体系工程研究

任天助，辛万青，严晞隽,赵鸿宇，于 浛

（1.北京宇航系统工程研究所，北京，100076；2.中国运载火箭技术研究院，北京，100076；3.北京精密机电控制设备研究所，北京，100076）

0 引 言

系统工程自创立以来，在处理诸多人类社会复杂问题中发挥了重要作用。随着现代社会复杂性、动态性、多变性等问题的逐步加剧，系统日益复杂化和大型化，传统的系统工程理论在研究从每一个组件开始重新设计的系统方面得心应手，但是这类单一独立系统需要研究的越来越少，而由这些系统组成的更复杂的大系统越来越多，例如弹道导弹防御系统就是由雷达系统、卫星系统、拦截导弹防御系统、导弹跟踪和控制站点等许多本身独立的系统组成。我们把这类系统的系统（System of Systems，SoS）称之为体系。传统的系统工程方法在解决体系问题时遇到了困难，此时一套针对体系问题的方法与工具就应运而生，即旨在解决系统工程解决不了的体系问题的工程方法——“体系工程”。研究人员相信，在体系工程的指导下能够更加有效地实现体系的设计、分析、集成、评估、维护等工作。

本文从体系研究的发展历程入手，将体系研究的发展分为概念形成阶段、快速发展阶段和聚焦演变阶段3 个阶段。并通过总结和分析当前体系工程的研究现状，把握体系工程领域的研究热点与前沿方向，希望能为体系问题的研究者提供参考。

1 体系研究在国外的发展

1.1 概念形成阶段

体系（System of Systems）这个词最早被研究人员提到可以追溯到20 世纪50 年代，Boulding、Jackson和Keys、Ackoff、Berry 以及Jacob 都用到了“体系”的概念。这些研究者被认为是体系工程领域的先驱，但他们对于体系概念的理解没有完全脱离传统系统的理念，或者只是用“体系”来表达对领域内一些复杂问题的理解。直到20 世纪90 年代，随着美国星球大战计划的诞生，美国国防部对如何建立新一代防御系统做出了描述，“体系”正式写入官方报告，用于描述现代防御系统的工程技术问题。随后，体系正式进入系统工程领域研究人员的视野，许多学者开始尝试对体系进行定义并尝试提出研究体系问题的工程方法。

研究体系问题首先要解决“什么是体系”的问题，然而从20 世纪90 年代初开始，学界就开始对这一问题展开争论。从1993 年开始，几乎每年体系领域都有重要的学术论文发表，内容都围绕着体系的定义问题。Eisner 认为体系是“一系列彼此独立获得的系统组成的系统”，每个子系统的最优并不能保证整个体系的最优。Shenhar 认为“体系是大范围分布的系统集合成的系统的簇或网络，这些系统一起为了共同的目标协同工作”。Holland 提出将体系当作人工的复杂自适应系统，并具有自组织性和自适应性。同时Admiral 首次介绍了体系概念在军事领域的发展以及其在军事领域扮演的重要角色。自此开始，军事领域成为体系最重要的应用领域。Manthorpe 从联合作战的角度，认为体系是由C4ISR 系统联系起来的具有互操作和协同能力的系统，目的在于建立信息优势。Maier 在一次系统工程的会议上首次给出了区分孤立系统和体系的5 条准则，即体系应该具有体系各组成部分在运行上的独立性、体系各组成部分在管理上的自主性、体系各组成部分在地理上分布广泛、体系的涌现性和体系的演化性这5 条属性。这5 条准则在2 年后经过修改正式出版，Maier 补充了他对体系定义：体系是由那些具备独立系统特征的组件所组成的集合体，这些独立系统的特征应包括运行上的独立性和管理上的自主性。Kotov、Luskasik、Pei 等人不断提出对体系新的定义，但在2001 年Maier 的5 条准则被Sage 和Cuppan 再次提出，得到研究者的广泛认可，成为体系领域内一个难得的共识。至此，体系的概念基本形成，关于体系的研究进入到井喷状态。

