互操作與系統生命力＊

孫 珂 朱邵偉 李敏勇

（海軍七零二廠1） 上海 200434）（天津市全紅電子裝備新技術發展有限公司2） 天津 300385）（海軍工程大學電子工程學院3） 武漢 430033）

1 引言

軍事變革的一個主要目標是全面提升作戰系統的效能，傳統的途徑是通過提高單機或子系統的性能來達到目標，但這受制于器件水平、工業技術和工藝水平等因素，另一途徑是借助信息技術，運用新概念、新理論開拓了系統效能提升的空間。本文中以作戰系統為例，定量分析互操作對系統效能提升的效果，探討從整合角度提升作戰系統效能的理論和方法，結論具有通用意義。

互操作概念屬一般系統理論范疇，但在軍事、經濟和社會系統中有廣泛的應用前景。探討互操作概念、結構和方法的主要工作有：Col I W Abbott［1］探討了適合于合作和互操作的作戰結構，Thea Clark［2］提出了在C2組織層次的互操作模型，Jill Slay［3］則分析了文化、社會背景對C2系統中互操作的影響，Rex Buddenberg［4］則研究了一般互操作結構問題，Dr Michel Barès［5］提出了對互操作程度的模糊評判的概念和方法。

1.1 互操作概念

作為參考，在這里引用美軍聯合參謀部出版物JP1-02［6］給出的互操作的定義，北大西洋公約組織（NATO）已接受該定義并在成員國中使用：

“系統、單元或兵力提供給和接受到其它系統、單元或兵力的服務的能力，并使此交換的服務促進他們一起有效地工作。”

這個定義在08年以后的修訂版［7～8］中改為：

“在執行分配的任務中協同工作的能力。”

修改后的定義的外延和內涵都擴大了，在JP1－02中還針對作戰系統中互操作給出更為具體的定義：

“在通信電子系統或通信電子設備的分機之間達到的條件，能夠直接和安全地在它們或它們的用戶之間交換信息和服務，互操作程度的定義參考到具體的情況［6～8］。”

以上互操作定義涉及軍事作戰和支持系統的廣泛的問題，包括設備級、系統級、兵力運用層面的互操作。互操作已從聯系信息系統、C4ISR系統的領域擴展到作戰管理范圍，它包括武器和傳感器系統、條令條例、未來作戰概念和人員。互操作概念已“宙斯盾”國家彈道導彈防御系統中獲得很好的應用［9］，并廣泛應用到 C2系統的結構設計中［10］。

1.2 互操作與互聯、互通的區別

在分析互操作對系統效能的影響時，有必要區別與相似概念的差別。與互操作相似的概念是互聯、互通和合作概念，這些概念其實有本質的差別。它們的共同點是都包括了兩個或多個以上的系統、單元或部隊之間的信息的交換和協同問題。但互操作概念涉及的交換是服務和功能，這種服務和功能保證系統之間的相互協作、配合和資源共享，目的可能是為補償系統自身的資源和功能不足，或是擴展自身功能的作用域等，使命任務的完成依賴于由不同系統的功能組成的操作鏈，通過互操作，整個系統呈現系統的系統（SoS）的特性，具有涌現性，擁有單個系統不具有的功能，完成單個系統不能完成的任務。而互聯、互通則指系統、單元或部隊提供或接受其它系統、單元或部隊的信息和數據的功能，它反映一種信息聯通和共享能力，這種能力只影響各個單元的功能操作的信息條件，不反映系統新功能產生的情況，互聯、互通是實現系統互操作的基礎。另一個相似的概念是合作，合作指系統之間的高層協調，內容涉及與完成使命任務有關的聯合行動計劃等，是系統之間管理層級的配合行為，是不同系統之間的任務和目標的整合，合作強調為完成使命任務的分工和協作，沒有互操作涉及內容的廣泛性。

