基于DoDAF的蜂群无人机防空压制作战体系研究

摘 要：蜂群作战模式是小型无人机未来颠覆性作战模式之一，利用蜂群无人机对对方防空系统进行压制是蜂群无人机的主要应用样式之一。为有效保障和指导防空压制任务的执行，必须针对蜂群无人机的使用模式和应用场景建立其顶层的体系架构。针对空中发射蜂群无人机进行防空压制的应用场景，根据美国国防部体系架构框架提供的标准和方法，构建了大型运输机从空中投放蜂群无人机执行防空压制/对地攻击等作战任务的体系架构，给出了体系架构的建模流程，并从作战概念、组织过程、作战活动、信息交互关系以及资源流等不同视角和层次建立了相应的视图模型，可为未来大型运输机空投蜂群无人机进行蜂群应用研究提供借鉴。

关键词：防空压制；蜂群无人机；国防部体系架构框架；体系架构

中图分类号：TN929" " " " " " "文献标识码：A" " " " " " "文章编号：1007 - 9734 （2024） 02 - 0005 - 09

0 引 言

随着人工智能、网络通信与自主系统技术的发展，无人机的自主控制能力、发展趋势与应用模式也在逐渐发生改变，以低成本微小型可消耗为典型特点的微小型无人机的发展衍生出了“蜂群无人机”的概念［1］。在2016年5月17日，美空军发布的《小型无人机系统飞行规划2016—2036》中， 美空军就希望未来能够构建横跨航空、太空、网空三大作战疆域的小型无人机系统，并在2036年实现无人机系统集群作战［2］。但是在该领域的研究，目前不论是国外还是国内，主要还是集中在适合蜂群作战的蜂群无人机平台设计以及与蜂群模式相关的作战概念或单项技术的模拟。如美国海军研究办公室（Office of Naval Research，ONR）开展的名为“低成本无人机集群技术（LOCUST）”项目，重点是开发适合集群作战的LOCUST无人机；美国国防部战略能力办公室（Strategic Capabilities Office，SCO）主导的“山鹑”（Perdix）项目，重点是开发“山鹑”微型无人机等［3］。在蜂群无人机分布式作战技术方面，美国DARPA （Defense Advanced Research Projects Agency）相继开展了“体系集成技术和试验（SoSITE）”以及“进攻性蜂群使能战术（OFFensive Swarm- Enabled Tactics，OFFSET）” 等项目 ［4］。国内以中国电科为首的科研院所也在蜂群无人机平台和应用方面进行了大量探索［5］。总体来说，目前对于蜂群无人机的研究还集中在平台、通信、协同等单项技术研究上，对应用场景的研究还主要集中在概念上。但是针对具体应用场景的体系架构研究还比较缺乏。

体系架构是关于复杂系统组织与运行的顶层指导体系，对其建模能够有效指导体系的建立与运行。目前，在体系架构的研究方面，主要是基于美国国防部体系结构框架（DoDAF），英国国防部的MoDAF（Ministry of Defense Architecture Framework）以及在其基础上发展起来的统一架构框架 （Unified Architecture Framework， UAF）等进行体系架构建模分析 ［6-7］，如应用DoDAF 的视角和模型开展的对复杂系统工程、靶场体系、反导装备体系等的研究，满足了不同类型、不同层次、不同领域的顶层分析需求［8-11］，对指导和规范复杂体系的构建具有重要的理论价值和实践意义。

基于DoDAF成熟的建模规则与方法以及蜂群无人机系统作战应用的顶层需求，本文首先建立空中运输机投放蜂群无人机执行对地防空压制和攻击作战的场景和概念，然后运用DoDAF的准则和方法对该系统的体系架构从不同视角开展建模分析，期望建立起蜂群无人机执行防空压制任务的顶层概念与运行体系。

1 DoDAF的基本概念与开发过程

DoDAF最早是从美军的C4ISR体系结构框架基础上发展而来的，其最新版本DoDAF 2.0于2009年5月推出。相比于以前的版本，DoDAF 2.0的体系结构开发过程从以前的以产品为中心转向以数据为中心，主要是提供决策数据。描述用语也从“视图（Views）” 变为“视角（Viewpoint）”，其视图体系也扩展为全景视角、数据与信息视角、标准视角、能力视角、作战视角、服务视角、系统视角、项目视角等8个视角共52个产品［6］，建模过程中可根据具体情况对涉及的视角和模型进行剪裁［12］。DoDAF 2.0的体系架构视图开发过程主要分为六个步骤，分别是确定体系结构的预期用途；确定体系结构的范围；确定体系结构开发所需的数据；采集、组织、关联和存储体系结构数据与根据决策者的需求生成结果文档，如图1所示。lt;D：＼1＼新建文件夹＼郑州航空工业管理学院学报＼郑州航空工业管理学院学报202402＼Image＼image1.pnggt;