1.2 快速发展阶段

21 世纪以来，学者们不满足于仅仅认识和发现体系，开始类比系统工程的方法，建立研究体系问题的一些共性方法。2001 年，Sage 和Cupan[1]基于“新联邦主义”提出了体系工程的框架，Carlock 和 Fenton[2]认为可以将传统系统工程中的一些内容加以发展，提出了企业体系工程（Enterprise Systems of Systems Engineering）。2003 年Keating[3]首次将传统的系统工程与体系工程进行了比较，从关注点、问题、目标、组织特性、框架、方法等方面给体系工程做了明确的定义，将体系工程的建立向前推进了一大步。2005 年，DeLaurentis[4]尝试用体系工程的方法研究现代交通问题，阐述了如何将交通问题看做体系工程问题，并提出要用整体的框架和方法去解决问题，这一方法对后续体系框架研究产生了深远的影响。

从2005 年开始，美国成立了依托国防采办大学的体系工程研究中心（System of Systems Engineering Center of Excellence，SoSECE）和依托老道明大学的国家体系研究中心（National Center for System of Systems Engineering，NCSoSE），标志着专业化体系工程研究机构的正式成立。IEEE 从2006 年开始举办体系工程专题年会，更多的IEEE 系统工程、软件架构等领域的会议也分别开辟了体系研究的专题。Inderscience 出版社从2008 年开始出版“International Journal of System of Systems Engineering”杂志，专门研讨体系及体系工程问题。2008 年，Jamshidi[5]综合多名体系工程专家在体系开放性、体系结构、体系建模仿真、网络中心化集成、体系涌现、体系评估和管理等领域的研究成果出版了“System of Systems Engineering”一书，这是体系领域正式出版的第一本专著。同年，美国国防部发布了《体系工程指南（ Systems Engineering Guide for Systems of Systems）》，指导系统工程师在面对体系问题时采用何种系统工程方法，确定了体系工程的过程，该手册对包括中国在内的其他国家装备论证都产生了影响。据作者不完全统计（在Web of Knowledge 上搜索关键字为“system-of-systems”的论文，将数量按年份整理成图1），在2008 年左右，体系相关的论文数量达到了峰值，体系领域的热度也达到了顶峰。

图1 历年体系相关SCI 发展数量Fig.1 Number of SCI Papers in SoS

1.3 聚焦演变阶段

2008 年之后，体系工程的概念在学界引起了很大的关注，同时热度有所减退，学者们开始思考体系工程究竟如何发展才能更好地为各个领域提供帮助。根据Sousa-Poza、Samuel Kovacic 的观点[6]，此时的体系工程分为2 个分支：a）以切实可靠的技术方法来解决已经存在的体系问题；b）从体系本身和方法论出发，发展认识、管理体系的方法。即一个走技术性（Technical）的务实道路，一个走研究性（Inquiry）的“务虚”道路。随后Keating[7]阐述了军事界、学术界和企业界三者由于面对体系的角度不同而产生的不同研究思路。军事界的研究者认为体系工程是系统工程的延续，更加关注体系工程的技术与实际的体系产品。学术界更加关注体系的概念和现象，在夯实体系基础理论的同时不断探索体系的新领域。企业界则更加关注体系工程中的架构以及不同架构带来的涌现性，通过更好的组织架构为大型组织带来更高的效率。也有学者[8]将体系工程更简单的分为工业界和学术界的两条道路，无论如何划分，实际情况是最近10 年中，体系工程在各条道路上都有了进一步的发展。

