指揮信息體系作戰需求魯棒論證方法框架*

鄧鵬華，戚振東，張勇，畢義明

(火箭軍工程大學 初級指揮學院，陜西 西安 710025)

指揮信息體系作戰需求魯棒論證方法框架*

鄧鵬華，戚振東，張勇，畢義明

(火箭軍工程大學 初級指揮學院，陜西 西安 710025)

傳統的作戰需求論證方法已經無法較好地處理指揮信息體系建設中的不確定性。首先給出作戰需求的定義，構建了指揮信息體系作戰需求形式化概念模型，并建立了多層次多視點的指揮信息體系作戰需求描述框架。在此基礎上，分析了指揮信息體系論證中的不確定性，定義了魯棒性，構建了指揮信息體系作戰需求魯棒論證的過程。最后對涉及的關鍵問題，包括使命任務魯棒分析、能力需求魯棒探索、基于SOA的體系方案設計，以及方案魯棒優化決策等進行了初步探析。

魯棒決策；不確定性；作戰需求；魯棒論證；指揮信息體系；方法框架

0 引言

作為指揮決策所依賴的物質基礎——指揮信息體系由態勢感知、信息融合、指揮控制、網電攻防、綜合保障等多個部分組成。其各組成部分交互復雜，涉及多個相對獨立、不同周期的子項目，研發時間長，費用昂貴；體系構建還涉及現有、升級及新研等多種異構異質系統的集成；另外，決定體系開發的使命任務和外部環境均具有動態性和不確定性。對此，傳統基于確定信息的作戰需求論證方法已經無能為力，有必要構建適應體系特點的魯棒性體系作戰需求論證方法。

國內外針對軍事體系作戰需求論證進行了大量研究。美軍提出“基于能力”的作戰需求論證方法[1]，即基于能力規劃(capabilities- based planning，CBP)，它在多元多域想定空間中研究能力以應對大量潛在挑戰，從而使方案更具有魯棒性并滿足經濟性約束；RAND公司基于擴展的“戰略到任務”框架建立了一種空軍通用需求計劃框架[2]；P.K.Davis 提出了基于模塊化能力和探索性分析的層次化投資組合管理框架[3]；S.E.Johnson等[4]對CBP的關鍵屬性、多目標多測度使命分析以及想定空間探索等問題進行了研究；RAND公司還提出能力投資組合的概念[5]，并充分考慮經濟約束、費效比和風險等開發了PAT- MD分析工具；文獻[6]提出了基于CBP的能力選項生成方法及基于資產組合分析的備選方案評估方法；文獻[7]提出了備選方案的模塊化生成、評估方法體系，設計了模塊化需求方案生成工具。文獻[8]提出了一種基于CBP的國防設施能源安全規劃方法。

在國內，胡曉峰教授提出了武器裝備體系能力需求的探索性分析仿真實驗方法[9]，楊鏡宇博士從戰爭體系需求入手，探討了基于效果的體系能力規劃和探索性分析方法[10]；王劍飛博士提出了“面向威脅，基于能力”的作戰需求分析方法過程[11]；陳超等面向設計的未來戰爭形式和過程進行作戰需求論證，提出了基于設計的武器裝備作戰需求論證方法[12]。文獻[13]還提出了多層次多視圖的軍事需求描述框架。嚴宗睿等對裝備系統作戰需求的探索性仿真實驗方法進行了研究[14]。這些成果對作戰需求論證中的不確定性考慮較少，也沒有對指揮信息體系作戰需求魯棒論證方法進行專門研究。

本文首先厘清作戰需求概念和描述模型、框架，并著眼作戰需求論證過程及方案的魯棒性，基于體系特點提出指揮信息體系作戰需求魯棒論證的方法框架，分析了涉及的主要技術問題，可為指揮信息體系乃至以軟件為主體的一般武器裝備體系作戰需求魯棒論證研究與實踐提供參考。

1 概念模型

1.1 作戰需求的基本概念

對于作戰需求的概念，有必要置于軍事需求的整體框架之下來理解。根據軍事需求各個利益攸關方關注點不同，可從戰略需求、作戰任務需求、作戰能力需求、系統需求和技術需求等5個視點來建模軍事需求，即圖1所示的軍事需求多視點框架。

