美国国防部体系架构框架 (DoDAF) 解读

任何事物都是“形式”与“内容”的辩证统一体,“内容”决定“形式”,而“形式”又反作用于“内容”,这里的“形式”换一个更工程化的称呼,便是“架构”。我们写文章,关键是设计好提纲;我们编软件,关键是设计好框架;同样,我们开展系统或体系设计,关键也是首先设计好架构。在目前美军设计的具有良好效果的作战体系中,如海军一体化火力防空体系(NIFC-CA)与弹道导弹防御体系(BMD)都有较为清晰与稳定的体系架构。基于对体系架构的重要性的认识,美国国防部在对其C4ISR体系架构的统一描述的基础上,开发了DoDAF(美国国防部架构框架),成为目前全世界体系设计人员普遍遵守的架构框架描述标准。本文主要对体系架构的重要性以及DoDAF进行解读,以作为开展体系工程研究的参考。

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美国国防部所在的“五角大楼”

系统是“形式”与“内容”的辩证统一

INCOSE系统工程手册中将架构定义为系统的基本属性,体现在系统的组成元素、元素之间的关系以及系统设计与演化的原则上。可以总结为,系统的架构便是系统的外在形式。

关于事物的形式与内容的关系一直是哲学界争论的焦点。柏拉图的“理念论”认为世界的本源是理念,人类感知到的世界只是“理念”的摹本,这是一种唯心主义的观点。亚里士多德提出了事物是包含质料与形式的二元论观点,质料是事物组成的材料,形式是每一个事物的个别特征,但对于二者的辩证关系并未明晰。直到近代黑格尔才指出了内容和形式的辩证关系,认为彼此之间是相互作用、相互转化的。辩证唯物主义在总结概括哲学史上积极思想成果的基础上,指明了内容和形式相互作用、相互制约的辩证原理,指出,内容是主要的、决定的方面,内容决定形式;而形式又依赖于内容,并随着内容的发展而发展、变化而变化。以造桥为例,内容是要解决河两岸的交通问题,河两岸的自然条件、河的宽度以及能承受的资金对建桥的方案起决定作用。不同的设计者根据相同的输入,会设计出具有不同形式的各自方案,而如果选定了某一种形式的方案,又会反过来在承重和有效年限上影响桥的功能内容,这便是内容决定形式,而形式又反作用于内容。

我们同样可以用形式与内容的二分法来分析系统,如图1所示。如果说系统的“形式”便是其架构,那么系统的“内容”就是它的功能,功能决定了架构,而架构涌现出功能。系统的功能又分为两个层次,首先是用户需求,系统设计是为了满足用户的具体业务需求,然后是设计需求,作为系统各组成部件的设计输入,约束各部件的功能与性能。系统的架构则包含系统的组成和各组成之间的关系,组成是系统的物理形式,关系是系统各部件之间的信息交互与协同,因此说系统是“形式”与“内容”的辩证统一。

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图1 系统的内容与形式分析

架构的“有”与功能的“无”

关于架构与功能之间的关系,《道德经》中有一段描述很有启发意义。《道德经》第十一篇中说,“三十辐共一毂,当其无,有车之用。埏埴以为器,当其无,有器之用。凿户牖以为室,当其无,有室之用。故有之以为利,无之以为用”。意思是说车轮子三十根辐条连接到车轴上,因为有中空的地方,所以有车的功用,用陶土做器皿,因为有中空的地方,所以有器皿的功用,凿窗户建房子,因为有四壁空间的地方,所以有房屋的功用。虽然道德经中强调的是“有”与“无”的辩证关系,“有”给人便利,而“无”给人以功用,但对照系统的功能与架构来说,架构是系统中的有形的实体,而功能是架构所涌现出的功能效用。

以上这些事实可以看出,作为物质实体的“有”,要想发挥其价值和功能,必须要依托于“无”。换言之,是“无”成就了“有”的实际功用。我们在系统设计过程中,有形的架构是系统设计的对象,但人们真正想要的是有形架构所涌现出的能力空间。优秀的设计往往是通过简单的架构来实现丰富的效用。在软件设计中更能体现这种“有”与“无”的辩证关系。软件可能仅仅是几行代码搭建的逻辑架构,却能带来无限的输入与输出的映射关系。通过有形的架构来实现无形的功用,这才是真正的架构设计哲学。

