DoDAF建模与效能评估综述

吕卫民，张天琦，臧恒波，李 根，2

(1.海军航空大学 岸防兵学院， 山东 烟台 264001； 2.中国人民解放军77120部队， 成都 610000)

1 引言

体系一词最早出现于1964年，有关纽约市的《城市系统中的城市系统》中提及“Systems within Systems”，体系通常可以理解为多个功能独立、操作交互性较强的系统在一定约束条件集成的系统[1]。体系工程发端于20世纪90年代初期，国外以美国为代表的西方国家陆续提出C4ISR、DoDAF、MoDAF、NAF等体系结构框架指导军方开展作战体系设计；国内于20世纪末以军事问题为切入点展开体系需求、体系结构优化以及体系评估等问题研究。其中美国国防部体系结构框架(department of defence architecture framework，DoDAF)对于我国体系工程研究发展具有重要引导意义，DoDAF建模通过其统一体系结构框架指导，进行复杂系统的描述，构建信息链路的传递，但为确定系统设计的质量，避免功能上的重复，进一步指引和完善体系结构乃至装备发展，有效的体系效能评估具有重要意义。本文着重分析DoDAF开发、应用以及体系效能评估等问题，为研究体系建模及体系效能评估提供思路与建议[2-5]。

2 国内外发展情况

2.1 DoDAF建模概述

海湾战争以后，美军逐渐意识到现代信息化战争中体系作战的重要意义，于1996年6月颁布C4ISR AF 1.0版本，至今通过版本更迭发展到2009年的DoDAF 2.0版本，该版本共8种视图、52个模型，以数据分析为中心。2015年进一步针对元模型(DM2)进行11类29项条目的修改，使其支持数据的搜集、组织和存储。DoDAF经历20余年的发展革新，逐步成为相对完善的体系结构标准[6-10]。

分析近年国内文献可以发现2009年以前基于DoDAF的体系结构建模均采用4个视图、26个模型的1.5版本；2009—2015年大多采用8个视图、52个模型的2.0版本；2015年后的文献大多采用引入DM2概念的2.02版本。如图1所示为DoDAF 2.0中的8个视图，其中横向视图为专用业务，纵向视图为综合业务，可分别根据能力需求、作战需求、服务需求和系统需求构建体系结构，也可组合4种专用业务构建体系结构。

图1 DoDAF中8个视图Fig.1 Eight viewpoint of DoDAF

2.2 DoDAF建模分类

基于DoDAF的体系结构建模可分为基本装备体系和作战装备体系两类[11]。

1) 基本装备体系建模

基本装备体系(对应于装备系列或型谱)，是指在一定时期内所有装备种类和型号构成的集合，是为全面展示装备家底与发展蓝图而人为构想的主观体系。

例如，李大喜等[12]以能力和系统需求为牵引，从空基反导装备体系需求入手，采用基于活动的静态模型描述其体系结构，配合基于过程和对象的动态模型描述其体系需求，通过体系结构建模软件AM实现DoDAF建模，该体系结构建设以系统视图中系统资源流描述SV-2和系统功能描述SV-4为核心，通过裁剪能力视图、作战视图、数据和信息视图中等多个模型进行空基反导装备体系描述；

高松等[13]以作战需求为牵引，以当前岛礁防空反导作战为研究背景，为应对岛礁遭遇防空威胁，通过防空反导电子对抗的电子支援、打击和防护等作战方式配合电子侦查、预警、干扰和欺骗等应对来袭航空武器装备，该文章主要通过裁剪作战视图和系统视图中部分描述模型，并通过国内某公司开发的体系结构建模软件TD-CAP构建岛礁防空反导电子对抗装备体系。

