基于DoDAF的低慢小目标防御系统体系结构设计

王飞 邱旭阳 张晓雪

摘  要：针对当前低慢小目标防御系统缺乏顶层设计规划的问题，基于美国国防部體系结构框架（Department of Defense Architecture Framework， DoDAF），构建了低慢小目标防御系统体系结构框架。在分析低慢小目标防御系统体系结构的核心要素的基础上，重点研究了作战视图和系统视图的设计过程，并对低慢小目标防御系统体系结构框架中关键视图产品进行了设计。该设计成果可为低慢小目标防御系统的研制和集成应用提供指导。

关键词：低慢小目标防御系统;体系结构框架;多视图;作战活动

中图分类号：TP18;TP212        文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）19-0092-05

Architecture Design of Low-altitude， Slow-speed， Small Target Defense System Based on DoDAF

WANG Fei1， QIU Xuyang1， ZHANG Xiaoxue2

（1.Beijing Mechanical Equipment Research Institute， Beijing  100854， China; 2.School of Information System Engineering， National University of Defense Technology， Changsha  410073， China）

Abstract： Aiming at problem that there is a lack of top-level design planning in the current low-altitude， slow-speed， small （LSS） target defense system， based on U.S. Department of Defense Architecture Framework （DoDAF）， this paper builds the LSS target defense system architecture framework. On the basis of analyzing the core elements of LSS target defense system architecture， the design process of operational view and system view is focused on and the key view products in the LSS target defense system architecture framework are designed. The design results can provide guidance for the development and integrated application of LSS target defense system.

Keywords： LSS target defense system; architecture framework; multi-view; operational activity

0  引  言

低慢小目标防御系统是针对当前城市环境重要区域“低慢小”目标，提出的一套集多种探测与拦截手段为一体的综合防控系统。随着低空空域管制的逐步开放和“低慢小”无人机技术的飞速发展，“低慢小”无人机违规飞行可对重大活动造成干扰、窃取秘密、甚至用于恐怖袭击，严重影响到国家安全和国民经济的正常发展。为应对城市复杂环境下的重大活动，需要发展包括预警探测、侦察监视、指挥控制、拦截打击为一体的低慢小防控系统。

1  低慢小目标防御系统体系架构框架

框架是描述事物的规范。体系架构框架是对体系结构描述内容和描述形式的规范。在民用领域，Zachman最早提出了信息系统体系结构的框架，国际开放组织（The Open Group）提出了适用于企业的架构框架TOGAF，美国国防部先后提出的DoDAF1.0、DoDAF2.0[1，2]，英国、挪威、北约等国家和组织也提出了适合自己使用信息系统的体系结构框架[3，4]。这些国家和组织的体系结构都是针对特定领域信息系统设计而建立的[5，6]。对于低慢小目标防御系统，其核心的内容是作战流程、系统组成、技术发展等方面，基于这一方面的需求，我们可以采用基于DoDAF1.0框架的三视图架构，将低慢小目标防御体系系统从全视图、作战视图、系统视图、技术视图方四个面进行描述，建立相应的体系结构框架和框架产品，产品概要如表1所示。

2  低慢小目标防御系统体系结构核心要素关系分析

不同的低慢小目标防御体系结构要素在体系结构中起着不同的作用，其中，起着关键作用的要素称为低慢小目标防御体系结构核心要素，核心要素、任务、作战流程、作战活动、信息、组织、角色、系统功能、系统、技术等，它们之间的关系如图1所示。

3  低慢小目标防御体系结构作战视图设计

低慢小目标防御体系结构作战视图描述了作战行动或业务活动参与者的关系和信息需求，包括高级作战概念图（OV-1）、指挥关系图（OV-4）、作战活动分解树（OV-5a）、作战活动模型（OV-5b）、作战节点连接关系模型（OV-2）、作战规则描述（OV-4）、作战信息交换关系模型（OV-3）、作战规则模型（OV-6a）、作战状态转换模型（OV-6b）、逻辑数据模型（OV-7）共10类模型。

