基于DoDAF 的战场电磁频谱管控体系结构建模

金恒州，王 刚，唐雪琴，胡 鑫

（1.空军工程大学信息与导航学院，西安 710077；2.国防大学联合勤务学院，北京 100036；3.解放军93110 部队，北京 100036）

0 引言

战场电磁频谱管控是实现电磁频谱资源在战场有序、合理运用的管控活动，是发挥用频装备效能和夺取战场电磁频谱制权的关键［1］。随着现代战争中战场用频装备、用频场景的激增以及电磁频谱环境的恶化，电磁频谱资源有限和需求强烈的矛盾冲突更加激烈。在电磁频谱战、低-零功率作战和认知频谱、智能频谱感知等理论和技术的共同作用下，电磁频谱管控加速由静态管控向动态管控转换、由人工操作向智能化自动化发展［2］，战场电磁频谱管控已成为当前相关领域的研究热点。

关于战场电磁频谱管控，相关研究主要集中在理论、技术和装备研发运用等方面。在理论方面，美军陆续提出了电磁频谱作战、低-零功率作战和电磁战斗管理的概念。美军认为，电磁战斗管理强调在动态作战模式下实现电磁频谱域内指挥控制［3］，战场频谱动态管控是在观察，判断，决策，执行（observation-orientation-decision-action，OODA）指控环基础上，融入认知动态系统理论框架的行动［4-5］。在管控技术方面，群体智能、大数据、知识图谱，正加速向频谱资源筹划、电磁频谱感知等领域渗透。文献［6］对群体智能理论及其在电磁频谱状态感知、形势推理、趋势预测领域的应用进行了探索；文献［7］将大数据技术运用于海战场电磁频谱管理；文献［8］将知识图谱理论与技术引入频谱管理中，给出了频谱知识谱的概念和其依赖的频谱知识体系。在装备研发运用方面，美军以联盟联合频谱管理规划系统（CJSMPT）为基础，开发了全球电磁频谱信息系统（GEMSIS），GEMSIS 将为美军提供所有与电磁频谱管理相关的工具和能力的系统［9］，GEMSIS 还将被接入全球信息栅格（GIG），实现电磁频谱全球实时支持。综上所述，战场电磁频谱管控在理论、管控技术和装备研发等方面目前正处于快速发展时期，尤其是在新型电磁频谱战理论和管控技术的共同作用下，战场电磁频谱管控研究还需要进一步深化。一是智能管控、动态管控等新理念和技术向战场电磁频谱管控的深入渗透，动态和智能化的战场电磁频谱管控体系该如何呈现；二是结合战场作战及指挥分析，对应的电磁频谱管控行动该如何设计，需要怎样的管控系统去支撑；三是电磁频谱管控涉及力量多元、关系错综复杂，需要运用科学的方法手段开展相关的研究，建立规范可信的可视化模型。

基于以上分析，本文汲取电磁频谱作战体系架构和战场电磁频谱管控相关成果，开展基于DoDAF的战场电磁频谱管控体系结构建模［10-11］；文献［10］侧重于对电磁频谱作战的指挥控制进行优化。文献［11］提出了对信息化战争条件下的战场电磁频谱管控的新构想。电磁频谱管控是电磁频谱作战的重要组成部分。本文构建的战场电磁频谱管控体系是文献［10］中战场电磁频谱作战指挥控制架构的拓展。同时，本文将智能动态管控理念融入战场电磁频谱管控，结合文献［11］对战场电磁频谱管控体系的构想，实现了战场电磁频谱管控的运维模式和体系功能实现的描述。采用的DoDAF2.0 体系架构，既支持对体系架构的静态描述，又支持对体系架构运行规则的动态描述，逻辑构成清晰［12］，适应战场电磁频谱管控体系设计对方法的需求。本文设计的战场电磁频谱管控体系加入了战场电磁频谱动态决策部门，能够提升战场频谱筹划的速度，体现了智能动态管控的思想。将动态决策部门引接至火力/电磁打击部门，可实现战场实时电磁态势转化为攻击指令，为提升打击敌方重点用频目标和电子干扰装备的效率提供了频谱域的信息支持。

1 战场电磁频谱管控体系架构设计

体系架构是体系的组织、运行规则与指南，体系设计是对体系、集群和平台的集成融合［13］。战场电磁频谱管控体系架构设计，是战场电磁频谱行动的指挥体系、管控力量和管控能力的有机融合，包括战场电磁频谱管控的主客体、管控活动以及管控能力等要素，重点解决“谁来管，怎么管”的问题。

