美軍體系結構框架演變趨勢

摘要：闡述了美軍信息系統體系框架從C4ISR、DoDAF到UAF的發展過程，從視角和模型的角度分析各階段體系結構框架的特點，并總結了框架從具體到宏觀、從局部到全面、向國際化發展的演化過程，結合演化過程和技術發展，探討性提出體系結構框架的開放式、層次化、服務化等發展趨勢，為后續我國我軍體系結構框架的設計開發提供參考。

關鍵詞：C4ISR；DoDAF；UAF；體系結構框架；視圖；模型

引 言

體系結構方法，是理解和描述人造復雜系統的本質以及與其行為、組成和演變相關的關鍵特性的方法學。體系結構框架，是描述在特定應用領域和/或利益相關者中建立體系結構的約定、原則和實踐。體系結構框架是體系結構方法在某個領域或組織群體中實施的約定或標準，是體系結構方法的落地準則，使各級管理者能夠打破聯合能力域的界限、部門界限或項目界限，實現有序的信息共享，提高關鍵的決策能力。

美軍是體系結構框架實踐的先驅。20世紀90年代，為滿足聯合作戰需求，美國國防部組織、提煉、總結體系結構框架開發經驗，逐步形成以視圖、視角、模型、產品等為核心的復雜組織機構和新型系統工程頂層設計的方法理論，不僅應用于多部門多系統的集成，還能夠支撐核心決策與協同作戰。

美軍體系結構框架發展歷程

美軍體系結構框架的發展，經歷了從軍種聯合作戰、國防部核心決策、多國聯合作戰的理念升級變化，形成了以指揮、控制、通信、計算、情報、監視和偵察系統（Command， Control，Communication， computer， Intelligence， Surveillance， Reconnaissance， C4ISR）、美國國防部體系結構框架（Department of Defense Architecture Framework，DoDAF）、統一體系結構框架（Unified Architecture Framework， UAF）等典型成果的過程，如圖1所示。

1995年10月，為解決國防部各部門各軍種信息系統互聯互通互操作的問題，國防部決定開發一種確保指揮、控制、通信、計算、情報、監視和偵察系統能力滿足作戰需求的方法。在助理國防部長指導下成立的C4ISR集成任務委員會，于1996年和1997年分別形成《C4ISR體系結構框架》1.0版和2.0版，詳細闡述全景和作戰、系統、技術的視圖關系。

2004年2月，為支持需求生成、規劃計劃、采辦管理，美國國防部正式頒布了DoDAF1.0版；2009年5月，為滿足領導決策和聯合能力開發集成、系統工程、項目管理等需求，體系結構工作組建議重點關注數據并向國際標準靠攏，美國國防部正式頒布了DoDAF2.0，提供了8個視角52個模型。

2009年，對象管理組織（Object Management Group， OMG）使用UML/SysML創建DoDAF和英國國防部體系結構框架（Ministry of Defence Architectural Framework， MoDAF）的統一配置文件標準UPDM（Unified Profile for DoDAF and MODAF， UPDM）1.0版。在2013年發布2.1版后，又將北約體系結構框架（Nato Architectural Framework， NAF）、加拿大國防部體系結構框架（Department of National Defense Architecture Framework， DNDAF）的安全視圖集成進來，形成UAF標準取代UPDM，到2022年，分別形成UAF1.0、1.1和1.2版本，提供了11個視圖12個方面的矩陣網格。

不同階段體系結構框架的視角與產品

視角/視圖，是觀察、分析與描述體系結構的立場、觀點與角度，如作戰部門關心作戰視角、裝備部門關心系統視角。產品/模型，是視角內的內容，一個或多個產品/模型組合成一個視角，如標準視角包含標準配置文件、標準預測模型。

在美軍的體系結構框架中，視角/視圖是框架描述的切入點，產品/模型是框架描述的主要內容。由于篇幅限制，本文主要以C4ISR 2.0、DoDAF 2.0和UAF 1.2版本為研究對象，分析美軍體系結構框架視角與產品的演變。

2.1 C4ISR體系結構框架

C4ISR體系結構框架定義了全景視圖、作戰視圖、系統視圖和技術視圖，其中除全景視圖之外的三個視圖之間相互的關系如圖2所示。

1. 作戰視圖與系統視圖：作戰視圖向系統視圖傳遞作戰所需的裝備、人員、信息需求，系統視圖向作戰視圖反饋節點、活動有關的系統要素。

2. 系統視圖與技術視圖：系統視圖向技術視圖傳遞系統的功能、關系、信息交互、平臺特性、威脅和約束所需的特定能力；技術視圖向系統視圖傳遞系統涉及的能力技術標準和準則。

