裝備體系工程方法與數(shù)字化*

唐文倬，蔡天騏，莊長輝，閔銳

?空天防御體系與武器?

裝備體系工程方法與數(shù)字化*

唐文倬，蔡天騏，莊長輝，閔銳

（北京電子工程總體研究所，北京 100854）

為解決體系要素各自為戰(zhàn)，系統(tǒng)指標(biāo)不協(xié)調(diào)、功能不匹配、集成不規(guī)范，體系能力難以形成的問題，需要做好頂層規(guī)劃，采用體系工程方法，開展體系正向設(shè)計(jì)。分析了軍事領(lǐng)域中體系的類型、特點(diǎn)與建設(shè)要求，瞄準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)體系實(shí)戰(zhàn)化能力，按照“體系設(shè)計(jì)、體系建設(shè)、體系運(yùn)用、體系評(píng)估”四個(gè)體系工程建設(shè)階段，介紹了體系工程建設(shè)方法；采用數(shù)字化手段高效支撐體系研發(fā)和體系運(yùn)用研究的具體內(nèi)容，通過數(shù)字化將體系工程方法、流程和工具融為一體，打造體系工程建設(shè)新模式。

體系；體系工程；體系建設(shè)；體系設(shè)計(jì)；體系工程數(shù)字化

0　引言

一般意義上，體系泛指一定范圍內(nèi)或同類事物按照一定的秩序和內(nèi)部聯(lián)系組合而成的整體，是不同系統(tǒng)組成的系統(tǒng)。在美國防部體系系統(tǒng)工程指南（1.0版）中，體系是指將獨(dú)立和有效系統(tǒng)整合到具有獨(dú)特功能的大型系統(tǒng)時(shí)所產(chǎn)生的系統(tǒng)集合或構(gòu)型［1-7］。我們定義的裝備體系，是由若干功能性能匹配的裝備要素構(gòu)成、可實(shí)現(xiàn)特定任務(wù)的復(fù)雜大系統(tǒng)，形成體系戰(zhàn)能力。體系之所以成為“體系”，并不是因?yàn)槠洹皬?fù)雜性”，而主要是區(qū)別于“系統(tǒng)”，其組成要素具備管理和運(yùn)用的獨(dú)立性、物理域和地域的分布性。

當(dāng)前，國內(nèi)裝備建設(shè)發(fā)展已從系統(tǒng)工程向體系工程轉(zhuǎn)變，需要形成體系工程方法手段，支撐裝備體系建設(shè)［8-13］。

1　體系類型與特點(diǎn)

1.1　體系類型

美軍根據(jù)體系對(duì)組成系統(tǒng)是否具有管控及其管控力度，按照由弱至強(qiáng)的管控程度，將體系分為虛擬型、協(xié)作型、認(rèn)可型和控制型4種類型［14］。

其中，虛擬型體系缺乏中央管理機(jī)構(gòu)以及集中商定的中心目標(biāo)，必須依賴相對(duì)不可見的機(jī)制來維持運(yùn)轉(zhuǎn)，可能涌現(xiàn)大規(guī)模行為，典型樣例為全球地理信息柵格系統(tǒng)；協(xié)作型缺乏中央管理機(jī)構(gòu)，具有一致的中心目標(biāo)，組成系統(tǒng)或多或少通過自愿協(xié)作的方式來達(dá)成商定的中心目標(biāo)，典型樣例為互聯(lián)網(wǎng)、全球金融體系；認(rèn)可型具有中央管理機(jī)構(gòu)，具有認(rèn)可的目標(biāo)、指定的管理人和體系的資源，但組成系統(tǒng)仍保留其獨(dú)立的所有權(quán)、目標(biāo)、資金以及發(fā)展和維持措施，典型樣例為彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)（ballistic missile defense system，BMDS）、海軍綜合火控防空系統(tǒng)（naval integrated fire control-counter air，NIFC-CA）；控制型具有中央管理機(jī)構(gòu)，能夠?qū)w系的成員系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度和控制，約束成員系統(tǒng)的發(fā)展；組件系統(tǒng)保持獨(dú)立完成任務(wù)的能力，但是其正常運(yùn)行模式從屬于中央管理目標(biāo)，典型樣例為美陸軍未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)（future combat system，F(xiàn)CS）。

