军事领域体系结构研究综述*

王 灿，郭齐胜*，穆 歌，王 敏

（1.陆军装甲兵学院，北京 100072；2.军事科学院系统工程研究院，北京 100141；3.解放军66736 部队，北京 100144）

0 引言

现代战争强调体系对抗，加强体系建设是军事领域的重要课题。自20 世纪90 年代美国国防部推出C4ISR 体系结构框架后，体系结构方法论在军事领域的研究与应用已经历了20 余年的历程，在军事体系的需求与设计、集成与构建、演化与评价中发挥了重要作用，正得到越来越多的关注。

军事领域体系结构研究与其他领域在研究内容、技术上既有共性也有特性，既包含体系结构基础理论探索，也包含大量方法研究和应用实践。Aier等在分析国外大量体系结构文献的基础上，按照研究内容把体系结构研究划分为体系结构理解、体系结构表达、体系结构使用3 个方面［1］。Simon 等通过文献分析，把体系结构研究划分为体系结构框架、体系结构概念与建模、体系结构管理设计与操作3个方面［2］。高松等从关键技术角度划分为体系结构框架、体系结构设计方法及工具、体系结构综合评估方法3 个方面［3］。本文综合上述划分方式，通过文献分析识别出3 个主要研究方向，即体系结构框架与设计方法、体系结构概念与建模、体系结构管理设计与操作，并建立了逻辑关系框图，如图1 所示。以下分别对3 个方向研究进行综述，进而得出下一步的研究建议。

图1 军事领域体系结构研究逻辑关系框图Fig.1 Block diagram of research logic relationship of system of systems architecture in military domain

1 体系结构框架与设计方法

体系结构框架与设计方法是体系结构研究的基础。体系结构框架从创建和维护体系结构的过程以及体系结构的内容描述两个方面，阐述创建体系结构的方法论，体系结构设计方法阐述体系结构产品开发的方法学和详细过程。二者从内在逻辑和发展历程上都具有较强的关联性。

1.1 体系结构框架

当前存在众多军事体系结构框架，如美国国防部体系结构框架（department of defense architecture framework，DoDAF）2.02 版（2010），英国国防部体系结构框架（ministry of defense architecture framework，MoDAF）1.2.004 版（2010），北约的体系结构框架（NATO architectural framework，NAF）4.0 版（2016），以及对象管理组织（OMG）在UPDM 基础上开发的统一体系结构框架（unified architecture framework，UAF）1.1 版（2019）等。我军于2005 年推出了符合我军军情的军事电子信息系统体系结构框架［4］。在这些军事体系结构框架中，以DoDAF 的研究和使用最为成熟，实践应用最为广泛。UAF［5］的出现解决了框架间概念异构、元模型不匹配及建模语言难以无缝沟通的问题，具有更强大的兼容性和可扩展能力，代表了体系结构框架的发展方向。目前对UAF的研究正在兴起，主要从两个方面展开。

一是UAF 原理解析。HAUSE 等给出了UAF 行业建模标准［6］（unified architecture frame profile，UAFP）［7］的简要开发流程，包括构建领域元模型，与其他框架中概念和视图的对齐、统一和重命名，域元模型概念到版型的映射，标准的语言结构、工具实现和重用性考察，添加概述图表、视图描述和记录等步骤，阐明了UAFP 的形成过程。HAUSE 等还针对人的因素如行为、交互、能力、复杂性和局限性等对体系结构的显著影响，提出了UAF 人力视角（personnel views）描述模型的SysML 构建案例，为体系中人因需求的分析集成提供参考［10］。丁茜等分析了UAF 的方法论意义，认为UAF 的方法本质是面向对象的体系架构产品设计方法、域元模型驱动的建模思想、标准统一的系统建模语言，具有很强的实用性和通用性［8］。

