面向演化的體系構(gòu)建方法研究*

張兆晨，嚴 菁，端木竹筠

（1.中國電科第二十八研究所信息系統(tǒng)工程重點實驗室，南京 210007；2.西部戰(zhàn)區(qū)陸軍保障部保障中心，蘭州 730000）

0 引言

體系是以大規(guī)模分布、獨立運行與管理的系統(tǒng)間相互協(xié)同與協(xié)作的形式存在的，并且通過不斷演化發(fā)展，涌現(xiàn)出新的行為和能力。演化性是體系的一個重要特征［1］，是推動體系導向性涌現(xiàn)的動力。體系通過積極的演化行為，獲得新的能力，適應新的環(huán)境，履行新的使命。傳統(tǒng)系統(tǒng)工程方法主要面向邊界確定、結(jié)構(gòu)緊耦合的系統(tǒng)，不能適應整體和要素隨時間動態(tài)變化的體系的規(guī)劃、設計、集成與管理［2］。因此，需要發(fā)展能夠提供環(huán)境適變能力的體系構(gòu)建的理論方法——體系工程。

體系工程認為，體系演化是對現(xiàn)有體系的重構(gòu)或改造，是體系組成結(jié)構(gòu)和運行模式不斷自我完善的過程。體系演化包括體系整體演化和成員個體演化［3］。體系整體演化源于體系成員系統(tǒng)個體的演化和體系結(jié)構(gòu)關(guān)系的演化，成員系統(tǒng)個體的演化是指組成個體在其生命周期內(nèi)的功能、能力以及生命力的變化，體系結(jié)構(gòu)關(guān)系的演化是由于成員系統(tǒng)的加入、退出以及它們之間的交互、協(xié)作關(guān)系的變化引起的。面向演化的體系構(gòu)建方法需要注重不同種類、獨立、大型的復雜系統(tǒng)之間相互操作、協(xié)同運作［4］以及對環(huán)境的彈性適變等能力。

1 概念內(nèi)涵

1.1 基本含義

在軍事領域，面向演化的體系構(gòu)建是以使命任務為驅(qū)動，運用體系工程理論方法，解決相互獨立的復雜系統(tǒng)之間自同步與協(xié)同問題，快速高效組織運用體系要素，并能夠根據(jù)環(huán)境或需求的變化重組應變，從而確保作戰(zhàn)效果，獲得體系對抗優(yōu)勢。信息化戰(zhàn)場下的作戰(zhàn)體系中，作戰(zhàn)單元間的多重關(guān)系、復雜的交互以及不確定的任務需求和戰(zhàn)場環(huán)境，導致面向演化的體系構(gòu)建是一項復雜的體系工程，既需要從體系的全局高度統(tǒng)一部署、籌劃成員系統(tǒng)的接口關(guān)系和交互方式等，也需要從底層系統(tǒng)級資源要素的角度考慮體系自適應的協(xié)同運作機制，以滿足任務和環(huán)境的變化。因此，將面向演化的體系構(gòu)建分為宏觀層面的體系集成和微觀層面的體系組織運用：

在宏觀層面，體系集成是依據(jù)頂層使命目標，基于模塊化、開放的接口標準，以一套完善的集成方案來規(guī)劃、管理體系要素的部署、連接與交互，構(gòu)建形成跨域融合的體系整體，主要目標是促進系統(tǒng)間的信息交互和理解一致性，有效提高系統(tǒng)互操作、可重組、可復用等特性，為體系中系統(tǒng)的靈活組織運用提供技術(shù)基礎。

在微觀層面，體系組織運用是以任務需求為驅(qū)動，統(tǒng)籌、協(xié)調(diào)體系中的成員系統(tǒng)、各類資源進行協(xié)同運作，同時通過體系要素的優(yōu)化調(diào)整，使得體系在遭受干擾、任務或環(huán)境變化的情況下具備彈性適變能力，成功完成既定任務，發(fā)揮體系最大效能，體系組織運用過程能夠為體系集成提供效果反饋，促進集成方案向著更加開放、靈活的方向發(fā)展。

1.2 解決的問題

面向演化的體系構(gòu)建方法是實現(xiàn)體系要素集成與體系組織應用的理論基礎，能夠指導作戰(zhàn)體系的規(guī)劃建設、要素部署、綜合集成以及按需動態(tài)生成面向任務的系統(tǒng)，實現(xiàn)體系要素協(xié)同運用與體系能力最大化，主要解決以下問題：