3.1  低慢小目标防御体系结构作战视图开发步骤分析

低慢小目标防御体系结构作战视图产品的开发顺序如图2所示。

具体为：

第一步：分析低慢小目标防御系统的基本使命、任务，以及完成任务的关键过程。以此为基础，建立作战构想，形成高级作战概念图（OV-1）。

第二步：根据OV-1，确定指挥组织单元及结构关系，建立指挥体系描述主要组织单元的内部职能构成，建立组织关系图（OV-4）;对低慢小目标防御系统使命进行分解，梳理明确达成使命需要完成的作战任务，并将任务分解到合适的力度，形成作战活动分解树（OV-5a）。

第三步：在作战活动分解树（OV-5a）基础上，开展作战活动分析，分析作战活动之间的执行顺序、同步、分支、选择等关系，建立作战活动模型（OV-5b）。

图2  作战视图开发步骤

第四步：将作战活动分配到组织机构和作战单元，建立作战节点。根据作战节点完成的作战活动，分析目标体系结构各个节点的信息交换需求，明确开展作战活动时所需传递、处理信息的类型和要求，形成作战节点连接图（OV-2）。

第五步：对作战节点间需求线上的信息交换进行细化完善，补充信息元素、传输特征、安保特征等内容，形成作战信息交换关系（OV-3）。

第六步：在完成作战节点连接图（OV-2）和作战信息交换关系（OV-3）完成后，设计作战规则描述（OV-6a）、作战状态转移描述（OV-6b）和作战事件跟踪描述（OV-6c）。

第七步：对作战信息交换关系产品（OV-3）中的信息，设计相关属性并建立起它们之间的关系，形成逻辑数据模型（OV-7）。

3.2  高级概念图（OV-1）

OV-1的具体描述为：指控中心所负责整个低慢小目标防控过程的指挥控制。指控中心指挥雷达侦察单元、光电侦察单元在搜索和巡逻过程中发现低慢小目标后，向指控中心报告。指控中心进行信息融合、判断决策后，制定各拦截单元的拦截方案，指挥无人机升空，指挥网弹拦截单元、激光拦截单元、无线电拦截单元、无人机拦截单元对低慢小目标实施拦截。同时，雷达侦察单元、光电侦察单元收集目标态势信息，实时地向指挥中心汇报。并且，雷达侦察单元、光电侦察单元将侦察的信息传递给网弹拦截单元、激光拦截单元、无线电拦截单元、无人机拦截单元，以引导其瞄准低慢小目标，对其实施拦截防御。

3.3  作战活动分解树（OV-5a）和作战活动模型（OV-5b）

低慢小目标防御系统作战活动分解树（OV-5a）描述了低慢小目标防御系统作战活动分解关系。作战活动在作战活动树中被唯一定义，被其他作战视图产品引用。低慢小目标防御系统作战任务可以分解为侦察监视、信息综合处理、指挥控制、拦截打击和机动部署。各个作战活动可以进一步分解，如侦察监视可分解为光电侦察、雷达侦察活动，光电侦察活动可以进一步分解为全景探测、光电跟踪和目标信息上报子活动等。在每个作战活动的具体描述中，对作战活动的指标进行了相关描述，表示作战活动对低慢小目标防御需求的支持情况。如侦察监视作战活动的指标包括察距离，侦察开始时间，发现目标时间，目标位置等。

低慢小目标防御系统作战活动模型（OV-5b）描述了作战活动之间的信息输入和输出关系。作战活动模型不仅可以定义体系结构完成的作战活动，而且可以为作战规则描述（OV-6a）、作战状态转换图（OV-6b）和作战事件跟踪图（OV-6c）的设计奠定基础。采用IDEF0语言描述低慢小目标防御系统作战活动模型。作战活动模型采用层层分解的方式进行描述，下一层的作战活动模型支持上一层的活动完成。侦察监视活动向信息综合处理活动传递侦察信息，向拦截打击传递低慢小目标位置信息，信息综合处理向指挥控制活动传递融合信息，指挥控制活动传递机动部署命令给机动部署活动，传递指控命令给拦截打击活动，拦截打击活动上报拦截打击效果至指挥控制活动。

