復(fù)雜系統(tǒng)建模方法綜述*

謝冉

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，人類戰(zhàn)爭(zhēng)逐漸從冷兵器時(shí)代發(fā)展到機(jī)械戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)代，進(jìn)而發(fā)展到信息化戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)代，往往是以對(duì)方喪失戰(zhàn)斗能力或者妥協(xié)為結(jié)果而終止戰(zhàn)爭(zhēng)。

信息化是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的主要特征，這是信息技術(shù)在軍事裝備上深度應(yīng)用的結(jié)果。藉由信息化裝備的快速發(fā)展，依托于信息化裝備及信息交互的現(xiàn)代作戰(zhàn)體系對(duì)抗，逐漸成為了戰(zhàn)爭(zhēng)的主要樣式。所謂的體系主要指由多種作戰(zhàn)要素所構(gòu)成的多元化具有開放性的復(fù)雜系統(tǒng)[1]。

目前，我國(guó)現(xiàn)有作戰(zhàn)體系的組成形式為單型武器裝備的簡(jiǎn)單加和，組織結(jié)構(gòu)呈“煙囪型”，存在信息交互能力弱、開放性設(shè)計(jì)不足、智能化程度不高，以及裝備種類多、兼容性差，難以通過(guò)組合提高體系作戰(zhàn)效能或涌現(xiàn)出新的整體功能等問(wèn)題。主要原因是當(dāng)前作戰(zhàn)體系設(shè)計(jì)時(shí)基本是從簡(jiǎn)單、單一或孤立系統(tǒng)的角度來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，要想解決當(dāng)前存在的問(wèn)題，則應(yīng)以開放的復(fù)雜系統(tǒng)的角度出發(fā)，對(duì)作戰(zhàn)體系的組成、特性及運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析研究，才能設(shè)計(jì)出符合信息化戰(zhàn)爭(zhēng)要求的作戰(zhàn)體系。

本文全面闡述了復(fù)雜系統(tǒng)建模理論，及其在工程領(lǐng)域中的實(shí)際運(yùn)用情況。在此基礎(chǔ)上總結(jié)提煉出作戰(zhàn)體系復(fù)雜系統(tǒng)的典型特性，并給出了復(fù)雜系統(tǒng)建模方法在作戰(zhàn)體系設(shè)計(jì)中應(yīng)用的技術(shù)路線。

1 復(fù)雜系統(tǒng)建模方法

20世紀(jì)中葉以后，人們開始關(guān)注復(fù)雜現(xiàn)象，并對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)展開了研究，先后提出了許多復(fù)雜系統(tǒng)建模方法。

1.1 耗散結(jié)構(gòu)理論

根據(jù)普利高津提出的耗散結(jié)構(gòu)理論，一個(gè)有序狀態(tài)維持與產(chǎn)生主要基于以下4個(gè)條件進(jìn)行[2-3]：

(1) 系統(tǒng)必須是開放的

根據(jù)熱力學(xué)原理，如果一個(gè)系統(tǒng)是孤立的，那么這個(gè)系統(tǒng)的熵必然是持續(xù)增加的，也就意味著系統(tǒng)是趨于無(wú)序的。而如果一個(gè)系統(tǒng)是開放的，那么這個(gè)系統(tǒng)必須藉由與外界的物質(zhì)能量交換，從而產(chǎn)生熵的交換，才可能使系統(tǒng)的熵逐漸降低或維持在緩慢增加的狀態(tài)，系統(tǒng)才能達(dá)到有序的狀態(tài)。

(2) 系統(tǒng)必須是非線性的

如果系統(tǒng)是線性的，則由子系統(tǒng)形成系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)線性疊加原理，系統(tǒng)的基本屬性不會(huì)發(fā)生變化。因此，只有非線性系統(tǒng)才會(huì)具備子系統(tǒng)沒(méi)有的性質(zhì)和屬性，也即產(chǎn)生了新的狀態(tài)。

