體系工程與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)

“在我們弄清楚系統(tǒng)各組成部分的連接關(guān)系之前，我們不可能完全理解復(fù)雜系統(tǒng)（體系）”，正因為如此，人們開始關(guān)注體系工程與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，關(guān)注用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論方法研究體系工程問題

以信息技術(shù)為代表的高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得系統(tǒng)之間的聯(lián)系和交互變得越來越頻繁和緊密。系統(tǒng)間的聯(lián)系多以信息為介質(zhì)，以網(wǎng)絡(luò)為載體，通過互聯(lián)、互通和互操作實現(xiàn)系統(tǒng)間的交互和協(xié)同，以完成共同的使命，實現(xiàn)共同的目標。在這一背景下，不論是在能源交通、科技教育、信息網(wǎng)絡(luò)、生態(tài)環(huán)境、航天、軍事、管理等領(lǐng)域，還是在國家安全和社會經(jīng)濟領(lǐng)域，體系工程與網(wǎng)絡(luò)科學(xué)已經(jīng)成為新的研究熱點和前沿研究領(lǐng)域。

2005年美國建立了兩個體系研究中心，一個是美國國防部支持、由國防采辦大學(xué)組織的體系工程研究中心（SoS Engineering Center of Excellence，SOSECE），另一個是美國老道名大學(xué)（Old Dominate University）的國家體系工程研究中心（National Centers of SoS Engineering，NCOSE）。麻省理工學(xué)院（MIT）和普渡大學(xué)（Purdue University）也分別從工程系統(tǒng)和智能交通領(lǐng)域開始致力于體系設(shè)計相關(guān)技術(shù)的研究。卡內(nèi)基 · 梅隆大學(xué)在軟件體系結(jié)構(gòu)整合度評估、體系結(jié)構(gòu)風險評估和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方面也取得了大批研究成果。美國能源部支持的Sandia國家實驗室開展體系問題研究，開發(fā)了體系分析工具集SoSAT （System of Systems Analysis Toolset）。IEEE體系工程國際會議由IEEE SMC（System， Man， and Cybernetics Society）和IEEE Systems Council共同發(fā)起，每年召開一次。體系工程的主要研究方向有體系需求與體系試驗、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、體系及其組織結(jié)構(gòu)、體系的全壽命周期管理與采辦、體系能力工程與敏捷性、復(fù)雜系統(tǒng)理論、體系建模與仿真等。

1999年，美國學(xué)者在對萬維網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)進行研究時發(fā)現(xiàn)，萬維網(wǎng)具有許多個有少量鏈接的網(wǎng)站、少量具有中等數(shù)量鏈接的網(wǎng)站和為數(shù)極少的具有大量鏈接的網(wǎng)站，萬維網(wǎng)的結(jié)構(gòu)被少數(shù)鏈接極多的網(wǎng)站所主宰。也就是說鐘形曲線的連接平均數(shù)或比例不見了，它所產(chǎn)生的是一條不斷遞減的曲線，其特征是物理學(xué)家們所說的一種“冪法則”。由于這類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的度沒有明顯的特征長度，故稱為無標度網(wǎng)絡(luò)（Scale free network）。隨著無標度性的發(fā)現(xiàn)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究熱潮的興起，《自然》（Nature）和《科學(xué)》（Science）上相繼出版了多期與復(fù)雜性和網(wǎng)絡(luò)科學(xué)相關(guān)的專輯，將我們帶入了一個網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的新時代。網(wǎng)絡(luò)科學(xué)著眼于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的定性與定量特征，開展發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)、建立網(wǎng)絡(luò)模型、分析網(wǎng)絡(luò)行為、設(shè)計網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能、管控網(wǎng)絡(luò)安全等方面的研究工作。

