武器装备体系演化研究*

王寿彪，李新明，杨凡德，裴忠民，刘 东（装备学院复杂电子系统仿真实验室，北京 101416）

武器装备体系演化研究*

王寿彪，李新明，杨凡德，裴忠民，刘 东
（装备学院复杂电子系统仿真实验室，北京 101416）

体系动态演化是武器装备体系建设发展、体系作战能力和体系对抗效能评估优化的基本认识前提。鉴于当前武器装备体系概念理论基于多问题思维视角现状，研究层次、问题形式和技术方法手段复杂多样，以体系演化为切入点，围绕装备体系动态演化的涵义，从体系结构优化设计、体系协同作战过程优化和体系作战效能评估优化3个层次综述了装备体系演化研究进展。在此基础上，讨论了基于大数据、超网络、认知粒计算的装备体系多学科研究需求，对可能性的技术思路给出可供借鉴建议。

武器装备体系，体系演化，体系结构设计优化，体系协同作战优化，体系作战效能评估

0 引言

装备体系是动态不确定性环境中大规模武器装备系统基于信息系统综合集成的复杂巨系统，体系的组成部分具有相对独立的系统功能，系统体系结构复杂，具有多视角多层次性，系统边界动态模糊，整体行为表现出非线性涌现性［1］。演化是装备体系的重要认识视角，装备体系的动态演化现象研究是近年热点，体系演化理论框架和方法技术手段需要开展大量的研究工作［2-3］，其基本研究内容可以归纳为下页表1所示。

云计算、物联网、大数据，人工智能和装备制造等新一代信息技术对武器装备建设产生革命性影响，武器装备的模块化集成和智能化互操作性逐步增强，更新换代周期缩短，传统观念上武器装备系统与信息系统的概念边界越来越模糊而有必要概念理解上的融合，联合信息环境、空海一体战、新一代空天地一体化网络、网络信息体系等战场环境建设和装备建设理念正在成为牵引装备发展的重要战略性思维，这些都对传统装备体系的系统论认识和研究方法论提出新的挑战［4］。新时期，国防体制编制改革必将对装备体系的演化性理论产生迫切需求，综合上述背景，本文以装备体系演化分析与设计问题为研究对象，综述相关研究进展，希冀对装备体系演化概念内涵及其相关科学理论问题研究方法手段的发展脉络形成更为清晰的认识，探索在大数据科学研究条件下武器装备论证和体系对抗建模仿真理论和关键技术的创新发展运用。

表1 体系演化基本研究内容

1 面向体系结构优化设计的装备体系演化

体系结构优化设计面向系统或体系顶层规划、计划和建设过程中调整生成最优方案，体系复杂性和涌现性使得探索全局优化的体系结构方案存在较大困难，而且选择过程中面临鲁棒性、灵活性、抗毁性、体系能力价值等多方面评价准则，需要采取综合性动态分析方法和多目标优化思想比较、筛选与评价每个可能性方案。组合规划与多目标优化、多属性决策等思想是解决这类型体系演化需求的重要方法。根据用户视角可以划分为作战层次和系统层次的体系结构优化设计。作战层次体系结构优化是产生合理作战活动过程，使得系统资源消耗最小，通常需要建立系统与执行活动之间的资源分配模型［5］。系统层次体系结构优化设计指对需要建设发展的重大武器装备进行规划，组合选择多个武器装备或者体系能力需求指标，并行确定装备种类、型号、发展时间，规模数量，编配比例，能力需求被满足的时序性和满足程度等诸多因素，在规划过程中需要综合考虑作战能力、发展风险和预算费用等多重约束目标，最终武器装备规划方案相互配套成体系发展［6-8］，通过采取差分进化算法［8］、多目标遗传算法［9］等智能算法求解。

基于能力的武器装备体系组合规划是该类型体系演化的基本思想，通过能力需求建立战略使命需求与装备体系发展目标之间的联系，相关研究工作发生在体系需求工程阶段。体系使命演化导致体系能力需求演化，在体系能力建模基础上基于能力组合规划的体系优化设计也是一种重要的研究形式，基于本体的能力需求建模为体系后续的对抗性建模与仿真提供了丰富的数据信息资源。传统DoDAF框架下体系能力图形化描述不利于一致性验证和量化评估，鲁延京［10］提出了基于UML的体系能力描述，罗鹏程［11］提出作战能力与作战效能概念，研究了能力指标聚合关系，赵青松［12］基于本体的体系能力形式化描述，程贲［13］基于本体多视图建模方法构建了能力视图元模型，熊健［9］提出一种基于武器装备体系能力空间描述的能力规划多目标优化模型，利用能力指标之间的关系建立了能力需求结构图，通过定义能力需求满足度函数和能力结构关系，聚合获得顶层能力需求满足度，以此评估体系演化过程中体系能力缺口［14］。