对基本装备体系进行体系建模主要针对现有装备并通过开发其能力，满足现有作战需求或通过现有装备对未来作战需求进行推测、设计以支撑未来装备发展。

2) 作战装备体系建模

作战装备体系(对于面向典型作战任务的装备编成方案)，是指为完成某个作战任务，由基本装备体系内各类装备构成的有机整体，该体系通常不考虑人为因素。

例如，彭超韡等[14]以陆军远程火力打击作战为背景构建火力打击体系(基于现实因素仅考虑单次打击，故不考虑二次装填等保障因素)，该作战体系涉及层次多、范围广，故从侦查、指控、打击、评估4个角度进行分析，通过作战、能力、系统和服务视图中筛选出典型模型进行顶层描述，如高级作战概念模型OV-1、作战活动模型OV5-b、能力-活动映射模型CV-6等，可为下一步发展武器装备系统和具体研究各子系统提供分析思路；

王新尧等[15]以有/无人机协同作战为背景设计了一种作战模式，由于其作战体系复杂、作战节点多，为克服其行动盲目、组织混乱、控制不力等问题，基于DoDAF针对系统功能、作战活动、作战节点的信息交互及组织关系建立分析模型，对未来空中协同作战进行了设计分析，并通过引入元模型概念进行数据采集，最后通过IBM Rational Rhapsody平台基于统一建模语言实现OV-5、OV-6c等模型动态仿真并对其完整性、一致性进行验证。

作战装备体系区别于基本装备体系即该体系结构仅针对某一特定情况下的作战进行建模分析，根据现有装备或未来发展装备对现在或未来某个典型作战想定进行分析。

2.3 国内主要研究成果

不论是基本装备体系还是作战装备体系，国内关于DoDAF建模都是基于现有装备或是对现有装备种类型号的组合探索，以能力需求为牵引对现有装备进行分析，或对未来装备发展进行设计。近年来协同作战的概念越来越被重视，但我国体系工程的研究依然处于发展阶段，大多是通过引用国外相对成熟的建模方法，或是对国外成熟方法的改进，并未形成一套完整的、符合我国装备应用、发展的体系结构框架，查阅国内近五年与DoDAF建模相关的文献，主要围绕天基预警、侦查、探测等系统、有/无人机协同作战和装备保障体系等几个特定问题的分析。

1) 天基预警、侦查、探测等系统研究成果

万敏等[16]基于OODA作战环理论梳理系统作战流程，对天基海洋侦察监视系统进行作战应用研究和顶层设计；彭耿等[17]基于OODA作战环描述了天基侦查卫星支援对海打击作战过程，对侦查卫星支援对海打击体系实现了顶层设计；胡磊等[18]对天基预警卫星系统作战背景进行想定，根据作战流程梳理了预警卫星系统节点间信息关系，最后通过Petri网进行模型一致性验证；简平等[19]对天基预警系统进行顶层设计。由于预警、侦查、探测等系统模型信息交换多、节点复杂，因此引入DoDAF建模方法。

2) 空基预警、侦查、探测、协同作战研究成果

王新尧等[15]对有/无人机协同作战体系进行了顶层设计；由于无人机“集群”作战一直存在于概念性设计[20]，吕迎迎等[21]对无人集群协同探测系统进行设计分析并根据卫星仿真工具包(Satellite Tool Kit，STK)验证体系结构逻辑的互联互通；乔心等[22]对多机协同探测系统作战想定进行设计和分析并给出了体系结构的验证方法与过程；刘丽君等[23]对无人直升机协同对海作战系统进行建模分析。与天基相同，空基预警、侦查、探测同样存在节点多、信息交互复杂等特点，引入DoDAF具有一定指导意义。

3) 装备体系保障体系研究成果

连云峰等[24]基于DoDAF对装备维护保障体系进行规范化描述，引入算例进行评估；李文俊等[25]以分析装备保障业务为基础，对当前装备保障信息系统进行顶层设计；朱连军等[26]为规划陆军装备一体化维修保障信息系统，基于DoDAF进行顶层设计，构建陆军装备维修保障信息化体系结构。近年来陆军装备维修保障体制改革基本完成，陆军各单位针对装备维修保障的体系问题进行了大量研究，但大多数设计仅针对信息系统，其保障体系结构尚未完整。