2 基于DoDAF 的SEAD作战体系建模方法

2.1" 小型蜂群无人机SEAD场景构建

防空压制是空中飞机利用反辐射、干扰、消耗等手段，通过对地面防空系统进行主动或被动压制，迫使地面防空系统的预警系统、雷达、指挥控制系统、通信设施和攻击导弹等能力下降或失效，从而为机载武器的投放创造安全的条件［13-14］。传统的防空压制方法是通过机载武器的密集投放或协同来完成，但是代价较大，平台或武器的安全性难以保证。随着无人机技术的发展，特别是蜂群无人机技术的发展，利用大量廉价的小型无人机形成类似于蜂群、鸟群一样的集群系统，通过集群涌现能力和无中心自组网模式对防空系统形成饱和式压制已经成为蜂群无人机的主要应用模式之一。

蜂群无人机只有形成集群优势才能完成防空压制任务，因此，蜂群无人机要在短时间内集中释放并快速形成集群效应。目前，可行的方式是将蜂群无人机装载到大型运输机上，运输机飞行到指定区域后通过发射装置发射大量蜂群无人机，这些蜂群无人机通过群间自组织和自协同飞抵目标区后，自主进行任务规划，遂行防空压制等任务，任务完成后生存的无人机沿回收航线返航到空中回收点由运输机通过空中回收装置进行回收。该任务场景剖面如图2所示。

2.2" 基于DoDAF的SEAD作战体系建模流程

依据DoDAF的开发过程和蜂群无人机防空压制任务剖面，基于DoDAF的蜂群无人机防空压制作战体系建模思路如下：

（1）首先对蜂群无人机防空压制任务进行定义，明确其范围、任务、背景等，为后续顶层分析提供总体概念。

（2）根据总体概念，对蜂群无人机防空压制任务进行分析，定义场景想定和系统需求，构建体系架构模型，分析体系节点构成，明确节点间的信息交互和节点间的指控关系等。

（3）对构建的作战体系能否完成预定功能进行系统分析。

依据上述思路，蜂群无人机防空压制作战体系的建模流程如图3所示。

S1：确定蜂群无人机防空压制作战的范围、目的和背景，从全景视角进行分析，形成AV-1视图模型；

S2：根据AV-1，从作战视角进行防空压制任务分析。

（1）分析作战任务和作战需求，确定作战目标，形成明确的顶层作战概念，建立OV-1视图模型。

（2）根据顶层作战概念，梳理作战过程中各节点之间的交互关系，构建OV-4视图模型描述节点间的指挥关系。

（3）针对任务的执行过程，设计出整体的防空压制作战流程和作战活动，构建作战活动模型OV-5。

（4）详细描述作战流程中各作战活动、作战状态及其转换关系，建立与之相关的视图产品OV-6b、OV-6c。

（5）最后，利用OV-2和OV-3分别以图形化的方式和以矩阵形式描述作战节点之间的信息交换关系。

S3：基于系统视角将防空压制任务向具体的系统功能需求进行转换。

（1）根据任务需求，分析作战活动涉及的系统功能形成视图产品SV-4。

（2）根据作战节点识别出系统节点和具体的装备系统，构建SV-1描述系统之间的接口连接关系。

（3）最后基于系统视角的SV-5a模型对任务与系统进行功能映射分析。

2.3" 基于DoDAF的SEAD作战体系视图产品关系

从上述分析可以看出，该作战体系的构建主要涉及全景视角、作战视角和系统视角。其中全景视角主要涉及产品AV-1（综述和概要信息模型）；作战视角涉及的产品为OV-1（顶层作战概念图）、OV-2（作战节点连接描述）、OV-3（作战资源流矩阵）、OV-4（组织关系图）、OV-5b（作战活动模型）、OV-6b（作战状态转换模型）和OV-6c（作战事件跟踪描述）；系统视角涉及SV-1（系统接口描述模型）、SV-4（系统功能模型）和SV-5a（系统功能与作战活动映射模型）。各种模型及其支持模型的关系如图4所示。

3 基于DoDAF的蜂群无人机SEAD作战体系架构建模

3.1" 蜂群无人机SEAD作战体系综述与概要信息模型（AV-1）

AV-1主要用于描述与所有视图相关的体系架构背景方面的顶层信息。结合蜂群无人机SEAD作战体系建立的体系综述与概要信息模型如表1所示。表中明确了蜂群无人机SEAD作战体系的研究范围和目标，描述了其任务背景，确定了相应的研究工具、方法和任务目标，为后续体系架构模型的开发设计奠定了基础。

