面向跨域作战体系的多维架构设计方法研究*

张承龙，赵强，魏然，李通

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面向跨域作战体系的多维架构设计方法研究*

张承龙，赵强，魏然，李通

（北京电子工程总体研究所，北京 100854）

针对跨域作战体系架构设计的特殊复杂性，提出了一种多维架构设计方法，包括作战概念架构、物理架构、逻辑架构设计。给出了上述3种架构的定义、设计内容与设计流程，其中从威胁态势研究、作战对手研究、能力需求研究与作战概念生成等方面开展了作战概念架构设计，从组成要素选择、连接关系描述、配系部署设计等方面开展了物理架构设计，从层级与组织关系设计、作战过程设计、信息交互设计、信息精度传递关系设计等方面开展了逻辑架构设计。提出的方法可为跨域作战体系架构设计提供参考。

跨域作战体系；作战概念架构；物理架构；逻辑架构

0　引言

作为一种新的作战概念，跨域作战通过综合运用联合作战力量来实施各军种同步协调行动［1］，有效打破传统以军种为核心的作战边界。跨域作战过程中，战略战役战术等不同层次、陆海空天网电等不同作战域的作战力量有机融合，借助信息的互联互通，综合运用云计算、大数据、人工智能等相关技术，根据使命任务与战场态势，多域空间内各作战力量、作战平台快速灵活调整，作战效能由线性叠加向非线性、涌现性、自适应、自组织性等各种系统效应融合转变，作战力量精确释能。

对于跨域作战体系，架构是最顶层、最宏观也是最具有决定性的组成部分之一，其作用类似于人体的骨骼、大楼的骨架。跨域作战体系的架构往往能在很大程度上决定系统的要素组成、连接关系、部署形态、组织关系、作战流程、信息交互等，是决定跨域作战体系效能能否有效发挥的重要因素，因此在开展跨域作战体系其他设计工作前，必须首先明确系统架构。

国外在体系架构设计方面较早开展了广泛而深入的研究，并形成了体系架构描述方法［2］，如DoDAF、MODAF、UPDM、NAF、TOGAF等，在一定程度上对作战体系的机理模型进行了较为详细的描述。在此基础上，结合建模语言、建模工具、仿真工具等［3］，提出了一系列架构设计方法，如DANSE架构设计方法［4-5］、基于智能体的架构设计方法［5-6］等，上述方法在一定程度上解决了系统架构的设计问题，但很难适用于跨域作战体系架构设计。与国外相比，国内缺少具有我国特色的架构描述方法，大量工作更多关注于结合自身情况与目标系统特点对现有的系统架构描述方法的裁剪与改进［7-8］。此外，在结合建模语言、建模工具、仿真工具进行架构设计方面，尽管提出了基于建模仿真的架构设计方法［9-10］、基于模型和数据混合驱动的复杂体系架构设计方法［11］等方法论，但距离实际应用仍有较大差距。

立足我国实际，开展了面向跨域作战体系的多维架构设计方法研究。首先介绍了跨域作战体系的多维架构设计方法。在此基础上，从概念架构、物理架构、逻辑架构3个不同维度，详细给出了跨域作战体系架构设计的定义、设计内容与设计流程。

1　跨域作战体系多维架构设计方法

跨域作战体系具有作战样式复杂多样、作战场景开放非稳态、对抗过程随机动态、智能对抗繁杂激烈等特点，具有组成要素多且层级复杂、组织及信息交互关系复杂、运行及演进模式复杂等特征，传统的系统设计方法已难以满足要求。一方面，需在需求、架构、要素、运用等方面开展跨域作战体系的一体化设计。另一方面，需在要素测试、要素集成、体系验证等方面开展集成验证，进而可以对跨域作战体系的非线性、不确定性、自组织性等特性进行验证，验证结果又可支撑需求设计、架构设计、要素设计与运用设计。如此反复迭代，直至满足功能性能要求。因此，跨域作战体系的设计流程如图1所示。