正如復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究的開拓者之一Barabási在第三屆國際網(wǎng)絡(luò)科學(xué)大會（NetSci08，英國）上指出的那樣，“在我們弄清楚系統(tǒng)各組成部分的連接關(guān)系之前，我們不可能完全理解復(fù)雜系統(tǒng)”。這里所講的復(fù)雜系統(tǒng)指的就是系統(tǒng)的系統(tǒng)，即System of Systems，國內(nèi)外很多學(xué)者稱之為體系。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究在過去10年得到了迅速發(fā)展，其研究者來自圖論、統(tǒng)計物理、計算機、生物學(xué)、社會學(xué)以及系統(tǒng)科學(xué)、管理科學(xué)等各個不同領(lǐng)域。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)作為一種新的研究范式，正成為研究復(fù)雜系統(tǒng)或體系的新視角和新途徑。網(wǎng)絡(luò)科學(xué)理論強調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如何影響系統(tǒng)的性質(zhì)、行為和功能。其中結(jié)構(gòu)是事物的基本屬性，表示系統(tǒng)中組分之間的連接關(guān)系。用網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的理論方法對體系進行描述與建模，更加有利于分析體系中各組分系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及其對體系能力和效能的影響。正因為如此，人們開始關(guān)注體系工程與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，關(guān)注用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論方法研究體系工程問題。

體系與體系工程

體系（System of Systems，SoS）是由多個系統(tǒng)組合而成的復(fù)雜大系統(tǒng)。在不同領(lǐng)域和應(yīng)用背景中體系的定義也不完全相同。國內(nèi)外文獻中有關(guān)體系的經(jīng)典定義主要有：（1）Maier在1996年提出體系是為實現(xiàn)共同目標聚合在一起的大型系統(tǒng)集合或網(wǎng)絡(luò)。（2）Cook在2001年提出體系是包含人類活動的社會——技術(shù)復(fù)雜系統(tǒng)，通過組成系統(tǒng)之間的通訊和控制，實現(xiàn)整體涌現(xiàn)行為。（3）美國國防部定義體系是相互關(guān)聯(lián)起來實現(xiàn)指定能力的獨立系統(tǒng)集合或陣列，其中任意組成部分的缺失都會使得整體能力嚴重退化，體系是能夠以不同方式進行關(guān)聯(lián)實現(xiàn)多種能力的獨立系統(tǒng)集合或陣列。

體系區(qū)別于一般系統(tǒng)的主要特點有：（1）規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由組分系統(tǒng)協(xié)作集成；（2）組分系統(tǒng)在地理上分布廣泛，可獨立運行、獨立管理，具有獨立的功能；（3）目的性強，但目標不固定，可動態(tài)配置資源以適應(yīng)不同任務(wù)的需要；（4）組分系統(tǒng)完成共同目標時相互依賴，可同時執(zhí)行和互操作；（5）開發(fā)過程實行集中管理和規(guī)劃，不斷演化發(fā)展，涌現(xiàn)新的行為和功能；（6）重視協(xié)調(diào)和開發(fā)來自不同組織或不同利益相關(guān)者完成共同目標的能力。

現(xiàn)在要研究和解決的許多問題，例如低碳經(jīng)濟、能源、交通、生態(tài)系統(tǒng)、環(huán)境保護、城市建設(shè)、社會保障、信息網(wǎng)絡(luò)、社會組織、反恐維穩(wěn)、科技教育、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)物流、武器裝備體系等問題，以及戰(zhàn)略預(yù)警體系、載人航天、三峽工程、南水北調(diào)等重大工程都涉及到多個獨立系統(tǒng)，都是我們前面所說的“體系”問題。

在這樣的體系問題背景下，體系工程（System of Systems Engineering，SoSE）應(yīng)運而生。與傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程相比，體系工程在分析和解決不同種類的、獨立的、大型的復(fù)雜系統(tǒng)之間的相互協(xié)調(diào)與相互操作問題上更具有針對性。國際上對體系工程的研究才剛剛起步，與體系的定義一樣，體系工程也并未形成一個權(quán)威定義，目前較多出現(xiàn)的定義有：（1）美國國防采辦手冊定義體系工程是對一個由現(xiàn)有或新開發(fā)系統(tǒng)組成的混合系統(tǒng)的能力進行計劃、分析、組織和集成的過程，這個過程比簡單的對成員系統(tǒng)進行能力疊加要復(fù)雜得多，它強調(diào)通過發(fā)展和實現(xiàn)某種標準來推動成員系統(tǒng)間的互操作。（2）美國體系工程研究中心定義體系工程是設(shè)計、開發(fā)、部署、操作和更新體系的系統(tǒng)工程科學(xué)。它所關(guān)心的是：確保單個系統(tǒng)在體系中能夠作為一個獨立的成員運作并為體系貢獻適當?shù)哪芰Γ惑w系能夠適應(yīng)不確定的環(huán)境和條件；體系的組分系統(tǒng)能夠根據(jù)條件變化來重組形成新的體系；體系工程整合了多種技術(shù)與非技術(shù)因素來滿足體系能力的需求。