3.2" 蜂群无人机SEAD作战体系作战概念模型（OV-1）

在蜂群无人机SEAD作战体系中，主要作战实体包括大型运输机、空中小型侦察监视无人机、空中小型察打一体无人机、无人机载光电侦察系统、无人机载导弹、无人机载枪塔、地面指控中心、测控链路、侦察卫星、通信卫星以及攻击目标等。其作战概念是指挥中心通过通信车等实时接收来自通信卫星和侦察卫星的信息，制定作战计划，将作战计划下达到任务执行单位，任务执行单位按照作战计划完成蜂群无人机的装载，随后大型运输机将蜂群无人机运输到指定空域进行投放，投放后的蜂群无人机基于集群智能与蜂群协同完成对地面防空系统的突防、压制和摧毁，任务完成后生存的蜂群无人机飞回到指定空域由大型运输机的机载无人机回收装置完成回收。基于DoDAF的业务模型OV-1，该总体概念图形表示如图5。

3.3" 蜂群无人机SEAD作战体系组织关系模型（OV-4）

组织关系模型主要是要明确作战体系中涉及的关键人员/组织之间的指控关系。对蜂群无人机SEAD作战体系来说，情报信息获取汇总到指挥中心后，指挥中心进行情报信息处理后将作战要求发送给作战系统指挥员，作战系统指挥员制定详细的作战方案给有人机驾驶员、地面操控人员启动作战过程，在作战过程中根据作战态势和进程指挥无人机操控员和技术保障员进行具体操作，技术保障员也会对无人机的操控提供意见。

由此可见，该过程中参与的关键人员/组织有情报获取人员、指挥中心、作战指挥员、地面站系统操控员、有人机驾驶员、无人机操控员、技术保障人员。其组织关系如图6所示。

3.4" 蜂群无人机SEAD作战体系活动模型（OV-5）

按照蜂群无人机SEAD作战剖面，在整个作战过程中涉及无人机投放/回收、集群编队飞行、目标搜索/探测/定位/打击、任务指挥控制等多种作战活动。该活动的组织架构如图7所示。

3.5" 蜂群无人机SEAD作战体系状态转换模型（OV-6b）

蜂群无人机作战状态转换是描述蜂群无人机作战体系中不同作战事件的状态随作战进程的变化情况。根据蜂群无人机作战的过程描述，蜂群无人机作战体系存在如下几种状态：任务前准备阶段、无人机装载阶段、有人机携带无人机飞行阶段、有人机释放无人机阶段、蜂群无人机飞行阶段、蜂群无人机协同侦察搜索阶段、蜂群无人机协同攻击阶段、无人机战场评估阶段、蜂群无人机返航阶段，蜂群无人机回收阶段、有人机返航阶段。蜂群无人机各状态转换关系如图8所示。

3.6" 蜂群无人机SEAD作战体系作战事件跟踪模型（OV-6c）

蜂群无人机作战事件跟踪模型在整个SEAD作战过程中，各作战节点在作战过程中的时序关系以及不同节点在各时间点的信息交互关系，如图9所示。

3.7" 蜂群无人机SEAD作战体系资源流表述模型（OV-2）

蜂群无人机在SEAD任务执行过程中会接收来自侦察卫星、通信卫星、无人机、有人机以及指挥中心提供的资源保障。故蜂群无人机在SEAD任务执行过程中涉及的作战资源有情报资源、指控资源、有人机资源、侦察无人机资源、攻击无人机资源以及机载设备资源，各资源之间通过接口进行信息交互，其资源流如图10所示。

3.8" 蜂群无人机SEAD作战体系作战资源流矩阵（OV-3）

作战资源流矩阵主要描述作战资源之间需要交换的信息及其信息属性，主要是要对蜂群无人机SEAD作战资源流模型中各资源之间的信息交换内容进行定义，如表2所示。

3.9" 蜂群无人机SEAD体系系统功能模型（SV-4）

系统功能是系统与环境通过交互作用展现出来的能力。DoDAF提供的SV-4模型就是用于描述资源的输入的能力，它是系统对外表现出的能力和作用。DoDAF提供的SV-4模型就是用于描述资源的输入与输出之间的关系，确保了功能的完整性和分解的详细性。它是OV-5活动模型的对应物，该模型能够为资源的分配提供依据。按照分层设计的观点，系统功能可分为系统功能、分系统功能、子系统功能，下层功能是对上层功能的支撑。对于蜂群无人机SEAD体系来说，参照OV-5活动模型映射出的系统功能模型如图11所示。

3.10" 蜂群无人机SEAD体系系统接口描述模型（SV-1）

系统接口描述模型SV-1通过描述资源的结构和交互方式以实现OV-2操作资源流说明中指定的逻辑体系结构，将操作和系统体系结构模型链接在一起。蜂群无人机SEAD作战体系中包括有人机系统、无人侦察机群系统、无人攻击机群系统、地面指挥控制系统、通信保障系统、情报保障系统以及作战指挥信息化系统，各分系统之间的系统接口如12图所示。