(3) 系統(tǒng)必須遠(yuǎn)離平衡

系統(tǒng)在平衡態(tài)附近時(shí)是穩(wěn)定的，意味著系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)不變。系統(tǒng)只有在遠(yuǎn)離平衡態(tài)時(shí)才會(huì)跳出原有的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并藉由內(nèi)部相互作用逐步趨近新的有序結(jié)構(gòu)。

(4) 漲落

漲落是系統(tǒng)狀態(tài)在某一特定時(shí)刻相對(duì)其宏觀統(tǒng)計(jì)狀態(tài)的隨機(jī)偏差。系統(tǒng)的小漲落不能使系統(tǒng)打破平衡，只有大漲落才會(huì)使系統(tǒng)充分遠(yuǎn)離其穩(wěn)定狀態(tài)。

耗散結(jié)構(gòu)理論本質(zhì)上體現(xiàn)了物質(zhì)內(nèi)部自然產(chǎn)生有序狀態(tài)的過(guò)程，基于此學(xué)者提出了“自組織”的理念，而且也通過(guò)自組織概念來(lái)描述有序結(jié)構(gòu)形成過(guò)程，有效將一直以來(lái)無(wú)法融合的進(jìn)化論與熱力學(xué)斜接統(tǒng)一起來(lái)。

1.2 協(xié)同學(xué)

根據(jù)赫爾曼·哈肯提出的協(xié)同學(xué)理論[4]，在同一個(gè)系統(tǒng)之中，所有的組成單元都是通過(guò)協(xié)同方式而不斷從非平衡狀態(tài)逐漸走向新的平衡狀態(tài)，建立新的運(yùn)動(dòng)秩序。

協(xié)同學(xué)理論主要考量那些偏離了穩(wěn)定狀態(tài)的系統(tǒng)在無(wú)外界干擾或外力作用下，怎樣利用自身的內(nèi)部調(diào)節(jié)機(jī)制，自發(fā)地達(dá)到時(shí)空特定狀態(tài)下新的有序結(jié)構(gòu)。協(xié)同學(xué)綜合了運(yùn)籌學(xué)、系統(tǒng)學(xué)等多學(xué)科理論，以此為基礎(chǔ)對(duì)不同領(lǐng)域進(jìn)行探索研究，形成較為完整的理論研究體系，重點(diǎn)探究遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)下的系統(tǒng)內(nèi)部變化規(guī)律[5]。

1.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

1943年，Mcclloch與Pitts率先提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，建立了最初的MP模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論創(chuàng)立了人類神經(jīng)系統(tǒng)處理信息的新模式，為人類研究神經(jīng)系統(tǒng)提供了新的技術(shù)和理論上的可能性。

20世紀(jì)中期，科學(xué)家羅森布拉特在MP模型基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步引入了學(xué)習(xí)機(jī)制，擴(kuò)大了MP模型應(yīng)用范圍。他率先建立了感知器概念，第一次將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在工程中進(jìn)行推廣。該模型已經(jīng)能夠看到神經(jīng)計(jì)算機(jī)的雛形，包含了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)主要原理，是一次重要突破[6]。

因?yàn)閺?fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部變化發(fā)展往往與智能演進(jìn)過(guò)程具有一定的相似性，所以，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論研究復(fù)雜系統(tǒng)成為一種值得探索的方向。

1.4 基于Agent的建模方法

1984年9月，桑塔菲等人通過(guò)深入探索復(fù)雜系統(tǒng)研究理論，利用系統(tǒng)學(xué)研究理論來(lái)尋求復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律。根據(jù)學(xué)者們的研究成果，他們認(rèn)為復(fù)雜系統(tǒng)往往由若干獨(dú)立的“Agent”組合而成，并且能夠相互影響，促使系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)自發(fā)性趨向行為。在此情形之下，相互獨(dú)立的Agent利用內(nèi)部微觀作用機(jī)制，不斷獲得新的狀態(tài)，使得系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)得到更新[7]。

