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武器装备体系即军事体系，是现代化作战的核心，具有较高的军事地位，也是国防科技领域的研究热点之一。几种典型的装备体系定义如表1.5所示。
表1.5 几种典型的装备体系定义
装备体系是体系领域最早的研究对象之一，其中，C4ISR系统是最为典型的装备体系。Levis和Wagenhals最早提出了C4ISR体系结构的开发及设计流程，他们采用多视图建模方法描述了C4ISR系统，并开发了体系结构的设计方法。随后，他们与Bienvenu等相继发表了两篇关于C4ISR体系结构研究的论文。这些工作首次提出了基于结构化分析的C4ISR体系结构开发过程，展示了如何通过可执行模型分析体系结构的逻辑和行为特征，建立了一种基于UML的面向对象的体系结构设计方法。Campbell等研究人员在“体系建模与分析”方面提出了相关报告，并提出了一个体系集成的建模与仿真环境。他们介绍了一种静态分析方法，有助于在指定使用条件下分析体系的平均性能状态建模，并建立了包含时间模拟的封装状态模型。另外，Griendling和Mavris回顾并总结了使用DoDAF创建可执行体系结构环境的方法，并详细描述了构建可执行框架所需的过程和信息。Mordecai等学者在基于模型的互操作工程的基础上，开发了一个面向体系的概念建模框架，该框架对体系的多层互操作性规范、建模、架构、设计和测试进行了集成。
综合分析以上概念定义及研究成果，本书中对装备体系的定义是：为了完成或实现既定的作战计划或使命而组成的，具有一定的涌现性的多种系统的集合。这些组成系统在功能上满足目标任务的需求，在运营上具备独立运转与管理的能力，在地理上具有一定的分散性，能够实现系统间的资源与信息交换，同时整个装备体系能随着任务进程不断进行适应与进化。
体系的结构是指一个体系的组成元素及其组成结构。体系结构框架及其定义的体系结构产品构成了体系结构设计的基本语法规则。体系结构框架（Architecture Framework）是一种规范化的描述和建模方法，旨在确保系统利益相关者能够基于统一标准对体系结构进行理解、比较和集成。
1）Zachman架构
Zachman架构于1987年提出，强调对企业信息技术应用架构进行开发和设计时的对称性和秩序性。这种结构框架定义了一组规则和工具，用于描述企业系统体系结构。其核心理念在于从多个利益相关者的视角来审视企业系统的复杂性。Zachman架构将这些视角组织为六个维度：什么、如何、何时、何人、何地以及为何，每个维度都解答了特定的问题。总体而言，Zachman架构提供了36个模块，用于定义系统结构框架，以便在整体与部分、概念与实现之间建立平衡关系。这种架构具有逻辑清晰、易于理解、描述和表达的特点，适用于对各种复杂对象进行详细描述。
吴彩丽和林家骏研究了基于Zachman架构的复杂信息系统的系统安全架构。他们结合Zachman架构和《GB/T 20274—2008信息系统安全保障评估框架》，设计了复杂信息系统的分层划分及安全评估架构。Blackwell应用Zachman架构构建了用于事故分析的司法框架，采用社会、逻辑和物理三层事件分析框架对安全事故进行了系统化分析。Wu及其团队运用Zachman架构对网络安全进行了评估与分析。他们从技术、战略和管理角度出发，提出了网络攻击与防御的综合框架，并应用管理方法解决了网络安全管理和测量方面的问题，为网络防御管理提供了新的理论基础。此外，他们还设计了一套完整的网络防御管理流程，并对网络防御的定量评估进行了初步探讨。
2）美国国防部体系结构框架2.0版
美国国防部体系结构框架2.0版（DoDAF 2.0）是现阶段应用最为广泛的军事架构技术，为多个利益相关者提供各种视图以完整和明确地描述各种体系结构。DoDAF 2.0作为体系结构开发的顶层、全面的架构和概念模型，为构建、分类和组织架构提供了指导和规范。DoDAF 2.0以数据为中心，引入了国防部体系结构元模型（Meta-model）的概念，元模型由概念数据模型（Conceptual Data Model）、逻辑数据模型（Logical Data Model）和物理交换规范（Physical Exchange Specification）组成，是构成国防部体系结构框架的重要组成部分。DoDAF 2.02是对DoDAF 2.0的进一步修订和改进，DoDAF 2.02聚焦于6类利益攸关方、6个标准疑问、可遴选的8个视点和52个模型，提供解决人员、流程和技术一体化、结构化、深层次问题的（建模）方法集。