(1) 戰略需求主要反映需求發起者對整體戰略目標的預期以及對戰略威脅的反應，用使命任務視點(mission viewpoint，MV)描述；

(2) 使命任務的完成依賴于具體的作戰活動，因此用作戰視點(operational viewpoint，OV)體現作戰人員的作戰任務需求；

(3) 能力需求是為支持作戰活動而對作戰力量的能力要求，涉及所需能力的類型、大小，以及能力執行者、能力來源等，用能力視點(capability viewpoint，CV)描述；

(4) 系統需求是解決能力要求的裝備或非裝備方案，可用系統視點(system viewpoint，SV)描述；

(5) 技術需求主要涉及系統設計與實現中所需的技術標準、規范等，可用技術視點(technical viewpoint，TV)描述。

其中MV和OV屬于問題域，SV和TV屬于解域，而CV則是介于問題域和解域之間的橋梁和紐帶。基于此，可定義作戰需求為：

定義 作戰需求是指為完成一定使命任務而對武裝力量遂行特定作戰行動所需能力、功能和其他非功能性約束的合理要求。其中“能力”為在特定標準和條件下，通過綜合運用方式和手段執行一系列任務時，達到期望效果的本領。

這里的能力涵蓋方式和手段2方面，方式包括條令、體制編制、訓練、作戰人員素質等；手段涉及武器裝備、指揮控制、情報偵察、作戰保障等?！昂侠怼币笫侵柑岢龅哪芰π枨髴蠎鹇孕枨螅嵝曰騽傂詽M足作戰任務要求，以及在費用、風險和費效比等方面具有可行性。

1.2 指揮信息體系作戰需求形式化建模

指揮信息體系從提出需求到正式列裝一般周期較長，期間作戰需求可能發生變化。為克服時間因素影響，從適應性和可操作性考慮，提出迭代式作戰需求論證方法，即只將一個周期內的作戰需求論證活動作為研究對象。若記指揮信息體系作戰需求為OR，則OR可表示為

(1)

式中：CRSoS為指揮信息體系能力需求；N_NF為非功能性要求。f1為指揮信息體系作戰需求演化函數，一般為非連續、非線性函數。非功能性要求N_NF為指揮信息系統正常運行和發揮功能而對相關自然條件、數據兼容條件等的容許程度，相對較易直接確定。因此指揮信息作戰需求描述的核心是指揮信息體系能力需求CRSoS的描述。

體系能力既會因任務目標、標準、條件等的變化而多樣化，又因體系本身的層次性而具有多層次性，有必要約定最小粒度能力，在此引入關鍵性能參數(key performance parameters，KPPs)的概念。KPP是對未來想要獲取的軍事能力不可或缺的能力屬性[15]，是可度量、可試驗和可比較的。武器裝備體系能力CRSoS可分解為若干系統能力CRSi，每個系統能力CRSi可再分解為若干KPPij，每個KPPij包含相應的任務、條件、測度、準則等要素。如式(2)～(4)所示：

(2)

(3)KPPij：：=，

(4)

式中：f2為指揮信息體系能力到系統能力的映射函數；f3則是能力到KPP的映射函數。KPP_NA即關鍵性能參數名稱；KPP_ID為關鍵性能參數標識；T為相關任務；Con為相關任務條件；Unit表示KPP的度量單位；Th為基于可承受的經濟能力、技術水平和風險時KPP應達到的下限；Obj表示考慮到可承受的未來經濟能力、技術發展和最大風險時KPP可取到的上限。

1.3 多層次多視點的指揮信息體系作戰需求描述框架

指揮信息體系的多層次性決定了其作戰需求的多層次性，作戰需求的多主體性決定了其描述的多視點性。在多視點方面，指揮信息體系作戰需求可以通過作戰視點(OV)、能力視點(CV)，以及服務視點(service viewpoint，SvcV)表示。

