基于DoDAF的弹药供应保障体系构建与效能评估

刘昊邦,史宪铭,华 斌,李 皎,朱 博,梁俊鹏

(1.陆军工程大学石家庄校区，石家庄 050003；2.中国人民解放军77618部队, 拉萨 850000;3.中国人民解放军65739部队, 辽宁 丹东 118000)

1 引言

以信息化为主要特征的现代高技术战争，弹药消耗量大，保障任务重，弹药保障在战争中的作用和地位日益突出，尤其是弹药供应保障已成为我军装备保障建设的重点[1]。目前，我军对弹药供应保障体系结构的研究还处于初级阶段，相关研究较少。弹药供应保障体系不仅涉及到各个层级的指挥人员、弹药保障人员，还和战前、战中、战后3个阶段及阶段动态转换密切联系。其体系结构庞大、作用机理复杂，亟需创造出一种全面描述弹药供应保障体系的结构视图与保障效能的评估方法。

美国国防部体系架构框架(department of defense architecture framework，DoDAF)凭借其系统全面的体系设计理念，吸引很多学者进行DoDAF产品的研究。但DoDAF产品涉及的内容多是飞机作战体系[2-3]、反导装备体系[4-5]，雷达侦探体系等领域[6-7]，关于弹药供应保障体系方面的研究较少。现有的弹药供应保障体系结构研究大多是对体系结构组成及其行为属性进行建模，缺少对保障能力需求的响应，没有描述体系与需求之间的映射，无法从能力需求的角度去描述和优化供应保障体系[8-9]。并且，现有的体系结构建模研究多采用定性方法,对体系结构组成元素、层次结构、相互联系进行描述，很少提供定量化工具进行更精确的建模[10]。

此外，现有的弹药供应保障体系研究很少将体系结构与保障效能评估组合考虑，难以对供应保障水平进行衡量。ADC(availability dependability capability,ADC)模型考虑问题全面、数学模型严谨，是目前对体系实施效能评估的有效方法[11-12]。在DoDAF体系中融入ADC模型，能够将弹药供应保障活动视图与供应保障效能评估进行结合，对推动弹药供应保障能力建设具有重要作用。

2 基于DoDAF的体系设计流程

2.1 DoDAF概述

DoDAF是美国国防部定义的用于国防和航空航天行业的架构框架，目前已经从DoDAF1.0版本发展到DoDAF2.02版本。DoDAF2.02涵盖8类视图、52个子模型[13]，在军事作战体系构建研究中应用广泛，可用于组织和共享大型、复杂的分布式体系结构。利用DoDAF2.02整体架构对弹药供应保障体系进行构建，让各自独立的系统有效协同，把供应目标、供应能力和支持弹药供应的各种资源有效结合，帮助系统工程师、软件开发人员进行弹药供应保障体系设计。

2.2 基于DoDAF的体系设计理念

DoDAF用于指导各类复杂系统分析，完成该复杂系统的顶层设计。主要分析过程包括：需求分析论证、总体框架设计、标准规范制定、建设实施计划。趋向于采用体系结构方法，利用一种标准形式，设计多个架构，从多个视角描述系统蓝图。利用DoDAF提供的一整套需求分析工具实现作战需求向保障需求的映射，将作战任务中提出的能力需求与体系中弹药供应的功能需求相对应，形成能力需求下的弹药供应保障体系结构模型。

在基于DoDAF的体系结构建模过程中，重点从作战活动、作战能力、系统功能3个视图方面进行分析描绘。

1)作战活动描述。将使命任务分解为包含隶属关系的若干子任务，并梳理任务与子任务的层层聚合关系。主要分析工具采用DoDAF作战视图(OV)产品。

2)作战能力描述。建立作战任务和作战活动之间的映射关系，对其作战能力进行分解，得到子能力和相应的能力需求。主要分析工具采用能力视图(CV)产品。

3)系统功能描述。对弹药供应保障体系功能进行构建，描述该系统所执行的功能和系统功能间的信息流。主要分析工具采用DoDAF系统视图(SV)产品。

2.3 基于DoDAF的体系设计流程

利用DoDAF以数据为中心的驱动开发特点，依据通用数据元模型DM2提供的核心概念，收集关于弹药供应保障体系的结构数据，形成初始综合字典(AV-2),并在设计过程当中对AV-2进行不断完善[14]。在开发过程中还要坚持以下5个开发原则，以保证体系构建过程的准确性[15]。开发原则为：① 坚持自顶向下的设计流程；② 坚持活动-系统的开发流程；③ 坚持静态-动态-映射的设计流程；④ 坚持逻辑关系约束原则；⑤ 坚持过程迭代完善原则。