图1 　跨域作战体系的设计流程

在上述提出的跨域作战体系设计流程的基础上，从跨域作战能力的顶层需求出发，对体系架构进行自上而下正向分解，提出了跨域作战体系的架构设计框架，如图2所示，包括构建反映跨域作战体系形态与需求的作战概念架构，反映跨域作战体系要素组成、连接关系、配系部署的物理架构，以及反映跨域作战体系功能服务的逻辑架构。通过概念架构设计生成的能力需求与作战概念分别用于指导物理架构与逻辑架构设计，物理架构与逻辑架构设计过程中相互促进、相互迭代。

图2 　跨域作战体系的架构设计框架

2　跨域作战体系架构设计

针对跨域作战体系，开展了多维架构设计方法研究，包括概念架构设计、物理架构设计与逻辑架构设计。

2.1　概念架构设计

概念架构是指跨域作战体系架构设计的最初阶段，对跨域作战体系的威胁态势、作战对手、能力需求、作战概念等进行分析研究，并将其按照一定逻辑勾勒成完整图像的过程。概念架构设计的主要目的是明确跨域作战体系设计的大方向，防止因为需求把控不清、对手研究不透、技术发展方向把握不准等原因，造成设计出的跨域作战体系存在重大方向性错误。概念架构设计不在于其最终构设的图像在细节上的精确性，而在于图像在宏观方向的正确性。如图3所示，概念架构设计的内容包括威胁态势研究、作战对手研究、能力需求研究与作战概念生成。

2.1.1威胁态势研究

跨域作战体系概念架构设计的威胁态势研究内容如图4所示。通过分析面临的地缘政治环境、安全威胁形式等，研判跨域作战背景下可能发生战争的作战对手、作战空间以及交战规模，其中作战空间覆盖陆海空天网电等作战域。

图3 　跨域作战体系的概念架构设计内容

图4 　跨域作战体系概念架构设计的威胁态势研究内容

2.1.2作战对手研究

跨域作战体系概念架构的作战对手研究内容如图5所示。从战略、战役、战术等层面研究跨域作战背景下的作战对手，主要包括对手是谁、敌人如何进攻、敌人使用什么装备进攻等。其中敌人是谁的研究内容包括对手的军事战略、作战概念、装备发展规划等；敌人如何进攻的研究内容包括跨域作战背景下对手的战术战法、作战样式、作战条例、装备采购与部署等内容；敌人使用什么装备进攻的研究内容包括跨域作战背景下的作战空间环境和目标的运动、红外、电磁特性等。

图5 　跨域作战体系概念架构的作战对手研究内容

2.1.3能力需求研究

跨域作战体系概念架构的能力需求研究内容如图6所示。结合面临的地缘政治环境、安全威胁形式以及作战对手等，构建对抗场景，定量化分析当前跨域作战的体系能力，评估短板弱项，研究当前的跨域作战装备、作战样式的不足。

图6 　跨域作战体系概念架构的能力需求研究内容

2.1.4作战概念生成

跨域作战体系概念架构的作战概念生成内容如图7所示。分析跨域作战背景下核心要素及其组织运用流程，在作战机理的牵引下，采用分层、分级、分域等设计思路，形成战略级、战役级、战术级和装备级作战概念。

2.2　物理架构设计

跨域作战体系的物理架构设计内容如图8所示。物理架构是对跨域作战体系在客观世界中的组成要素类型与功能性能、要素之间的连接关系、要素数量与部署位置等进行表征，但不能对要素之间的内在逻辑关系进行描述。构成跨域作战体系的要素包括探测感知、指挥控制、拦截对抗等装备实体。跨域作战体系架构设计的内容包括组成要素选择、连接关系描述、配系部署设计等。

图7 　跨域作战体系概念架构的作战概念生成内容

图8 　跨域作战体系的物理架构设计内容

2.2.1组成要素选择

跨域作战体系物理架构的要素组成示意图如图9所示。跨域作战体系物理要素的选择应根据作战任务分解的作战能力需求，选择能够实现既定能力的作战域及其要素。作战能力需求包括作战对象、作战目标、作战区域等。在组成要素设计的过程中，一方面需根据多域各作战要素的功能性能与战技指标；另一方面，需充分结合多域战场网络的互联互通能力、多域各要素技术体制、协同作战支撑程度、网络化运用模式等因素。