我國(guó)學(xué)者王越教授在基于Agent的復(fù)雜系統(tǒng)建模思想的基礎(chǔ)上，提出了多活性代理方法[8]。該方法主要用于在強(qiáng)對(duì)抗情形之下，建立復(fù)雜系統(tǒng)的研究模型?？傮w來(lái)講，“活性”理念主要基于復(fù)雜系統(tǒng)中維持穩(wěn)定系統(tǒng)信息功能的能力。在系統(tǒng)中，“活性”主要表現(xiàn)為活力，描述了復(fù)雜系統(tǒng)自身的變化屬性，在系統(tǒng)從非平衡狀態(tài)走向平衡狀態(tài)所發(fā)揮的作用。多活性代理方法主要在工程領(lǐng)域?qū)で蟾鼮閺V泛的應(yīng)用方法，探索新的系統(tǒng)研究方向。

1.5 Petri網(wǎng)

Petri網(wǎng)主要通過(guò)圖形方式來(lái)表征復(fù)雜系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，是一種系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究理論[9]。Petri網(wǎng)相對(duì)而言通俗易懂，主要通過(guò)圖形來(lái)表現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征，目前在系統(tǒng)研究過(guò)程中應(yīng)用非常廣泛。此外，Petri網(wǎng)也是一項(xiàng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)理論，主要用于結(jié)構(gòu)分析研究方面。

Petri網(wǎng)與面向?qū)ο蠹夹g(shù)相結(jié)合，發(fā)展出了面向?qū)ο蟮腜etri網(wǎng)(OOPN)[10]。該方法可將Petri網(wǎng)進(jìn)行進(jìn)一步拓展，以此形成具有兼容性的遞歸網(wǎng)，還可以有效保障網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生重大變化，維持已有的狀態(tài)和特性。拓展后仍然可以通過(guò)Petri網(wǎng)工具對(duì)模型進(jìn)行定性分析，深入探索系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理和性質(zhì)。如此一來(lái)，通過(guò)進(jìn)一步細(xì)分系統(tǒng)組成，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行降維，進(jìn)而形成許多相互獨(dú)立的系統(tǒng)單元，這樣就能夠使得Petri網(wǎng)建模技術(shù)應(yīng)用范圍更加廣泛，可以用于各類大型復(fù)雜系統(tǒng)研究之中。

1.6 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

1958年，著名科學(xué)家福瑞斯特提出了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，并且成為一門獨(dú)立的學(xué)科分支。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在系統(tǒng)工程學(xué)的基礎(chǔ)之上引入了動(dòng)力學(xué)理論，使得系統(tǒng)研究理論更加豐富。根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，在各種各樣的系統(tǒng)中都存在類似動(dòng)力學(xué)的性質(zhì)。在系統(tǒng)研究過(guò)程中引入動(dòng)力學(xué)理論并建立動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而可以深入探究在外部影響下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)[11]。

在研究復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)等問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在探索動(dòng)態(tài)特性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，不但能夠有效描述系統(tǒng)組成，而且還能夠準(zhǔn)確表達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建模過(guò)程也簡(jiǎn)單易行。然而，因?yàn)榻＿^(guò)程是靜態(tài)的，無(wú)法根據(jù)外部約束進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。因此，該方法不能很好地描述和研究系統(tǒng)的復(fù)雜性[12]。

1.7 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建模方法

從20世紀(jì)末至今，人們對(duì)于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究已經(jīng)進(jìn)入了新的階段，尤其是智能算法的引入，已經(jīng)產(chǎn)生許多新的研究成果[13]。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究工作主要集中在以下幾個(gè)方面：

(1) 通過(guò)實(shí)證方法來(lái)度量網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)統(tǒng)計(jì)特征；