二是UAF 方法扩充。丁茜等针对UAF 没有提供具体的开发程序的问题，借鉴开放组织体系结构框架TOGAF，提出了包括预备阶段、需求管理、架构愿景、业务架构、数据架构、标准架构、专业架构、实现方案、验证仿真和架构变更10 个阶段的UAF 架构开发程序，并指出了开发过程中应关注的关键点［9］。申泓基等关注人工智能在体系结构中的作用，提出了UAF 智因视图框架，包括智能-分类、智能-连通、智能-状态、智能-交互场景、智能-约束、智能-可追溯性等视图以及设计步骤，并设计了无人智能作战合成营智因视图模型［11］。

军事体系结构框架正向着统一化的方向发展。UAF 已能够从军事领域扩展到工业、商业等领域，实现更大范围的体系集成开发。未来随着赛博-物理-社会体系的发展，互联网、物联网、能源网等进一步融合，军事体系结构框架将向着更宏观、更高层、更统一的军民融合方向发展［12］。

1.2 体系结构设计方法

体系结构框架的发展推动形成了3 种被广泛接受的体系结构设计方法：结构化分析和设计方法［13］、面向对象的设计方法［14］和基于活动的方法［15］。在此基础上，又发展出体系结构规范模型［16］、基于模式的系统架构［17］以及面向服务架构［18］等方法。国内在借鉴吸收国外设计方法基础上，提出了基于信息模型的设计方法［19］、基于元模型的设计方法［20］、基于核心体系结构数据的设计方法［21］等。以上方法都可以根据特定框架开发一个完整的体系结构描述，但由于使用的语言符号不同，互相之间难以集成和比较。UAF 提出方法不可知论，利用域元模型将底层与表示层分开，不必为UAF 生成XML，使得未使用UML/SysML 建模的工具供应商能够使用他们自己的工具和语言实施UAF，为设计方法兼容提供了新的思路。

随着体系结构框架的融合演变，体系结构设计方法也经历了从以产品中心到以数据中心，从基于流程到基于活动，从面向系统到面向服务的设计策略转变。提高方法兼容性的努力正从方法本身逐渐转移到通过更加基础的元模型构建来实现。而UML、SysML 等仍然是主流的规范化建模语言。

2 体系结构概念与建模

体系结构概念与建模阐述体系结构研究中出现的代表性概念，以及针对概念的模型设计、分析、优化等。该方向一直是体系结构研究的重点，研究内容广泛且分散，逐渐形成了面向体系结构本体、面向研究对象领域两种研究视角，前者侧重于从体系结构自身发展演变角度阐述抽象的研究方法，后者侧重于从体系结构建模领域应用角度分析具体的研究对象，两者互为条件，相互支撑，大多数研究内容可用两种视角的交汇来表示，如图2 所示。

图2 体系结构概念与建模的两种研究视角Fig.2 Two kinds of research pespective of architecture concept and modeling

2.1 面向体系结构本体的概念与建模

主要包含体系结构设计［22-26］、体系结构验证［27-30］、体系结构测量［32-34］、体系结构评估［35-38］、体系结构优选［39-40］、体系结构优化［41-42］、体系结构演化［43-45］等。近几年，主要是体系结构设计、测量和评估方面的进展。

体系结构设计主要聚焦多框架、多范式下的建模仿真一体化问题。朱宁提出基于领域特定建模语言（domain specific modeling language，DSML）的建模与仿真方法［25］。针对武器装备体系结构研究中存在的领域建模支撑不足、多范式建模能力较弱、模型驱动仿真作用不突出等问题，研究提出了领域特定体系结构建模语言的语法、语义、多形式集成方法并仿真设计实现。杨兆瑞提出多架构体系建模与仿真联合方法［26］，针对体系建模工具之间异构数据难以共享、体系建模工具与仿真工具联动困难等问题，基于GOPPRR（graph，object，point，property，relationship，role）建模方法［46］和UPDM 标准进行M3 到M0 模型构建，基于多架构建模语言（kombinalion of architecture model specification，KARMA）［47］设计实现，基于混合有限状态机的状态仿真进行参数与变量分析，实现“元模型设计-体系建模-仿真验证”一体化。

