装备体系工程方法与数字化*

唐文倬，蔡天骐，庄长辉，闵锐

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装备体系工程方法与数字化*

唐文倬，蔡天骐，庄长辉，闵锐

（北京电子工程总体研究所，北京 100854）

为解决体系要素各自为战，系统指标不协调、功能不匹配、集成不规范，体系能力难以形成的问题，需要做好顶层规划，采用体系工程方法，开展体系正向设计。分析了军事领域中体系的类型、特点与建设要求，瞄准实现体系实战化能力，按照“体系设计、体系建设、体系运用、体系评估”四个体系工程建设阶段，介绍了体系工程建设方法；采用数字化手段高效支撑体系研发和体系运用研究的具体内容，通过数字化将体系工程方法、流程和工具融为一体，打造体系工程建设新模式。

体系；体系工程；体系建设；体系设计；体系工程数字化

0　引言

一般意义上，体系泛指一定范围内或同类事物按照一定的秩序和内部联系组合而成的整体，是不同系统组成的系统。在美国防部体系系统工程指南（1.0版）中，体系是指将独立和有效系统整合到具有独特功能的大型系统时所产生的系统集合或构型［1-7］。我们定义的装备体系，是由若干功能性能匹配的装备要素构成、可实现特定任务的复杂大系统，形成体系战能力。体系之所以成为“体系”，并不是因为其“复杂性”，而主要是区别于“系统”，其组成要素具备管理和运用的独立性、物理域和地域的分布性。

当前，国内装备建设发展已从系统工程向体系工程转变，需要形成体系工程方法手段，支撑装备体系建设［8-13］。

1　体系类型与特点

1.1　体系类型

美军根据体系对组成系统是否具有管控及其管控力度，按照由弱至强的管控程度，将体系分为虚拟型、协作型、认可型和控制型4种类型［14］。

其中，虚拟型体系缺乏中央管理机构以及集中商定的中心目标，必须依赖相对不可见的机制来维持运转，可能涌现大规模行为，典型样例为全球地理信息栅格系统；协作型缺乏中央管理机构，具有一致的中心目标，组成系统或多或少通过自愿协作的方式来达成商定的中心目标，典型样例为互联网、全球金融体系；认可型具有中央管理机构，具有认可的目标、指定的管理人和体系的资源，但组成系统仍保留其独立的所有权、目标、资金以及发展和维持措施，典型样例为弹道导弹防御系统（ballistic missile defense system，BMDS）、海军综合火控防空系统（naval integrated fire control-counter air，NIFC-CA）；控制型具有中央管理机构，能够对体系的成员系统进行调度和控制，约束成员系统的发展；组件系统保持独立完成任务的能力，但是其正常运行模式从属于中央管理目标，典型样例为美陆军未来战斗系统（future combat system，FCS）。

本文所提的体系主要指体系运用视角下的装备体系，属于美军定义的系统之系统（system of systems，SoS）［15］。

1.2　体系特点

体系是任务剖面视角下的复杂巨系统，与系统具有显著的区别。系统通常是一组组合的元素、子系统或组件，以完成一个定义明确的目标；体系则是一个要素或系统组合，其通过互相作用提供一种单个要素系统单靠自身所无法提供的能力。系统与体系特点对照如表1所示。

表 1 　系统与体系特点对照表

体系工程具有关注多个异步但互相依赖的复杂系统、随着体系发展、需求不断演化、边界范围动态拓展、涌现性、网络化架构、网络中心、目标多样化、异构等特点。对于任务类装备体系，是典型的复杂巨系统，根据不同任务，实施多个领域联合运用、多个兵种协同行动、各类战场资源统一调度的一体化行动，按需形成联合任务能力。体系具备如下特点：

①整体性，各类功能要素虽具有独立的任务功能，但在体系构建和运用时必须整体统筹考虑，对外呈现的形态和能力是一个“共同体”；②开放性，按需灵活接入和运用分散的功能要素，快速聚集资源、形成合力；③补充性，组成系统在与环境相互作用时，通过平衡各类要素，在不同情况下发挥出不同的特性；④耦合性，各功能要素之间的关联程度对体系效能影响大，耦合程度越深、相互关联越紧密，体系能力越强；⑤不确定性，体系资源有限，在一定的条件下提高某种特性的同时会导致另一种特性的降低；⑥时敏性，能够快速响应体系功能需求，满足即时任务要求；⑦抗毁性，体系各要素功能可互补、结构可变化、系统可重组。

1.3　体系建设要求

对于任务类装备体系，体系能力是装备体系建设的起点和目标，以完成体系任务为目的，体系的核心任务是通过体系“设计、建设、运用与评估”的迭代闭合，实现实战条件下的战斗力生成与提升，具体要求如下：

