複雜工程系統的典型範例-航空母艦航空指揮和保障系統_風聞

航空母艦作為國之重器，是大國海軍的重要標誌，也是現代海軍作戰力量的核心。而航空指揮和保障系統作為“艦-機”協同的紐帶，直接影響航空母艦艦載機作戰能力的提升，其核心指標是“艦載機出動架次率”。航空指揮和保障系統涉及母艦、艦載機、指揮和保障設施及人員等多個複雜平台，是一類典型“人機環”協同的複雜工程系統。

本文首先系統分析了航空母艦的發展歷程，圍繞艦載機運用模式和特點，總結了航空指揮和保障系統內涵和特徵，重點闡述了航空指揮和保障在架次率生成中發揮的作用，並以系統工程理論方法為指導，以工程實踐為基礎，全面總結和梳理了航空指揮和保障系統設計理論方法，為複雜工程系統理論方法的再發展提供了有力支持。

一

航空母艦的歷史演變與特點分析

世界一流的國家都擁有一流的海軍，而一流的海軍必須擁有一流的艦載航空力量。航空母艦在20世紀的出現，既改變了海戰史，也改變了世界格局。航空母艦的發展是和艦載機、動力技術、電子設備、武器裝備的進步以及相關材料和信息技術的發展分不開的，而這些技術和裝備的有效組織和形成能力，又與系統科學和系統工程的發展息息相關。

1.航空母艦歷史演變

縱觀航空母艦發展的整個歷程，劃分階段或類別的方式有很多，可以按照艦船的改裝、新建，也可以按照噸位大小，也可以按照動力裝置的變化，也可以參照艦載機的升級換代，甚至可以按照起飛方式等，但是歸結起來，一般可劃分成四個階段。

初期改裝的航空母艦可以稱為第一代航空母艦，這一代航空母艦主要是用貨船改造的，甲板是木製的，飛機以雙翼為主；第二代航空母艦是在總結飛機上艦各方面不足的基礎上，專門為作戰飛機上艦建造的，單翼飛機開始變成主流，1922—1945 年建造的航空母艦已初具規模，並在第二次世界大戰中大顯身手；第二次世界大戰後建造的現代航空母艦為第三代航空母艦，以噴氣式飛機、預警機上艦和核動力裝置為特點，以尼米茲級為重要標誌；“福特”級航空母艦的出現，開啓了第四代航空母艦的序幕，以信息技術為支撐，在智能、無人機應用上開始新的海上霸主競賽。

1）第一代航空母艦

飛機上天，把陸戰發展到空戰，法國大發明家克萊門特·艾德爾在《軍事飛行》一書中第一次描述了載機母艦的概念，從此開始了航空母艦的發展歷程。

1910年11月，美國飛行員尤金·埃利首次駕駛“柯蒂斯”雙翼機從巡洋艦“伯明翰”號前部加裝的平台上實現了起飛；次年1月，埃利駕駛飛機又在停泊狀態的裝甲巡洋艦“賓夕法尼亞”號後部加裝的平台上利用飛機尾鈎鈎住制動索着艦成功，這兩位勇士的歷史性起飛和降落，證明了在艦上起降飛機的可行性，標誌着航空母艦雛形的誕生。

在第一次世界大戰中，英國海軍首先開始了航空母艦的改裝研製工作。他們將一艘運煤船改建成航空母艦，命名為“皇家方舟”號（見圖1）。雖然從時間維度上看，“皇家方舟”號可以稱得上是世界上最早的航空母艦，但嚴格地説，“皇家方舟”號搭載的是能在水面起降的水上飛機，由母艦上的起重吊杆將飛機吊到水面然後起飛，飛機在水面降落後將其吊回到甲板上，所以它其實是“水上飛機母艦”，而不是真正意義的航空母艦。

1918年，第一次世界大戰後期，英國海軍將一艘大型巡洋艦“暴怒”號（見圖2）的前、後甲板上的主炮塔拆除，鋪上木製的飛行跑道，以甲板中部的上層建築為界，艦首的跑道供飛機起飛，艦尾的跑道供飛機降落。“暴怒”號因此成為最早出現的由軍艦改裝而成的、具有飛機起降功能的航空母艦。由於艦載機的起飛跑道和降落跑道分開鋪設，使得在一艘本來長度就極其有限的航空母艦上，起飛和降落的兩個跑道都顯得過於短小，只有為數極少的特別優秀的飛行員駕駛易於操縱的小型飛機，才能完成艦上的起降作業。同時，分段設置的跑道也不利於搭載更多數量的艦載機。

圖1 “皇家方舟”號航空母艦

圖2 “暴怒”號航空母艦

人們很快便找到了解決這個問題的有效辦法，那就是去除兩段跑道中間的上層建築。1918年9月，英國海軍將正在建造的一艘客輪改裝成具有全通式飛行甲板的航空母艦“百眼巨人”號（見圖3）。在改裝中將“百眼巨人”號原有的煙囱全部拆除，改裝成從主甲板下面通向船尾的水平排煙道。由於整個飛行甲板非常平坦、空曠，幾乎看不到任何上層建築，因此，這種全新模式的航空母艦，又稱為“平原式航空母艦”。

