裝備體系工程方法與數字化*

唐文倬，蔡天騏，莊長輝，閔銳

?空天防御體系與武器?

裝備體系工程方法與數字化*

唐文倬，蔡天騏，莊長輝，閔銳

（北京電子工程總體研究所，北京 100854）

為解決體系要素各自為戰，系統指標不協調、功能不匹配、集成不規范，體系能力難以形成的問題，需要做好頂層規劃，采用體系工程方法，開展體系正向設計。分析了軍事領域中體系的類型、特點與建設要求，瞄準實現體系實戰化能力，按照“體系設計、體系建設、體系運用、體系評估”四個體系工程建設階段，介紹了體系工程建設方法；采用數字化手段高效支撐體系研發和體系運用研究的具體內容，通過數字化將體系工程方法、流程和工具融為一體，打造體系工程建設新模式。

體系；體系工程；體系建設；體系設計；體系工程數字化

0　引言

一般意義上，體系泛指一定范圍內或同類事物按照一定的秩序和內部聯系組合而成的整體，是不同系統組成的系統。在美國防部體系系統工程指南（1.0版）中，體系是指將獨立和有效系統整合到具有獨特功能的大型系統時所產生的系統集合或構型［1-7］。我們定義的裝備體系，是由若干功能性能匹配的裝備要素構成、可實現特定任務的復雜大系統，形成體系戰能力。體系之所以成為“體系”，并不是因為其“復雜性”，而主要是區別于“系統”，其組成要素具備管理和運用的獨立性、物理域和地域的分布性。

當前，國內裝備建設發展已從系統工程向體系工程轉變，需要形成體系工程方法手段，支撐裝備體系建設［8-13］。

1　體系類型與特點

1.1　體系類型

美軍根據體系對組成系統是否具有管控及其管控力度，按照由弱至強的管控程度，將體系分為虛擬型、協作型、認可型和控制型4種類型［14］。

其中，虛擬型體系缺乏中央管理機構以及集中商定的中心目標，必須依賴相對不可見的機制來維持運轉，可能涌現大規模行為，典型樣例為全球地理信息柵格系統；協作型缺乏中央管理機構，具有一致的中心目標，組成系統或多或少通過自愿協作的方式來達成商定的中心目標，典型樣例為互聯網、全球金融體系；認可型具有中央管理機構，具有認可的目標、指定的管理人和體系的資源，但組成系統仍保留其獨立的所有權、目標、資金以及發展和維持措施，典型樣例為彈道導彈防御系統（ballistic missile defense system，BMDS）、海軍綜合火控防空系統（naval integrated fire control-counter air，NIFC-CA）；控制型具有中央管理機構，能夠對體系的成員系統進行調度和控制，約束成員系統的發展；組件系統保持獨立完成任務的能力，但是其正常運行模式從屬于中央管理目標，典型樣例為美陸軍未來戰斗系統（future combat system，FCS）。

本文所提的體系主要指體系運用視角下的裝備體系，屬于美軍定義的系統之系統（system of systems，SoS）［15］。

1.2　體系特點

體系是任務剖面視角下的復雜巨系統，與系統具有顯著的區別。系統通常是一組組合的元素、子系統或組件，以完成一個定義明確的目標；體系則是一個要素或系統組合，其通過互相作用提供一種單個要素系統單靠自身所無法提供的能力。系統與體系特點對照如表1所示。

表 1 　系統與體系特點對照表

體系工程具有關注多個異步但互相依賴的復雜系統、隨著體系發展、需求不斷演化、邊界范圍動態拓展、涌現性、網絡化架構、網絡中心、目標多樣化、異構等特點。對于任務類裝備體系，是典型的復雜巨系統，根據不同任務，實施多個領域聯合運用、多個兵種協同行動、各類戰場資源統一調度的一體化行動，按需形成聯合任務能力。體系具備如下特點：

①整體性，各類功能要素雖具有獨立的任務功能，但在體系構建和運用時必須整體統籌考慮，對外呈現的形態和能力是一個“共同體”；②開放性，按需靈活接入和運用分散的功能要素，快速聚集資源、形成合力；③補充性，組成系統在與環境相互作用時，通過平衡各類要素，在不同情況下發揮出不同的特性；④耦合性，各功能要素之間的關聯程度對體系效能影響大，耦合程度越深、相互關聯越緊密，體系能力越強；⑤不確定性，體系資源有限，在一定的條件下提高某種特性的同時會導致另一種特性的降低；⑥時敏性，能夠快速響應體系功能需求，滿足即時任務要求；⑦抗毀性，體系各要素功能可互補、結構可變化、系統可重組。