OV主要表述作戰想定、過程、作戰活動和相應需求；CV主要表述能力需求、實現時間和已部署能力；SvcV主要表述執行者、活動、服務，以及為提供或支持作戰職能而進行的交互?？紤]按照面向服務的架構進行指揮信息系統設計，從而通過封裝的組件化服務，實現與平臺、語言無關的服務共享，并通過服務請求應答機制實現對動態不確定性需求的快速響應，具有良好的可擴展性、可重用性、互操作性?；诖?，建立了如圖 2所示指揮信息體系作戰需求的多視點描述框架。

圖1 軍事需求的多視點框架Fig.1 Multi- viewpoint framework of military requirement

一旦確定了作戰需求論證的指揮信息體系，其層次就會隨之確定。對于確定的客體而言，若可分解，則首先對其分解，在每個分解層次上都可用OV，CV和SvcV這3個視圖描述。例如對于某指揮信息體系，若其層次為l，l∈[lOC，lOU]，lOC和lOU分別表示戰略力量層和作戰單元層，則此指揮信息體系的作戰需求可描述為式(5)，其中“?”表示 “層次不高于”。

圖2 指揮信息體系作戰需求描述的多視點描述框架Fig.2 Multi- viewpoint description framework for C4ISR SoS operational requirement

(5)

因此，構建指揮信息體系作戰需求描述框架的關鍵是OV，CV，SvcV的描述，這通過定義相應視點的表示模型來實現。本文按需設計的視點模型表1所示[16]，它們對指揮信息系統作戰需求相關的作戰任務、能力、系統服務等進行了較全面描述。作戰需求描述旨在促進各有關方的形成共識，全面準確獲取體系作戰能力需求，從而設計應對需求的最佳方案。一般模型描述方法包括文本、圖形、表格，結構化描述方法(如IDEF×模型)、面向對象描述方法(UML或SysML)、本體描述方法等。

表1 作戰需求描述模型

2 指揮信息體系作戰需求魯棒論證理論框架

傳統確定性的作戰需求論證方法通常包括使命任務分析、能力需求分析、能力方案設計以及能力方案評估4個步驟。通常為一次性完成各整體需求指標的確定和方案設計。但針對指揮信息體系，這種方法面臨諸多挑戰，包括：①體系論證建設過程中的不確定性可能會使當初設計的體系方案效能不足、費用增大或周期變長，影響需求方案的有效性。②體系建模分析的復雜性超出了當前解決能力。指揮信息體系作戰需求論證涉及到使命、任務、能力、服務等多個層次，問題空間和解空間空前巨大，各層間的映射模型復雜度大增。③現有方法無法保證體系建設中資源的重用、對作戰需求的快速響應，以及體系的互聯互通互操作。④體系建設對風險的容忍度更低。體系往往影響大、造價高、周期長，對不確定性造成的可能風險有更苛刻的要求。因此對其作戰需求論證方法的魯棒性提出了更高要求。

2.1 指揮信息體系作戰需求論證中的不確定性

依據作戰需求論證中的不同實體，可分為作戰需求的不確定性、論證實體的不確定性，以及體系方案的不確定性：

(1) 作戰需求客體的不確定性

即作戰需求本身的不確定性，包括：

1) 威脅環境的不確定性

潛在對手戰略指導、戰略重點的不確定性和國際戰略格局變化的不確定性是客觀存在的，屬于自然不確定性。潛在對手戰略意圖、戰略途徑的不確定性和潛在對手作戰能力的不確定性則是由于保密原因，屬于認知不確定性。

2) 我方發展目標的不確定性

其中，我方戰略利益的不確定性除受到利益拓展的影響外，還受一些客觀因素如國際關系、自然環境變化等的影響，具有自然不確定性。而我方戰略指導、戰略重點和戰略途徑的不確定性，既與戰略環境有關，也與我方發展階段和狀態有關，既有自然不確定性，也有認知不確定性。