圖3 “百眼巨人”號航空母艦

美國人奮起直追，於1922年把一艘運煤船改裝成了美國海軍的第一艘航空母艦—“蘭利”號，與“百眼巨人”號一樣，它也是一艘典型的平原式航空母艦，艦體的最上方是寬闊平坦的全通式飛行甲板。整個軍艦的上部用支架撐起一個飛行平面，就像一輛“帶篷馬車”一樣。煙囱被放倒，桅杆被拆除，指揮塔被佈置在全通甲板的下面。

從“百眼巨人”到“蘭利”號，英美兩國海軍經過艱難探索和反覆試驗，終於相繼改裝出了第一代航空母艦，這在世界航空母艦發展史上是一個里程碑。第一代航空母艦都是用其他的軍用或民用艦船改裝而成的，是因為當時各國海軍對這種新型艦種應該具有一個什麼樣的模式缺乏明確的認識，因此這些軍艦的改裝過程，帶有明顯的試驗性質。但多次改裝試驗所帶來的經驗和教訓，必然會使具有真正意義的航空母艦誕生。

2）第二代航空母艦

經過多年探索，特別是經過第一次世界大戰中海戰的檢驗，當時的海洋強國在航空母艦的設計、建造和使用等方面，都積累了很多經驗，也汲取了很多深刻教訓，對下一代航空母艦的本質有了一個更為清晰的認識。第二代航空母艦才開始是真正為適應搭載作戰飛機的需要而專門設計建造的，因此，稱為具有“純正血統”的航空母艦。

1922年12月，日本帝國海軍的第一艘航空母艦—“鳳翔”號誕生了（見圖4），它被認為是世界上第一艘真正的航空母艦。“鳳翔”首次採用了島式上層建築，一個小型的塔式艦橋被設置在飛行甲板的右舷，其上面帶有三角桅杆。在島式建築的後面，有三個可同時向外側排放的煙囱。但是，新事物的探索總是歷經坎坷，1923年，經過試航後，日本人認為該艦的飛行甲板比較狹窄，島式上層建築在艦載機起降時非常礙事，遂決定拆掉島式上層建築。這樣，第一艘“純正血統”的航空母艦“鳳翔”號又退回到第一代航空母艦的平原式。

圖4 日本“鳳翔”號航空母艦

英國不甘落後，推出了全新的“競技神”號航空母艦（見圖5）。這艘航空母艦採用封閉式艦首，在巨大的全通式飛行甲板上，一個環繞着煙囱的大型艦島被配置在艦體的右舷。由於“鳳翔”號的半路夭折，“競技神”號航空母艦實際上成了第一艘真正採用島式上層建築的航空母艦，此後，世界各國新建造的航空母艦，幾乎都採用了類似的島式結構，並且一直沿用至今。

圖5 英國“競技神”號航空母艦

在新型航空母艦發展的熱潮中，各國海軍到第二次世界大戰前夕已建有相當數量的航空母艦，比第一次世界大戰結束時翻了將近一番。在建造這些航空母艦的過程中，人們已經認識到，由於全通式飛行甲板是沿船舶首尾正向直通的，艦載機無法同時起飛和降落，致使起飛回收輪轉很慢，艦載機的出動架次率很低，飛機作用發揮不顯著。為了解決這些問題，人們開始考慮將飛行甲板劃分成起飛區和降落區，但如何在更短的距離上起飛成為難題和焦點。於是，當時由於飛機質量小、起飛距離短而未受重視的兩項關鍵技術—彈射器和阻攔裝置開始大顯身手了，使得飛機的出動架次率得到顯著提升。

航空母艦在戰爭中初建功勳是1940年11月11日，英國海軍的“光輝號”（見圖6）航空母艦出動魚雷轟炸機編隊攻擊了塔蘭託港內的意大利海軍並且擊沉一艘，擊傷三艘戰列艦，此舉使美國等海上強國意識到屬於航空母艦時代真的來了。

圖6 “光輝”號航空母艦

經過第二次世界大戰的洗禮，航空母艦備受各國青睞，航空母艦的主要形式、關鍵設備和飛機的起降方式及基本的作業規則開始成型了，也為未來航空母艦的發展奠定了堅實的基礎。

3）第三代航空母艦

第二次世界大戰後，隨着各類新型技術的不斷出現，航空母艦的發展也進入一個新的階段，雖然航空母艦的數量少了，但在技術性能和功能作用上邁上了一個新台階。噴氣飛機、核動力和導彈等技術的發展，既顯著提高了航空母艦的戰鬥力，又對航空母艦的生存能力提出了新的挑戰。

1946年7月，第一架“鬼怪”噴氣戰鬥機在美國海軍“羅斯福”號航空母艦上彈射試飛成功。這種在質量和航速方面都比螺旋槳飛機高好幾倍的噴氣飛機使航空母艦面臨着嚴峻的考驗，引發了多種航空母艦甲板和關鍵設備的新變化。