1.3　體系建設要求

對于任務類裝備體系，體系能力是裝備體系建設的起點和目標，以完成體系任務為目的，體系的核心任務是通過體系“設計、建設、運用與評估”的迭代閉合，實現實戰條件下的戰斗力生成與提升，具體要求如下：

（1）必須“源于任務、回歸任務”。裝備體系構建始于任務概念設計、能力需求分析，然后開展裝備研發和體系建設，再進行組織運用、形成任務能力，實現良性互動、正向循環和迭代升級。

（2）必須建立以“K”為核心的C4ISRK（command，control，communication，computer，intelligence，surveillance，reconnaissance and kill）。“殺傷目標”是體系能力的直接體現，是評價體系建設成效的最終標準。體系建設必須圍繞情報偵察、預警探測、指揮控制、攔截打擊等要素發展，保障裝備最大限度發揮體系效能。

（3）必須實現“OODA（observe-orient-decide-act）”殺傷鏈閉合。打通和閉合殺傷鏈路是一切任務行動的前提和基礎。特別是對于跨領域任務，最低要求是解決網絡互聯和信息交互，從互聯互通的角度實現殺傷鏈的信息閉合，最高要求是從任務源頭進行體系架構設計、指標分配和體系運用研究，實現殺傷鏈的數據閉合。

（4）必須充分融入對抗性要素。對抗是攻防博弈面臨和必須解決的突出問題。一方面，裝備建設必須具備較強的復雜戰場環境體系能力；另一方面，在體系總體設計、體系集成運用、能力檢驗評估等環節，必須突出對抗性因素，更好地發揮體系對抗優勢。

2　體系建設方法

體系建設由“基于威脅、基于階段”向“基于能力、基于全壽命”的全局全視角轉變，體系研究由“基于系統、基于文檔”向“基于體系、基于模型”的體系工程方法轉變，指導和牽引體系能力的閉環迭代提升［16-17］。

按照“體系設計、體系建設、體系運用、體系評估”4個階段迭代升級的正向發展思路，形成基于模型的體系工程建設方法。通過國家軍事戰略的頂層輸入，通過體系工程建設，形成體系綜合能力。體系建設總體思路如圖1所示。

圖 1 　體系建設總體思路

2.1　體系設計

體系設計階段，由體系總體牽頭開展基于數字孿生系統的迭代優化設計。

①任務概念設計，基于國家安全戰略和軍事戰略，研究頂層軍事概念和設計任務場景，作為體系設計的基點和輸入。②能力需求分析。基于任務概念和任務場景，以裝備體系使命定位和任務為基礎，重點解決能力需求牽引和裝備體系建設依據問題，形成并發布能力需求文件。③體系架構設計。確定體系要素組成、功能定位和信息交互，牽引體系內裝備要素協調建設發展，確保裝備要素功能性能協調匹配。運用基于模型的系統工程方法，構建基于DoDAF（department of defense architecture framework）的體系需求分析方法，建立“OV-CV-SV（operational view-capability view-system view）”的分析流程。④指標設計分配，重點解決對裝備要素的任務定位與功能性能約束問題，設計表征體系能力的層次化指標體系，統一任務、對象、指標要求的認識，進一步分解分配各裝備功能性能要求。⑤標準制定發布。重點解決規范化體系建設發展和集成運用問題，形成統一的體系建設與運用標準規范集，完成急需標準的研究與編制。

2.2　體系建設

①裝備研發建設。各裝備按照體系總體設計的要求，牽引和約束裝備研發，貫徹體系標準，支撐體系建設迭代深化。②體系技術攻關。開展體系關鍵技術的專題研究，開發體系模型并向裝備轉化應用，提升體系效能。③仿真系統建設。建設升級要素完整、多種顆粒度、高置信度、運用靈活、適當超前的體系仿真系統，支撐體系設計、建設、運用與評估迭代閉環。④體系集成驗證。通過“虛擬-現實”融合的方式開展體系試驗，驗證體系功能性能，檢驗體系及各要素符合性，驗證體系動態運行能力。

