改進(jìn)的體系進(jìn)化架構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

任天助, 辛萬(wàn)青, 嚴(yán)晞雋, 趙鴻宇, 黃 輝

(1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所, 北京 100076; 2. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院, 北京 100076;3. 北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所, 北京 100076)

0 引 言

體系是一類(lèi)由眾多彼此獨(dú)立的系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)集合,又稱(chēng)為系統(tǒng)之系統(tǒng),是目前系統(tǒng)工程研究的重要方向[1-4]。體系各個(gè)組成部分并不是傳統(tǒng)系統(tǒng)工程意義上的緊耦合關(guān)系,而是相對(duì)松散、有較大的自主性、并給整體帶來(lái)演化性的一種特殊關(guān)系。體系領(lǐng)域需要一套適合這樣特點(diǎn)的方法流程,指導(dǎo)研究者進(jìn)行體系設(shè)計(jì)。在這樣的背景下,Dahmm等人[5]提出將體系設(shè)計(jì)用一種易于理解和操作、反復(fù)迭代不斷進(jìn)化的波浪模型來(lái)表述,如圖1所示。由于其把握了體系的演化特性,被廣大的體系研究者關(guān)注[6-12]。包括美國(guó)普渡大學(xué)Delaurance教授的團(tuán)隊(duì)、美國(guó)密蘇里大學(xué)Dagli教授的研究團(tuán)隊(duì)以及國(guó)內(nèi)的王維平[12]等學(xué)者都對(duì)這一模型予以了關(guān)注。Agarwal[13]在波浪模型的基礎(chǔ)上提出了一套名為靈活智能學(xué)習(xí)體系框架(flexible intelligent learning architectures for systems of systems, FILA-SoS)的體系優(yōu)化設(shè)計(jì)方法論。Imane[14]則在波浪模型的基礎(chǔ)上,提出以任務(wù)為主線的體系工程分析流程。方哲梅[15]提出了一種基于動(dòng)態(tài)戰(zhàn)略規(guī)劃的體系架構(gòu)進(jìn)化建模方法,與傳統(tǒng)的美國(guó)國(guó)防部體系架構(gòu)框架(簡(jiǎn)稱(chēng)為DoDAF)體系視圖架構(gòu)進(jìn)行了結(jié)合。

圖1 體系工程波浪模型

這類(lèi)進(jìn)化體系架構(gòu)開(kāi)發(fā)理念是把體系組成要素設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問(wèn)題,并且是一個(gè)隨著內(nèi)外部條件變化的重復(fù)優(yōu)化問(wèn)題。在每一個(gè)周期內(nèi),根據(jù)外部條件和當(dāng)前的需求,確定架構(gòu)內(nèi)潛在的體系要素,并開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)得到最優(yōu)的要素組合形式,在下一個(gè)周期內(nèi)隨著體系內(nèi)外關(guān)系的變化重復(fù)這一過(guò)程。然而目前關(guān)于體系進(jìn)化架構(gòu)有關(guān)的研究有以下幾點(diǎn)問(wèn)題。

第一,體系架構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中缺乏具備可操作性的體系需求分析方法,對(duì)體系架構(gòu)進(jìn)化的目標(biāo)難以清晰定位。

第二,目前對(duì)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)或是將體系中的系統(tǒng)作為黑箱,缺乏各系統(tǒng)自身情況對(duì)體系影響的分析;或是采用分層優(yōu)化的形式,將體系分解為多層,逐級(jí)尋優(yōu),容易導(dǎo)致局部?jī)?yōu)化而整體非最優(yōu)的問(wèn)題。

本文在前人工作基礎(chǔ)上,從兩方面對(duì)基于進(jìn)化架構(gòu)的體系優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)。一方面,引入聯(lián)合能力集成與開(kāi)發(fā)系統(tǒng)(joint capabilities integration and development system,JCIDS)中的相關(guān)方法,分析對(duì)體系的劣勢(shì)短板作為優(yōu)化的目標(biāo)。另一方面在面向體系架構(gòu)的優(yōu)化方法中加入對(duì)系統(tǒng)級(jí)、子系統(tǒng)級(jí)參數(shù)變量的整體優(yōu)化,以一體化編碼的形式對(duì)各級(jí)變量協(xié)同優(yōu)化,通過(guò)進(jìn)化優(yōu)化算法得出體系多層協(xié)同優(yōu)化的方案。以此實(shí)現(xiàn)從體系需求到系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的進(jìn)化架構(gòu)設(shè)計(jì)流程。并以海上搜救裝備體系優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題作為應(yīng)用對(duì)象,對(duì)該方法的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)。