根据以上分析和开发原则，并依据目标、能力、活动、执行者、资源流、信息等7个DM2核心概念词，进行供应保障体系的数据收集与分析，用以支撑弹药供应保障体系构建。分析得到基于DoDAF体系结构模型的设计流程，并可绘制DoDAF的体系设计流程图，如图1所示。

图1 基于DoDAF的体系设计流程

阶段1建立AV-1，AV-2全景视图、CV-1能力构想视图。并使AV-2的开发贯穿体系结构建模全过程。

阶段2建立弹药供应保障体系的高级作战概念图OV-1，组织关系视图OV-4，能力分类视图CV-2。

阶段3建立弹药供应保障体系的作战活动分解视图OV-5a，作战活动模型视图OV-5b，作战资源流描述视图OV-2，能力依赖视图CV-4。

阶段4建立弹药供应保障体系的作战规则视图OV-6a，状态转移描述视图OV-6b，事件跟踪描述视图OV-6c。

阶段5建立系统功能描述视图SV-4以及作战活动-系统功能追踪矩阵视图SV-5a，并最终完善综合字典AV-2。

3 基于DoDAF的弹药供应保障体系视图构建

弹药供应保障体系具有多部门指导、多阶段保障的特点，利用DM2的7个核心概念词收集弹药供应保障体系的相关数据，进行基于DoDAF的弹药供应保障体系视图构建。由于篇幅限制，本研究只对一些关键视图进行描绘。

3.1 建立高级作战概念图(OV-1)

通过描述作战活动并对弹药供应保障需求进行分析，从战前、战中、战后3个阶段得到每一阶段所需的弹药保障任务，利用DoDAF将使命任务转化为高级作战概念图(OV-1)，如图2所示。从而对弹药保障活动有一个直观、具体化的了解。

图2 高级作战概念图(OV-1)

3.2 建立作战活动分解视图(OV-5a)

通过对弹药供应保障高级作战概念图中的各个活动进行分解，将弹药供应点、野战弹药库、弹药保障部门、弹药处理点4个作战节点与相关作战任务进行联系，从而生成作战活动分解视图(OV-5a)，如图3所示。图3包含了作战节点和高级作战概念图(OV-1)中的13项作战活动以及对应关系。

图3 弹药供应保障活动分解视图(OV-5a)

3.3 建立作战规则模型视图(OV-6a)

为了更好地描述弹药供应保障体系的作战规则、供应补给策略以及与作战活动之间的关系，建立作战规则模型(OV-6a)，如图4所示，其中的具体规则与策略如表1所示。

图4 作战规则模型(OV-6a)

表1 具体作战规则与策略表

3.4 建立作战状态转移描述视图(OV-6a)

作战状态转移描述视图(OV-6b)可以对各个作战节点的动态行为进行描绘。弹药供应保障受战前、战中、战后状态变化的影响，其弹药保障行为也会处于转移变化当中。对此构建战前-战中-战后弹药供应保障活动的OV-6b视图，如图5所示。

图5 作战状态转移描述视图(OV-6b)

3.5 建立作战活动-系统功能追踪矩阵视图(SV-5a)

作战活动-系统功能追踪矩阵视图(SV-5a)能够分析各项弹药供应保障活动所涉及的作战能力，可以得到弹药供应保障活动的能力追踪矩阵，清晰直观地表现出作战活动与弹药供应保障能力的映射关系。SV-5a视图如表2所示。

表2 弹药供应保障活动映射到能力追踪表(SV-5a)

通过SV-5a获取弹药供应保障活动的能力指标，为进一步构建供应保障效能评估模型提供基础。

4 基于改进ADC模型的弹药供应保障效能评估

为完成弹药供应保障体系构建与效能评估的一体化研究，还需要选择恰当的供应保障效能评估模型。ADC评价模型在体系实施效能评估方面具有优势。考虑到弹药供应保障效能还受供应保障运用方式、供应保障环境等因素的影响，对传统ADC模型进行改进，引入供应保障运用因子Z和供应保障环境因子H。改进后的评估模型为[16-17]：

E=A·D·C·Z·(1-H)

(1)

