面向演化的體系構建方法研究*

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工程重點實驗室，南京 210007；2.西部戰區陸軍保障部保障中心，蘭州 730000）

0 引言

體系是以大規模分布、獨立運行與管理的系統間相互協同與協作的形式存在的，并且通過不斷演化發展，涌現出新的行為和能力。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，適應新的環境，履行新的使命。傳統系統工程方法主要面向邊界確定、結構緊耦合的系統，不能適應整體和要素隨時間動態變化的體系的規劃、設計、集成與管理［2］。因此，需要發展能夠提供環境適變能力的體系構建的理論方法——體系工程。

體系工程認為，體系演化是對現有體系的重構或改造，是體系組成結構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個體的演化和體系結構關系的演化，成員系統個體的演化是指組成個體在其生命周期內的功能、能力以及生命力的變化，體系結構關系的演化是由于成員系統的加入、退出以及它們之間的交互、協作關系的變化引起的。面向演化的體系構建方法需要注重不同種類、獨立、大型的復雜系統之間相互操作、協同運作［4］以及對環境的彈性適變等能力。

1 概念內涵

1.1 基本含義

在軍事領域，面向演化的體系構建是以使命任務為驅動，運用體系工程理論方法，解決相互獨立的復雜系統之間自同步與協同問題，快速高效組織運用體系要素，并能夠根據環境或需求的變化重組應變，從而確保作戰效果，獲得體系對抗優勢。信息化戰場下的作戰體系中，作戰單元間的多重關系、復雜的交互以及不確定的任務需求和戰場環境，導致面向演化的體系構建是一項復雜的體系工程，既需要從體系的全局高度統一部署、籌劃成員系統的接口關系和交互方式等，也需要從底層系統級資源要素的角度考慮體系自適應的協同運作機制，以滿足任務和環境的變化。因此，將面向演化的體系構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劃、管理體系要素的部署、連接與交互，構建形成跨域融合的體系整體，主要目標是促進系統間的信息交互和理解一致性，有效提高系統互操作、可重組、可復用等特性，為體系中系統的靈活組織運用提供技術基礎。

在微觀層面，體系組織運用是以任務需求為驅動，統籌、協調體系中的成員系統、各類資源進行協同運作，同時通過體系要素的優化調整，使得體系在遭受干擾、任務或環境變化的情況下具備彈性適變能力，成功完成既定任務，發揮體系最大效能，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、靈活的方向發展。

1.2 解決的問題

面向演化的體系構建方法是實現體系要素集成與體系組織應用的理論基礎，能夠指導作戰體系的規劃建設、要素部署、綜合集成以及按需動態生成面向任務的系統，實現體系要素協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的互操作性

體系要素集成是協調體系組成部分、同步系統活動，以實現期望的整體行為，滿足預定的任務需求。體系要素的重用性和體系層的涌現性是其本質特征，體系的構建是現有系統的重用與改進以及新系統的規劃，并實現系統之間接口開放與互操作性。因此，體系要素集成是體系構建的核心工作［4］。

2）體系要素如何協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）的形式發揮出來的。因此，體系構建必須研究體系如何應用，如何組織成為任務系統。以體系各個業務領域的要素為對象，在任務需求的驅動下，研究體系要素相互作用、整體聯動機理，使體系內各種資源能夠進行有效的協作、協同，以滿足任務要求。

3）體系如何發揮最大效能

在體系要素如何優化運用、形成最大體系效能的問題上，研究任務驅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，確定體系要素集合和任務集合之間的最佳映射關系；另一方面，突破體系資源的優化配置技術，使得體系內廣域分布的資源協同運作形成滿足各類業務要求的穩定、可用能力，從而在作戰層面和系統層面上實現體系能力的最大化。

4）體系要素如何根據外部條件變化優化重組

面向演化的體系構建還要考慮當外部環境、任務需求等變化時，如何進行體系要素資源優化運用，以維持對抗條件下的體系適應能力。由于信息化戰場環境中的作戰任務具有高度不確定性與復雜性，作戰體系要保持整體對抗優勢，就必須根據任務的變化而適時調整體系要素資源之間的各種關系，從而實現與任務相匹配的各種任務系統的適應性優化調整。

2 體系集成方法

為解決不同成員系統的來源、性能、采用的術語等不一致所帶來的異構性問題，面向演化的體系構建首先需要形成體系集成規范，為體系的組織運用和重構提供概念上和技術上的基礎標準。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一概念的基礎上形成的體系要素集成的技術規則。

2.1 體系集成本體

體系集成需要在統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語規范，實現系統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 利益相關者

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

圖1 利益相關者的視角示例

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議，可能對集成效率和機制帶來影響和約束，所采用的協議即為對體系集成的外部影響因素。

2.1.3 結構

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

圖2 體系的結構示例

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、測試等相關的規則和政策。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采取國際標準和協議，所采取的規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間的動態互操作性。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，機制確保已經采取適當的安全防護；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導致其他要素的集成失敗。需要注意的是，機制對于集成產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、調度、從現有系統向新體系的轉變、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確保期望的狀態在體系中出現，并且這些狀態與相關聯的文檔一致。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。

2.2 體系集成模式

在體系集成本體的基礎上，體系要素依據特定的規則模式進行集成。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（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服務總線進行協同，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。所有節點是等價的，不存在節點或節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與其他要素的相互作用。