1）體系要素如何集成以支持成員系統(tǒng)的互操作性

體系要素集成是協(xié)調(diào)體系組成部分、同步系統(tǒng)活動，以實現(xiàn)期望的整體行為，滿足預定的任務需求。體系要素的重用性和體系層的涌現(xiàn)性是其本質(zhì)特征，體系的構(gòu)建是現(xiàn)有系統(tǒng)的重用與改進以及新系統(tǒng)的規(guī)劃，并實現(xiàn)系統(tǒng)之間接口開放與互操作性。因此，體系要素集成是體系構(gòu)建的核心工作［4］。

2）體系要素如何協(xié)同運作以共同完成任務

體系能力是以完成同一任務的體系要素集合（即任務系統(tǒng)）的形式發(fā)揮出來的。因此，體系構(gòu)建必須研究體系如何應用，如何組織成為任務系統(tǒng)。以體系各個業(yè)務領域的要素為對象，在任務需求的驅(qū)動下，研究體系要素相互作用、整體聯(lián)動機理，使體系內(nèi)各種資源能夠進行有效的協(xié)作、協(xié)同，以滿足任務要求。

3）體系如何發(fā)揮最大效能

在體系要素如何優(yōu)化運用、形成最大體系效能的問題上，研究任務驅(qū)動的體系能力聚合機制。一方面，研究任務與體系要素之間最佳匹配技術(shù)，確定體系要素集合和任務集合之間的最佳映射關(guān)系；另一方面，突破體系資源的優(yōu)化配置技術(shù)，使得體系內(nèi)廣域分布的資源協(xié)同運作形成滿足各類業(yè)務要求的穩(wěn)定、可用能力，從而在作戰(zhàn)層面和系統(tǒng)層面上實現(xiàn)體系能力的最大化。

4）體系要素如何根據(jù)外部條件變化優(yōu)化重組

面向演化的體系構(gòu)建還要考慮當外部環(huán)境、任務需求等變化時，如何進行體系要素資源優(yōu)化運用，以維持對抗條件下的體系適應能力。由于信息化戰(zhàn)場環(huán)境中的作戰(zhàn)任務具有高度不確定性與復雜性，作戰(zhàn)體系要保持整體對抗優(yōu)勢，就必須根據(jù)任務的變化而適時調(diào)整體系要素資源之間的各種關(guān)系，從而實現(xiàn)與任務相匹配的各種任務系統(tǒng)的適應性優(yōu)化調(diào)整。

2 體系集成方法

為解決不同成員系統(tǒng)的來源、性能、采用的術(shù)語等不一致所帶來的異構(gòu)性問題，面向演化的體系構(gòu)建首先需要形成體系集成規(guī)范，為體系的組織運用和重構(gòu)提供概念上和技術(shù)上的基礎標準。體系集成本體是體系集成在概念上一致性理解的基礎，體系集成模式是在統(tǒng)一概念的基礎上形成的體系要素集成的技術(shù)規(guī)則。

2.1 體系集成本體

體系集成需要在統(tǒng)一的語義概念標準下進行，為此提出了體系集成本體［5］，為體系集成的定義、管理和演化方法等提供通用的術(shù)語規(guī)范，實現(xiàn)系統(tǒng)之間的互操作性和互理解［6］。體系集成本體包括文檔和評判集成成功的度量或試驗，涵蓋體系集成領域的以下方面。

2.1.1 利益相關(guān)者

利益相關(guān)者是“關(guān)注”與利益重要相關(guān)問題的人、組織、成員系統(tǒng)或外部系統(tǒng)等。利益相關(guān)者的關(guān)注點和對體系集成產(chǎn)生的影響定義了架構(gòu)模型中的相關(guān)“視角”。如圖1所示，“獲取價值”視角的利益相關(guān)者通過“獲取價值分析”視圖，關(guān)注“集成資源”中的費用和計劃。