(2) 網(wǎng)絡(luò)建模方法研究；

(3) 網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)分析，主要以此來(lái)對(duì)系統(tǒng)結(jié)果或發(fā)展趨向進(jìn)行預(yù)測(cè)，包括系統(tǒng)自適應(yīng)性與穩(wěn)定性的研究。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)往往會(huì)通過(guò)圖論作為研究基礎(chǔ)，形成其問(wèn)題探索的自然框架，在描述研究對(duì)象時(shí)，往往利用“圖”來(lái)表示。而對(duì)于一些典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如萬(wàn)維網(wǎng)等，雖然它們?cè)趦?nèi)部并無(wú)真正的聯(lián)系與相關(guān)性，但是它們所呈現(xiàn)出的拓?fù)鋵傩韵嗤?。目前?fù)雜網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要在于：社會(huì)網(wǎng)絡(luò)的意見形成和策略博弈、互連網(wǎng)和萬(wàn)維網(wǎng)、代謝、蛋白質(zhì)和基因網(wǎng)絡(luò)、大腦網(wǎng)絡(luò)等方面。

1.8 定性到定量的綜合集成方法

我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森在系統(tǒng)理論研究方面也具有獨(dú)到的見解，尤其是以控制論為基礎(chǔ)的系統(tǒng)理論[14]。他總結(jié)出復(fù)雜系統(tǒng)研究主要在探索其內(nèi)部變化本質(zhì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)科學(xué)的判斷、模型建立、數(shù)學(xué)推演等方式，利用經(jīng)驗(yàn)性假設(shè)去判斷研究對(duì)象。實(shí)際上，雖然這些假設(shè)往往無(wú)法通過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法、試驗(yàn)方法進(jìn)行充分驗(yàn)證，只能是定性的淺層次認(rèn)識(shí)，然而可以利用模型分析來(lái)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。和其他研究方法一樣，建模過(guò)程中必須要充分考慮系統(tǒng)本質(zhì)及內(nèi)部相互作用機(jī)制，然后通過(guò)模型分析來(lái)形成結(jié)論。往往模型所得結(jié)論即為人們對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的判斷，由此可以不斷提升人們對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

定性定量綜合分析方法也是現(xiàn)代科學(xué)研究的重要方式，通過(guò)2種方法有機(jī)結(jié)合，可以各取所長(zhǎng)，再引入現(xiàn)代數(shù)學(xué)分析方法、信息技術(shù)與智能算法，綜合系統(tǒng)學(xué)理論，以此來(lái)探索復(fù)雜的系統(tǒng)工程理論[15]。

該方法的主要特征為：在解決大型復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題時(shí)，就需要綜合系統(tǒng)工程學(xué)理論，現(xiàn)代信息技術(shù)理論，智能算法理論等，形成高效的人工智能系統(tǒng)。重點(diǎn)依托人的主觀能動(dòng)性，將所需的信息進(jìn)行收集、加工，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，用于數(shù)據(jù)檢索。在使用過(guò)程中，大家通過(guò)各抒己見，充分討論，在滿足各類需求的過(guò)程中不斷豐富系統(tǒng)功能，進(jìn)而集合各方面的理論、思想、理念、判斷、方法等，通過(guò)逐步集成，用“作戰(zhàn)模擬”模式來(lái)建模、探索，在研究過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行反復(fù)修正，以便使系統(tǒng)適應(yīng)性增強(qiáng)，從而幫助人們認(rèn)識(shí)復(fù)雜系統(tǒng)的特性。隨著人們對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)研究的更加深入，定性到定量的綜合集成方法在生產(chǎn)、生活中有了非常廣泛的應(yīng)用，也取得良好效果。

1.9 元模型方法

要想對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，就需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模型化，這也是對(duì)系統(tǒng)完成參數(shù)化的過(guò)程，此環(huán)節(jié)必不可少。眾所周知，各個(gè)領(lǐng)域在研究復(fù)雜問(wèn)題時(shí)都具有其特殊性，模型建立之后往往具有顯著的個(gè)案研究特征，對(duì)于其他問(wèn)題研究并不適用[16]。

