基于DoDAF的海洋无人信息平台体系结构设计*

张 一

(成都天奥信息科技有限公司，成都 611731)

0 引 言

在海洋强国战略指引下，近年来我国先后开展了“智慧海洋”“全球海洋立体观测网”等重大项目实施，我国海洋信息化基础设施初具规模，但与世界海洋强国相比还存在明显差距[1]，缺乏完善的网络信息体系，在中远海区缺少常驻平台，无法进行全天时、全天候、全海域的实时信息覆盖[2]。

海洋信息网络是我国近年来海洋强国战略下重要的科研示范项目，旨在面向全时域态势感知、全海域网络覆盖、全方位信息服务、全业务综合应用、全体系安全管控等海洋信息化需求，构建“天空岸海潜”立体综合性信息网络[3]。海洋信息网络涉及的海洋信息获取、传输、处理和融合，在海洋科学研究、环境调查、资源开发、权益维护与安全防卫中意义重大，不仅是信息科学研究的热点方向，也因为海洋环境的复杂特性，一直是工程化的难点和挑战[4]。

海洋无人信息平台作为建设海洋信息网络的重要节点，是集多维态势感知、综合信息服务于一体的全天候无人值守系统，定位为海洋信息网络的关键创新装备[5]。海洋无人信息平台需要具有良好的海况适应性，采用自供电维持，可通过机动部署、无人值守和远程操作，根据任务策略执行目标感知、环境监测、数据处理、通信传送和信息服务等多种任务。

面临着海洋信息技术与海洋复杂环境的紧密联系，以及海洋无人工程的挑战，海洋无人信息平台的任务能力、架构体制、综合成本、可持续发展等顶层设计尤其重要，传统的系统集成方法往往缺乏全局性的综合分析和设计，不能满足创新研制需求。

为厘清任务使命与系统设计之间的映射关系，强化系统设计对系统实现的约束，本文提出了基于美国国防部体系结构框架(Department of Defense Architecture Framework，DoDAF)标准2.0版，应用先进实用、统一框架的体系结构设计方法，确保系统设计的完整性和一致性，不仅易于实现系统间的综合集成，也利于可持续迭代发展，进而提高复杂系统的设计质量。

1 体系结构设计思路与流程

1.1 设计思路

作为设计、开发、集成和描述复杂系统体系结构的规范性指南，DoDAF已从最初的C4ISR(Command,Control,Communication,Computer,Intelligence,Surveillance and Reconnaissance)体系框架V1.0逐渐发展为最新的DoDAF V2.02版，其体系结构开发理念从“以产品为中心”转型为“以数据为中心”，强调以体系结构数据支撑分析与决策，是一套先进的系统设计方法论，对于装备自顶向下的设计过程和全寿命周期改进都具有重要借鉴意义[6]。

从系统研制的短期目标来看，采用基于视图的DoDAF模型来研究和设计海洋无人信息平台体系结构，通过任务活动牵引、能力需求分析，明确任务规则、状态转换、系统层级，形成直观的可视化模型，对加深海洋信息网络新型节点装备概念认知、约束设计边界、固化系统状态，以“需求创新”牵引“设计创新”完成示范测试阶段的使命任务具有重要指导作用。

从系列化装备的长期目标来看，平台体系结构设计需要面向海洋信息网络长期建设，采用可持续演进的弹性架构，应具备产业前瞻性和技术先进性。根据DoDAF设计理念，以不同视角描述模型、映射关联矩阵进行分析，形成不同阶段的总体设计方案，并且通过迭代融合、持续优化，不断完善演进。

1.2 设计流程及成果

本文涉及的海洋无人信息平台体系结构设计分为6个步骤(stage)，覆盖全景视角(All View,AV)、任务视角(Operational View,OV)和系统视角(System View,SV)，共完成9个模型设计。设计流程及建模成果示意图见图1。

图1 设计流程及建模成果示意图

Stage 1：构建AV-1，描述体系结构设计的背景、范围、目的、环境、限制条件等综述和概要信息等。

Stage 2：构建OV-1，构建高级任务概念模型；构建OV-2，描述资源需求。

Stage 3：构建OV-4，描述体系组织关系和平台运用模式。

Stage 4：构建OV-5b，阐述任务活动模型。

Stage 5：构建OV-6b，描述任务状态转换模型；构建OV-6b，给出任务事件跟踪模型。

Stage 6：构建SV-1，确定系统接口；构建SV-4a，对系统功能进行定义、分解。

2 体系结构建模设计

2.1 全景视角建模设计

构建AV-1，介绍海洋无人信息平台体系结构设计的背景意义，明确设计范围，提出任务使命，描述工作环境、限制条件等综述和概要信息等，如表1所示。

表1 体系概述及摘要信息AV-1

2.2 任务视角建模设计

2.2.1 顶层任务概念定义

构建OV-1，顶层任务概念模型示意图见图2。立足海洋无人信息平台任务使命，主要通过濒海及海上环境图形、海上活动对象要素图元、海洋网络体系设施图标、海洋信息交互关系等进行顶层任务可视化建模，辅以简要文字说明，直观定义海域监视预警、海域执法管控、海域信息服务、助航及遇险救助、信息共享服务等顶层任务概念场景[7]，并牵引下一层次各任务活动模型设计。