圖1 利益相關(guān)者的視角示例

2.1.2 集成資源和外部影響因素

集成資源和影響因素是緊密聯(lián)系的。集成資源是物理資源、集成計劃、與外部實體交互的接口，以及集成安排和預算等。外部影響因素是作用于集成資源、不受利益相關(guān)者控制的因素。例如，一個體系集成計劃采用一種國際標準協(xié)議，可能對集成效率和機制帶來影響和約束，所采用的協(xié)議即為對體系集成的外部影響因素。

2.1.3 結(jié)構(gòu)

當系統(tǒng)進出體系時，體系的結(jié)構(gòu)會動態(tài)變化，結(jié)構(gòu)的變化是體系演化的重要表現(xiàn)。結(jié)構(gòu)定義了成員系統(tǒng)和它們的接口，成員系統(tǒng)和接口關(guān)系會隨著滿足任務目標所需的能力而變化。成員系統(tǒng)在體系中按需協(xié)作以共同完成使命任務。圖2所示一個包含n個系統(tǒng)、通過2個通信節(jié)點連接的體系模型。系統(tǒng)m和系統(tǒng)m+2可以使用任意一個通信節(jié)點，連接系統(tǒng)1和系統(tǒng)n則需要與系統(tǒng)m進行協(xié)作。

圖2 體系的結(jié)構(gòu)示例

2.1.4 認證認可（C&A）

由于體系的多管理層、多資金來源以及多系統(tǒng)在整個生命周期中缺乏同步性等問題，C&A為體系集成帶來了復雜性。C&A定義了與體系的操作、維護、測試等相關(guān)的規(guī)則和政策。例如，體系可以制定政策以定義要素如何集成，所有體系的產(chǎn)品需要遵循這個政策以確保要素的兼容性。通常，C&A采取國際標準和協(xié)議，所采取的規(guī)范依賴于體系特定的目標用途。表1給出了不同領域的典型C&A的示例。

表1 代表性的C&A

2.1.5 機制

機制作為集成本體是由于體系集成需要支持成員系統(tǒng)間的動態(tài)互操作性。機制是體系集成需要的過程、步驟、測試和檢驗等，通常為安全和驗證而制定。在基礎等級上，機制確保已經(jīng)采取適當?shù)陌踩雷o；在更高等級上，機制制定了程序以確保第一次使用的功能不會影響或?qū)е缕渌氐募墒?。需要注意的是，機制對于集成產(chǎn)品來說是明確具體的。

2.1.6 風險管理

風險管理活動是體系集成的主要部分之一。體系集成過程中的風險管理包括驗收測試、調(diào)度、從現(xiàn)有系統(tǒng)向新體系的轉(zhuǎn)變、操作、維護、后勤、訓練和升級等。

2.1.7 配置管理（CM）

CM通常包含控制性能、能力和體系組成的過程和文檔。CM確保期望的狀態(tài)在體系中出現(xiàn)，并且這些狀態(tài)與相關(guān)聯(lián)的文檔一致。全局的CM適用于有管理中心的體系，在某種程度上，也適用于本地管理的成員系統(tǒng)。

2.2 體系集成模式

在體系集成本體的基礎上，體系要素依據(jù)特定的規(guī)則模式進行集成。下面介紹3種主流的體系集成模式［7］并進行分析比較。

1）面向服務的架構(gòu)（SOA）

SOA圍繞松耦合、分布式服務的概念組織，服務由服務提供者提供、描述和執(zhí)行。服務可以在不同的計算平臺上，由不同的組織、用不同的語言執(zhí)行。服務使用者和提供者可以完全不知道相互的存在，使得這種模式能夠很好地支持互操作性和體系演化。服務的交互通過企業(yè)服務總線進行協(xié)同，在服務使用者和提供者之間傳遞信息。

2）點到點（P2P）

在P2P模式中，體系要素直接對等相互作用。所有節(jié)點是等價的，不存在節(jié)點或節(jié)點組能夠影響整個體系的正常運行。P2P集成模式具有非中心化、可擴展性、健壯性、高性價比、負載均衡等特性，在體系構(gòu)建中廣泛使用。P2P通信是典型的要求/應答交互方式。也就是說，原則上任何要素能夠通過請求服務的方式實現(xiàn)與其他要素的相互作用。

