张兆晨，严 菁，端木竹筠

（1.中国电科第二十八研究所信息系统工程重点实验室，南京 210007；2.西部战区陆军保障部保障中心，兰州 730000）

0 引言

体系是以大规模分布、独立运行与管理的系统间相互协同与协作的形式存在的，并且通过不断演化发展，涌现出新的行为和能力。演化性是体系的一个重要特征［1］，是推动体系导向性涌现的动力。体系通过积极的演化行为，获得新的能力，适应新的环境，履行新的使命。传统系统工程方法主要面向边界确定、结构紧耦合的系统，不能适应整体和要素随时间动态变化的体系的规划、设计、集成与管理［2］。因此，需要发展能够提供环境适变能力的体系构建的理论方法——体系工程。

体系工程认为，体系演化是对现有体系的重构或改造，是体系组成结构和运行模式不断自我完善的过程。体系演化包括体系整体演化和成员个体演化［3］。体系整体演化源于体系成员系统个体的演化和体系结构关系的演化，成员系统个体的演化是指组成个体在其生命周期内的功能、能力以及生命力的变化，体系结构关系的演化是由于成员系统的加入、退出以及它们之间的交互、协作关系的变化引起的。面向演化的体系构建方法需要注重不同种类、独立、大型的复杂系统之间相互操作、协同运作［4］以及对环境的弹性适变等能力。

1 概念内涵

1.1 基本含义

在军事领域，面向演化的体系构建是以使命任务为驱动，运用体系工程理论方法，解决相互独立的复杂系统之间自同步与协同问题，快速高效组织运用体系要素，并能够根据环境或需求的变化重组应变，从而确保作战效果，获得体系对抗优势。信息化战场下的作战体系中，作战单元间的多重关系、复杂的交互以及不确定的任务需求和战场环境，导致面向演化的体系构建是一项复杂的体系工程，既需要从体系的全局高度统一部署、筹划成员系统的接口关系和交互方式等，也需要从底层系统级资源要素的角度考虑体系自适应的协同运作机制，以满足任务和环境的变化。因此，将面向演化的体系构建分为宏观层面的体系集成和微观层面的体系组织运用：

在宏观层面，体系集成是依据顶层使命目标，基于模块化、开放的接口标准，以一套完善的集成方案来规划、管理体系要素的部署、连接与交互，构建形成跨域融合的体系整体，主要目标是促进系统间的信息交互和理解一致性，有效提高系统互操作、可重组、可复用等特性，为体系中系统的灵活组织运用提供技术基础。

在微观层面，体系组织运用是以任务需求为驱动，统筹、协调体系中的成员系统、各类资源进行协同运作，同时通过体系要素的优化调整，使得体系在遭受干扰、任务或环境变化的情况下具备弹性适变能力，成功完成既定任务，发挥体系最大效能，体系组织运用过程能够为体系集成提供效果反馈，促进集成方案向着更加开放、灵活的方向发展。

1.2 解决的问题

面向演化的体系构建方法是实现体系要素集成与体系组织应用的理论基础，能够指导作战体系的规划建设、要素部署、综合集成以及按需动态生成面向任务的系统，实现体系要素协同运用与体系能力最大化，主要解决以下问题：

1）体系要素如何集成以支持成员系统的互操作性

体系要素集成是协调体系组成部分、同步系统活动，以实现期望的整体行为，满足预定的任务需求。体系要素的重用性和体系层的涌现性是其本质特征，体系的构建是现有系统的重用与改进以及新系统的规划，并实现系统之间接口开放与互操作性。因此，体系要素集成是体系构建的核心工作［4］。

2）体系要素如何协同运作以共同完成任务

体系能力是以完成同一任务的体系要素集合（即任务系统）的形式发挥出来的。因此，体系构建必须研究体系如何应用，如何组织成为任务系统。以体系各个业务领域的要素为对象，在任务需求的驱动下，研究体系要素相互作用、整体联动机理，使体系内各种资源能够进行有效的协作、协同，以满足任务要求。

3）体系如何发挥最大效能

在体系要素如何优化运用、形成最大体系效能的问题上，研究任务驱动的体系能力聚合机制。一方面，研究任务与体系要素之间最佳匹配技术，确定体系要素集合和任务集合之间的最佳映射关系；另一方面，突破体系资源的优化配置技术，使得体系内广域分布的资源协同运作形成满足各类业务要求的稳定、可用能力，从而在作战层面和系统层面上实现体系能力的最大化。

