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Command Control and Simulation

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2024 , Vol. 46 >Issue 4: 8 - 21

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2024.04.002

Equipment Technology

Architecture modeling for system collaborative combat based on unified architecture framework (UAF)

  • LI Delin ,
  • ZHANG Yuchen ,
  • WANG Jun ,
  • LIU Naihao
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  • Chinese Aeronautical Establishment, Beijing 100029, China

Received date: 2023-05-09

  Revised date: 2023-06-23

  Online published: 2024-07-29

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Abstract

Facing the continuous improvement of war complexity under the trend of system-of-systems confrontation,this paper introduces MBSE to the modeling design of complex system-of-systems combat. Adopting Unified Architecture Framework, a modeling method based on scenes is proposed by sorting out the modeling needs and internal mechanisms of system operations. Taking the task that searching and attacking multiple target as an example,various kinds of view is constructed including strategic, operating, resources and services. Then, logic verification is carried out based on the model. This method can provide a reference for system-of-system combat design and UAF application.

Key words： model-based system engineering (MBSE); unified architecture framework (UAF); system-of-systems combat; architecture design

Cite this article

LI Delin , ZHANG Yuchen , WANG Jun , LIU Naihao . Architecture modeling for system collaborative combat based on unified architecture framework (UAF)[J]. Command Control and Simulation, 2024 , 46(4) : 8 -21 . DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2024.04.002

随着信息化、智能化等技术的跨越式发展,现代战争已经从单一作战领域、单一兵种、相对固定的作战模式向着体系化、“马赛克”化[1-2]、自主化的战争形态过渡。其不断衍生的复杂性,不仅源于联合作战下装备系统之间相互关联、相互作用、相互依赖更加紧密,更源于体系协同所带来的装备使用方式、作战样式、通信链路、指控关系等的深层次变革。这决定了作战体系研究要脱离原有的单一装备视角,从单一杀伤链的闭合设计转向联合跨域杀伤网的动态构建,装备系统论证从“更高、更快、更强”的单纯性能追求转变为目标装备在体系中定位、作用、贡献及实现等的机理性研究。因此,如何能够全方位、多维度准确地描述体系结构、体系运行及内在机理逻辑是当前体系作战建模研究的重要课题。
MBSE(Model-Based System Engineering,基于模型的系统工程)是由国际系统工程学会在2007年正式提出,它是对系统工程活动中正规的形式化模型应用的正式认同[3]。在MBSE中,模型是唯一的真相来源,它反映目标对象所被关注的种种特征及属性,往往能体现多个互补的、相互兼容的观点[4⇓-6]。目前,其方法及基于模型的思想已经在国防装备采办、工程产品研发等领域中取得成功实践[7⇓⇓-10]。随着对其他相关领域先进理论的吸纳与扩充,MBSE的内涵得到更丰富的扩展,基于模型的思想也更广泛地应用在包括生命周期前端的装备论证[11]、作战设计[12]等诸多领域。

1 UAF架构框架概述

架构框架是建立在特定应用领域或利益方交流中创建、解释、分析和使用架构描述的通用实践[13]。它是应对复杂性开展复杂组织体系分析、设计、描述的主流方法之一。从最早1987年的Zachman框架起,美国国防部、英国、北约等各国家及组织相继根据自身业务特点提出了多种体系架构框架,包括C4ISR(Command Control Communications Computers Intelligence Surveillance Reconnaissance,指挥、控制、通信、计算机、情报、监视和侦察)、DoDAF(Department of Defense Architecture Framework,美国国防部架构框架)、MoDAF(British Ministry of Defence Architecture Framework,英国国防部架构框架)、NAF(Nato Architecture Framework,北约架构框架)等,其主要演变关系如图1所示。
图1 体系架构框架演变关系

Fig.1 System of system architecture framework evolution history

UAF是当前体系工程最新成果之一,其由OMG在2017年正式发布。它吸收了UPDM(Unified Profile for DoDAF and MODAF,DoDAF和MoDAF统一概要文件)、MODEM(MoDAF本体数据交换机制)等成功经验,在兼容了DoDAF、MoDAF、NAF等多种体系架构特点的同时,统一了领域术语定义、概念及建模描述,从顶层本体实现MoDAF与NAF的元模型统一,解决了演化过程中各体系框架概念不能完全互通、元模型难以匹配及框架工具无法灵活交互等问题[15]。体系架构框架在发展演变中吸收了MBSE理论发展的先进成果,运用统一规范的形式化模型已成为开展体系架构设计的关键。目前,UAF 1.2版已于2021年底正式发布[16],它支持运用SysML(System Modeling Language,系统建模语言)在内的多种形式化语言开展体系架构分析与多视图模型的设计构建。
UAF 1.2定义了架构管理、总结和概述、战略、运行、服务、人员、资源、安全、项目、标准、实际资源11个领域与动机、分类、结构、连接、过程、状态、顺序、信息、参数、约束、路线图、追溯性12个方面,其视图矩阵如图2所示。
图2 UAF 1.2视图矩阵