本文所提的體系主要指體系運(yùn)用視角下的裝備體系，屬于美軍定義的系統(tǒng)之系統(tǒng)（system of systems，SoS）［15］。

1.2　體系特點(diǎn)

體系是任務(wù)剖面視角下的復(fù)雜巨系統(tǒng)，與系統(tǒng)具有顯著的區(qū)別。系統(tǒng)通常是一組組合的元素、子系統(tǒng)或組件，以完成一個(gè)定義明確的目標(biāo)；體系則是一個(gè)要素或系統(tǒng)組合，其通過互相作用提供一種單個(gè)要素系統(tǒng)單靠自身所無法提供的能力。系統(tǒng)與體系特點(diǎn)對(duì)照如表1所示。

表 1 　系統(tǒng)與體系特點(diǎn)對(duì)照表

體系工程具有關(guān)注多個(gè)異步但互相依賴的復(fù)雜系統(tǒng)、隨著體系發(fā)展、需求不斷演化、邊界范圍動(dòng)態(tài)拓展、涌現(xiàn)性、網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)中心、目標(biāo)多樣化、異構(gòu)等特點(diǎn)。對(duì)于任務(wù)類裝備體系，是典型的復(fù)雜巨系統(tǒng)，根據(jù)不同任務(wù)，實(shí)施多個(gè)領(lǐng)域聯(lián)合運(yùn)用、多個(gè)兵種協(xié)同行動(dòng)、各類戰(zhàn)場資源統(tǒng)一調(diào)度的一體化行動(dòng)，按需形成聯(lián)合任務(wù)能力。體系具備如下特點(diǎn)：

①整體性，各類功能要素雖具有獨(dú)立的任務(wù)功能，但在體系構(gòu)建和運(yùn)用時(shí)必須整體統(tǒng)籌考慮，對(duì)外呈現(xiàn)的形態(tài)和能力是一個(gè)“共同體”；②開放性，按需靈活接入和運(yùn)用分散的功能要素，快速聚集資源、形成合力；③補(bǔ)充性，組成系統(tǒng)在與環(huán)境相互作用時(shí)，通過平衡各類要素，在不同情況下發(fā)揮出不同的特性；④耦合性，各功能要素之間的關(guān)聯(lián)程度對(duì)體系效能影響大，耦合程度越深、相互關(guān)聯(lián)越緊密，體系能力越強(qiáng)；⑤不確定性，體系資源有限，在一定的條件下提高某種特性的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致另一種特性的降低；⑥時(shí)敏性，能夠快速響應(yīng)體系功能需求，滿足即時(shí)任務(wù)要求；⑦抗毀性，體系各要素功能可互補(bǔ)、結(jié)構(gòu)可變化、系統(tǒng)可重組。

1.3　體系建設(shè)要求

對(duì)于任務(wù)類裝備體系，體系能力是裝備體系建設(shè)的起點(diǎn)和目標(biāo)，以完成體系任務(wù)為目的，體系的核心任務(wù)是通過體系“設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)用與評(píng)估”的迭代閉合，實(shí)現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)條件下的戰(zhàn)斗力生成與提升，具體要求如下：

（1）必須“源于任務(wù)、回歸任務(wù)”。裝備體系構(gòu)建始于任務(wù)概念設(shè)計(jì)、能力需求分析，然后開展裝備研發(fā)和體系建設(shè)，再進(jìn)行組織運(yùn)用、形成任務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)良性互動(dòng)、正向循環(huán)和迭代升級(jí)。