(2) 論證主體的不確定性

主要體現為作戰需求論證決策者的不確定性，包括：

1) 決策風格的不確定性

論證決策不可避免地會帶有決策者個性偏好和風格的烙印。主要是自然不確定性，也有少量認知不確定性。

2) 決策能力的不確定性

指揮信息體系作戰需求論證往往需要定性定量綜合集成，受到決策者決策水平、心理素質，以及輔助決策手段先進性等因素影響，主要是自然不確定性。

(3) 體系方案的不確定性

體現為體系方案產生與實現的不確定性，包括：

1) 體系方案構建方法的不確定性

指揮信息體系能力要素多，交互復雜，非線性強，依賴于環境等，屬于認知不確定性。

2) 技術發展的不確定性

理論發展、工業水平、技術人員水平等多種因素往往會大幅度提高指揮信息體系能力，屬于自然不確定性。

3) 經濟承受能力的不確定性

經濟承受能力通常是可預測的，但也存在不確定性，屬于自然不確定性。

2.2 指揮信息體系作戰需求論證的魯棒性

目前處理不確定性影響的方法之一是靈敏度分析(sensitive analysis，SA)，屬于事后分析方法，它基于確定性條件下的方案，研究參數變化對方案最優性影響，實現解的最優控制。另一種是基于風險的決策，即根據不確定性條件下的期望益損值確定方案優劣。擴展方法包括考慮決策者“非理性”的價值理論、效用理論、前景理論，基于在險值及條件在險值等概率決策方法，以及基于貝葉斯理論的動態風險決策方法等。

以指揮信息體系作戰需求論證為代表的許多復雜決策問題，往往多個參數具有自然或認知不確定性。在這種多維不確定性參數的復雜空間中，決策不再以最優為目標，而是考慮各種不確定性因素的影響，使方案在達到能力需求閾值的基礎上，在所有可能想定中都有均衡的表現，即對一定范圍內的不確定性免疫，稱之魯棒。

對于指揮信息體系作戰需求論證中的3類不確定性，論證主體的不確定性無通用規律，體系方案的不確定性，可在體系方案綜合評估時將其造成的風險納入目標函數來處理。因此，主要針對作戰需求客體的不確定性研究指揮信息體系作戰需求的魯棒論證。

(6)

(7)

2.3 指揮信息體系作戰需求魯棒論證

按照魯棒性要求，對不確定性條件下的指揮信息體系作戰需求進行魯棒、科學地獲取，并通過能力需求的魯棒映射和能力方案魯棒設計優化，得到具有魯棒性的需求方案并證明。

指揮信息體系作戰需求魯棒論證過程包括使命任務需求魯棒分析、作戰能力需求魯棒分析、信息體系魯棒優化設計、信息系統綜合評估等步驟，如圖3所示。

在使命任務魯棒分析中，分析戰略目標及約束，確定主要威脅，形成使命列表。進行作戰概念構建，即對實現哪些使命目標和如何利用資源實現此目標的總體圖景進行描述。并進一步構想實現各使命的作戰條件、方法、途徑和過程，形成若干“點”想定。歸納抽象“點”想定的主要因素并根據其不確定性進行參數化(考慮所有可能取值)，形成想定空間，可用前述OV- 1，OV- 2，OV- 3等作戰視點模型描述。爾后，根據使命列表，結合想定和作戰概念，在資源、邏輯關系等約束條件下，基于構建的作戰規則庫，利用分層任務規劃方法分解得到層次化的作戰過程(course of action，COA)，即為作戰任務需求?？捎肙V- 5a，OV- 5b，OV- 6a等作戰視點模型描述。

再進行作戰能力需求魯棒分析，從定性和定量兩方面實現作戰任務需求向能力需求的魯棒映射。定性方面主要是與COA相對應，從體系能力、系統能力和KPP 3個總的層次確定層次化作戰能力需求。定量方面則是構建能力探索的多分辨率仿真模型作為各層能力映射模型，并進行探索性分析，確定關鍵能力參數(KPPs)及其重要度，為信息體系備選方案設計提供依據?？捎肅V- 1，CV- 2，CV- 6，CV- 7等能力視點模型來描述。

