體系工程研究

任天助，辛萬青，嚴晞雋,趙鴻宇，于 浛

（1.北京宇航系統工程研究所，北京，100076；2.中國運載火箭技術研究院，北京，100076；3.北京精密機電控制設備研究所，北京，100076）

0 引 言

系統工程自創立以來，在處理諸多人類社會復雜問題中發揮了重要作用。隨著現代社會復雜性、動態性、多變性等問題的逐步加劇，系統日益復雜化和大型化，傳統的系統工程理論在研究從每一個組件開始重新設計的系統方面得心應手，但是這類單一獨立系統需要研究的越來越少，而由這些系統組成的更復雜的大系統越來越多，例如彈道導彈防御系統就是由雷達系統、衛星系統、攔截導彈防御系統、導彈跟蹤和控制站點等許多本身獨立的系統組成。我們把這類系統的系統（System of Systems，SoS）稱之為體系。傳統的系統工程方法在解決體系問題時遇到了困難，此時一套針對體系問題的方法與工具就應運而生，即旨在解決系統工程解決不了的體系問題的工程方法——“體系工程”。研究人員相信，在體系工程的指導下能夠更加有效地實現體系的設計、分析、集成、評估、維護等工作。

本文從體系研究的發展歷程入手，將體系研究的發展分為概念形成階段、快速發展階段和聚焦演變階段3 個階段。并通過總結和分析當前體系工程的研究現狀，把握體系工程領域的研究熱點與前沿方向，希望能為體系問題的研究者提供參考。

1 體系研究在國外的發展

1.1 概念形成階段

體系（System of Systems）這個詞最早被研究人員提到可以追溯到20 世紀50 年代，Boulding、Jackson和Keys、Ackoff、Berry 以及Jacob 都用到了“體系”的概念。這些研究者被認為是體系工程領域的先驅，但他們對于體系概念的理解沒有完全脫離傳統系統的理念，或者只是用“體系”來表達對領域內一些復雜問題的理解。直到20 世紀90 年代，隨著美國星球大戰計劃的誕生，美國國防部對如何建立新一代防御系統做出了描述，“體系”正式寫入官方報告，用于描述現代防御系統的工程技術問題。隨后，體系正式進入系統工程領域研究人員的視野，許多學者開始嘗試對體系進行定義并嘗試提出研究體系問題的工程方法。

研究體系問題首先要解決“什么是體系”的問題，然而從20 世紀90 年代初開始，學界就開始對這一問題展開爭論。從1993 年開始，幾乎每年體系領域都有重要的學術論文發表，內容都圍繞著體系的定義問題。Eisner 認為體系是“一系列彼此獨立獲得的系統組成的系統”，每個子系統的最優并不能保證整個體系的最優。Shenhar 認為“體系是大范圍分布的系統集合成的系統的簇或網絡，這些系統一起為了共同的目標協同工作”。Holland 提出將體系當作人工的復雜自適應系統，并具有自組織性和自適應性。同時Admiral 首次介紹了體系概念在軍事領域的發展以及其在軍事領域扮演的重要角色。自此開始，軍事領域成為體系最重要的應用領域。Manthorpe 從聯合作戰的角度，認為體系是由C4ISR 系統聯系起來的具有互操作和協同能力的系統，目的在于建立信息優勢。Maier 在一次系統工程的會議上首次給出了區分孤立系統和體系的5 條準則，即體系應該具有體系各組成部分在運行上的獨立性、體系各組成部分在管理上的自主性、體系各組成部分在地理上分布廣泛、體系的涌現性和體系的演化性這5 條屬性。這5 條準則在2 年后經過修改正式出版，Maier 補充了他對體系定義：體系是由那些具備獨立系統特征的組件所組成的集合體，這些獨立系統的特征應包括運行上的獨立性和管理上的自主性。Kotov、Luskasik、Pei 等人不斷提出對體系新的定義，但在2001 年Maier 的5 條準則被Sage 和Cuppan 再次提出，得到研究者的廣泛認可，成為體系領域內一個難得的共識。至此，體系的概念基本形成，關于體系的研究進入到井噴狀態。