4) 其他方向研究成果

个别单位及个人针对复杂系统问题同样引入DoDAF，例如李大喜等[12]为分析战术弹道导弹(tactical ballistic missile，TBM)助推段有效拦截问题，引入DoDAF对空基反导装备体系结构和作战需求进行了研究分析；彭超韡等[14]以陆军远程火力打击体系作战背景，建立了基于信息系统的远程火力打击体系，为体系作战提供了一种分析思路；王洪胜等[27]针对现代海战中武器装备难以单独完成预定作战任务的问题，对舰载弹炮结合防空武器系统进行顶层设计、建模，为推动其舰载导弹和舰炮发展和风险控制提供技术支撑；高波等[2]基于机载电子自卫防御系统日益智能化和信息化问题，对现有装备机载电子自卫防御系统进行分析，为用户、设计人员和测试人员提供统一的理解，提高了系统的重用性和可维护性。

DoDAF建模中的视图模型构建没有严格先后顺序，可根据具体需求进行选择，建模过程中可通过多次迭代和验证评估以满足设计需求并指引装备发展。复杂系统相关问题甚至体系工程问题均可以引入DoDAF建模方法进行设计分析，供多方进行决策。

3 效能评估发展现状

现代战争逐渐全域化、涉战军种多元化、武器装备多样化、军事目的多元化，单一系统、单一武器装备的效能评估或作战效能评估无法满足体系作战背景下的评估需求，以体系工程的角度思考问题十分重要[29]。DoDAF仅为体系工程研究提供了一种可视化模型建立的方法论，具体分析方法仍需探索，有效的评估对武器装备设计和发展起着至关重要的作用，甚至直接影响作战结果。

3.1 效能定义及分类

目前对效能评估尚无统一定义，可理解为通过某一种规则途径，在规定背景下对某个特定的作战平台、系统或体系进行评价。根据不同需求，效能通常可以分为以下几种情况：单项效能、系统效能和作战效能[30]。

1) 单项效能评估

单项效能指某个武器装备平台或系统针对单一目标时完成特定任务时具备的能力。例如某型导弹的毁伤能力、生存能力等，侦查探测系统的探测能力、抗干扰能力等均是单项效能。单项效能评估仅用作武器装备研发或某项特定能力需求分析，随着协同作战概念的深入，在作战中进行单项效能评估将会逐渐减少。例如Dutta[31]以一个非机动弹道导弹打击单个舰船并对抗多个拦截机为作战想定，通过概率论的方法计算分析反舰导弹防御效能。

2) 系统效能评估

系统效能是指在特定背景下，武器装备系统完成指定任务的能力，比较典型的定义为美国工业界武器效能咨询委员会(the weapon system effectiveness industry advisory committee，WSEIAC)提出的定义：一个系统满足一组特定任务要求的程度度量。例如范俊方[32]综合考虑了目标检测跟踪能力、探测范围和抗干扰能力三方面性能评估内容，构成组网雷达系统效能评估体系从而进行系统效能评估。

3) 作战效能评估

区别于系统效能评估，作战效能需要考虑某个特定作战背景下环境因素、人为因素等影响。为结合现代作战特点，使评估更贴近作战现实，通常以传统系统效能评估方法为基础，通过改进分析更多因素。

3.2 效能评估方法研究进展

通常情况下效能评估指系统效能评估，但近些年体系对抗概念的发展，人们逐渐将系统效能评估方法引入体系工程问题中，区别于系统，体系具有复杂性、涌现性等特点，而且不具备严格的层次结构，取而代之的是节点间的网状结构，直接引入系统效能评估方法，对体系问题的思考将会不全面，无法充分评估，为此一些研究人员通过改进系统效能评估方法以达到体系效能评估的目的，通过改进传统方法以充分考虑现代战争中更多因素。本文将系统效能评估方法大致分为经验评估法、解析评估法、系统仿真法和其他方法，如图2所示。