3.4  作战节点连接关系图（OV-2）

作战节点连接关系图（OV-2）说明了低慢小目标防御系统作战节点以及他们之间交换的信息交换需求。该模型在作战概念图（OV-1）的基础上，进一步细化重要的作战节点以及他们之间的信息交换需求。作战节点是在作战视图中产生、使用、处理信息的单元，作战节点不完全是实际物理设施，可根据作战任务或使命建立虚拟的或逻辑节点。需求线描述节点间进行的信息交换需求，用箭头表示信息流的方向，并用标识和文本注释交换的主要信息类型。作战节点连接关系图中作战节点完成的作战活动来自作战活动分解树中的作战活动（OV-5a）。防御指控中心向探测设备下达探测命令，向各拦截节点下达拦截命令，各探测节点向指控中心上报探测信息，各拦截节点向指控中心上报实施态势。各探测节点向拦截节点传递目标信息，以達到即探测、即拦截的防御总体目标。

3.5  作战规则模型（OV-6a）

低慢小目标防御作战规则模型（OV-6a）的产品设计分为探测阶段和指挥拦截阶段。探测阶段，低慢小防御指控中心接受上级安保任务之后，下达各探测装备和拦截装备的部署计划和命令，各探测装备开始进行目标侦察和探测。在指挥拦截阶段，防御指控中心接收到探测单元的探测信息后，制定拦截部署方案，下达拦截命令到各拦截单元。各拦截单元结合探测单元的位置信息，对低慢小目标进行实时拦截。

4  低慢小目标防御体系结构系统视图设计

系统视图从系统各组成要素及其关系的角度，描述低慢小目标防御系统组成、连接关系、通信关系等。包括8个产品。具体包括：系统组成描述（SV-1a）、系统连接关系图（SV-1b）、系统通信连接描述（SV-2）、系统关联关系（SV-3）、系统功能描述（SV-4）、系统功能与作战活动对应关系（SV-5a）、系统数据交换关系（SV-6）、系统性能参数描述（SV-7）。本部分介绍具体开发顺序和典型系统视图产品设计（包括SV-4、SV-1a、SV-1b）。

4.1  低慢小目标防御体系结构系统视图开发步骤分析

低慢小目标防御体系结构系统视图产品的设计建议按照图4所示顺序进行。其具体步骤为：

第一步：分为两类情况：

第一类情况是在进行新研低慢小目标防御系统的体系结构设计时，根据OV-5描述的作战活动及其相互关系和需求分析结果，确定完成活动所需要的系统功能，明确系统功能与作战活动间的对应关系，在此基础上设计SV-5a。基于SV-5a明确的系统功能及其相互关系，设计SV-4。

第二类情况是在升级或改造现有低慢小目标防御系统时，首先对现有系统功能进行分析，形成初步的SV-4，将已有系统功能映射到它们所支持的作战活动上，对没有完全支持或未支持的作战活动补充系统功能，完善SV-4，在此基础上，建立完整的系统功能与作战活动映射关系，形成SV-5a。

第二步：在得到SV-4之后，根据作战节点连接图（OV-2）确定的作战节点组成结构，逐级分配SV-4确定的系统功能，明确系统组成及其组合关系，设计系统组成描述（SV-1a）。在此基础上，根据SV-1b中各系统组成元素实现的系统功能，定义系统组成元素之间的接口关系，设计系统连接关系图（SV-1b）。

