基于系统科学体系的水下攻防体系发展模式研究

宁云晖,陈 科,闫仲秋,尤 岳,贾坚强,魏海光

(1. 中国人民解放军92578部队,北京 100071;2. 江苏自动化研究所,江苏 连云港 222061)

水下战场空间广阔,战略纵深巨大,随着全域联合作战空间的不断拓展,水下成为未来海上战略与军事对抗的制高点以及各海洋强国强化军事存在和军事控制的新型安全领域。因此,水下攻防体系的发展是现代战争向跨域作战、全域作战的必然要求,并将成为提升联合作战能力、形成水下制权的重要途径。同时,随着系统科学体系的不断发展与完善,从系统工程、体系工程到数字工程,各种指导武器装备发展的理论和思潮方兴未艾,厘清它们之间的关系并建立相关的理论基础,构建水下攻防体系论证、建设和运用的新范式,对增强水下攻防体系化科技能力和有序形成水下制权具有重大的现实和战略意义。

1 从系统工程、体系工程到数字工程

1.1 系统工程的起源与发展趋势

系统工程的初衷是解决在一定的资源约束条件下的工程实施问题,其基本概念是综合多种专业技术,经过分析、集成、试验和评估的反复迭代,形成一个满足系统需求且总体逐渐优化的系统,系统工程作为指导系统研制的一种跨学科的方法和途径,其核心价值在于规划并约束了一般系统的开发过程,有效缩减了系统的开发成本以及开发风险[1]。根据NASA对系统工程范围的定义,这些开发过程包括了技术开发过程和技术管理过程,其中,技术开发过程构成了系统的生命周期阶段模型,钱学森将现代管理科学与西方系统工程的基本理论结合,形成了具有中国特色的系统工程方法论,并在航天、航空、船舶等武器装备领域得到了广泛应用。

但随着信息技术和武器装备的快速发展,传统的系统工程在具体实践过程中也遇到了很多问题:一是武器装备处于一个井喷式的发展状态,预研一代、研制一代、装备一代的武器发展思路容易受限于复杂武器装备系统自身的研制周期,往往是一个型号没干完,新的型号就已经上马,但传统系统工程并没有解决好工程过程中经验数据的积累过程,模块化和重用化的程度偏低,资产复用程度不高,导致系统资源的利用率偏低,工程中重复建设、重复组织的问题严重。二是传统的系统工程基本采用分解—集成的还原论思想,随着武器装备系统越来越复杂并逐渐演变成复杂的非线性系统,功能、性能指标以及系统组成分解难度逐渐加大,集成后能否还原为上层系统的整体属性不能得到及时验证,由此导致武器装备的研制周期过长,风险释放困难。三是传统的系统工程是一种总体技术,虽然能使工程具体技术更高效地实现目标,但重于技术状态管理而轻于牵引技术开发,在组织系统研制开发的过程中缺乏对系统整体技术的整合分析,难以支撑总体设计人员进行多学科多方案的决策寻优[2-3]。

基于模型的系统工程方法(MBSE)本质上是仿真建模方法与系统工程理论的结合,通过贯穿系统全生命周期的形式化建模,很好地解决了传统的系统工程所遇到的各种问题,是系统工程在新时代的又一次发展和演变[4]。MBSE在工程中通过建立的各类系统模型解决了工程经验积累和项目复用的问题,并通过不同层级的需求模型、架构模型、功能模型、性能模型,为复杂系统的向下分解和及时验证提供了条件,此外,通过建立的各学科物理模型实现了对各专业具体技术的描述,将系统工程整合成完整系统所需要的技术集合。

1.2 体系工程的起源与发展趋势

体系工程本质上是对系统工程的延伸和拓展,与系统工程相比,体系工程面临的是更大规模和更加复杂的系统集成问题,需要更加注意的是多个系统之间复杂的非线性优化策略。随着信息技术的发展及广泛应用,机械化条件下的装备对抗逐渐被信息化条件下的联合对抗所取代,战场对抗方式演变成一种作战要素齐全,作战单元关联,作战力量联动,具有完整行动链和整体联动特性的全过程跨领域体系作战,并表现出组分系统独立,相互依存关联,组织因素明显,渐进涌现成型等体系化特点[5]。传统的系统工程方法已经很难适应体系的这些特点,无法很好地解决武器装备体系各组成部分的指标衔接、信息流转、杀伤链闭合等问题。美国国防部结合多个联合作战系统开发的实践经验,于2004年推出了体系工程指南,作为美军联合作战体系开发的工程指导。美国国防采办手册定义体系工程是对一个由现有或新开发系统组成的混合系统的能力进行计划、分析、组织和集成的过程,这个过程比简单地对成员系统进行能力叠加要复杂得多,其强调通过发展和实现某种标准来推动成员系统间的互操作[6]。