3. 作戰視圖與技術視圖：作戰視圖向技術視圖傳遞作戰技術、能力要求；技術視圖向作戰視圖傳遞基礎技術和新技術能力。

4個視圖共包含26個產品，其中7個核心產品、19個支持產品。作戰視圖包含9個產品，描述任務和行動、作戰要素、作戰人員間的相互關系以及完成或支援軍事作戰所需的信息流。系統視圖包含13個產品，確定系統特征，并為比較系統性能與作戰要求提供基礎。技術視圖包括2個產品，確定系統實現的具體準則、標準；最終實現一個互操作的系統。

2.2 DoDAF體系結構框架

DoDAF定義了全景、能力、數據和信息、作戰、計劃、服務、標準和系統等8個視角。其中，能力、作戰、服務和系統4個視角之間具有分層關系，項目/計劃視角從管理上支撐體系結構框架，全景、數據和信息、標準視角分別從背景、模型和標準的角度描述整個體系結構框架。如圖3所示。

8個視角共包含52個模型，其中，能力、作戰、服務、系統4個分層視角共包含42個模型。能力視角包含7個模型，除描述能力本身的外，還描述能力與作戰、服務之間的關系；作戰視角包含9個模型，主要描述作戰概念、活動、規則、狀態和流程；服務視角和系統視角各包含13個模型，二者包含的模型名稱和描述角度基本一致，都描述背景、功能、度量、演進、狀態、規則等，以及自身組成及相互之間的作用和支撐關系。項目視角包含3個模型，從組成、時間線及其與能力之間的映射關系描述能力、作戰、服務和系統。

2.3 UAF體系結構框架

UAF構建了架構管理、概要和縱覽、戰略、業務、服務、人員、資源、安全、項目、標準、實際資源等11個視角，并給出了視角間的相互關系，如圖4所示。其中，水平視角的上下關系表示存在支撐關系、左右關系表示相關關系；垂直視角是體系結構跨層的支撐。

UAF構建的11個視角相互支撐，其中，架構管理、概要和縱覽、標準視角描述和服務整個框架；安全和服務視角跨業務和“人事+資源”兩個層次，并服務于資源和業務；戰略、業務、人事+資源、實際資源、項目等5個視角具有分層關系，上下間相互支撐。

UAF的11個視角分別從動機、分類、結構、相關性、處理、狀態、順序、信息、參數、約束、路線圖和可追溯等12個方面描述，視角為行、方面為列，形成合計79個網格，如圖5所示，表達視角和領域規范之間關系。各視角的主要描述如下：

1. 架構管理視角確定開發適當架構所需的元數據和視角；

2. 戰略視角主要是描述能力分類、組成、依賴性和演進過程；

3. 業務視角描述需求、行為、結構和交換的組織邏輯結構；

4. 服務視角是支持業務所需服務的描述；

5. 人事視角定義和探索組織資源的分類、關系、演變過程；

6. 資源視角描述實現解決方案所需的組織、軟件、部件、能力和自然資源的架構；

7. 安全視角定義軟硬件、政策、環境等安全資產和領域的層次結構；

8. 項目視角描述項目如何形成能力及其過程中的節點和要素關系；

9. 標準視角描述所需遵循和依賴的一組規則；

10. 實際資源視角描述預期或現實的實際資源配置。

體系結構框架視角與產品的演變

經過30年的發展，美國國防部牽頭組織制定的體系結構框架，經歷C4ISR、DoDAF、UAF三個階段。從C4ISR發展到DoDAF，架構需求從聚焦作戰拓展到支撐國防部改革和決策，覆蓋范圍從指揮、控制、通信、偵察等拓展到需求、預算、項目管理等領域；再面向多國聯合作戰需求，將體系結構框架發展到多架構融合的UAF階段。

3.1 C4ISR向DoDAF過渡

美國國防部體系結構框架從C4ISR向DoDAF發展，由4個視圖變成了8個視角，增加的分別是服務、數據和信息、能力、計劃視角，視圖/視角演變關系見圖2；產品/模型增加了26個，主要是能力、計劃和服務視角中增加了新的模型，增加或調整關系見表1。

在2008年《國防部體系結構框架產品開發問卷分析報告和新產品備忘錄》中，汲取英國國防部體系結構框架和北約體系結構框架的能力、計劃和服務視角的劃分，增加了能力、計劃視角及模型產品，并從現有的系統視角抽出面向服務的視角。為了體現以數據為中心的思想，將原來系統視圖和作戰視圖的數據模式部分合并到數據和信息視角中。