4 结束语

蜂群无人机是未来分布式作战体系下无人机的重要发展方向，蜂群无人机应用体系架构技术作为蜂群无人机系统的关键技术之一，对其的研究成果对于从系统顶层界定系统的概念、明晰系统的组成和结构以及理解系统内部组织关系具有重要的理论意义与实用价值。同时通过对作战体系的多角度描述，也对如何降低后续系统设计过程中的技术风险和费用风险具有重要的指导作用。本文基于DoDAF方法对蜂群无人机SEAD作战体系进行了建模分析，能够从系统顶层形成对SEAD作战体系的清晰描述，对后续蜂群无人机系统的构建和实现具有重要的借鉴和参考意义。当然，蜂群无人机的应用场景与应用模式多种多样，不同的场景与模式下其系统的体系架构也不尽相同，本文只是针对蜂群无人机SEAD应用场景进行的研究，但其研究思路和建模方法可为其他应用场景提供参考。

参考文献：

［1］董宇，高敏，张悦，等.美军蜂群无人机研究进展及发展趋势［J］. 飞航导弹， 2020，（9）：37-42.

［2］ROBERT O.Small unmanned aircraft systems （SUAS） flight plan：2016-2036［R］. United States Air Force， 2016.

［3］刘丽，王森，胡然.美军主要无人机集群项目发展浅析［J］.飞航导弹，2018（7）：37-43.

［4］中国指挥与控制学会. DARPA“进攻性蜂群使能战术”项目披露更多细节［EB/OL］. http：//www.c2.org.cn/h-nd-126.html.

［5］史志富. 无人机自主集群的控制架构与关键技术分析［A］.第七届中国指挥控制大会论文集［C］，2019.

［6］DOD ARCHITECTURE FRAMEWORKING GROUP. DoD Architecture Framework Version 2.0， Volume 1：Introduction，Overview， and Concepts ［M/OL］. United States：Department of Defense， 2009.

［7］DOD ARCHITECTURE FRAMEWORKING GROUP. DoD Architecture Framework Version 2.0， Volume 2：Architectural data and Models ［M/OL］. United States：Department of" Defense， 2009.

［8］姚延军，王红，谭贤四，等. 基于DoDAF V2.0的体系结构开发方法［J］.火力与指挥控制，2013，38（3）：103-107.

［9］李大喜，张强，李小喜，等.基于DoDAF的空基反导装备体系结构建模［J］.系统工程与电子技术，2017，39（5）：1036-1042.

［10］申彦君.基于DoDAF的体系结构建模在反潜飞机任务系统设计中的应用［J］.电光与控制，2014，21（9）：90-94.

［11］马欢.基于DoDAF2.0的数据链系统功能建模研究［J］.舰船电子对抗，2017，40（1）： 58-63.

［12］PIASZCZYK C. Model Based Systems Engineering with Department of Defense Architectural Feamework［J］. Systems Engineering， 2011，14 （3）：305-326

［13］唐嘉钰，李相民，代进进.美军无人机防空压制作战运用分析［J］.飞航导弹，2020，（5）：44-48.

［14］王兴虎，程家林，郭强，等.防空压制任务中的智能协同作战体系研究［J］.无人系统技术，2020，3（4）：10-21.

责任编校：陈 强，裴媛慧

Study on the SEAD Combat Architecture of Swarm Drones Based on DoDAF

SHI" Zhifu

（School of Aircraft， Xi’an Aeronautical Institute， Xi’an 710077，China）

Abstract：The swarm combat mode of small drones is one of the disruptive technologies in the future. Using swarm drones to perform the suppression of opposite air defenses （SEAD） mission is one of the main application modes of swarm drones. In order to ensure and direct the execution of SEAD， the top-level architecture framework of swarm drones must be established according to its usage mode and application scenario. For SEAD scenarios with air-launched swarms drones， based on the standards and methods provided by the U.S. Department of Defense Architecture Framework （DoDAF） 2.0， the architecture of large transport aircraft dropping swarm drones from the air to perform SEAD and air-to-ground attack and other combat tasks is constructed， and the modeling process of the architecture is given， the corresponding view models are established from different perspectives and levels， such as combat concept， organization process， combat activities， information interaction and resource flow， etc. ， it can be used as a reference for the future research on the swarm drones.

Key words：suppression of enemy air defenses; swarm drones；department of defense architecture framework; architectural

作者简介：史志富，安徽砀山人，教授级高级工程师，博士，主要研究方向为航空系统工程、飞行器效能评估、智能指挥与控制等。