首先，由於噴氣飛機的速度較快，萬一飛機的尾鈎沒有鈎住阻攔索，高速前衝的飛機將會撞壞前端待飛的其他飛機。1951年8月，英國海軍航空局創造性地提出了斜角甲板的設想，即讓中後部飛行甲板與艦體中心線呈10°斜角突出於左舷。這樣，飛機着艦時如果尾鈎未能鈎住阻攔索，飛行員可以從斜角甲板上重新拉起復飛，避免了與甲板前部的飛機相撞。1952年2月試驗取得圓滿成功後，這一成果很快被推廣到其他國家的航空母艦上。這也導致了降落方式由飛行員收油門到開加力、大攻角的轉變。

其次，它導致了新型彈射器的問世。由於飛機質量的增加，預警機等大飛機的上艦，給彈射飛機帶來了更高的要求，於是從液壓彈射器到蒸汽彈射器就成了必不可少的需求。彈射器的研製在當時有很高的技術門檻，“滑躍”起飛甲板的出現，使飛機在滑行通過這段上翹斜坡時能產生一個向上的動量，實現滑躍起飛。英國、意大利、西班牙和印度等國的航空母艦上都曾設有這種“滑躍起飛”斜坡，俄羅斯的航空母艦“庫茲涅佐夫”號是成功應用這一成果的典範。我國的遼寧艦和山東艦也採用了這種方式。

最後，它促進了航空母艦助降手段的不斷進步。在噴氣飛機出現之前，飛行員依靠引導官手中的信號旗來着艦。噴氣飛機上艦後，其較高的接地速度使經驗豐富的引導員也無法勝任工作，飛機降落事故頻頻發生。為此，人們苦苦尋找着新的助降辦法，從反射式助降鏡到“菲涅耳”透鏡式光學助降鏡，再到助降雷達，並在飛機上裝備了相應的接收設備，組成了“全天候光學雷達助降系統”。自此，艦載飛機在任何時候、任何氣候環境下都能連續不斷地降落到航空母艦甲板上。

航空母艦是個高耗能的海上“巨無霸”，如何實現無限航程和隱身等目標，核動力無疑成為最佳選擇。1961年，世界上第一艘核動力航空母艦—美國海軍9萬噸級的“企業”號正式服役，把航空母艦的發展推向了一個新高度，企業號也是向第三代航空母艦的標誌艦“尼米茲”級航母（見圖7）過渡的關鍵一級，也是該級唯一的航空母艦。

在航空母艦的若干關鍵技術和裝備逐漸成熟的過程中，雖然短暫的也有短距起降艦載機航空母艦的出現，但當時還是以美國“尼米茲”級和蘇聯“庫茲涅佐夫”號（見圖8）為代表的第三代航空母艦成為主流。

圖7 “尼米茲”號航空母艦

圖8 “庫斯涅佐夫”號航空母

4）第四代航空母艦

美國CVN78被正式命名為“福特”級首艦“福特號”（見圖9），雖然該航空母艦看起來與“尼米茲”級沒有多大區別，二者的排水量相差僅不到一萬噸，但是“福特”級的高強度出動架次率達到270架次，比“尼米茲”級的230架次高出40架次，之所以被定義為新的一級航空母艦，這是美國航空母艦向後信息化、體系化、智能化裝備轉型的標誌，也是未來海戰轉型的開端，該級航空母艦，可以像“變形金剛”一樣應對未來多樣化的海戰。

圖9 “福特號”航空母艦

“福特號”是以搭載超隱身F-35艦載機和無人飛機，裝備電磁彈射、渦輪電力阻攔、全自動着艦、一體化核反應堆、帶狀電力分配系統、有源相控陣和信息柵格技術為重要標誌的新一代航空母艦，該型航空母艦不僅在裝備性能上逐漸向智能化方向演進，更重要的是它開啓了新型海上作戰模式。“福特”級已經服役一艘，在建兩艘，這級航空母艦將如何引領第四代航空母艦的發展我們拭目以待。

2.航空母艦艦載機運用模式和特點分析

現代航空母艦排水量大、艦載機多、現代化程度高，是海上力量的中堅，其作戰能力和特點主要體現在以下幾個方面。

1）艦載機升空能力

雖然航空母艦最多可搭載80餘架固定翼飛機，但由於飛行甲板的限制以及起飛回收轉換的要求等，使得並非所有的艦載機都能同時投入戰鬥。美國的“尼米茲”級航空母艦在艦橋前可停放26架飛機，艦橋左可停放12架飛機，斜角甲板左舷後突出部可停放6～7架飛機。放飛與回收時飛機停放區有所區別，但停放總數為45架。停機區可停放飛機的總數決定了一次回收飛機數量的上限，也決定了航空母艦一個出動波次最多出動飛機的數量。所以一般每個出動波次最多可出動40～45架飛機。F-14戰鬥機主要用於空戰，F/A-18雖為多用途機種，但戰鬥型與攻擊型轉換時間長達40分鐘到1小時，新的E/F型也要30分鐘。所以，航空母艦的設計決定了飛機的升空數量極限。

