體系工程與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)

“在我們弄清楚系統(tǒng)各組成部分的連接關(guān)系之前，我們不可能完全理解復(fù)雜系統(tǒng)（體系）”，正因為如此，人們開始關(guān)注體系工程與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，關(guān)注用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論方法研究體系工程問題

以信息技術(shù)為代表的高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得系統(tǒng)之間的聯(lián)系和交互變得越來越頻繁和緊密。系統(tǒng)間的聯(lián)系多以信息為介質(zhì)，以網(wǎng)絡(luò)為載體，通過互聯(lián)、互通和互操作實現(xiàn)系統(tǒng)間的交互和協(xié)同，以完成共同的使命，實現(xiàn)共同的目標(biāo)。在這一背景下，不論是在能源交通、科技教育、信息網(wǎng)絡(luò)、生態(tài)環(huán)境、航天、軍事、管理等領(lǐng)域，還是在國家安全和社會經(jīng)濟領(lǐng)域，體系工程與網(wǎng)絡(luò)科學(xué)已經(jīng)成為新的研究熱點和前沿研究領(lǐng)域。

2005年美國建立了兩個體系研究中心，一個是美國國防部支持、由國防采辦大學(xué)組織的體系工程研究中心（SoS Engineering Center of Excellence，SOSECE），另一個是美國老道名大學(xué)（Old Dominate University）的國家體系工程研究中心（National Centers of SoS Engineering，NCOSE）。麻省理工學(xué)院（MIT）和普渡大學(xué)（Purdue University）也分別從工程系統(tǒng)和智能交通領(lǐng)域開始致力于體系設(shè)計相關(guān)技術(shù)的研究。卡內(nèi)基 · 梅隆大學(xué)在軟件體系結(jié)構(gòu)整合度評估、體系結(jié)構(gòu)風(fēng)險評估和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方面也取得了大批研究成果。美國能源部支持的Sandia國家實驗室開展體系問題研究，開發(fā)了體系分析工具集SoSAT （System of Systems Analysis Toolset）。IEEE體系工程國際會議由IEEE SMC（System， Man， and Cybernetics Society）和IEEE Systems Council共同發(fā)起，每年召開一次。體系工程的主要研究方向有體系需求與體系試驗、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、體系及其組織結(jié)構(gòu)、體系的全壽命周期管理與采辦、體系能力工程與敏捷性、復(fù)雜系統(tǒng)理論、體系建模與仿真等。

1999年，美國學(xué)者在對萬維網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)進行研究時發(fā)現(xiàn)，萬維網(wǎng)具有許多個有少量鏈接的網(wǎng)站、少量具有中等數(shù)量鏈接的網(wǎng)站和為數(shù)極少的具有大量鏈接的網(wǎng)站，萬維網(wǎng)的結(jié)構(gòu)被少數(shù)鏈接極多的網(wǎng)站所主宰。也就是說鐘形曲線的連接平均數(shù)或比例不見了，它所產(chǎn)生的是一條不斷遞減的曲線，其特征是物理學(xué)家們所說的一種“冪法則”。由于這類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的度沒有明顯的特征長度，故稱為無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)（Scale free network）。隨著無標(biāo)度性的發(fā)現(xiàn)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究熱潮的興起，《自然》（Nature）和《科學(xué)》（Science）上相繼出版了多期與復(fù)雜性和網(wǎng)絡(luò)科學(xué)相關(guān)的專輯，將我們帶入了一個網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的新時代。網(wǎng)絡(luò)科學(xué)著眼于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的定性與定量特征，開展發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)、建立網(wǎng)絡(luò)模型、分析網(wǎng)絡(luò)行為、設(shè)計網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能、管控網(wǎng)絡(luò)安全等方面的研究工作。