目标体系架构考虑动态管控需求，将OODA 指控环融入电磁频谱管控中，通过管控行动与战场作战行动的同步运维，实现电磁频谱行动的动态管控，通过管控行动与智能化技术应用的结合，实现电磁频谱行动的智能化管控。在具体设计中，应遵循以下原则。1）统筹一体化原则。由指挥机构统一筹划频谱资源，完成与军队、地方的电磁频谱协同，实现己方用频冲突的预先消解。2）架构分层次原则。指挥机构重在对电磁频谱资源进行筹划，任务部队重在落实上级管控计划，实现己方用频计划的贯彻落实。3）功能导向性原则。由战场电磁频谱感知为先导，用频筹划、动态协同和智能决策等功能同步，通过智能化技术提升对战电磁频谱管控的基础支撑。

基于以上分析，战场电磁频谱管控体系可划分为指挥体系-管控力量-管控能力3 层架构，如下页图1 所示。其中，指挥体系负责战场电磁频谱管控的整体运维，是电磁频谱管控行动的实施和组织方式；管控力量是战场电磁频谱管控的行动执行主体；管控能力是由战场电磁频谱管控体系中一项或多项功能组合，是形成的完成某一项电磁频谱管控行动的能力。体系架构具有对动态管控的适应性，战场电磁频谱的动态感知、智能决策和协作行动，可以依托分布式动态重组的灵活指挥体系和运行架构实施；体系架构具有对智能管控的适应性，通过群体智能、大数据、知识图谱等人工智能技术应用，提升战场电磁频谱管控行动各环节和整体的管控“智力”。

图1 战场电磁频谱管控构建层次图Fig.1 Construction hierarchy diagram of battlefield electromagnetic spectrum control

基于以上分析，运用体系结构开发方法开发战场电磁频谱管控的作战视图和系统视图，具体如下。

1）作战视图

①构建作战概念模型，明确作战概念；

②构建指挥组织结构，确定指挥关系；

③构建作战活动模型，描述作战行动；

④构建作战节点连接图，描述作战节点的信息交换关系。

2）系统视图

①构建系统功能模型，明确系统功能；

②构建系统接口连接模型，确定系统间接口连接关系；

③构建系统事件跟踪描述模型，确定系统中事件的运行顺序；

④绘制作战活动与系统功能跟踪矩阵，描述系统能力对作战事件的支撑作用。

2 战场电磁频谱管控作战视图

作战视图（operational views，OV）用来描述作战任务“是什么、由谁来进行”和各力量间关系的视图。战场电磁频谱管控作战视图主要从管控行动、管控力量及管控力量间的关系，进行战场电磁频谱管控架构建模，同步为系统功能设计提供依据。

2.1 作战概念模型

战场电磁频谱管控作战概念模型，描述了战场电磁频谱管控解决的关键问题、管控行动、执行管控的相关信息和管控对象等。对比基于严格计划的传统静态模式，战场电磁态势管控做如下改进。1）将OODA 指控环引入到战场电磁频谱管控体系架构，实现电磁频谱行动与战场作战行动的一致性，电磁频谱任务行动与指挥控制流程的一致性。2）将电磁频谱实时感知与动态决策融入到战场电磁频谱管控中，通过各环节行动的“实时”“动态”，提升战场电磁频谱管控效能。3）融入电磁频谱战理念，在冲突消解中加入火力/电磁攻击环节，通过快速摧毁敌对我形成的电磁干扰，博取我方的战场电磁频谱优势。设计的战场电磁频谱管控作战概念模型，如图2 所示。

图2 OV-1 战场电磁频谱管控作战概念模型Fig.2 OV-1 operational conceptual model of battlefield electromagnetic spectrum control

除了外围的战场电磁频谱、频谱数据库、用频指令和战场用频装备等因素外，该作战概念模型中，战场电磁频谱管控的核心工作和任务是频谱资源筹划、用频冲突消解以及电磁安全防护，由频谱感知、用频筹划、动态决策、冲突消解组成的战场电磁频谱管控环来完成。频谱感知是指运用人工智能技术、无源接收和信号处理技术，实现战场电磁频谱态势感知并深化其认知的行动［14］，是战场电磁频谱管控环的起点，贯穿战场行动和电磁频谱管控的始终。用频筹划是指运用电磁频谱数据库制定适应作战任务的静态用频计划，并对电磁频谱资源使用可能发生的用频冲突进行预处理。动态决策是指结合人工智能技术，实现当前战场电磁频谱态势下动态用频计划的制定，以及制定对己方用频产生破坏的敌方电磁干扰的攻击计划。冲突消解是直接依据动态管控计划进行管控，或是在接收到电磁频谱决策单元的电子攻击指令以及动态用频计划后，运用火力/电磁打击摧毁敌方的干扰装置后，对己方自扰进行查处以及冲突消解。

