平行系統(tǒng)理論及其在抗輻射性能評估中的應(yīng)用探討

吳　偉，周　輝，陳　偉，趙　墨

(西北核技術(shù)研究所，西安710024；強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室，西安710024)

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平行系統(tǒng)理論及其在抗輻射性能評估中的應(yīng)用探討

吳偉，周輝，陳偉，趙墨

(西北核技術(shù)研究所，西安710024；強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室，西安710024)

回顧了平行系統(tǒng)理論的提出過程，總結(jié)了理論的具體內(nèi)容，介紹了理論的發(fā)展和應(yīng)用情況。通過分析抗輻射加固系統(tǒng)的特點，認(rèn)為運(yùn)用平行系統(tǒng)理論解決抗輻射性能評估難題在理論上是基本可行的。最后，提出了開展抗輻射性能評估平行試驗需要重點研究的幾個關(guān)鍵問題。

復(fù)雜系統(tǒng)；平行系統(tǒng)理論；ACP方法；抗輻射性能評估

復(fù)雜系統(tǒng)研究與復(fù)雜性科學(xué)是當(dāng)代國際前沿?zé)狳c研究問題之一，戴汝為稱其為一門“21世紀(jì)的科學(xué)”[1]，霍金也曾在2000年指出：“我認(rèn)為，下個世紀(jì)將是復(fù)雜性的世界?！盵2]自1945年生物學(xué)家貝塔朗菲(Bertalanffy)發(fā)表“關(guān)于一般系統(tǒng)論”[3]以來，眾多領(lǐng)域的研究人員努力擺脫自然科學(xué)還原論的研究方法，試圖從整體的角度研究系統(tǒng)的特性和演化行為，揭示復(fù)雜系統(tǒng)的自組織、自適應(yīng)和涌現(xiàn)(emergency)等復(fù)雜現(xiàn)象以及復(fù)雜系統(tǒng)“整體大于局部之和”的奧秘。系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)和復(fù)雜性的研究孕育出系統(tǒng)科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)哲學(xué)2個新興科學(xué)門類[4]，推動了復(fù)雜性科學(xué)[1，5-7]的研究熱潮，促進(jìn)了系統(tǒng)科學(xué)體系的建立。錢學(xué)森曾指出，系統(tǒng)科學(xué)體系的建立也必將影響其他現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，并促進(jìn)比較早建立的科學(xué)技術(shù)部門，如自然科學(xué)和社會科學(xué)。這種變革孕育著一場21世紀(jì)初的科學(xué)新飛躍，即一次科學(xué)革命[8]。文獻(xiàn)[9]總結(jié)了國外復(fù)雜性科學(xué)和國內(nèi)系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展歷程，如圖1所示。文獻(xiàn)[10]總結(jié)了中美歐復(fù)雜性科學(xué)研究的代表理論，即國內(nèi)錢學(xué)森提出的“開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)及其方法論”[11]，國外以美國圣菲研究所(Santa fe Institute, SFI)為代表的復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)(CAS)理論[12-13]，歐洲以普利高津(I. Prigogine)[14-15]和哈肯(H. Haken)[16-17]為代表的遠(yuǎn)離平衡態(tài)的自組織理論。文獻(xiàn)[5]介紹了美國復(fù)雜性科學(xué)研究的5個學(xué)派，表1列出了各學(xué)派的代表人物、主要觀點和研究方向。文獻(xiàn)[18]從系統(tǒng)科學(xué)哲學(xué)的3種研究脈絡(luò)、復(fù)雜性的科學(xué)哲學(xué)研究、國內(nèi)外復(fù)雜性研究差異及未來研究展望3個方面，總結(jié)了中國系統(tǒng)科學(xué)和復(fù)雜性的哲學(xué)研究歷程。

圖1復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展歷程[9]Fig.1Developed course of complex systems[9]表1美國復(fù)雜性科學(xué)5個學(xué)派的主要學(xué)術(shù)觀點及研究方向[5]Tab.1Main academic views and research directions of the five schools of complexity science in the United States[5]

SchoolnameRepresentativeresearchersTheoreticaltoolComplexityofextractionMainresearchdirectionsSystemDynamicsForrester,Meadows,Senge,etal.OrdinarydifferentialequationInsystemOrganizationtheory,especiallylearningorganizationComplexAdaptiveSystemsCowen,Kauffman,Holland,Arhur,Casti,etal.PartialdifferentialequationInsystemEconomic,biological,cognitiveandothersystemsChaoticDynamicsNonlinearityResearchCenterInLosAlamosNonlinearordinarydifferentialequationInsystemPhysical,economicandothersystemsStructureBasisWarfield,Vickers,Piece,Polanyi,Piager,etal.westernformallogic,suchassettheory,relationtheory,graphTheory,etal.InthehumanbrainManagementtheory,especiallyinteractivemanagementAmbiguitySomeindependentstudyscholarsDisciplinescrossingand/orPostmodernistMethodologyUncertainSocial,scientific,languageandothersystems