体系结构测量重点关注体系结构的任务可靠性、脆性、弹性等。刘斌提出装备体系任务可靠性概念及建模方法［32］。针对装备体系在不同阶段、多种类型、动态环境中任务的可靠性需求，首先基于DoDAF 建立装备体系任务可靠性描述模型，而后通过模型元素映射提出了贝叶斯网络、多Agent 仿真两种可靠性建模方法，并将其与传统的Markov 模型、BDD 模型进行验证和比较，明确了不同方法对不同场景的适应性。蒋卓等提出装备体系结构脆性及其评价方法［33］。为了表征多元环境下装备体系在遭受自身或外部干扰和破坏后的抵抗能力，引入装备体系结构脆性熵的概念，首先构建体系结构脆性评价的危险因素集，确定组成系统的状态矢量，而后建立脆性因素与状态矢量的关联，并根据关联矩阵和熵计算公式计算体系结构脆性熵，进而得出测量结论。Watson 等提出体系结构弹性度量方法（SoS resilience metrics，SoSRM）［34］。该方法将系统恢复力指标，即抵御故障、最大限度减少服务中断和高效恢复，视作体系结构的关键特性，使用SoS 定义来识别的故障位置，并使用图论来定义故障和恢复持续时间，在一个随机多智能体军事系统中模拟验证了SoSRM 的有效性。

体系结构评估研究分为体系结构整体贡献率、组分系统贡献率两个层次。针对前者，罗小明等将装备体系结构贡献度分为功能结构贡献度和信息结构贡献度［35］。从任务编成能力、结构特性能力两个方面构建功能结构贡献度评估模型，从信息保障质量、信息保障时效性和作战协同能力3 个方面构建信息结构贡献度模型，并分别基于复杂网络理论和结构方程模型理论方法设计实现。针对后者，赵丹玲提出基于异质网络的武器装备体系贡献率评估方法［36］。首先构建基于异质网络的武器装备体系模型，而后基于作战环提出面向作战任务的能力静态评估方法，基于多Agent 对抗仿真提出面向作战过程的效能动态评估方法。罗承昆等提出基于故障树分析的航空装备体系结构贡献率评估方法［37］。首先构建航空装备体系结构故障树，而后采用底事件的关键重要度指标来计算体系贡献率。该方法需假设装备体系结构故障树中的各底事件相互独立。魏东涛等提出基于设计结构矩阵（design structure matrix，DSM）和信息熵的装备体系结构贡献率评估模型［38］。该方法从体系功能和运行两方面梳理贡献率追溯链路，首先建立装备体系贡献率评估的动态-静态DSM 评价模型，而后以单一能力最小为粒度将作战过程分解为元活动序列，对装备体系能力结构进行网络化建模，然后基于改进信息熵方法计算装备体系能力的灵敏度，进而计算体系结构贡献率。

面向体系结构本体的概念与建模研究基本上涵盖了体系结构生命周期，呈现出涉及范围广、涵盖层次多、研究问题抽象等特征。基于复杂网络的体系结构测度、评估、演化方面研究日益增多，正成为新兴的发展方向。随着概念和方法的扩展，对概念的一致性理解、方法适用性等问题需要关注。

2.2 面向研究对象领域的概念与建模

主要包含C4ISR 体系结构［19，27-28，30，48-50］、武器装备体系结构［25，32-45，51-52］、联合（合同）作战体系结构［53-94］、装备技术体系结构［95］和国防科技体系结构［96-97］等。