2.3　體系運用

①裝備部署運用。按照體系能力需求，確定裝備部署原則和流程，統籌開展體系裝備配系與部署設計，支撐裝備發展規劃。②體系集成運用。依托體系仿真集成和實裝集成，分析體系要素集成與能力生成情況，并進行迭代優化。③實際運用。同步開展任務模擬訓練、運行規則制定與完善，加速體系能力轉化。

2.4　體系評估

開展單裝、裝備體系、任務體系等不同層面不同對象的評估，支撐交付體系能力。

針對體系使命任務及體系能力，遵循面向體系對抗、動靜結合、定性定量相結合、顆粒度適度、客觀性與可行性等原則，依據體系階段狀態評估需求，構建評估指標體系，根據對效能、貢獻率影響的敏感度或關注度，研究選擇單項、綜合評估指標或重構指標，利用適當方法，從多維度、多層級評估。評估主要方法流程為：分析體系效能、貢獻率評估需求、構建評估指標體系、開展“整體+重點”綜合評價。

3　體系工程數字化

國內體系建設處于起步階段，盡管通過一些體系項目實踐積累了一些實踐經驗，但總體上，體系建設研究方法較弱，缺乏成熟的體系工程理論方法指導實踐，各階段間的貫通性不強，成果的傳遞與復用程度低，體系相關工作集成度不高，體系工程實施過程較散；此外，體系相關工具繁多，涵蓋架構設計、仿真推演、效能評估等多個方面，部分軟件工具為國外產品，總體上異類異構，缺少一體化的體系研究支撐手段。

采用數字化的方式，瞄準模型驅動與貫通聯動，通過規范模型、工具、流程、系統的開發和使用，以構建體系工程全鏈條模型為核心主線，縱向上實現需求、架構、仿真、評估各環節模型傳遞與映射，橫向上實現多領域模型的聯動交互［18-20］。體系工程數字化過程如圖2所示。

圖 2 　體系工程數字化過程

3.1　體系設計數字化

體系設計數字化的核心是裝備體系需求生成與體系架構設計，并通過體系對抗仿真和體系分析評估進行迭代設計結果。

裝備體系需求生成數字化主要是以數字化的手段支撐裝備體系任務概念輔助設計、裝備體系能力對抗博弈推演和裝備體系能力需求生成，以定性定量相結合的分析方式，實現體系能力需求分析與捕捉、體系需求集成優化與評估、體系需求知識圖譜構建與需求結構化生成。

體系架構設計數字化，向上直接承接能力需求，依托設計工具，從任務、能力及裝備等不同視角對復雜體系進行整體框架規劃及統一描述，開展裝備體系要素組成、信息交互關系、任務過程設計等工作，各維度數據關聯引用，元素相互映射，邏輯嚴謹閉合，通過數字化的手段提高設計過程的規范性，確保設計結果的合理性。依托任務概念與體系架構設計成果，設計體系對抗場景，利用仿真系統開展推演分析，分析仿真數據，評估體系能力，迭代架構設計。

3.2　體系建設數字化

裝備研發建設方面以裝備體系設計牽引生成的單裝軍事需求和運用場景為輸入，采用基于模型的系統工程方法指導裝備研制，搭建系統模型，從功能、時序、狀態、接口以及效能指標等方面開展系統設計，定義系統架構，傳遞系統需求，并通過系統模型仿真、系統模型與專業分析模型聯合仿真，對設計成果進行逐級驗證。

仿真系統方面主要是體系仿真模型建模與開發、體系仿真模型裝配管理、體系仿真場景構建與推演，參數級和工程級仿真系統開發，通過并行/分布/云仿真等多種運行模式，支撐任務概念研究、裝備體系設計分析、裝備運用研究等，通過數字化的手段提高體系相關問題研究的全面性和完備性。

3.3　體系運用數字化

針對實戰化需求，以不同層級體系能力生成和評估為目標，以任務籌劃、仿真推演評估為切入點推動裝備體系實戰化研究，發揮體系綜合體系效能。

依托參數級仿真系統，實現裝備在體系對抗、單裝運用等特定任務場景下的全過程方案制定與推演仿真，解決體系試驗中面臨的場景復雜難構建、要素繁多難協調、管理成本高難開展的問題，支撐開展能力需求生成、軍事理論研究、任務過程推演、體系總體設計、裝備和體系能力規劃、任務模擬訓練等。

