邓鹏华，戚振东，张勇，毕义明

(火箭军工程大学 初级指挥学院，陕西 西安 710025)

指挥信息体系作战需求鲁棒论证方法框架*

邓鹏华，戚振东，张勇，毕义明

(火箭军工程大学 初级指挥学院，陕西 西安 710025)

传统的作战需求论证方法已经无法较好地处理指挥信息体系建设中的不确定性。首先给出作战需求的定义，构建了指挥信息体系作战需求形式化概念模型，并建立了多层次多视点的指挥信息体系作战需求描述框架。在此基础上，分析了指挥信息体系论证中的不确定性，定义了鲁棒性，构建了指挥信息体系作战需求鲁棒论证的过程。最后对涉及的关键问题，包括使命任务鲁棒分析、能力需求鲁棒探索、基于SOA的体系方案设计，以及方案鲁棒优化决策等进行了初步探析。

鲁棒决策；不确定性；作战需求；鲁棒论证；指挥信息体系；方法框架

0 引言

作为指挥决策所依赖的物质基础——指挥信息体系由态势感知、信息融合、指挥控制、网电攻防、综合保障等多个部分组成。其各组成部分交互复杂，涉及多个相对独立、不同周期的子项目，研发时间长，费用昂贵；体系构建还涉及现有、升级及新研等多种异构异质系统的集成；另外，决定体系开发的使命任务和外部环境均具有动态性和不确定性。对此，传统基于确定信息的作战需求论证方法已经无能为力，有必要构建适应体系特点的鲁棒性体系作战需求论证方法。

国内外针对军事体系作战需求论证进行了大量研究。美军提出“基于能力”的作战需求论证方法[1]，即基于能力规划(capabilities- based planning，CBP)，它在多元多域想定空间中研究能力以应对大量潜在挑战，从而使方案更具有鲁棒性并满足经济性约束；RAND公司基于扩展的“战略到任务”框架建立了一种空军通用需求计划框架[2]；P.K.Davis 提出了基于模块化能力和探索性分析的层次化投资组合管理框架[3]；S.E.Johnson等[4]对CBP的关键属性、多目标多测度使命分析以及想定空间探索等问题进行了研究；RAND公司还提出能力投资组合的概念[5]，并充分考虑经济约束、费效比和风险等开发了PAT- MD分析工具；文献[6]提出了基于CBP的能力选项生成方法及基于资产组合分析的备选方案评估方法；文献[7]提出了备选方案的模块化生成、评估方法体系，设计了模块化需求方案生成工具。文献[8]提出了一种基于CBP的国防设施能源安全规划方法。

在国内，胡晓峰教授提出了武器装备体系能力需求的探索性分析仿真实验方法[9]，杨镜宇博士从战争体系需求入手，探讨了基于效果的体系能力规划和探索性分析方法[10]；王剑飞博士提出了“面向威胁，基于能力”的作战需求分析方法过程[11]；陈超等面向设计的未来战争形式和过程进行作战需求论证，提出了基于设计的武器装备作战需求论证方法[12]。文献[13]还提出了多层次多视图的军事需求描述框架。严宗睿等对装备系统作战需求的探索性仿真实验方法进行了研究[14]。这些成果对作战需求论证中的不确定性考虑较少，也没有对指挥信息体系作战需求鲁棒论证方法进行专门研究。

本文首先厘清作战需求概念和描述模型、框架，并着眼作战需求论证过程及方案的鲁棒性，基于体系特点提出指挥信息体系作战需求鲁棒论证的方法框架，分析了涉及的主要技术问题，可为指挥信息体系乃至以软件为主体的一般武器装备体系作战需求鲁棒论证研究与实践提供参考。

1 概念模型

1.1 作战需求的基本概念

对于作战需求的概念，有必要置于军事需求的整体框架之下来理解。根据军事需求各个利益攸关方关注点不同，可从战略需求、作战任务需求、作战能力需求、系统需求和技术需求等5个视点来建模军事需求，即图1所示的军事需求多视点框架。

(1) 战略需求主要反映需求发起者对整体战略目标的预期以及对战略威胁的反应，用使命任务视点(mission viewpoint，MV)描述；

(2) 使命任务的完成依赖于具体的作战活动，因此用作战视点(operational viewpoint，OV)体现作战人员的作战任务需求；

(3) 能力需求是为支持作战活动而对作战力量的能力要求，涉及所需能力的类型、大小，以及能力执行者、能力来源等，用能力视点(capability viewpoint，CV)描述；