4）体系要素如何根据外部条件变化优化重组

面向演化的体系构建还要考虑当外部环境、任务需求等变化时，如何进行体系要素资源优化运用，以维持对抗条件下的体系适应能力。由于信息化战场环境中的作战任务具有高度不确定性与复杂性，作战体系要保持整体对抗优势，就必须根据任务的变化而适时调整体系要素资源之间的各种关系，从而实现与任务相匹配的各种任务系统的适应性优化调整。

2 体系集成方法

为解决不同成员系统的来源、性能、采用的术语等不一致所带来的异构性问题，面向演化的体系构建首先需要形成体系集成规范，为体系的组织运用和重构提供概念上和技术上的基础标准。体系集成本体是体系集成在概念上一致性理解的基础，体系集成模式是在统一概念的基础上形成的体系要素集成的技术规则。

2.1 体系集成本体

体系集成需要在统一的语义概念标准下进行，为此提出了体系集成本体［5］，为体系集成的定义、管理和演化方法等提供通用的术语规范，实现系统之间的互操作性和互理解［6］。体系集成本体包括文档和评判集成成功的度量或试验，涵盖体系集成领域的以下方面。

2.1.1 利益相关者

利益相关者是“关注”与利益重要相关问题的人、组织、成员系统或外部系统等。利益相关者的关注点和对体系集成产生的影响定义了架构模型中的相关“视角”。如图1所示，“获取价值”视角的利益相关者通过“获取价值分析”视图，关注“集成资源”中的费用和计划。

图1 利益相关者的视角示例

2.1.2 集成资源和外部影响因素

集成资源和影响因素是紧密联系的。集成资源是物理资源、集成计划、与外部实体交互的接口，以及集成安排和预算等。外部影响因素是作用于集成资源、不受利益相关者控制的因素。例如，一个体系集成计划采用一种国际标准协议，可能对集成效率和机制带来影响和约束，所采用的协议即为对体系集成的外部影响因素。

2.1.3 结构

当系统进出体系时，体系的结构会动态变化，结构的变化是体系演化的重要表现。结构定义了成员系统和它们的接口，成员系统和接口关系会随着满足任务目标所需的能力而变化。成员系统在体系中按需协作以共同完成使命任务。图2所示一个包含n个系统、通过2个通信节点连接的体系模型。系统m和系统m+2可以使用任意一个通信节点，连接系统1和系统n则需要与系统m进行协作。

图2 体系的结构示例

2.1.4 认证认可（C&A）

由于体系的多管理层、多资金来源以及多系统在整个生命周期中缺乏同步性等问题，C&A为体系集成带来了复杂性。C&A定义了与体系的操作、维护、测试等相关的规则和政策。例如，体系可以制定政策以定义要素如何集成，所有体系的产品需要遵循这个政策以确保要素的兼容性。通常，C&A采取国际标准和协议，所采取的规范依赖于体系特定的目标用途。表1给出了不同领域的典型C&A的示例。

表1 代表性的C&A

2.1.5 机制

机制作为集成本体是由于体系集成需要支持成员系统间的动态互操作性。机制是体系集成需要的过程、步骤、测试和检验等，通常为安全和验证而制定。在基础等级上，机制确保已经采取适当的安全防护；在更高等级上，机制制定了程序以确保第一次使用的功能不会影响或导致其他要素的集成失败。需要注意的是，机制对于集成产品来说是明确具体的。

2.1.6 风险管理

风险管理活动是体系集成的主要部分之一。体系集成过程中的风险管理包括验收测试、调度、从现有系统向新体系的转变、操作、维护、后勤、训练和升级等。

2.1.7 配置管理（CM）

CM通常包含控制性能、能力和体系组成的过程和文档。CM确保期望的状态在体系中出现，并且这些状态与相关联的文档一致。全局的CM适用于有管理中心的体系，在某种程度上，也适用于本地管理的成员系统。

2.2 体系集成模式

在体系集成本体的基础上，体系要素依据特定的规则模式进行集成。下面介绍3种主流的体系集成模式［7］并进行分析比较。

1）面向服务的架构（SOA）

SOA围绕松耦合、分布式服务的概念组织，服务由服务提供者提供、描述和执行。服务可以在不同的计算平台上，由不同的组织、用不同的语言执行。服务使用者和提供者可以完全不知道相互的存在，使得这种模式能够很好地支持互操作性和体系演化。服务的交互通过企业服务总线进行协同，在服务使用者和提供者之间传递信息。

2）点到点（P2P）

在P2P模式中，体系要素直接对等相互作用。所有节点是等价的，不存在节点或节点组能够影响整个体系的正常运行。P2P集成模式具有非中心化、可扩展性、健壮性、高性价比、负载均衡等特性，在体系构建中广泛使用。P2P通信是典型的要求/应答交互方式。也就是说，原则上任何要素能够通过请求服务的方式实现与其他要素的相互作用。