体系结构优化设计和基于能力的组合规划，虽然宏观上较好地支持体系发展的决策需求，但是对于体系要素及要素之间结构关系的分析和认识过于抽象、难以解决规划目标函数的非线性结构设计，缺乏对体系演化的动态性分析，缺乏考虑体系演化的要素动力学和结构动力学机制机理，割裂了体系结构与体系能力的辩证统一性，需要创新思维方法在一体化层面上将体系的系统要素、作战任务要素、指挥与控制组织因素与体系作战能力和作战效能相互联系为有机整体。

2 面向体系协同作战过程优化的装备体系演化

2.1 基于指挥与控制组织优化设计的装备体系演化

指挥与控制是作战视角下对抗性的武器装备体系动态演化研究的必要组成部分，既有研究主要从指挥与控制组织结构设计角度展开，从体系概念原理角度正面描述和刻画指挥与控制因素和武器装备体系演化联系的机制机理是未来深入探索体系作战理论的重要趋势。

指挥与控制组织结构的优化设计为实现武器装备作战效能提供了一种认识视角，该情境中指挥与控制组织作为研究对象，武器装备视为组织的资源范畴，武器装备资源调度是指挥与控制组织设计优化的重要研究线索。20世纪90年代，美国卡耐基·梅隆大学开始采取计算数学组织设计理论探索指挥与控制组织结构的适应性问题［15-16］，康涅狄格大学采用系统工程技术研究指挥与控制组织，提出三阶段组织设计方法框架，开展了对组织的适应性和鲁棒性进行评价工作［17-19］。国内修保新［20］从组织团队对抗角度看待战争，基于组织要素关于作战任务的协同过程和使命环境的不确定性为出发点，提出了基于粒度计算的组织结构设计方法，并对指挥与控制组织的敏捷性进行了评估，涵盖了组织要素特有的鲁棒性、适应性、灵活性和弹性、创新性等特征。刘振亚［21］研究了不确定性使命任务环境下组织效能测度敏捷性指标的探索性分析方法。牟亮［22］围绕组织的能力测度问题，提出了决策层和资源层分层优化方法。

2.2 基于体系管理思想的装备体系演化

服务于体系作战协同问题研究，体系管理理论与方法成为一种新的发展趋势引起关注。Sauser和Boardman较早提出采取体系原理解决管理问题，Mo Jamshidi提出体系结构管理思想，认为体系的构成系统不允许未经协调自行改变，包括两方面内容［23］:①角色和职责管理，解决模糊角色和职责划分问题；②系统接口管理，重点解决共享数据的结构和语义的高度一致性问题。美军近年来在分布式作战管理研究中基于体系概念开发相关的作战管理模型算法和决策辅助软件II。国内刘奇志［24］以武器装备全寿命分析和作战效能分析为依据，用数学规划理论对武器装备体系的经费使用、作战能力、结构比例等指标进行了时变分析，探讨了体系的评价和优化问题。杨克巍［25］等人认为应该引导体系作战能力涌现为体系目标的实现服务，借鉴平行系统理论，设计了武器装备体系能力导向涌现的人工系统。总体而言，采取体系原理讨论装备等作战资源综合管理问题没有形成研究规模，相关工作可以归纳为传感器管理和武器管理两个相对独立，事实上却存在紧密联系的范畴。立足于网络中心、信息主导优势越来越明显的体系支撑的作战理论根本发展趋势，这两个范畴的装备作战管理需要基于体系原理进行融合，既有模型算法很难扩展利用。

