基于DoDAF的多层弹道导弹防御系统模型研究

李雪超，张金成，陈欢欢，熊加遥

（空军工程大学，陕西 三原 713800）

信息时代的到来，指挥体系结构的日趋扁平化，使我们越来越多地面对复杂系统。在复杂系统的建模过程中，往往存在需要多方合作、频繁变更等问题，同时由于系统的解决方案越来越复杂，导致发现设计错误也越来越难，因此，在合理时间内对复杂系统进行清晰、准确建模并管理高质量体系结构的重要性日益凸现[1]。

DoDAF就是通常所说的美国国防体系结构框架。体系结构框架提供了开发和表述体系结构的规则、指南和产品描述，是开发体系结构的前提条件。DoDAF由C4ISR AF 1.0演进而来，先后经历了C4ISR AF 2.0、DoDAF 1.0、DoDAF 1.5，发展到现在的DoDAF 2.0。DoDAF是要确保各个指挥组织、服务提供和各个部门的系统和信息体系结构描述和定义的一致性和协调性。DoDAF是当今应用最为广泛和最为成熟的体系结构框架。利用这种统一的体系结构框架设计指控系统体系结构,便于系统分析、设计和实现人员及使用维护人员对系统体系结构设计的理解、比较和交流。

1 体系结构概述[2]

1.1 体系结构的概念

系统科学认为体系是若干相关事物相互联系、相互制约而构成的一个整体。整体中各个组成部分的搭配和排列称之为结构。体系研究整体的内涵和外延，结构研究整体的层次和关系。体系结构是指一个整体的层次、序列、相互关系及它们的组成。用到军事领域，其基本含义不变，只是将其意义的使用范围扩大。

在1990年IEEE STD 610.12（国际电工组织标准）中，把“体系结构”定义为:“各组成部分及其相互间的关系，以及自始至终支配这些组成部分的设计和演进的原理和原则。”所谓各组成部分，可认为是作为研制对象的特定领域或系统的各组成部分，是对某一复杂事物的本质性、原则性、稳定性描述。

2000年IEEE STD 1427提出下述定义:“体系结构是概括系统的组成部分、他们相互之间的关系及对环境的关系和指导设计和演进的原则的基本组织。”这种定义补充了系统及各组成部分对环境的关系。这一点在开发体系结构是不能不考虑的。

1.2 DoDAF产品概述

DoDAF主要由全视图（AV）、作战视图（OV）、系统视图（SV）和技术标准视图（TV）组成。系统体系结构视图的每一个视图都描述体系结构的一定属性。其中，作战视图描述为完成国家使命所要求的任务及活动、作战要素和信息交换的一组图形及文字产品，使命包括作战使命和公务过程；系统视图是描述提供或支持功能的系统和互通的一组图形及文字产品，功能包括作战功能和公务功能；技术标准视图是管理系统部件或零件的排列、交互和互相依赖的最小一组规则，如图1所示。

2 体系结构设计方法[3,5]

2.1 作战体系结构设计

作战体系结构设计的任务是描述系统支持的作战概念，包括完成作战任务的活动、作战要素、人员/组织之间的相关信息交换，定义交互信息的类型、频度、支持的作战活动以及信息种类，揭示作战能力和互操作性方面的需求。相应的产品有:高层作战概念OV-1，作战节点连接描述 OV-2，作战信息交换矩阵OV-3，组织关系描述OV-4，作战活动描述OV-5，作战规则描述OV-6a，作战状态转换描述OV-6b，作战事件跟踪描述OV-6c，逻辑数据模型OV-7等。作战体系结构设计具体步骤如下图2所示。

图1 DoDAF 1.5产品集示意图

图2 作战体系结构模型设计流程图

在本阶段以OV-1驱动，OV-5为过程，OV-2为核心，OV-6c提供验证机制，根据内部逻辑关系逐步建立完善的作战体系模型，这是一个反复迭代的过程。

2.2 系统体系结构设计

系统体系结构设计的主要任务是对支持或提供作战功能的各个系统内部结构和运行规则及其系统间互连和互操作关系的描述。与之对应的产品有系统接口描述SV-1、系统通信描述SV-2、系统关联矩阵SV-3、系统功能描述 SV-4a、服务功能描述 SV-4b、作战活动与系统功能跟踪矩阵 SV-5a、作战活动与系统追踪能力矩阵 SV-5b、作战活动与服务追踪能力矩阵SV-5c，系统数据交互矩阵SV-6、系统性能参数据矩阵SV-7、系统演化描述SV-8、系统技术预测SV-9、系统规则描述 SV-10a、系统状态转换描述 SV-10b、系统事件跟踪描述SV-10c、物理数据描述SV-11等。上述16个方面描述了整个DoDAF系统的系统体系结构。系统体系结构设计的具体步骤如图3所示。

图3 系统体系结构模型设计流程图

无论是作战体系结构模型还是系统体系结构模型，在上述阶段的实际应用中具有典型的代表性，但却不是每个阶段的模型都要全部创建，要根据系统的规模和表现方面的具体情况而定。在实践中，整个建模过程将呈现多次迭代。

