互操作与系统生命力＊

孙 珂 朱邵伟 李敏勇

（海军七零二厂1） 上海 200434）（天津市全红电子装备新技术发展有限公司2） 天津 300385）（海军工程大学电子工程学院3） 武汉 430033）

1 引言

军事变革的一个主要目标是全面提升作战系统的效能，传统的途径是通过提高单机或子系统的性能来达到目标，但这受制于器件水平、工业技术和工艺水平等因素，另一途径是借助信息技术，运用新概念、新理论开拓了系统效能提升的空间。本文中以作战系统为例，定量分析互操作对系统效能提升的效果，探讨从整合角度提升作战系统效能的理论和方法，结论具有通用意义。

互操作概念属一般系统理论范畴，但在军事、经济和社会系统中有广泛的应用前景。探讨互操作概念、结构和方法的主要工作有：Col I W Abbott［1］探讨了适合于合作和互操作的作战结构，Thea Clark［2］提出了在C2组织层次的互操作模型，Jill Slay［3］则分析了文化、社会背景对C2系统中互操作的影响，Rex Buddenberg［4］则研究了一般互操作结构问题，Dr Michel Barès［5］提出了对互操作程度的模糊评判的概念和方法。

1.1 互操作概念

作为参考，在这里引用美军联合参谋部出版物JP1-02［6］给出的互操作的定义，北大西洋公约组织（NATO）已接受该定义并在成员国中使用：

“系统、单元或兵力提供给和接受到其它系统、单元或兵力的服务的能力，并使此交换的服务促进他们一起有效地工作。”

这个定义在08年以后的修订版［7～8］中改为：

“在执行分配的任务中协同工作的能力。”

修改后的定义的外延和内涵都扩大了，在JP1－02中还针对作战系统中互操作给出更为具体的定义：

“在通信电子系统或通信电子设备的分机之间达到的条件，能够直接和安全地在它们或它们的用户之间交换信息和服务，互操作程度的定义参考到具体的情况［6～8］。”

以上互操作定义涉及军事作战和支持系统的广泛的问题，包括设备级、系统级、兵力运用层面的互操作。互操作已从联系信息系统、C4ISR系统的领域扩展到作战管理范围，它包括武器和传感器系统、条令条例、未来作战概念和人员。互操作概念已“宙斯盾”国家弹道导弹防御系统中获得很好的应用［9］，并广泛应用到 C2系统的结构设计中［10］。

1.2 互操作与互联、互通的区别

在分析互操作对系统效能的影响时，有必要区别与相似概念的差别。与互操作相似的概念是互联、互通和合作概念，这些概念其实有本质的差别。它们的共同点是都包括了两个或多个以上的系统、单元或部队之间的信息的交换和协同问题。但互操作概念涉及的交换是服务和功能，这种服务和功能保证系统之间的相互协作、配合和资源共享，目的可能是为补偿系统自身的资源和功能不足，或是扩展自身功能的作用域等，使命任务的完成依赖于由不同系统的功能组成的操作链，通过互操作，整个系统呈现系统的系统（SoS）的特性，具有涌现性，拥有单个系统不具有的功能，完成单个系统不能完成的任务。而互联、互通则指系统、单元或部队提供或接受其它系统、单元或部队的信息和数据的功能，它反映一种信息联通和共享能力，这种能力只影响各个单元的功能操作的信息条件，不反映系统新功能产生的情况，互联、互通是实现系统互操作的基础。另一个相似的概念是合作，合作指系统之间的高层协调，内容涉及与完成使命任务有关的联合行动计划等，是系统之间管理层级的配合行为，是不同系统之间的任务和目标的整合，合作强调为完成使命任务的分工和协作，没有互操作涉及内容的广泛性。

从效用角度看，互联、互通是系统之间的信息和数据的交流和共享，只影响系统功能的质量，互操作则是系统之间的功能或服务的交流，它使系统的功能得以补偿和提升，可使原系统能完成没有互操作时无法完成的任务。

2 互操作系统模型

为分析和评估系统中互操作的特性，首先建立以下互操作系统的数学模型。

互操作系统由三元组（S，Q，R）构成，其中各元素意义如下：

系统集：S＝｛S1，S2，…，SN｝，集中的元素Si为子系统，S称为互操作系统，在作战系统中，子系统一般对应于单个作战平台。

操作集：O＝｛O1，O2，…，OR｝，集中的元素 Oj为操作，是系统中可执行的但不再考虑分解的基本操作，这种基本操作可由自身寄存的系统控制执行，也可在另一系统的指令控制下执行，并且执行的目的是服务于发指令的系统，即跨系统执行，称为互操作。

关系集：R＝｛（Si，Oj）；i＝1，…，n；j＝1，…，R｝⊂S×T，集中的元素为二元关系，反映互操作系统某一子系统Si和某一操作Oj的关系。

二元关系的值：R（Si，Oj）＝1／0（True或Fail）表示二元关系（Si，Oj）的值，1代表关系值为真，表示Si能执行其它子系统给出的完成操作Oj的指令，或能给出控制其它任何子系统执行操作Oj的指令，R（Si，Oj）的值反映子系统Si关于操作Oj的互操作能力。