2.2 指挥组织结构

战场电磁频谱管控指挥组织结构，是在给定背景下，结合战场用频需求和电磁频谱行动组织，实现电磁频谱管控活动的指挥体系［15-16］。以美军为例，相应电磁频谱管控的指挥组织结构，如下页图3所示。

图3 OV-4 战场电磁频谱管控指挥组织机构Fig.3 OV-4 command organization structure of battlefield electromagnetic spectrum control

该指挥组织机构体现了统筹一体化和架构分层次原则，包括了国防部-军种（战区）频谱管理办公室-军种部队（地区）频谱管理办公室- 频管部队- 用户的5 级战场电磁频谱管控指挥框架。其中，国防部负责总体行政领导以及政策制定；军种（战区）频谱管理办公室领导军种部队、地区频管办公室，并负责制定军种及战区用频计划、开展用频审核、评估和消除频谱冲突、维护频谱数据库等；军种部队、地区频管办公室向任务部队下发频管指令，并负责收集部队用频需求、制定频谱使用计划、分配频率等；军事基地频谱管理员接受军种部队、地区频管办公室的双重领导，具体负责频管业务并直接与用户对接。

2.3 作战活动模型

战场电磁频谱管控作战活动模型用来描述具体的管控行动有什么，战场电磁频谱管控行动主要包括频谱感知、用频筹划、频谱决策、冲突消解，其层次结构如图4 所示。在动态电磁频谱管控行动基础上［11］，将用频协同相关行动归于用频筹划环节，在冲突消解环节加入了打击敌方干扰源环节。在用频协同与用频筹划环节，提前化解己方内部用频矛盾问题，由电磁频谱筹划机构完成；考虑到敌方对我产生的电磁干扰以及电磁安全防护问题，加入了打击敌方干扰源行动。

图4 OV-5 战场电磁频谱管控活动分解模型Fig.4 OV-5 decomposition model of battlefield electromagnetic spectrum control activities

其中，频谱感知既是用频筹划的预先工作，又是实现动态电磁频谱决策的先决条件；用频筹划是提前结合各单元和装备用频需求提报，将战场的各类用频需求依据作战需求进行调配；电磁频谱决策是针对敌我双方电磁冲突干扰进行的决策，包括对己方产生的用频冲突如何处置，敌方产生的干扰如何反制；冲突消解是对战场电磁态势进行的针对性管控，包含了打击敌方干扰源的行动，改变以往电磁频谱管控只针对自扰互扰而未考虑敌方的问题。

2.4 作战节点连接图

战场电磁频谱作战节点连接图描述的是战场电磁频谱管控行动的各节点、节点功能以及各节点之间的连接关系。参照文献［10］给出的电磁频谱作战连接图，考虑电磁频谱管控的对抗性、我方的主动防御和适机适度反击，引入火力/电磁攻击单元，作战节点连关系如图5 所示。

图5 OV-2 作战节点连接图Fig.5 Connection diagram of OV-2 operational nodes

在战场电磁频谱管控作战连接图中，战场电磁频谱筹划单元是战场电磁频谱管控指挥机构的重要组成部分，该单元需依据战场用频单元、用频需求，以及基于大数据的电磁频谱数据库制定静态用频计划，并依据用频原则向用频装备单元提报用频协同信息；实现动态管控的核心节点是战场电磁频谱感知单元，战场电磁频谱感知单元将战场电磁态势实时传递至战场电磁频谱筹划单元，为电磁管控效能评估提供信息。同时，战场电磁频谱感知单元将战场电磁频谱态势变化传递至战场电磁频谱决策单元；若战场电磁频谱决策单元接收到来自战场电磁频谱感知单元的态势变化信息后，引起电磁频谱态势变化的成因是敌方电磁频谱干扰，则将电磁攻击指令传递至火力/电磁攻击单元，火力/电磁攻击单元将打击效果信息反馈至战场电磁频谱决策单元。若引起电磁频谱干扰的成因是己方或友军的自扰互扰，则将电磁频谱动态管控计划下发至战场电磁频谱管控单元，战场电磁频谱管控单元则将管控效果信息反馈至战场电磁频谱决策单元；频谱管控单元则直接作用于战场用频单元。战场电磁频谱管控作战连接图结合了动态、静态管控要素的电磁频谱管控体系。

