武器裝備體系工程研究方向與建模_風聞

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一、武器裝備體系工程研究方向

武器裝備體系工程來源於系統工程和體系工程，武器裝備體系的最終目的是為了在體系對抗作戰的過程中完成相應的使命任務，並獲得最終的勝利。因此武器裝備體系工程需要圍繞“任務完成”和“能力實現”這兩個重點開展相應的工作。武器裝備體系最典型的特點是整體性和對抗性。信息化戰爭條件下的武器裝備體系研究的核心與重點是其內部系統之間的相互關係，以及通過這些相互關係產生出來的整體湧現性。而不同類型、不同用途，甚至不同時代的武器裝備主要是通過信息建立起相互的聯繫和作用，形成能夠完成作戰任務的體系整體，從而最終建立體系作戰能力。

能力描述了武器裝備體系完成一系列“任務”的本領。能力是武器裝備體系的一個靜態屬性，是對體系完成一系列本領的抽象概括，是武器裝備體現存在價值的一種高級概念，可以稱為“能力屬性”。從武器裝備建設過程和使用過程上看，任務和能力是武器裝備體系需求、設計、集成和驗證的目標和關鍵約束，也是評估武器裝備體系效果的關鍵指標。武器裝備體系需求開發是獲得體系任務－能力屬性的關鍵約束指標；武器裝備體系設計與優化是使所設計的體系能夠滿足任務－能力的需求約束；武器裝備體系的集成與構建過程就是實現武器裝備體系任務－能力需求的實現過程；武器裝備體系的評估驗證就是評價、測量和驗證所構建體系的任務－能力的需求滿足程度。

為此，武器裝備體系工程需要以下技術的支撐，這也構成了武器裝備體系工程的主要研究方向。

**1）武器裝備體系需求分析技術。**武器裝備體系需求分析技術是基於國家軍事戰略或特定聯合作戰任務，對武器裝備體系需求進行獲取、表示、評價、驗證、管理的過程。武器裝備體系需求分析技術具體可包括武器裝備體系需求獲取技術、武器裝備體系需求表示技術、武器裝備體系需求評價技術、武器裝備體系需求驗證技術、武器裝備體系需求管理技術和武器裝備體系能力規範技術等幾個方面。

**2）武器裝備體系優化設計技術。**武器裝備體系優化設計技術是在武器裝備體系結構描述的基礎上，對體系的組成要素、要素間的關係等進行調整和優化，從而得到武器裝備體系整體效能最大的武器裝備體系方案。武器裝備體系設計優化技術具體包括武器裝備體系建模技術、武器裝備體系結構方案生成技術、武器裝備體系結構方案分析與優化技術等方面。對武器裝備體系進行優化設計的研究方法主要有多方案優選方法、數學規劃方法、仿真優化方法、探索性分析方法和多學科設計優化方法等。

**3）武器裝備體系評估技術。**武器裝備體系評估技術是在武器裝備體系結構描述的基礎上，對武器裝備體系的能力、費用、風險等方面進行評價。武器裝備體系評估技術具體包括武器裝備體系能力評估技術、武器裝備體系技術評估、武器裝備體系費用評估、武器裝備體系風險評估等方面。

**4）武器裝備體系集成與構建技術。**以體系的作戰使命需求為依據，以系統(或作戰單元)成員為基礎，遵循“自頂向下”定性分析與“自底向上”定量綜合集成分析相結合的原則，以“作戰能力”為紐帶連接“自頂向下”的分解工作與“自底向上”的綜合集成工作，最終形成與使命匹配的體系。

**5）武器裝備體系驗證技術。**武器裝備體系必須放在對抗的作戰環境條件下才能得到正確的驗證，因此，對武器裝備體系的驗證必須考慮兩類情況，一是緊密結合仿真對抗、外場試驗和實際演習開展驗證；二是結合實際作戰環境中的部隊和指揮控制組成的作戰體系開展試驗。

**6）武器裝備體系演化技術。**武器裝備體系發展與演化技術是研究武器裝備體系隨時間、技術等因素的變化而發生體系結構及體系整體能力的演化規律。武器裝備體系發展與演化技術具體可以包括武器裝備體系結構發展與演化技術、武器裝備體系能力發展與演化技術、武器裝備體系能力規劃技術、武器裝備體系發展的湧現技術等方面。

7）武器裝備體系基礎技術。武器裝備體系基礎技術是研究武器裝備體系需求、武器裝備體系設計及武器裝備體系評估等方面的基礎方法和技術。武器裝備體系基礎技術具體可以包括武器裝備體系網絡技術、武器裝備體系基礎數據、基礎模型技術、武器裝備體系聯合試驗技術等方面。