图9 　跨域作战体系物理架构的要素组成示意图

2.2.2连接关系描述

跨域作战体系物理架构中的连接关系是指要素之间的连接关系网、信息的发送与接收对象、通信方式等，通过连接关系可以明确点对点通信时的路由链路，如图10所示。

跨域作战条件下，基于互联互通的网络支持，陆海空天网电作战域内各要素动态无缝连接，融合到一个在跨域各要素之间实时共享高置信度数据的跨域杀伤网中，多域各要素之间的连接关系呈现网状特点。

跨域作战要素的连接关系描述既包括单域作战要素连接关系描述，也包括跨域作战要素连接关系描述。对于单域与跨域作战要素的连接关系，二者均包括同类作战要素连接关系与异类作战要素连接关系。同类作战要素连接关系又包括探测感知要素之间的连接关系、指挥控制要素之间的连接关系、拦截对抗要素之间的连接关系。异类作战要素的连接关系包括探测感知与指挥控制要素之间的连接关系、探测感知与拦截对抗要素之间的连接关系、指挥控制与拦截对抗要素之间的连接关系，以及探测感知与指挥控制、拦截对抗要素之间的连接关系。显然，跨域作战要素的连接关系异常复杂，本质是以由多域各要素实体为节点构成的复杂网络。

图10 　跨域作战物理架构设计的要素连接关系描述内容

对于跨域作战体系要素的连接关系描述，宜采用基于复杂网络的描述方法：

以探测感知与指挥控制、拦截对抗要素之间的连接关系描述为例，无向图与有向图对应的邻接矩阵如图11所示。与无向图相比，有向图规定了每条边的方向。对于跨域作战体系的要素连接关系，存在要素间单向传递信息的情况，如某些探测感知要素仅可向指挥控制要素单向传递信息，因此跨域作战体系的要素连接关系宜采用有向图的邻接矩阵来表征。

图11 　跨域作战要素连接关系描述示例

2.2.3配系部署设计

在完成组成要素选择与连接关系描述后，需要对组成要素的数量与地理空间部署进行设计，给出典型环境条件下的多域各要素的数量与部署方案，如图12所示。例如，对于对空跨域作战体系，一方面，进行给定资源下的位置部署，即根据给定的资源，如探测感知、指挥控制、拦截对抗等要素的类型、数量与物理连接关系，结合多域各要素的战技指标，以最大化作战效能为目标，优化各资源节点的部署位置等。另一方面，进行给定作战任务的资源分析和部署，即在给定跨域作战任务时，优化所需多域各要素的数量及部署位置等，在控制成本的同时最优化效能。

图12 　跨域作战体系物理架构的配系部署设计

2.3　逻辑架构设计

逻辑架构是指跨域作战体系在执行不同作战任务时的架构层级与组织关系、作战过程、信息交互关系及信息精度传递关系，一般通过基于物理架构的多域各要素形成的时间链、信息链与精度链进行描述。如图13所示，逻辑架构的设计内容包括架构层级与组织关系设计、作战过程设计、信息交互关系设计及信息精度传递关系设计等。

图13 　跨域作战体系的逻辑架构设计内容

2.3.1层级与组织关系设计

跨域作战体系的层级与组织关系设计主要用于设计跨域作战过程中多域各要素在完成作战任务时所经过的编制级别数，以及指挥控制要素与所属部队之间构成的指挥与被指挥的关系。层级与组织关系设计过程中应基于跨域作战体系的物理架构，根据跨域作战体系的作战任务，以及各组成要素的功能性能、战技指标与要素间连接关系，并结合现有的指挥体制开展设计。

跨域作战体系逻辑架构的层级与组织关系示意图如图14所示。对于集中式层级与组织关系，多域各要素按隶属关系呈树状的层次结构。根节点负责协调、安排叶节点的任务计划，其余各节点则根据父节点的协调安排生成各自的子任务计划，并将其分解到各自的叶节点，通过逐级分解适应大规模任务计划。但是严格的层次式指挥依赖上级节点的协调、控制，对于可能影响全局的情况变化需要逐级上报，并由高层节点统一协调，大量底层节点缺乏沟通途径。

对于分布式层级与组织关系，处于同一级别的多域各要素实体之间是一种对等、协商的关系，并不区分严格的隶属关系。根据自身的情况与全局的任务目标同级指挥控制要素可横向协同，不同级指挥控制要素可实现跨级指挥，态势信息也可实现多层共享，以确保全局任务目标的实现。分布式层级与组织关系下多域各要素实体间更充分有序交流与协作，具有自同步的特点，在快速变化的环境中具有高度适应性。