1.2 快速發展階段

21 世紀以來，學者們不滿足于僅僅認識和發現體系，開始類比系統工程的方法，建立研究體系問題的一些共性方法。2001 年，Sage 和Cupan[1]基于“新聯邦主義”提出了體系工程的框架，Carlock 和 Fenton[2]認為可以將傳統系統工程中的一些內容加以發展，提出了企業體系工程（Enterprise Systems of Systems Engineering）。2003 年Keating[3]首次將傳統的系統工程與體系工程進行了比較，從關注點、問題、目標、組織特性、框架、方法等方面給體系工程做了明確的定義，將體系工程的建立向前推進了一大步。2005 年，DeLaurentis[4]嘗試用體系工程的方法研究現代交通問題，闡述了如何將交通問題看做體系工程問題，并提出要用整體的框架和方法去解決問題，這一方法對后續體系框架研究產生了深遠的影響。

從2005 年開始，美國成立了依托國防采辦大學的體系工程研究中心（System of Systems Engineering Center of Excellence，SoSECE）和依托老道明大學的國家體系研究中心（National Center for System of Systems Engineering，NCSoSE），標志著專業化體系工程研究機構的正式成立。IEEE 從2006 年開始舉辦體系工程專題年會，更多的IEEE 系統工程、軟件架構等領域的會議也分別開辟了體系研究的專題。Inderscience 出版社從2008 年開始出版“International Journal of System of Systems Engineering”雜志，專門研討體系及體系工程問題。2008 年，Jamshidi[5]綜合多名體系工程專家在體系開放性、體系結構、體系建模仿真、網絡中心化集成、體系涌現、體系評估和管理等領域的研究成果出版了“System of Systems Engineering”一書，這是體系領域正式出版的第一本專著。同年，美國國防部發布了《體系工程指南（ Systems Engineering Guide for Systems of Systems）》，指導系統工程師在面對體系問題時采用何種系統工程方法，確定了體系工程的過程，該手冊對包括中國在內的其他國家裝備論證都產生了影響。據作者不完全統計（在Web of Knowledge 上搜索關鍵字為“system-of-systems”的論文，將數量按年份整理成圖1），在2008 年左右，體系相關的論文數量達到了峰值，體系領域的熱度也達到了頂峰。

圖1 歷年體系相關SCI 發展數量Fig.1 Number of SCI Papers in SoS

1.3 聚焦演變階段

2008 年之后，體系工程的概念在學界引起了很大的關注，同時熱度有所減退，學者們開始思考體系工程究竟如何發展才能更好地為各個領域提供幫助。根據Sousa-Poza、Samuel Kovacic 的觀點[6]，此時的體系工程分為2 個分支：a）以切實可靠的技術方法來解決已經存在的體系問題；b）從體系本身和方法論出發，發展認識、管理體系的方法。即一個走技術性（Technical）的務實道路，一個走研究性（Inquiry）的“務虛”道路。隨后Keating[7]闡述了軍事界、學術界和企業界三者由于面對體系的角度不同而產生的不同研究思路。軍事界的研究者認為體系工程是系統工程的延續，更加關注體系工程的技術與實際的體系產品。學術界更加關注體系的概念和現象，在夯實體系基礎理論的同時不斷探索體系的新領域。企業界則更加關注體系工程中的架構以及不同架構帶來的涌現性，通過更好的組織架構為大型組織帶來更高的效率。也有學者[8]將體系工程更簡單的分為工業界和學術界的兩條道路，無論如何劃分，實際情況是最近10 年中，體系工程在各條道路上都有了進一步的發展。