從體系工程的定義可以看出，體系工程是對系統(tǒng)工程的延伸和拓展，它更加關(guān)注將能力需求轉(zhuǎn)化為體系解決方案，最終轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實系統(tǒng)。一般地，系統(tǒng)工程在系統(tǒng)開發(fā)前，明確并建立一個嚴格的系統(tǒng)邊界，針對這個邊界來規(guī)范一系列的需求，并根據(jù)這些需求來完成系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)。體系工程則主要通過平衡和優(yōu)化多個系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，來實現(xiàn)可互操作的靈活性和應(yīng)變能力，并最終構(gòu)造一個可以滿足用戶需求的體系。表1從多個方面對系統(tǒng)工程和體系工程進行了比較。

體系工程要解決的問題和達到的目標是：（1）實現(xiàn)體系的集成，滿足在各種特定環(huán)境下的能力需求；（2）體系仿真、計算實驗，建立仿真實驗系統(tǒng)，對體系的整個壽命周期提供技術(shù)與管理支持；（3）達到體系中組分系統(tǒng)間的費用、性能、進度和風險的平衡；（4）確定組分系統(tǒng)的選擇與配比；（5）組分系統(tǒng)的交互與協(xié)同工作，實現(xiàn)互操作性；（6）管理體系的涌現(xiàn)行為以及動態(tài)的演化與更新。

基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的體系

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)一般是由多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成的，其復(fù)雜性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜，且結(jié)構(gòu)隨時間變化，節(jié)點之間的連接可能具有不同的權(quán)重或方向；（2）節(jié)點復(fù)雜性。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可能是一個智能體和自動器，是具有復(fù)雜非線性行為的動力系統(tǒng)，且一個網(wǎng)絡(luò)中可能有多種不同類型的節(jié)點；（3）結(jié)構(gòu)與節(jié)點之間相互影響；（4）不同網(wǎng)絡(luò)之間相互影響。因此，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)（Network of Networks，NoN），這與體系（System of Systems，SoS）形成了一一對應(yīng)的關(guān)系。如何運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論和網(wǎng)絡(luò)科學(xué)來研究體系問題，建立一般體系問題求解的方法就顯得尤為重要。

例如武器裝備體系是一種特殊的復(fù)雜系統(tǒng)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和高技術(shù)條件下的作戰(zhàn)需要，其組成要素會越來越多，關(guān)聯(lián)關(guān)系和體系結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。如何準確地描述體系中的裝備以及裝備之間的影響關(guān)系，建立體系結(jié)構(gòu)描述和分析評估模型，將對體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化、體系能力的評估等具有重要的作用。過去常用的武器裝備體系能力描述與評估往往采用具有層次結(jié)構(gòu)的指標體系來進行描述與評估。這種樹狀的指標體系分解的方法可以較好地展示體系能力之間的層級關(guān)系，分析單個裝備對體系能力的貢獻，但是忽略了體系中同一層次裝備之間的相互作用關(guān)系。實際上，裝備的能力會受到其他相關(guān)支撐裝備能力的影響，比如導(dǎo)航定位系統(tǒng)精度的提高會使導(dǎo)彈的命中精度提高等。隨著高技術(shù)條件下裝備之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的加強，這種關(guān)聯(lián)關(guān)系對體系整體能力的影響也會越來越大，而傳統(tǒng)的樹狀結(jié)構(gòu)的武器裝備指標體系描述與評估方法，難以充分反映這種關(guān)聯(lián)關(guān)系對體系能力的影響。因此，傳統(tǒng)的樹狀的武器裝備指標體系不能完全反映和代替真實的武器裝備體系。這就迫切需要網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的理論方法，對武器裝備體系中的裝備以及裝備之間的關(guān)系進行描述與建模，以支撐體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和能力評估工作。

