美國國防部體系工程(SoSE)指南解讀_風聞
Science_北京-不惧过往，不畏将来！2020-07-20 13:53
張宏軍等 
美國國防部在一些學者研究成果的基礎上，結合多個聯合作戰系統開發的實踐經驗，於2004年推出了體系的系統工程指南（Systems Engineering Guide for Systems ofSystems），下文稱“體系工程指南”，作為美軍聯合作戰體系開發的工程指導。
本文主要對該指南進行解讀，為我軍開展裝備體系設計的過程管理提供參考。
兩位重要貢獻者
縱觀美國國防部的體系工程指南，其主要內容離不開兩位研究者的研究成果。一位是邁爾（maier），一位是朱迪思·達曼（Judith Dahmann）。邁爾研究了體系與一般系統的本質區別，提出了體系的五大特徵，並對體系進行了分類，邁爾的研究成果對體系與體系工程學術領域產生了重要影響，在INCOSE的系統工程手冊中也引用了邁爾的體系特徵與體系分類。朱迪思·達曼是目前活躍在體系工程學術界的引領者，她提出了體系工程的核心元素模型，被美國國防部採納，作為本體系工程指南的核心內容，她還提出過體系工程的波浪（Wave）模型，揭示了體系不斷演化的特性。
邁爾的體系特徵與體系分類
《體系工程指南》的第一章“前沿”中對體系的概念定義、體系的分類和美國國防部目前主要在研的聯合作戰體系進行了介紹，主要借鑑了邁爾的研究成果；第二章描述了系統與體系的區別，從特徵、管理模式、操作環境和工程實施因素四個方面進行概要描述。
關於“體系”概念的定義存在着較大的爭議。因為系統本身定義為由相互關聯的子系統組成的，而體系也定義為由多個系統組成的系統集合，“體系”依然符合“系統”的定義，因此，體系是一類特殊的系統，但不是所有複雜系統都能稱為體系。於是研究人員把重點放在了體系與一般系統的本質區別上。
Mayer提出了區分體系和一般系統的5個特徵，分別是：
1）運行獨立性：即使體系解散了，成員系統依然能獨立運行且能發揮自己的用處；
2）管理獨立性：體系的成員系統有自己所有權和管理權；
3）進化式發展：體系的目標和功能會持續變化，因此體系不會顯示出完成的形式，進化會一直在路上；
4）行為湧現性：體系整體湧現出的行為能力不來自於任何成員系統，而這恰恰是體系設計的目的所在；
5）地理分佈性：體系的成員系統往往分佈在不同的地理環境，彼此通過網絡連接，只交換信息，不交換物質或能量。
邁爾也根據體系總體對成員系統的管控程度將體系分為4種類型。
1）虛擬型（Virtual）。體系缺乏中央管理機構和集中一致的中心目標，但虛擬體系必須依賴不可見的機制來維持運轉，會湧現出大尺度的行為，例如經濟體系；
2）協作型（Collaborative）。具有一致的中心目標，體系的成員系統間或多或少地通過自願協作的方式來達成中心目標，但仍缺乏中央管理機構。互聯網就是一個典型的協作體系的例子；
3）公認型（Acknowledged）。體系具有中央管理機構，但是中央機構對於成員系統並沒有完全的權力，成員系統保持其獨立的所有權、目標和資金。美軍的三軍聯合作戰體系便是典型的公認型體系；
4）導向型（Directed）。體系不僅具有中央管理機構，能夠對體系的成員系統進行指揮和控制，約束成員系統的發展。導向型體系是一種強管控的體系。從四種體系的定義來看，是否具有中央管控以及管控的力度是進行體系分類的依據。
體系工程與系統工程的區別
《體系工程指南》第二章從管理和監督、運行環境、體系構建實施過程以及工程與設計的考慮四個方面解釋了體系工程與系統工程的區別，對於理解體系工程管理的複雜性與實施過程的挑戰很有幫助。
在管理和監督上，系統的利益相關方是比較明確的，而體系的利益相關方首先分為體系與成員系統兩個層面，都擁有不同的利益相關者，而且利益相關者團隊各自都有自己的目標和組織背景。體系級的利益相關者可能對於成員系統的約束和發展計劃知之甚少，而成員系統的利益相關者可能對於體系的利益也並不關心，可能對於體系提出的需求賦予較低的優先級甚至可能抵制體系對系統的需求，因此，體系層管理團隊與成員層的管理團隊之間存在着複雜的利益權衡與博弈。而如果一個成員系統被包含在多個體系中，可能面臨的管理局面就更加複雜。