軍事領域的體系研究者對體系結構框架給予了極高的重視，因為體系結構對軍事裝備體系研制、開發、采辦、試驗、部署、運行以及演化發展等的全生命周期都有著極其重要的作用。目前比較有影響力的有美軍的國防部體系結構框架（Department of Defense Architecture Framework，DoDAF），以及英軍國防部體系結構框架（ Ministry of Defense Architecture Framework，MoDAF）等，其中美軍DoDAF 的影響和應用最為廣泛。同時，近些年提出了綜合DoDAF 和MoDAF 特點的統一框架UPDM（the Unified Profile for DoDAF/MODAF），Fatma[9]在UPDM 的基礎上闡釋了統一框架UAF（the Unified Architecture Framework），探討了在元模型層面上這種統一框架如何反映體系的要素。軍事領域的研究者還非常關注體系的效能評估問題，因為這關乎裝備體系能否在戰爭中獲得優勢。由于評估的方法很多，體系領域的領軍人物DeLaurentis[10]提出從系統類型、相關性和控制3 個維度來選擇具體的評估方法。他的團隊還提出用復雜網絡方法進行體系的建模與評估，用于解決空中交通體系中的互通性問題。密蘇里科技大學的Cihan Dagli 及團隊[11]近年來也在軍事領域頗有建樹。該團隊針對可以互相通信的裝備系統，利用博弈論中的主從博弈方法對武器裝備體系建模方法提出了一種半定量的體系設計方法，在體系對抗中對裝備體系架構進行最優設計。此外該團隊還將多目標優化方法引入裝備體系設計中，把體系設計和計算智能相結合，并以典型的網絡中心戰戰例為模型，分析了體系生成與演化的過程。

時間回溯到1996年2月15日，這一天，長沙縣縣政府自長沙市區潘家坪遷至星沙鎮。那時候的星沙被形容成“鳥不拉屎”的地方，很多人都不愿意過來。改革開放40周年間，長沙縣一天一個樣，一年一個樣，高速公路使長沙縣縣域經濟騰飛添上雙翼，長沙縣的發展速度令世人驚奇。

體系工程學界的研究對體系工程未來的持續發展有著重要意義，沒有這些工作，體系只是學術界的一個熱門概念，在文章一哄而上發表完之后就變得悄無聲息，相關的投入最終變成泡沫。近年來，學界的研究不斷取得新進展。Dahmann 和Baldwin[12]提出了將體系從控制的角度分成 4 類，包括直接指派類（Directed）、互相承認類（Acknowledged）、協同合作類（Collaborative）和虛擬類（Virtual），這種分類方式得到了領域內專家的認可。Keating 及其在老道名大學的研究團隊一直在推動體系工程領域基礎理論的發展。Adams、MacG 和Keating 在2011 年[13]提出了體系工程研究的7 大步驟：a）對研究系統的結構進行梳理；b）設計特定的方法；c）組織研究體系工程的團隊；d）進行體系工程的探究與分析；e）把分析結果轉化具體的行動；f）報告體系工程研究采取的行動；g）評估體系研究的影響。之后該研究團隊對體系的元系統（Metasystem）開展了深入的研究[14]，并認為體系工程的目標和任務就在于“設計、部署、操作和改變元系統”。他們將元系統看作一類復雜系統（Complex System），成功將復雜系統和體系工程建立了聯系，并對這類系統的復雜性管理開展了深入研究，在體系領域掀起了研究復雜系統管理（Complex System Governance）[15]的熱潮。此外，該團隊還為體系工程的可持續性研究（Sustainability）做出了卓越的貢獻，Katina[16]研究了體系可持續性的必要性，并基于航母戰斗群的例子提出了一種能夠提高體系可持續性的框架。Payuna[17]研究了體系彈性（Resilience）的概念，即體系在受到破壞之后恢復的能力，以及如何改進體系結構設計以提高體系的彈性。近幾年出現了許多有關體系彈性的研究[18]，這些研究為傳統的系統工程與可靠性研究拓展了新的思路，增加了體系工程學科的深度。

在企業領域，體系工程從技術上升到一個更加廣闊的層面，關注體系中架構的組織方法和體系該如何制定決策。該領域的研究偏向管理學與社會學領域，工程的意味不如軍事領域濃厚。Jin[19]將體系應用在項目管理中，提出一種新型的體系框架，轉變傳統還原論的思想研究項目的計劃與管理，用整體觀的思想對復雜的項目流程進行把控。Mike[20]則分析了體系中運行和管理獨立性的密切關系，用兩個5×5 的矩陣分別從消費者-生產者和需求方-供貨方的角度評估遇到的各種情況。除了這些領域，在航空航天、能源電力、環境安全等諸多領域都有基于體系工程的研究成果，這也是近幾年體系領域論文數量較多的重要原因。