二元关系的值R（Si，Oj）可用互操作矩阵Q来表示，如

表示关系 R（S1，O1），R（S1，O4），R（S3，O1）R（S3，O2）的值为True，其余互操作关系的值为Fail。

为后面的讨论明确起见，一些与互操作相关的概念界定如下：

互操作——指子系统Si为完成自身的功能而使用另一子系统Sk（k≠i）的某一操作资源、功能或服务的过程，目的是代替本系统已损伤或由于某些原因而缺失的操作Oj。

系统Si的功能——系统执行一组有序的操作而形成的能力。

互操作系统的任务——指派给互操作系统要达成的目标，通常由互操作系统中的多个子系统合作完成，依赖于多个子系统的一组功能来实现，归根结底，任务可由计划周密的多个子系统中的一系列操作来完成。

互补性——系统的功能由执行一系列操作来达成，这些操作可以是同种类也可以是不同种类的，互补性指某些种类的操作可由其它种类的操作来代用的特性，在实际情况，这种补偿必须在设计时考虑，并有可能是一种降功能的代用。

3 互操作系统生命力的提升

对于具有互操作能力的作战系统，通过互操作，使系统的功能具有重组、自恢复能力，达到系统鲁棒性更强、结构更稳定的目标。在作战条件下，系统以一定的速率战损，每次损失一些系统的一些操作部件和功能，在没有互操作可用、并且每一种操作对系统的功能都是必要的时，当损失一个操作功能时，对应的子系统（或平台）将丧失功能，或退出战斗，即每出现一次战损，都导致一个平台损失或退出战斗，因此系统可经受的战损次数等于子系统数。在实现互操作的作战系统中，当某一子系统（或平台）的某一种操作功能战损时，可通过互操作动用另一子系统（或平台）的同类功能补偿原子系统的操作需求，从而只有直到整个互操作系统中所有子系统的同一种操作功能全丧失时，互操作系统的功能丧失。本质上，互操作系统生命力的提升来源于互操作系统内的子系统的操作功能的共享、来源于跨了系统（或平台）的操作链的执行。

为定量分析互操作对系统生命力的改进，作以下假定：

· 一次战损只损坏一个子系统的一个操作部件，部件属于哪个子系统和哪一类部件按均匀分布选择，此假定意味全作战系统已投入战斗、并且情报、监视和侦察（ISR）系统运作良好；

·互操作系统的各个子系统只有一种功能，使用这种功能必须执行子系统的所有操作，这种对子系统的单一功能和没冗余部件的假设只是为简化分析过程，不影响问题的本质；

·互操作系统的各个子系统结构组成相同，功能相同，当各个子系统的功能都丧失时，互操作系统丧失功能。

· 互操作系统的生命力评估指标为

3.1 操作不能互补时互操作系统生命力的改进

子系统中不同种类的操作要完成不同的功能，一般是不可代用的，如果需要代用，这必须在设计时考虑，并且这种代用设计的结果往往导致操作的主功能性能下降，辅助的代用功能指标平平。在这里只考虑不同种类的操作完全不可代用或不能互补的情况，这时当互操作系统中所有子系统的同一种操作失效或战损时，互操作系统失效。系统结构见图1。

假设互操作系统中的所有第i种互操作Oi部件在经受k次战损后功能全部丧失，则k的变化范围在区间［N，（RN－R＋1）］内，因为最少应有N次战损才有可能使所有子系统中的Oi部件的功能损伤，同时当战损次数大于RN－R＋1次后，剩余的R－1种操作功能已使无法行使子系统功能。将损失的N个Oi进行排列，因共有k个损失空缺，最后一个空缺为Oi，故Oi的排列数Lkoi相当在k－1种可能中取N－1的排列数，即

图1 所有操作不可补偿的互操作系统

在除了N个操作Oi外的k－N个操作中，每种操作的战损次数不超过N－1次，否则在互操作系统在经受k次战损之前已丧失功能，故在损失序列中除操作Oi外的操作的排列数Lk-oi相当于在（N－1）（R－1）个可能中选k－R种可能进行排列，故排列数为

考虑到任一种操作的损失都有可能导致系统丧失功能，在经受k次损失后出现某一操作功能完全丧失的总排列数Lk为

由任一操作完全损失导致互操作系统丧失功能所经受的损失次数的数学期望E1N为

对互操作系统中的各个子系统，当没有互操作可利用时，各个子系统经受一次战损则导致丧失功能并退出战斗，在有互操作可利用的条件下，可经受的战损次将大幅提高，互操作系统退出战斗时各个子系统经受的战损次数的数学期望E1为