2）飛行作業方式

航空母艦飛行活動組織指揮的基本方式一般有兩種：連續作業和集中作業。無論是哪種作業方式，並行作業和交叉作業都很多，對高效運用飛機和指揮保障裝備都提出了很高的要求。

連續作業是指一個飛行週期未完，又插入另一個飛行週期，飛行週期首尾相交重疊，以此延續。其優點是航空母艦編隊可長時間在空中保持一定的制空能力，從而維持戰鬥行動的連續性；缺點是相鄰兩個飛行週期相互制約，均不能太長，一般為70～90分鐘，最長為105分鐘，不利於實施遠程攻勢行動；每個飛行週期只能容納12～16架飛機，攻擊力不足；甲板操作週期短，航空母艦必須頻繁轉向利於飛機起降的航向，嚴重影響編隊在主航向上的平均航速及隊形的保持，也使編隊燃油消耗增大；甲板作業時間機動餘量少，甲板長期佔用，人員易疲勞。

集中作業是指兩個相鄰飛行週期之間，隔以相對集中和獨立的甲板操作週期，相互沒有交叉。其優點是每波出動的飛機可多達40～45架，力量集中，攻擊力強，可飽和對空攻擊或防禦；相鄰兩個飛行週期互不影響，飛行週期可長達200分鐘以上，可實施1000千米以上的遠程攻擊作戰；甲板操作週期長，航空母艦轉向戰鬥航向的次數少，持續時間短，航空母艦可保持較高主航向平均航速，編隊隊形保持好，節省燃油。缺點是除少數大航程預警反潛機外，編隊在外防區的空中作戰巡邏和中防區的對海作戰巡邏有較長間斷，作戰行動不連續，使編隊的對空對海防禦體系出現空隙，雖然可以用甲板待戰方式予以彌補，但反應時間較長，且與艦空導彈協同困難；飛行週期固定，不利於執行多種任務；每個攻擊波次準備時間較長，有時長達4小時。

3）架次率

艦載機架次率是指合理配置並高效使用母艦各類資源，包括指揮員、飛行員和勤務人員，保障艦載機在一定條件下執行各種飛行任務的能力，航空母艦的核心任務就是保障架次率的高效、安全運轉。

架次率是決定航空母艦作戰能力的核心指標，根據作業方式不同，一般分為連續出動架次率和集中出動架次率以及高強度出動架次率，美國的“福特”級航空母艦連續出動架次率（12小時）達160架次，高強度出動架次率（24小時）高達270架次。這些高架次率指標的實現需要不同作業的有序銜接，需要上千人和設備的高效協同和分層指揮，並不是一個指揮官指揮全部，而是預先設定好的作業規則的共同遵守和每個智能體（包括人）的自組織協作，在若干智能體的有效協作下，才最終完成架次率的整體目標。這與人的訓練程度、協同能力和應急處置能力，以及環境適應性能力都直接相關，這些相關性都會給複雜工程系統帶來不確定，因此如何識別和管理這些不確定性，就是複雜工程系統最有意義的研究內容。

4）起飛和回收能力

美軍每艘航空母艦裝有4部蒸汽彈射器，以“尼米茲”級的MKC-13-1型蒸汽彈射器為例，其動力衝程為84.5米，滑機長度近100米，能彈射近40噸重的飛機，彈射加速度3～4g，飛機離艦速度達到175節，每彈射一次消耗淡水1.5～2噸。每個起飛位彈射一架飛機要1分鐘至1分15秒，如放飛一個20架飛機的攻擊編隊，從技術角度計算需25分鐘，而實戰中整個攻擊波次彈射起飛需32分鐘以上。

飛機着艦包括雷達、燈光和阻攔索等一系列裝備構成完整着艦引導系統，美國航空母艦的回收能力可以達到30秒一架飛機着艦。目前全自動着艦技術也已經工程應用，這使得以前要求飛行員着艦時必須動作規範、準確，飛機尾鈎必須掛在中心線左右各2～3米的範圍內，否則會造成飛機的偏心偏航的問題逐漸成為歷史，對飛行員的培養和裝備的維護保障都可以大大降低。

5）飛行員輪飛能力

飛行員的能力保持和疲勞強度都是戰鬥力的關鍵因素，美國航空母艦艦載機與飛行員是按1∶1.5的比例編配的。要求100% 的飛行員具有夜間彈射起飛和夜航能力，其中50%～60%有夜間着艦能力，美軍在必要時釆取黎明前彈射，天亮後進行着艦的方法來彌補飛行員不能夜間着艦的不足。每名飛行員的出動強度為2次/日。但為保持飛行員的着艦能力，即使沒有作戰任務，飛行員每3天也必須彈射、着艦一次，這是輪飛要求。艦載機飛行員對心理素質和身體素質的要求都較高，因彈射、着艦加速度的影響，培養時間長，服役時間一般都不長。

6）航空母艦航向影響

艦載機起飛質量一般為20～35噸，使用彈射器起飛離艦時速度 達155～157節，加速度達3～4g，已近人體承受極限。為減少對飛行員的身體損害，也為減輕彈射器的磨損，航空母艦通常採用逆風放飛的方式。風速加航速的合成風速可達30～50節，使飛機彈射末速度可降為100～125節。逆風放飛要求航空母艦在放飛和回收時均轉向逆風航向。3萬噸級航空母艦轉向360°，大約需14分鐘，6～10萬噸級，所需時間更長。一般主航向上飛機起飛和回收，航空母艦平均航速在10～16節，遠低於30餘節的最高航速。