正如復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究的開拓者之一Barabási在第三屆國際網(wǎng)絡(luò)科學(xué)大會（NetSci08，英國）上指出的那樣，“在我們弄清楚系統(tǒng)各組成部分的連接關(guān)系之前，我們不可能完全理解復(fù)雜系統(tǒng)”。這里所講的復(fù)雜系統(tǒng)指的就是系統(tǒng)的系統(tǒng)，即System of Systems，國內(nèi)外很多學(xué)者稱之為體系。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究在過去10年得到了迅速發(fā)展，其研究者來自圖論、統(tǒng)計物理、計算機、生物學(xué)、社會學(xué)以及系統(tǒng)科學(xué)、管理科學(xué)等各個不同領(lǐng)域。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)作為一種新的研究范式，正成為研究復(fù)雜系統(tǒng)或體系的新視角和新途徑。網(wǎng)絡(luò)科學(xué)理論強調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如何影響系統(tǒng)的性質(zhì)、行為和功能。其中結(jié)構(gòu)是事物的基本屬性，表示系統(tǒng)中組分之間的連接關(guān)系。用網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的理論方法對體系進行描述與建模，更加有利于分析體系中各組分系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及其對體系能力和效能的影響。正因為如此，人們開始關(guān)注體系工程與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，關(guān)注用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論方法研究體系工程問題。

體系與體系工程

體系（System of Systems，SoS）是由多個系統(tǒng)組合而成的復(fù)雜大系統(tǒng)。在不同領(lǐng)域和應(yīng)用背景中體系的定義也不完全相同。國內(nèi)外文獻中有關(guān)體系的經(jīng)典定義主要有：（1）Maier在1996年提出體系是為實現(xiàn)共同目標(biāo)聚合在一起的大型系統(tǒng)集合或網(wǎng)絡(luò)。（2）Cook在2001年提出體系是包含人類活動的社會——技術(shù)復(fù)雜系統(tǒng)，通過組成系統(tǒng)之間的通訊和控制，實現(xiàn)整體涌現(xiàn)行為。（3）美國國防部定義體系是相互關(guān)聯(lián)起來實現(xiàn)指定能力的獨立系統(tǒng)集合或陣列，其中任意組成部分的缺失都會使得整體能力嚴重退化，體系是能夠以不同方式進行關(guān)聯(lián)實現(xiàn)多種能力的獨立系統(tǒng)集合或陣列。

體系區(qū)別于一般系統(tǒng)的主要特點有：（1）規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由組分系統(tǒng)協(xié)作集成；（2）組分系統(tǒng)在地理上分布廣泛，可獨立運行、獨立管理，具有獨立的功能；（3）目的性強，但目標(biāo)不固定，可動態(tài)配置資源以適應(yīng)不同任務(wù)的需要；（4）組分系統(tǒng)完成共同目標(biāo)時相互依賴，可同時執(zhí)行和互操作；（5）開發(fā)過程實行集中管理和規(guī)劃，不斷演化發(fā)展，涌現(xiàn)新的行為和功能；（6）重視協(xié)調(diào)和開發(fā)來自不同組織或不同利益相關(guān)者完成共同目標(biāo)的能力。

現(xiàn)在要研究和解決的許多問題，例如低碳經(jīng)濟、能源、交通、生態(tài)系統(tǒng)、環(huán)境保護、城市建設(shè)、社會保障、信息網(wǎng)絡(luò)、社會組織、反恐維穩(wěn)、科技教育、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)物流、武器裝備體系等問題，以及戰(zhàn)略預(yù)警體系、載人航天、三峽工程、南水北調(diào)等重大工程都涉及到多個獨立系統(tǒng)，都是我們前面所說的“體系”問題。

在這樣的體系問題背景下，體系工程（System of Systems Engineering，SoSE）應(yīng)運而生。與傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程相比，體系工程在分析和解決不同種類的、獨立的、大型的復(fù)雜系統(tǒng)之間的相互協(xié)調(diào)與相互操作問題上更具有針對性。國際上對體系工程的研究才剛剛起步，與體系的定義一樣，體系工程也并未形成一個權(quán)威定義，目前較多出現(xiàn)的定義有：（1）美國國防采辦手冊定義體系工程是對一個由現(xiàn)有或新開發(fā)系統(tǒng)組成的混合系統(tǒng)的能力進行計劃、分析、組織和集成的過程，這個過程比簡單的對成員系統(tǒng)進行能力疊加要復(fù)雜得多，它強調(diào)通過發(fā)展和實現(xiàn)某種標(biāo)準(zhǔn)來推動成員系統(tǒng)間的互操作。（2）美國體系工程研究中心定義體系工程是設(shè)計、開發(fā)、部署、操作和更新體系的系統(tǒng)工程科學(xué)。它所關(guān)心的是：確保單個系統(tǒng)在體系中能夠作為一個獨立的成員運作并為體系貢獻適當(dāng)?shù)哪芰Γ惑w系能夠適應(yīng)不確定的環(huán)境和條件；體系的組分系統(tǒng)能夠根據(jù)條件變化來重組形成新的體系；體系工程整合了多種技術(shù)與非技術(shù)因素來滿足體系能力的需求。