（1）必须“源于任务、回归任务”。装备体系构建始于任务概念设计、能力需求分析，然后开展装备研发和体系建设，再进行组织运用、形成任务能力，实现良性互动、正向循环和迭代升级。

（2）必须建立以“K”为核心的C4ISRK（command，control，communication，computer，intelligence，surveillance，reconnaissance and kill）。“杀伤目标”是体系能力的直接体现，是评价体系建设成效的最终标准。体系建设必须围绕情报侦察、预警探测、指挥控制、拦截打击等要素发展，保障装备最大限度发挥体系效能。

（3）必须实现“OODA（observe-orient-decide-act）”杀伤链闭合。打通和闭合杀伤链路是一切任务行动的前提和基础。特别是对于跨领域任务，最低要求是解决网络互联和信息交互，从互联互通的角度实现杀伤链的信息闭合，最高要求是从任务源头进行体系架构设计、指标分配和体系运用研究，实现杀伤链的数据闭合。

（4）必须充分融入对抗性要素。对抗是攻防博弈面临和必须解决的突出问题。一方面，装备建设必须具备较强的复杂战场环境体系能力；另一方面，在体系总体设计、体系集成运用、能力检验评估等环节，必须突出对抗性因素，更好地发挥体系对抗优势。

2　体系建设方法

体系建设由“基于威胁、基于阶段”向“基于能力、基于全寿命”的全局全视角转变，体系研究由“基于系统、基于文档”向“基于体系、基于模型”的体系工程方法转变，指导和牵引体系能力的闭环迭代提升［16-17］。

按照“体系设计、体系建设、体系运用、体系评估”4个阶段迭代升级的正向发展思路，形成基于模型的体系工程建设方法。通过国家军事战略的顶层输入，通过体系工程建设，形成体系综合能力。体系建设总体思路如图1所示。

图 1 　体系建设总体思路

2.1　体系设计

体系设计阶段，由体系总体牵头开展基于数字孪生系统的迭代优化设计。

①任务概念设计，基于国家安全战略和军事战略，研究顶层军事概念和设计任务场景，作为体系设计的基点和输入。②能力需求分析。基于任务概念和任务场景，以装备体系使命定位和任务为基础，重点解决能力需求牵引和装备体系建设依据问题，形成并发布能力需求文件。③体系架构设计。确定体系要素组成、功能定位和信息交互，牵引体系内装备要素协调建设发展，确保装备要素功能性能协调匹配。运用基于模型的系统工程方法，构建基于DoDAF（department of defense architecture framework）的体系需求分析方法，建立“OV-CV-SV（operational view-capability view-system view）”的分析流程。④指标设计分配，重点解决对装备要素的任务定位与功能性能约束问题，设计表征体系能力的层次化指标体系，统一任务、对象、指标要求的认识，进一步分解分配各装备功能性能要求。⑤标准制定发布。重点解决规范化体系建设发展和集成运用问题，形成统一的体系建设与运用标准规范集，完成急需标准的研究与编制。

2.2　体系建设

①装备研发建设。各装备按照体系总体设计的要求，牵引和约束装备研发，贯彻体系标准，支撑体系建设迭代深化。②体系技术攻关。开展体系关键技术的专题研究，开发体系模型并向装备转化应用，提升体系效能。③仿真系统建设。建设升级要素完整、多种颗粒度、高置信度、运用灵活、适当超前的体系仿真系统，支撑体系设计、建设、运用与评估迭代闭环。④体系集成验证。通过“虚拟-现实”融合的方式开展体系试验，验证体系功能性能，检验体系及各要素符合性，验证体系动态运行能力。

2.3　体系运用

①装备部署运用。按照体系能力需求，确定装备部署原则和流程，统筹开展体系装备配系与部署设计，支撑装备发展规划。②体系集成运用。依托体系仿真集成和实装集成，分析体系要素集成与能力生成情况，并进行迭代优化。③实际运用。同步开展任务模拟训练、运行规则制定与完善，加速体系能力转化。

2.4　体系评估

开展单装、装备体系、任务体系等不同层面不同对象的评估，支撑交付体系能力。

针对体系使命任务及体系能力，遵循面向体系对抗、动静结合、定性定量相结合、颗粒度适度、客观性与可行性等原则，依据体系阶段状态评估需求，构建评估指标体系，根据对效能、贡献率影响的敏感度或关注度，研究选择单项、综合评估指标或重构指标，利用适当方法，从多维度、多层级评估。评估主要方法流程为：分析体系效能、贡献率评估需求、构建评估指标体系、开展“整体+重点”综合评价。