3）协同虚拟环境

协同虚拟环境通过构建一个允许用户交互的共享的环境，以建立分散用户间的协同。协同虚拟环境的核心是通过用户接口共享建立一个共享的环境，这个环境创造了一个能够被访问和同步改变的共享空间。共享环境使得用户能够在由许多分布式的成员系统组成的整个系统中观察和改变数据和过程。用户能够观察到其他用户的行为，系统能够建立当前系统目标下对行为和态势的统一理解。建立一个协同虚拟环境需要体系架构的先进机制和用户接口框架，以管理和支持原有系统以及随着时间演化的体系。

对以上3种集成模式进行比较，如表2所示。可以看出，SOA和P2P的集成等级在信息交互、基础状态和复杂行为交互上，而协同虚拟环境则在用户接口共享的更高层面上。协同虚拟环境的数据是在语义层上的抽象，以信息流的形式进行信息交互与共享。

表2 集成模式的属性比较

3 体系组织运用方法

体系组织运用是协同管理体系要素，共同完成使命任务，发挥体系效能的过程。当体系在受到外部干扰时，能够进行要素重组和优化运用，以维持对抗环境下的体系演化和适应能力。体系组织运用方法可以分为顶层的体系规划管理框架以及执行层面的体系要素组织方法。

3.1 体系规划管理框架

1）体系架构演化决策框架

针对体系架构动态规划管理问题，美国国防部系统工程研究中心（SERC）在时间序列“波模型”的基础上，从顶层提出了一个多时间尺度的体系架构演化决策框架［8］（如图3所示），以指导体系中系统长期和短期的采办、使用和管理等。

图3 体系演化规划框架

框架从“计划体系更新”和“实现体系更新”两个角度定位体系演化的关键决策点，提出“战略决策”和“操作决策”两个等级的策略规划。战略决策（高级决策）是解决长时间尺度的决策，包括投资、退役、升级系统等，支持在一段时间内实现最佳体系能力的“计划体系更新”。一开始开发所有新系统的决策会导致高成本、进度超支和性能下降，因此，采用顺序决策的方式进行当前状态评估和学习。操作决策（低级决策）是短时间尺度的决策，包括组成系统的使用、维护、升级等调度管理，用于“实现体系更新”。高级决策为低级决策提供资源池，低级决策为高层决策者提供更准确的反馈和新信息以便学习。

2）体系特征管理框架

为管理体系中的系统响应干扰和环境变化的能力，新加坡军队（SAF）和国防科学技术机构（DSTA）提出了一个体系特征管理框架［9］（如图4所示），定义了体系关键特征和它们之间的关系，以指导满足体系特征要求的体系要素组织运用。

图4 体系特征的管理框架

框架的上半部分是体系高级特征，包括体系完成关键任务的鲁棒性和演化性。高级鲁棒性的基线需求定义为一组任务谱和操作偶发事件（如图4上部鲁棒性列）。高级鲁棒性的任务谱可通过任务内容、操作环境等约束参数描述。操作偶发事件可分为外部干扰（如敌方网络攻击等破坏性行为）和内部干扰（如系统故障等）。高级鲁棒性的基线需求在体系生命周期中将随着威胁、技术解决方案等因素发生变化。而演化性是随着时间推移维持鲁棒性的关键。演化性通过体系设计的灵活性，保证当出现新的需求时，在每个规划空间内保持高级任务的鲁棒性（如图4上部演化性列）。因此，鲁棒性和演化性是体系架构满足关键任务的基线需求的两个高级特征，同时保持设计灵活性以满足随时间推移出现的新需求或需求变化。

框架的下半部分是体系低级特征，包括成员系统完成任务的鲁棒性和韧性，可追溯到一组性能度量（MOP）。在成员系统级，当受到干扰时，MOP将发生降级。从意外事件中吸取经验可以触发重新设计，目的是将受影响的MOP恢复到正常或更高水平，如果未来同样的意外事件再次发生，体系就能够将MOP维持在所需水平之上。成员系统的鲁棒性（如图4下部鲁棒性列）是通过获得一组所需水平的MOP，并且在意外事件下保持MOP在所需水平上实现的；成员系统的韧性（如图4下部韧性列）是通过限制意外事件下的MOP水平的降级程度和时间实现的；它们都有助于高级鲁棒性。设计的灵活性将有助于体系的演化。

综上，鲁棒性和演化性是体系架构的两个关键的高级特征；成员系统的鲁棒性和韧性是有助于高级鲁棒性的低级特征；在不影响现有任务连续性的情况下的设计灵活性有助于提高演化性。框架通过对体系特性的设计和调整，实现体系在遭受干扰或破坏情况下的恢复和适应能力。