在運行環境中的單個系統，其任務目標是建立在結構化的需求上，或者與已定義的作戰概念和開發的優先順序相關的能力開發過程之上的，換句話説，在運行環境下，每一個單個系統都有其服務的重點和使命任務。而體系設計旨在創造超越獨立系統能力之外的能力，這勢必在功能上和信息共享方面對單個系統提出新的需求，而這些需求尚未在單個系統原有的設計中考慮。單個系統在考慮體系層面提出的新需求的時候一方面需要考慮對原有用户的影響，另一方面還需要考慮不同系統在命名規則、符號體系、交互規則和大量人機界面方面的不一致給體系的使用和培訓帶來的挑戰。總之，體系工程必須在體系的需求和單個系統本身的需求之間找到平衡。
在體系構建實施過程上，單個系統的採購一般只需關注於系統的生命週期和採辦類型定義的里程碑，一般通過單一的國防部項目管理和系統工程計劃來進行管理，而且能夠進行整個系統的測試和評估。而對於體系來説，體系包含多種處於不同開發階段的系統，包括原有的系統、開發中的系統、技術更新的系統、已過壽命期但仍使用的系統等。體系的管理者與系統的工程師們需要對現有的系統工程過程進行擴展或裁剪來滿足不同系統的獨特考慮，並滿足體系的整體要求。體系能力的發展或演變通常不取決於單一組織，而是涉及多個國防部項目執行辦公室、項目經理人，以及運行和支持的團體。這導致體系級的系統工程師的任務更加複雜，他必須掌握體系的成員系統的演進計劃，開發優先級及其不同步的開發計劃，以便規劃和協調體系內各成員系統逐步實現其目標。除此類開發挑戰外，根據成員系統的複雜性和分佈情況，可能難以或無法完全測試和評估體系的功能。
在工程和設計的考慮上，設計單個系統要考慮的重要因素包括邊界、接口以及性能和行為。系統邊界是一個很重要的概念，我們常説系統有明確的需求邊界，而體系則沒有。邊界是指界定系統範圍的功能界限，界限內屬於系統，界限外屬於外部環境，與系統的關係通過信息交互的接口來考慮。單個系統的性能和行為一般具有自主性，即主要靠系統自身的屬性，但其實也與環境中的其他因素有關，例如對通信、命令和控制的依賴。相比之下，體系的性能不僅取決於單個成員系統的性能，還取決於系統間端到端的組合行為。為使體系發揮作用，成員系統必須共同工作才能達到必要的端到端性能。因為能夠使體系達到所要求的能力要求的系統組合有多種，因此體系的邊界相對模糊。
朱迪思·達曼的體系工程核心元素
《體系工程指南》第三章與第四章以朱迪思·達曼提出的核心要素模型為主要內容，描述了體系工程在傳統系統工程之外的7個核心要素過程，如圖1所示。給出了7個核心要素過程執行的細則以及傳統的系統工程過程與核心要素過程之間的關係。這些內容來自於朱迪思·達曼的數篇論文成果。
圖1 體系工程核心要素模型
朱迪思·達曼的體系工程核心要素過程介紹如下：
1)轉換能力目標
能力目標是體系存在的必要性，體系能力目標是整個體系工程的總目標，因此如何將體系的能力目標分解為成員系統的需求是體系構建的關鍵。《體系工程指南》中舉例説明了能力目標的形式，如：
●提供衞星通信（MILSATCOM：軍用衞星通訊系統）
●提供全球導彈防禦（BMD：彈道導彈防禦系統）
●為所有客户提供單一的戰場空間視圖（SIAP：單一綜合航空影像系統）。
美國國防部的裝備發展已經由原來的基於威脅的需求開發轉變為面向能力的需求開發方式，這一點在前期對美國國防部的JCIDS的解讀中有過詳細描述。總之，能力是體系設計的總目標，通過能力目標轉換，才能獲得體系成員系統的開發需求，因此能力分解是體系工程的核心過程。
2)理解系統和關係
體系的能力目標是通過成員系統間交互與協作共同湧現出來的，因此成員系統之間的關係是體系設計的重要內容。
我們能首先想到的是體系的成員系統的功能以及功能之間的數據交換關係，《體系工程指南》中舉例美國海軍的NIFC-CA體系作為示例説明，如圖2所示。
圖2 美國海軍NIFC-CA體系數據交換示意圖
由於體系的特點，《體系工程指南》中還舉例其它重要的系統關係，包括：
●系統之間的組織關係（由誰負責系統的管理和監督？）；
●利益相關者，包括SoS和成員系統的用户以及體系設計工程師們的機構背景；
●資源關係（誰負責資助系統的哪些方面以及它們與SoS資助機構之間的關係）；
需求關係（成員系統的需求與SoS能力之間的關係是什麼？）；
●成員系統的開發過程和計劃與SoS之間的關係。
3)能力目標性能評估
體系工程的驗證與確認過程是評估體系的效能輸出對能力目標的滿足程度，因此該過程也是非常重要的。
體系開發過程中有兩個層次的測試，一個是開發測試和評估；一個是操作測試和評估。體系能力目標的性能評估主要在操作測試和評估層次，即在體系的成員系統開發完成後，在體系層進行體系整體的集成後開展體系能力目標驗證。
4)開發、演進和維護體系框架