1 融合JCIDS的體系進(jìn)化架構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

進(jìn)化體系架構(gòu)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)流程如圖2所示,通過(guò)需求分析確定體系架構(gòu)的選擇范圍、體系整體的約束規(guī)則和體系能力的優(yōu)化目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的關(guān)鍵是確定體系的能力需求,找到體系進(jìn)化的方向,形成優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。JCIDS是美軍為完成聯(lián)合作戰(zhàn)任務(wù)、實(shí)現(xiàn)聯(lián)合作戰(zhàn)目標(biāo)而創(chuàng)建的一種作戰(zhàn)需求生成系統(tǒng),主要用于指導(dǎo)裝備采辦階段中裝備的設(shè)計(jì)與選型,也在其他領(lǐng)域被用于解決需求分析問(wèn)題[16-19],大致流程如圖3所示。

圖2 進(jìn)化體系架構(gòu)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)流程

圖3 JCIDS開(kāi)發(fā)流程

JCIDS中對(duì)能力差距的分析能夠提高體系在進(jìn)化設(shè)計(jì)中對(duì)需求的把控力,對(duì)體系的能力需求開(kāi)展優(yōu)選和排序,為體系架構(gòu)進(jìn)化提供充分的目標(biāo)依據(jù)。因此,本文選取JCIDS中的功能域分析(function area analysis, FAA)與功能需求分析(function needs analysis, FNA)這兩個(gè)主要步驟,形成如圖4所示改進(jìn)的進(jìn)化體系架構(gòu)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)流程。主要包括以下步驟。

圖4 改進(jìn)的進(jìn)化體系架構(gòu)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)流程

步驟 1將體系戰(zhàn)略目標(biāo)與行動(dòng)概念作為進(jìn)化體系架構(gòu)設(shè)計(jì)的需求總輸入,將抽象的需求轉(zhuǎn)換為能力目標(biāo)。

步驟 2然后進(jìn)行FAA,確定體系的內(nèi)涵和邊界,形成體系的任務(wù)清單、限制條件和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),作為體系框架生成的基礎(chǔ)。

步驟 3將體系的限制條件參數(shù)化,形成體系要素規(guī)則庫(kù),作為優(yōu)化模型的約束條件。

步驟 4以FNA方法,對(duì)各項(xiàng)任務(wù),確認(rèn)能力現(xiàn)狀和存在的差距,對(duì)能力的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序,并對(duì)評(píng)估體系能力的標(biāo)準(zhǔn)組織成可量化的目標(biāo)函數(shù)的形式。

步驟 5將體系內(nèi)潛在的組成要素和要素的關(guān)鍵參數(shù)組合成一種可優(yōu)化的編碼形式。

步驟 6以進(jìn)化算法對(duì)體系方案優(yōu)化,形成當(dāng)前條件下最優(yōu)的體系方案。

步驟 7以未來(lái)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)對(duì)當(dāng)前最優(yōu)方案結(jié)果進(jìn)行評(píng)估,對(duì)方案進(jìn)一步權(quán)衡后決定是否開(kāi)展下一波進(jìn)化架構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4所示的進(jìn)化架構(gòu)融入JCIDS的好處在于將圖2的進(jìn)化架構(gòu)中體系需求分析的步驟具象化。這種架構(gòu)是一種“評(píng)估先行”的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)理念,即對(duì)體系能力的評(píng)估先于對(duì)體系的設(shè)計(jì)與優(yōu)化,而非在體系的原型架構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后再?gòu)母鱾€(gè)角度去評(píng)估。這種理念與“進(jìn)化”的概念更貼合,更能適應(yīng)體系演化的特質(zhì),保證體系在每個(gè)設(shè)計(jì)循環(huán)內(nèi)始終向最優(yōu)的方向進(jìn)化。