图14 　跨域作战体系逻辑架构的层级与组织关系示意图

对于跨域作战，分布式层级与组织关系更为适用。通过网络环境将多域各要素有机连接、融合在一起，促使指挥能力高效发挥。各级各类型指挥机构呈现要素节点式、功能替代式、立体分布式特点。一方面，通过标准规范指挥机构、指挥手段，规范行动控制流程及信息传输格式等。同级指挥控制要素之间互为备份，互相替代；另一方面，立体联合陆海空天网电多域指挥力量，增强柔性抗毁能力。通过多域各指控要素实体之间高效运行、有效释能，形成体系化作战指挥能力，确保行动控制稳定可靠。此外，借助信息的互联互通，形成“开放”的“韧性”指挥控制架构。根据使命任务、环境态势、力量手段等的临机变化，灵活接入指挥实体，体现灵活可调的能动性与自组织能力，实现“架构动态重构、指挥快速接续”，确保行动控制灵活顺畅。

基于跨域作战体系架构的按需动态重构特点，逻辑架构的层级与组织关系设计的本质是面向作战任务的即时聚优跨域杀伤网构建问题。如图15所示，层级与组织关系设计过程中，首先需进行模型构建，包括跨域作战效能目标函数以及时间、空间、能量等约束关系。在此基础上，运用博弈论、运筹学、强化学习等理论，进行跨域杀伤网模型的动态求解，得到此时最优的层级与组织关系。最后，通过指挥节点的中心度、指挥架构网络图直径、指挥架构网络图密度、横向连通度等指标进行逻辑架构评估［12］。跨域作战体系逻辑架构的评估指标如图16所示。

图15 　跨域作战体系逻辑架构的层级与组织关系设计

图16 　跨域作战体系逻辑架构的评估指标

2.3.2作战过程设计

跨域作战体系的作战过程设计应根据逻辑架构的层级与组织关系。根据跨域作战体系的作战任务，设计多域各作战要素的行为、要素状态变化等事件发生的先后顺序。在信息化作战条件下，跨域作战呈现作战力量高度融合、作战空间多域多维、指挥要素类型多样、指挥要素功能多元、指挥关系多重交叉等特点，使得作战过程设计变得越来越复杂。

为规范跨域作战体系的作战过程设计，从总体上系统描述面向特定作战任务的作战过程与行动控制关系，以模型数据形式明确跨域作战的要素组成与作战流程，开展跨域作战过程设计，包括同类作战要素协同过程设计与异类作战要素协同过程设计等内容。其中同类要素协同过程设计包括探测感知要素之间的协同过程设计、指挥控制要素之间的协同过程设计与拦截对抗要素之间的协同过程设计等内容；异类作战要素协同过程设计包括探测感知要素与指挥控制要素协同过程设计、探测感知要素与拦截对抗要素协同过程设计、指挥控制要素与拦截对抗要素协同关系设计以及探测感知要素与指挥控制要素、拦截对抗要素协同过程设计等内容。跨域作战过程设计内容如图17所示。

图17 　跨域作战过程设计内容

跨域作战过程设计主要包括以下步骤：

（1） 根据作战任务梳理跨域作战体系的作战活动，结合跨域作战体系的作战活动分解多域各要素的功能活动，并以数据流箭头来表示多域各要素功能活动之间的连接，明确多域各要素功能活动之间的资源流。

（2） 构建要素的作战事件/作战活动之间的时间序列，可用于按照时间先后顺序检查参与其中的多域要素之间的交互信息，明确作战线程，并对其中的关键事件/活动进行跟踪，确保信息在多域各要素之间高效运转。