在復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜性研究催生出許多新理論和新思想的同時，人們也在努力發(fā)展具體的研究手段和方法來解決實際問題。成思危認(rèn)為，研究復(fù)雜系統(tǒng)的基本方法應(yīng)當(dāng)是在唯物辯證法指導(dǎo)下的系統(tǒng)科學(xué)方法[5]。黃欣榮將復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜性研究的新方法歸納總結(jié)為隱喻、模型、數(shù)值、計算、虛擬和綜合集成6種具體方法[19]。為了尋求解決復(fù)雜系統(tǒng)控制與管理問題的新思路和新方法，王飛躍等針對社會管理與控制領(lǐng)域中，實際社會系統(tǒng)中不可準(zhǔn)確預(yù)測、難以拆分還原、無法重復(fù)實驗等復(fù)雜性問題[20]，將人工社會思想引入控制領(lǐng)域，提出以人工社會(artificial societies)、計算實驗(computational experiments)、平行執(zhí)行(parallel execution)方法(簡稱ACP方法)為核心的平行系統(tǒng)理論[21-22]。平行系統(tǒng)理論及ACP方法自提出以來，在多個領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，如交通物流、工業(yè)管理和軍事領(lǐng)域等。

本文試圖通過對平行系統(tǒng)理論及其應(yīng)用的分析和討論，探討將平行系統(tǒng)思想引入到抗輻射加固技術(shù)領(lǐng)域，以解決復(fù)雜系統(tǒng)抗輻射性能評估難題的可行性。論文首先回顧了平行系統(tǒng)理論的提出，并將理論的具體內(nèi)容概括為“一個框架、兩個假設(shè)、五個核心概念、一套實施方法”。其次，介紹了平行系統(tǒng)理論在社會管理與軍事等領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用情況。最后，討論了應(yīng)用平行系統(tǒng)理論解決復(fù)雜系統(tǒng)抗輻射性能評估問題的可行性，并提出了需要重點研究的幾個關(guān)鍵問題。

1平行系統(tǒng)理論簡介

20世紀(jì)以來，人們在研究社會時開始引入系統(tǒng)的思想，錢學(xué)森認(rèn)為社會就是由大量的復(fù)雜巨系統(tǒng)為子系統(tǒng)組成的一個巨系統(tǒng)[11]。然而與自然系統(tǒng)相比，社會系統(tǒng)是異常復(fù)雜的，因為社會既是物質(zhì)的又是思想的[23]。隨著計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于代理(agent)的人工社會研究方法逐漸成為研究社會問題的一種主流方法，Epstein和Axtell構(gòu)建的“糖之世界”[24-25]成為這種新方法的一個典范。受到人工社會研究方法和平行世界及多維空間等新思想的啟發(fā)，2004年，王飛躍等先后發(fā)表了多篇論文[22，24，26-29]，提出了解決現(xiàn)實社會系統(tǒng)的控制與管理難題的平行系統(tǒng)理論。文獻(xiàn)[21,30]對平行系統(tǒng)理論及ACP方法進(jìn)行了比較系統(tǒng)的闡述。

平行系統(tǒng)理論[30]的核心思想是：針對復(fù)雜系統(tǒng)，構(gòu)造其實際系統(tǒng)與人工系統(tǒng)并行互動的平行系統(tǒng)，目標(biāo)是使實際系統(tǒng)趨向人工系統(tǒng)，而非人工系統(tǒng)逼近實際系統(tǒng)，進(jìn)而借助人工系統(tǒng)使復(fù)雜問題簡單化，以此實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的控制與管理。該理論的具體內(nèi)容可以概括為“一個框架、兩個假設(shè)、五個核心概念、一套實施方法”。