(4) 系统需求是解决能力要求的装备或非装备方案，可用系统视点(system viewpoint，SV)描述；

(5) 技术需求主要涉及系统设计与实现中所需的技术标准、规范等，可用技术视点(technical viewpoint，TV)描述。

其中MV和OV属于问题域，SV和TV属于解域，而CV则是介于问题域和解域之间的桥梁和纽带。基于此，可定义作战需求为：

定义 作战需求是指为完成一定使命任务而对武装力量遂行特定作战行动所需能力、功能和其他非功能性约束的合理要求。其中“能力”为在特定标准和条件下，通过综合运用方式和手段执行一系列任务时，达到期望效果的本领。

这里的能力涵盖方式和手段2方面，方式包括条令、体制编制、训练、作战人员素质等；手段涉及武器装备、指挥控制、情报侦察、作战保障等。“合理”要求是指提出的能力需求应符合战略需求，柔性或刚性满足作战任务要求，以及在费用、风险和费效比等方面具有可行性。

1.2 指挥信息体系作战需求形式化建模

指挥信息体系从提出需求到正式列装一般周期较长，期间作战需求可能发生变化。为克服时间因素影响，从适应性和可操作性考虑，提出迭代式作战需求论证方法，即只将一个周期内的作战需求论证活动作为研究对象。若记指挥信息体系作战需求为OR，则OR可表示为

(1)

式中：CRSoS为指挥信息体系能力需求；N_NF为非功能性要求。f1为指挥信息体系作战需求演化函数，一般为非连续、非线性函数。非功能性要求N_NF为指挥信息系统正常运行和发挥功能而对相关自然条件、数据兼容条件等的容许程度，相对较易直接确定。因此指挥信息作战需求描述的核心是指挥信息体系能力需求CRSoS的描述。

体系能力既会因任务目标、标准、条件等的变化而多样化，又因体系本身的层次性而具有多层次性，有必要约定最小粒度能力，在此引入关键性能参数(key performance parameters，KPPs)的概念。KPP是对未来想要获取的军事能力不可或缺的能力属性[15]，是可度量、可试验和可比较的。武器装备体系能力CRSoS可分解为若干系统能力CRSi，每个系统能力CRSi可再分解为若干KPPij，每个KPPij包含相应的任务、条件、测度、准则等要素。如式(2)～(4)所示：

(2)

(3)KPPij：：=，

(4)

式中：f2为指挥信息体系能力到系统能力的映射函数；f3则是能力到KPP的映射函数。KPP_NA即关键性能参数名称；KPP_ID为关键性能参数标识；T为相关任务；Con为相关任务条件；Unit表示KPP的度量单位；Th为基于可承受的经济能力、技术水平和风险时KPP应达到的下限；Obj表示考虑到可承受的未来经济能力、技术发展和最大风险时KPP可取到的上限。

1.3 多层次多视点的指挥信息体系作战需求描述框架

指挥信息体系的多层次性决定了其作战需求的多层次性，作战需求的多主体性决定了其描述的多视点性。在多视点方面，指挥信息体系作战需求可以通过作战视点(OV)、能力视点(CV)，以及服务视点(service viewpoint，SvcV)表示。

OV主要表述作战想定、过程、作战活动和相应需求；CV主要表述能力需求、实现时间和已部署能力；SvcV主要表述执行者、活动、服务，以及为提供或支持作战职能而进行的交互。考虑按照面向服务的架构进行指挥信息系统设计，从而通过封装的组件化服务，实现与平台、语言无关的服务共享，并通过服务请求应答机制实现对动态不确定性需求的快速响应，具有良好的可扩展性、可重用性、互操作性。基于此，建立了如图 2所示指挥信息体系作战需求的多视点描述框架。

图1 军事需求的多视点框架Fig.1 Multi- viewpoint framework of military requirement

一旦确定了作战需求论证的指挥信息体系，其层次就会随之确定。对于确定的客体而言，若可分解，则首先对其分解，在每个分解层次上都可用OV，CV和SvcV这3个视图描述。例如对于某指挥信息体系，若其层次为l，l∈[lOC，lOU]，lOC和lOU分别表示战略力量层和作战单元层，则此指挥信息体系的作战需求可描述为式(5)，其中“⪯”表示 “层次不高于”。

图2 指挥信息体系作战需求描述的多视点描述框架Fig.2 Multi- viewpoint description framework for C4ISR SoS operational requirement

(5)