3　体系工程数字化

国内体系建设处于起步阶段，尽管通过一些体系项目实践积累了一些实践经验，但总体上，体系建设研究方法较弱，缺乏成熟的体系工程理论方法指导实践，各阶段间的贯通性不强，成果的传递与复用程度低，体系相关工作集成度不高，体系工程实施过程较散；此外，体系相关工具繁多，涵盖架构设计、仿真推演、效能评估等多个方面，部分软件工具为国外产品，总体上异类异构，缺少一体化的体系研究支撑手段。

采用数字化的方式，瞄准模型驱动与贯通联动，通过规范模型、工具、流程、系统的开发和使用，以构建体系工程全链条模型为核心主线，纵向上实现需求、架构、仿真、评估各环节模型传递与映射，横向上实现多领域模型的联动交互［18-20］。体系工程数字化过程如图2所示。

图 2 　体系工程数字化过程

3.1　体系设计数字化

体系设计数字化的核心是装备体系需求生成与体系架构设计，并通过体系对抗仿真和体系分析评估进行迭代设计结果。

装备体系需求生成数字化主要是以数字化的手段支撑装备体系任务概念辅助设计、装备体系能力对抗博弈推演和装备体系能力需求生成，以定性定量相结合的分析方式，实现体系能力需求分析与捕捉、体系需求集成优化与评估、体系需求知识图谱构建与需求结构化生成。

体系架构设计数字化，向上直接承接能力需求，依托设计工具，从任务、能力及装备等不同视角对复杂体系进行整体框架规划及统一描述，开展装备体系要素组成、信息交互关系、任务过程设计等工作，各维度数据关联引用，元素相互映射，逻辑严谨闭合，通过数字化的手段提高设计过程的规范性，确保设计结果的合理性。依托任务概念与体系架构设计成果，设计体系对抗场景，利用仿真系统开展推演分析，分析仿真数据，评估体系能力，迭代架构设计。

3.2　体系建设数字化

装备研发建设方面以装备体系设计牵引生成的单装军事需求和运用场景为输入，采用基于模型的系统工程方法指导装备研制，搭建系统模型，从功能、时序、状态、接口以及效能指标等方面开展系统设计，定义系统架构，传递系统需求，并通过系统模型仿真、系统模型与专业分析模型联合仿真，对设计成果进行逐级验证。

仿真系统方面主要是体系仿真模型建模与开发、体系仿真模型装配管理、体系仿真场景构建与推演，参数级和工程级仿真系统开发，通过并行/分布/云仿真等多种运行模式，支撑任务概念研究、装备体系设计分析、装备运用研究等，通过数字化的手段提高体系相关问题研究的全面性和完备性。

3.3　体系运用数字化

针对实战化需求，以不同层级体系能力生成和评估为目标，以任务筹划、仿真推演评估为切入点推动装备体系实战化研究，发挥体系综合体系效能。

依托参数级仿真系统，实现装备在体系对抗、单装运用等特定任务场景下的全过程方案制定与推演仿真，解决体系试验中面临的场景复杂难构建、要素繁多难协调、管理成本高难开展的问题，支撑开展能力需求生成、军事理论研究、任务过程推演、体系总体设计、装备和体系能力规划、任务模拟训练等。

依托工程级仿真系统，将战场搬入实验室，采用逼真的场景和高置信度模型，通过虚实结合的迭代试验和混合仿真试验，实现体系能力评估、体系飞行试验预示、软件验证、装备集成接口测试、边界条件检验、复杂场景适应性评估、任务训练，加快体系总体设计能力迭代提升、缩短体系集成验证时间，解决体系试验样本小、威胁难以复现、经济代价高等难题。

3.4　体系评估数字化

体系评估数字化，以仿真试验数据或体系综合试验为输入，通过在数字化工具中预置指标体系、评估算法、评估模板等，快速完成装备体系效能评估、贡献率评估，为装备体系设计优化提供高效率的定量分析手段。

体系工程数字化的目标是以业务应用为目的、以模型及数据为核心，实现体系正向设计和知识积累，建立虚实互动、灵活高效的任务研究与体系设计新范式，贯通体系研制流程，缩短研制周期、提升质量水平、降低全寿命成本。

4　结束语

本文系统性地分析了体系的特点，全面地介绍了体系建设的过程以及需要关注的问题。结合数字化的特点，详细地阐述了体系工程数字化的具体做法和收益。

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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, 蔡天骐, 庄长辉, 等.装备体系工程方法与数字化[J].现代防御技术,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，湖南浏阳人。高工，博士，研究方向为装备体系发展规划、总体设计、研发建设和运用研究等。

100854 北京市142信箱30分箱