传感器管理方面，最早是1977年由J M Nash提出的单平台多传感器跟踪多目标过程的传感器资源优化分配问题。随着技术进步，G W Ng于21世纪初提出了从功能角度划分为单个传感器独立控制，面向任务和运行模式的多传感器调度管理和面向交互和协同控制的管理3层次传感器管理框架［26-28］。传感器级和平台级传感器管理主要从基于信息融合效果的面向威胁目标跟踪的传感器资源调度、分配和控制模型。J Anderson［29］认为这种管理框架贯穿着JDL数据分级融合模型，将态势感知与传感器管理联系起来，基于信息融合的闭环式传感器管理模式在获取目标探测时效性和负载均衡方面具有较好应用效果。无线传感器网络概念的出现使得网络级传感器管理成为近年的研究热点领域。Skim［30］提出一种基于系统与用户角色的网络级传感器管理框架。国内研究机构和学者也提出很多有益的模型算法。谢凯［31］将天基红外低轨星座的传感器管理转换为一个风险函数时变的随机控制优化问题。童俊［32］提供一个目标检测、跟踪和识别的信息融合任务下多传感器资源预分配框架。吴巍［33］根据雷达、红外和电子支援设备探测时序特点，采用顺序处理结构信息融合方法实现目标跟踪，按照具体指标比较来控制雷达辐射时机，在一定程度上提高了飞机生存能力。崔博鑫［34］根据目标跟踪精度和威胁度需求，采取了任务控制策略，设计了一种多目标跟踪多传感器动态管理方案。张华睿［35］提出依据目标区分度的传感器管理方法。杨海燕［36］综合考虑探测过程中的量测起源不确定性和面向目标与局部融合中心传感器同时分配问题，提出一种动态传感器管理方法。王一川［37］采取0-1整数规划模型建立了防空系统传感器-目标最优配对模型。吴魏［38］注意到多机载平台多类型传感器系统的资源优势，利用市场理论建立了高效智能优化管理模型。徐一凡［39］从天基海洋监视物理资源集成、信息获取与处理以及规划调度等方面论证了天基海洋监视系统分析方法。

对于武器管理方面，其基本理念是战术层作战力量自主管理、决策和作战自同步能力研究。武器管理模型与美军提出的“利益共同体（Community of interest，COI）”概念［40］具有直接联系。国外学者主要从联盟结构和管理模型算法等方面针对Agent联盟形成问题进行了系列探索［41-43］。国内主要是“任务联盟”，火力（分）配系等概念建立武器管理模型，集中在防空反导和无人作战智能体等领域，典型的模型包括“目标-火力-制导”导弹拦截联盟［44］，作战指挥决策联盟［45］，有人-无人作战智能体任务联盟［46］，分布式目标分配模型［47］。上述模型借鉴吸纳了聚类、拍卖机制，合同网协议协同机制等策略，较好地反映了武器装备作战运用的规律特点。在上述研究基础上，为确保联盟演化的有序和定向，有必要采取一定行动策略，人为干预任务联盟演化进程，文献［48］设计了基于动态影响网的联盟演化过程行动优选模型。文献［49］建立了时序约束下多目标分布式任务分配模型。张骏［50］等人提出约束条件下的多系统多目标多决策者的风险资源管理策略，引入了相关领域中层次多目标分析方法拓展后的多目标多决策者资源分配模型，有效地支持了装备体系资源优化建模与求解。

3 面向体系作战效能评估的装备体系演化

3.1 基于作战仿真的装备体系演化

基于仿真模拟体系作战过程主要服务于体系作战效能评估，主要在传统系统建模与仿真基础上结合体系特性进行延伸和扩展的模型建模和仿真实现，仿真的确是一种研究体系的重要手段，但是真正能够有效反映体系概念原理特性的建模理论和仿真技术需要深入开展大量的工作，尤其是结合大数据的建模与仿真理论。杨峰［51］提出平台级体系对抗仿真跨层次建模框架。杨建池［52］关于Agent理论在联合作战仿真中的应用探索。随着武器装备体系及作战运用的演化发展，体系研究主要经历了从解析方法到一般仿真模拟再到体系对抗仿真，最终又强调解析模拟的发展过程。基于这种观点，刘磊［53］针对面向体系发展的体系演化问题提出基于仿真的约束规划集成设计方法，并基于该设计框架探索了体系演化探索性分析方法论。赵新［54］结合时间片影响图和离散事件仿真模型在海军战役分析层次研究支持自顶向下进行探索性分析的建模方法，基于海军战役过程描述与建模属于不同结构特征系统组件集成技术的基本观点，重点解决了异构模型集成方面的关键问题。姚振兴［55］借鉴软件演化机制相关工作，基于事务的动态依赖关系提出一种基于代理的C4ISR仿真系统模型，用于分析C4ISR系统的动态演化性。这种研究的落脚点在于仿真系统动态演化的管理和控制，虽然在一定程度上反映出C4ISR系统的一些演化性质，但没有从事物的动态不确定性本质出发，因而对其演化的复杂性机理探析存在明显局限性。朱智［56］提出一种工程化的体系结构可组合建模框架，但是该模型仍然属于一种底层模型驱动的体系结构模型，其体系效能仿真的分析尺度局限在微观层面。