因此，构建指挥信息体系作战需求描述框架的关键是OV，CV，SvcV的描述，这通过定义相应视点的表示模型来实现。本文按需设计的视点模型表1所示[16]，它们对指挥信息系统作战需求相关的作战任务、能力、系统服务等进行了较全面描述。作战需求描述旨在促进各有关方的形成共识，全面准确获取体系作战能力需求，从而设计应对需求的最佳方案。一般模型描述方法包括文本、图形、表格，结构化描述方法(如IDEF×模型)、面向对象描述方法(UML或SysML)、本体描述方法等。

表1 作战需求描述模型

2 指挥信息体系作战需求鲁棒论证理论框架

传统确定性的作战需求论证方法通常包括使命任务分析、能力需求分析、能力方案设计以及能力方案评估4个步骤。通常为一次性完成各整体需求指标的确定和方案设计。但针对指挥信息体系，这种方法面临诸多挑战，包括：①体系论证建设过程中的不确定性可能会使当初设计的体系方案效能不足、费用增大或周期变长，影响需求方案的有效性。②体系建模分析的复杂性超出了当前解决能力。指挥信息体系作战需求论证涉及到使命、任务、能力、服务等多个层次，问题空间和解空间空前巨大，各层间的映射模型复杂度大增。③现有方法无法保证体系建设中资源的重用、对作战需求的快速响应，以及体系的互联互通互操作。④体系建设对风险的容忍度更低。体系往往影响大、造价高、周期长，对不确定性造成的可能风险有更苛刻的要求。因此对其作战需求论证方法的鲁棒性提出了更高要求。

2.1 指挥信息体系作战需求论证中的不确定性

依据作战需求论证中的不同实体，可分为作战需求的不确定性、论证实体的不确定性，以及体系方案的不确定性：

(1) 作战需求客体的不确定性

即作战需求本身的不确定性，包括：

1) 威胁环境的不确定性

潜在对手战略指导、战略重点的不确定性和国际战略格局变化的不确定性是客观存在的，属于自然不确定性。潜在对手战略意图、战略途径的不确定性和潜在对手作战能力的不确定性则是由于保密原因，属于认知不确定性。

2) 我方发展目标的不确定性

其中，我方战略利益的不确定性除受到利益拓展的影响外，还受一些客观因素如国际关系、自然环境变化等的影响，具有自然不确定性。而我方战略指导、战略重点和战略途径的不确定性，既与战略环境有关，也与我方发展阶段和状态有关，既有自然不确定性，也有认知不确定性。

(2) 论证主体的不确定性

主要体现为作战需求论证决策者的不确定性，包括：

1) 决策风格的不确定性

论证决策不可避免地会带有决策者个性偏好和风格的烙印。主要是自然不确定性，也有少量认知不确定性。

2) 决策能力的不确定性

指挥信息体系作战需求论证往往需要定性定量综合集成，受到决策者决策水平、心理素质，以及辅助决策手段先进性等因素影响，主要是自然不确定性。

(3) 体系方案的不确定性

体现为体系方案产生与实现的不确定性，包括：

1) 体系方案构建方法的不确定性

指挥信息体系能力要素多，交互复杂，非线性强，依赖于环境等，属于认知不确定性。

2) 技术发展的不确定性

理论发展、工业水平、技术人员水平等多种因素往往会大幅度提高指挥信息体系能力，属于自然不确定性。

3) 经济承受能力的不确定性

经济承受能力通常是可预测的，但也存在不确定性，属于自然不确定性。

2.2 指挥信息体系作战需求论证的鲁棒性

目前处理不确定性影响的方法之一是灵敏度分析(sensitive analysis，SA)，属于事后分析方法，它基于确定性条件下的方案，研究参数变化对方案最优性影响，实现解的最优控制。另一种是基于风险的决策，即根据不确定性条件下的期望益损值确定方案优劣。扩展方法包括考虑决策者“非理性”的价值理论、效用理论、前景理论，基于在险值及条件在险值等概率决策方法，以及基于贝叶斯理论的动态风险决策方法等。

以指挥信息体系作战需求论证为代表的许多复杂决策问题，往往多个参数具有自然或认知不确定性。在这种多维不确定性参数的复杂空间中，决策不再以最优为目标，而是考虑各种不确定性因素的影响，使方案在达到能力需求阈值的基础上，在所有可能想定中都有均衡的表现，即对一定范围内的不确定性免疫，称之鲁棒。

对于指挥信息体系作战需求论证中的3类不确定性，论证主体的不确定性无通用规律，体系方案的不确定性，可在体系方案综合评估时将其造成的风险纳入目标函数来处理。因此，主要针对作战需求客体的不确定性研究指挥信息体系作战需求的鲁棒论证。

