基于DoDAF 的两栖编队指挥信息系统体系结构设计*

刘晓东，丁 军，吴 奎，陈福良

（1.江苏自动化研究所，江苏 连云港 222061；2.解放军63983 部队，江苏 无锡 214035）

0 引言

两栖作战是海军陆战队最主要的使命任务，它是两栖作战编队采用多种方式，开展由陆向海的装载行动和由海向陆的突击上陆行动，旨在向两栖作战目标区域投送或撤离作战力量，以达成预定作战目的的军事行动［1-2］。在两栖登陆部队“由陆向海、由海向陆”的作战进程中，两栖编队发挥了重要的纽带作用，两栖编队指挥信息系统亦起到承上启下的功用，两栖编队指挥信息系统是编队指挥所组织登陆部队、水面舰艇部队、航空兵部队和潜艇部队等实施两栖登陆作战的指挥系统［3］。系统的设计应按两栖编队遂行登陆登岛作战的要求进行设计，将两栖编队指挥信息系统及其所属的各战术群的指挥控制系统衔接、融合，形成以“通信网系为基础，能够互联、互通和互操作”，具备作战任务规划、作战保障（情报保障、通信保障）、指挥控制、火力打击、后勤和装备保障等能力的作战指挥系统［4］。

经过十几年的发展，美国国防部体系结构框架（DoDAF）已日趋成熟，是设计或开发体系结构的指南［5］，2010 年美国国防部公布的DoDAF2.02 代表了目前体系结构研究的最新成果［6］。

美国国防部体系结构框架DoDAF2.0，作为美军军事电子信息系统的体系架构设计的方法论，统一系结构描述方法，实现了真正支持网络化作战能力开发。DoDAF2.0 体系结构框架也成为武备体系架构开发的纲领性规范，在国防部所属机构中强制推行并执行，抵制风险以保证系统的互操作性。自21 世纪初，受美军DoDAF2.0 体系结构框架影响，英国国防部、北约军事联盟紧跟当前国际前沿，为了在多边联合军事演习中保持和美国军事信息系统的互联、互通和互操作能力，都参照美军开展了体系结构的专项研究，并取得了一些研究成果。英国国防部于2005 年公布了MODAF 体系结构框架，其最新版本为MODAF v1.2；北约于2006 年公布了NAF 体系结构框架，其最新版本为NAF v3.0［7］。

以两栖编队遂行登陆登岛作战为例，结合美军体系结构框架DoDAF2.0，开展两栖编队指挥信息系统体系结构顶层设计，可视化两栖编队作战指挥体系运行机制［8］，清晰地表现静态模型下的动态机制，为后续系统具体的实现方案和详细设计奠定基础，为优化系统顶层设计和武器装备研发提供理论支持。

1 体系结构设计思想及流程

应用需求论证及体系架构设计支撑平台软件TD-CAP，开展两栖编队指挥信息系统体系结构设计，一是基于模型的系统工程（msBE）方法论思想，自顶向下逐步细化设计整个系统；二是通过工具保障系统体系结构设计的完备性，迭代解决各部分之间的兼容性；三是与模型验证相结合，验证系统设计的可行性。遵循“需求驱动、体系主导、模型支撑、验证迭代”和“作战- 能力- 系统”的原则，从两栖编队作战需求出发，分别从作战视角、能力视角、系统视角，开展两栖编队指挥信息系统体系结构模型设计，其详细开发步骤如下所述。

1.1 作战视角模型开发流程

1）确定高级作战概念图，即OV-1。OV-1 用图形或文字的方式描述两栖编队作战使命、作战构想和各种作战要素的地理分布和设备连接能力等。

2）确定两栖编队作战活动、作战过程、编队所属作战节点及编队组织指挥关系，即确定作战活动分解模型（OV-5a）、作战活动模型（OV-5b）、组织关系模型（OV-4）。其中，OV-5a 描述了两栖编队主要作战活动的层次关系；OV-5b 详细描述了分解后的两栖编队作战子活动相互间的输入和输出关系；OV-4 描述了两栖编队的各级组织机构、组织类型、隶属关系以及指挥层次。

3）确定作战事件跟踪模型，即OV-6c。OV-6c的设计内容是两栖编队在特定的作战场景中，对整个作战过程按照作战节点和作战活动进行分解，以时间顺序来描述各作战节点间的动态交互关系和行为逻辑，如：编队指挥控制、编队协同探测、编队协同交战控制等流程。

4）确定作战节点间的信息交换和流向关系，即作战节点连接模型（OV-2）和作战节点信息交换矩阵（OV-3）。其中，OV-2 和OV-3 分别以图形化的方式和以矩阵的方式，描述作战节点间的信息映射关系以及信息参数、属性等，重点反映了作战体系结构的指挥控制流和信息流。