4.1 弹药供应保障体系可用性向量分析

可用性表示弹药供应保障体系开始执行保障任务时可能处于的状态，以体系的可用程度表示。根据战时条件下敌方对我方弹药供应保障体系的毁坏程度，将供应保障体系的状态划分为正常、轻度受损、中度受损、重度受损等4种。用p1、p2、p3、p4分别表示每种状态出现的概率，则体系可用性的向量表示为：

(2)

4.2 弹药供应保障体系可靠性矩阵分析

可靠性用以描述弹药供应保障过程中体系状态的稳定性，是持续完成弹药供应保障任务的度量。随着敌人对供应保障体系的打击以及我方保障人员的修复，体系状态会不断发生变化。则体系可靠性用矩阵表示为：

(3)

式(3)中，dij表示由状态i转化为状态j的概率。

4.3 弹药供应保障体系能力矩阵分析

能力矩阵C是弹药供应保障体系在已知状态条件下，完成任务能力的度量矩阵，是供应保障能力最直接的体现。不同状态对应的能力值不同，则能力矩阵可表示为：

(4)

式(4)中，ci表示供应保障体系在状态i时的能力值。

根据DoDAF体系SV-5a视图映射到的能力指标，采用模糊综合评判法对能力指标ci进行求解。

4.3.1建立评价因素集和评语集

评价因素集是影响评价体系能力的各种指标，可以确定弹药供应保障能力的模糊综合评判总因素集U={u1,u2,…,u8}。其中，ui为SV-5a视图中的能力指标。对每一能力指标又可分解为下一级评价指标因素集：u1={u11,u12,…}，u2={u21,u22,…}，…，u8={u81,u82,…}。评语集是对能力指标因素的评定等级划分，记为V={v1,v2,…,vm}，m为等级划分数。本研究选用优、中、差等3个等级，则评语集V={v1,v2,v3}={优，中，差}。

4.3.2建立隶属度函数

隶属度函数fvi(x)表示某一能力因素取值x属于评价等级vi的程度高低。隶属度取值区间为[0,1]，接近1表明能力值评价隶属于vi越高。由于是定量能力指标，本研究选用高斯形隶属度函数进行构建。

4.3.3生成隶属度矩阵

根据隶属度函数计算因素ui下一级因素uij属于评价等级vi的隶属度fvi(x)，计算隶属度权重为：

(5)

单因素uij的模糊评估向量为：

(6)

最后，得出由n个单因素构成上级因素ui的模糊隶属度矩阵为：

(7)

4.3.4计算模糊评价结果

采用模糊计算的方式计算因素ui的评价等级向量，其中，Wi为下一级因素权重向量，Ri为该因素的隶属度矩阵，计算结果为：

Bi=WiRi

(8)

将计算结果作为弹药供应保障体系能力模糊隶属度矩阵R的行向量，则有：

(9)

确定总因素集权重向量W，可以得到最终的体系模糊评估向量为：

B=WR

(10)

计算供应保障体系的能力值为：

ci=B·(qv1,qv2,qv3)T

(11)

式(11)中，qvi为评价等级vi对应的标准值。

依据上述推断过程，可以求出状态i时的体系能力值ci，最终可以求出弹药供应保障体系能力矩阵C。

4.4 弹药供应保障体系运用因子分析

体系运用因子主要考虑组织运用对弹药供应保障效能的影响，不同弹药保障人员、不同保障方式对应着不同保障效能。建立规划协同、保障方式、技术保障3个指标及其子指标权重。计算模型为：

(12)

式(12)中: ti为指标权重; tij为子指标权重; gij为子指标百分制赋值。

4.5 弹药供应保障体系环境因子分析

地理、气象等外部环境条件会对弹药供应保障效能产生影响，因此还需要考虑环境因素。选取地理、气象2个因素进行考虑，得出计算模型为：

(13)

式(13)中：hi为指标权重；hij为子指标权重；kij为子指标打分赋值，赋值范围0～1。

联立上述公式，便可求出弹药供应保障效能的估计值。

5 结论

本研究对面向弹药供应保障体系结构建模与效能评估问题进行设计，利用DoDAF框架对该体系结构的作战视图、能力视图、系统视图进行描绘，能够对供应保障体系结构有更为全面的认识。并结合改进后的ADC效能评估模型，对供应保障体系的运行效能进行评估。建模结果可为弹药供应保障体系的顶层设计提供参考依据。