體系是由包括大量物質(zhì)、設(shè)備、設(shè)施、信息、人員等相互關(guān)聯(lián)的若干獨立系統(tǒng)組成的。體系的網(wǎng)絡(luò)化描述與建模方法研究就是要研究如何真實、準確地將體系抽象成一系列的網(wǎng)絡(luò)化模型，應(yīng)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的理論和方法來進行求解。即把需研究解決的特殊體系問題抽象為一般的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)問題，并加以描述，建立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)矩陣和網(wǎng)絡(luò)模型，這是一個抽象過程；在此基礎(chǔ)上，開展網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析和網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)研究，如傳播、同步、控制、博弈等，求解一般復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)問題，這是一個求解過程；從一般復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)問題的解得到特殊體系問題的解決方案，這是一個解釋和解決問題過程。圖1所示的是體系的網(wǎng)絡(luò)化描述建模的一般求解過程。在描述與建模的過程中，既要考慮體系中的系統(tǒng)性能對體系能力的影響，又要突出系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系對體系能力的影響。因此，這種體系網(wǎng)絡(luò)化描述、建模和仿真推演，其論證與評估的結(jié)果集中反映在體系的協(xié)同演化和涌現(xiàn)行為上，反映在體系的整體能力和效益上。

體系作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)在軍事領(lǐng)域的研究工作目前主要集中在對作戰(zhàn)模型的研究上。例如，在2004年，美國學(xué)者Jeffrey R.Cares運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論建立了信息時代的交戰(zhàn)模型，根據(jù)戰(zhàn)場中各兵力扮演的角色不同，把戰(zhàn)場中的兵力節(jié)點分為決策節(jié)點（D）、傳感器節(jié)點（S）、響應(yīng)節(jié)點（I）和目標節(jié)點（T）4類，然后根據(jù)節(jié)點之間發(fā)生的關(guān)系建立各種關(guān)系環(huán)、影響環(huán)，由各種關(guān)系環(huán)、影響環(huán)構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，并運用網(wǎng)絡(luò)知識進行分析。雖然Cares只是宏觀描述了作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，缺乏微觀行為的描述，但提出的四類節(jié)點，對武器裝備體系的網(wǎng)絡(luò)化建模中節(jié)點類型的描述研究具有很好的借鑒和參考價值。2009年老道明大學(xué)（Old Dominion University）的Sean Deller等人對Cares建立的信息時代交戰(zhàn)模型進行了進一步改進，但是該模型沒有考慮節(jié)點（裝備）性能對作戰(zhàn)效果的影響。另外，一些學(xué)者將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論用于體系對抗仿真中，模擬作戰(zhàn)中武器裝備的關(guān)系，制定網(wǎng)絡(luò)模型生成規(guī)則，建立仿真分析模型，分析網(wǎng)絡(luò)的度分布、介數(shù)、平均距離等指標，賦予這些指標在軍事領(lǐng)域的物理意義并得出結(jié)論。這種通過仿真建立作戰(zhàn)體系的網(wǎng)絡(luò)模型并分析網(wǎng)絡(luò)模型特性的方法，對研究裝備之間關(guān)聯(lián)關(guān)系及其影響具有很好的借鑒意義。

這種研究方法也可以推廣到其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如能源網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)、生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、社會關(guān)系網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等。這些網(wǎng)絡(luò)中也包含各種各樣的關(guān)系環(huán)或影響環(huán)，影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，比如生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈構(gòu)成的捕食關(guān)系環(huán)，關(guān)系環(huán)的數(shù)量也在一定程度上反映了系統(tǒng)的某些特性。這些網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)又是一個典型的復(fù)雜系統(tǒng)或體系，如生態(tài)系統(tǒng)就是一個包含很多系統(tǒng)的體系，其中包括大氣生態(tài)系統(tǒng)、大地生態(tài)系統(tǒng)、流域生態(tài)系統(tǒng)、森林與生物生態(tài)系統(tǒng)、城市生態(tài)系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)構(gòu)成了不同類型的網(wǎng)絡(luò)，相互關(guān)聯(lián)、耦合。生態(tài)系統(tǒng)中的各種食物鏈構(gòu)成的捕食關(guān)系環(huán)的數(shù)量一定程度上反映了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自適應(yīng)性。