1.2 能力视角模型开发流程

1）构建作战能力与作战活动的映射矩阵，即CV-6。CV-6 描述了两栖编队指挥信息系统所需能力与这些能力支持作战活动的映射。

2）进行作战能力分类，即构建两栖编队能力需求分类视图（CV-2），主要依据CV-6 分析出的能力，构建能力分类模型CV-2。

1.3 系统视角模型开发流程

1）构建系统功能描述模型，即SV-4，根据两栖编队作战需求和能力需求对两栖编队指挥信息系统功能进行分类、梳理。

2）构建系统功能对作战活动的映射矩阵SV-5a和系统设备对作战活动的映射矩阵SV-5b。

3）以两栖编队作战流程和系统设备组成为基础，对两栖编队指挥信息系统的组成、接口进行描述，构建系统接口描述视图SV-1。

2 作战视角设计

2.1 高级作战概念图

高级作战概念图（OV-1）主要对两栖编队承担的作战任务和作战构想进行描述，确定两栖作战场景概要、作战使命、参与者、作战过程、作战要素（兵力要素和装备要素）和地理范围等，给出重要作战节点，便于两栖编队高级决策者之间进行交流，如图1 所示。

图1 两栖编队高级作战概念图

2.2 作战活动分解模型

作战任务是构建作战体系的依据，同样也决定了作战体系的构成和运行。根据两栖编队作战任务场景，对抽象的、宏观的作战任务逐级分解形成不同层次的任务，依据分解的作战任务，分析支持该作战任务的作战活动集合。按照两栖作战进程将两栖编队作战活动划分为：组织准备、集结装载、海上航渡、突击上陆、扩大和巩固登陆场5 个一级作战活动和17 个二级作战活动，具体两栖编队作战活动分解模型如图2 所示。

2.3 作战活动模型

根据两栖编队遂行联合登陆作战、保交护航等任务过程，其作战活动可分解为组织准备、集结装载、海上航渡、突击上陆、扩大和巩固登陆场，文中主要以突击上陆作战活动模型为例展开设计。突击上陆过程中涉及的活动有海上编队指挥所下达突击上陆命令、指挥突击登陆、指挥火力支援、指挥直前扫雷、指挥换乘编波、战勤保障等，其突击上陆作战活动模型如下页图3 所示。

2.4 指挥关系模型

图2 两栖编队作战活动分解模型

指挥关系模型（OV-4）以图示化描述两栖编队中各平台、节点以及和外部平台间的指挥结构和组织关系，以两栖编队参与登陆作战为例，作战场景中的主要组织角色有：上级指挥机构、海上编队指挥机构、友邻兵力指挥机构、地方（驻外）机构、登陆输送群指挥机构、登陆部队指挥机构、猎扫雷群指挥机构、警戒掩护群指挥机构、支援保障群指挥机构，其组织关系如图4 所示。

2.5 作战事件跟踪描述模型

作战事件跟踪描述模型（OV-6c），是对作战流程、作战节点间相互关系、逻辑行为、时序关系等的进一步详细描述，提供两栖编队指挥信息系统在特定作战场景下参与各作战节点间信息交换时序检查和冲突检查，有助于定义各作战节点间的接口关系。按照作战需求，海上编队指挥所通常设置情报保障部位、作战筹划部位和指挥控制部位，其中情报保障部位主要为海上编队作战任务规划和兵力行动控制提供情报态势支持，作战筹划部位主要是作战方案/计划制定、推演评估等，指挥控制部位主要对编队所属兵力/要素进行指挥和监控作战进程。以编队指挥所内部的指挥控制活动作战事件跟踪描述为例子开展模型设计，如图5 所示。

图3 突击上陆作战活动模型

图4 两栖编队组织关系模型

图5 指挥控制事件跟踪描述模型

2.6 作战节点连接模型

作战节点连接模型（OV-2）以图形的方式清晰地描述了各个作战节点、作战节点间关系的模型，表述了各个作战节点到其他作战节点之间的信息交互关系、信息交换内容等。以两栖编队遂行联合登陆作战为例，作战的节点主要包括：海上编队指挥所、登陆输送群指挥所等，其信息交换内容包括指挥控制指令、情报态势等，如图6 所示。

图6 作战节点连接模型

两栖编队指挥信息系统信息交互矩阵（OV-3）主要以矩阵形式对OV-2 进行描述，用于检验两栖作战活动、参与作战节点、角色和信息交换需求这4个作战体系结构基本数据元素间关系的合理性，是对OV-2 进一步的补充表述，因此，文中简化OV-3模型设计。

3 能力视角设计

3.1 作战能力对作战活动的映射矩阵

作战能力对作战活动的映射矩阵（CV-6）描述了两栖编队指挥信息系统对各作战活动的支撑能力，围绕作战活动对系统能力的要求，构建作战能力到作战活动的映射关系模型，实现作战活动到能力需求的转换。作战能力对两栖编队作战活动的映射矩阵如表1 所示，表中“×”表示该单元对应的作战活动与系统作战能力相关联。