二、武器裝備體系工程模型

體系工程來源於系統工程，是由於體系中存在系統工程方法無法解決的問題而發展起來，在此，在面向複雜大系統和複雜適應系統的系統建模的基礎上闡述武器裝備體系工程模型。

1）複雜大系統工程過程模型

複雜大系統由很多子系統組成，這些子系統有全新研發的子系統，同時也有進行適應性改進的子系統和直接沿用的現成系統。由於複雜大系統由種異構的來自不同專業的子系統組成，複雜大系統的建模與仿真便成為了驗證複雜大系統的重要手段。由此在傳統的系統工程過程基礎上，形成了複雜大系統的系統工程過程模型，如圖1所示。

圖1 複雜大系統的系統工程過程模型

圖2 複雜大系統的多Agent關係圖

複雜大系統的系統工程過程模型中，目前基於智能體(Agent)的建模與仿真是支持工程過程模型的重要技術。通過採用多智能體(Agent)技術，為了支持複雜大系統仿真，抽象出任務智能體、環境智能體、系統智能體、保障智能體以及資源智能體五類智能體，它們之間的關係如圖2所示。其中任務類智能體為虛擬智能體，是對任務與邏輯的抽象，環境類智能體對應環境條件。系統智能體、保障智能體和資源智能體對應着各類實體要素。

Agent能夠很好地支持複雜大系統的建模與仿真。這裏以航空保障系統為案例説明基於Agent複雜大系統仿真建模過程。航空保障系統是用於指揮和保障多型艦載機羣在航母上的各類作業的工程系統，航空保障系統涉及數百個人員站位，多個作業階段，百餘項作業活動，由上千套系統/設備協同完成任務。美國海軍認為航空保障系統是艦載機安全上艦和航母形成作戰能力的核心，是一個典型的複雜大系統，具有以下特徵：

a) 由強實時、準實時和非實時的多型異構系統組成的複雜大系統。航空保障系統由上千台套系統/設備組成，這些系統和設備中有強實時系統，如負責引導艦載機着艦的系統；有準實時系統，如指揮管理系統；有非實時系統，如作業講評系統等。異構系統的實時性要求、可靠性與安全性要求、技術體制與研發管理都存在很大差異。

b) 需求、任務邊界、保障對象和環境的不確定性。航空保障系統作業流程複雜，包含多個作業階段，百餘項作業活動，涉及的設備和人員眾多，設備故障、戰損、和人為操作意外都將造成原有作業計劃的調整，使得航空保障系統在需求、任務邊界和保障對象上存在很大的不確定性，而海上多變的作業環境也會給任務帶來很大的不確定性。

c) 人在迴路增加了不確定性。人往往是最大的不確定性因素，據統計，在民航客機事故原因中，有70%的事故是由於人為錯誤操作造成的。航空保障系統的運轉涉及到數百個人員，人在迴路中人員操作的正確性直接影響了系統任務的正常推進，因此人在迴路大大增加了系統的不確定性。

d) 人員、場景、環境和系統多Agent協同複雜。航空保障系統任務的成功完成是人員、場景、環境和所涉系統之間相互協同的結果，不同的因素都是具有一定適應性的單獨Agent，Agent間通過能量流和信息流的傳遞來完成複雜的協同作業，並湧現出單個系統不能完成的高層次任務。多Agent間的複雜協同一旦出現外部干擾，很容易造成複雜大系統湧現出非預期結果。

e) 空間和資源約束條件下的非同質作業時間與空間衝突複雜。航空保障系統是一個多任務並行的系統，艦面保障、調運、起飛、着艦、維修不同對象同時執行，但在航母的保障資源有限、空間位置有限的條件下，非同質作業之間在時間和空間上的衝突非常複雜，而且是時刻動態變化，無法事先進行精確求解以預先安排。

通過採用多Agent對航空保障系統進行建模與仿真，能夠反映了該系統設計與構建的最新狀態。通過對該系統模型的仿真運行，能夠在設計初期指導進行頂層指標的分解工作，在系統設計與構建過程中及時評估出該系統的綜合效能，為工程總體及時調整系統設計和工程管理計劃提供數據支持。同時通過仿真運行還能及早發現該系統非預期的行為湧現，以便及時採取措施，修改設計來及早消除非預期的行為湧現，從而大大降低後期修改設計而付出的代價。航空保障複雜大系統多Agent模型如圖3所示。