7）防禦反應時間

艦載機對空作戰的主要樣式有攻勢防空和防禦性防空。攻勢防空時，E-2C預警機對各類目標的探測距離及為巡邏區的 F-14戰鬥機提供的預警時間分別為：高空轟炸機（0.85馬赫），740千米、39分鐘；低空攻擊機（1.2馬赫），460千米、12分鐘；低空巡航導彈（0.85馬赫），270千米、11.5分鐘。防禦性防空時，甲板待戰的反應時間=起飛時間+截擊時間，大約為8.5分鐘。而這段時間，敵攻擊機將以0.8馬赫，戰鬥機以1.6馬赫向航空母艦接近136～272千米。存在着甲板待戰狀態截擊反應時間不足的危險，這都要求系統站位和流程設計的優化。

8）勤務保障能力

飛機的起飛前後檢查、轉運、維修等時間都是影響戰鬥力和架次率的重要指標，包括各類資源的儲量也是影響飛機架次率的制約因素。

航空母艦對各類物資需求量大，最基本的需求有油料、彈藥、食品、淡水和技術支援等。航空母艦的油料需求主要分為航空燃油和艦用燃油兩大類。美國的核動力航空母艦隻攜帶航空燃油9000噸，常規動力航空母艦裝載航空燃油7800噸，艦用燃油8000噸。艦載機每架次消耗航空燃油8～12噸，以1架次/日出動強度計算，一個航空聯隊每天耗油700～800噸，航空燃油自持力為10～12天，以作戰儲量高於50%計，該儲量僅夠維持5～6天低強度飛機出動。

航空母艦彈射器每天消耗淡水多達200噸，航空母艦總用水量=生活用水+彈射用水+沖洗甲板飛機用水+消防備用水，約為900 噸/日。完全依靠航空母艦上的制淡水機，“美國”號航空母艦每天制淡水能力為1060噸，可以自給，但大量製造淡水意味着消耗燃油和燃油的補給要求增加。

彈藥儲量最多支持800～1000架次作戰飛行任務，自持力10～15天，在高強度作戰時自持力為1周左右。

二

航空指揮和保障系統內涵及特徵

通過對航空母艦作業能力和特點分析總結，可以知道航空母艦的飛機作業是一個“強實時高風險、強動態多約束、強彈性松耦合”的複雜大系統，如何解決對抗環境下的實時多變作業，是一個新的挑戰，其實質就是在解決複雜工程系統的複雜性和不確定性問題。艦載航空指揮和保障系統就是用於指揮和保障多型艦載機羣在航空母艦上的各類作業的工程系統，航空指揮和保障系統涉及數百個人員站位、多個作業階段、三百餘項作業活動，由上千台（套）系統/設備協同完成任務。航空指揮和保障系統是艦載機安全上艦和航空母艦形成作戰能力的核心，是一個典型的複雜工程系統。

航空指揮和保障系統作為複雜系統，具有以下複雜性與不確定性特徵。

1.強實時、準實時、非實時多型異構系統組成複雜。航空指揮和保障系統由上千台（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，如機務勤務與作業講評系統等。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差異，給複雜工程系統工程總體的管理與協調帶來非常大的複雜性。

2.需求、任務邊界、保障對象和環境的不確定性和非線性。航空指揮和保障系統作業流程複雜，包含多個作業階段，三百餘項作業活動，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，使得航空指揮和保障系統在需求、任務邊界和保障對象上存在很大的不確定性和非線性，而海上多變的作業環境也會給任務帶來很大的不確定性，需要對不確定進行管理和約束。

3.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。航空指揮和保障系統的運轉涉及數百個人員站位，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。

4.人員、場景、環境和系統多智能體協同多，系統湧現性需要合理控制和引導。航空指揮和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主體，主體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。多智能主體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，必須加以有效管理和引導。

5.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，環境適應性要求高。航空指揮和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、維修不同作業同時執行，在航空母艦的保障資源與空間位置有限的條件下，帶來的非同質作業之間在時間和空間上的衝突非常複雜，而且是時刻動態的變化，無法事先進行精確求解以預先安排。

正因為航空指揮和保障系統具有上述的複雜性和不確定性的本質特性，在開展航空指揮和保障系統工程研製過程中，採用傳統的降維解析與原型逼近的系統工程方法無法應對如此龐雜的複雜性與不確定性，促使我們本着大膽假設、小心求證的態度，按照對複雜性進行隱秩序的顯性表達，對不確定性進行有效控制管理，對湧現性進行有益引導的思路，展開了對複雜工程系統原理和設計方法新的探索。

三

航空指揮和保障在架次率生成中的作用

現代美軍為研究航空母艦作戰模式、探索新的艦載機運用方法，除總結幾次局部戰爭的經驗外，每年還開展各種類型的演習。1997年“尼米茲”號與第9航空聯隊開展的高強度演習持續了4天，每天持續24小時，共出動975個固定翼艦載機架次，其中包括771個攻擊架次，向想定目標投放了1336枚炸彈。根據此次演習收集到的數據，美軍系統分析了影響艦載機出動架次率生成的各項因素，主要包括母艦設施、艦載機、人員、物資和作業流程，航空指揮和保障作為母艦為艦載機完成航空作業所提供的各種手段，在其中佔據了顯著位置。