1.1一個框架

一個框架是指平行系統(tǒng)運(yùn)行的基本框架[22]，如圖2所示。通過實際系統(tǒng)與人工系統(tǒng)的相互作用，完成對實際系統(tǒng)的管理與控制，對相關(guān)行為和決策的實驗與評估，對有關(guān)人員和系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)等等。平行系統(tǒng)運(yùn)行包括3個過程或操作模式，即學(xué)習(xí)與培訓(xùn)、實驗與評估、管理與控制。在學(xué)習(xí)與培訓(xùn)過程中，人工系統(tǒng)是掌握實際復(fù)雜系統(tǒng)的各種狀況以及對應(yīng)行動的學(xué)習(xí)平臺，同時又是管理和控制實際系統(tǒng)的培訓(xùn)平臺。在實驗與評估過程中，通過對人工系統(tǒng)進(jìn)行計算實驗，分析了解實際復(fù)雜系統(tǒng)的行為和反應(yīng)，評估不同的解決方案。在管理和控制過程中，通過人工系統(tǒng)與實際系統(tǒng)的平行執(zhí)行，對實際系統(tǒng)的行為進(jìn)行預(yù)估，為確定和優(yōu)化實際系統(tǒng)的解決方案提供依據(jù)。第一個過程不要求人工系統(tǒng)與實際系統(tǒng)進(jìn)行互動和平行執(zhí)行，后兩個過程則要求人工系統(tǒng)與實際系統(tǒng)必須進(jìn)行互動。需要指出的是，現(xiàn)實系統(tǒng)對應(yīng)的人工系統(tǒng)并不是唯一的，一個現(xiàn)實系統(tǒng)可以對應(yīng)多個人工系統(tǒng)。將平行系統(tǒng)的基本運(yùn)行框架嵌入經(jīng)典控制系統(tǒng)的基本框架，即形成平行控制的基本框架，如圖3、圖4所示。從經(jīng)典控制到平行控制，中間有一個自然的過渡，就是自適應(yīng)控制(也包括內(nèi)模控制)，如圖5所示[30]。

圖2平行系統(tǒng)運(yùn)行的基本框架[22]Fig.2Basic framework and processes for execution of parallel systems[22]

圖3經(jīng)典控制系統(tǒng)[30]Fig.3Classical control systems[30]

圖4平行控制系統(tǒng)[30]Fig.4Parallel control systems[30]

圖5自適應(yīng)系統(tǒng)[30]Fig.5Adaptive control systems[30]

1.2兩個假設(shè)

兩個假設(shè)是指兩個關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)的基本假設(shè)[27]，即1)相對于任何有限資源，在本質(zhì)上，一個復(fù)雜系統(tǒng)的整體行為不能通過獨立分析其各部分的行為來確定；2)相對于任何有限資源，在本質(zhì)上，一個復(fù)雜系統(tǒng)的整體行為不能預(yù)先在大尺度上(例如長時間或大空間)確定。第1個假設(shè)指出了復(fù)雜系統(tǒng)的整體論研究方法，第2個假設(shè)則強(qiáng)調(diào)了復(fù)雜系統(tǒng)行為的不確定性。文獻(xiàn)[31]又進(jìn)一步將第1個假設(shè)稱為不可分假設(shè)，第2個假設(shè)稱為不可知假設(shè)。文獻(xiàn)[30]指出：大家對第1個假設(shè)認(rèn)識比較一致，對第2個假設(shè)可能會有很多看法。而實際上，這兩個假設(shè)體現(xiàn)了復(fù)雜性問題的矛盾實質(zhì)。研究復(fù)雜系統(tǒng)要面臨許多矛盾，如要對不能建模的系統(tǒng)進(jìn)行建模、要對不能分析的東西進(jìn)行分析、要對不能預(yù)測的事情進(jìn)行預(yù)測等，這都是表面上的矛盾，反映了有限資源與無限需求之間永恒且本質(zhì)性的矛盾。解決的核心是“對立統(tǒng)一”的思想：對立是矛盾，問題是如何進(jìn)行“統(tǒng)一”？找到了如何統(tǒng)一的方法，也就找到了解決復(fù)雜系統(tǒng)問題的途徑[30]。文獻(xiàn)[31]將系統(tǒng)分成了牛頓系統(tǒng)、量子系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)3類，并補(bǔ)充了關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)的初步看法：針對“不可分”與“不可知”假設(shè)下的復(fù)雜系統(tǒng)，描述的“精度”必須從牛頓力學(xué)的“確定性”、量子力學(xué)的“隨機(jī)性”，進(jìn)入到復(fù)雜系統(tǒng)的“可能性”，如表2所列。

表2復(fù)雜系統(tǒng)分析的比較與認(rèn)識[31]