從體系工程的定義可以看出，體系工程是對系統(tǒng)工程的延伸和拓展，它更加關(guān)注將能力需求轉(zhuǎn)化為體系解決方案，最終轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實系統(tǒng)。一般地，系統(tǒng)工程在系統(tǒng)開發(fā)前，明確并建立一個嚴格的系統(tǒng)邊界，針對這個邊界來規(guī)范一系列的需求，并根據(jù)這些需求來完成系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)。體系工程則主要通過平衡和優(yōu)化多個系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，來實現(xiàn)可互操作的靈活性和應(yīng)變能力，并最終構(gòu)造一個可以滿足用戶需求的體系。表1從多個方面對系統(tǒng)工程和體系工程進行了比較。

體系工程要解決的問題和達到的目標(biāo)是：（1）實現(xiàn)體系的集成，滿足在各種特定環(huán)境下的能力需求；（2）體系仿真、計算實驗，建立仿真實驗系統(tǒng)，對體系的整個壽命周期提供技術(shù)與管理支持；（3）達到體系中組分系統(tǒng)間的費用、性能、進度和風(fēng)險的平衡；（4）確定組分系統(tǒng)的選擇與配比；（5）組分系統(tǒng)的交互與協(xié)同工作，實現(xiàn)互操作性；（6）管理體系的涌現(xiàn)行為以及動態(tài)的演化與更新。

基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的體系

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)一般是由多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成的，其復(fù)雜性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜，且結(jié)構(gòu)隨時間變化，節(jié)點之間的連接可能具有不同的權(quán)重或方向；（2）節(jié)點復(fù)雜性。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可能是一個智能體和自動器，是具有復(fù)雜非線性行為的動力系統(tǒng)，且一個網(wǎng)絡(luò)中可能有多種不同類型的節(jié)點；（3）結(jié)構(gòu)與節(jié)點之間相互影響；（4）不同網(wǎng)絡(luò)之間相互影響。因此，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)（Network of Networks，NoN），這與體系（System of Systems，SoS）形成了一一對應(yīng)的關(guān)系。如何運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論和網(wǎng)絡(luò)科學(xué)來研究體系問題，建立一般體系問題求解的方法就顯得尤為重要。

例如武器裝備體系是一種特殊的復(fù)雜系統(tǒng)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和高技術(shù)條件下的作戰(zhàn)需要，其組成要素會越來越多，關(guān)聯(lián)關(guān)系和體系結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。如何準(zhǔn)確地描述體系中的裝備以及裝備之間的影響關(guān)系，建立體系結(jié)構(gòu)描述和分析評估模型，將對體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化、體系能力的評估等具有重要的作用。過去常用的武器裝備體系能力描述與評估往往采用具有層次結(jié)構(gòu)的指標(biāo)體系來進行描述與評估。這種樹狀的指標(biāo)體系分解的方法可以較好地展示體系能力之間的層級關(guān)系，分析單個裝備對體系能力的貢獻，但是忽略了體系中同一層次裝備之間的相互作用關(guān)系。實際上，裝備的能力會受到其他相關(guān)支撐裝備能力的影響，比如導(dǎo)航定位系統(tǒng)精度的提高會使導(dǎo)彈的命中精度提高等。隨著高技術(shù)條件下裝備之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的加強，這種關(guān)聯(lián)關(guān)系對體系整體能力的影響也會越來越大，而傳統(tǒng)的樹狀結(jié)構(gòu)的武器裝備指標(biāo)體系描述與評估方法，難以充分反映這種關(guān)聯(lián)關(guān)系對體系能力的影響。因此，傳統(tǒng)的樹狀的武器裝備指標(biāo)體系不能完全反映和代替真實的武器裝備體系。這就迫切需要網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的理論方法，對武器裝備體系中的裝備以及裝備之間的關(guān)系進行描述與建模，以支撐體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和能力評估工作。