Zachman框架与TOGAF

DoDAF并不是最早和应用最为广泛的架构描述规范。在介绍DoDAF之前,我们先回顾下架构技术的鼻祖Zachman框架和应用最为广泛的架构描述方法TOGAF。

Zachman框架全称是企业架构和企业信息系统结构架构,由约翰·扎科曼于1987年创立,其论文《信息系统架构框架》至今仍被业界认为是企业架构设计方面最权威的理论。严格说来,Zachman框架并不是完整的框架描述方法,但它奠定了后续的框架描述方法论基础,Zachman框架如图2所示。Zachman框架描述了一个二维矩阵,类似于系统工程中的霍尔三维结构。竖轴描述了企业中与产品利益相关的不同角色,包括计划者、所有者、设计者、实现者、分包商与使用者,横轴采用的是5W1H方法论,从What、Where、Who、When、Why和How六个方面来审视产品,共形成36种视图产品。

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图2 Zachman框架示意图

Zachman框架的重要贡献是提出了一种多视角的系统分析方法。大家都非常熟悉苏轼的一首诗:横看成岭侧成峰,远近高低各不同,说的就是多视角的道理,同一件事物摆在那,从不同的视角去观察,看到的结果是不一样的,但所有这些视角又汇聚成同一件事物。工业设计中有一门课程叫画法几何,学习如何绘制零件的三视图,也是同样的道理。把这里的直观的“视角”进行抽象与引申,把不同人对同一件事情有不同的看法也称为“视角”,便是Zachman框架里的多视角了。在企业中,不同角色的职责不一样,关注的产品的利益点也肯定不一样,所以按角色进行区分,是一种顺理成章的处理方式,也是一种具有普适性的方法论。这一点在其它方面也经常被用到,如我们在对软件需求文档进行评审的时候,不同角色人员关注的重点就不一样,用户关心的是自己的业务需求能否实现,设计人员关心的是能否代表当前的技术水平,开发人员关心的技术实现时是否有难度,测试人员关心的是需求描述是否可测。

开放组织架构框架(The Open Group Architecture Framework,TOGAF)是国际标准权威组织The Open Group于1993年应客户要求,着手制定的系统架构的标准,并于1995年发布,2011年更新到9.1版本。TOGAF提供了一套协助企业接受、产生、使用和维护组织架构的方法和工具,其核心是提供了一种架构开发方法(Architecture Development Method,ADM)和指南,这些方法是对行业内的最佳实践经验的集成。不同于DoDAF主要用于军事领域,TOGAF主要用于商业领域,并已得到了广泛应用。

DoDAF的提出与发展

DoDAF是伴随着美军联合作战的需求而出现和发展的。美军根据从海湾战争中学到的经验教训,逐渐认识到,军事力量在架构、流程和作战层面的联合是提升整体作战能力的关键,联合作战思想已成为美国国防部装备发展的指导思想。在上一期我们对美军联合能力集成开发系统JCIDS的解读中也提到,美军原来实行的是基于威胁的发展模式,各军兵种各自为战的需求开发思路导致美军装备发展“烟囱”林立,装备间的互联互通互操作能力较差。因此美国国防部在统筹开展基于C4ISR的多兵种联合作战设计时,面临着不同装备供应商之间技术体制不一样,无法实现一体化设计与评估的问题。为此,1995年,美国国防部专门成立了“C4ISR一体化任务小组”,经过8个月的研究,其下属的“一体化架构小组”颁布了C4ISR架构框架1.0版。1997年12月,发布了C4ISR架构框架2.0版。C4ISR架构框架2.0采用作战视图、系统视图和技术视图的结构,即经典的三视图结构。1998年2月,架构协调委员会通过颁布行政命令的方式,强制要求该架构框架在国防部领域推广使用。1998年-2001年,C4ISR架构框架在美国参联会、军兵种和国防部系统的下属部门得到了广泛应用,对提高美军C4ISR系统的一体化水平起到了积极的推动作用。

2002年,美国国防部提出从“以威胁为基础”向“以能力为基础”的兵力计划构想转变。实现这一目标的最有效方法就是开发和使用一体化的架构。鉴于C4ISR架构框架在实践运用中发挥的巨大效益,2003年1月颁布了国防部架构框架DoDAF1.0版草案,2003年8月正式颁布,并在美国国防部推广应用。为了能够更加适应网络中心战能力建设的要求,美国国防部对架构框架不断进行修订。2007年4月美国国防部颁布了国防部架构框架1.5版(DoDAF1.5)。在DODAF的转变过程中,DODAF1.5运用了基本的网络中心概念,并认可新技术的发展,如面向服务的架构(Service-Oriented Architecture,SOA)中的服务技术。在DODAF1.5的基础上,美国国防部于2009年5月开发了DODAF2.0。英国与北约参照美国的DoDAF,也分别发布了自己的统一架构框架规范,称作MoDAF与NAF,而最新状态是MoDAF、NAF与DoDAF合并推出了统一架构框架UAF(Unify Architecture Framework,UAF),从而在北约与欧美联盟内部形成了统一的体系架构描述规范。