從效用角度看，互聯、互通是系統之間的信息和數據的交流和共享，只影響系統功能的質量，互操作則是系統之間的功能或服務的交流，它使系統的功能得以補償和提升，可使原系統能完成沒有互操作時無法完成的任務。

2 互操作系統模型

為分析和評估系統中互操作的特性，首先建立以下互操作系統的數學模型。

互操作系統由三元組（S，Q，R）構成，其中各元素意義如下：

系統集：S＝｛S1，S2，…，SN｝，集中的元素Si為子系統，S稱為互操作系統，在作戰系統中，子系統一般對應于單個作戰平臺。

操作集：O＝｛O1，O2，…，OR｝，集中的元素 Oj為操作，是系統中可執行的但不再考慮分解的基本操作，這種基本操作可由自身寄存的系統控制執行，也可在另一系統的指令控制下執行，并且執行的目的是服務于發指令的系統，即跨系統執行，稱為互操作。

關系集：R＝｛（Si，Oj）；i＝1，…，n；j＝1，…，R｝?S×T，集中的元素為二元關系，反映互操作系統某一子系統Si和某一操作Oj的關系。

二元關系的值：R（Si，Oj）＝1／0（True或Fail）表示二元關系（Si，Oj）的值，1代表關系值為真，表示Si能執行其它子系統給出的完成操作Oj的指令，或能給出控制其它任何子系統執行操作Oj的指令，R（Si，Oj）的值反映子系統Si關于操作Oj的互操作能力。

二元關系的值R（Si，Oj）可用互操作矩陣Q來表示，如

表示關系 R（S1，O1），R（S1，O4），R（S3，O1）R（S3，O2）的值為True，其余互操作關系的值為Fail。

為后面的討論明確起見，一些與互操作相關的概念界定如下：

互操作——指子系統Si為完成自身的功能而使用另一子系統Sk（k≠i）的某一操作資源、功能或服務的過程，目的是代替本系統已損傷或由于某些原因而缺失的操作Oj。

系統Si的功能——系統執行一組有序的操作而形成的能力。

互操作系統的任務——指派給互操作系統要達成的目標，通常由互操作系統中的多個子系統合作完成，依賴于多個子系統的一組功能來實現，歸根結底，任務可由計劃周密的多個子系統中的一系列操作來完成。

互補性——系統的功能由執行一系列操作來達成，這些操作可以是同種類也可以是不同種類的，互補性指某些種類的操作可由其它種類的操作來代用的特性，在實際情況，這種補償必須在設計時考慮，并有可能是一種降功能的代用。

3 互操作系統生命力的提升

對于具有互操作能力的作戰系統，通過互操作，使系統的功能具有重組、自恢復能力，達到系統魯棒性更強、結構更穩定的目標。在作戰條件下，系統以一定的速率戰損，每次損失一些系統的一些操作部件和功能，在沒有互操作可用、并且每一種操作對系統的功能都是必要的時，當損失一個操作功能時，對應的子系統（或平臺）將喪失功能，或退出戰斗，即每出現一次戰損，都導致一個平臺損失或退出戰斗，因此系統可經受的戰損次數等于子系統數。在實現互操作的作戰系統中，當某一子系統（或平臺）的某一種操作功能戰損時，可通過互操作動用另一子系統（或平臺）的同類功能補償原子系統的操作需求，從而只有直到整個互操作系統中所有子系統的同一種操作功能全喪失時，互操作系統的功能喪失。本質上，互操作系統生命力的提升來源于互操作系統內的子系統的操作功能的共享、來源于跨了系統（或平臺）的操作鏈的執行。

為定量分析互操作對系統生命力的改進，作以下假定：

· 一次戰損只損壞一個子系統的一個操作部件，部件屬于哪個子系統和哪一類部件按均勻分布選擇，此假定意味全作戰系統已投入戰斗、并且情報、監視和偵察（ISR）系統運作良好；