3）協(xié)同虛擬環(huán)境

協(xié)同虛擬環(huán)境通過構(gòu)建一個允許用戶交互的共享的環(huán)境，以建立分散用戶間的協(xié)同。協(xié)同虛擬環(huán)境的核心是通過用戶接口共享建立一個共享的環(huán)境，這個環(huán)境創(chuàng)造了一個能夠被訪問和同步改變的共享空間。共享環(huán)境使得用戶能夠在由許多分布式的成員系統(tǒng)組成的整個系統(tǒng)中觀察和改變數(shù)據(jù)和過程。用戶能夠觀察到其他用戶的行為，系統(tǒng)能夠建立當前系統(tǒng)目標下對行為和態(tài)勢的統(tǒng)一理解。建立一個協(xié)同虛擬環(huán)境需要體系架構(gòu)的先進機制和用戶接口框架，以管理和支持原有系統(tǒng)以及隨著時間演化的體系。

對以上3種集成模式進行比較，如表2所示。可以看出，SOA和P2P的集成等級在信息交互、基礎狀態(tài)和復雜行為交互上，而協(xié)同虛擬環(huán)境則在用戶接口共享的更高層面上。協(xié)同虛擬環(huán)境的數(shù)據(jù)是在語義層上的抽象，以信息流的形式進行信息交互與共享。

表2 集成模式的屬性比較

3 體系組織運用方法

體系組織運用是協(xié)同管理體系要素，共同完成使命任務，發(fā)揮體系效能的過程。當體系在受到外部干擾時，能夠進行要素重組和優(yōu)化運用，以維持對抗環(huán)境下的體系演化和適應能力。體系組織運用方法可以分為頂層的體系規(guī)劃管理框架以及執(zhí)行層面的體系要素組織方法。

3.1 體系規(guī)劃管理框架

1）體系架構(gòu)演化決策框架

針對體系架構(gòu)動態(tài)規(guī)劃管理問題，美國國防部系統(tǒng)工程研究中心（SERC）在時間序列“波模型”的基礎上，從頂層提出了一個多時間尺度的體系架構(gòu)演化決策框架［8］（如圖3所示），以指導體系中系統(tǒng)長期和短期的采辦、使用和管理等。

圖3 體系演化規(guī)劃框架

框架從“計劃體系更新”和“實現(xiàn)體系更新”兩個角度定位體系演化的關(guān)鍵決策點，提出“戰(zhàn)略決策”和“操作決策”兩個等級的策略規(guī)劃。戰(zhàn)略決策（高級決策）是解決長時間尺度的決策，包括投資、退役、升級系統(tǒng)等，支持在一段時間內(nèi)實現(xiàn)最佳體系能力的“計劃體系更新”。一開始開發(fā)所有新系統(tǒng)的決策會導致高成本、進度超支和性能下降，因此，采用順序決策的方式進行當前狀態(tài)評估和學習。操作決策（低級決策）是短時間尺度的決策，包括組成系統(tǒng)的使用、維護、升級等調(diào)度管理，用于“實現(xiàn)體系更新”。高級決策為低級決策提供資源池，低級決策為高層決策者提供更準確的反饋和新信息以便學習。

2）體系特征管理框架

為管理體系中的系統(tǒng)響應干擾和環(huán)境變化的能力，新加坡軍隊（SAF）和國防科學技術(shù)機構(gòu)（DSTA）提出了一個體系特征管理框架［9］（如圖4所示），定義了體系關(guān)鍵特征和它們之間的關(guān)系，以指導滿足體系特征要求的體系要素組織運用。

圖4 體系特征的管理框架

框架的上半部分是體系高級特征，包括體系完成關(guān)鍵任務的魯棒性和演化性。高級魯棒性的基線需求定義為一組任務譜和操作偶發(fā)事件（如圖4上部魯棒性列）。高級魯棒性的任務譜可通過任務內(nèi)容、操作環(huán)境等約束參數(shù)描述。操作偶發(fā)事件可分為外部干擾（如敵方網(wǎng)絡攻擊等破壞性行為）和內(nèi)部干擾（如系統(tǒng)故障等）。高級魯棒性的基線需求在體系生命周期中將隨著威脅、技術(shù)解決方案等因素發(fā)生變化。而演化性是隨著時間推移維持魯棒性的關(guān)鍵。演化性通過體系設計的靈活性，保證當出現(xiàn)新的需求時，在每個規(guī)劃空間內(nèi)保持高級任務的魯棒性（如圖4上部演化性列）。因此，魯棒性和演化性是體系架構(gòu)滿足關(guān)鍵任務的基線需求的兩個高級特征，同時保持設計靈活性以滿足隨時間推移出現(xiàn)的新需求或需求變化。