美军在海湾战争后意识到，实现战场空间态势的绝对优势需要依赖一体化、互操作和高效的C4ISR系统能力，以满足复杂的任务需求。刘俊先等在《军事架构技术》一书中指出，美国国防部希望军事部门、装备研究部门和工业制造部门在开发架构时采用适用且统一的结构框架，以确保各部门信息的共享和对体系结构的共同理解。基于这一认识，美军转变了传统的孤立开发策略，转向开放系统工程方法，并指定《信息管理技术体系结构框架》《联合技术体系结构》《C4ISR体系结构框架》和《国防部体系结构框架》为发展综合电子信息系统的主要指导文件。在这些体系结构指导文件的牵引下，美军的装备从采用开放式客户机/服务器模式的分布式结构，发展到C4ISR体系结构1.0/2.0版、DoDAF 1.0/2.0版以及面向服务的体系结构等。在这些体系结构框架的指导下，美军在指挥控制和通信网络方面，经历了从全球指挥控制系统网络到全球信息栅格的发展，最终形成了如今的联合信息环境。
3）其他体系结构框架
英国、澳大利亚、挪威等国家根据自身需求，基于美军的C4ISR体系结构框架，各自提出了独特的C4ISR体系结构框架。例如，英国国防部体系结构在借鉴美军DoDAF主要成果的基础上，增加了“战略视图”和“采办视图”，并对作战视图和系统视图进行了若干修改，从而形成了英国国防部体系结构框架（MODAF）。其目的是满足“网络赋能能力”需求和本国的作战任务，以及与盟军间的兼容互通。
澳大利亚国防军对美军C4ISR体系结构框架开展了大量研究，并基于该框架开发了演示性的体系结构。他们还针对自己的实际情况，以美军C4ISR体系结构框架和Meta公司的企业体系结构战略为基础，制定了国防体系结构框架。
挪威国防研究中心提出了体系结构驱动的方法，用于开发军队的指挥、控制和信息系统。他们指出，体系结构的关键在于对分布、安全和信息模型等方面的详细描述，而美军C4ISR体系结构框架并不完全满足这些需求。因此，挪威国防研究中心在美军C4ISR体系结构框架的基础上，引入了国际标准化组织制定的开放分布式处理系统参考模型的部分概念。他们提出了一个名为MACCIS（Minimal Architecture for CCIS in the Norwegian Army）的初步体系结构框架，该框架包括企业视图、信息视图、计算视图、工程视图和技术视图等五类视图。挪威国防研究中心通过对每类视图定义的模型（产品），分析研究了MACCIS中的模型与美军C4ISR体系结构框架中的产品之间的对应关系。
北约为了解决系统的互操作问题，制定了C3系统体系结构框架NAF。该框架提供了描述和开发体系结构所需的规范和模板，以确保各同盟国在理解、比较、开发和整合体系结构时采用通用的原则。NAF是北约强制要求执行的体系结构框架，其最新版本NAF 3.0参考美国国防部体系结构框架，定义了四类体系结构：顶层结构、参考结构、目标结构和基线结构。每类体系结构都包含作战、系统和技术三种视图，同时制定了技术体系结构以补充和完善C3系统体系结构框架。此外，NAF 3.0还规定了在C3系统全寿命周期不同阶段制定相关的参考体系结构和目标体系结构，以保证系统的持续互操作性。
体系结构建模技术能够精确地表达和描述系统的结构。体系结构设计方法作为体系结构设计的技术手段，指导和管理体系结构设计和开发的基本活动，确保系统开发过程的可行性。体系结构度量和验证方法则用于评估体系结构设计的成果是否符合需求，并评估设计的质量。它们的主要任务是验证系统体系结构设计的正确性，确定体系结构设计是否满足功能需求和非功能需求。
1.多视图建模
多视图建模是一种复杂系统建模的重要策略，通过多个视图描述系统的不同侧面，从任何一个视角都能全面理解系统的整体结构和功能。这种方法能够有效地展示系统各方面的信息及其相互关系。多视图建模理论最早由Mullery在第四届软件工程国际会议上提出，并广泛应用于软件系统的需求分析中。通过不同的视角建立子模型或视图模型，并确立各模型之间的联系，可以实现模型的综合整合。这种方法能够深入理解作业流程的功能、组成结构以及流程中信息资源等资源的交互、影响和约束。在此基础上，可以进行作业流程的危险分析、结果验证和评估，为安全风险评估和设计改进提供理论支持和指导。众多体系结构框架，如Zachman框架、联邦企业体系结构框架（FEAF）以及军事领域的C4ISR和DoDAF等，都采用多视图建模作为核心方法论，用于系统的全面描述和分析。