（2）必須建立以“K”為核心的C4ISRK（command，control，communication，computer，intelligence，surveillance，reconnaissance and kill）。“殺傷目標(biāo)”是體系能力的直接體現(xiàn)，是評(píng)價(jià)體系建設(shè)成效的最終標(biāo)準(zhǔn)。體系建設(shè)必須圍繞情報(bào)偵察、預(yù)警探測(cè)、指揮控制、攔截打擊等要素發(fā)展，保障裝備最大限度發(fā)揮體系效能。

（3）必須實(shí)現(xiàn)“OODA（observe-orient-decide-act）”殺傷鏈閉合。打通和閉合殺傷鏈路是一切任務(wù)行動(dòng)的前提和基礎(chǔ)。特別是對(duì)于跨領(lǐng)域任務(wù)，最低要求是解決網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和信息交互，從互聯(lián)互通的角度實(shí)現(xiàn)殺傷鏈的信息閉合，最高要求是從任務(wù)源頭進(jìn)行體系架構(gòu)設(shè)計(jì)、指標(biāo)分配和體系運(yùn)用研究，實(shí)現(xiàn)殺傷鏈的數(shù)據(jù)閉合。

（4）必須充分融入對(duì)抗性要素。對(duì)抗是攻防博弈面臨和必須解決的突出問題。一方面，裝備建設(shè)必須具備較強(qiáng)的復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境體系能力；另一方面，在體系總體設(shè)計(jì)、體系集成運(yùn)用、能力檢驗(yàn)評(píng)估等環(huán)節(jié)，必須突出對(duì)抗性因素，更好地發(fā)揮體系對(duì)抗優(yōu)勢(shì)。

2　體系建設(shè)方法

體系建設(shè)由“基于威脅、基于階段”向“基于能力、基于全壽命”的全局全視角轉(zhuǎn)變，體系研究由“基于系統(tǒng)、基于文檔”向“基于體系、基于模型”的體系工程方法轉(zhuǎn)變，指導(dǎo)和牽引體系能力的閉環(huán)迭代提升［16-17］。

按照“體系設(shè)計(jì)、體系建設(shè)、體系運(yùn)用、體系評(píng)估”4個(gè)階段迭代升級(jí)的正向發(fā)展思路，形成基于模型的體系工程建設(shè)方法。通過國家軍事戰(zhàn)略的頂層輸入，通過體系工程建設(shè)，形成體系綜合能力。體系建設(shè)總體思路如圖1所示。

圖 1 　體系建設(shè)總體思路

2.1　體系設(shè)計(jì)

體系設(shè)計(jì)階段，由體系總體牽頭開展基于數(shù)字孿生系統(tǒng)的迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)。

①任務(wù)概念設(shè)計(jì)，基于國家安全戰(zhàn)略和軍事戰(zhàn)略，研究頂層軍事概念和設(shè)計(jì)任務(wù)場景，作為體系設(shè)計(jì)的基點(diǎn)和輸入。②能力需求分析。基于任務(wù)概念和任務(wù)場景，以裝備體系使命定位和任務(wù)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)解決能力需求牽引和裝備體系建設(shè)依據(jù)問題，形成并發(fā)布能力需求文件。③體系架構(gòu)設(shè)計(jì)。確定體系要素組成、功能定位和信息交互，牽引體系內(nèi)裝備要素協(xié)調(diào)建設(shè)發(fā)展，確保裝備要素功能性能協(xié)調(diào)匹配。運(yùn)用基于模型的系統(tǒng)工程方法，構(gòu)建基于DoDAF（department of defense architecture framework）的體系需求分析方法，建立“OV-CV-SV（operational view-capability view-system view）”的分析流程。④指標(biāo)設(shè)計(jì)分配，重點(diǎn)解決對(duì)裝備要素的任務(wù)定位與功能性能約束問題，設(shè)計(jì)表征體系能力的層次化指標(biāo)體系，統(tǒng)一任務(wù)、對(duì)象、指標(biāo)要求的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步分解分配各裝備功能性能要求。⑤標(biāo)準(zhǔn)制定發(fā)布。重點(diǎn)解決規(guī)范化體系建設(shè)發(fā)展和集成運(yùn)用問題，形成統(tǒng)一的體系建設(shè)與運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范集，完成急需標(biāo)準(zhǔn)的研究與編制。