2 體系工程在中國的發展

根據游光榮等的研究[21]，在1994 年中國就有學者發表與體系工程相關的論文，但目前能在網絡資源中查到，并且比較系統、正確地闡釋體系的含義最早的是張最良[22]2005 年在香山科學會議第269 次學術研討會上做的報告。之后中國國防領域的專家較為關注國外體系研究的進展，發表了許多介紹國外體系問題研究發展趨勢的文章。2011 年，中國電子科學院學報特別設立一期《體系工程專題》，譚躍進、胡曉峰、張維明發表了對體系工程領域的關注與自己的見解，這些學者都是中國裝備論證領域“重量級”的專家。可見在2010 年之后，體系工程理念在中國的熱度達到了一個新的高度，體系工程成為了武器裝備體系這一特殊體系的重要研究工具，楊克巍、趙青松、陽東升和張維明等學者都出版了體系工程應用在武器裝備體系有關的專著。近年來在體系需求論證、體系設計與建模和體系評估方面都有很多突出的成果。在體系需求論證方面，陳文英在文獻[23]中基于體系工程的思想提出了武器裝備體系需求論證的研究框架，包括軍事背景分析、任務領域需求分析、能力領域需求分析、需求方案分析和體系結構優化設計，明確了武器裝備體系需求論證的規范過程、理論原則、技術方法以及相關體系結構產品；在體系設計與建模方面，中國主要圍繞美國國防部發布的DoDAF 框架做了很多應用方面的工作，岳增坤[24]分析了體系結構產品的內容和相互邏輯關系，以海上聯合機動編隊系統為實例，建立了其體系結構模型并進行了驗證。黃小華[25]利用IBM Rhapsody 工具建模設計了無人機系統的全景視圖、業務視圖、系統視圖和技術視圖等體系框架模型，驗證DoDAF 在復雜體系工程中建模的可行性和必要性。葛冰峰等[26]提出一種基于XML 和著色Petri 網的可執行建模方法用于體系建模。在體系評估方面，體系貢獻率是近年來體系評估中一個重要的概念，具體有兩種思路，一種是基于體系能力指標來度量貢獻率，另一種是基于體系效能指標來度量貢獻率，李小波等[27]結合兩者的優點提出了一種能效綜合的體系貢獻率評估方法，并進行了仿真驗證。除此之外，在體系可靠性和彈性領域，潘星等[28]提出了一種基于彈性的體系結構評價方法，對體系的組件或系統進行重要度分析。除了國防軍事領域外，在軟件工程、在應急管理、智能電網等領域許多學者也展開了體系工程的應用性研究。

目前，中國的體系工程研究水平較國外還有一定的差距，沒有形成類似美國體系工程研究中心的專業化的體系工程研究機構和學術刊物，也沒有類似歐洲GEOSS 的大型體系工程應用。但是，近些年體系工程研究也在不斷發展。由國防科學技術大學王維平教授主編的《體系工程與裝備論證系列叢書》正式出版，這也是中國第一套以體系工程為核心的系列叢書專著。《科技導報·體系工程》正式創刊，成為體系工程領域首份中文核心期刊，這也是中國第一份專門圍繞體系工程的高水平刊物，領域內的研究合力正在逐漸形成。

3 體系工程研究與應用展望

隨著國內外體系工程研究的不斷深入，也面臨新的挑戰。前文提到學界在研究體系的復雜性的來源時遇到了困難。軍事領域則在體系工程中協作時，發現彼此的體系框架都不盡相同，大家都在以“不同的語言”交流和協作。同時，國外內體系工程的研究都關注體系的仿真和評估，但是如何用定量的方法分析體系內各個系統聚合產生的涌現特性還沒有一套業界共識的方法。此外，無人系統、大數據、物聯網等新型領域暴露出明顯的體系特征，但是這方面的研究還并未深入。因此，本文對體系工程以下幾方面做出展望。