军事领域的体系研究者对体系结构框架给予了极高的重视，因为体系结构对军事装备体系研制、开发、采办、试验、部署、运行以及演化发展等的全生命周期都有着极其重要的作用。目前比较有影响力的有美军的国防部体系结构框架（Department of Defense Architecture Framework，DoDAF），以及英军国防部体系结构框架（ Ministry of Defense Architecture Framework，MoDAF）等，其中美军DoDAF 的影响和应用最为广泛。同时，近些年提出了综合DoDAF 和MoDAF 特点的统一框架UPDM（the Unified Profile for DoDAF/MODAF），Fatma[9]在UPDM 的基础上阐释了统一框架UAF（the Unified Architecture Framework），探讨了在元模型层面上这种统一框架如何反映体系的要素。军事领域的研究者还非常关注体系的效能评估问题，因为这关乎装备体系能否在战争中获得优势。由于评估的方法很多，体系领域的领军人物DeLaurentis[10]提出从系统类型、相关性和控制3 个维度来选择具体的评估方法。他的团队还提出用复杂网络方法进行体系的建模与评估，用于解决空中交通体系中的互通性问题。密苏里科技大学的Cihan Dagli 及团队[11]近年来也在军事领域颇有建树。该团队针对可以互相通信的装备系统，利用博弈论中的主从博弈方法对武器装备体系建模方法提出了一种半定量的体系设计方法，在体系对抗中对装备体系架构进行最优设计。此外该团队还将多目标优化方法引入装备体系设计中，把体系设计和计算智能相结合，并以典型的网络中心战战例为模型，分析了体系生成与演化的过程。

时间回溯到1996年2月15日，这一天，长沙县县政府自长沙市区潘家坪迁至星沙镇。那时候的星沙被形容成“鸟不拉屎”的地方，很多人都不愿意过来。改革开放40周年间，长沙县一天一个样，一年一个样，高速公路使长沙县县域经济腾飞添上双翼，长沙县的发展速度令世人惊奇。

体系工程学界的研究对体系工程未来的持续发展有着重要意义，没有这些工作，体系只是学术界的一个热门概念，在文章一哄而上发表完之后就变得悄无声息，相关的投入最终变成泡沫。近年来，学界的研究不断取得新进展。Dahmann 和Baldwin[12]提出了将体系从控制的角度分成 4 类，包括直接指派类（Directed）、互相承认类（Acknowledged）、协同合作类（Collaborative）和虚拟类（Virtual），这种分类方式得到了领域内专家的认可。Keating 及其在老道名大学的研究团队一直在推动体系工程领域基础理论的发展。Adams、MacG 和Keating 在2011 年[13]提出了体系工程研究的7 大步骤：a）对研究系统的结构进行梳理；b）设计特定的方法；c）组织研究体系工程的团队；d）进行体系工程的探究与分析；e）把分析结果转化具体的行动；f）报告体系工程研究采取的行动；g）评估体系研究的影响。之后该研究团队对体系的元系统（Metasystem）开展了深入的研究[14]，并认为体系工程的目标和任务就在于“设计、部署、操作和改变元系统”。他们将元系统看作一类复杂系统（Complex System），成功将复杂系统和体系工程建立了联系，并对这类系统的复杂性管理开展了深入研究，在体系领域掀起了研究复杂系统管理（Complex System Governance）[15]的热潮。此外，该团队还为体系工程的可持续性研究（Sustainability）做出了卓越的贡献，Katina[16]研究了体系可持续性的必要性，并基于航母战斗群的例子提出了一种能够提高体系可持续性的框架。Payuna[17]研究了体系弹性（Resilience）的概念，即体系在受到破坏之后恢复的能力，以及如何改进体系结构设计以提高体系的弹性。近几年出现了许多有关体系弹性的研究[18]，这些研究为传统的系统工程与可靠性研究拓展了新的思路，增加了体系工程学科的深度。

在企业领域，体系工程从技术上升到一个更加广阔的层面，关注体系中架构的组织方法和体系该如何制定决策。该领域的研究偏向管理学与社会学领域，工程的意味不如军事领域浓厚。Jin[19]将体系应用在项目管理中，提出一种新型的体系框架，转变传统还原论的思想研究项目的计划与管理，用整体观的思想对复杂的项目流程进行把控。Mike[20]则分析了体系中运行和管理独立性的密切关系，用两个5×5 的矩阵分别从消费者-生产者和需求方-供货方的角度评估遇到的各种情况。除了这些领域，在航空航天、能源电力、环境安全等诸多领域都有基于体系工程的研究成果，这也是近几年体系领域论文数量较多的重要原因。