·互操作系統的各個子系統只有一種功能，使用這種功能必須執行子系統的所有操作，這種對子系統的單一功能和沒冗余部件的假設只是為簡化分析過程，不影響問題的本質；

·互操作系統的各個子系統結構組成相同，功能相同，當各個子系統的功能都喪失時，互操作系統喪失功能。

· 互操作系統的生命力評估指標為

3.1 操作不能互補時互操作系統生命力的改進

子系統中不同種類的操作要完成不同的功能，一般是不可代用的，如果需要代用，這必須在設計時考慮，并且這種代用設計的結果往往導致操作的主功能性能下降，輔助的代用功能指標平平。在這里只考慮不同種類的操作完全不可代用或不能互補的情況，這時當互操作系統中所有子系統的同一種操作失效或戰損時，互操作系統失效。系統結構見圖1。

假設互操作系統中的所有第i種互操作Oi部件在經受k次戰損后功能全部喪失，則k的變化范圍在區間［N，（RN－R＋1）］內，因為最少應有N次戰損才有可能使所有子系統中的Oi部件的功能損傷，同時當戰損次數大于RN－R＋1次后，剩余的R－1種操作功能已使無法行使子系統功能。將損失的N個Oi進行排列，因共有k個損失空缺，最后一個空缺為Oi，故Oi的排列數Lkoi相當在k－1種可能中取N－1的排列數，即

圖1 所有操作不可補償的互操作系統

在除了N個操作Oi外的k－N個操作中，每種操作的戰損次數不超過N－1次，否則在互操作系統在經受k次戰損之前已喪失功能，故在損失序列中除操作Oi外的操作的排列數Lk-oi相當于在（N－1）（R－1）個可能中選k－R種可能進行排列，故排列數為

考慮到任一種操作的損失都有可能導致系統喪失功能，在經受k次損失后出現某一操作功能完全喪失的總排列數Lk為

由任一操作完全損失導致互操作系統喪失功能所經受的損失次數的數學期望E1N為

對互操作系統中的各個子系統，當沒有互操作可利用時，各個子系統經受一次戰損則導致喪失功能并退出戰斗，在有互操作可利用的條件下，可經受的戰損次將大幅提高，互操作系統退出戰斗時各個子系統經受的戰損次數的數學期望E1為

圖2 部分操作可補償的互操作系統

可以證明，當N→∞時，E1→R，結果表示當子系統數增加時，在整個互操作系統中平均各子系統經受戰損次數的極限值與子系統中具有的操作數相等。

3.2 部分操作可互補時互操作系統生命力的改進

在實際的系統中，部分不同類型的操作部件的功能是可以代用的，即可互補，互操作系統中的某一類操作全部失效或戰損時，系統通過使用其它種類操作進行替代，使子系統的功能得以保持，使互操作系統繼續運作。在分析部分操作具有互補性的互操作系統時，不失一般性，考慮只有操作O1是不可補償的互操作系統，除O1外的操作可以相互替代，系統結構組成見圖2。此時互操作系統在兩種情況下失效，一是全部O1部件戰損或失效，二是其余的操作部件總數少于R－1個。此時，經受k次戰損后由操作O1全部失效導致系統喪失功能時O1的排列數為

失效序列中除操作O1外的其余操作的排列數為

經受k次戰損后由操作O1全部失效導致系統喪失功能的排列數為

當O1類操作部件還沒完全戰損時，其它操作部件損壞到不足R－1個時同樣導致互操作系統功能喪失，設損失的O1部件數為i（0≤i≤N－1），則經RN－N－R＋2＋i次戰損后，互操作系統功能喪失的排列數為