图2 系统效能评估方法框图Fig.2 Method of system effectiveness evaluation

1) 经验评估法

通常评估可分别定性和定量2种方式，但是一部分指标效能值难以量化描述，需要先验信息根据历史经验或通过专家打分进行评估，典型专家评估法有专家打分法、群体多属性决策法和聚类分析法等。此外，一些解析法也是根据专家评估法进一步通过数学模型对效能指标进行评估，或通过定性定量相结合的方式进行效能评估，典型方法有层次分析法、模糊综合评价法等。如邵云龙等[33]在构建岸舰导弹作战体系后为验证其网络结构模型可行性，为实现层次分析法有效分析构建判别矩阵，通过专家经验对时效性、连通性、鲁棒性、抗毁性和紧密性采用专家打分。

专家评估法应用广泛，但过于依赖历史经验和主观判断导致评估时误差较大，通过引入层次分析法、模糊综合评价法等解析方法可尽可能消除主观因素的影响。

2) 解析评估法

在评估武器装备体系效能中，解析评估法是目前应用最广泛的方法之一。解析评估法主要通过构建指标间的解析式进行效能评估，解析方法种类十分丰富，例如ADC法、SEA法、层次分析法、网络分析法、模糊综合评价法等。

1965年，WSEIAC提出一种武器系统效能评估模型，依据可用性、可靠性和能力三项指标进行评估，即ADC(availability dependability capability，ADC)法。传统ADC法评估模型相对简单，经过半个世纪的发展之后，出现了ARC模型、QADC模型、KADC模型和CADS模型等推广模型，应用于不同具体效能评估中，补充了环境因素分析、人为因素分析等[34]。例如赵曰强等[35]基于ADC法对防空导弹武器系统进行效能评估，通过构建多状态转移模型克服传统方法系统可靠性分析不充分问题，又拓展能力向量突破效能指标评估局限性，为ADC法进行系统效能评估的基础上提供了更加广泛的分析思路。

系统有效性分析(system effectiveness analytic，SEA)是一种20世纪80年代由A.H.Levis等提出的效能分析方法，它可以全面、灵活的进行系统效能分析，是一种综合阐述系统、环境和使命等影响因素的动态评估方法[36]。何希盈等[37]基于SEA法对水下无人航行器系统构建了侦查效能评估指标，并提出3个主要性能度量，最后结合具体实例对水下无人航行器的侦查效能进行了动态评估。

层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)于20世纪70年代由美国匹兹堡大学Thomas L.Saaty教授为解决美国国防部关于“工业部门根据国家福利贡献大小进行电力分配”课题而提出的一种层次权重进而决策的分析方法[38]。该方法将问题相关元素分解为目标、准则和方案3个层次进而实现定性定量结合的分析，以得到最优方案。例如韩维等[39]针对航空母舰保障系统效能评估，提出改进网络分析法(analytic network process，ANP)进行权重判断，考虑内部指标间的相互影响并建立网络化指标可拓评估模型进行评估，并设计了加乘标度法以验证一致性，该评估模型为航空保障决策和优化提供了分析思路。

模糊综合评价法是一种基于模糊数学的系统效能评估方法，其通过模糊关系合成的原理将边界定义不明确、不易定量描述的因素量化，通过对评价对象构建隶属度进行综合评价，该方法在分析多层次、多因素问题时评价效果好[40]。例如，舒涛[41]通过模糊综合评价法对复杂电子系统二次雷达进行评估指标体系的构建，在确定各指标权重后采用模糊综合评价法进行二次雷达系统效能的评估。国外对于模糊综合评价的应用也十分广泛，例如Grzesik[42]利用模糊综合评价法评估飞行器系统效能，并通过计算机仿真得到飞行速度、空投速度和攻击角度与效能的关系。