近几年，体系结构领域建模研究应用不断深化。在国外，NAF 被用来开发网络赋能能力，DoDAF 被用来开发体系综合技术和试验（SoSITE）［53］、联合全域指挥与控制（JADC2）等概念。国内则出现了大量关于联合（合同）作战体系结构的研究，本文分析了从2017 年至2021 年间国内发表的40 篇文献，见文献［54-94］。研究显示，从2017 年至2020 年每年保持在6 篇左右，2021 年骤增到16 篇。参照美军联合能力域（JCA）进行主题分类，从多到少依次为：兵力运用类16 篇、后勤类7 篇、指挥与控制类和战场环境感知类各6 篇、网络中心战类4 篇、兵力支持类1篇。如图3、图4 所示。

图3 时间分布Fig.3 Time distribution

图4 主题分布Fig.4 Subject distribution

在这40 篇文献中，有34 篇使用DoDAF，6 篇使用UAF。面向对象和基于活动是采用较多的设计方法。多机协同探测系统体系结构设计［68］、有人/无人机协同作战体系结构建模［69］、空中智能化作战概念体系设计［71］、电磁频谱作战指挥控制系统架构［72］等研究阐述了DM2 构造思路。建模工具主要使用了Telelogic SA［89］、IBM Rational［54，68-70］和TD-CAP［65-67］。

国内外出现了大量面向领域的概念与建模研究，尤其集中在武器装备体系工程领域和作战兵力设计领域。国内相关研究热度抬升有利于促进体系结构方法的推广使用。研究产生了不同领域为数众多的体系结构成果，这些成果的共享重用、效益评估等问题值得关注。

3 体系结构管理设计与操作

体系结构管理设计与操作关注体系结构所服务的对象，阐述如何将抽象的体系结构概念和方法与具体的组织和业务流程集成融合，通过对体系结构的有效管理促进业务活动顺利开展。分为体系结构管理设计、体系结构管理操作两个方面，前者侧重于对体系结构方法在业务活动中的应用方式进行规划设计，后者侧重于探索如何通过条令制度约束更有效地执行体系结构。

3.1 体系结构管理设计

主要针对作战概念研究［98］、装备需求论证［99-100］、装备试验鉴定［86］、军事信息系统［101］等业务活动引入体系结构管理设计。随着作战概念研究的兴起，杜国红等提出了模型驱动的作战概念工程化设计方法，基于DoDAF 构建了包括总体描述、作战环境、作战对手、作战任务、作战能力需求、作战力量体系、作战活动、作战行动构想等视图模型的建模框架，分析了各视图模型之间的逻辑关系和详细构成，并设计了自上而下逐步求精和自下而上集成优化的作战概念开发策略［98］。文献［102-104］把作战概念研究和装备需求论证相结合，针对武器装备自主创新发展的新要求，引入DoDAF 提出了驱动装备需求论证的作战概念设计方法。郭齐胜等装备需求论证工程化理论，比较系统地阐述了装备需求论证中体系结构模型构建需求、工具集成平台和资源体系设计等问题［99］。马旭亮等提出了面向新质装备作战试验指挥控制的DoDAF 应用框架［86］。张萌萌研究了基于体系架构的军事信息系统业务与技术匹配关键技术，提出在体系结构设计过程中进行动态资源分配的IT 治理措施，基于DoDAF 构建业务与技术匹配成熟度指标［101］。

在管理革命、业务流程再造等潮流影响下，学者们积极探索将体系结构与军事领域业务相结合的方法，取得了一定的进展。相关研究成果为体系结构方法论从理论研究走进工程实践架设了桥梁。

3.2 体系结构管理操作

主要包含体系结构的资源管理、配套体制机制建设、应用流程指南等内容。比如，美国国防部为DoDAF 提供了保密、非保密两种形式、10 余种公共参考资源［105］，为体系结构视图开发提供分级、分类的权威数据资源导航，以支持以数据为中心的建模应用。在美国国防部推动下，DoDAF 在规划、计划、预算和执行（PPBE），国防采办系统（DAS），联合能力集成与开发系统（JCIDS），能力组合管理（CPM），使命任务工程（TE）等业务活动中进行规范化应用。