(6)

(7)

2.3 指挥信息体系作战需求鲁棒论证

按照鲁棒性要求，对不确定性条件下的指挥信息体系作战需求进行鲁棒、科学地获取，并通过能力需求的鲁棒映射和能力方案鲁棒设计优化，得到具有鲁棒性的需求方案并证明。

指挥信息体系作战需求鲁棒论证过程包括使命任务需求鲁棒分析、作战能力需求鲁棒分析、信息体系鲁棒优化设计、信息系统综合评估等步骤，如图3所示。

在使命任务鲁棒分析中，分析战略目标及约束，确定主要威胁，形成使命列表。进行作战概念构建，即对实现哪些使命目标和如何利用资源实现此目标的总体图景进行描述。并进一步构想实现各使命的作战条件、方法、途径和过程，形成若干“点”想定。归纳抽象“点”想定的主要因素并根据其不确定性进行参数化(考虑所有可能取值)，形成想定空间，可用前述OV- 1，OV- 2，OV- 3等作战视点模型描述。尔后，根据使命列表，结合想定和作战概念，在资源、逻辑关系等约束条件下，基于构建的作战规则库，利用分层任务规划方法分解得到层次化的作战过程(course of action，COA)，即为作战任务需求。可用OV- 5a，OV- 5b，OV- 6a等作战视点模型描述。

再进行作战能力需求鲁棒分析，从定性和定量两方面实现作战任务需求向能力需求的鲁棒映射。定性方面主要是与COA相对应，从体系能力、系统能力和KPP 3个总的层次确定层次化作战能力需求。定量方面则是构建能力探索的多分辨率仿真模型作为各层能力映射模型，并进行探索性分析，确定关键能力参数(KPPs)及其重要度，为信息体系备选方案设计提供依据。可用CV- 1，CV- 2，CV- 6，CV- 7等能力视点模型来描述。

指挥信息体系备选方案鲁棒设计时，一是基于迭代进行演化设计，即最初只重点设计体系架构及相对静态要素，对于受不确定性影响较大的组成要素，则在若干演化周期内不断迭代完善；二是运用基于服务的体系结构(service- oriented architecture，SOA)和Web服务进行指挥信息体系鲁棒设计优化，包括内部体系结构、功能部署、基本服务及运行机制的设计优化，提高服务功能的可重用、可组合性。可用SvcV- 1，SvcV- 3b，SvcV- 4，SvcV- 5，SvcV- 10a等服务视点模型描述。

在信息体系方案综合评估中，根据投资组合分析方法，对备选体系方案的效能、费效比、风险等因素进行综合评估，根据鲁棒性定义建立评估优化数学模型并求解。效能评估仍基于想定空间探索仿真获得。若不满足阈值要求，则对方案修正，否则根据评估结果确定信息体系方案。需要强调的是，随着时间推移或突发需求的产生，需要迭代此论证过程。

指挥信息体系作战需求鲁棒论证过程是迭代而非顺序过程，这是由体系本身的复杂性和演化特性决定的，也是鲁棒性策略之一；其次，作战需求鲁棒论证以体系工程为基础。在战略目标与使命任务分析、能力需求获取，及备选方案设计优化与评估中，都充分考虑到体系特点，支持体系的分布、异构和整体演化性；再次，该过程基于想定空间而非单个或少数“点”想定。通过鲁棒性定义下的想定空间探索性仿真分析，使方案充分考虑到各种不确定性，并对已知不确定性有一定免疫；最后，通过引入服务，使作战需求鲁棒论证中能力方案构建具有模块化、重用性特征，提高了能力生成的快速性，实现对已出现不利后果的鲁棒性。

3 关键问题

3.1 使命任务鲁棒分析

为确保指挥信息体系使命任务鲁棒性，一是进行全面的战略目标分析；二是建立考虑各种不确定性因素的作战想定空间；三是根据战略目标进行作战任务活动多层规划。涉及的关键问题有：

(1) 指挥信息体系战略目标和使命任务确定技术

战略目标和使命确定时，涉及战略、作战、战术、技术、资源、政策等诸多因素、多个领域，具有明显的战略性、不确定性和复杂性，需要借助定性与定量综合集成研讨方法，涉及到研讨厅体系结构设计、研讨厅实现技术，以及群决策等多种理论方法。