3.2 体系要素组织方法

在网络化作战指挥控制组织设计领域，体系联动机理［10］认为体系能力的发挥是通过体系要素进行灵活组织形成任务系统。任务系统生成方法以体系联动机理为基础，是体系中各种要素资源随着作战任务和时间的变化而实现能力最大化的过程和方法，主要有“体系要素优化运用”和“任务系统生成和演化”两大核心。任务系统生成方法采用逐步优化方法，支持从作战任务到任务系统的优化生成，从而实现体系能力最大化，如图5所示。

图5 任务系统生成方法

任务系统生成方法具体包括：1）作战任务建模：将作战任务分解成粒度合理的子任务，并确定子任务之间并行、串行和混合关系；2）子任务-平台节点关系优化映射：通过子任务的能力需求和平台节点能力提供的关系，将子任务集合和平台节点集合进行关联映射；3）指挥节点-平台节点关系优化生成：根据子任务-平台节点的优化映射方案，按照一定的优化目标，将平台节点优化聚合成不同的任务组，并为每个分组配置一个指挥节点，形成指挥节点之间的协作网；4）指挥节点之间指控关系优化生成：将协作网通过优化形成层次型的决策树，并优化确定决策树的根节点，从而形成完全意义上的作战体系；5）系统资源配置与优化调度：根据指挥节点指挥的平台，配置指挥业务流程，并优化调度通信基础网中系统资源，生成任务系统；6）体系要素资源优化调整：根据作战任务的变化，作战任务、平台节点、指挥节点、系统资源之间的各种关系不断优化，从而实现任务系统演化。

4 军事作战体系构建框架

面向演化的体系构建方法对于由信息系统、武器装备、作战人员、条令条例、保障物资等构成的巨大作战体系的顶层规划与发展建设具有重要指导意义。军事作战体系各类作战系统和武器平台具有广域分布、关系复杂多变等特点，体系要素需要共享、开放的集成模式，在统一标准与架构的约束下，通过灵活、适变的组织运用方法，生成最大体系效能。建立军事作战体系构建框架，如图6所示，主要由资源层、服务层和应用层组成。

图6 军事作战体系构建框架

1）资源聚合机制：体系资源的集成按照业务需求，通过资源控制中心和业务需求管理中心［3］，对基础设施和应用平台等资源进行状态监控与协同调度管理，针对体系资源异构、复杂、能力随时间演化等特点，在组织运用上提供更加灵活、可靠的算法，以多种集成配置方法和手段进行体系资源优化配置，通过良好的协同与协商机制获得综合平衡的资源集成方案。

2）服务共享机制：在资源层之上构建一个开放、共享的服务环境，通过服务状态监视、服务数据同步、服务组织编排等对基础支撑服务和应用功能服务进行统一注册发布与灵活按需调用，通过松耦合、分布式的服务方式，为用户提供定制的业务应用能力，以适应体系业务敏捷性要求。

3）人与系统融合机制：在应用层关注人与应用系统的有效协作方式，通过可维护、可操作的人机接口，为指挥员提供态势理解、行为预测等辅助决策功能，并为人员任务、行为、角色、训练等建立统一的管理制度与标准规范，保证人在理解和行动上的一致性，实现人因与系统的高度融合。

4）开放的接口与统一的语义：成员系统或模块采用标准的、商用化的开放接口，在统一的语义规范约束下，实现系统模块的即插即用和任务功能的按需重组，保证数据在跨部门、职能和组织层面上可重用、可维护和可扩展性，促进体系能够快速吸收先进技术，构建灵活性高、可快速升级、互操作和互理解性强的作战体系。

5）鲁棒和灵活的架构设计：针对体系的演化性，在使命任务和运行环境发生变化时，识别影响性能的突现性趋势、形式和条件，通过鲁棒的架构设计和灵活的调整和修正过程，不断学习应对不确定干扰的解决方案，增强对外界因素的响应，提高受到破坏下的恢复速度，形成对体系无法预知的突变性［11］的适应能力。

6）以使命任务驱动系统行为：以共同的使命目标为牵引，将作战体系建设成为使命共同体，成员系统理解、遵从统一的作战任务，为完成任务目标，体系要素相互作用，整体联动，通过资源层、服务层和应用层的有效协作，快速生成任务系统，发挥聚合的体系作战能力。

5 结论

面向演化的体系构建方法是现代作战体系顶层设计与规划建设的理论基础。通过一致的集成规范，实现信息系统的互操作、作战人员的互理解、行动规则的互遵循［12］；通过高效的组织运用方式，实现任务或环境变化条件下的体系适应能力。只有在科学的体系构建方法的指导下，才能促使体系不断向着更加灵活、鲁棒、高效的方向演化发展。