互操作系統喪失功能時戰損次數的數學期望為

互操作系統中每個子系統平均經歷戰損次數的數學期望E2為

可以證明當N→∞時，E2→R，結果表明部分可互補的互操作系統生命力的極限特性與不可互補的互操作系統的特性相同。

3.3 操作可互補時互操作系統生命力的改進

圖3 全部操作可補償的互操作系統

在特殊情況下，互操作系統中所有操作可相互代用，只要R個操作聯接在一起即可完成子系統的功能，圖3給出系統結構圖。實際工程系統中由于標準化、模塊化、多功能設計，代用成為某些系統的選擇，盡管有時有降功能的代價。在操作可互補的條件下，經歷RNR＋1次戰損后，剩余的R－1個操作部件已不足已聯結成具有完整的子系統功能的系統，互操作系統失效。故失效時的互操作系統經受的戰損次數為

平均每個子系統經受戰損的次數E3為

當N→∞ 時，E3→R，操作完全可互補的互操作系統的生命力極限特性與3.1節、3.2節中的系統相同。

3.4 實例分析

圖4 R＝3時戰斗持續時間比Ei變化曲線

圖5 R＝6時戰斗持續時間比Ei變化曲線

假設子系統的互操作數為R＝3和R＝6，計算出E1、E2和E3的值，并繪出曲線圖（見圖4、圖5），從圖中可見，首先是當子系統數達到N＝5后，互操作給整個系統帶來的生命力的改進的90%的潛力已被開發，其次是對于系統的操作是否有互補性對互操作系統生命力的影響較小，其中E2和E3曲線已基本重合，因此在設計系統的操作功能的互補性時應仔細考慮它的必要性、效益和代價。

4 結語

從前面的分析結果可見，互操作延長了系統的生命力，這種生命力的延長是與將子系統分割為多個操作部件的考慮有關，在極限情況，平均每個子系統生命力延長為：經受戰損次數的極限值等于子系統分割數R，但這并不表示對系統的操作劃分越細和越多則生命力就越長，如果劃分過細，單個操作部件的空間尺寸過小，在一次戰損中受損的操作部件個數就有可能增加，從而導致與一次戰損損壞一個操作部件的假設不符。文中只就互操作對系統的生命力的影響進行了分析，在實際系統中，互操作對系統的功能、性能的影響是多方面的，進一步的探討對理論和工程實踐都有重要意義。

［1］Col I W Abbott，Maj K E Galvin.Exploiting Operational Architectures for Coalition Interoperability.6thCCRTS［C］／／U.S.：Naval Academy，Annapolis，Marland，2001

［2］Thea Clark.Organisational Interoperability Maturity Model for C2.1999CCRTS［C］／／U.S.：Naval War College，Rhode Island.，1999

［3］Jill Slay.A Cultural Framework for the Interoperability of C2systems.2002CCRTS［C］／／U.S.：Naval Postgraduate School，Monterey，California，2002

［4］Rex Buddenberg.Toward an Interoperability Architecture.6thCCRTS［C］／／U.S.Naval Academy，Annapolis，Marland，2001

［5］Dr Michel Barès.Proposal for Modeling a Coalition Interoperability.6thCCRTS［C］／／U.S.：Naval Academy，Annapolis，Marland，2001

［6］Department of Defense Dictionary of Military and Associated Terms［J］.U.S.：DoD Joint Publication，JP 1-02，2005：274～274

［7］Department of Defense Dictionary of Military and Associated Terms［J］.U.S.：DoD Joint Publication，JP 1-02，2008：277～277

［8］Department of Defense Dictionary of Military and Associated Terms［J］.U.S.：DoD Joint Publication，JP1-02，2009：278～278

［9］Mr.Frank Anderson，Mr.George Galdorisi，Ms.A-manda George，et al.Aegis International and Ballistic Missile Defense：A New Interoperability Network，16th ICCRTS［C］／／Québec，Canada，2011

［10］Henrique Costa Marques，JoséMaria P.de Oliveira，Paulo Cesar G.da Costa.C2framework for interoperability among an air component command and multi-agency systems.15th ICCRTS［C］／／U.S.Santa Monica，CA，2010