圖3 航空保障複雜大系統多Agent模型

2）武器裝備體系工程過程模型

目前在系統工程中，V模型是最受歡迎也是使用最廣泛的模型。武器裝備體系是由不同類型的裝備系統組成的，同樣在武器裝備體系工程中，當完成體系設計及其評估後，就可以形成武器裝備體系組成方案。該方案包括了各類需要新研製開發或升級換代的武器裝備系統，此時就需要轉入武器裝備系統工程階段。因此，傳統的系統工程V模型強調“從頂向下設計，由底向上集成”，對於系統產品的研發起到了重要的理論指導作用。但是，隨着武器裝備體系級問題的巨型化、複雜化，V模型已不再能勝任體系工程的研發。因此這裏提煉出了體系研發新模型——V＋＋模型，該模型在V模型的基礎上，針對武器裝備體系工程業務特徵，進行體系與系統的劃分，構建虛擬影射空間；增加以MBSE為代表的新方法新技術的應用，強調武器裝備體系生命力保證，並通過體系流程將整個武器裝備體系的組成成分貫穿起來，形成完整的武器裝備體系生命週期模型。V＋＋模型的結構如圖4所示。

圖4 武器裝備體系工程V＋＋模型

V＋＋模型本身是一個基本、通用的原理模型，也在不斷演進發展。體系工程問題跨域廣泛，針對作戰體系問題，該模型相應的內涵分解細化如下：

a) 橫向“++”，拓展融合

第一個“+”，針對產品功能、性能的準確定位及提升，對研發主體進行橫向拓展融合，即將用户、設計者、製造者、服務方等直接融合起來。傳統的系統級產品，主要依靠產品研發部門挖掘需求，設計、製造產品。而體系級產品，需求、設計、應用都極其複雜，不能再像系統級產品那樣，各階段依託不同主體相對獨立，而需要產品的利益相關者在產品的論證、研製、使用的全週期，廣泛、深入地交流、融合、協作。對於作戰實驗的研究而言，顯然應將問題的相關者直接聯繫起來，協同開展研究、研製、訓練等工作。為實現此目標，一種重要的途徑是基於CPS、SBA等理念、技術，採取基於仿真原型的研發路線，讓各研發者、使用者在同一個平台中，圍繞仿真原型開展研討、實驗、評估。

第二個“+”，針對新技術、新方法的應用，對研發手段進行橫向拓展融合，將傳統的技術手段深化、完善，構建新型研發體系，與研發管理體系有效融合起來。體系工程中，專業跨度更多、更大，技術更為精細，研發主體更為龐大，研發過程更為漫長，產品應用環境、應用模式更為複雜。圍繞產品設計規格書設計產品的傳統系統工程方法，不能滿足體系工程的需求，需要升級科研模式，構建完善、先進的技術研發體系，並實施有效的研發管理，不僅實現產品的靜態功能指標，同步關注生命力等動態指標。實施MBSE核心技術路線，將六性設計、知識工程以及研發管理等，與研製過程融合起來。

b) 縱向“++”，前伸後延

第一個“+”，針對產品能效的不斷提升，將產品研發與前端的市場分析和後端的產品應用有機聯接起來。傳統的系統級產品，其需求論證、設計製造和交付使用都相對獨立；而對於體系級產品，其組成、規模、用途、用户、保障等，一般都十分複雜，需要將產品的研製環節與前端的需求論證與後端的應用保障深度融合，才能確保產品有用、好用。尤其是對於作戰問題而言，作戰需求、作戰概念、作戰設計、作戰執行等，需深度融合。一種重要的途徑是利用CPS、大數據等相關技術，將軍事需求、系統研製和作戰應用聯接起來，實現智能設計、智能製造和智能應用。

第二個“+”，針對體系集成與流程設計，將體系頂層設計與分系統研發有機融合起來。體系由諸多子系統組成，一般涉及眾多專業、領域，集成形式或緊密、或鬆散，更加複雜。需構建統一、規範的技術方法，使得體系全週期研發有效貫通、迭代。一種重要的途徑是利用MBSE、HLA仿真技術，將體系頂層和各子系統研發無縫集成，圍繞體系整體最優開展體系工程。

c) 整體“+”，虛實呼應

將實體空間與虛擬空間映射起來，通過虛擬原型、虛擬工作環境，利用VR、AR、MR等先進技術開展高沉浸感人在迴路虛擬測試驗證、評估和優化工作；通過模型映射、數據認知、知識沉澱、自主學習，使體系工程變得有機，提升體系生命力，解決體系動態演化問題。 