指揮信息體系備選方案魯棒設計時，一是基于迭代進行演化設計，即最初只重點設計體系架構及相對靜態要素，對于受不確定性影響較大的組成要素，則在若干演化周期內不斷迭代完善；二是運用基于服務的體系結構(service- oriented architecture，SOA)和Web服務進行指揮信息體系魯棒設計優化，包括內部體系結構、功能部署、基本服務及運行機制的設計優化，提高服務功能的可重用、可組合性?？捎肧vcV- 1，SvcV- 3b，SvcV- 4，SvcV- 5，SvcV- 10a等服務視點模型描述。

在信息體系方案綜合評估中，根據投資組合分析方法，對備選體系方案的效能、費效比、風險等因素進行綜合評估，根據魯棒性定義建立評估優化數學模型并求解。效能評估仍基于想定空間探索仿真獲得。若不滿足閾值要求，則對方案修正，否則根據評估結果確定信息體系方案。需要強調的是，隨著時間推移或突發需求的產生，需要迭代此論證過程。

指揮信息體系作戰需求魯棒論證過程是迭代而非順序過程，這是由體系本身的復雜性和演化特性決定的，也是魯棒性策略之一；其次，作戰需求魯棒論證以體系工程為基礎。在戰略目標與使命任務分析、能力需求獲取，及備選方案設計優化與評估中，都充分考慮到體系特點，支持體系的分布、異構和整體演化性；再次，該過程基于想定空間而非單個或少數“點”想定。通過魯棒性定義下的想定空間探索性仿真分析，使方案充分考慮到各種不確定性，并對已知不確定性有一定免疫；最后，通過引入服務，使作戰需求魯棒論證中能力方案構建具有模塊化、重用性特征，提高了能力生成的快速性，實現對已出現不利后果的魯棒性。

3 關鍵問題

3.1 使命任務魯棒分析

為確保指揮信息體系使命任務魯棒性，一是進行全面的戰略目標分析；二是建立考慮各種不確定性因素的作戰想定空間；三是根據戰略目標進行作戰任務活動多層規劃。涉及的關鍵問題有：

(1) 指揮信息體系戰略目標和使命任務確定技術

戰略目標和使命確定時，涉及戰略、作戰、戰術、技術、資源、政策等諸多因素、多個領域，具有明顯的戰略性、不確定性和復雜性，需要借助定性與定量綜合集成研討方法，涉及到研討廳體系結構設計、研討廳實現技術，以及群決策等多種理論方法。

(2) 想定空間構建技術

想定空間是對想定中諸因素不確定性化形成的多維空間，涉及到想定表示、關鍵參數探索確定及關聯分析、參數化范圍確定、想定空間的維度約簡和體積約簡等理論方法。

(3) 行動過程(COA)生成

特定想定空間中的戰略目標和使命是通過COA來實現的，因此使命任務魯棒分析中需要確定相應的COA。每個任務不僅在縱向上具有層次性，其自身還涉及到資源、時間和時序等約束條件，需要基于適當的分層規劃算法對實現戰略目標和使命的總體任務進行規劃。

(4) 指揮信息體系任務需求分析

通過總體作戰過程獲取指揮信息體系任務需求，主要是進行全面合理的概念建模定性獲取指揮信息體系作戰任務需求，定量任務需求則以能力的形式體現。

3.2 能力需求魯棒分析

能力需求的魯棒分析需重點解決2個問題：

(1) 指揮信息體系能力需求指標體系設計

即由指揮信息體系的使命戰任務需求，如何定性確定指揮信息體系的各個層次能力指標體系。可參照故障樹方法，通過“成功樹”方法根據能力間邏輯關系進行分層分析獲取。

(2) 確定能力指標體系與作戰活動間的定量映射建模

即建立“使命—任務—能力”需求的魯棒映射模型?？苫诙喾直媛式：吞剿餍苑治鼋⒍喾直媛实亩鄬哟文芰π枨篝敯舴治隹蚣?，并結合想定空間的不確定性建模，建立指揮信息體系能力方案的效能評估仿真模型，為能力方案設計提供能力依據。另外，還需要對想定空間關鍵因素重要性分析排序，為進行想定空間建模與探索和能力需求優先度確定提供依據。