依托工程級仿真系統，將戰場搬入實驗室，采用逼真的場景和高置信度模型，通過虛實結合的迭代試驗和混合仿真試驗，實現體系能力評估、體系飛行試驗預示、軟件驗證、裝備集成接口測試、邊界條件檢驗、復雜場景適應性評估、任務訓練，加快體系總體設計能力迭代提升、縮短體系集成驗證時間，解決體系試驗樣本小、威脅難以復現、經濟代價高等難題。

3.4　體系評估數字化

體系評估數字化，以仿真試驗數據或體系綜合試驗為輸入，通過在數字化工具中預置指標體系、評估算法、評估模板等，快速完成裝備體系效能評估、貢獻率評估，為裝備體系設計優化提供高效率的定量分析手段。

體系工程數字化的目標是以業務應用為目的、以模型及數據為核心，實現體系正向設計和知識積累，建立虛實互動、靈活高效的任務研究與體系設計新范式，貫通體系研制流程，縮短研制周期、提升質量水平、降低全壽命成本。

4　結束語

本文系統性地分析了體系的特點，全面地介紹了體系建設的過程以及需要關注的問題。結合數字化的特點，詳細地闡述了體系工程數字化的具體做法和收益。

［1］ Kritsten J. Baldwin. System Engineering Guide for System of Systems［R］. Washington D.C.， USA： DOD， 2008.

［2］ 衛旭芳，潘輝，詹晨光.美軍體系工程發展及啟示［J］.航空兵器，2022，29（2）：52-59.

WEI Xufang， PAN Hui， ZHAN Chenguang. Development of American Military System Engineering and Enlightenment［J］. Aero Weaponry， 2022， 29（2）： 52-59.

［3］ KEATING C B. Research Foundations for System of Systems Engineering［C］∥IEEE International Conference on Systems， Waikoloa，HI， USA， 2005： 2720-2725.

［4］ De Laurentis， DANIEL A， ROBERT K C. A System-of Systems Perspective for Future Public Policy［J］. Review of Policy Research， 2004， 21（6）： 829-837.

［5］ ISO/IEC/IEEE 42010， Systems and Software Engineering Architecture Description［S］. Geneva， Switzerland， IEEE， 2011.

［6］ ROBERT J. A Roadmap for the Complex Adaptive Systems of Systems （CASoS） Engineering Initiative［R］. Sandia National Laboratories Albuquerque， New Mexico，USA， 2007.

［7］ 張宏軍．美國國防部體系工程（SoSE）指南解讀［EB/OL］.（2021-07-28）［2022-09-29］. https：//mp.weixin.qq.com/s/pjq6kHntReVPAJRxB2DAmw.

ZHANG Hongjun. Interpretation of the US Department of Defense System of Systems Engineering （SoSE） Guidelines ［EB/OL］. （2021-07-28）［2022-09-29］. https：//mp.weixin.qq.com/s/pjq6kHntReVPAJRxB2DAmw.

［8］ 毛羽飛，劉亞民，郝書婷.面向裝備體系工程全過程的信息化建設［J］.船舶標準化工程師，2022，55（4）：10-13.

MAO Yufei， LIU Yamin， HAO Shuting. Information Construction of Whole Process of System of Systems Engineering［J］. Ship Standardization Engineer， 2022， 55（4）： 10-13.

［9］ 劉俊先，張維明.基于能力、架構中心的體系工程過程模型［J］.科技導報，2022，40（6）：83-92.

LIU Junxian， ZHANG Weiming. Capability-Based Architecture-Centric Process Model for System of Systems Engineering［J］. Science & Technology Review， 2022， 40（6）： 83-92.

［10］ 張懷天，甄軍義，韓昭明.體系工程項目管理復雜性分析與建議［J］.中國電子科學研究院學報，2022，17（1）：29-34.

ZHANG Huaitian， ZHEN Junyi， HAN Zhaoming. Complexity Analysis and Proposal on Program Management of Systems of Systems Engineering［J］. Journal of CAEIT， 2022， 17（1）： 29-34.

［11］ 謝德光，賀榮國，王娜.裝備作戰試驗標準體系研究［J］.科技導報，2019，37（5）：46-50.

XIE Deguang， HE Rongguo， WANG Na. Research on Equipment Operation Test Standard Architecture［J］. Journal of CAEIT， 2019， 37（5）： 46-50.