2.3 技术体系结构设计

技术体系结构设计的主要任务是建立系统研制、开发过程中必须遵守的技术和标准规范，以规范和约束系统体系结构设计的实现选择。与之相对应的技术视图包含技术体系结构轮廓产品TV-1、标准技术预测TV-2。技术体系结构轮廓产品根据现有的相关领域的技术标准、规范和作战体系结构的军事需求，提供了适用于系统体系结构的相关技术标准子集的说明，包括质量管理、进度管理、经费管理、组织管理等的规范；标准技术预测是一组支配系统实现和操作的规则，考虑技术标准的发展对系统建设的影响，对技术标准的发展、变化进行预测。技术视图主要反映管理者对系统研制开发的关注点。

3 多层弹道导弹防御系统作战体系结构建模

弹道导弹作为跨空域武器，具有射程远、速度快、高度高、多弹头分导再入和多种突破防御措施等作战特点，防御难度高，破坏性大，在近代战争中发挥着举足轻重的作用。随着其技术被越来越多的国家掌握，威胁程度也与日俱增。

本例中展现一个对中近程弹道导弹在不同的弹道采用不同武器进行拦截的简单的作战场景:敌方弹道导弹发射后，首先被太空中的预警卫星探测到，测出其飞行数据，并将其发回地面指挥所、部署在战线前沿的雷达和配有机载激光器的飞机。指挥所计算出来袭导弹飞行方向和粗略落脚点，雷达搜索并跟踪来袭导弹。当导弹发射后处于助推段时，指挥所下令配有机载激光器的飞机进行拦截；若拦截失败，指挥所下令战略地对空导弹对其进行导弹飞行中段拦截；若再次拦截失败，指挥所将令战术地对空导弹在来袭导弹飞行末段拦截。

（1）高层作战概念图OV-1

OV-1描述需要完成的使命、建设范围、服务范围、对象等。它给出了重要的作战节点，描述重要的或独特的作战能力，并描述目标体系结构与环境之间的关系和体系结构与外部系统之间的关系，如图4所示。

图4 高层作战概念图 OV-1

（2）作战节点关联描述

OV-2是描述作战节点和这些作战节点间的需求线的一个产品。作战节点关联图包括这个体系结构内部的作战节点，也包含外部节点，需求线说明需要交换的信息，如图5所示。

图5 作战节点链接描述 OV-2

（3）组织关系图

OV-4描述在体系结构中起关键作用的作战人员或作战组织之间的指挥结构，其目的是清晰系统内部和外部的组织及下级组织关系。这些关系可能是监督报告、指挥控制、命令等。如图6所示。

（4）作战活动模型

OV-5是关键的体系结构产品，描述为了完成任务或者达到目标需要执行的一系列活动，由能力、作战活动、活动间的输入输出流等建模元素构成。OV-5的两种关系必须要体现，一种是层次关系，即作战活动具有子活动，一种就是信息流的关系。如图7所示。

图6 组织关系图 OV-4

（5）作战事件跟踪描述

OV-6c定义作战事件的踪迹描述，提供作战节点之间的信息交换的时间顺序的检查。它有助于定义节点接口，并能够确保特定作战节点具有必要的信息，以便在正确的时间完成赋予它的作战活动。如图8。

从具体设计过程和各类产品之间的内在联系，可以得出作战体系结构产品之间的逻辑关系如图 9所示。作战体系结构产品集作为需求用例影响系统体系结构设计。

模型以美国多层弹道导弹防御系统为原型，阐述了其系统的组成部分，简单分析了各组成部分的关系和作战防御流程，并基于DoDAF建立了体系结构模型，为今后导弹防御系统研究者提供了一些参考。

图7 作战活动模型OV-5

图8 作战事件跟踪描述OV-6c

图9 作战体系结构产品依赖关系

4 多层弹道导弹防御系统作战体系结构模型设计中存在的不足

在多层弹道导弹防御系统作战体系结构设计中,还有以下不足和有待深入改进的地方。

1）改进体系结构建模方法。文中多层弹道导弹防御系统建模，对模型的层次关系描述还存在不足，应该进一步完善方法的层次描述，使模型层次关系描述更加紧密。

2）完善系统体系结构设计的产品集模型，使体系结构模型设计更加完整。对于 DoDAF三大视图，本文只对作战体系结构进行了建模，而作为一完整系统模型，其他两个视图也需要合理的建模与分析。

3）改进体系结构一致性开发过程，保证产品的一致性。多层弹道导弹防御系统是一个十分复杂的系统，在它的设计模型演进和修改过程中，还是可能出现不一致。如何改进开发过程，保证一致性也是研究重点。

4）没有深入研究系统的可执行性模型和验证。

5）对多层弹道导弹防御系统所包含的子系统引入有限，不能较全面反映系统状态。

5 结束语

良好的体系结构设计不仅是解决复杂大系统开发研制周期长、成本高问题的重要途径，也是保证系统之间可集成、可互操作，实现高效一体化的基本措施。本文以多层弹道导弹防御系统为对象，就体系结构框架产品的内容和逻辑关系进行了研究分析，提出了体系结构简单明晰的设计方法和步骤，并建立了相应模型。

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