图2 顶层任务概念模型 OV-1

2.2.2 资源需求分析

构建OV-2，描述任务资源需求，如图3所示。根据顶层任务使命要求，分析海洋无人信息平台在海上自主运行、能源自供应条件下，为实现多种使命任务，完成多维信息感知、信息传送、信息服务应用、平台管控等能力需求分析和资源配置。

图3 任务资源流需求描述 OV-2

资源需求分析以功能和资源集群划分，将平台分为目标探测、电磁监测、海洋观测、通信传送、平台管控及数据计算存储等多个功能和资源集群，各功能集群根据OV-1需求进行组合式配置。数据计算存储资源集作为平台数据处理和服务核心，与各功能集交互业务数据和控制指令，完成多个功能集的数据汇聚和前端关联计算等核心资源管理，需考虑主从热备冗余措施[8]。

2.2.3 组织关系及运用模式

构建OV-4，如图4所示。根据顶层任务使命和资源需求，分解并描述体系组织关系，明确海洋无人信息平台运用模式。根据海洋活动对象信息需求、信息网络节点部署条件、信息交互关系，以信息感知、通信传送、数据支撑、业务应用、平台管控等进行分层规划。

图4 组织关系及运用模式示意图OV-4

平台采用功能集成的联合式结构，面向不同的外部用户提供相应的信息服务。需要克服各类海洋数据的时空分布与分辨率一致的困难，考虑信息描述、信息存储、信息更新、信息查询、信息分发的一致性问题，通过采用数据统一标识、数据关联机制、层次化数据订阅等方式，对各种海洋活动对象提供信息应用服务。

2.2.4 任务活动模型

构建OV-5b，如图5所示。完成海域监视预警、海域执法管控、海域信息服务、助航及遇险救助、信息共享服务等不同任务活动模型设计，不同的任务活动由相应的模型子图进行描述。以海域监视预警任务活动为例，给出了体系结构内部各活动之间的输入输出流关系，以及体系结构外部的输入和输出流关系。在执行海域监视预警任务中，平台以自主运行或接受远程控制指令方式，对各类目标探测和监视手段进行了任务策略管理，采取多种主、被动手段对海面及低空各类合作目标和非合作目标进行协同探测和识别，形成时空统一的多维目标态势，以实现对海域活动进行监视预警。

图5 海域监视预警任务活动子模型OV-5b

通过整合各类目标探测和监视手段，实现对雷达、光电、船舶自动识别系统(Automatic Identification System，AIS) 、自动相关监视广播(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B)等多源传感信息的综合接入和处理，对周边区域海面及低空各类目标进行目标属性判断和航迹计算分析，通过目标特征和运动轨迹对目标趋势进行判证，目标信号引导光电进行跟踪和记录取证，形成目标事件监视预警。多源多目标异构数据融合技术和空间坐标转换将目标在探测空间域和时间域上匹配对准，形成时空统一的综合目标态势。

2.2.5 任务状态转换模型

构建OV-6b，如图6所示。完成海洋无人信息平台在海上自主任务状态转换模型设计。受限于AV-1中平台无人值守、能源自供给、适应多种海况等限制条件，平台执行任务时需通过海洋环境观测系统、定位测向测姿系统、电站监测装置，随时掌握平台能源供应能力和实时海况，依照预置的运行模式切换策略自动进行运行模式切换。

图6 任务状态转换模型OV-6b

海洋无人信息平台工作状态包括常规下的任务模式和值班模式，以及降级下的休眠模式和保护模式。当平台运行在值班模式时，根据远程岸基指令切换至监视预警、执法管控、遇险救助等相应任务，任务结束后按预设策略返回值班模式。根据分布式电源、电网、负载和蓄电池的工作情况，自供给电站对最大功率跟踪控制、蓄电池充放电控制和直流微网系统设置控制策略[9]，当平台电站能源储备下降至警戒线以下，平台转换至休眠模式，仅对必要的平台管控系统、应急通信系统等提供能源，并尽可能延长系统在休眠模式下的持续工作时间，待能源供应和储能恢复后被唤醒恢复至值班模式。当海况恶化超过平台极限工作条件，即可切换为保护模式，闭锁一切非必要活动机构和设施，保障平台海上运行安全。

2.2.6 任务事件跟踪模型

构建OV-6c，如图7所示。描述体系中任务参与各节点的动态逻辑流程和顺序，便于检查任务节点间信息交换的时序。以海洋无人信息平台不同的任务使命，辅以时序信息和信息交互关系，设计相应的任务事件跟踪子模型，以支撑OV-5b具体事件的场景化描述。

