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基于DoDAF 的岸舰导弹武器装备体系结构建模
 
作者:张天琦 吕卫民 陈美杉 臧恒波
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 2024-7-9
 
编辑推荐:
本文主要介绍了基于DoDAF体系结构建模方法以及岸舰导弹作战体系结构模型和体系验证,希望对你的学习有帮助。
本文来自于参考网 ,由火龙果软件Alice编辑、推荐。

0 引言

岸舰导弹,是海军岸防兵的主要武器之一,从20 世纪50 年代至今被广泛应用于海上局部战争,对战局起着至关重要的作用。近些年来,随着各国海上力量的迅速增强,为保护我国国土安全、扼守海峡和掩护近岸交通线,对其他国家及地区海上力量形成有效威慑,有必要研制快速反应突防、精确打击、抗干扰能力强的新型导弹。但随着信息化时代的高速发展,现代化战争是在陆、海、空、天、电等多维空间展开的作战,单一武器作战效能的提升不足以提升全面作战能力,为此,有效构建岸舰导弹武器装备体系,分析其作战效能极为必要。

美国国防部体系结构框架(department of defense architecture framework,DoDAF)建立的流程和模型可作为系统集成和架构开发的指南,DoDAF 基本原理简单,构建体系架构操作性强。对作战体系建立模型框架,是分析现代化作战的有效手段。DoDAF 模型可视化,支持DoDAF 的软件十分丰富,既可进行评估整体的仿真,也可支持统一建模语言(unified modeling language,UML)并从模型生成实时运行的计算机代码。DoDAF 建模具有一致性,可通过子体系的拼接构建上层体系,例如:通过拼接岸舰导弹武器装备体系、舰舰导弹武器装备体系、空舰导弹武器装备体系、天基侦察系统等构建反舰作战体系。目前对岸舰作战的分析相对较少且没有统一标准,故通过DoDAF 构建岸舰导弹武器装备体系,为分析岸舰导弹作战效能、反舰导弹武器装备体系作战等提供支持参考。

1 DoDAF 体系结构建模方法

1.1 DoDAF 概述

DoDAF 是由美国国防部的US Undersecretary of Defense for Business Transformation 工作小组制定的体系架构(architecture framework,AF),是一种基于业务导向和驱动的架构,其架构内容针对某一特定目标,并与该特定目标下的特定项目和任务具有一致性的描述。由于体系架构描述可应用于各个层级,故在不同层级间其任务目标、内容、结构和具体细节的描述存在一定差异。但同层级间可通过DoDAF 的一致性确保信息的重复使用,通过明确特定目标、建立共识的基础共享体系架构的信息、模型和观点,有效拼接后支持上层决策。

DoDAF 的前身是美国自动化指挥系统(command、control、communication、computer、intelligence、surveillance and reconnaissance,C4ISR)体系结构框架,通过几代产品的更替发展到2010 年的最新版本DoDAF 2.02 版本,相较于DoDAF1.0 版本和1.5版本,2.02 版本将体系架构开发重点从产品为中心转变为以数据为中心,并通过采用构建元模型组(DoDAF meta-model,DM2)指导架构师收集和组织必要的架构数据,以提高体系架构的实用性和有效性。DM2 有概念数据模型(conceptual data model,CDM)、逻辑数据模型(logical data model,LDM)和物理交换规范(physical exchange schema,PES)3 个层次,分别从基础数据、技术信息和属性3 个方面进行规范,DM2 包含参与者、活动、资源流、能力、服务、项目、目标、规则、位置等多个概念,可根据体系架构进行裁剪。DoDAF 2.02 建模的核心内容是根据8 个视图出发,有效裁剪其中52 个模型以构建体系架构,其中8 个视图模型如图1 所示(纵向视图表示综合业务,横向视图表示专用业务)。

图1 8 个视图模型

1.2 岸舰导弹武器装备体系构成

为直观了解岸舰导弹武器装备体系构成,更好地构建DoDAF 结构模型,将其划分为体系级、系统级、平台级和单元级4 个层级进行分析,如图2所示。

图2 岸舰导弹武器装备体系构成

岸舰导弹武器装备体系可以分为侦察探测系统、指挥控制系统、导弹发射系统和维护保障系统4个子系统。其中,侦察探测系统主要由侦察卫星、无人侦察机、作战舰艇和舰载直升机等作战平台构成,用于提供战场态势、识别跟踪目标、评估打击效果等,最后将数据传输给指挥控制中心;指挥控制系统,主要由各级指挥中心或指挥舰和预警机等作战平台构成,用于接收战场信息、进行数据信息融合处理以提供统一的作战信息,供各级指控中心进行作战决策,并向导弹发射系统分发目指信息进行火力编配;岸舰导弹发射系统主要是指由指挥控制车、导弹发射车和保障车辆等组成的火力单元,用于装填指挥控制中心分发的目指信息,通过求解火控数据,发射导弹进行火力打击;维护保障系统主要由电源设备、导弹运输装填设备、维修设备等构成,用于保障作战任务的完成。