(2) 想定空间构建技术

想定空间是对想定中诸因素不确定性化形成的多维空间，涉及到想定表示、关键参数探索确定及关联分析、参数化范围确定、想定空间的维度约简和体积约简等理论方法。

(3) 行动过程(COA)生成

特定想定空间中的战略目标和使命是通过COA来实现的，因此使命任务鲁棒分析中需要确定相应的COA。每个任务不仅在纵向上具有层次性，其自身还涉及到资源、时间和时序等约束条件，需要基于适当的分层规划算法对实现战略目标和使命的总体任务进行规划。

(4) 指挥信息体系任务需求分析

通过总体作战过程获取指挥信息体系任务需求，主要是进行全面合理的概念建模定性获取指挥信息体系作战任务需求，定量任务需求则以能力的形式体现。

3.2 能力需求鲁棒分析

能力需求的鲁棒分析需重点解决2个问题：

(1) 指挥信息体系能力需求指标体系设计

即由指挥信息体系的使命战任务需求，如何定性确定指挥信息体系的各个层次能力指标体系。可参照故障树方法，通过“成功树”方法根据能力间逻辑关系进行分层分析获取。

(2) 确定能力指标体系与作战活动间的定量映射建模

即建立“使命—任务—能力”需求的鲁棒映射模型。可基于多分辨率建模和探索性分析建立多分辨率的多层次能力需求鲁棒分析框架，并结合想定空间的不确定性建模，建立指挥信息体系能力方案的效能评估仿真模型，为能力方案设计提供能力依据。另外，还需要对想定空间关键因素重要性分析排序，为进行想定空间建模与探索和能力需求优先度确定提供依据。

3.3 基于SOA的体系方案设计优化

主要涉及到3方面问题：

(1) 面向服务的指挥信息体系的体系结构设计

包括根据能力需求设计指挥信息体系的“服务”模块及服务的层次结构和交互关系，使面向服务的指挥信息体系是鲁棒、松散耦合、可动态“积木式”组合的。

(2) 指挥信息体系服务功能部署设计优化

主要涉及到作战能力需求向服务功能的映射模型构建及求解，服务功能优化多目标(包括鲁棒性定义下的服务功能、QoS(quality of service)等目标)优化建模及求解算法研究等。

(3) 指挥信息体系元服务设计

元服务即指挥信息体系服务中的原子服务。需要规范化设计原子服务及相应接口，使整个服务体系既完备科学、同层次服务间相互独立，又为按需快速组装服务模块提供定义良好的接口规范。

(4) 指挥信息体系服务组合和匹配方法

指挥信息体系能力的发挥是通过基于任务的服务匹配及多层次服务组合实现的。在基于SOA的指挥信息体系设计中，需要设计科学高效的服务匹配与组合评价模型及相应算法。

3.4 体系方案鲁棒评估决策

指挥信息体系方案鲁棒优化决策的目的是在体系需求方案空间中，以满足能力鲁棒性为基础，综合费用、费效比、风险等因素，确定最“适合”的指挥信息体系方案，从而为指挥信息体系采办提供有益参考。主要涉及：

(1) 想定空间中能力鲁棒性，以及方案的费用、费效比及风险综合评估建模

指挥信息体系方案的鲁棒决策需要在已建立的想定空间中进行。需要建立准确体现鲁棒性要求的相关模型。

(2) 指挥信息体系鲁棒优化决策算法

根据鲁棒性定义以及各种风险，在随机不确定性情况下，指挥信息体系的鲁棒优化决策将属于多目标机会优化问题。对于此类模型，需要设计新型智能启发式算法搜索求解。而若不确定性不是或不全是随机不确定性时，模型求解将更为复杂，需要创新设计有效算法。

4 结束语

本文针对指挥信息体系特点分析了其作战需求论证中的不确定性，深入分析了作战需求的概念、形式化描述及多层次多视点描述框架。在此基础上定义了作战需求论证的鲁棒性，提出了指挥信息体系作战需求鲁棒论证的方法。最后分析了作战需求鲁棒论证中涉及的关键问题，初步建立了指挥信息体系作战需求鲁棒论证的方法框架。

军事体系研究还处于起步阶段，因此提出的指挥信息体系作战需求鲁棒论证框架只是初步的，需要继续深化以形成具有严格数学基础的完备理论方法。

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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 作者简介：邓鹏华(1983-)，男，陕西洋县人。讲师，博士，研究方向为作战需求论证、作战指挥建模与仿真等。

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

E917；N945.1

A

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

通信地址：710025 陕西省西安市灞桥区同心路2号902教研室 E- mail：1847181027@qq.com