3）協同虛擬環境

協同虛擬環境通過構建一個允許用戶交互的共享的環境，以建立分散用戶間的協同。協同虛擬環境的核心是通過用戶接口共享建立一個共享的環境，這個環境創造了一個能夠被訪問和同步改變的共享空間。共享環境使得用戶能夠在由許多分布式的成員系統組成的整個系統中觀察和改變數據和過程。用戶能夠觀察到其他用戶的行為，系統能夠建立當前系統目標下對行為和態勢的統一理解。建立一個協同虛擬環境需要體系架構的先進機制和用戶接口框架，以管理和支持原有系統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、基礎狀態和復雜行為交互上，而協同虛擬環境則在用戶接口共享的更高層面上。協同虛擬環境的數據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

體系組織運用是協同管理體系要素，共同完成使命任務，發揮體系效能的過程。當體系在受到外部干擾時，能夠進行要素重組和優化運用，以維持對抗環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劃管理框架以及執行層面的體系要素組織方法。

3.1 體系規劃管理框架

1）體系架構演化決策框架

針對體系架構動態規劃管理問題，美國國防部系統工程研究中心（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演化決策框架［8］（如圖3所示），以指導體系中系統長期和短期的采辦、使用和管理等。

圖3 體系演化規劃框架

框架從“計劃體系更新”和“實現體系更新”兩個角度定位體系演化的關鍵決策點，提出“戰略決策”和“操作決策”兩個等級的策略規劃。戰略決策（高級決策）是解決長時間尺度的決策，包括投資、退役、升級系統等，支持在一段時間內實現最佳體系能力的“計劃體系更新”。一開始開發所有新系統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，包括組成系統的使用、維護、升級等調度管理，用于“實現體系更新”。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響應干擾和環境變化的能力，新加坡軍隊（SAF）和國防科學技術機構（DSTA）提出了一個體系特征管理框架［9］（如圖4所示），定義了體系關鍵特征和它們之間的關系，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容、操作環境等約束參數描述。操作偶發事件可分為外部干擾（如敵方網絡攻擊等破壞性行為）和內部干擾（如系統故障等）。高級魯棒性的基線需求在體系生命周期中將隨著威脅、技術解決方案等因素發生變化。而演化性是隨著時間推移維持魯棒性的關鍵。演化性通過體系設計的靈活性，保證當出現新的需求時，在每個規劃空間內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滿足關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）。在成員系統級，當受到干擾時，MOP將發生降級。從意外事件中吸取經驗可以觸發重新設計，目的是將受影響的MOP恢復到正常或更高水平，如果未來同樣的意外事件再次發生，體系就能夠將MOP維持在所需水平之上。成員系統的魯棒性（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在所需水平上實現的；成員系統的韌性（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的兩個關鍵的高級特征；成員系統的魯棒性和韌性是有助于高級魯棒性的低級特征；在不影響現有任務連續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整，實現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

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

圖5 任務系統生成方法

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

4 軍事作戰體系構建框架

面向演化的體系構建方法對于由信息系統、武器裝備、作戰人員、條令條例、保障物資等構成的巨大作戰體系的頂層規劃與發展建設具有重要指導意義。軍事作戰體系各類作戰系統和武器平臺具有廣域分布、關系復雜多變等特點，體系要素需要共享、開放的集成模式，在統一標準與架構的約束下，通過靈活、適變的組織運用方法，生成最大體系效能。建立軍事作戰體系構建框架，如圖6所示，主要由資源層、服務層和應用層組成。

圖6 軍事作戰體系構建框架

1）資源聚合機制：體系資源的集成按照業務需求，通過資源控制中心和業務需求管理中心［3］，對基礎設施和應用平臺等資源進行狀態監控與協同調度管理，針對體系資源異構、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化配置，通過良好的協同與協商機制獲得綜合平衡的資源集成方案。

2）服務共享機制：在資源層之上構建一個開放、共享的服務環境，通過服務狀態監視、服務數據同步、服務組織編排等對基礎支撐服務和應用功能服務進行統一注冊發布與靈活按需調用，通過松耦合、分布式的服務方式，為用戶提供定制的業務應用能力，以適應體系業務敏捷性要求。

3）人與系統融合機制：在應用層關注人與應用系統的有效協作方式，通過可維護、可操作的人機接口，為指揮員提供態勢理解、行為預測等輔助決策功能，并為人員任務、行為、角色、訓練等建立統一的管理制度與標準規范，保證人在理解和行動上的一致性，實現人因與系統的高度融合。

4）開放的接口與統一的語義：成員系統或模塊采用標準的、商用化的開放接口，在統一的語義規范約束下，實現系統模塊的即插即用和任務功能的按需重組，保證數據在跨部門、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，構建靈活性高、可快速升級、互操作和互理解性強的作戰體系。

5）魯棒和靈活的架構設計：針對體系的演化性，在使命任務和運行環境發生變化時，識別影響性能的突現性趨勢、形式和條件，通過魯棒的架構設計和靈活的調整和修正過程，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）以使命任務驅動系統行為：以共同的使命目標為牽引，將作戰體系建設成為使命共同體，成員系統理解、遵從統一的作戰任務，為完成任務目標，體系要素相互作用，整體聯動，通過資源層、服務層和應用層的有效協作，快速生成任務系統，發揮聚合的體系作戰能力。

5 結論

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