在模型研究過(guò)程中，不同的子系統(tǒng)往往是獨(dú)立的，是通過(guò)一系列內(nèi)部交互機(jī)制來(lái)完成內(nèi)部發(fā)展變化的。首先，必須要深入了解系統(tǒng)內(nèi)部信息交互方式，深入研究各個(gè)子系統(tǒng)之間的元關(guān)系，然后通過(guò)封裝形成元類，賦予其元屬性。元模型具有抽象性，往往僅可以表述較為簡(jiǎn)單的元數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。在研究復(fù)雜系統(tǒng)的過(guò)程中，必須要對(duì)系統(tǒng)本質(zhì)進(jìn)行探索，深入研究各個(gè)子系統(tǒng)之間的作用機(jī)制以及共同點(diǎn)，抽象出共同概念，確定系統(tǒng)語(yǔ)法，完成系統(tǒng)元模型的建立。

元模型是復(fù)雜系統(tǒng)研究過(guò)程中的基礎(chǔ)，是對(duì)模型關(guān)系的描述，主要表達(dá)了模型關(guān)系及子系統(tǒng)間的交互作用過(guò)程，可以表示該領(lǐng)域內(nèi)全部系統(tǒng)。相比而言，元模型更具有抽象性，可以更好地處理大量的模型集成問(wèn)題。

2 復(fù)雜系統(tǒng)的特性

復(fù)雜系統(tǒng)典型特征主要包括自組織性、非線性、不確定性、涌現(xiàn)性、開放性。

2.1 自組織性

在不受外界干擾的情況下，系統(tǒng)可以在內(nèi)部作用機(jī)制的影響下自主達(dá)到有序狀態(tài)，這種特性叫做系統(tǒng)的自組織性。系統(tǒng)的自組織性必然導(dǎo)致系統(tǒng)向更為有序的狀態(tài)演進(jìn)。

2.2 非線性

復(fù)雜系統(tǒng)是由眾多元素或子系統(tǒng)組成的，系統(tǒng)的整體行為或特性不等于其內(nèi)部元素或子系統(tǒng)的行為或特性的線性疊加，這樣的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。由于系統(tǒng)具有非線性，因而在由元素或子系統(tǒng)形成新系統(tǒng)時(shí)，才會(huì)表現(xiàn)出與元素或子系統(tǒng)不同的新特性。

2.3 不確定性

系統(tǒng)的不確定性表現(xiàn)在系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的隨機(jī)偏離，系統(tǒng)不會(huì)保持在某種狀態(tài)上永不改變。同時(shí)，由于系統(tǒng)具有非線性特征，其對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的隨機(jī)小偏離往往會(huì)發(fā)展為大的偏離。在影響較為嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)蚱萍扔械姆€(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而使系統(tǒng)在內(nèi)部作用下慢慢達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

2.4 涌現(xiàn)性

系統(tǒng)中的元素或子系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的相互作用之后，在整體上演化出一些不存在于元素或子系統(tǒng)中的功能和特性，這種特性稱為系統(tǒng)的涌現(xiàn)性。系統(tǒng)能夠涌現(xiàn)出不用于組成元素或子系統(tǒng)的新功能和新特性的原因，正是由于系統(tǒng)元素之間的相互作用是非線性的。而如果考察系統(tǒng)的組成元素或子系統(tǒng)，則無(wú)法觀察到這些涌現(xiàn)出來(lái)的新功能和新特性。

2.5 開放性

依照熱力學(xué)原理，孤立系統(tǒng)的熵必然是持續(xù)增加的，也就意味著系統(tǒng)是趨于無(wú)序的。而開放的系統(tǒng)由于與外界存在物質(zhì)交換，能持續(xù)不斷地從外界輸入負(fù)熵，從而使系統(tǒng)的熵減小或維持一種緩慢的增長(zhǎng)速度，進(jìn)而趨于一種穩(wěn)定的有序狀態(tài)?；谝陨险摂嗫芍?，開放性是系統(tǒng)自組織行為的必然條件。

各類建模方法能反映的系統(tǒng)特性見表1。

表1 各類建模方法反映的復(fù)雜系統(tǒng)特性Table 1 Characteristics of complex system reflected by various modeling methods