3.1 元系統管理的研究將揭示體系演化的奧秘

元系統管理研究的發展為分析體系演化提供更高的視角。Keating[7]指出現在研究的體系問題都是充滿不確定的，有時甚至用瞬息萬變來形容，如果想在體系中把握不變的要素，應對復雜體系問題的不確定性與涌現性，就應從“元”（Meta）的角度來思考問題，元系統是在控制層次中，位于系統之上的系統，是生成系統的系統。如果能夠研究清楚元系統的特性，也就能把握體系復雜性的本質。

3.2 體系框架將向統一化發展

除了著名的DoDAF 和MoDAF 之外，各種體系框架在一段時間內層出不窮，包括北約體系結構框架（NATO Architecture，NAF）、加拿大國防部框架（DND/CF Architecture Framework，DNDAF）、意大利國防部框架（Italian Ministry of Defence Architectural Framework，MDAF）和澳大利亞國防部框架（Australian Defense Organization Architecture Framework ，ADOAF）。每種體系框架都立足本國的軍事體系，因而有一定的必要性，但是本質上來說彼此差異不大。從體系框架的角度來看，未來將向統一框架的方向發展，通過開展元模型的研究保障體系框架涵蓋所有的體系元素，并利用統一的建模語言（如UML、SysML等）消除歧義，并借助Rhapsody 等系統建模工具實現可執行化的分析驗證。

3.3 網絡方法在建模、仿真評估中將發揮更多的作用

體系、復雜系統和復雜網絡這3 者在組織特點、涌現性、演化性等方面有很多共通性，網絡化的方法將在體系問題中扮演越來越重要的角色。在體系建模方面，基于網絡的方法提出的很早，復雜網絡和圖論的理論支撐保障了網絡方法建模的可信性，同時網絡的方法種類很多，既有善于建立動態變化模型的無尺度網絡，也有擅長建立兼顧規則性和隨機性的小世界網絡，還有擅長建立可執行模型的Petri 網，能為各種不同類型的體系問題提供幫助。在體系能力評估中，網絡方法反映的脆弱性、連通性、抗毀性等特征是其他方法很難評估的，正如胡曉峰[29]提出的將“指標樹”轉為“指標網”的思想，用網絡理論取代簡單分解還原的理論去研究體系工程，是未來體系評估的一個重要趨勢。

3.4 體系工程將為無人系統與智能體研究開辟新領域

2009～2011 年，體系研究曾陷入相對低落的時期，相關的論文發表開始減少，有些研究者認為體系的熱度已經消耗殆盡，因此不再研究。但是隨著無人系統、大數據、人工智能領域開始火爆，許多研究者發現，傳統的系統工程甚至一些早年提出的體系工程方法在應對數據量暴增的狀態時束手無策，新的體系工程方法在組織集成大數據量的無人復雜系統上大有可為。美國國防預先研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）于2015 年提出“體系集成技術和試驗”（System of Systems Integration Technology& Experimentation，SoSITE）項目，旨在設計開放式體系架構，將有人/無人平臺的作戰能力結合起來，打贏未來的智能化戰爭。在2018 年的智能系統國際會議上，Edward[30]提出下一代智慧體系的發展方向，將傳統體系（System-of-Systems）轉變為數據生態系統（Data Ecosystems），旨在打破傳統體系工程的邊界，打造一個數據流通無阻的環境以開放更多數據源，為人工智能的學習以及人在回路的決策提供良好環境。這些例子都說明，體系工程和無人系統、大數據、人工智能領域的結合，必將開辟出一番新的天地。

4 結束語

為了促進體系工程的深入研究和廣泛應用，本文綜述了體系工程在國內外的主要研究成果，討論了體系方法面臨的挑戰與發展方向。系統工程經歷幾十年的發展，已經形成比較完善的、可以應用在各領域的一套設計、集成、仿真、試驗、分析、評估、決策的方法論。體系工程是在系統工程基礎上發展起來的一套理論與方法，經過學者們的努力，短短十余年，體系工程已經成為系統工程理論的一個重要的延伸，無論是國外系統工程的經典著作還是中國大學的系統工程教材都將體系工程單獨進行詳細介紹。未來，體系工程的研究成果將會解決更多實際問題，開辟更多新領域。