1.3五個核心概念

五個核心概念包括平行系統(tǒng)、人工社會、計算實驗、簡單一致、虛實結(jié)合。平行系統(tǒng)是指[22]由某一個自然的現(xiàn)實系統(tǒng)和對應(yīng)的一個或多個虛擬或理想的人工系統(tǒng)所組成的共同系統(tǒng)。人工社會是現(xiàn)實世界系統(tǒng)或社會在計算機(jī)世界的映射[32]，包括兩層含義：1)人工社會是一種自底向上建模的新范型；2)人工社會是對現(xiàn)實社會系統(tǒng)抽象及建模后的虛擬模型。平行系統(tǒng)論理論認(rèn)為[29]人工社會也是一種現(xiàn)實，是現(xiàn)實社會的一種可能的替代形式。計算實驗指的是基于人工社會理念的一種復(fù)雜系統(tǒng)研究方法，是仿真模擬的升華[33]。在計算實驗方法中，傳統(tǒng)的計算模擬變成了“計算實驗室”里的“實驗”過程，成為“生長培育”各類復(fù)雜系統(tǒng)的手段，而實際系統(tǒng)只是這個計算實驗的一種可能結(jié)果而已[28]。計算實驗不同于追求“逼近真實”的傳統(tǒng)仿真，而把計算模擬也看作是一種“現(xiàn)實”，是現(xiàn)實系統(tǒng)的一種可能的替代形式和另一種可能的實現(xiàn)方式。簡單一致是指對簡單事物往往會有一致的看法[27]。盡管人們?nèi)菀讓?fù)雜系統(tǒng)的整體行為的認(rèn)識產(chǎn)生分歧，但對相對簡單的人工對象的局部行為和模型的認(rèn)識往往能夠取得一致，從而對基于這些認(rèn)識較為一致的局部行為所產(chǎn)生的復(fù)雜整體行為也能夠理解和接受[27]，這就是復(fù)雜系統(tǒng)能夠采用自下而上研究方法的理論基礎(chǔ)之一。虛實結(jié)合是指將實際問題向虛空間擴(kuò)展，通過虛實互動完成復(fù)雜系統(tǒng)控制和管理的一種復(fù)雜系統(tǒng)和復(fù)雜性問題的研究思路[30]，圖6描述了平行系統(tǒng)理論參照復(fù)數(shù)空間構(gòu)成發(fā)展的虛實結(jié)合的復(fù)雜空間[30]。五個核心概念是平行系統(tǒng)理論范疇內(nèi)的概念。平行系統(tǒng)和人工社會體現(xiàn)了理論的建設(shè)或發(fā)展目標(biāo)，計算實驗體現(xiàn)了理論的方法論內(nèi)涵，簡單一致體現(xiàn)了理論的建模原則，虛實結(jié)合體現(xiàn)了理論的研究思路。

(a)Complex numbers　　　(b)Complex spaces圖6復(fù)數(shù)空間與復(fù)雜空間[30]Fig.6Complex numbers and complex spaces[30]

1.4一套實施方法

一套實施方法是指平行理論在實踐中運(yùn)用的ACP方法。ACP方法是指人工社會、計算實驗、平行執(zhí)行的有機(jī)組合[30]。該方法從提出到最終確立，經(jīng)歷了3年左右的時間。2004年正式提出平行系統(tǒng)理論；2005年在文獻(xiàn)[34]中首次將平行系統(tǒng)理論的主要方法簡稱為ACP方法，該文獻(xiàn)中ACP中的“P”指的是平行系統(tǒng)；2006年在文獻(xiàn)[31]中則將“P”修改為平行執(zhí)行；2007年王飛躍在IEEE Intelligent Systems發(fā)表了“Toward a paradigm shift in social computing: the ACP approach”一文[35]，確立了現(xiàn)在廣泛引用的ACP這一術(shù)語，并將ACP方法描述為：Artificial societies for modeling, computational experiments for analysis, and parallel execution for control，同時指出了ACP方法的哲學(xué)和科學(xué)基礎(chǔ)，如圖7所示。文獻(xiàn)[30]對ACP方法的概念進(jìn)行了深入描述。該方法是在錢學(xué)森、于景元、戴汝為提出的綜合集成科學(xué)思想和綜合研討廳體系技術(shù)的基礎(chǔ)之上，把信息、心理、仿真、決策融為一體，以可計算、可操作、可實現(xiàn)的方式為研究復(fù)雜性和控制與管理復(fù)雜系統(tǒng)提供了一個思路及方法。理念是通過ACP的組合，將人工的虛擬空間變成解決復(fù)雜問題的新的另一半空間，同自然的物理空間一起構(gòu)成求解“復(fù)雜系統(tǒng)方程”的完整的“復(fù)雜空間”，如圖6所示。新興的“互聯(lián)網(wǎng)”、“云計算”、“物聯(lián)網(wǎng)”等技術(shù)，是支撐ACP方法的核心技術(shù)。