3 工程實(shí)踐情況

3.1 DoDAF

近年來(lái)，體系結(jié)構(gòu)在國(guó)際上引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，在實(shí)踐中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，美國(guó)國(guó)防部體系結(jié)構(gòu)框架(DoDAF)是體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的典型代表。2009年9月，美國(guó)率先研發(fā)了DoDAF 2.0，該版本提供了關(guān)于網(wǎng)絡(luò)中心的體系結(jié)構(gòu)信息，側(cè)重點(diǎn)從以產(chǎn)品為中心轉(zhuǎn)移到以數(shù)據(jù)為中心。DoDAF是基于元模型方法而提出的，主要開發(fā)思想為：以真實(shí)的數(shù)據(jù)為依托，以美國(guó)國(guó)防部元模型為基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)學(xué)建模為手段，以深入研究體系結(jié)構(gòu)為最終目標(biāo)。此外，該版本以為決策提供支持為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)而開發(fā)出滿足用戶需求的體系結(jié)構(gòu)，并以此為根本目的來(lái)開發(fā)和改進(jìn)設(shè)計(jì)對(duì)象。DoDAF的本質(zhì)是數(shù)據(jù)為中心的方法，其關(guān)注的焦點(diǎn)是體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)而不是單個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)。體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)支持更高效和更靈活地利用與重用體系結(jié)構(gòu)。

基于DoDAF進(jìn)行體系設(shè)計(jì)開發(fā)的過(guò)程為：首先基于設(shè)計(jì)需求開展能力需求映射轉(zhuǎn)換，將用戶的頂層需求轉(zhuǎn)化為體系的能力；基于體系的能力需求，采用UML，SysML等語(yǔ)言開展體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立體系數(shù)學(xué)模型；將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為仿真模型，開展不同顆粒度的體系仿真；根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)體系的效能進(jìn)行評(píng)估，分析體系的設(shè)計(jì)結(jié)果是否能夠滿足用戶使用需求。如果不能完全滿足需求，則修正體系的模型，重復(fù)迭代前述過(guò)程，如圖1所示。

圖1 基于DoDAF的體系設(shè)計(jì)過(guò)程Fig.1 System design process based on DoDAF

3.2 MoDAF

北約和英國(guó)為了進(jìn)一步擴(kuò)大自身的軍事實(shí)力，提升與美國(guó)信息交互能力，都仿照美國(guó)建立了體系框架結(jié)構(gòu)，并啟動(dòng)了相應(yīng)的研發(fā)工作。北約和英國(guó)按照各自所需，結(jié)合軍事發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)DoDAF完成了補(bǔ)充升級(jí)。2009年10月，英國(guó)國(guó)防部設(shè)計(jì)開發(fā)了新的MoDAF1.2版本[17]。MoDAF1.2版本在DoDAF 2.0版本基礎(chǔ)上對(duì)視點(diǎn)(Viewpoint)進(jìn)行了刪減，去掉了數(shù)據(jù)視點(diǎn)、信息視點(diǎn)、能力視點(diǎn)和項(xiàng)目視點(diǎn)，增加了戰(zhàn)略視點(diǎn)和采辦視點(diǎn)，以便更加適應(yīng)自身戰(zhàn)略需求，滿足國(guó)防預(yù)算。

4 作戰(zhàn)體系設(shè)計(jì)技術(shù)路線

為了能將復(fù)雜系統(tǒng)建模方法應(yīng)用到作戰(zhàn)體系設(shè)計(jì)工作中，本文給出了基于復(fù)雜系統(tǒng)建模方法的作戰(zhàn)體系設(shè)計(jì)技術(shù)路線，如圖2所示。

圖2 作戰(zhàn)體系設(shè)計(jì)技術(shù)路線Fig.2 Technical route of operational system design