表1 两栖编队作战能力对作战活动的映射矩阵

3.2 能力分类模型

根据两栖作战活动分析出两栖编队指挥信息系统能力需求主要有信息获取能力、信息处理能力、作战筹划能力以及指挥控制能力等，其中能力分类模型（CV-2）描述了两栖编队指挥信息系统能力框架的层次关系及能力体系，CV-2 可对完成作战活动所需能力进行规范，其能力分类模型如下页图7 所示。

4 系统视角设计

4.1 系统功能分解模型

系统功能分解模型（SV-4）用以描述系统功能及其功能之间的层次结构关系，从系统顶层分析两栖编队指挥信息系统的功能需求，为进一步明确系统的组成配置，以及系统间的相互关系等奠定基础。其中，两栖编队指挥信息系统主要包含情报保障、信息传输、作战筹划和指挥控制4 项一级功能，16 项二级功能，其系统功能分解模型如图8 所示。

4.2 作战活动对系统功能追溯矩阵

作战活动对系统功能追溯矩阵（SV-5a）主要描述了系统各项功能对作战活动的支撑和映射情况，确定系统的功能分配及其与作战活动之间的对应关系，即两栖编队作战活动和对系统功能的需求关系。以两栖编队遂行登陆登岛作战需求为驱动，分析系统功能与作战活动的关系，两栖编队作战活动-系统功能追溯矩阵如下页表2 所示。

图7 能力分类模型

4.3 作战活动与系统映射矩阵

两栖编队作战活动与系统映射矩阵（SV-5b）主要描述了系统到作战活动之间的映射关系，反映了两栖编队指挥信息系统对作战能力的支持和实现情况，确定系统组成对作战能力追溯关系，是两栖编队指挥信息系统功能实现的支撑。两栖编队遂行登陆登岛作战过程中需要警戒探测系统、水文气象系统、武器系统、通信系统、所属战术群指控设备，以及模拟训练设备等共同参与，其作战活动与系统/设备映射矩阵如下页表3 所示。

图8 系统功能分解模型

表2 两栖编队作战活动对系统功能追溯矩阵

表3 两栖编队作战活动与系统映射矩阵

4.4 系统接口描述模型

系统接口描述模型（SV-1）主要是基于系统的逻辑组成，确定系统组成装备要素及系统间的互联互通关系（接口关系）。两栖编队指挥信息系统内外接口主要包括传感器控制接口、武器系统控制接口、水文气象及导航信息接口、情报处理/作战指挥/本地监控等接口，各系统/设备之间的接口和信息交互关系如图9 所示。

5 两栖编队指挥信息系统体系结构模型验证

图9 系统接口描述模型

模型验证最主要目的是检验体系结构设计的正确性，验证体系结构的行为、逻辑与系统用户的期望是否一致，即系统功能/性能是否满足用户方需求，并及时规避风险、提高设计质量［9-10］。文中以OV-1 为驱动，OV-2 为核心，OV-5a/OV-5b 为作战过程，开展两栖编队指挥信息系统体系结构设计，OV-6c 提供验证机制。OV-6c 描述了两栖编队所属作战节点之间信息交换顺序，其设计的合理性直接影响整个系统设计的质量。通过分析OV-6c，验证所定义的信息交换能否支持两栖编队作战使命的完成，根据目前定义的信息交换所建设的指挥信息系统能否满足作战应用需求。两栖编队指挥信息系统是受事件驱动的，具备并发、同步和分布的特点，Petri网在描述和分析离散事件动态系统方面的优势，在指挥信息系统建模及分析中应用广泛。基于Petri网的方法，应用Visual object Net++ 工具对两栖编队指挥信息系统的OV-6c 模型进行逻辑、时序等进行验证，其可执行模型如图10 所示。

图10 作战事件跟踪模型验证

经过多次模型仿真验证、修改设计、再验证过程，最终结果表明：两栖编队指挥信息系统逻辑结构正确，作战流程、信息交互及系统功能与设计预期一致，符合两栖编队指挥信息系统设计需求。

6 结论

两栖编队指挥信息系统组成复杂，研制周期长成本高，在系统研制之前开展体系结构顶层设计并对其进行验证，可全面、系统谋划两栖编队指挥信息系统的研制、集成和发展，形成滚动发展、持续提升的良好局面，为两栖作战装备体系建设提供支持。本文在深入研究DoDAF2.0 的基础上，给出了具体的两栖编队指挥信息系统体系结构设计步骤，结合两栖编队遂行登陆登岛作战的具体作战场景，从作战应用、能力、系统3 个不同视角设计体系顶层架构，并详细描述了体系结构模型设计过程。最后基于Petri网理论，应用Visual object Net++ 对建立的体系结构模型进行验证。经过多次模型验证、修改设计、再验证过程，最终结果表明，通过该方法建立的体系结构模型符合系统需求及设计要求，其研究结果可为两栖编队指挥信息系统的建设提供参考。当然该设计仅是目前论证阶段的初步成果，待下一步系统进入工程研制或者未来部队使用过程中，可能还会有新的认识、新的见解，同时也会投入更多的精力到体系结构设计模型的验证中。