1.航空指揮和保障設施方面

演習中出現了一次2號彈射器進行零負荷測試（每隔24～48小時必須進行的測試）時，3號彈射器由於偏流板冷卻管故障無法使用，必須依靠4號彈射器單獨放飛8架艦載機的情況（一般使用2號彈射器時，1號彈射器所在飛行甲板區域用於停放艦載機，所以無法出動飛機）。雖然2號彈射器迅速完成了測試，沒有影響飛行作業的完成，但事後分析認為，如果2部彈射器同時故障且其中1部位於艦中部，將會影響航空母艦飛行任務的執行。

2.航空指揮和保障作業人員方面

演習開始前對航空聯隊和航空母艦的易疲勞人員進行了評估，其中航空聯隊、航空部門和飛機中繼級維修部門等2575名航空指揮和保障作業人員全部被評為易疲勞，佔全部易疲勞人數的89%。因此演習時各易疲勞崗位共增員194人，其中航空指揮和保障作業人員增加161人。事後分析認為，增員對此次演習至關重要，人員配置對架次率生成的限制僅次於飛行甲板保障作業。

3.在噴氣燃料、航空彈藥、航材備件等航空指揮和保障物資供給方面

演習中航空彈藥的消耗率最大，如演習繼續進行，則22小時後母艦上的航空炸彈將消耗殆盡；噴氣燃料消耗了最大容量的44%，而航空母艦為保持浮力控制，一般不在燃料低於20% 時繼續作業，否則必須向油艙注水；演習中航材備件的供應時間被人為設置為12小時，通過仿真模型分析，即使供應時間為數天也不會對飛行作業造成影響。

4.航空指揮和保障作業流程方面

飛行甲板保障作業是限制架次率生成的首要因素，其中航空彈藥轉運尤為突出。“尼米茲”級武器升降機分為兩種，下層武器升降機連接彈庫和機庫，上層武器升降機從機庫通向飛行甲板。“尼米茲”級最初設計時重點考慮了核武器的攜帶，為增加遭受打擊時核武器的生存概率，其武器升降機靠近中心線設置，這導致數量較少的上層武器升降機容易與飛機起降和調運作業干涉，因此演習中航空彈藥幾乎都是通過艦島前方的2號飛機升降機從機庫運至飛行甲板。在演習中，彈藥轉運多次由於海情、母艦轉彎或其他飛行甲板作業而中斷。美軍早先的經驗表明，飛行甲板上艦載機數量過多會導致甲板擁擠從而抑制架次率生成，本次演習中發現，飛行甲板的最佳艦載機數量為25架，佔尼米茲級飛行甲板艦載機停放理論最大數的31%。此次演習還嘗試了1小時、1.25小時、1.5小時和1.75小時等不同的甲板作業週期，並證明1小時甲板作業週期是非常難以實現的。圖10為美國“福特”級航空母艦艦載機保障作業流程。

在一系列戰爭和演習中，美軍分析得出了大量影響航空母艦艦載機架次率生成的因素，並有針對性地開展了優化改進，其中相當一部分集中在航空指揮和保障系統設計優化上。

5.航空指揮和保障作業指揮管理與調度方面

航空母艦上涉及航空指揮的中心包括塔台、管制中心、駕駛室、甲板降落站、起飛位等多個部位，是典型的多中心複雜系統設置，這也給系統設計和運行帶來諸多的挑戰。第二次世界大戰後美軍一直使用繪有飛行甲板圖的“顯靈板”（Ouija board）（見圖11）來表示飛機停放位置和所開展的加油、供電等不同保障作業。雖然這一簡單直觀的方法可以很好地輔助指揮員完成飛行甲板的指揮調度，但為了保證“顯靈板”正常工作，最多需要35名人員通過文字信息、語音、視頻監視甚至目視來獲取飛行甲板狀況信息。

計算機技術廣泛應用後，美軍研發了航空數據管理與控制系統（ADMACS），該系統的第一版Block 0於1998年完成，第一次為航空管制提供了信息顯示系統；第二版Block 1現已安裝到9艘現役航空母艦上，完成了與其他艦載系統的數據共享；第3版Block 2整合了綜合全艦信息系統（ISIS）、航空武器信息管理系統（AWIMS）、進場與着艦可視圖像系統（VISUAL）、先進彈射與回收控制系統（ALRCS）和作業規劃與信息系統（OPIS）等系統的功能；目前美海軍正在開發第4版。該系統實現了航空指揮和保障作業的信息化管理，通過統一存儲和分發確保了數據的唯一性，通過實現計劃和調度的智能決策、自動數據採集以及關鍵系統的整合，降低了指揮人員10%以上的勞動強度，有效提高了航空指揮和保障作業計劃制訂和執行的效率，使航空母艦艦載機出動架次率提高5%以上。

圖10 美國“福特”級航空母艦艦載機保障作業流程（豎屏查看）

圖11  美國航空母艦艦載機指揮調度“顯靈板”