3.2 基于体系结构的装备体系演化

将装备体系的体系结构建模为复杂网络模型，在此基础上研究体系能力评估、效能评估是近年来的重要进展之一。主要存在两种层次:一种是单一网络观点的复杂网络建模，通常利用Agent建立实体模型进行仿真。温睿［57］等人提出一种复杂网络建模的作战体系动态演化模型，通过对该模型仿真得出作战体系网络的无尺度特征而非明显的小世界特征。张强［58］等人考虑了静态隶属连接关系边和动态交互连接关系边的生成特征，设计作战体系网络模型，并基于动态连接增益指标对网络结构优化控制。针对传统OODA模型难以准确反映装备体系中协同决策过程，朱刚［59］提出一种复杂信息关系集成策略和基于OODA的指挥与控制复杂网络模型，可以有效地描述作战协同决策过程。吴忠杰［60］较为全面地综述了复杂网络理论应用于军事体系对抗范畴的关于该理论视域下体系认识，网络模型构建与演化规则，拓扑特性、抗毁性和动力学性等特性研究，体系对抗能力以及体系作战效能评估方面的最新研究进展指出，现有研究仍然缺乏对体系对抗的深度准确认识，研究内容之间逻辑性不强，在体系演化机理与演化过程，攻击与防御，体系健壮性与网络重构，效能评估等方面缺乏成熟的理论指导。

针对单一网络模态难以精确反映复杂系统内部结构以及复杂系统之间的相互依存关系和级联效应，超网络在刻画实际复杂系统的丰富细节和层次性信息方面弥补了上述不足，成为重要的体系建模理论。例如，石福丽［61］研究了网络中心环境下军事通信超网络模型和基于模体熵的复杂性测度方法，微观上从物理通信网络角度认识作战体系结构，缺乏考虑不同功能网络之间的相互影响和作用。朱江［62］宏观上从功能关系角度认识作战超网络。刘忠［63］从结构层和属性层角度认识作战体系超网，结构节点与属性节点映射建立关联。针对上述超网络模型缺乏微观与宏观转化机制，邹志刚［64］采取了粒度计算思想拓展超网络对防空作战体系结构建模，分析连锁效应，提出对抗性的体系结构演化概念，设想从纵向角度研究体系结构实体层次关系，从横向角度研究功能网络之间的映射机制，提出“动态编成-对抗消耗-优化修复”的防空体系结构动态循环演化过程［65］。超网络应用于描述和建模体系是热点，然而超网络与多层网络概念之间的联系和区别还不清晰，超网络演化模型与性质、结构分析与优化等科学问题目前主要在抽象理论层面探索，结合具体实际复杂系统的演化理论还比较稀缺，也难以延伸应用到装备体系上来［66-67］。王飞［68］等人在作战体系仿真实验数据基础上，基于数据挖掘思想在超网络模型框架下分析体系性质。

综合上述分析，基于体系结构的网络化建模讨论装备体系的演化在以下方面存在不足，需要进一步探索:①多数采取静态形式，复杂动态系统的构模思维在体系领域没有引起足够思考；②在研究深度上，多数停留在基于拓扑的分析上，受网络科学的宏观统计物理思维定势影响较大，因而使得在认识体系的拓扑结构与体系要素物理性质特征之间，系统性能与战术策略和体系作战能力与效能评估之间的相互影响和作用机理方面存在较大空白，缺乏有效研究机制和理论方法支撑；③缺乏基于不确定性视角的融合人类认知智能的定性定量综合集成评估方法的思考；④在体系结构分析方面，缺乏微观、中观与宏观不同尺度上的信息融合与尺度变换思维方面的认识；⑤没有成熟的理论模型和指标适用于装备体系的超网络演化分析。

此外，新型武器装备的体系贡献度评估是近年新提出的理念，对于装备的选型和装备体系规划具有重要的决定性影响，体系贡献度的概念认识、问题界定尚处于初步的探讨阶段，可行的理论方法和评估技术手段几乎为空白［69］。武器装备的体系贡献度也有必要按照体系演化视角获取评估结果，笔者认为，应该在上述现有方法基础上从演化的角度思维如何构造贡献度评估模型和算法，进而基于贡献率思考装备体系结构优化设计等问题应用。