DoDAF的组织结构

DoDAF2.0是目前应用比较广泛的版本,因此以2.0为例,简要介绍DoDAF的主要内容。DoDAF中的体系架构框架主要分为三个层次,视点(View Point)、视图(View)以及模型数据

•模型是指用于收集数据的模板。

•视图表示使用格式或模型的一组相关信息。一种如DoDAF 2.0中所述,视图是任何可理解格式的数据表示。格式可以包括任何演示样式(仪表板、电子表格、图表、数据模型等)来传达数据的含义。

•视点描述了从一个或多个角度绘制并以特定方式使用应该出现在个人视图中;如何构造和使用视图(通过适当的架构或模板);表达和分析的建模技术信息;以及这些选择的依据(例如,通过描述目的和预期的受众群体)。

模型加数据构成了视图,多张视图构成了某一类视点,视点是指视图的类型。DoDAF2.0中包含了8类视点,分别是全视点、能力视点、系统视点、操作视点、数据和信息视点、项目视点、服务视点与标准视点,其结构图如图3所示。

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图3 DoDAF架构框架关系图

DoDAF的目的

需要澄清一点的是,DoDAF提供的是一种体系架构描述方法,用于不同装备供应商之间进行统一规格的架构设计,以符合彼此间比较与联合作战设计的需要,而不是一种体系架构设计方法。同时,美国国防部开发DoDAF,最终目的是作为一种工具,将国防部主持的六大核心流程的概念和模型统一起来,形成一体化的描述。这六大核心流程包括:

1.联合能力集成开发系统(JCIDS);

2.计划、编程、预算和执行系统(PPBE)

3.采办系统(DAS)

4.系统工程(SE)

5.作战计划

6.能力包管理(CPM)。

DoDAF 8个视点介绍

全视点(All View,AV):描述了与所有视点相关的架构描述的顶层概貌,包括范围、上下文环境、规则、约束、假设以及与体系架构描述有关的词典等。

能力视点(Capability Viewpoint:CV):集中反映了与整体构想相关的能力目标,阐述在特定标准和条件下进行特定的行动过程或是达成期望效果的能力,包括能力要求、交付的时间以及部署情况等。能力视点为DoDAF2.0版本新增视点,体现了国防部对联合作战综合能力形成的重视,也是为了支撑JCIDS的推广实施。

系统视点(System Viewpoint:SV):描述了提供或支持国防领域职能的系统及其相互关系。系统模型建立系统资源与作战要求及能力需求的关联,这些系统资源支持作战活动,并促进信息的交互。

作战视点(Operational Viewpoint,OV):描述了执行作战所需的任务、活动、作战要素和资源流交换等。集中反映了完成美国国防部使命的机构、任务或执行的行动以及彼此间必须交换的信息,包括信息交换的种类、交换的频率、信息交换支持哪些任务和活动以及信息交换的性质。

数据和信息视点(Data Information Viewpoint:DIV):描 述了组织在业务活动中管理并用于组织业务活动的操作和业务信息要求和规则。集中反映了架构描述中的业务信息需求、数据需求等。

项目视点(Project Viewpoint:PV):描述了组织是如何规划、管理与实现项目、工程、工作包和计划交付的能力项以及能力与项目之间的依赖关系。

服务视点(Service Viewpoint:SV):描述了国防部领域内各类服务及其相互关系,服务模型将服务资源与作战要求的能力相互关联,说明服务对作战活动的支持。

标准视点(Standard Viewpoint:StdV):描述了适用于架构的作战、业务、技术和工业标准、指南与约束集,确保架构方案能够满足特定的作战和能力需求。

总结

美国国防部体系架构框架DoDAF是美国国防部在联合作战指导思想下,为统一不同装备开发商之间的架构设计规范,并将其管理的6大核心流程统一起来而开发的架构描述标准。DoDAF只是一种体系架构描述方法,而不是体系架构设计方法,DODAF中关于体系架构的描述内容对于我军来说未必是最完备和最适用的,我们在应用时应该经过裁剪、改进和本地化。但美国国防部这种统一化描述的方法论思路非常值得借鉴,提醒我军在开展多军种一体化联合作战设计时也应建立符合我军技术体制与科研模式的一体化体系架构描述标准。

作者:张宏军黄百乔鞠鸿彬

(本文已发表在《舰船知识》杂志3月刊)

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原文 

https://www.secrss.com/articles/18604

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