6.飛行甲板保障作業方面

“尼米茲”級一波次艦載機着艦後，需要先集中停放在首部的臨時停放區，然後使用牽引車調運到靠近甲板邊沿的停機位後，才能開展加油、掛彈和機務檢查等作業。調運過程會耗費大量時間，且需要阻塞着艦跑道，如出現艦載機需要應急着艦的情況，將對整個波次的後續出動產生影響。為優化這一環節，“福特”級取消了一部飛機升降機，並將艦島後移，空出了首部和中部連續的大面積甲板，設置了18個一站式保障機務戰位，配置了相應數量的加油、供電等保障資源，從而類似一級方程式賽車維修站一樣，使艦載機無須調運即可在原位完成全部保障工作。圖 12為航空母艦艦載機甲板保障作業。

7.航空彈藥保障方面

“福特”級增加了一部上層武器升降機，並將飛行甲板阱口移至更靠近舷側的位置，同時在02甲板設置了航空彈藥臨時儲存區，從而可不經機庫進行彈藥中轉，減少了對飛機升降機的依賴，並避免了在“彈藥農場”（“尼米茲”級艦島右側用於大量存放航空彈藥的地方）中堆放大量彈藥，提高了飛行甲板作業的安全性。圖13為航空母艦艦載機掛彈作業。

圖12  航空母艦艦載機甲板保障作業

圖13  航空母艦艦載機掛彈作業

無論是現代普遍採用的連續出動，還是類似第二次世界大戰航空母艦對決那樣的集中打擊，都是根據作戰需求所可能採用的一種艦載機運用方式，本質上沒有優劣之分。而艦載機出動架次率是指完成特定作戰任務的出動架次數，由於不是單純的飛行次數，因此必須結合任務來整體衡量航空母艦的作戰能力，不能只看架次率數值的高低。同時航空指揮和保障也需要與合理的母艦資源配置、優化的艦載機設計和規範的作業流程標準等共同發揮作用，才能更好地促進艦載機出動架次率的生成。

四

航空母艦航空指揮和保障系統典型複雜工程系統特性分析

航空母艦航空指揮和保障系統作為典型的複雜工程系統，它對應的普適性複雜特性如下。

1.航空指揮和保障系統的二級系統有十餘個，三級系統有四十餘個，涉及子系統的層級、數目和變量都很大—系統具有高維數、大規模特性。

2.航空指揮和保障系統接受航空兵作戰、編隊作戰、本艦通信、導航等各類輸入信息上百種，同時向全系統上百個戰位輸出各類信息—系統具有多輸入、多輸出的複雜性和不確定特性。

3.航空指揮和保障系統的子系統間、設備間進行多種方式的並行、交互和轉換，隨着時間的推移，作業的熟練和衝突的優化，在整體上出現原先系統設計沒有涉及或考慮到的新特質—系統具有湧現性特性。

4.航空指揮和保障系統的作業通常是由大量的非線性裝備組合和相互作用所產生的，如不是一味地把飛機放飛出去就是好事，必須要考慮回收的能力極限和甲板轉換的時間，以及裝備人員長時間工作後的效率下降，這使得系統輸出不能通過系統輸入的簡單疊加來分析，複雜系統整體呈現出非線性的動態行為—系統具有非線性特性。

5.由於航空指揮和保障系統具有人在迴路的特點，致使系統在設計時性能或參數都由於人的因素而存在不確定性，而且系統內不同子系統或設備間的耦合作用多，工作時外部環境影響因素多，從而使大系統存在許多不確定性—系統具有不確定性特性。

6.航空指揮和保障系統是多中心、人在迴路、環境約束強的複雜系統，屬於典型的“人機環”大協同，這就要求協同的邊界要有足夠的彈性和容錯能力，以適應各類應激和突變，因此這類人在迴路的系統要具備一定的自然生態修復和有機演化能力—系統具有有機性特性。

7.航空指揮和保障系統由於多輸出、多輸入的特點，不同的控制目標、性能目標會相互影響，系統的輸出追求的是整個系統的平衡性，很少能達到最優，這就是系統的次優性特性。

綜上，航空指揮和保障系統具有典型的複雜工程系統的特性，而且該系統在國內外有非常豐富的案例和數據，因此以該系統為研究對象，是研究複雜工程系統的最佳選擇。

五

航空指揮和保障系統設計方法

傳統的複雜工程系統設計主要採用還原論的思想，即基於整體等於各部分之和的方法，將複雜系統分解成多個簡單系統。該種方法適用於複雜工程系統論證及設計階段，在對目標圖像缺乏足夠認知的情況下，有助於原型系統或樣機的研製。但該種降維解析的方法會帶來複雜工程系統交互性與整體性的流失。如對類似航空指揮和保障系統的“人機環”複雜工程系統，採用傳統的降維解析方法難以充分發現要素間的複雜耦合機理，加上多要素耦合對航空指揮和保障系統綜合效能的量化影響，從而無法實現對複雜工程系統進行真實全面的描述和分析。

為更全面準確地反映複雜系統的本質和全貌，筆者從過去的複雜系統工程設計經驗出發，用三種經實踐證明過的設計方法，即面向能力、基於架構和模型優化，從不同維度對航空指揮和保障系統設計進行比較，希望從中找到每種方法的特點和不足，同時本着在實踐中創新和在實踐中發展的態度，改革了從離散事件仿真到基於數據映射的流程仿真的LVC方法，解決了一些傳統方法無法解決的問題，增強了我們探索新方法、新理論的信心。