1.3 基于DoDAF 的体系架构建模步骤

根据DoDAF 2.02 对岸舰导弹武器装备体系作战想定建立体系架构,选取CDM 中基础数据元模型数据组有:活动(activity)、资源(resource)、信息(information)、执行者(performer)、能力(capacity)和范围(location),其中执行者包含组织(organization)、系统(system)和人员类型(person role)3 部分;选取LDM 中技术信息元模型数据组有:资源流(resource flows)、规则(rules)和目标(goals)。其中各元模型间关系如图3 所示。

图3 元模型间关系图

构建岸舰导弹武器装备体系作战想定体系架构主要采取全景视图、能力视图、作战视图和系统视图4 种视图,将每个视图看作一个元模型组的集合,将DM2 数据组中活动、资源、信息、执行者、能力、范围、组织、系统、人员类型、资源流、规则、目标分别简写为:A、R、I、P、C、L、O、S、PR、RF、RU、G。由于作战视图为核心内容,因此展开讨论,其元模型组表示式如下:

 

元模型组选定后通过裁取各个视图下的模型进行体系架构建模,其开发序列如下:

Step 1 建立综述和概要信息模型AV-1,对作战想定的体系通过充分数据收集有一定的认识;

Step 2 根据AV-1 建立综合词典AV-2 和顶层作战概念图OV-1,对作战体系信息进行梳理分类并将作战想定具体化;

Step 3 建立组织关系图OV-4 和愿景CV-1,梳理组织关系并对作战需求能力进行分析;

Step 4 建立作战活动分解树OV-5a、作战活动模型OV-5b 和作战资源流表述模型OV-2,对作战活动进行分解,将作战过程中的信息流动进行梳理;

Step 5 可构建作战规则模型OV-6a,分析作战中的约束(可省略),同时构建能力视图中其余模型(可裁取)、系统接口表述模型SV-1 和系统功能模型,对系统进行分析;

Step 6 可构建作战状态转换模型OV-6b(可省略)和系统资源流模型,从系统角度分析资源交换;

Step 7 可构建作战事件跟踪模型OV-6c、系统功能与活动关联矩阵SV-5a 和系统与活动关联矩阵SV-5b,在作战活动充分分析后,创建系统与活动关联接口;

Step 8 构建作战信息交换矩阵OV-3 和系统-系统矩阵SV-3,充分分析作战活动中和系统中信息资源流动。

具体体系架构模型开发序列,如图4 所示。

图4 体系架构模型开发序列

2 岸舰导弹作战体系结构模型

在反舰作战任务中,岸舰导弹作为远程精确打击的主要作战力量,其完成作战任务具有多控制节点、多组织系统协同行动的特点,故以此为背景根据岸舰导弹武器装备体系的作战特征和组织构成,建立典型岸舰导弹作战体系结构模型。由于篇幅限制,仅展示关键视图模型。

2.1 高级作战概念图

高级作战概念图OV-1 用于描述作战的任务、任务分类及场景,展现主体架构与环境之间以及体系架构与外部系统之间的交互关联。关于岸舰导弹武器装备体系实现作战任务的OV-1 将AV-1 概述和摘要信息的相关内容以图表形式表示。

根据岸基反舰作战需求,作战想定如下:敌方大中型水面舰艇及其海上编队对我国领海产生威胁时,基于岸舰导弹武器装备体系进行反舰作战,主要包括以下阶段:

阶段1 侦察探测阶段

运用以侦察卫星、监视卫星为主的天基侦察探测系统,以空中、海面、岸基侦察探测系统为辅对敌方舰船目标进行侦测,预先了解敌对方作战意图并将相关数据参数传输至联合作战指挥中心供指挥机构进行决策。

阶段2 下达作战指令

数据处理中心接收处理数据后通过综合研判形成海上态势,由联合作战指挥中心确定打击目标、生成目指信息并下达作战指令。

阶段3 作战阶段

无人侦察机接收指令起飞进行光电侦察,岸基作战平台阵地展开,实时接收远程目指信息,经航路规划后实施导弹发射任务。

阶段4 作战评估阶段

无人侦察机进行战场毁伤评估并将信息经由数据处理中心传回联合作战指挥中心规划是否进行二次打击。

根据该岸舰作战想定可构建高级作战概念图OV-1,如图5 所示。

图5 高级作战概念图OV-1

2.2 组织关系图

组织关系图OV-4 基于人员、组织和组织类型构建了组织结构间的交互关系,该视图不仅可以显示典型的组织结构,还可以显示某个时间点下特定的、现实存在的组织,或者是两者组成的混合视图。根据岸舰导弹武器装备体系作战建立如图6 所示的组织关系图。