2.2　體系建設(shè)

①裝備研發(fā)建設(shè)。各裝備按照體系總體設(shè)計(jì)的要求，牽引和約束裝備研發(fā)，貫徹體系標(biāo)準(zhǔn)，支撐體系建設(shè)迭代深化。②體系技術(shù)攻關(guān)。開展體系關(guān)鍵技術(shù)的專題研究，開發(fā)體系模型并向裝備轉(zhuǎn)化應(yīng)用，提升體系效能。③仿真系統(tǒng)建設(shè)。建設(shè)升級(jí)要素完整、多種顆粒度、高置信度、運(yùn)用靈活、適當(dāng)超前的體系仿真系統(tǒng)，支撐體系設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)用與評(píng)估迭代閉環(huán)。④體系集成驗(yàn)證。通過“虛擬-現(xiàn)實(shí)”融合的方式開展體系試驗(yàn)，驗(yàn)證體系功能性能，檢驗(yàn)體系及各要素符合性，驗(yàn)證體系動(dòng)態(tài)運(yùn)行能力。

2.3　體系運(yùn)用

①裝備部署運(yùn)用。按照體系能力需求，確定裝備部署原則和流程，統(tǒng)籌開展體系裝備配系與部署設(shè)計(jì)，支撐裝備發(fā)展規(guī)劃。②體系集成運(yùn)用。依托體系仿真集成和實(shí)裝集成，分析體系要素集成與能力生成情況，并進(jìn)行迭代優(yōu)化。③實(shí)際運(yùn)用。同步開展任務(wù)模擬訓(xùn)練、運(yùn)行規(guī)則制定與完善，加速體系能力轉(zhuǎn)化。

2.4　體系評(píng)估

開展單裝、裝備體系、任務(wù)體系等不同層面不同對(duì)象的評(píng)估，支撐交付體系能力。

針對(duì)體系使命任務(wù)及體系能力，遵循面向體系對(duì)抗、動(dòng)靜結(jié)合、定性定量相結(jié)合、顆粒度適度、客觀性與可行性等原則，依據(jù)體系階段狀態(tài)評(píng)估需求，構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)體系，根據(jù)對(duì)效能、貢獻(xiàn)率影響的敏感度或關(guān)注度，研究選擇單項(xiàng)、綜合評(píng)估指標(biāo)或重構(gòu)指標(biāo)，利用適當(dāng)方法，從多維度、多層級(jí)評(píng)估。評(píng)估主要方法流程為：分析體系效能、貢獻(xiàn)率評(píng)估需求、構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)體系、開展“整體+重點(diǎn)”綜合評(píng)價(jià)。

3　體系工程數(shù)字化

國內(nèi)體系建設(shè)處于起步階段，盡管通過一些體系項(xiàng)目實(shí)踐積累了一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但總體上，體系建設(shè)研究方法較弱，缺乏成熟的體系工程理論方法指導(dǎo)實(shí)踐，各階段間的貫通性不強(qiáng)，成果的傳遞與復(fù)用程度低，體系相關(guān)工作集成度不高，體系工程實(shí)施過程較散；此外，體系相關(guān)工具繁多，涵蓋架構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真推演、效能評(píng)估等多個(gè)方面，部分軟件工具為國外產(chǎn)品，總體上異類異構(gòu)，缺少一體化的體系研究支撐手段。