2 體系需求表生成與能力差距分析

在JCIDS流程中,FAA的重點(diǎn)工作是對(duì)整個(gè)聯(lián)合任務(wù)使命流程開(kāi)展描述,并在其中識(shí)別出完成特定使命最為必需的任務(wù)清單。之后,對(duì)每個(gè)任務(wù)說(shuō)明執(zhí)行的條件。最后,確定衡量任務(wù)完成情況的標(biāo)準(zhǔn),以“在……條件下,按……衡量標(biāo)準(zhǔn),執(zhí)行……任務(wù)”的體系需求表的形式輸出。

以海上救援問(wèn)題為例,在3級(jí)以下海況下,距離海岸50海里以內(nèi),能見(jiàn)度為2 km以上,遇險(xiǎn)總?cè)藬?shù)在10人以內(nèi)的需求表如表1所示。FNA在FAA基礎(chǔ)上,通過(guò)任務(wù)和能力的對(duì)應(yīng)關(guān)系,合并同類(lèi)的條件,形成能力單元。在JCIDS中,規(guī)定了一系列聯(lián)合作戰(zhàn)的基本能力,只需將能力單元按照基本能力進(jìn)行歸類(lèi),即可形成完整的能力清單。面對(duì)非作戰(zhàn)問(wèn)題,同樣可以按照FNA的思路,將能力單元按照所承擔(dān)能力的組成系統(tǒng)的共性特點(diǎn),聚合形成體系的能力清單。

表1 特定條件下的任務(wù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

之后,通過(guò)將衡量標(biāo)準(zhǔn)與能力清單進(jìn)行對(duì)應(yīng),從能力現(xiàn)狀中找到能力差距,并根據(jù)能力差距的大小、緊迫程度,對(duì)能力的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序(第4節(jié)案例部分更為詳細(xì)描述)。對(duì)于提升要求緊迫的能力,將其設(shè)為當(dāng)前一輪進(jìn)化架構(gòu)流程的優(yōu)化目標(biāo)。根據(jù)體系所需的能力,選擇能夠在所需條件下滿足對(duì)應(yīng)能力的潛在組成系統(tǒng)。再將分析得到的任務(wù)條件轉(zhuǎn)化為對(duì)系統(tǒng)的約束,至此,體系架構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)、優(yōu)化變量和約束條件已經(jīng)全部具備。

3 改進(jìn)的體系多層進(jìn)化架構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

第2節(jié)的內(nèi)容解決了如何將一個(gè)體系從抽象的概念,經(jīng)過(guò)基于JCIDS的需求分析流程,逐步形成任務(wù)到能力、能力到系統(tǒng)的體系架構(gòu)。接下來(lái)的關(guān)鍵問(wèn)題是對(duì)體系架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,尋找最合適的體系架構(gòu)方案。對(duì)于一般的優(yōu)化問(wèn)題而言,都可以用如下的形式來(lái)進(jìn)行表示:

(1)

由于體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,其求解相比于傳統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題也有所不同。體系除了整體的優(yōu)化之外,應(yīng)該考慮內(nèi)部組成系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響。體系優(yōu)化目標(biāo)的變量由部分系統(tǒng)變量來(lái)決定,而系統(tǒng)的變量由子系統(tǒng)決定。因此,在一些文獻(xiàn)中[20-25],根據(jù)傳統(tǒng)系統(tǒng)工程多學(xué)科優(yōu)化的思路,提出了體系多層協(xié)同優(yōu)化的方法,如圖5所示,將體系分解為體系、系統(tǒng)、子系統(tǒng)3層,每層都有各自優(yōu)化目標(biāo)F,通過(guò)目標(biāo)級(jí)聯(lián)法、多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化等方法解決各個(gè)目標(biāo)的一致性問(wèn)題。這種方法處理時(shí),采用對(duì)沒(méi)有參數(shù)耦合問(wèn)題的最底層優(yōu)化后,解出耦合參數(shù)C,作為上一層目標(biāo)函數(shù)的自變量代入其中,再來(lái)優(yōu)化上一層。這種方法直觀上有效合理,但是在實(shí)際優(yōu)化過(guò)程中,為了實(shí)現(xiàn)體系目標(biāo)的最優(yōu),需要反復(fù)多次計(jì)算耦合參數(shù),并且特別容易陷入子系統(tǒng)的局部最優(yōu)中。本文提出另外一種協(xié)同進(jìn)化的思路,將體系、系統(tǒng)和子系統(tǒng)的所有設(shè)計(jì)參數(shù)直接以遺傳算子的形式輸出到多目標(biāo)進(jìn)化算法中。雖然這種算法會(huì)在一定程度上帶來(lái)優(yōu)化算法計(jì)算開(kāi)支的增加,但這樣的好處是沒(méi)有處理耦合算子的問(wèn)題,從根本上避免了系統(tǒng)或子系統(tǒng)局部最優(yōu)而體系整體非最優(yōu)。