图6 组织关系图OV-4

根据综合词典AV-2 中执行者的相关数据分析,作战组织节点主要有联合作战指挥中心、天基侦察探测系统、空中侦察探测系统、通信部门、机动岸基作战平台等,其具体关系通过连接线标记,主要关系为协同关系、指挥控制关系和隶属关系。

2.3 作战活动分解树及模型

作战活动分解树OV-5a 和作战活动模型OV-5b 描述了在实现作战任务或完成作战目标的过程中通常进行的作战活动,通过明确划定作战范围与作战资源流说明OV-2 配合使用(互补关系)。其中,作战活动分解树OV-5a 以树形结构显示作战活动,可以为OV-5b 提供导航帮助;作战活动模型OV-5b 显示通过资源流关联的作战活动并支持作战资源流矩阵OV-3 的开发。

通过建立OV-1 和OV-4,对作战目标、任务、战场环境和资源配置有了初步了解,为此以岸基反舰作战活动为顶层作战目标自上向下构建作战活动分解树OV-5a,如图7 所示。根据侦察探测、指挥控制和对目标进行打击等作战活动的运作规律和信息传递规律构建作战活动模型OV-5b,如图8所示。

图7 作战活动分解树OV-5a

图8 作战活动模型OV-5b

图8 根据岸基反舰作战运作规律及信息传递构造,其子活动可进一步分解,图9 对子活动A.4 下达指令反舰作战进一步分解。其中,子活动A.1 天基侦察探测系统、A.2 侦察信息地面处理等均可进一步分析,在此不做赘述。

图9 子活动A.4 作战流图

2.4 作战资源流表述模型

作战资源流表述模型OV-2 主要基于作战环境定义能力需求,也可以用来定义能力边界;其表达形式为通过需求线(need line)描述各个作战节点间的资源(信息为主,资金、人员和物资等为辅)流动。由于OV-2 着重分析资源流动,OV-5 着重描述具体活动,OV-2 与OV-5 可以理解为互补模型,因此,OV-2 中资源流动对应的节点不必严格对应组织、系统和位置,仅作为一种补充,但可以与作战以外的资源(作战活动、组织等)建立联系。需求线可以用箭头表示资源流向,为使OV-2 表述简洁清晰,当节点A 产生的资源通过节点B 到达节点C 时,可直接表示节点A 至节点C。

根据岸舰导弹作战能力定义各节点,侦察探测能力下构建侦察卫星节点和无人侦察机节点;指挥控制能力下构建数据处理中心信息处理节点和指挥中心指挥控制节点;打击能力下构建指挥控制车节点和导弹发射车节点;外部资源有目标舰船节点,具体模型建立如图10 所示。

图10 作战资源流表述模型OV-2

2.5 作战事件跟踪模型

2.5.1 UML 序列图

时序图(sequence diagram)也称为序列图,是一种UML 行为图,其中包括角色、对象、生命线、激活期和消息5 种元素。角色为系统角色,可以是人、其他系统、子系统等;对象在时序图连接各种行为的交互,位于时序图顶部;生命线即对象下方的虚线,可以理解为时间节点的组合;激活期表示对象之间执行操作的一段时间;消息即对象间信息交互的内容。

UML 序列图着重描述对象间信息的发送和接收,共两个坐标轴分别为显示时间的纵坐标轴和显示对象的横坐标轴,其自上而下按照时间顺序定义信息交换,因此,引入UML 序列图构建作战事件跟踪模型OV-6c。

2.5.2 作战事件跟踪模型构建

作战事件跟踪模型OV-6c 主要以时间线为线索用于作战事件的分析,通常情况可单独使用,也可以结合状态转换说明模型OV-6b 进行作战活动的动态行为描述,本文仅裁取OV-6c。

为了充分体现岸舰导弹武器装备体系作战中的动态行为和事件特征,在构建作战活动模型和作战资源流表述模型的基础上,进一步以作战系统节点为核心,对外界触发响应,按照时间先后顺序对资源流进行整合,构建作战事件跟踪模型OV-6c,如图11 所示。系统节点分别有舰船目标、天基侦察探测系统、数据处理中心、指挥中心、空中侦察探测系统和岸基反舰作战平台。