Fig.2 The viewpoint matrix of Unified Architecture Framework (UAF) Version 1.2

国内外针对各类体系框架有不少实践应用,目前应用UAF的架构实践主要面向体系运行概念设计与体系架构设计方面。
比如,国外AurelijusMorkevicius等人[17]在研究中展示了巡航导弹防御体系UAF描述案例,涵盖巡航导弹防御体系的高层运行概念设计与资源视角的体系架构设计;Matthew Hause等人[18-19]利用UAF开展民用海上搜救运行场景的设计,重点选取安全视角开展安全性及风险分析;Lalitha Abhaya等人[20]运用UAF开展多无人机森林防火体系设计,完成了使命、运行、功能分析以及逻辑与物理结构设计。
国内,南京电子工程研究所[21]运用UAF开展了“一带一路”沿线航空运输协同信息体系模型构建,完成了需求分析与信息、能力、运行以及资源、人员的多视角模型构建;李铭浩[22]等人利用UAF开展了无人机群体系架构设计,侧重机群的协同控制分析;军事科学院丁茜等[23]基于UAF设计了重大灾害救援体系架构,开展了战略、业务、人员、资源四域的架构设计;国防科技大学梁万路等[24]基于UAF开展联合情报体系结构设计研究,运用了总结与概述、战略、人员、业务、服务、资源六个视角。

2 基于UAF的体系作战建模方法

2.1 体系作战建模需求分析

利用体系架构框架进行作战建模的核心是根据利益攸关方需要,基于统一的语义选择多个合适的视角来描述体系作战建模中利益方所关切的不同方面。针对具体作战场景,即重点描述任务需要“做什么”以及“怎么做”。“做什么”需要深入剖析利益攸关方的真实需求,明确本次任务的关键目标、预期作战效果与其他详细需求等,定义所涉及的相关场景、条件、约束,然后明确任务所需的相关能力与能力之间的依赖关系;“怎么做”描述为完成作战任务并实现预期效果所需要的解决方案,既包括抽象层的逻辑解决方案,也包括具体的装备解决方案/非装解决方案(如战术战法变更、训练等)。
在UAF1.2框架中,战略视角定义复杂组织体愿景、阶段、主要任务及场景条件、能力等,分析现有能力是否满足作战任务需要;任务的作战概念在运行视角设计,需要明确执行任务所需的各类角色,细化作战活动、时序,确定不同角色间的接口及不同活动间的信息传递类型;资源视角描述参与作战的装备体系结构组成、装备/系统/软件的功能活动等,它是对运行层的资源实现;人员视角描述组织构成、组织关系、人员功能,描述涉及的人员组织在该作战中的定位与作用;服务视角定义支持作战活动所需要的服务,其中规范化的服务是一系列功能活动的整合与封装,以统一的接口为作战提供信息、物质等交换。主要的模型元素关系如图3所示。其中,运行视角是从作战角度设计的抽象解决方案,侧重于逻辑上的作战实现,旨在不受现有装备约束的情况下尽可能地探索不涉及具体资源实现的作战可能解。
图3 基于任务场景的体系协同作战元模型

Fig.3 System collaborative combat meta-model based on task scenes

2.2 基于场景的体系作战设计建模方法流程

面向一个具体任务场景,体系作战模型的分析构建需要遵循“任务-能力-运行-实现(含服务、资源、人员等)”的设计脉络,通过组织愿景/任务目标牵引出所需要的体系能力,利用能力需求到体系运行再到资源实现的逐步映射,实现体系解决方案从可能解到可行解的解集空间分层探索权衡,避免直接陷入现有装备匹配组合的有限解集,建模主要流程如图4所示。
图4 模型构建的主要流程步骤