3.3 基于SOA的體系方案設計優化

主要涉及到3方面問題：

(1) 面向服務的指揮信息體系的體系結構設計

包括根據能力需求設計指揮信息體系的“服務”模塊及服務的層次結構和交互關系，使面向服務的指揮信息體系是魯棒、松散耦合、可動態“積木式”組合的。

(2) 指揮信息體系服務功能部署設計優化

主要涉及到作戰能力需求向服務功能的映射模型構建及求解，服務功能優化多目標(包括魯棒性定義下的服務功能、QoS(quality of service)等目標)優化建模及求解算法研究等。

(3) 指揮信息體系元服務設計

元服務即指揮信息體系服務中的原子服務。需要規范化設計原子服務及相應接口，使整個服務體系既完備科學、同層次服務間相互獨立，又為按需快速組裝服務模塊提供定義良好的接口規范。

(4) 指揮信息體系服務組合和匹配方法

指揮信息體系能力的發揮是通過基于任務的服務匹配及多層次服務組合實現的。在基于SOA的指揮信息體系設計中，需要設計科學高效的服務匹配與組合評價模型及相應算法。

3.4 體系方案魯棒評估決策

指揮信息體系方案魯棒優化決策的目的是在體系需求方案空間中，以滿足能力魯棒性為基礎，綜合費用、費效比、風險等因素，確定最“適合”的指揮信息體系方案，從而為指揮信息體系采辦提供有益參考。主要涉及：

(1) 想定空間中能力魯棒性，以及方案的費用、費效比及風險綜合評估建模

指揮信息體系方案的魯棒決策需要在已建立的想定空間中進行。需要建立準確體現魯棒性要求的相關模型。

(2) 指揮信息體系魯棒優化決策算法

根據魯棒性定義以及各種風險，在隨機不確定性情況下，指揮信息體系的魯棒優化決策將屬于多目標機會優化問題。對于此類模型，需要設計新型智能啟發式算法搜索求解。而若不確定性不是或不全是隨機不確定性時，模型求解將更為復雜，需要創新設計有效算法。

4 結束語

本文針對指揮信息體系特點分析了其作戰需求論證中的不確定性，深入分析了作戰需求的概念、形式化描述及多層次多視點描述框架。在此基礎上定義了作戰需求論證的魯棒性，提出了指揮信息體系作戰需求魯棒論證的方法。最后分析了作戰需求魯棒論證中涉及的關鍵問題，初步建立了指揮信息體系作戰需求魯棒論證的方法框架。

軍事體系研究還處于起步階段，因此提出的指揮信息體系作戰需求魯棒論證框架只是初步的，需要繼續深化以形成具有嚴格數學基礎的完備理論方法。

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Framework of Operational Requirement Robust Demonstration Method for C4ISR System of Systems

DENG Peng- hua，QI Zhen- dong，ZHANG Yong，BI Yi- ming

(Rocket Force University of Engineering，Faculty of Primary Command，Shaanxi Xi’an 710025，China)

Traditional operational requirement demonstration method can’t deal well with uncertainty in the development of C4ISR system of systems. The definition of operational requirement is expounded, formal conceptual models are built, and the multi- level and multi- viewpoint requirement descriptive framework is constructed about C4ISR system of systems. The uncertainties are analyzed in C4ISR system of systems demonstration, the robustness is defined，and robust demonstration process is constructed of C4ISR system of systems operational requirement demonstration. The involving key problems are described, including mission- task robust analysis, capability requirement robust exploration, system solution design based on SOA (service- oriented architecture) and robust optimization and decision of solutions and etc.

robust decision； uncertainty； operational requirement； robust demonstration； C4ISR system of systems； method framework

2016-07-23；

2016-12-12 作者簡介：鄧鵬華(1983-)，男，陜西洋縣人。講師，博士，研究方向為作戰需求論證、作戰指揮建模與仿真等。

10.3969/j.issn.1009- 086x.2017.04.029

E917；N945.1

A

1009- 086X(2017)- 04- 0186- 09

通信地址：710025 陜西省西安市灞橋區同心路2號902教研室 E- mail：1847181027@qq.com