框架的下半部分是體系低級特征，包括成員系統(tǒng)完成任務的魯棒性和韌性，可追溯到一組性能度量（MOP）。在成員系統(tǒng)級，當受到干擾時，MOP將發(fā)生降級。從意外事件中吸取經(jīng)驗可以觸發(fā)重新設計，目的是將受影響的MOP恢復到正?；蚋咚?，如果未來同樣的意外事件再次發(fā)生，體系就能夠?qū)OP維持在所需水平之上。成員系統(tǒng)的魯棒性（如圖4下部魯棒性列）是通過獲得一組所需水平的MOP，并且在意外事件下保持MOP在所需水平上實現(xiàn)的；成員系統(tǒng)的韌性（如圖4下部韌性列）是通過限制意外事件下的MOP水平的降級程度和時間實現(xiàn)的；它們都有助于高級魯棒性。設計的靈活性將有助于體系的演化。

綜上，魯棒性和演化性是體系架構(gòu)的兩個關(guān)鍵的高級特征；成員系統(tǒng)的魯棒性和韌性是有助于高級魯棒性的低級特征；在不影響現(xiàn)有任務連續(xù)性的情況下的設計靈活性有助于提高演化性。框架通過對體系特性的設計和調(diào)整，實現(xiàn)體系在遭受干擾或破壞情況下的恢復和適應能力。

3.2 體系要素組織方法

在網(wǎng)絡化作戰(zhàn)指揮控制組織設計領域，體系聯(lián)動機理［10］認為體系能力的發(fā)揮是通過體系要素進行靈活組織形成任務系統(tǒng)。任務系統(tǒng)生成方法以體系聯(lián)動機理為基礎，是體系中各種要素資源隨著作戰(zhàn)任務和時間的變化而實現(xiàn)能力最大化的過程和方法，主要有“體系要素優(yōu)化運用”和“任務系統(tǒng)生成和演化”兩大核心。任務系統(tǒng)生成方法采用逐步優(yōu)化方法，支持從作戰(zhàn)任務到任務系統(tǒng)的優(yōu)化生成，從而實現(xiàn)體系能力最大化，如圖5所示。

圖5 任務系統(tǒng)生成方法

任務系統(tǒng)生成方法具體包括：1）作戰(zhàn)任務建模：將作戰(zhàn)任務分解成粒度合理的子任務，并確定子任務之間并行、串行和混合關(guān)系；2）子任務-平臺節(jié)點關(guān)系優(yōu)化映射：通過子任務的能力需求和平臺節(jié)點能力提供的關(guān)系，將子任務集合和平臺節(jié)點集合進行關(guān)聯(lián)映射；3）指揮節(jié)點-平臺節(jié)點關(guān)系優(yōu)化生成：根據(jù)子任務-平臺節(jié)點的優(yōu)化映射方案，按照一定的優(yōu)化目標，將平臺節(jié)點優(yōu)化聚合成不同的任務組，并為每個分組配置一個指揮節(jié)點，形成指揮節(jié)點之間的協(xié)作網(wǎng)；4）指揮節(jié)點之間指控關(guān)系優(yōu)化生成：將協(xié)作網(wǎng)通過優(yōu)化形成層次型的決策樹，并優(yōu)化確定決策樹的根節(jié)點，從而形成完全意義上的作戰(zhàn)體系；5）系統(tǒng)資源配置與優(yōu)化調(diào)度：根據(jù)指揮節(jié)點指揮的平臺，配置指揮業(yè)務流程，并優(yōu)化調(diào)度通信基礎網(wǎng)中系統(tǒng)資源，生成任務系統(tǒng)；6）體系要素資源優(yōu)化調(diào)整：根據(jù)作戰(zhàn)任務的變化，作戰(zhàn)任務、平臺節(jié)點、指揮節(jié)點、系統(tǒng)資源之間的各種關(guān)系不斷優(yōu)化，從而實現(xiàn)任務系統(tǒng)演化。