DoDAF視角模型對C4ISR視圖產品中的OV-5作戰活動模型、SV-5作戰活動與系統功能追溯矩陣進行分解細化，移位OV-7邏輯數據模型、SV-11物理模式到數據和信息視角，并新增能力和計劃視角的所有模型。

此外，DoDAF從C4ISR視圖系統視角拆分為服務和系統視角，兩個視角的模型除在SV-3/SvcV-3服務與系統矩陣、SV-5/SvcV-5作戰與服務-系統的矩陣關系時有所不同外，基本上是一一對應關系；這是為了適應從系統到服務的交互模式變化，后續將以服務方式交互信息、支撐作戰。

3.2 UAF向DoDAF的映射

UAF由UPDM發展而來，UPDM的實質是在不同框架間建立統一的元模型，并提供一致的、標準化的方法來描述DoDAF和MODAF；發展到UAF1.2版，標準又增加了UAF企業體系結構指南，用來指導使用UAF建立企業（或組織）體系結構的步驟。

由于UAF融合了DoDAF、MODAF、NAF、DNDAF體系結構框架，表達方式變成了矩陣網格，行表示視角、列表示視角的方面。相比DoDAF增加了架構管理和安全視角，減少了數據與信息視角；增加了動機方面，把信息和數據視角變成方面。詳細見圖7。

UAF的網格與DoDAF模型不是明確的一對一關系，也不是所有的網格都要表示，UAF標準的附件1給出了UAF標準與其他各體系結構框架的模型、元素和類等層面的詳細映射關系。

體系結構框架的演化和發展趨勢

美軍體系結構框架的發展經歷了三個主要階段，框架視角越來越全面、模型越來越抽象，并且逐漸向國際標準靠攏，呈現出開放式、層次化、服務化等趨勢。

4.1 體系結構框架的演化分析

美軍體系結構框架的適用面越來越廣，開發的思想、方法也在逐步變化，視圖/視角數量逐步增加，模型/產品逐步細化完善。

4.1.1框架領域從具體領域到全面宏觀

隨著體系結構框架的發展，適用領域和使用范圍呈現從具體到全面、從系統到宏觀的趨勢，體現在如下兩個方面：

（1）框架覆蓋的組織機構越來越廣

C4ISR為了解決不同作戰領域的系統互操作和集成問題，是在若干作戰機構范圍；DoDAF為了解決國防部層面的決策支持和管理問題，是在整個國防部及其所管轄范圍；UAF為了解決不同體系結構框架的建模和互通互操作問題，是在不同國家和北約組織范圍。

（2）框架適用的領域范圍越來越寬

C4ISR解決的是指揮、控制、通信、計算、情報、監視和偵察等信息系統的集成，是在裝備、系統層面；DoDAF解決的除作戰領域外，還囊括了能力生成、規劃計劃、采辦、預算、項目管理、系統工程等領域，上升到戰略層面，也覆蓋具體執行層面；UAF力圖解決美國、英國、加拿大、北約體系結構框架的集成表達，是不同國家作戰體系的聯通。

4.1.2視角模型從局部聚焦到全面清晰

隨著體系結構框架需求的不斷擴充，視圖和模型的數量也在不斷增加，并且視圖與模型的邏輯越來越清晰，體現在如下兩個方面：

（1）框架視圖/視角越來越完善

C4ISR視圖聚焦作戰與系統的交聯，并使用技術視圖和全景視圖支撐描述。DoDAF視角頂層定位上升到能力，并新增計劃、數據和信息、標準視角（原技術視圖）支撐，且在作戰和系統視角之間增加服務視角，體現了互聯互通的思想從系統到服務轉變的思想。UAF融合不同框架，與ISO14010國際標準接軌，增加了架構管理、安全、實際資源等視角，并將組織從規劃到執行自頂向下、反復迭代的思想融入其中。

（2）框架產品/模型越來越清晰

C4ISR四個視圖共計26個產品，其中，作戰視圖9個產品，系統視圖13個產品，兩個視圖合計22個產品，詳細描述了作戰和系統視角及其相互關系。DoDAF八個視角共計52個模型，其中，能力視角7個模型，服務視角13個模型，作戰和系統視角模型數量與C4ISR一致，詳細描述了能力、作戰、服務、系統之間的關系，計劃視角站在組織機構、項目、時間基線等的角度描述從能力到系統的狀態。UAF共計88個網格，主要增加在架構管理、安全視角中的模型，并從動機、分類、結構、相關性、處理、狀態、順序、信息、參數、約束、路線圖、可追溯性等12個方面分別描述11個視角，單個視角下的模型關系邏輯更加清晰。