（3） 按多域各要素分别梳理其参与的作战事件，明确多域各要素在跨域作战过程中的状态及其状态转换关系，完成时序关系检查和优化。

（4） 由逻辑视图模型生成可执行的代码框架，可基于外部事件驱动完成逻辑仿真、检验系统视角的一致性与完整性，并根据逻辑仿真结果返回步骤（2）进行迭代。

对于跨域作战体系的作战过程设计，一般通过结构型视图的方式进行描述。

2.3.3信息交互设计

跨域作战体系信息交互关系设计是在作战过程设计的基础上，对作战过程中多域各要素之间的信息交互关系进行设计。

图18 　跨域作战体系逻辑架构的信息交互关系示意图

在信息交互关系设计的过程中，重点设计信息的来源要素、目的要素、信息内容等，通常通过结构型视图形式进行描述，如图18所示。在此基础上，通过标准规范信息传输内容与格式。

2.3.4信息精度传递关系设计

跨域作战的信息精度传递关系设计是在信息交互关系设计的基础上，围绕杀伤链有效闭合，对多域各要素与各作战环节的误差进行分析，并根据信息传递误差选择构成杀伤链的各要素。跨域作战的杀伤链是指与杀伤过程相关的作战链条，包含侦察链、感知链、决策链、打击链、保障链、评估链等。美高度重视跨域作战的杀伤链精度验证，较为典型的跨域作战试验为美陆军“项目融合-2021”，试验中通过智能自主侦察、联合空地打击、联合全域火力打击、智能打击等多项演练科目，测试了侦察链、打击链等多种类型作战链条的有效性。

对于信息精度传递关系设计，一般需结合仿真建模的方法进行。通过数值仿真得到大量数据，通过数据挖掘得到杀伤概率与影响跨域作战信息传递精度的诸因素之间的函数关系。以对空跨域作战为例，影响针对特定目标杀伤概率的因素包括单发杀伤概率随传感器探测威力、探测精度、导弹飞行速度、过载能力等，杀伤概率与上述因素之间的函数关系具有较强的非线性，适宜采用神经网络进行拟合表征，数学模型公式为

通过以上数学模型对单条杀伤链进行可靠建模和表征后，即可对跨域作战体系内的大量可选杀伤链进行统一表述。对于同一拦截目标，对不同杀伤链进行单发杀伤概率预估，得到满足杀伤概率要求的杀伤链组合。

3　结束语

跨域作战体系架构设计的复杂性源于其本身的强对抗性，强对抗环境下跨域作战体系的要素组成，要素与要素间、要素与环境之间的关系，以及指导架构设计的准则都时刻发生变化。多维架构设计方法为强对抗环境下跨域作战体系的架构设计提供了一种有效途径。本文以满足能力需求为目标，围绕作战能力生成，运用多维架构设计方法，开展跨域作战体系的概念架构、物理架构与逻辑架构设计，给出了上述3种架构映射的模型，实现了满足跨域作战体系非线性、对抗性、自组织性等特性要求的综合性系统设计。

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Research on Design Method of Multi-dimensional Architecture of Cross-Domain Operational Systems

ZHANGChenglong，ZHAOQiang，WEIRan，LITong

（Beijing Institute of Electronic System Engineering， Beijing 100854， China）

In order to solve the special complexity of architecture design of cross-domain operational systems， a design method of multi-dimensional architecture is proposed， including the design of conceptual architecture， physical architecture and logical architecture. The definitions and design procedures of the three above architectures are provided， with the conceptual architecture design including threat situation research， opposition research， capacity requirements analysis and operational concept generation， the physical architecture design including component elements selection， connection relationships description and deployment design， the logical architecture design including organizational hierarchy relationships design， operational process design， information sharing design and precision information transmission analysis. The proposed method can provide guidance for the architecture design of cross-domain operational systems.

cross-domain operational systems；conceptual architecture；physical architecture；logical architecture

2022 -12 -15 ;

2023 -02 -06

张承龙(1986-)，男，安徽砀山人。研究员，博士，研究方向为体系与系统总体设计、分布式与无人作战技术、人工智能技术应用等。

10.3969/j.issn.1009-086x.2023.03.003

TJ0； E835.8

A

1009-086X（2023）-03-0020-11

张承龙, 赵强, 魏然, 等.面向跨域作战体系的多维架构设计方法研究[J].现代防御技术,2023,51(3):20-30.

Reference format:ZHANG Chenglong,ZHAO Qiang,WEI Ran,et al.Research on Design Method of Multi-dimensional Architecture of Cross-Domain Operational Systems[J].Modern Defence Technology,2023,51(3):20-30.

通信地址：100854 北京市142信箱30分箱