體系一般都具有較為穩定的架構，體系的架構來源於現實的業務邏輯，而隨着業務目標的變化，體系的架構會隨之改變，需要持續維護，因此該過程也是體系工程的核心元素過程。
針對體系架構，美國國防部專門開發了一個架構框架描述標準，即DoDAF，前期我們也專門進行過解讀。《體系工程指南》中引用DoDAF的內容，指出架構包含：
●作戰概念，用户如何在作戰環境中使用系統；
●體系內部和外部系統的功能、關係和依賴性；
●端到端功能，數據流以及通信。
美軍的作戰體系框架，基本都是以OODA環和C4ISR為基礎的，OODA是指觀察、調整、決策和執行；4ISR分別對應指揮、控制、通信、計算機、情報、偵察與監視，C4ISR與OODA的對應關係如圖3所示。
圖3美軍作戰體系架構基礎框架示意圖
5)監測和評估變化
體系是持續進化的，沒有“完成”的模式。體系業務需求的改變，成員系統的升級以及非預期的湧現性的發現，都會帶來體系的進化，體系設計者需要隨時關注體系中的變化並評估變化對體系的影響，因此該過程也是體系工程的核心元素過程。
《體系工程指南》中指出，體系設計工程師們需要關注以下變更內容：
●持續監控建議的或潛在的更改，並評估其對SoS的影響；
●確定增強功能和性能的機會；
●排除或緩解SoS和單個系統的故障問題；
●與系統工程師就成員系統進行協商，以瞭解如何進行系統更改，以防止對SoS產生不利影響，反之亦然；
●在部署單個系統更新/更改時更新SoS產品基準。
監測和評估體系需求的變化過程是一個配置管理的過程，因此體系工程的實施部門應該建立規範的配置管理制度。
6)處理新需求和選項
一旦體系中出現新的需求，設計者需要分析需求的影響和優先級，並協調新需求的利益相關方共同處理，這項核心元素過程活動最終將形成一份用於使SoS不斷演進的技術規劃。
7)體系的協調升級
在發現和分析完體系新的需求後，需要對體系的升級工作進行計劃與組織。在執行計劃和完成體系升級的同時，體系工程團隊還需評估修改後的體系的新效能，還需要對為支持體系而對成員系統做出的變更進行測試和評估。
Dahmann核心元素模型中的7個核心元素過程，可以總結為兩個階段，即體系構建階段（1,2,3,4）,和體系的進化升級階段（5,6,7）。這正是體系生命週期的兩大階段。Dahmann在後續的研究中，根據體系進化升級的特點，還提出了體系工程Wave模型,生動展示了工程體系不斷髮現需求、處理需求，架構升級以及體系不斷進化的過程。
系統工程對體系工程的支持
《體系工程指南》第四章第2節，介紹了完整的系統工程的每一個過程階段與體系工程的7個核心元素過程之間的關係。系統工程過程包括：需求開發、邏輯分析、設計解決方案、實現、集成、驗證、確認、交付、決策分析、技術規劃、技術評估、需求管理、風險管理、配置管理、數據管理和接口管理過程。顯然，此系統工程過程參考了NASA的系統工程過程模型，如圖4所示。
圖4NASA系統工程過程模型
美國國防部體系工程試點項目
在《體系工程指南》附錄中，列舉了參與體系工程試點的體系項目，以及項目的基本情況介紹。通過這些項目可以看出美國國防部在落實聯合作戰道路上的雄心。這些項目包括：陸軍作戰指揮系統、空軍作戰重心（AOC）武器系統、彈道導彈防禦系統（BMDS）、美國海岸警衞隊（USCG）指揮與控制（C2）融合系統、通用航空指揮控制系統、空軍分佈式通用地面系統（DCGS）、國防部情報信息系統（DoDIIS）、未來作戰系統（FCS）、軍事衞星通信（MILSATCOM）、海軍一體化火控-防空（NIFC-CA）系統、國家安全局（NSA）項目、海軍水面戰中心系統工程項目、單一綜合空中圖像（SIAP）、SMC/EA：空間和導彈系統中心工程與建築管理局、太空雷達系統（SR IPO）、戰區聯合戰術網絡、戰區醫療信息項目。讀者感興趣可以閲讀參考。
總 結
美國國防部體系工程指南是美國國防部在開展聯合作戰體系工程研製過程中，結合學者的研究成果和傳統的系統工程方法，經過多個體系級工程實踐經驗的磨練而總結出來的指導方法。雖然該指南契合的是美國國防部的裝備採購和管理規範，未必完全符合我國的體系級裝備研製管理流程，但從技術層面上，其總結的體系工程核心元素模型以及體系工程的兩大階段，即構建階段和演化發展階段，對於我們開展體系工程理論和實踐應用研究具有很好的指導意義。
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創新體系工程基礎理論和方法
推動系統工程理論再發展