這四種方法分別如下。

1.基於面向能力的複雜工程系統頂層設計與評估方法（Capability- oriented Systems Design），簡稱“C”。通過深入研究和分解航空母艦出動架次率的頂層指標，探索異質信息綜合、不確定性因素量化、基於DOE設計的試驗評價、多層次指標體系構建、系統參數靈敏度分析等技術和方法，實現不同設計參考任務模式下的航空指揮和保障系統頂層指標的量化評估和均衡設計。本方法重點解決複雜工程系統頂層指標問題。

2.基於架構的複雜工程系統多視圖融合設計方法（Architecture-based Systems Design），簡稱“A”。由於航空指揮和保障系統的複雜性，只從某一角度來研究它的體系架構，難以反映該系統各個方面的特性及各個方面內在的有機聯繫。因此本方法以複雜工程系統的相關性和綜合性特徵為出發點，重點研究了多視圖模型融合的航空指揮和保障複雜系統體系結構設計方法，構建了一套以過程視圖為核心的功能視圖、信息視圖、資源視圖、組織視圖、能力視圖、系統視圖和環境視圖等相關聯的八維視圖模型及其融合機制。該方法重點解決複雜工程系統多視角下的架構平衡設計問題。

3.模型支持的複雜工程系統優化設計方法（Model-support Systems Optimization Design），簡稱“M”。解決複雜問題首先應將其分解為可獨立解決的子問題，該過程必須對複雜問題進行抽象描述，模型是描述問題的有效方法。模型支持的複雜工程系統優化設計方法通過建立數學模型，將複雜問題層層剝繭，梳理內部複雜的關係網絡，採用規劃模型、網絡模型、智能優化模型對複雜工程系統進行約束性描述和目標抽象，進而掌握問題的核心和本質，支持複雜工程系統仿真設計。該方法重點解決了複雜工程系統的優化問題，因此該方法也稱作模型優化（Model-optimization）方法。

4.數據驅動的複雜工程系統流程設計方法（Data-driven System Process Design），簡稱“P”。複雜工程系統的設計問題往往難以對目標函數的約束條件進行準確解析表示，此時要用純解析方法進行優化設計往往比較困難，在許多情況下甚至無法實現。傳統基於離散事件的計算機仿真方法也難以解決這類問題，經過大量實驗室仿真方法和結論的比較，構建LVC仿真平台，用流程鏈接離散事件，用數據映射流程，為我們提供了一條有效的解決途徑。通過仿真運行尋優複雜系統性能與系統參數間的映射關係，包括信息流、物資流、能量流等，根據所獲得的這些流程關係，以關注系統任務的完成度為目標，找出使綜合效能穩定的系統適應能力和設計參數，從而實現複雜工程系統的優化設計。本方法重點解決發現複雜工程系統運行過程中隱秩序的顯性化和流程關聯的湧現行為，而它們都是通過流程將複雜工程系統內部各成員部分連接起來而實現的，因此該方法又稱作流程連接（Process-connect）方法。

結合航空指揮和保障系統工程設計實踐，從解決系統複雜性角度出發，基於上述面向能力（Capability-oriented）、基於架構（Architecture-based）、模型優化（Model-optimization）和流程連接（Process-connect）的複雜工程系統設計的實踐和創新。我們用了近二十年的時間搭建並逐步完善了航空指揮和保障系統一體化綜合設計平台，在複雜工程系統方案論證、設計、評估、集成與驗證等設計過程進行了實踐，在四種方法的循環、交聯和迭代使用中進行着探索，通過對不同方法的實踐與比較，發現現有設計理論方法基本都是通過傳統還原論為主導思想的降維解析法來解決複雜性問題的，但都嚴重忽略複雜性的本質—複雜性和不確定性。在探索複雜工程系統複雜性和不確定性等特性分析方法時，我們發現不能固守原有的理論和方法，必須有所突破和創新。複雜系統的本質特性“不確定性”，是隨時間變化而產生的動態不確定性；同時，複雜系統的複雜性是在環境和對象上動態有機適應的。為此，我們慎重提出瞭解決複雜工程系統的問題本質就是要構建一套複雜系統適應性機制，制定一系列維持適應性穩定的規則。而該機制和規則制定的核心就是要引入有機和環境兩個要素加入複雜性研究的方法中，並通過數據實現動態反饋，變傳統的降維解析為新的映射升維，並大膽嘗試，開展了生命力支持（Survivability-support）、數據驅動（Data-driven）和環境協同(Environment-coordinate)的複雜工程系統新的設計方法研究，開創性提出了DE-CAMPS複雜工程系統設計方法，並對設計原理和方法向設計平台和科學理論轉變進行了展望，為複雜工程系統研究的發展，為系統工程向體系工程的發展做出了有益的探索。

作者：張宏軍，黃百喬，羅永亮，譚瑋

摘自《從降維解析到映射升維——複雜工程系統原理探索》

來源：轉自微信公眾號“體系工程”

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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