第三步：SV-1b完成后，设计系统数据交换关系（SV-6）、系统关联关系（SV-3）、系统通信连接描述（SV-2）和系统性能参数描述（SV-7）。根据OV-3明确的信息交换关系和SV-1b确定的系统结构，分析系统运行中各类数据自动交换的情况，设计SV-6。根据SV-1b中定义的系统接口关系，具体描述各类系统接口的特征，设计SV-3;确定系统接口的通信实现方式，设计SV-2。根据SV-4确定的系统功能，分析SV-1b定义的系统组成元素应达到的性能指标，设计SV-7。根据SV-2对通信系统以及相关软硬件的性能要求，修改完善SV-7。

4.2  系统功能描述（SV-4）

系统功能描述定义系统功能、系统功能间的结构关系。系统功能描述的设计要确保所描述系统功能的完整性，同时也要确保系统功能分解到合适的粒度。系统功能是作战活动对系统要求的具体实现。根据作战活动模型的设计结果和系统设计需求，可将低慢小目标防御系统功能分为目标探测功能、信息综合处理功能、指挥决策功能、拦截指挥与控制能力、后勤保障能力。各个能力可以继续分解。

4.3  系统组成描述（SV-1a）

根据系统功能描述的结果，可以设计低慢小目标防御系统组成。低慢小目标防御系统由网弹拦截系统、激光拦截系统、无线电拦截系统、低慢小目标防御指控系统和探测系统组成，其中，网弹拦截系统分为网弹指控系统、网弹发射控制系统;探测系统由雷达探测系统、光电探测系统，雷达探测系统由雷达探测指控系统和探测信息处理系统组成，光电探测系统由光电探测指控系统和光电探测信息处理系统组成。具体的系统组成数据设计示意如表2所示。其中，性能指标要求对应了作战活动模型中的作战活动指标，反映了对系统总体设计需求的满足程度。

在设计完系统功能描述、系统组成描述后，可以设计其他低慢小目标防御体系结构系统视图产品，如系统连接关系图（SV-1b）、系统通信连接描述（SV-2）、系统关联关系（SV-3）、系统功能描述（SV-4）、系统功能与作战活动对应关系（SV-5a）、系统数据交换关系（SV-6）、系统性能参数描述（SV-7）产品。

5  结  论

本文针对低慢小目标防御系统设计中缺乏统一规范的问题，研究了低慢小目标防御系统的体系结构框架，该框架基于DoDAF，由全视图、作战视图、系统视图、技术视图组成。结合低慢小目标防御系统体系结构核心要素分析，本文提出了低慢小目标防御系统的作战视图设计过程和系统视图设计过程，并设计了作战视图和系统视图中的几类关键视图产品，包括高级概念图（OV-1）、作战活动分解树（OV-5a）、作战活动模型（OV-5b）、作战节点连接关系图（OV-2）、作战规则模型（OV-6a）、系统功能描述（SV-4）、系统组成描述（SV-1a）。通过对低慢小目标防御系统体系结构的规范化设计，可为低慢小目標防御系统研制和集成应用提供指导和技术支持。下一步研究将关注于低慢小目标防御系统体系结构设计产品的评估与优化等方面。

参考文献：

[1] ZHOU C，LIU Y，SONG Y Y. Detection and tracking of a UAV via hough transform [C]//2016 CIE International Conference on Radar （RADAR）.Guangzhou：IEEE，2017：1-4.

[2] WU Y F，SUN H J，LIU P X. A novel fast detection method of infrared LSS-Target in complex urban background [J].International Journal of Wavelets，Multiresolution and Information Processing，2018，16（1）：1-17.

[3] 吕敬.“低慢小”无人机威胁与防范[J].现代世界警察，2017（7）：92-93.

[4] 韩晓飞，蒙文，李云霞，等.激光防御低慢小目标的关键技术分析 [J].激光与红外，2013，43（8）：867-871.

[5] 何加浪，傅军，王辉.基于元模型的体系结构设计方法概念辨析 [J].指挥信息系统与技术，2016，7（1）：1-6.

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作者简介：王飞（1984—），男，汉族，山东寿光人，高工，博士研究生，主要研究方向：“低慢小”目标防控。