圖7ACP方法的哲學(xué)和科學(xué)基礎(chǔ)[35]Fig.7Logical and disciplinary foundations for ACP approach[35]

與其他復(fù)雜系統(tǒng)理論或研究方法相比，平行系統(tǒng)理論有鮮明的特點，主要包括：1)對復(fù)雜系統(tǒng)“不可分”特征與“不可知”特征的認(rèn)識；2)現(xiàn)實系統(tǒng)向人工系統(tǒng)逼近的計算實驗方法；3)將計算模擬和模型看作是一種“現(xiàn)實”，是實際系統(tǒng)的替代形式和另一種可能的實現(xiàn)方式的觀點。這3個特點構(gòu)成了平行系統(tǒng)理論的基本觀點和理論基礎(chǔ)，特別是后2個觀點更是顛覆了一些傳統(tǒng)觀點或認(rèn)識。

2平行系統(tǒng)理論應(yīng)用

平行系統(tǒng)理論從2004年提出后，在多個領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用，發(fā)展了相應(yīng)的平行系統(tǒng)，文獻(xiàn)[30]對平行系統(tǒng)理論的應(yīng)用與研究進(jìn)行了深入討論。圖8列出了目前平行系統(tǒng)理論主要應(yīng)用領(lǐng)域及對應(yīng)的平行系統(tǒng)類型，包括平行管理系統(tǒng)、平行軍事系統(tǒng)、平行指控系統(tǒng)和平行情報系統(tǒng)。

社會與企業(yè)管理是平行系統(tǒng)理論研究和應(yīng)用的主要領(lǐng)域，目前發(fā)展的平行管理系統(tǒng)主要包括平行交通管理系統(tǒng)[30,36-38]、平行應(yīng)急管理系統(tǒng)[20，39-42]和平行企業(yè)管理系統(tǒng)[30,43-44]，其中，交通管理是平行系統(tǒng)理論最早應(yīng)用也是應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。中國科學(xué)院復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點實驗室針對城市綜合交通問題，共開發(fā)了4代的城市交通的平行與控制系統(tǒng)(PtMS)[30]，如圖9所示，其中，第4代PtMS 4.0在2010年亞運(yùn)會期間，成功用于廣州出租車和快速公交的管理和運(yùn)營。針對乙烯的長周期安全生產(chǎn)問題，從2005年起，復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點實驗室做了一個面向管理的人工乙烯生產(chǎn)系統(tǒng)[30]，包括平行培訓(xùn)PTS系統(tǒng)、平行評估PES系統(tǒng)和平行管理PMS系統(tǒng)，如圖10所示。在此基礎(chǔ)上，對管理制度進(jìn)行計算實驗，最終通過虛實結(jié)合對乙烯生產(chǎn)進(jìn)行平行控制和管理，并在中石化茂名公司進(jìn)行了試點應(yīng)用，取得了很好的應(yīng)用效果。城市綜合交通管理PtMS系統(tǒng)和乙烯長周期生產(chǎn)管理PTS-PES-PMS系統(tǒng)是應(yīng)用平行系統(tǒng)理論的2個比較典型的應(yīng)用案例。

圖8平行系統(tǒng)類型Fig.8Classification of parallel systems

圖9平行智能交通控制系統(tǒng)PtMS[30]Fig.9Parallel traffic control systems for ITS：PtMS[30]

圖10乙烯生產(chǎn)平行管理系統(tǒng)Fig.10Parallel control for management of ethylene production[30]

在軍事領(lǐng)域[33，45-51]，主要是通過構(gòu)建平行軍事系統(tǒng)來研究體系效能和涌現(xiàn)等行為，文獻(xiàn)[46]對平行系統(tǒng)理論在軍事領(lǐng)域的研究和應(yīng)用做了很好的總結(jié)。2012年6月在北京召開了主題為“ACP方法與平行軍事體系(SoPMS)”的第428次香山科學(xué)會議，圍繞平行軍事系統(tǒng)、平行系統(tǒng)技術(shù)、平行計算等中心議題進(jìn)行了討論和交流，并對多類平行軍事體系的應(yīng)用前景進(jìn)行了探討，使平行軍事體系的思想得到了廣泛關(guān)注[47]。值得一提的是，張育林、楊雪榕等針對軍事領(lǐng)域體系效能評估難題，提出了基于平行系統(tǒng)理論的平行試驗方法[49-50]，現(xiàn)已得到初步應(yīng)用[51-52]。平行試驗的基本原理是構(gòu)造一個人工系統(tǒng)及其使用場景和環(huán)境，擴(kuò)展現(xiàn)實中的物理試驗邊界，構(gòu)建物理試驗無法研究的體系，然后通過虛擬空間的計算試驗與現(xiàn)實中的物理試驗交互的方式，獲得系統(tǒng)運(yùn)用的可能效果，并為體系效能評估提供信息。圖11[52]給出了航天發(fā)射場平行試驗系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，包括航天發(fā)射場自然系統(tǒng)、人工航天發(fā)射場系統(tǒng)和運(yùn)行支撐系統(tǒng)。