體系是由包括大量物質(zhì)、設(shè)備、設(shè)施、信息、人員等相互關(guān)聯(lián)的若干獨立系統(tǒng)組成的。體系的網(wǎng)絡(luò)化描述與建模方法研究就是要研究如何真實、準(zhǔn)確地將體系抽象成一系列的網(wǎng)絡(luò)化模型，應(yīng)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的理論和方法來進行求解。即把需研究解決的特殊體系問題抽象為一般的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)問題，并加以描述，建立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)矩陣和網(wǎng)絡(luò)模型，這是一個抽象過程；在此基礎(chǔ)上，開展網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析和網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)研究，如傳播、同步、控制、博弈等，求解一般復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)問題，這是一個求解過程；從一般復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)問題的解得到特殊體系問題的解決方案，這是一個解釋和解決問題過程。圖1所示的是體系的網(wǎng)絡(luò)化描述建模的一般求解過程。在描述與建模的過程中，既要考慮體系中的系統(tǒng)性能對體系能力的影響，又要突出系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系對體系能力的影響。因此，這種體系網(wǎng)絡(luò)化描述、建模和仿真推演，其論證與評估的結(jié)果集中反映在體系的協(xié)同演化和涌現(xiàn)行為上，反映在體系的整體能力和效益上。

體系作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)在軍事領(lǐng)域的研究工作目前主要集中在對作戰(zhàn)模型的研究上。例如，在2004年，美國學(xué)者Jeffrey R.Cares運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論建立了信息時代的交戰(zhàn)模型，根據(jù)戰(zhàn)場中各兵力扮演的角色不同，把戰(zhàn)場中的兵力節(jié)點分為決策節(jié)點（D）、傳感器節(jié)點（S）、響應(yīng)節(jié)點（I）和目標(biāo)節(jié)點（T）4類，然后根據(jù)節(jié)點之間發(fā)生的關(guān)系建立各種關(guān)系環(huán)、影響環(huán)，由各種關(guān)系環(huán)、影響環(huán)構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，并運用網(wǎng)絡(luò)知識進行分析。雖然Cares只是宏觀描述了作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，缺乏微觀行為的描述，但提出的四類節(jié)點，對武器裝備體系的網(wǎng)絡(luò)化建模中節(jié)點類型的描述研究具有很好的借鑒和參考價值。2009年老道明大學(xué)（Old Dominion University）的Sean Deller等人對Cares建立的信息時代交戰(zhàn)模型進行了進一步改進，但是該模型沒有考慮節(jié)點（裝備）性能對作戰(zhàn)效果的影響。另外，一些學(xué)者將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論用于體系對抗仿真中，模擬作戰(zhàn)中武器裝備的關(guān)系，制定網(wǎng)絡(luò)模型生成規(guī)則，建立仿真分析模型，分析網(wǎng)絡(luò)的度分布、介數(shù)、平均距離等指標(biāo)，賦予這些指標(biāo)在軍事領(lǐng)域的物理意義并得出結(jié)論。這種通過仿真建立作戰(zhàn)體系的網(wǎng)絡(luò)模型并分析網(wǎng)絡(luò)模型特性的方法，對研究裝備之間關(guān)聯(lián)關(guān)系及其影響具有很好的借鑒意義。

這種研究方法也可以推廣到其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如能源網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)、生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、社會關(guān)系網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等。這些網(wǎng)絡(luò)中也包含各種各樣的關(guān)系環(huán)或影響環(huán)，影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，比如生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈構(gòu)成的捕食關(guān)系環(huán)，關(guān)系環(huán)的數(shù)量也在一定程度上反映了系統(tǒng)的某些特性。這些網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)又是一個典型的復(fù)雜系統(tǒng)或體系，如生態(tài)系統(tǒng)就是一個包含很多系統(tǒng)的體系，其中包括大氣生態(tài)系統(tǒng)、大地生態(tài)系統(tǒng)、流域生態(tài)系統(tǒng)、森林與生物生態(tài)系統(tǒng)、城市生態(tài)系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)構(gòu)成了不同類型的網(wǎng)絡(luò)，相互關(guān)聯(lián)、耦合。生態(tài)系統(tǒng)中的各種食物鏈構(gòu)成的捕食關(guān)系環(huán)的數(shù)量一定程度上反映了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自適應(yīng)性。