随着信息技术的迅猛发展和信息服务需求的多样化与复杂化，信息系统建设涉及的信息技术越来越多，功能越来越复杂，规模也越来越大。单一和简单的模型很难完整描述复杂体系结构的各个方面。为了清晰地展现体系结构的全貌，必须从多个视角对其进行描述，这就是多视图体系结构描述的核心思想。Stolz利用多视图建模方法在软件领域提出了一个潜在的可重排序模型转换的概念，它可以帮助开发人员完成设计过程，并跟踪不同建模步骤的语义依赖性。Amsweerde则在模型驱动的工程中构建了多视图模型，集成了系统的目标、结构、功能和行为。西北工业大学的吴坚和孙树栋以可重构制造单元为研究对象，利用多智能体建模方法构建了模型，通过可重构技术提高了制造单元对实际生产需求的适应性。海军工程大学的曹哲豪等应用多视图建模方法，通过建立装备、资源、组织、过程和任务等五类视图，分析各视图之间的逻辑与关联关系，优化了舰船装备保障系统的设计。清华大学的周永华和李瑞敏等利用统一建模语言进行多视图建模，根据智能交通系统的设计需求通过Rational Rose软件建立组织、功能、过程、信息和资源五种视图模型，以支持智能交通系统设计。国防科技大学的方程利用多视图建模方法构建了数据模型、行为模型、位置模型、人员和组织模型、事件和时序模型与目的模型六种视图模型，对军事指挥信息系统进行建模描述，使系统的设计更好地适应需求的变化。
2.形式化方法
形式化方法是在计算机科学，特别是在软件工程和硬件工程中，进行形式规约、开发和验证的一种基于严格数学基础的特定技术。其中，形式规约在计算机科学领域表示利用形式化语言构建软件开发的规约。如今，形式化方法已广泛应用于工程领域，形式规约通过对不同系统或对象进行建模，实现了模型的统一化。同时，应用适当的数学分析方法有助于提升设计的可靠性和鲁棒性。接下来，我们将详细介绍几种常见的形式化建模语言。
1）统一建模语言
统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）在1997年被国际对象管理组织采纳为面向对象的建模语言的国际标准。UML以面向对象的方式描述各种类型的系统，能够可视化地描述具有静态结构和动态行为的系统，为系统或体系结构从不同视角构建不同的视图（View）。每种视图都是表达系统某一方面特征的UML建模构件的子集，在每一类视图中均可使用一种或两种特定的视图来可视化地表达各种概念。其中，“用例视图”定义了系统的外部行为；“设计视图”描述了支持用例视图所确定的系统功能的逻辑结构；“实现视图”描述了组成系统的物理组件；“处理视图”处理系统中的并发性问题；“配置视图”描述物理组件在物理环境中是如何分布的。
UML作为一种可视化的建模语言，其主要表现形式就是将模型进行图形化表示。UML用多种图来描述所建立的模型，包括用例图、对象图、类图、顺序图、协作图、活动图、状态图、构件图和部署图等。其中，用例图建立起系统的功能模型，对象图和类图建立起系统的静态模型，顺序图、协作图、活动图、状态图构成面向对象建模中的动态模型。我们把可以在图中使用的基本概念统称为模型元素。UML规范严格定义了各种模型元素的符号，以及这些模型和符号的抽象语法和语义，一般把模型元素分为对面向对象的事物的描述和对事物关系的描述。在软件工程和其他工程领域，UML已被广泛应用。Ciccozzi等人对多个领域的可执行UML模型进行了分析和总结，形成了复杂而多样的科学知识体系。他们首先建立了分类框架，对可执行UML模型进行了分类、比较和评估解决方案；其次系统评估了现有技术和实践案例；最后讨论了未来研究中可能遇到的挑战。此外，Knapph和Mossakowski研究了UML和对象约束语言OCL的多视图模型一致性问题，通过文献调研对UML和OCL进行一致性检查，并分类讨论了一致性规则、系统模型方法和元模型构建等技术方法。Mahali和Mohapatra研究了基于模型的测试用例优先级方法。中国人民解放军陆军装甲兵学院的邢彪和宋太亮等基于多智能体和UML的体系建模方法，采用分层结构对装备保障体系进行了建模仿真研究和效能评估。康传国利用UML对军事信息系统一体化作战体系的维修保障行动进行了建模。乔李明等结合UML和面向对象Petri网模型构建了武器装备体系任务可靠性建模方法，建立了从UML到面向对象Petri网的视图映射和转换关系，解决了传统可靠性模型对装备体系建模描述能力不足的问题。江金龙以C4ISR系统为对象，通过对UML和Petri网进行适应性改进，研究了基于对象时间Petri网的死锁检测算法。
2）系统建模语言