此外，在情報學(xué)和指揮控制領(lǐng)域，也分別研究了平行情報系統(tǒng)[53-54]和平行指揮控制系統(tǒng)[55]的框架體系，提出了情報5.0和指控5.0的新概念?？傊?，平行系統(tǒng)理論自提出以來，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，日益受到復(fù)雜系統(tǒng)及復(fù)雜性科學(xué)研究人員的關(guān)注。但與廣泛的平行系統(tǒng)理論應(yīng)用性研究相比，平行系統(tǒng)理論本身的研究進(jìn)展較為緩慢。而且同其他復(fù)雜系統(tǒng)研究方法一樣，實踐檢驗問題同樣是平行系統(tǒng)理論及方法研究面臨的難題。

圖11航天發(fā)射管理平行試驗框架[52]Fig.11Parallel experiment framework for the space flight launch experiment management[52]

3　　　基于平行系統(tǒng)理論的抗輻射性能評估的

可行性分析

抗輻射性能評估是研究在規(guī)定的時間內(nèi)，采取了加固措施的系統(tǒng)在輻射環(huán)境中完成規(guī)定任務(wù)的能力問題，是目前抗輻射加固技術(shù)領(lǐng)域中的研究熱點和難點?？馆椛浼庸碳夹g(shù)研究關(guān)心的輻射環(huán)境均比較復(fù)雜，構(gòu)成要素多樣，無法在實驗室內(nèi)再現(xiàn)，如核爆輻射環(huán)境包括中子、γ射線、X射線、光輻射和電磁脈沖幾種要素，空間天然輻射環(huán)境則主要由高能電子、質(zhì)子、重離子等構(gòu)成。針對輻射環(huán)境多種構(gòu)成要素加固的系統(tǒng)或電子元器件，最可信的試驗評估手段就是現(xiàn)場試驗或空間飛行試驗。目前，現(xiàn)場試驗進(jìn)行核爆效應(yīng)研究難以實施，而進(jìn)行空間飛行試驗則需要高昂的成本。但如果不進(jìn)行抗輻射性能評估，就無法確認(rèn)加固手段的有效性，也就意味著無法正確使用加固的產(chǎn)品。雖然，國內(nèi)抗輻射加固技術(shù)領(lǐng)域?qū)馆椛湫阅茉u估研究給予了足夠的重視，但至今尚未發(fā)現(xiàn)有標(biāo)志性的技術(shù)突破。

平行系統(tǒng)理論及ACP方法的提出及發(fā)展為突破抗輻射性能評估提供了新途徑。特別是以評估體系效能為目標(biāo)的平行試驗方法，具有解決系統(tǒng)抗輻射性能評估的潛在優(yōu)勢。平行試驗方法以平行系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，以復(fù)雜系統(tǒng)及其與應(yīng)用場景和使用環(huán)境的相互作用為研究對象，以評估整個體系的效能為目標(biāo)。抗輻射性能描述的是一個系統(tǒng)在復(fù)雜或極端環(huán)境下完成規(guī)定功能或任務(wù)的能力，表征的是系統(tǒng)行為受輻射環(huán)境的影響程度，所以抗輻射性能評估也是體系效能評估的研究內(nèi)容。因此，根據(jù)基本原理，平行系統(tǒng)理論及平行試驗方法是適用于抗輻射性能評估問題的。