采用數(shù)字化的方式，瞄準(zhǔn)模型驅(qū)動(dòng)與貫通聯(lián)動(dòng)，通過規(guī)范模型、工具、流程、系統(tǒng)的開發(fā)和使用，以構(gòu)建體系工程全鏈條模型為核心主線，縱向上實(shí)現(xiàn)需求、架構(gòu)、仿真、評(píng)估各環(huán)節(jié)模型傳遞與映射，橫向上實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域模型的聯(lián)動(dòng)交互［18-20］。體系工程數(shù)字化過程如圖2所示。

圖 2 　體系工程數(shù)字化過程

3.1　體系設(shè)計(jì)數(shù)字化

體系設(shè)計(jì)數(shù)字化的核心是裝備體系需求生成與體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過體系對(duì)抗仿真和體系分析評(píng)估進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)結(jié)果。

裝備體系需求生成數(shù)字化主要是以數(shù)字化的手段支撐裝備體系任務(wù)概念輔助設(shè)計(jì)、裝備體系能力對(duì)抗博弈推演和裝備體系能力需求生成，以定性定量相結(jié)合的分析方式，實(shí)現(xiàn)體系能力需求分析與捕捉、體系需求集成優(yōu)化與評(píng)估、體系需求知識(shí)圖譜構(gòu)建與需求結(jié)構(gòu)化生成。

體系架構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)字化，向上直接承接能力需求，依托設(shè)計(jì)工具，從任務(wù)、能力及裝備等不同視角對(duì)復(fù)雜體系進(jìn)行整體框架規(guī)劃及統(tǒng)一描述，開展裝備體系要素組成、信息交互關(guān)系、任務(wù)過程設(shè)計(jì)等工作，各維度數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)引用，元素相互映射，邏輯嚴(yán)謹(jǐn)閉合，通過數(shù)字化的手段提高設(shè)計(jì)過程的規(guī)范性，確保設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性。依托任務(wù)概念與體系架構(gòu)設(shè)計(jì)成果，設(shè)計(jì)體系對(duì)抗場景，利用仿真系統(tǒng)開展推演分析，分析仿真數(shù)據(jù)，評(píng)估體系能力，迭代架構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.2　體系建設(shè)數(shù)字化

裝備研發(fā)建設(shè)方面以裝備體系設(shè)計(jì)牽引生成的單裝軍事需求和運(yùn)用場景為輸入，采用基于模型的系統(tǒng)工程方法指導(dǎo)裝備研制，搭建系統(tǒng)模型，從功能、時(shí)序、狀態(tài)、接口以及效能指標(biāo)等方面開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)，定義系統(tǒng)架構(gòu)，傳遞系統(tǒng)需求，并通過系統(tǒng)模型仿真、系統(tǒng)模型與專業(yè)分析模型聯(lián)合仿真，對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行逐級(jí)驗(yàn)證。

仿真系統(tǒng)方面主要是體系仿真模型建模與開發(fā)、體系仿真模型裝配管理、體系仿真場景構(gòu)建與推演，參數(shù)級(jí)和工程級(jí)仿真系統(tǒng)開發(fā)，通過并行/分布/云仿真等多種運(yùn)行模式，支撐任務(wù)概念研究、裝備體系設(shè)計(jì)分析、裝備運(yùn)用研究等，通過數(shù)字化的手段提高體系相關(guān)問題研究的全面性和完備性。

3.3　體系運(yùn)用數(shù)字化

針對(duì)實(shí)戰(zhàn)化需求，以不同層級(jí)體系能力生成和評(píng)估為目標(biāo)，以任務(wù)籌劃、仿真推演評(píng)估為切入點(diǎn)推動(dòng)裝備體系實(shí)戰(zhàn)化研究，發(fā)揮體系綜合體系效能。

依托參數(shù)級(jí)仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝備在體系對(duì)抗、單裝運(yùn)用等特定任務(wù)場景下的全過程方案制定與推演仿真，解決體系試驗(yàn)中面臨的場景復(fù)雜難構(gòu)建、要素繁多難協(xié)調(diào)、管理成本高難開展的問題，支撐開展能力需求生成、軍事理論研究、任務(wù)過程推演、體系總體設(shè)計(jì)、裝備和體系能力規(guī)劃、任務(wù)模擬訓(xùn)練等。