4 軍事作戰(zhàn)體系構(gòu)建框架

面向演化的體系構(gòu)建方法對于由信息系統(tǒng)、武器裝備、作戰(zhàn)人員、條令條例、保障物資等構(gòu)成的巨大作戰(zhàn)體系的頂層規(guī)劃與發(fā)展建設具有重要指導意義。軍事作戰(zhàn)體系各類作戰(zhàn)系統(tǒng)和武器平臺具有廣域分布、關(guān)系復雜多變等特點，體系要素需要共享、開放的集成模式，在統(tǒng)一標準與架構(gòu)的約束下，通過靈活、適變的組織運用方法，生成最大體系效能。建立軍事作戰(zhàn)體系構(gòu)建框架，如圖6所示，主要由資源層、服務層和應用層組成。

圖6 軍事作戰(zhàn)體系構(gòu)建框架

1）資源聚合機制：體系資源的集成按照業(yè)務需求，通過資源控制中心和業(yè)務需求管理中心［3］，對基礎設施和應用平臺等資源進行狀態(tài)監(jiān)控與協(xié)同調(diào)度管理，針對體系資源異構(gòu)、復雜、能力隨時間演化等特點，在組織運用上提供更加靈活、可靠的算法，以多種集成配置方法和手段進行體系資源優(yōu)化配置，通過良好的協(xié)同與協(xié)商機制獲得綜合平衡的資源集成方案。

2）服務共享機制：在資源層之上構(gòu)建一個開放、共享的服務環(huán)境，通過服務狀態(tài)監(jiān)視、服務數(shù)據(jù)同步、服務組織編排等對基礎支撐服務和應用功能服務進行統(tǒng)一注冊發(fā)布與靈活按需調(diào)用，通過松耦合、分布式的服務方式，為用戶提供定制的業(yè)務應用能力，以適應體系業(yè)務敏捷性要求。

3）人與系統(tǒng)融合機制：在應用層關(guān)注人與應用系統(tǒng)的有效協(xié)作方式，通過可維護、可操作的人機接口，為指揮員提供態(tài)勢理解、行為預測等輔助決策功能，并為人員任務、行為、角色、訓練等建立統(tǒng)一的管理制度與標準規(guī)范，保證人在理解和行動上的一致性，實現(xiàn)人因與系統(tǒng)的高度融合。

4）開放的接口與統(tǒng)一的語義：成員系統(tǒng)或模塊采用標準的、商用化的開放接口，在統(tǒng)一的語義規(guī)范約束下，實現(xiàn)系統(tǒng)模塊的即插即用和任務功能的按需重組，保證數(shù)據(jù)在跨部門、職能和組織層面上可重用、可維護和可擴展性，促進體系能夠快速吸收先進技術(shù)，構(gòu)建靈活性高、可快速升級、互操作和互理解性強的作戰(zhàn)體系。

5）魯棒和靈活的架構(gòu)設計：針對體系的演化性，在使命任務和運行環(huán)境發(fā)生變化時，識別影響性能的突現(xiàn)性趨勢、形式和條件，通過魯棒的架構(gòu)設計和靈活的調(diào)整和修正過程，不斷學習應對不確定干擾的解決方案，增強對外界因素的響應，提高受到破壞下的恢復速度，形成對體系無法預知的突變性［11］的適應能力。

6）以使命任務驅(qū)動系統(tǒng)行為：以共同的使命目標為牽引，將作戰(zhàn)體系建設成為使命共同體，成員系統(tǒng)理解、遵從統(tǒng)一的作戰(zhàn)任務，為完成任務目標，體系要素相互作用，整體聯(lián)動，通過資源層、服務層和應用層的有效協(xié)作，快速生成任務系統(tǒng)，發(fā)揮聚合的體系作戰(zhàn)能力。

5 結(jié)論

面向演化的體系構(gòu)建方法是現(xiàn)代作戰(zhàn)體系頂層設計與規(guī)劃建設的理論基礎。通過一致的集成規(guī)范，實現(xiàn)信息系統(tǒng)的互操作、作戰(zhàn)人員的互理解、行動規(guī)則的互遵循［12］；通過高效的組織運用方式，實現(xiàn)任務或環(huán)境變化條件下的體系適應能力。只有在科學的體系構(gòu)建方法的指導下，才能促使體系不斷向著更加靈活、魯棒、高效的方向演化發(fā)展。