抗輻射性能評估的復(fù)雜系統(tǒng)具有“不可分”和“不可知”特征?？馆椛湫阅茉u估的復(fù)雜系統(tǒng)是指采取了加固措施的復(fù)雜系統(tǒng)。目前，對于采取了防護(hù)措施的加固系統(tǒng)，其具體抗輻射要求通常是針對單一輻射效應(yīng)。單一輻射效應(yīng)的抗輻射性能一般可以通過模擬試驗檢驗，但是，對于多種效應(yīng)共同作用時，系統(tǒng)的抗輻射性能則不具備試驗驗證條件。而在真實輻射環(huán)境中，系統(tǒng)的輻射損傷是多種效應(yīng)協(xié)同作用的結(jié)果，因此，單一因素的抗輻射性能驗證并不能代表系統(tǒng)的整體抗輻射性能。所以，采取了加固措施的系統(tǒng)抗輻射性能不能通過獨立分析單一因素抗輻射性能來確定，具有“不可分”特征。另外，系統(tǒng)因輻射損傷導(dǎo)致性能或功能下降是一個概率問題，比如，在空間天然輻射環(huán)境中，在軌衛(wèi)星的數(shù)字集成電路可能發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)，但是，由于系統(tǒng)采取了冗余等措施，發(fā)生少量的單粒子翻轉(zhuǎn)并不能導(dǎo)致系統(tǒng)功能或性能下降。因此，對于采取了加固措施的系統(tǒng)，其整體的抗輻射性能通常無法預(yù)先確定，具有“不可知”特征。

所以，根據(jù)平行系統(tǒng)理論和平行試驗方法的基本原理和應(yīng)用范圍以及抗輻射性能評估的復(fù)雜系統(tǒng)所具有的“不可分”和“不可知”特征，應(yīng)用平行系統(tǒng)理論及平行試驗方法解決抗輻射性能評估問題在理論上是基本可行的。

4　　　抗輻射性能評估平行試驗系統(tǒng)框架和

關(guān)鍵問題

根據(jù)平行系統(tǒng)理論和平行試驗方法的基本原理，抗輻射性能評估平行試驗基本框架，如圖12所示。根據(jù)系統(tǒng)科學(xué)的觀點，如果一個采取了加固措施的實際系統(tǒng)，在一個模擬系統(tǒng)工作的場景和環(huán)境中進(jìn)行物理試驗，那么這個實際對象加上模擬場景和環(huán)境以及所進(jìn)行的物理試驗，就構(gòu)成了一個物理試驗系統(tǒng)。同樣，與實際對象相對應(yīng)的人工對象在虛擬空間中的想定場景和環(huán)境中進(jìn)行計算試驗，也就構(gòu)成了一個計算試驗系統(tǒng)。物理試驗系統(tǒng)與計算試驗系統(tǒng)共同組成了抗輻射性能評估的平行試驗系統(tǒng)。物理試驗系統(tǒng)與計算試驗系統(tǒng)既相互獨立運(yùn)行，又互相關(guān)聯(lián)。物理試驗系統(tǒng)是計算試驗系統(tǒng)的一個子集，或者說物理試驗系統(tǒng)是計算試驗系統(tǒng)的一個實現(xiàn)。計算試驗系統(tǒng)的構(gòu)建旨在打破現(xiàn)實中的物理試驗限制，在“虛擬世界”中進(jìn)行各種想定條件下的計算試驗，獲得系統(tǒng)運(yùn)用的可能效果，為系統(tǒng)抗輻射性能評估提供信息。計算試驗系統(tǒng)不僅是現(xiàn)實世界中物理試驗系統(tǒng)的抽象和拓展，更重要的是能夠表現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)自組織、自適應(yīng)、涌現(xiàn)等特點。因此，從某種意義上可以認(rèn)為，以檢驗系統(tǒng)性能指標(biāo)為目的物理試驗系統(tǒng)是“死的”或“靜止的”，而具備自主演化能力的計算試驗系統(tǒng)是“活的”或“動態(tài)的”。

圖12抗輻射性能評估平行試驗框架Fig.12Basic framework for parallel experiment of the evaluation for radiation hardness

抗輻射性能評估平行試驗系統(tǒng)框架構(gòu)建之后，面臨的就是如何著手開展平行試驗研究。根據(jù)文獻(xiàn)[27]闡述的復(fù)雜系統(tǒng)研究所必須解決的4個關(guān)鍵性科學(xué)問題，即建模問題、實驗問題、決策問題和計算問題，開展抗輻射性能評估平行試驗需重點研究以下幾個關(guān)鍵問題：