Fig.4 The main process steps of modeling

1)使命任务定义
首先在战略层St-Tx/Sr视图明确本次作战的核心使命,即该任务场景希望达成的预期目标或战略意义,明确该任务是否存在阶段划分或者是否需要拆解成多个子任务;定义任务完成与否的度量以及作战效能(任务完成好坏程度)测度,然后确定该任务的时限、区域以及执行过程中可能受到的约束限制、环境条件等。
2)分析能力需要
按照主要能力域划分出任务所需要的主要能力,在St-Sr视图中细化分解构建任务的能力框架,在St-Sr与St-Tr建立能力子项间的能力依赖关系以及能力与各任务的追溯关系。
3)逻辑架构分解
根据任务特征以及能力需要,设计该任务存在的可行作战概念,采用Op-Tx/Op-Sr绘制运行视角下的作战角色组成,明确各类角色的具体属性;利用Op-Pr视图设计执行任务的作战活动树与活动流,确定各作战角色在完成作战任务时执行的子活动,定义各子活动的衡量测度;利用Op-Tr视图可定义作战活动到能力项的追溯关系。
4)设计具体解决方案
按照定义的逻辑架构,根据所分配的系统资源、人员组织、规范服务等分别设计可行的详细解决方案。例如针对系统资源解决方案,采用Rs-Tx/Sr设计所需要使用的系统、软件等资源,利用Rs-Pr,绘制系统/软件执行任务的功能流及各资源的功能树等。其中,解决方案中资源既可包括现有资源,也可包括预期发展的资源(任务期限前)。采用Rs-Tr视图可建立功能到作战活动的实现关系。
5)解决方案逻辑验证
在运行层/资源层中,通过Op/Rs-St视图构建状态机,验证系统资源间的接口及信息传递。完成具体解决方案设计后,建立作战活动的实现追溯图,验证逻辑解决方案设计的正确性,即确保所有完成任务所需的作战活动都有相应的功能或服务实现。

3 面向任务的作战建模示例

以空天协同的多目标搜索攻击任务为例,验证上述体系作战建模方法。该任务以区域拒止为目标,需在较广阔的指定区域内时刻保持对可疑目标的探测识别,并能在发现敌对目标后,及时完成跟踪、打击及评估,其战略、运行、服务、资源等视角模型构建如下。
1)战略视角建模
在St-Tx视图中设定执行多目标搜索攻击任务的主要特征属性,包括区域、环境特征及受到的各类约束种类,例如天气、风力、弹药数量等;基于任务想定确定任务的具体实例,如图5所示。任务实例决定了该任务所需的能力。
图5 多目标搜索攻击任务模型

Fig.5 The model of multi-target search and attack tasks

多目标搜索攻击任务所需的主要能力归属于侦察探测、通信传输、情报研判与决策、火力打击四个主要能力域,子能力基于任务的具体特征定义,该任务的侦察探测能力主要包括广域常态化搜索能力、区域内目标搜索与持续跟踪能力、目标火控级信息探测能力以及目标毁伤情况探测能力等。任务所需能力分类如图6所示。
图6 任务能力结构模型

Fig.6 The capability structure model of this task

2)运行视角建模
在Op-Tx视角中,基于多目标搜索攻击任务实例,设计该任务的作战概念(Concept of Operations,ConOps)。一个任务可以具有多个作战概念。其中,图7表示了以不同指控方式划分的多种作战概念类型。
图7 多目标搜索攻击任务的作战概念示例

Fig.7 Examples of a combat concept of multi-target search and attack

以第一种作战概念为例,其执行节点分类如图8所示,分为外源传感器、侦察探测节点、集中式指控节点、打击节点、毁伤评估节点。
图8 该作战概念的节点分类

Fig.8 The performer classification of the ConOps

基于杀伤链主要环节在Op-Pr视图中设计各节点完成任务闭环所需的作战活动,如图9所示。
图9 该作战概念的作战活动流

Fig.9 The operational process flow of the ConOps

图9以活动图的形式表征了各节点在任务中所需完成的作战活动,如需要外源传感器完成探测发现目标、指控节点需要完成目标研判识别以及任务方案制定等,其中执行打击任务又分解为接收任务指令、路径规划与攻击区解算、飞抵攻击阵位、发射导弹、机动脱离5个子活动。
3)资源、服务与人员视角建模
基于能力需要,设计资源、人员、服务等视角下的实现方案。图10显示了多目标搜索攻击任务的一种实现方案,由无人机构成无人机编队对区域内已发现的可疑目标进行跟踪、打击、评估,其中可疑目标的初次探测发现将由定义的“区域内持续探测”服务实现,该服务由侦察卫星或预警机具备的一系列功能封装实现。指控相关活动由地面指控中心提供的“集中式任务研判与分配”服务实现,地面指控中心包括情报指挥人员与指控通信设备,分别具备“情报分析与研判”“情报指令收发”功能,支持该服务的实现。
图10 多目标搜索攻击任务的资源结构模型