例如，新版JCIDS 指南［106］要求，能力需求文件（如ICD、CDD 和CPD 等）中只能包括指定的DoDAF视图或者认为合理的附加视图。文件内容与DoDAF视图模型之间的明确对应关系，如图5 所示。用于编制能力需求文件的DoDAF 视图数据，要在已有的DoDAF 体系结构视图数据基础上进行重用、更新而非重建，以减少工作量，并且防止当前体系结构和以前体系结构之间发生中断。

图5 JCIDS 中DoDAF 的应用流程Fig.5 Application flow of DoDAF in JCIDS

另外，指南还对DoDAF 视图的内容及开发方法进行了规范，如OV-5a 必须用通用联合任务清单来校正，OV-2 必须以联合能力域框架为参照，SV-7必须包含部队防护、系统生存性、持续保障、网络就绪、能源、训练等强制性关键性能参数等。由此可见，指南提供了为JCIDS 量身定做的DoDAF 应用操作指导，促进了DoDAF 与JCIDS 在流程和内容上紧密耦合。

体系结构管理越来越成为体系结构成功的关键性因素，而体系结构管理操作研究与体系结构应用成熟度正相关。目前，国内相关研究报道较少，说明体系结构在实际工程化应用方面还有差距。

4 下一步的研究建议

4.1 加强体系结构基础研究

近几年，国内体系结构研究普遍使用的是DoDAF、UAF 等国外框架，调研发现，由于语言障碍、思维差异等原因，国内用户需要花费较大精力才能理解框架中的概念内涵。SA、EA、Rational 等主流的建模工具大都来自国外，难以满足国内用户使用习惯。加之体系结构方法论蓬勃发展，新的概念和方法层出不穷，在缺少术语使用规范和分类标准框架的情况下，难以形成一致性认知等。这些都为体系结构深层次应用造成困难。根本上还是应加强基础研究，完善提升国内军事电子信息系统体系结构框架，在此基础上开发国产设计工具并推广应用。尝试建立体系结构的术语词典，理清概念内涵外延及相互关系，规范专业术语的使用。从源头上解决目前面临的理解难统一、工具难使用、成果难共享等问题。

4.2 加强体系结构数据资源建设和管理

当前，数据资源已成为体系结构研究关注的重要问题。新的体系结构框架和设计方法都强调以数据为中心的思想，即以权威数据为基础，在元模型的规范和约束下，灵活应用体系结构视图模型收集、分析数据并以多种形式进行展现，最终目的是以标准、规范的体系结构数据服务于决策。无论是面向体系结构本体的设计与验证，还是面向对象领域的建模与分析，都离不开权威、一致的数据资源作支撑。伴随着大数据驱动的业务流程优化持续推进，体系结构测度、评估和演化也必将更加依赖丰富的数据资源。为此，应加强体系结构数据资源建设与管理，区分层级、领域建立军用体系结构数据库，并提供权威、一致的数据资源和明确的数据应用指引。在军事体系工程实践中积极推行知识管理，促进模型和数据资源共用共享以及持续积累更新。通过自上而下规范指导与自下而上连点成片的方式，逐渐形成完善的数据支撑环境。

4.3 加强体系结构业务应用研究

体系结构本质上一种管理技术，其生命力在于“适合目的”的应用。建模本身并不是目的，最终目的还是为了驱动和优化业务，从DoDAF 在美军JCIDS、DAS 等决策活动的应用中可以得到有益启示。要加强体系结构业务应用研究，探索体系结构方法在不同类型业务活动的具体应用方式和流程，使体系结构建模分析与业务活动需求相契合。对使用的视图模型、描述的详细程度、开发人员和开发工具等进行规范，防止出现因模型过多，或建模过程太繁琐，或工具太复杂而导致不能有效应用的问题。现阶段，可在我军军事电子信息系统论证的基础上，借鉴美军面向装备发展的体系结构管理经验，从某型装备论证和采办业务中开始试点，积累经验，完善提升后逐步推广到其他业务活动，最终形成适合我军军情的多元化应用模式。