图2 部分操作可补偿的互操作系统

可以证明，当N→∞时，E1→R，结果表示当子系统数增加时，在整个互操作系统中平均各子系统经受战损次数的极限值与子系统中具有的操作数相等。

3.2 部分操作可互补时互操作系统生命力的改进

在实际的系统中，部分不同类型的操作部件的功能是可以代用的，即可互补，互操作系统中的某一类操作全部失效或战损时，系统通过使用其它种类操作进行替代，使子系统的功能得以保持，使互操作系统继续运作。在分析部分操作具有互补性的互操作系统时，不失一般性，考虑只有操作O1是不可补偿的互操作系统，除O1外的操作可以相互替代，系统结构组成见图2。此时互操作系统在两种情况下失效，一是全部O1部件战损或失效，二是其余的操作部件总数少于R－1个。此时，经受k次战损后由操作O1全部失效导致系统丧失功能时O1的排列数为

失效序列中除操作O1外的其余操作的排列数为

经受k次战损后由操作O1全部失效导致系统丧失功能的排列数为

当O1类操作部件还没完全战损时，其它操作部件损坏到不足R－1个时同样导致互操作系统功能丧失，设损失的O1部件数为i（0≤i≤N－1），则经RN－N－R＋2＋i次战损后，互操作系统功能丧失的排列数为

互操作系统丧失功能时战损次数的数学期望为

互操作系统中每个子系统平均经历战损次数的数学期望E2为

可以证明当N→∞时，E2→R，结果表明部分可互补的互操作系统生命力的极限特性与不可互补的互操作系统的特性相同。

3.3 操作可互补时互操作系统生命力的改进

图3 全部操作可补偿的互操作系统

在特殊情况下，互操作系统中所有操作可相互代用，只要R个操作联接在一起即可完成子系统的功能，图3给出系统结构图。实际工程系统中由于标准化、模块化、多功能设计，代用成为某些系统的选择，尽管有时有降功能的代价。在操作可互补的条件下，经历RNR＋1次战损后，剩余的R－1个操作部件已不足已联结成具有完整的子系统功能的系统，互操作系统失效。故失效时的互操作系统经受的战损次数为

平均每个子系统经受战损的次数E3为

当N→∞ 时，E3→R，操作完全可互补的互操作系统的生命力极限特性与3.1节、3.2节中的系统相同。

3.4 实例分析

图4 R＝3时战斗持续时间比Ei变化曲线

图5 R＝6时战斗持续时间比Ei变化曲线

假设子系统的互操作数为R＝3和R＝6，计算出E1、E2和E3的值，并绘出曲线图（见图4、图5），从图中可见，首先是当子系统数达到N＝5后，互操作给整个系统带来的生命力的改进的90%的潜力已被开发，其次是对于系统的操作是否有互补性对互操作系统生命力的影响较小，其中E2和E3曲线已基本重合，因此在设计系统的操作功能的互补性时应仔细考虑它的必要性、效益和代价。

4 结语

从前面的分析结果可见，互操作延长了系统的生命力，这种生命力的延长是与将子系统分割为多个操作部件的考虑有关，在极限情况，平均每个子系统生命力延长为：经受战损次数的极限值等于子系统分割数R，但这并不表示对系统的操作划分越细和越多则生命力就越长，如果划分过细，单个操作部件的空间尺寸过小，在一次战损中受损的操作部件个数就有可能增加，从而导致与一次战损损坏一个操作部件的假设不符。文中只就互操作对系统的生命力的影响进行了分析，在实际系统中，互操作对系统的功能、性能的影响是多方面的，进一步的探讨对理论和工程实践都有重要意义。

［1］Col I W Abbott，Maj K E Galvin.Exploiting Operational Architectures for Coalition Interoperability.6thCCRTS［C］／／U.S.：Naval Academy，Annapolis，Marland，2001

［2］Thea Clark.Organisational Interoperability Maturity Model for C2.1999CCRTS［C］／／U.S.：Naval War College，Rhode Island.，1999

［3］Jill Slay.A Cultural Framework for the Interoperability of C2systems.2002CCRTS［C］／／U.S.：Naval Postgraduate School，Monterey，California，2002

［4］Rex Buddenberg.Toward an Interoperability Architecture.6thCCRTS［C］／／U.S.Naval Academy，Annapolis，Marland，2001

［5］Dr Michel Barès.Proposal for Modeling a Coalition Interoperability.6thCCRTS［C］／／U.S.：Naval Academy，Annapolis，Marland，2001

［6］Department of Defense Dictionary of Military and Associated Terms［J］.U.S.：DoD Joint Publication，JP 1-02，2005：274～274

［7］Department of Defense Dictionary of Military and Associated Terms［J］.U.S.：DoD Joint Publication，JP 1-02，2008：277～277

［8］Department of Defense Dictionary of Military and Associated Terms［J］.U.S.：DoD Joint Publication，JP1-02，2009：278～278

［9］Mr.Frank Anderson，Mr.George Galdorisi，Ms.A-manda George，et al.Aegis International and Ballistic Missile Defense：A New Interoperability Network，16th ICCRTS［C］／／Québec，Canada，2011

［10］Henrique Costa Marques，JoséMaria P.de Oliveira，Paulo Cesar G.da Costa.C2framework for interoperability among an air component command and multi-agency systems.15th ICCRTS［C］／／U.S.Santa Monica，CA，2010