2 体系工程在中国的发展

根据游光荣等的研究[21]，在1994 年中国就有学者发表与体系工程相关的论文，但目前能在网络资源中查到，并且比较系统、正确地阐释体系的含义最早的是张最良[22]2005 年在香山科学会议第269 次学术研讨会上做的报告。之后中国国防领域的专家较为关注国外体系研究的进展，发表了许多介绍国外体系问题研究发展趋势的文章。2011 年，中国电子科学院学报特别设立一期《体系工程专题》，谭跃进、胡晓峰、张维明发表了对体系工程领域的关注与自己的见解，这些学者都是中国装备论证领域“重量级”的专家。可见在2010 年之后，体系工程理念在中国的热度达到了一个新的高度，体系工程成为了武器装备体系这一特殊体系的重要研究工具，杨克巍、赵青松、阳东升和张维明等学者都出版了体系工程应用在武器装备体系有关的专著。近年来在体系需求论证、体系设计与建模和体系评估方面都有很多突出的成果。在体系需求论证方面，陈文英在文献[23]中基于体系工程的思想提出了武器装备体系需求论证的研究框架，包括军事背景分析、任务领域需求分析、能力领域需求分析、需求方案分析和体系结构优化设计，明确了武器装备体系需求论证的规范过程、理论原则、技术方法以及相关体系结构产品；在体系设计与建模方面，中国主要围绕美国国防部发布的DoDAF 框架做了很多应用方面的工作，岳增坤[24]分析了体系结构产品的内容和相互逻辑关系，以海上联合机动编队系统为实例，建立了其体系结构模型并进行了验证。黄小华[25]利用IBM Rhapsody 工具建模设计了无人机系统的全景视图、业务视图、系统视图和技术视图等体系框架模型，验证DoDAF 在复杂体系工程中建模的可行性和必要性。葛冰峰等[26]提出一种基于XML 和着色Petri 网的可执行建模方法用于体系建模。在体系评估方面，体系贡献率是近年来体系评估中一个重要的概念，具体有两种思路，一种是基于体系能力指标来度量贡献率，另一种是基于体系效能指标来度量贡献率，李小波等[27]结合两者的优点提出了一种能效综合的体系贡献率评估方法，并进行了仿真验证。除此之外，在体系可靠性和弹性领域，潘星等[28]提出了一种基于弹性的体系结构评价方法，对体系的组件或系统进行重要度分析。除了国防军事领域外，在软件工程、在应急管理、智能电网等领域许多学者也展开了体系工程的应用性研究。

目前，中国的体系工程研究水平较国外还有一定的差距，没有形成类似美国体系工程研究中心的专业化的体系工程研究机构和学术刊物，也没有类似欧洲GEOSS 的大型体系工程应用。但是，近些年体系工程研究也在不断发展。由国防科学技术大学王维平教授主编的《体系工程与装备论证系列丛书》正式出版，这也是中国第一套以体系工程为核心的系列丛书专著。《科技导报·体系工程》正式创刊，成为体系工程领域首份中文核心期刊，这也是中国第一份专门围绕体系工程的高水平刊物，领域内的研究合力正在逐渐形成。

3 体系工程研究与应用展望

随着国内外体系工程研究的不断深入，也面临新的挑战。前文提到学界在研究体系的复杂性的来源时遇到了困难。军事领域则在体系工程中协作时，发现彼此的体系框架都不尽相同，大家都在以“不同的语言”交流和协作。同时，国外内体系工程的研究都关注体系的仿真和评估，但是如何用定量的方法分析体系内各个系统聚合产生的涌现特性还没有一套业界共识的方法。此外，无人系统、大数据、物联网等新型领域暴露出明显的体系特征，但是这方面的研究还并未深入。因此，本文对体系工程以下几方面做出展望。