3) 仿真评估法

基于仿真的效能评估方法是目前的发展趋势，主要思路是根据体系对抗或复杂系统对抗建立模型进行仿真分析，通过统计仿真结果，根据数理统计方法进行评估，仿真可以理解为评估的基础，而评估是对仿真的具体应用。复杂系统或体系对抗仿真的开发方面，美军处于世界领先水平，如联合作战系统(joint warfare system，JWARS)、海军模拟系统(naval simulation system，NSS)、联合模拟系统(joint simulation system，JSIMS)和战区级战役模型(theater-level campaign model，TLC)等[43]。近些年来国内各研究院所和高校也根据军事需求进行各类作战仿真系统的开发，此外信息化高度发展，基于信息流的仿真方法被广泛研究，如系统动力学法、人工神经网络法等。

系统动力学是专门分析研究信息反馈系统的学科，于1956年由麻省理工学院J.W.Forrester教授开发，以反馈控制理论为基础，通过计算机进行仿真分析，是一种定量分析复杂系统动态行为的方法[44]。例如杨兵等[45]为分析网络空间联合应急处置指挥体系，探索其关键影响因素，通过构建系统动力学模型进行指挥体系效能评估，并通过模拟仿真分析能力指标效能参数，从而提出提高指挥体系效能的对策建议，在网络空间联合应急处置的指挥体系方面提出了建设性的分析方法。

现代化战争中武器装备体系日趋复杂，待评估指标增多，关联性增强。人工神经网络提供了一种方法，弱化系统内部规律、泛化能力强且学习收敛速度快，避免传统评估方法中主观因素影响大的问题，使评估结果更全面、客观[46-48]。杜秀丽等[49]为克服传统系统效能评估方法中主观性强，在构建装备保障系统效能评估指标体系后，通过采用RBF神经网络训练数据样本，阈值满足误差后训练测试数据样本，通过对比输出值进行效能评估，该方法一定程度上克服过于依赖专家打分的传统评估方法，但RBF神经网络参数训练速度慢，容易陷于局部最优值。

4) 其他方法

传统的经典效能评估方法被广泛使用，随着时代的发展也进行了多种多样的改进，例如模糊ADC法、模糊AHP法等；此外在改进传统评估方法的基础之上也产生了许多新兴的评估方法，例如支持向量机评估法、控制论法、博弈论法、复杂网络理论法等[50]。

模糊ADC法，即改进传统ADC法并引入模糊综合评判法以分析传统ADC模型中的能力模型C，从而克服传统方法中能力评估单一等问题。例如宋星等[51]通过采用ADC效能评估法对合成旅的装备保障体系进行效能评估，通过可用度模型A和可信度模型D对保障系统进行计算分析，又通过模糊综合评价法分析能力模型C，得到了该系统的装备保障能力。

支持向量机(support vector machine，SVM)是Vapink于1995年提出的一种统计学习方法，该方法可以最小化经验误差，通常也称为最大间隔分类器。起初主要应用于数据分类问题中，近些年来随着方法的发展成熟，广泛应用于效能评估研究中并取得了一定的成果[52-54]。例如杨健为等[55]引入最小二乘法并根据支持向量机回归算法用于作战效能的学习、评估和分析。在地地导弹武器系统效能的评估中，通过对比BP神经网络算法、经典支持向量机算法和改进支持向量机算法，得出差分进化支持向量机算法评估武器系统作战效能具备更高精度的结论。

4 结论

介绍了DoDAF建模基本理论及建模流程，针对现阶段国内外基于DoDAF的军事体系结构描述与设计进行了总结归纳；对其相关技术应用中的效能评估方法进行概括，列举了多种传统和新兴效能评估方法以及混合评估方法并分析其应用。从实际应用过程分析，DoDAF可以理解为是一种规范化描述体系结构的方法，从能力需求、作战活动、实体系统等多角度对构建的体系结构进行分析，但其本身不能验证评估，因此需要结合评估方法进行分析，指引体系结构的迭代设计以及结合装备需求发展开展研究。基于DoDAF的结构建模可以对体系工程问题进行顶层设计，因此有效结合效能评估具有指导意义和发展前景。