Fig.10 The resource structure model of multi-target search and attack tasks

同时,上述服务、功能可细化分解为一系列子功能活动流,图11表示“区域内持续探测”服务需要先后执行“外源传感器搜索”“信息融合与研判”“发送目标信息”子活动。其中针对“发送目标信息”活动利用“Port”“ServiceParameter”元素分别定义了接口与信息属性,如信息种类是字段还是图像、信息量阈值等。
图11 区域内持续探测内部活动流

Fig.11 Internal activity flow of continuous detection in the area

无人机编队执行作战活动的功能流及信息传递如图12所示,其中,部分功能活动在执行侦察、打击、评估子任务中进行了多次复用。
图12 无人机系统功能活动流

Fig.12 The resource process flow of the UAV system

4 逻辑仿真验证

基于形式化模型的可执行性,通过运行活动流图、状态机图检验设计的作战体系运行逻辑是否自洽。如图13表示该任务资源层的状态机,通过执行状态机来检验整个任务过程中的无人机、侦察卫星、指控中心等资源的功能活动流时序是否闭环、接口是否正确定义以及传递的信息能否通过相应接口正确地发送与接收。
图13 多目标搜索攻击作战体系的状态机验证

Fig.13 Use state machine for the verification of multi-target search and attack task

另一方面,利用Op-Tr与Rs-Tr视图可建立从作战到能力、资源到作战的追溯,追溯关系主要包括“资源-作战节点-能力”“资源功能-作战活动-能力”两条主线脉络,如图14、图15显示了无人机功能到作战活动、作战活动到任务能力的追溯关系。
图14 资源功能到作战活动的追溯关系

Fig.14 Functions to operational activities mapping

图15 作战活动到能力的追溯关系

Fig.15 Operational activities to capabilities mapping

在实际体系设计中,杀伤链或资源功能流自身的错误往往很容易被发现,但一条闭环的杀伤链与能够正确执行的资源功能流并不意味体系设计整体的正确性与完整性。利用追溯矩阵可以检查所有活动是否真的分配到正确的资源上进行执行,以及已分配的资源功能及性能参数是否确实满足作战活动需要,也能够检查所有的能力是否均有相应的活动支持以及能否覆盖所有活动,进而确保提出的任务能力既不遗漏、也不冗余,保证了设计链条自上而下的追溯贯通。
如图13所示,该任务状态机能够顺利执行,确保了所构建的侦察卫星、地面指控中心、无人机已正确定义该任务所需的全部信息传输接口,可以传输活动图中定义的包括侦察、攻击、毁伤评估等任务指令与目标位置及状态信息、目标毁伤情况等情报信息。通过图14可以看出,所有的作战子活动均有相应资源功能来实现,图15也表示所有的作战活动均追溯到所有的子能力项上,因此,确保了任务能力不冗余、不遗漏以及所设计的全部作战活动的可实现性。综上所述,所构建的空天协同的多目标搜索攻击任务,活动逻辑合理,信息接口完备,能够实现“能力-作战活动-资源功能”的逐层追溯,确保了推理链条是完整且可溯源的。

5 结束语

联合跨域的体系协同是现代战争演进的必然趋势,然而庞大联合作战体系内部的复杂性往往是传统基于文本的方法难以解决与管理的。文中引入MBSE方法及国际UAF架构框架,主要完成了以下研究工作:
1)基于UAF面向任务分析梳理了体系协同作战的建模需求与模型构建机理,提出了遵循“任务-能力-运行-实现”基本逻辑的体系作战建模方法,重点围绕战略、运行、服务、资源、人员5类视角及相关视图,详细梳理了主要建模步骤及各步骤间关系。
2)以空天协同的多目标搜索攻击任务为例,验证上述体系作战建模方法:先后基于战略视角分析使命任务、构建能力模型,基于运行视角设计作战概念、分析任务节点与任务活动流,在实现层分别设计资源、服务、人员视角下的具体解决方案。
3)最后,通过构建状态机验证资源功能时序、接口及信息传递的正确性,利用构建追溯矩阵检验自顶向下设计链路的逐层贯通。

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