3.1 元系统管理的研究将揭示体系演化的奥秘

元系统管理研究的发展为分析体系演化提供更高的视角。Keating[7]指出现在研究的体系问题都是充满不确定的，有时甚至用瞬息万变来形容，如果想在体系中把握不变的要素，应对复杂体系问题的不确定性与涌现性，就应从“元”（Meta）的角度来思考问题，元系统是在控制层次中，位于系统之上的系统，是生成系统的系统。如果能够研究清楚元系统的特性，也就能把握体系复杂性的本质。

3.2 体系框架将向统一化发展

除了著名的DoDAF 和MoDAF 之外，各种体系框架在一段时间内层出不穷，包括北约体系结构框架（NATO Architecture，NAF）、加拿大国防部框架（DND/CF Architecture Framework，DNDAF）、意大利国防部框架（Italian Ministry of Defence Architectural Framework，MDAF）和澳大利亚国防部框架（Australian Defense Organization Architecture Framework ，ADOAF）。每种体系框架都立足本国的军事体系，因而有一定的必要性，但是本质上来说彼此差异不大。从体系框架的角度来看，未来将向统一框架的方向发展，通过开展元模型的研究保障体系框架涵盖所有的体系元素，并利用统一的建模语言（如UML、SysML等）消除歧义，并借助Rhapsody 等系统建模工具实现可执行化的分析验证。

3.3 网络方法在建模、仿真评估中将发挥更多的作用

体系、复杂系统和复杂网络这3 者在组织特点、涌现性、演化性等方面有很多共通性，网络化的方法将在体系问题中扮演越来越重要的角色。在体系建模方面，基于网络的方法提出的很早，复杂网络和图论的理论支撑保障了网络方法建模的可信性，同时网络的方法种类很多，既有善于建立动态变化模型的无尺度网络，也有擅长建立兼顾规则性和随机性的小世界网络，还有擅长建立可执行模型的Petri 网，能为各种不同类型的体系问题提供帮助。在体系能力评估中，网络方法反映的脆弱性、连通性、抗毁性等特征是其他方法很难评估的，正如胡晓峰[29]提出的将“指标树”转为“指标网”的思想，用网络理论取代简单分解还原的理论去研究体系工程，是未来体系评估的一个重要趋势。

3.4 体系工程将为无人系统与智能体研究开辟新领域

2009～2011 年，体系研究曾陷入相对低落的时期，相关的论文发表开始减少，有些研究者认为体系的热度已经消耗殆尽，因此不再研究。但是随着无人系统、大数据、人工智能领域开始火爆，许多研究者发现，传统的系统工程甚至一些早年提出的体系工程方法在应对数据量暴增的状态时束手无策，新的体系工程方法在组织集成大数据量的无人复杂系统上大有可为。美国国防预先研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）于2015 年提出“体系集成技术和试验”（System of Systems Integration Technology& Experimentation，SoSITE）项目，旨在设计开放式体系架构，将有人/无人平台的作战能力结合起来，打赢未来的智能化战争。在2018 年的智能系统国际会议上，Edward[30]提出下一代智慧体系的发展方向，将传统体系（System-of-Systems）转变为数据生态系统（Data Ecosystems），旨在打破传统体系工程的边界，打造一个数据流通无阻的环境以开放更多数据源，为人工智能的学习以及人在回路的决策提供良好环境。这些例子都说明，体系工程和无人系统、大数据、人工智能领域的结合，必将开辟出一番新的天地。

4 结束语

为了促进体系工程的深入研究和广泛应用，本文综述了体系工程在国内外的主要研究成果，讨论了体系方法面临的挑战与发展方向。系统工程经历几十年的发展，已经形成比较完善的、可以应用在各领域的一套设计、集成、仿真、试验、分析、评估、决策的方法论。体系工程是在系统工程基础上发展起来的一套理论与方法，经过学者们的努力，短短十余年，体系工程已经成为系统工程理论的一个重要的延伸，无论是国外系统工程的经典著作还是中国大学的系统工程教材都将体系工程单独进行详细介绍。未来，体系工程的研究成果将会解决更多实际问题，开辟更多新领域。