图7 任务事件跟踪模型OV-6c

2.3 系统视角建模设计

2.3.1 系统接口模型

通过任务视角建模可知，平台体系结构是以数据汇聚处理为核心，实现各功能系统之间，以及平台与外部系统的业务数据和管控数据交互，以DoDAF指导思想，系统视角建模也应“以数据为中心”描述SV-1 系统接口模型，如图8所示。

图8 系统接口描述SV-1

平台内部数据交互众多，可归纳为实时传输、定时传输、命令传输三种方式。根据不同的传输带宽、时延、可靠性需求，简化各功能子系统内外部物理层接口类型，降低功能集与资源集之间的硬件耦合度。

2.3.2 系统功能定义及分解

构建SV-4a，如图9所示。是对照OV-4组织关系及平台运用模式，并结合SV-1系统接口模型，对系统功能进行定义，选择适宜的颗粒度，对分系统功能进行逐级分解。形成一级功能7个，二级功能25个，部分二级功能下设三级功能。

图9 系统功能分解描述SV-4a

3 平台能力发展分析

从OV-1顶层任务看，海洋无人信息平台担负着多种不同复杂度的任务。实现综合任务需求的复杂度，将直接影响系统顶层建模的颗粒度。

从OV-2体系结构资源需求看，整合不同规模的功能集群所需的计算存储资源集群需要匹配适宜，综合考虑算力存储、软件架构、接口资源、带宽时延等问题，否则会出现资源集群能力冗余过剩或者可扩展性不足。

从OV-5b任务活动及OV-6b任务转换方式、OV-6c事件处理流程看，功能分系统横向之间存在众多信息交互，且需要在平台本地进行前端关联计算。为降低大量原始数据回传后端对通信传送分系统的压力并提升服务处理响应速度，平台本地的数据汇聚预处理和边缘计算非常必要。

从OV-4组织关系看，当前平台采用总线化的联合式架构有较好的灵活性，适宜采用定制设备和商用货架产品，以适中的研制成本快速完成架构相对统一的原型系统研制和示范应用。

综上，通过DoDAF体系结构建模可见，海洋无人信息平台采用联合式总线化体系结构，综合当前示范系统能力需求、货架产品技术成熟度和效费比是适宜的。但海上活动复杂，任务场景多样，海上环境恶劣，海洋信息感知、处理、传送等综合性能和可靠性需要持续提高，而规模化、产业化的过程需要平台建造综合成本不断降低。未来海洋无人信息平台总体设计时要坚持以下原则：

一是充分把握能力需求。通过应用场景、需求分析来捕获系统功能及性能需求，避免系统功能配置及系统指标要求的随意化；坚持开放式架构、标准化模块设计，保留足够的升级改进和扩展能力。

二是加深关键技术理论研究和工程验证。重点在海空天潜一体化广域通信能力、超视距雷达/多光谱/SAR联合目标探测能力、多平台组网及信息融合能力等方向形成突破。

三是以先进技术实现声、光、电、磁等探测通信平台一体、水上水下多手段共平台集成[2]，驱动海洋无人信息平台体系结构演进，可采用如下措施：

(1)采用综合化电子系统设计。实现功能集群之间横向综合，提升系统探测感知、通信传送、信息处理能力的同时，尽可能降低设备成本及体积重量功耗。逐步发展综合化体系结构，从各功能集的计算存储控制的初级综合化为起始，逐步向天线集成、综合射频方向发展，最后实现高度综合化体系结构[10]。

(2)加强健康管理设计。根据系统海上多点部署无人值守、维护困难的特点，在系统故障监测、故障诊断、健康管理方面进行针对性设计，提高平台海上生存能力和任务可用性。

(3)完善智能化管控设计。通过增加平台管控传感器、管控数据库，确定平台各系统管控等级，设置安全管控机制，使平台海上自主管控具备分析、计算、判断、决策的思维能力，并通过大数据积累具备机器学习和自适应能力，最终形成智能化管控能力[11]，为平台大规模组网应用打下基础。

4 结束语

体系结构设计是从概念研究到平台研制过程中最重要的第一步。运用DoDAF体系结构建模方法，合理选取模型设计产品，可以将项目初始阶段的设计目的、工作目标等概念要素，自顶向下细化为任务场景、资源配置和操作运用等能力要素，并完成系统视角的接口、功能等整体定义，最终有机地将任务需求、系统架构和技术体制三者紧密衔接起来。

基于DoDAF指导思想，本文从海洋无人信息平台概念研究出发，最终完成了方案设计、试验系统研制和示范测试，实现了需求创新和设计创新，收获了众多应用经验，取得了数据汇聚处理、多天线电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)设计等一批具有探索意义的技术成果。本文对海洋无人信息平台研制有重要的工程实践指导作用，提出的平台能力发展分析对海洋无人信息平台架构融合和效能提升，以及支撑海洋信息网络建设发展具有重要参考意义。