4.1 作戰(zhàn)體系節(jié)點(diǎn)特征分析

作戰(zhàn)體系包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)具備不同的功能特性，通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間的相互協(xié)作使整個(gè)體系具備整體特性，表現(xiàn)出整體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因此對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能特性需要進(jìn)行詳細(xì)的研究，綜合運(yùn)用復(fù)雜系統(tǒng)建模方法，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的特征進(jìn)行抽象、總結(jié)、分類，提煉出系統(tǒng)各類節(jié)點(diǎn)的一般特征，給出各類節(jié)點(diǎn)特征的概念、特性及定量表達(dá)式。

4.2 作戰(zhàn)體系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作戰(zhàn)體系中的每個(gè)環(huán)節(jié)通過(guò)一定的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行交互，使體系具有一定的整體特性和功能。因此，在研究體系的整體效能時(shí)，必須要研究體系的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。首先應(yīng)研究作戰(zhàn)體系靜態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，研究系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)權(quán)重分配以及節(jié)點(diǎn)間的信息協(xié)同處理算法。在此基礎(chǔ)上，為了適應(yīng)作戰(zhàn)體系這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的開放性、不確定性、自組織性和涌現(xiàn)性的特點(diǎn)，有必要研究作戰(zhàn)體系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)調(diào)整方法，設(shè)計(jì)可根據(jù)外部環(huán)境條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。復(fù)雜系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 復(fù)雜系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Topological structure of complex system

4.3 作戰(zhàn)體系整體特性分析

作戰(zhàn)體系的整體特性與體系各節(jié)點(diǎn)特征及體系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都緊密相關(guān)，應(yīng)在節(jié)點(diǎn)特征分析及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)作戰(zhàn)體系整體特性進(jìn)行研究。作戰(zhàn)體系的整體特性并不是各節(jié)點(diǎn)特征的簡(jiǎn)單加和，應(yīng)將作戰(zhàn)體系各個(gè)節(jié)點(diǎn)特征與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相結(jié)合，研究作戰(zhàn)體系的整體特性分析方法。分析作戰(zhàn)體系各個(gè)節(jié)點(diǎn)所呈現(xiàn)出的性質(zhì)，探索其變化對(duì)體系整體特性的影響，然后對(duì)體系的變化方向與趨勢(shì)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。在此基礎(chǔ)上，研究體系整體特性的保持或調(diào)整機(jī)制，給出作戰(zhàn)體系的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

4.4 作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)

由于復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)層面上進(jìn)行的，而作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)是在工程應(yīng)用層面上進(jìn)行的，一般情況下并不能簡(jiǎn)單地將復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法直接套用在作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)中。因此，需要建立映射關(guān)系，將動(dòng)力學(xué)層面的節(jié)點(diǎn)特征和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化、體現(xiàn)到作戰(zhàn)體系功能層面的組成單元上，根據(jù)系統(tǒng)功能和其他剖面的需求，設(shè)計(jì)構(gòu)建作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)框架，如其功能劃分、系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)間信息交互機(jī)制等等。在此基礎(chǔ)上，分析作戰(zhàn)體系的狀態(tài)、性能及其變化趨勢(shì)，并給出典型運(yùn)行模式。

4.5 作戰(zhàn)體系效能優(yōu)化及控制

作戰(zhàn)體系的特征參數(shù)表征了其效能?？蛇\(yùn)用現(xiàn)代控制理論及參數(shù)優(yōu)化理論等方法對(duì)作戰(zhàn)體系的特征參數(shù)開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在深入研究體系動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上對(duì)體系運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行恰當(dāng)?shù)目刂?，從而提高作?zhàn)體系的整體效能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文綜述了各類復(fù)雜系統(tǒng)建模方法的理論基礎(chǔ)和特點(diǎn)，總結(jié)了復(fù)雜系統(tǒng)5個(gè)典型特性：自組織性、非線性、不確定性、涌現(xiàn)性、開放性。介紹了復(fù)雜系統(tǒng)建模方法的工程實(shí)踐情況，并給出了基于復(fù)雜系統(tǒng)建模理論開展作戰(zhàn)體系設(shè)計(jì)的技術(shù)路線。