为了满足系统工程领域的需要，系统工程国际委员会和对象管理组织在UML 2.0的子集基础上进行了重用和扩展，提出了一种新的系统建模语言（System Modeling Language，SysML），作为系统工程的标准建模语言。SysML是一种多功能的标准建模语言，能够详细描述、分析、设计、确认和验证各种复杂系统，涵盖硬件、软件、信息、过程、人员和设施等多个方面。
SysML是一种先进实用、功能强大的标准建模语言，适用于解决系统工程中的各种问题。它包含多种图形元素，这些元素可以相互组合形成图表，每种图表都代表一个建模要素。通过多视图展示系统，SysML支持软硬件系统、人员设施以及具体的过程信息等各类系统的说明、分析和验证活动。尽管已有成熟的基于UML和传统安全性分析方法相结合的研究，但大多数集中在软件系统领域。面对硬件结构和软件结构更加复杂的系统，传统的UML显得不太适用。因此，SysML为基于模型的安全性建模和分析提供了便利，填补了这一领域的空白。
国防科技大学的石福丽等人利用SysML需求图提出了武器装备需求描述的方法与步骤，详细分析了需求基本模型、需求导出模型、需求满足模型和需求验证模型等四类需求子模型。以无人侦察机需求为例，他们基于SysML需求图描述了无人机的顶层需求及其与设计参数之间的关系。张学波等人采用SysML及其建模工具从任务角度对TacSat-3系统进行了建模与仿真，以展现系统任务行为的可视化效果。国防科技大学的陈洪辉等人则应用SysML对C4ISR系统的组成、接口与通信关系、系统功能、状态转移及事件跟踪进行了描述，并详细分析了基于SysML的C4ISR系统建模过程。陆法等人提出了一种基于模型驱动的体系设计方法，包括能力需求分析、黑盒分析和白盒分析三个步骤。他们研究了SysML在体系层面的建模应用，并利用SysML工具与仿真工具实现了装备体系结构的设计与仿真分析。此外，崔乃刚和胡建等人提出了以模型为中心的系统工程分析方法。他们通过SysML建模、参数图表示、分析模型生成、需求建模及仿真等过程，分析了空射弹道导弹控制系统的过程集成与设计优化框架。
3）UPDM
DoDAF和MODAF统一配置文件（The Unified Profile for DoDAF and MODAF，UPDM）是基于DoDAF和MODAF的UML概要文件，支持利用UML开发符合DoDAF和MODAF架构的可视化建模标准。UPDM为DoDAF和MODAF提供了一个通用模型，已被美国国防部与英国国防部认定为统一的标准文件，它为两个体系结构框架的核心概念指定了通用术语，使跨结构程序边界的互操作成为可能。使用UPDM，架构师可以以一致的方式对体系结构进行高层次的抽象。UPDM基于UML 2.0、SysML和面向服务的体系架构建模语言（SoaML），确保了多个工具供应商可以广泛实施该标准。虽然DoDAF和MODAF最初是为军事领域开发的，但是它们所处理的企业架构问题同样适用于许多通用业务和公共服务系统。因此，UPDM在应用DoDAF和MODAF的政府或企业机构中同样具备广泛的应用前景。
Hause对UPDM进行了介绍，并探讨了如何提升架构师建模技术水平的方法，他还研究了实现体系结构信息交互的策略。此外，他对UPDM视图、视点和语言概念进行了总结，并应用UPDM进行了基于模型的系统工程构建。Sanduka和Obermaisser基于UPDM开展了针对实时性需求的研究，采用混合整数线性规划（Mixed Integer Linear Programming，MILP）优化方法验证体系是否满足实时性要求，并将优化结果反馈到UPDM模型中。他们的方法在体系结构建模的早期设计阶段进行时间规范和时序分析，避免了由于体系结构无法满足时序要求而需在后期进行修改的情况。随后，他们还扩展研究了具有可靠性要求的体系，通过MILP优化方法同时满足实时性和可靠性需求，并将结果反馈到UPDM需求中。孙岩等人从装备体系论证出发，采用MBSE方法对UPDM进行系统性分析，研究了基于UPDM的装备体系建模方法，建立了基于时序的能力与任务描述模型，并对其时序逻辑进行了形式化测试与验证。张萌萌等人基于UPDM对具有时效性需求的防空反导体系进行了建模与仿真，研究了时延效应对任务成功率的影响，并提供了时延分配和作战流程优化的建议。陈超利用基于可执行模型的系统工程方法和UPDM对空天协同观测体系结构进行了建模与仿真分析，分析了空天协同观测体系对海上目标观测流程的可靠性。
需要注意的是，UML和SysML目前不具备直接创建可执行体系结构模型的能力，因为它们缺乏可执行语义的支持。尽管UML和SysML能够提供一种公共语言用于传递建模和仿真等重要信息，但不能直接支持可执行体系模型的构建。因此，形式化模型到可执行模型的转换成为体系建模的一个重要研究方向。