依托工程級(jí)仿真系統(tǒng)，將戰(zhàn)場搬入實(shí)驗(yàn)室，采用逼真的場景和高置信度模型，通過虛實(shí)結(jié)合的迭代試驗(yàn)和混合仿真試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)體系能力評(píng)估、體系飛行試驗(yàn)預(yù)示、軟件驗(yàn)證、裝備集成接口測(cè)試、邊界條件檢驗(yàn)、復(fù)雜場景適應(yīng)性評(píng)估、任務(wù)訓(xùn)練，加快體系總體設(shè)計(jì)能力迭代提升、縮短體系集成驗(yàn)證時(shí)間，解決體系試驗(yàn)樣本小、威脅難以復(fù)現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)代價(jià)高等難題。

3.4　體系評(píng)估數(shù)字化

體系評(píng)估數(shù)字化，以仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)或體系綜合試驗(yàn)為輸入，通過在數(shù)字化工具中預(yù)置指標(biāo)體系、評(píng)估算法、評(píng)估模板等，快速完成裝備體系效能評(píng)估、貢獻(xiàn)率評(píng)估，為裝備體系設(shè)計(jì)優(yōu)化提供高效率的定量分析手段。

體系工程數(shù)字化的目標(biāo)是以業(yè)務(wù)應(yīng)用為目的、以模型及數(shù)據(jù)為核心，實(shí)現(xiàn)體系正向設(shè)計(jì)和知識(shí)積累，建立虛實(shí)互動(dòng)、靈活高效的任務(wù)研究與體系設(shè)計(jì)新范式，貫通體系研制流程，縮短研制周期、提升質(zhì)量水平、降低全壽命成本。

4　結(jié)束語

本文系統(tǒng)性地分析了體系的特點(diǎn)，全面地介紹了體系建設(shè)的過程以及需要關(guān)注的問題。結(jié)合數(shù)字化的特點(diǎn)，詳細(xì)地闡述了體系工程數(shù)字化的具體做法和收益。

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Equipment System of Systems（SoS）Engineering Method and Digitalization

TANGWenzhuo，CAITianqi，ZHUANGChanghui，MINRui

（Beijing Institute of Electronic System Engineering， Beijing 100854， China）

Without a unified top-level design of the system of systems （SoS） construction， the elements of the SoS will fight against each other， and hence the SoS will inevitably face problems such as inconsistent indicators， mismatched functions， and irregular integration. In order to solve these problems， it is necessary to adopt SoS engineering method and carry out forward design. The types， characteristics and the construction requirements of the SoS in the military domain are analyzed. Aiming at realizing the combat ability， the model-based SoS engineering construction method is given， according to the four stages of “SoS design， SoS construction， SoS application， SoS evaluation”. Employing digital means to support SoS research and application is introduced. By using digitization， SoS engineering， processes and tools are integrated to create a new SoS engineering construction mode.

system of systems （SoS）；SoS engineering；SoS construction；SoS design；SoS engineering digitalization

10.3969/j.issn.1009-086x.2023.04.002

E917；TJ0

A

1009-086X（2023）-04-0010-06

唐文倬, 蔡天騏, 莊長輝, 等.裝備體系工程方法與數(shù)字化[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2023,51(4):10-15.

TANG Wenzhuo,CAI Tianqi,ZHUANG Changhui,et al.Equipment System of Systems（SoS）Engineering Method and Digitalization[J].Modern Defence Technology,2023,51(4):10-15.

2022 -09 -29 ;

2023 -01 -28

唐文倬（1982-），男，湖南瀏陽人。高工，博士，研究方向?yàn)檠b備體系發(fā)展規(guī)劃、總體設(shè)計(jì)、研發(fā)建設(shè)和運(yùn)用研究等。

100854 北京市142信箱30分箱