器系統頂層功能與作戰活動之間的關系。SV-5b系統與作戰活動映射視圖,描述低慢小飛行器綜合處置作戰中武器系統與作戰活動之間的關系。SV-10c系統時序描述視圖,描述指定作戰規則下的各武器系統的作戰時序以及低慢小飛行器綜合處置作戰中各武器系統之間的事件交互,其建模方法與OV-6c作戰時序視圖相同。SV-10b系統狀態轉換視圖,描述低慢小飛行器綜合處置作戰中各武器系統執行的狀態及狀態間的轉換關系以及各武器系統收到的事件驅動,其建模方法與OV-6b作戰單位狀態轉換視圖相同。

SV-7系統度量視圖,用于描述各武器系統的頂層功能及對應的性能指標及其度量,牽引綜合處置體系的戰技指標,如圖16所示。

圖16 SV-7系統度量視圖Fig.16 SV-7 system measures view

3 可執行模型的仿真驗證

可執行模型的仿真驗證原理是通過體系架構模型仿真運行能力,生成用于復雜模型驗證的可執行框架,實現作戰體系架構的邏輯推演,即對作戰概念、作戰流程完整性和邏輯正確性驗證,為模型的業務正確性和分支的完整性提供判斷依據,如圖17所示。

圖17 體系架構仿真運行流程Fig.17 Operation process of architecture simulation

可執行模型的仿真驗證主要包括作戰視圖模型邏輯仿真和系統視圖模型邏輯仿真。在仿真過程中,提供可視化手段對架構模型進行推演,即對狀態機進行著色處理,可執行模型的狀態轉換視圖體現當前所處的狀態。按照狀態機的執行過程實時生成動態時序圖,可執行模型的動態時序圖體現了各執行者執行的活動、順序和執行者間的資源交換。

作戰視圖模型邏輯仿真推演可以完成作戰邏輯的驗證,包括敵我雙方攻防對抗流程的仿真驗證、作戰單位作戰能力的仿真驗證,如圖18所示。系統視圖下的仿真完成系統級模型邏輯的驗證,包括對敵我雙方武器系統的運行流程的仿真驗證和對武器系統的頂層功能的仿真驗證。

圖18 作戰視圖的邏輯仿真示例Fig.18 Example of logical simulation in operational view

以系統視角下某幾處關鍵外部觸發為例,對可執行模型的邏輯自洽仿真驗證進行演示。

在作戰初始階段,當低慢小綜合處置體系收到作戰開始指令后,指揮所向預警系統與無人偵察機下達偵察指令,收到指令后無人偵察機進行偵察探測,預警系統值班待命。當外部觸發執行“作戰開始”指令,可執行模型的動態仿真執行如圖19所示活動,在該階段,仿真結果與預期設計一致,說明模型功能描述正確。同理,當外部觸發執行“打擊效果評估”及“決定打擊目標”指令時仿真驗證結果如圖20和圖21所示。

圖19 “作戰開始”模型響應Fig.19 Response of “operation start” model

圖20 “打擊效果評估”模型響應Fig.20 Response of “strike effect evaluation” model

圖21 “決定打擊目標”模型響應Fig.21 Response of “determine strike target” model

模型仿真驗證的結果證明:體系架構模型功能完整、合理、可靠,可執行模型的活動、時序、狀態轉換符合作戰邏輯,資源流描述與作戰想定一致;同時在仿真過程中能夠得到實時戰場態勢,為后續智能決策的實現提供了一定的參考。

4 結 論

航空工業的快速發展帶來了低慢小飛行器使用量的爆發式增加,對作戰模式、作戰手段和作戰空間產生了深刻的影響,低慢小飛行器的綜合處置逐漸成為未來戰場的重要作戰形式。本文在精確分析體系架構建模理論的基礎上,圍繞其八類視角52類視圖進行了“裁剪+補充+融合”,補充需求視角,形成一套面向各類復雜體系分析與設計問題完備的架構方法及一套體系架構快速設計方法,并提出了一種新型多元載荷協同作戰的低慢小綜合處置體系。針對某一典型作戰場景進行運用:首先根據典型場景提供的需求作為輸入,從全局、作戰、系統等多個視角對作戰流程、作戰邏輯以及接口關系等進行分析和描述,以模型為基礎進行靜態分析;然后對生成的可執行的DoDAF模型進行仿真驗證,結果證明體系架構模型功能完整、邏輯正確。通過模型和仿真為低慢小的綜合處置作戰提供了系統全面的描述和可靠的概念模型支撐,并為后續作戰研究提供進一步的牽引。