武器裝備體系工程V＋＋模型是確保構建的體系內組成單元在獨立自主運作條件下能夠提供滿足體系功能與需求的能力，或者説執行體系使命與任務的能力。在體系的構建過程中，需要：（1）明確體系最頂層的使命任務，確定完成使命任務所需要的能力項集合或能力包(面向能力, Capability oriented)；（2）架構設計，架構是組成體系系統的組織結構(基於架構, Architecture based)；（3）模型驅動的技術設計，提供高效可重用的實現方式(模型驅動, Model driven)；（4）體系流程設計，流程是完成體系使命任務時各系統的耦合方式(流程貫穿, Process centered)；（5）體系生命力設計支持，為體系的持續穩定運行提供保障(生命力支持, Survive support)。另外在武器裝備體系構建過程中，為了能夠採用多Agent進行快速仿真，需要有統一的數據模型驅動和支持(數據驅動, Data driven)。由此形成了武器裝備體系構建模型：D-CAMPS，該模型幾個方面之間的關係如圖5所示。

圖5 D-CAMPS體系構建過程模型

面向能力(Capability Oriented)

體系是完成特定使命任務的系統集成體，使命任務的達成需要一定的能力項，因此能力是體系的頂層需求，是設計體系的抓手和依據。

將體系的使命任務轉化為能力項需求，有兩種維度的分解方式，一是基於任務來設計能力，需要在典型任務場景下，分析完成典型任務所需的能力項，能力項一般具有層次關係。為了更好地支撐能力項的分解，我們應該整理出領域內的基本能力包，分析人員分析時參考基本能力包來進行能力項選擇。

二是基於效能來分解能力指標。適用於相似體系迭代設計過程中對體系內各系統的技術指標比較清楚時使用，可將體系使命任務對應的整體效能逐層分解到系統具體的技術指標，用於指導設計。

1.基於架構(Architecture based)

體系架構是指體系的組成系統以及系統之間的耦合關係。通過對體系能力的分解，我們得到了體系的能力集合，並以此作為體系組分系統的選擇依據。待組分系統確定後，下一步便是設計組分系統之間的耦合關係，由於體系一般具有地域分佈性，因此係統之間的耦合關係通常是通過信息交換的方式來實現。體系架構設計通常採用多視圖建模方法，如DoDAF模型中包含8種不同視圖，52種模型。

2.模型驅動(Model driven)

模型是體系物理實體規律的反映，基於模型驅動的系統工程方法(MBSE)既提供了一種統一的體系設計模型語言，便於項目組員之間溝通確認，又提供了一種經驗累積和可重用平台，提高了效率，積累的模型數據可作為組織的資產供後續項目使用。基於模型的體系設計過程通過從組織級的模型/需求庫中獲取已有的模型來提高當前設計的效率。組織可通過建設體系模型平台，在基於MBSE，在體系設計工具環境下，以模型驅動，將體系需求形式化表述，並通過模型邏輯分層逐次落實到設計過程，保證體系設計的一致性、嚴謹性、可閉環驗證性、可追溯性和瀑布迭代擴展性。

3.流程貫穿(Process centered)

流程是指體系為完成使命任務，各組分系統運行與交互的實例，是體系使命任務達成的途徑。流程設計需要考慮合理性、高效性和安全性，可基於網絡計劃圖或Petri網等流程建模方法來設計相應的流程建模工具，用來建立和評價流程的合理性與效能，也可設計面向領域的流程編排工具與流程仿真工具來展示流程設計的效果，並評估流程的效能。

4.生命力支持(Survive support)

體系生命力理論是指體系在遇到外界干擾時，能夠通過自身的動態改變來抵消干擾，持續保持體系完成使命任務的能力。生命力理論與傳統的可靠性理論的核心區別在於，傳統的可靠性理論在部分系統故障後，體系停止工作進入維修流程，故障修復後體系重新開始工作，而應用生命力理論後，體系通過在線調整的方式來應對故障，而不停止工作，從而大大提高了體系的可用性。

5.數據驅動(Data Driven)

數據是獲取能力需求(C)的來源之一；數據是基於模型的系統工程(M)方法中構建模型的基礎，數據是體系流程(P)優化的依據，數據也是構建虛擬空間體系時，提煉知識，構建虛擬映射模型的基礎，因此數據驅動了整個體系構建與體系演化過程。

作者：張宏軍 韋正現 黃百喬

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