4 结论

综上所述，装备体系演化提供了一种认知和探索体系结构优化设计、体系作战协同过程、体系作战效能和体系贡献度评估等系列现实理论实践问题的共性思维方法和重要的体系理论研究课题。随着信息系统概念和装备体系概念原理的深化认识，云计算、大数据和人工智能等新一代信息技术对体系建模产生重要影响，可以从以下3个方面寻求关于体系演化问题建模与设计方法全新的科学理论体系。

1）关于装备体系概念的科学内涵迫切需要在认识论层面形成一种较为普适的描述和解释。目前，综合电子信息系统，军事信息系统，武器装备体系，电子信息装备体系，防空反导作战体系等混乱的概念交叉覆盖现象严重阻碍了体系科学的深入发展。笔者建议，可以从信息系统的概念视域建立一种信息认知视域下超广义复杂信息系统观点的装备体系概念观，将目前意义上的信息系统与武器装备系统统一为广义复杂信息系统对象外延［70］。

2）关于装备体系描述、模型构造和体系问题设计应该充分吸纳大数据建模、分析与决策方面的理论方法和技术研究成果，探索由建模仿真范型向数据密集型范型的量变过渡与质变突破。笔者认为，超网络理念在体系描述方面的科学性得到普遍认可，然而，采取哪种认识视角构建出装备体系的描述架构首先在于装备体系认识上的进步，同时超网络本身也是正在发展的新型网络科学理论，传统的一般复杂网络模型经验简单地延伸不仅存在较大理论空白，也很难建立解释体系复杂问题的契合性，如何对装备体系的超网络描述架构进行建模仍然没能形成有效的技术体系，有赖于大数据、语义网支撑，以一种“数据网”的形态呈现反映装备体系现实模型。另一方面，在大数据的语义超网络建模基础上，迫切需要探索全新的理论和方法论开展数据驱动的体系模型计算，本文认为，形式概念分析（Formal Concept Analysis，FCA）理论为实现大数据、超网络、粒计算和装备体系之间的理论桥梁提供了有效的元理论［69］，基于FCA的面向认知的粒计算有关理论和技术成果可以借鉴，能够形成以人为中心的装备体系问题研究机制，促进体系的人-武器结合等深层次理论问题的模型探索［71］。另外，在体系仿真实验数据处理上，迫切需要在人工智能信息计算上有所突破，而近年来，信息粒化认知思维以及不确定性信息计算方法在数据分析方面取得的研究进展表明，粒计算有望为大数据挖掘提供极具前景的理论技术途径［72］。

3）现实应用层面，一方面需要准确把握装备体系需求，瞄准体系建设和体系对抗两个基本内容，不断发掘战略性军事理论问题，探索合适的体系演化思想，例如，考虑对抗性的体系建设问题；另一方面，如何认识面向装备体系建模的大数据，如何集聚各类数据源，进而利用数据集成、数据融合和数据驱动的复杂动态系统建模的实验平台和实验设计等系列技术解决体系现实问题，改善实际的体系结构，具有较大应用潜力。

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Research Progress on Evolution of Weapon Equipment System of Systems

WANG Shou-biao，LI Xin-ming，YANG Fan-de，PEI Zhong-min，LIU Dong
（National Key Laboratory of Complex Electronic System Simulation，Academy of Equipment，Beijing 101416，China）

Dynamic evolution is the essentialcognition premise aboutthe construction developments and the combat efficiency evaluation&optimization of weapon equipment system of systems（WESoS）.In light of that the concepts theories of WESoS exists more views，the research forms and methodologies&technologies are diversified and complicated，this essay summarized the main progress on the evolution of WESoS from three aspects as follows:architecture optimization design，the optimization of operation cooperative course and the combat efficiency evaluation of system of systems. At last，possible development directions or issues with key theories on big data、super-network& cognitive granular computing are discussed.

weapon equipment system of systems，evolution of system of systems，architecture optimization design，collaborative optimization，combat efficiency evaluation of system of systems

TJ01

A

1002-0640（2017）03-0001-07

2016-01-05

2016-03-07

重点实验室预研基金，社科基金军事学资助项目

王寿彪（1986- ），男，山西汾阳人，博士研究生。研究方向：大数据、粒计算与装备体系演化建模。