3 战场电磁频谱管控系统视图

系统视图（systems views，SV）用来描述系统的功能、系统间的连接关系和系统运行机制等。战场电磁频谱管控系统视图，主要从管控能力、管控规则、管控能力与管控行动的关系，进行战场电磁频谱管控架构建模，实现了系统与作战行动的连接。

3.1 系统功能

系统功能模型描述了战场电磁频谱管控体系运维过程中各类业务所需要具有的功能。参照文献［11］对电磁频谱动态管控能力的设想，战场电磁频谱管控的通用功能主要包括：用频筹划功能、用频协同功能、态势感知功能、频谱管控功能、信息服务功能等4 个功能，每个功能又包含若干子功能。如图6 所示。

图6 SV-4 系统节点功能树模型Fig.6 Function tree model of SV-4 system nodes

系统功能下的子功能是对系统功能的进一步细化，反映了功能对系统各类业务的支撑关系。其中，电磁态势生成功能、频谱监测功能、频谱资源动态调配功能、频谱数据挖掘功能，是实现智能管控的核心功能。系统功能是对管控能力的反映，也是人工智能技术在战场电磁频谱管控中的集中体现。

3.2 系统接口连接

系统接口连接模型描述了战场电磁频谱管控系统中各子节点的业务接口，战场电磁频谱管行动与频管系统间的联系。借鉴频管力量与各类组件的连接设计思路［10］，设计通过系统总线实现系统与实体的连接。其中，系统各组件在实体中的映射是相应频管机构各业务部门，各种力量在实体中的映射是实现具体电磁频谱管控行动的力量。系统接口的具体连接方式如图7 所示。

图7 SV-1 系统接口连接模型Fig.7 Connection model of SV-1 system interfaces

各组件通过战场电磁频谱管控系统总线与各类力量相连接，与实际行动相对应。如接入电磁态势显示组件，对应功能的实现是由电磁频谱感知装备与力量承担。系统接口连接模型是战场电磁频谱管控系统的设计基础，该模型的设计目的是实现动态管控中各管控力量的随需而用。

3.3 系统事件跟踪描述模型

基于战场电磁频谱管控任务，各节点通过事件连接，通过对电磁频谱管控系统事件进行跟踪并梳理作战连接图之间的信息交换关系，形成了系统事件跟踪描述模型，如下页图8 所示。

图8 SV-10c 系统事件跟踪描述模型Fig.8 Description model of SV-10c system event traking

战场电磁频谱动态智能管控具有较强的时序性。系统事件跟踪描述模型将节点间的事件按时间顺序由上而下排列，确保战场电磁频谱管控系统各接口按顺序连接并完成相应功能，间接体现了动态管控的运行规则。

3.4 作战活动与系统功能跟踪矩阵

作战活动与系统功能映射矩阵将电磁频谱管控行动与具体系统功能相关联，具体方法是将战场电磁频谱管控活动与系统节点功能一一对应，体现了作战视图与系统视图的关联性，功能对活动具有支撑关系的用●表示。根据以上对功能任务和作战活动关系的分析，构建战场电磁频谱管控系统功能映射矩阵，如表1 所示。

表1 作战活动与系统功能映射矩阵Table 1 Operational activities and system function mapping matrices

在战场电磁频谱管控体系架构中，每个行动的实现都依托于系统的一项或者多项功能，作战活动与系统功能映射矩阵将每个功能直接与事件相连接。映射矩阵描述了管控体系作战视图与系统视图的关系，体现了智能化背景下管控功能与行动的逻辑关系。

4 结论

本文按照现代战场电磁频谱行动特点和管控需求，引入动态和智能化思想，设计了战场电磁频谱管控体系架构，给出了基于DoDAF2.0 的作战视图和系统视图，明确了指挥体系、管控力量、管控能力，描述了管控行动。动态和智能化的战场电磁频谱管控，除了先进的作战理念之外，一方面需要重点解决电磁频谱管控与战场作战行动的深度耦合问题；另一方面是技术实现途径，需要将群体智能、大数据、知识图谱等人工智能技术有机融入到战场电磁频谱管控体系中。