［12］ 葉振信，寧雷，李芳.系統工程實踐下對裝備體系工程建設的思考［J］.中國航天，2021（5）：57-61.

YE Zhenxin， NING Lei， LI Fang. Thinking on the Construction of Equipment SoS Engineering Under the Practice of SoS Engineering［J］. Aerospace China， 2021（5）： 57-61.

［13］ 任天助，辛萬青，嚴晞雋，等.體系工程研究［J］.導彈與航天運載技術，2020（6）：102-107.

REN Tianzhu， XING Wanqing， YAN Xijun， et al. SoS Engineering Research［J］. Missiles and Space Vehicles， 2020（6）： 102-107.

［14］ DoD. Systems Engineering Guide for Systems of Systems （Version 1.0）［R］. Waikoloa， HI， USA， 2008.

［15］ JAMSHIDI M. Systems of Systems Engineering-Principles and Applications［M］. Florida， USA： CRC Press， 2008.

［16］ 張鵬翼，黃百喬，鞠鴻彬.MBSE：系統工程的發展方向［J］.科技導報，2020，38（21）：21-26.

ZHANG Pengyi， HUANG Baiqiao， JU Hongbin. MBSE： Future Direction of System Engineering［J］. Journal of CAEIT， 2020， 38（21）： 21-26.

［17］ 陸法. 基于MBSE的裝備體系模型交互方法及應用研究［D］.長沙：國防科學技術大學，2014.

LU Fa. Research on Model Interaction Approach and Application for Armored Equipment SoS Based on MBSE［D］. Changsha： National University of Defense Technology， 2014.

［18］ 劉影梅，李亞雯，張連怡，等. 基于模型的體系設計與仿真方法研究［C］∥第三十三屆中國仿真大會論文集，2021：649-658.

LIU Yingmei， LI Yawen， ZHANG Lianyi， et al. Research on System of Systems Design and Simulation Method Based on Model［C］∥The 33rd China Simulation Congress， 2021： 649-658.

［19］ 張霖，王昆玉，賴李媛君，等.基于建模仿真的體系工程［J］.系統仿真學報，2022，34（2）：179-190.

ZHANG Lin， WANG Kunyu， LAILI Yuanjun， et al. Modeling & Simulation based System of Systems Engineering［J］. Journal of System Simulation， 2022， 34（2）： 179-190.

［20］ 王媛，李皓，趙科莉.一種基于DoDAF的指揮控制系統原型迭代設計方法［J］.艦船科學技術，2017，39（1）：132-136.

WANG Yuan， LI Hao， ZHAO Keli. A Prototype Iterative Design Method for the Command and Control System Based on DoDAF［J］. Ship Science and Technology， 2017， 39（1）： 132-136.

Equipment System of Systems（SoS）Engineering Method and Digitalization

TANGWenzhuo，CAITianqi，ZHUANGChanghui，MINRui

（Beijing Institute of Electronic System Engineering， Beijing 100854， China）

Without a unified top-level design of the system of systems （SoS） construction， the elements of the SoS will fight against each other， and hence the SoS will inevitably face problems such as inconsistent indicators， mismatched functions， and irregular integration. In order to solve these problems， it is necessary to adopt SoS engineering method and carry out forward design. The types， characteristics and the construction requirements of the SoS in the military domain are analyzed. Aiming at realizing the combat ability， the model-based SoS engineering construction method is given， according to the four stages of “SoS design， SoS construction， SoS application， SoS evaluation”. Employing digital means to support SoS research and application is introduced. By using digitization， SoS engineering， processes and tools are integrated to create a new SoS engineering construction mode.

system of systems （SoS）；SoS engineering；SoS construction；SoS design；SoS engineering digitalization

10.3969/j.issn.1009-086x.2023.04.002

E917；TJ0

A

1009-086X（2023）-04-0010-06

唐文倬, 蔡天騏, 莊長輝, 等.裝備體系工程方法與數字化[J].現代防御技術,2023,51(4):10-15.

TANG Wenzhuo,CAI Tianqi,ZHUANG Changhui,et al.Equipment System of Systems（SoS）Engineering Method and Digitalization[J].Modern Defence Technology,2023,51(4):10-15.

2022 -09 -29 ;

2023 -01 -28

唐文倬（1982-），男，湖南瀏陽人。高工，博士，研究方向為裝備體系發展規劃、總體設計、研發建設和運用研究等。

100854 北京市142信箱30分箱