1)抗輻射性能評估平行試驗系統(tǒng)構(gòu)建問題。平行試驗系統(tǒng)的構(gòu)建是首先需要解決的問題。由于很多輻射效應(yīng)最終是由電子元器件和集成電路的輻射損傷引起，因此，輻射環(huán)境中系統(tǒng)的易損性通常需要將系統(tǒng)層級劃分到器件級，即系統(tǒng)的層級劃分通常為全系統(tǒng)、分系統(tǒng)、關(guān)鍵設(shè)備、核心電子器件4個層級。此劃分帶來的問題就是由于器件數(shù)量與種類繁多，會導(dǎo)致系統(tǒng)層級劃分以及平行試驗系統(tǒng)的構(gòu)建異常復(fù)雜。

2)輻射與系統(tǒng)相互作用的行為建模問題。前文已經(jīng)介紹過實際的輻射環(huán)境構(gòu)成要素多樣，而不同構(gòu)成要素對系統(tǒng)的作用機(jī)制互不相同，如僅空間輻射效應(yīng)就包括電離總劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)、充放電效應(yīng)、中子位移損傷效應(yīng)等，其中，尤以單粒子效應(yīng)最為復(fù)雜，因為單粒子效應(yīng)本身又包括單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子瞬態(tài)、單粒子鎖定等多種類型，而不同效應(yīng)的作用結(jié)果也不相同。因此，輻射與系統(tǒng)相互作用的行為建模必須要掌握輻射效應(yīng)的物理機(jī)制。

3)計算試驗系統(tǒng)與物理試驗系統(tǒng)相互作用問題。計算試驗系統(tǒng)與物理試驗系統(tǒng)相互作用、相互補(bǔ)充是平行試驗的重要內(nèi)容。但在現(xiàn)實中，系統(tǒng)級的輻射試驗結(jié)果通常難以獲取，只能獲取分系統(tǒng)或關(guān)鍵設(shè)備，甚至只能得到核心器件的試驗數(shù)據(jù)，因此，2個系統(tǒng)的相互作用就只能在分系統(tǒng)級甚至在底層的器件級，也就是說2個系統(tǒng)的相互作用通常是跨級的。因次，在考慮計算試驗系統(tǒng)與物理試驗系統(tǒng)相互作用時，需要仔細(xì)處理2個系統(tǒng)不同層級之間的相互作用問題。

4)抗輻射性能評估平行試驗結(jié)果的表征及應(yīng)用問題。由于加固系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，以及輻射與系統(tǒng)相互作用機(jī)制的復(fù)雜性，可能使得平行試驗系統(tǒng)經(jīng)過自主演化會產(chǎn)生不同的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象如何表征才能為評價系統(tǒng)在輻射環(huán)境中的穩(wěn)定運(yùn)行能力提供支撐，目前還沒有明確的表征方法。此外，平行試驗結(jié)果很可能是多樣的，那么如何運(yùn)用這些結(jié)果實現(xiàn)系統(tǒng)抗輻射性能的科學(xué)評價也是值得深入研究的。

5結(jié)語

平行系統(tǒng)理論及平行試驗方法的研究及應(yīng)用仍然處于發(fā)展階段，其理論基礎(chǔ)和實踐運(yùn)用都需要深入研究。由于現(xiàn)實中的許多體系本身是一個復(fù)雜巨系統(tǒng)，目前能夠?qū)ζ湫袨樘攸c及規(guī)律進(jìn)行研究的方法手段都十分有限。系統(tǒng)抗輻射性能評估是體系效能評估的一個重要內(nèi)容，基于平行系統(tǒng)理論和平行試驗方法，開展抗輻射性能評估平行試驗研究，既為破解全系統(tǒng)在全要素輻射環(huán)境中的抗輻射性能評估難題提供了新思路，也為平行系統(tǒng)理論提供了一個新的應(yīng)用領(lǐng)域。本文的討論還比較初步，希望文中介紹的平行系統(tǒng)理論及方法能夠為抗輻射加固技術(shù)提供一個新的研究手段。

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Research on Parallel System Theory and Its Application in the Evaluation for Radiation Hardness

WU Wei,ZHOU Hui,CHEN Wei,ZHAO Mo

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China;State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect,Xi’an,710024,China)

This paper reviewed the development of the parallel system theory, summarized its contents, and introduced its application. Then, the parallel system theory was introduced to evaluate the radiation hardness of a complex system. Finally, several key issues in the evaluation for radiation hardness based on the parallel system theory were discussed.

complex system;parallel system theory;ACP approach;evaluation for radiation hardness

2016-05-05；

2016-06-12

吳偉(1976-)，男，吉林東遼人，高級工程師，碩士，主要從事電磁脈沖效應(yīng)與抗輻射加固技術(shù)研究。 E-mail：wuwei@nint.ac.cn

N949

A

2095-6223(2016)031202(12)