4.1.3框架方法向民用和開放組織靠攏

在體系結構框架升級演變過程中，不斷吸納國際先進組織思想，使用本體抽象的方法論和嚴謹一致的建模語言，以適應體系結構框架自身升級和融合的需要。

C4ISR整合了陸軍、海軍、空軍、海軍陸戰隊、國防情報局、國防信息系統局等部門的系統標準化元素、參考模型和體系結構等要素，形成以核心體系結構數據模型（Core Architecture Data Model， CADM）為核心模型的框架描述和數據組織方法。DoDAF 2.0版引入國際國防企業體系結構規范（International Defense Enterprise Architecture Specification， IDEAS）的DM2（Department of Defence Meta-Model， DM2）元模型，術語方面向ISO15074、14439以及42010/IEEE1471靠攏，如“視圖”改為“視角”。UAF框架標準由OMG組織牽頭，重用統一建模語言（Unified Modeling Language，UML）和系統建模語言（System Modeling Language， SysML）形成統一體系結構框架建模語言（Unified Architecture Framework Modeling Language， UAFML）建模語言，貫徹系統工程（System of Systems， SoS）、業務流程建模標識（Business Process Modeling Notation， BPMN）的設計原則，并引入ISO42010、42020中的框架描述和迭代完善思想，形成以領域元模型、建模語言為標準主體，以追溯性、典型問題、框架指南為標準附錄的系列文件。

4.2 體系結構框架的發展展望

從C4ISR發展到UAF，體系結構框架逐漸順應服務化、抽象化的趨勢，在視角、模型、表達等方面逐漸完善、全面，但也存在信息量龐大、抽象層次高、理解和使用復雜等情況。隨著信息管理技術的開放式、智能化發展，體系結構框架必定全面融入國際化標準組織，并與民用體系結構框架共同發展，將出現以下發展趨勢。

（1）體系結構框架的視角越來越全面，且能夠適當分層分類。

體系結構框架是向不斷全面和完善的方向發展，需要向不同層次、不同分工的利益攸關者提供不同視角，所需的視角也越來越多樣，整體上不斷完善。視角數量越多越全面，但也帶來理解和定位復雜的問題，需要將視角縱向按照決策-執行分層，或橫向按照分工或專業分組。

（2）體系結構框架的模型逐漸嚴謹、細致，且可以靈活組合、即插即用。

體系結構框架是為了形成一個對復雜組織體規范的、統一的成果集，指導其設計、運行或發展。越是形式化、規范化、模型化的成果，越容易轉換成復雜系統或組織體的輸入；隨著大系統的開放式、松散耦合理念的發展應用，體系結構模型也應基于嚴謹的建模語言設計，體現模塊化、服務化、標準化等特征。

（3）體系結構框架的元素概念越來越抽象，粒度越來越細致。

UAF從融合不同體系結構框架出發，已經定義了一套在不同架構間映射的元模型和概念。將來的體系結構框架方法有趨向統一的趨勢，這不僅是在不同體系結構間做映射能夠解決的，必將使框架元素原子化、框架概念抽象化，以滿足各類組織或系統描述的需求。

（4）體系結構框架應配套智能工具，降低理解和實施的門檻。

如前所述的發展趨勢，視角和模型都是越來越多，視角和模型的關系越嚴謹，模型越來越松散；而對應的底層元素和概念卻是越來越抽象、越來越細致。從范圍、數量和深度上都有增加，所以非常必要配套輔助框架理解和實施的軟硬件工具，甚至還可以開發輔助識別的智能算法和模型，以降低人為理解和識別體系架構的門檻。

結束語

體系結構從不同角度給出對組織或系統的全面描述，體系結構設計方法吸納服務化、模塊化和系統工程等思想，逐漸成為復雜組織的管理者改革，或復雜系統研發者設計的工具。我軍結合國情和管理模式，吸收其他體系結構框架的經驗，剪裁、制定了兩版信息系統體系結構設計指南，可在項目論證、系統研制建設中參照使用。

體系結構設計方法需要團隊的認知、溝通、表達有高度的一致性，才能形成體系化、層次化的領域框架成果；并且需要抽象化、系統化思維的人才，和配套描述和管理模型的工具，才能形成規范化、可復用的成果集。我國、我軍在體系結構相關人才的培養、配套工具的研發、體系框架的設計與實施驗證等方面，還有很長的路要走。