圖5 體系優(yōu)化問(wèn)題的多層性

對(duì)于改進(jìn)后的優(yōu)化方法,將各層所有的耦合參數(shù)C都以下一層的變量代入,可以將其寫(xiě)成一體化編碼形式X:

(2)

圖6 體系任務(wù)-能力-系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系示例

這樣在體系優(yōu)化中,借助這一變量在一體化編碼中確定分段,可以更快速地將不適合體系的組成系統(tǒng)剔除,減少優(yōu)化的規(guī)模。同時(shí),面向體系的各種能力,采用多目標(biāo)優(yōu)化求解出一個(gè)體系方案的權(quán)衡空間。在權(quán)衡空間中,根據(jù)能力的優(yōu)先級(jí)和體系決策者的偏好,在Pareto前沿上由體系決策者選擇最適合的方案。

4 應(yīng)用案例

海上搜救問(wèn)題是典型的體系問(wèn)題,涉及到多個(gè)部門(mén)、多種救援裝備的協(xié)調(diào)配合[26],許多論文都以其作為研究對(duì)象或典型案例[27-29]。本文以海上搜救場(chǎng)景作為驗(yàn)證本文中體系進(jìn)化架構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用實(shí)例。考慮從大型搜救船、搜救直升機(jī)、小型搜救艇、海上搜救雷達(dá)等搜救裝備和搜救設(shè)施中選擇合適的組合,布置在合理的位置上,并優(yōu)化搜救裝備，如搜救直升機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù),選擇提升油箱容量提升續(xù)航,還是攜帶更大功率的探照燈提升低能見(jiàn)度搜索時(shí)的視野,或是減少一些設(shè)施提升飛行時(shí)的速度。

在第2節(jié)中,已經(jīng)以例子的形式介紹如何利用JCIDS中的FAA流程,得到海上搜救體系的任務(wù)、條件和標(biāo)準(zhǔn)。這里對(duì)海上救援任務(wù)的條件進(jìn)一步明確為3類(lèi),樂(lè)觀條件、平均條件和悲觀條件,具體如表2所示。

表2 任務(wù)條件分類(lèi)

得到任務(wù)條件后,現(xiàn)開(kāi)展對(duì)能力差距的分析,首先通過(guò)分析海上搜救任務(wù)流程,分析得到對(duì)應(yīng)的子能力清單,再聚合為3種主要能力,如圖6所示。通過(guò)將能力分配到救助裝備系統(tǒng),形成救援裝備體系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)能力。

根據(jù)歷史數(shù)據(jù),對(duì)任務(wù)的各種條件分類(lèi)并確定出現(xiàn)概率后,進(jìn)入FNA過(guò)程,對(duì)能力現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估并確定能力優(yōu)先級(jí)順序,評(píng)估能力差距分析結(jié)果如表3所示。目前與期望達(dá)成的能力水平差距最大的、最為緊迫的體系能力為“運(yùn)輸機(jī)動(dòng)能力”,其次為“搜索探測(cè)能力”,最后為“指揮通信能力”。由式(2),建立海上救援優(yōu)化模型,設(shè)計(jì)目標(biāo)為加權(quán)后滿足標(biāo)準(zhǔn)的程度百分?jǐn)?shù)作為能力評(píng)估值,即當(dāng)前優(yōu)化算法的目標(biāo)函數(shù)。各級(jí)優(yōu)化變量包括:

表3 能力差距分析

(1) 體系級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)X:各類(lèi)直升機(jī)/救援船救助基地?cái)?shù)量、指揮中心部署位置(經(jīng)緯度)等。

(3) 系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)x:搜救雷達(dá)功率、救助直升機(jī)/輪船巡航速度、救助直升機(jī)/輪船續(xù)航里程、岸上最大通信距離等。

變量約束考慮體系級(jí)約束條件包括裝備的經(jīng)費(fèi)總額,基地容納飛機(jī)/船只上限,基地部署位置,系統(tǒng)級(jí)約束包括救援飛機(jī)、救援船只攜帶搜救裝備的重量限制等。本案例中,進(jìn)化架構(gòu)考慮兩次進(jìn)化,分別為當(dāng)前最優(yōu)方案和5年后最優(yōu)計(jì)劃方案。5年后的方案經(jīng)費(fèi)更加充足,搜救裝備選擇更多,功能更強(qiáng)。

這里應(yīng)用非支配排序遺傳算法(non-dominated sorting genetic algorithm, NSGA-II)[30]多目標(biāo)優(yōu)化算法對(duì)體系裝備組合展開(kāi)優(yōu)化。根據(jù)能力優(yōu)先級(jí)排序,對(duì)“運(yùn)輸機(jī)動(dòng)能力”和“搜索探測(cè)能力”兩項(xiàng)優(yōu)先開(kāi)展優(yōu)化。應(yīng)用改進(jìn)的優(yōu)化算法后,得到的Pareto前沿結(jié)果如圖7所示。

圖7中每個(gè)點(diǎn)代表一組優(yōu)化后的體系設(shè)計(jì)方案。從圖中可以看出,改進(jìn)的進(jìn)化架構(gòu)在獲取體系所亟需的能力需求,并對(duì)能力需求進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序后,利用優(yōu)化算法為體系決策者提供合理的方案集。

本文以改進(jìn)后一體化編碼形式和分層計(jì)算的模式進(jìn)行了算法性能的對(duì)比。為了避免討論多目標(biāo)優(yōu)化條件下加權(quán)計(jì)算帶來(lái)的影響,這里以“運(yùn)輸機(jī)動(dòng)能力”中“救援力量平均到達(dá)時(shí)間”這一單獨(dú)指標(biāo)來(lái)驗(yàn)證算法性能。

圖7 兩次優(yōu)化的Pareto前沿結(jié)果

如表4所示根據(jù)仿真結(jié)果可知,本文提出的采用一體化編碼的優(yōu)化模式在當(dāng)前問(wèn)題中尋優(yōu)效果較好,避免了分層優(yōu)化的局部最優(yōu)。

表4 優(yōu)化算法性能參數(shù)比較

5 總結(jié)與展望

本文對(duì)體系進(jìn)化架構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)之處在于通過(guò)結(jié)合JCIDS的需求分析方法解決了體系進(jìn)化架構(gòu)缺乏需求獲取方法和多級(jí)優(yōu)化過(guò)程耦合性的問(wèn)題。以FAA過(guò)程給出體系的優(yōu)化變量選取范圍,以FNA確定能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和優(yōu)先級(jí),考慮體系內(nèi)多級(jí)參數(shù),并通過(guò)采用一體化編碼的方式,避免了求解中各級(jí)耦合的問(wèn)題及局部最優(yōu),提高了進(jìn)化算法的優(yōu)化效果。最后以海上救援問(wèn)題作為應(yīng)用案例開(kāi)展了從需求分析到優(yōu)化方案的閉環(huán)驗(yàn)證,該方法能夠有效分析能力需求,并利用優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)體系內(nèi)各級(jí)參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化。

目前研究中應(yīng)用的優(yōu)化算法為在遺傳算法基礎(chǔ)上改進(jìn)的仿生智能進(jìn)化算法,其優(yōu)化結(jié)果存在一定隨機(jī)性,速度也并不理想。未來(lái)研究中將考慮借助代理模型提升評(píng)估的效率,并引入博弈決策相關(guān)方法對(duì)進(jìn)化算法進(jìn)行改進(jìn),進(jìn)一步提高體系架構(gòu)優(yōu)化的速度和質(zhì)量。