图11 作战事件跟踪模型OV-6c

2.6 作战信息交换矩阵

作战信息交换矩阵OV-3 用于分析跨能力边界的作战活动和位置之间的作战资源流的交换。该模型可根据作战资源流表述模型OV-2 构建,同时又是OV-2 的详细补充,但OV-3 又不需详尽列出每个作战活动和位置的资源流,主要截取重要资源流。

该模型以表格形式显示,但是在DoDAF V2.0中没有其表格标题及内容具体规定,根据岸舰导弹武器装备体系列出以下内容:信息交换、源节点、源活动、目标节点和目标活动,具体模型如表1 所示。由于该交换矩阵涉及节点、分布范围广、信息流交换庞杂,故篇幅所限仅展示部分重要信息交换节点及信息。

表1 作战信息交换矩阵OV-3

3 体系结构验证

由于岸舰导弹武器装备体系结构建模是基于DoDAF 2.02 版本进行建模,而该版本的特点是以数据为中心,因此,以DM2 为基础从体系结构数据角度分析该体系结构构建是否完整,对体系结构进行完备性和一致性检验。

3.1 体系结构数据完备性验证

可以直接从DM2 表达的体系结构数据出发,不用具体考虑体系结构的描述方法,从而对体系结构数据的完备性进行验证,完备性验证具体分为以下3 个步骤:

Step 1 选取DM2 中与完备性验证需求相关的数据模型:活动、信息、执行者、能力、规则和目标,构建数据完备性检验规则,具体规则如下:活动接收不少于1 条信息,被不少于1 个执行者执行,由不少于1 种能力支撑,遵循不少于1 条规则,完成不少于1 个目标;信息传递于不少于2 个执行者之间;执行者必须拥有不少于1 个能力和目标。规则矩阵如表2 所示,其中行为需要对比验证的数据,列为完备性验证需求数据。

表2 完备性规则矩阵

Step 2 依据岸舰导弹武器装体系完备性规则矩阵为指导,分析各对比验证数据和验证需求数据间的关系,其关系如表3 所示。随后构建各元模型数据实体间的交迭关系,由于篇幅限制,仅展示执行者为对比验证数据、活动为验证需求数据情况。

表3 活动和执行者交迭关系

 

 

基于二元交迭关系矩阵C,对完备性规则进行验证,分别对每个待验证实体数据集合中的元素进行计算,验证表达式为:

根据岸舰导弹武器装备体系完备性检验规则,对于活动实体数据集合,M≥1 数据是完备的,否则数据不完备。

经检验,M=M=M=M=1;M=M=2;M=3 均符合完备性原则,其余验证数据集合验证方式同理,均符合完备性。

3.2 体系结构数据一致性检验

对体系结构数据进行一致性检验时,可分为数据关联关系一致性检验和数据指派关系一致性检验。数据关联关系一致性检验是对就体系结构内部数据是否仅具有同一关联关系的检验,数据指派关系一致性检验是对体系结构内部数据之间存在指派关系时,是否存在关系混乱,指派不明的现象进行分析。为检验岸舰导弹武器装备体系结构是否满足结构数据一致性,将从这两个方面进行检验分析。

3.2.1 数据关联关系一致性检验

 

 

3.2.2 数据指派关系一致性检验

根据DM2 中几种关联关系构建数据指派关系一致性检验原则:数据不能同时传递给具有前后序关联关系的两种数据模型;具有前后序关联关系的两种数据模型不能同时传递同一数据;具有超类子类关联关系的数据模型不能相互传递数据。构建岸舰导弹武器装备体系数据指派关系,如表4 所示。

 

表4 活动和执行者指派关系

 

 

4 结论

为建立全面完善的岸舰导弹武器装备体系结构模型,在DoDAF 2.02 指导下,以数据为中心并引入DM2 概念进行数据信息梳理,根据其需求裁取全景视图、作战视图、能力视图和系统视图中多个模型,选定合适的模型开发序列构建其体系结构模型。该模型的建立没有依据传统的体系、系统、平台和单元4 个层级进行体系工程问题的思考,而是采取以数据为中心,从侦察探测系统、指挥控制系统和火力打击系统角度为切入点,将其视作一个网状结构进行分析。最终通过数据关联关系一致性检验和数据指派关系一致性检验验证该体系结构模型建立的合理性和完善性。

本文不仅基于DoDAF 2.02 建立了岸舰导弹武器装备体系结构模型,还为反舰导弹武器装备体系问题分析提供一种思路。此外,DoDAF 2.02 构建的体系结构模型是一种静态模型,可进一步引入Petri网,通过CPN Tools 网进行动态仿真分析或通过引入卫星仿真工具包(satellite toolkit,SKT)进行动态仿真分析,以弥补DoDAF 2.02 结构建模的不足。

 

   
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