至此,武器装备体系工程的方法和理论逐渐形成,以顶层作战概念为牵引,采用“作战场景设计—体系能力需求—装备体系架构—单项装备发展”的正向设计思路,将武器装备体系工程分为体系战略分析、体系顶层设计、体系装备建设、体系作战运用以及体系能力评估五个主要阶段,其中,体系战略分析、体系顶层设计、体系装备建设、体系作战运用循环迭代,体系能力评估贯穿体系工程全生命周期[7]。武器装备体系的涌现性和演化性两大特征确定了体系并没有严格的需求边界,并且因为武器装备体系的组成系统来源不同,所以武器装备体系总体设计应在对抗的环境下通过对各系统组成结构的不断优化,追求各系统指标的最优与体系效能实现之间的平衡[8]。根据美军体系工程发展及应用情况,体系工程在具体实践过程中也出现了一些亟须解决的问题:一是需要可进化的动态体系架构,具有开放式可重构可衍生的特点;二是需要自上而下的顶层设计模型,以顶层需求的牵引与关键技术推动指导体系建设;三是需要标准化的任务工程管理机制,支撑体系全生命周期的一致性认知和活动约束;四是需要可信化的体系仿真验证环境,利用建模仿真技术实现试验、训练、建设的深度融合。

1.3 数字工程的起源与发展趋势

以数字化为主要特征的信息革命,正推动人类社会进入数字时代,利用数字系统、数字孪生、数字线索等技术将物理世界各类实体、行为映射到数字空间,借助数字空间数据高速流动、零成本试错等优势,通过“反复迭代、数字寻优”化解复杂系统的不确定性,从而实现资源高效配置、体系赋能增效,将成为解决武器装备体系面临的海量、碎片化、多场景、多领域等复杂问题的重要方案。2018年,美国国防部发布的《数字工程战略》,将数字工程定义成一种集成的数字方法,围绕数字模型开发集成应用、权威真相源构建与使用、技术创新改进工程实践、基础设施环境建设、战略政策与机制建设五大目标,全面开启了武器装备体系的数字工程时代。

从系统工程的角度来看,数字工程是对系统工程的又一次演变革新,基于模型的系统工程通过贯穿全生命周期的形式化建模,实现对系统工程的整体性与系统性描述,但MBSE在武器装备领域的深入应用不仅需要逻辑域的建模,还应该结合物理域的建模[9]。数字孪生技术能够很好地满足武器装备物理域的建模需求,实现武器装备物理实体在数字空间的全要素重建与映射[10],并基于模型与数据对物理空间内的装备实体进行实时模拟、监控、反映。总的来说,数字孪生实现武器装备本体的数字化,MBSE实现武器装备过程的数字化,并能够支撑武器装备本体数字化,通过数字孪生与MBSE的结合构建了武器装备系统发展的新范式,是面向武器装备系统的数字工程。

从体系工程的角度来看,数字工程是体系工程发展应用的必然要求,参考美军装备体系建设的实践经验,在体系架构层面,数字化体系架构模型是自顶向下实现对需求变更的快速追溯的有效途径,并支持体系架构的动态演化;在体系管理层面,数字化体系管理活动是形成标准化任务管理机制的必要基础,即确保了武器装备之间的互操作性,也提升了设计管理人员的认知与决策能力[11];在体系运用层面,武器装备与战场环境数字化是形成可信化体系仿真验证环境的重要支撑,通过在数字空间内进行作战试验分析,探索体系作战能力,并验证相关作战概念,为体系战略分析、顶层设计、装备建设、作战运用和能力评估等不同阶段提供支撑[12]。总的来说,通过体系架构、管理活动、战场环境、武器装备数字化,实现武器装备体系“动起来、活起来、留起来,用起来”,构建武器装备体系发展的新范式,是面向武器装备体系的数字工程。

2 水下攻防体系的发展问题分析

随着水下对抗形势的不断加剧,美军不断强化水下作战能力建设,在2016年发布的《水下战科学与技术目标》中,提出了多个水下作战力量重点方向的发展目标,意图建设水下作战领域的体系化作战及网络化攻防的能力。美军为形成西太地区对我的制衡优势,将作战中心持续向亚太地区转移,不断强化在西太地区的军事部署,美国海军战争学院的研究报告显示[13-14],美军认为随着中美海上作战力量的对比变化,水下已成为其唯一可对我形成优势的作战空间。由此可见,发展水下作战体系,提升水下作战力量,已经成为美军实现对我水下制权的重要途径。国内司广宇等人在分析美军水下作战体系发展特点的基础上,首次提出了水下攻防体系的基本内涵和作战概念,认为体系化推进、体系化建设是未来水下攻防作战的重要发展方向,并从体系结构设计、作战概念、任务规划、效能评估等方面,分析了水下攻防体系的主要研究思路[15],此后,国内先后涌现出了一批人工智能、有人/无人协同、预置武器、能源保障等技术在水下攻防体系中的探索与应用[16]。

综合国内外水下攻防体系的发展情况,水下攻防体系的广泛定义是包含了“在水下、对水下、从水下”的全部或部分力量及人员、作战运用的综合体,在需求要素层面,水下攻防体系包含有人/无人协同水下区域控制、有人/无人协同远海火力打击、空海一体联合反潜作战、水下特种作战等典型作战场景;在装备要素层面,水下攻防体系由预警探测装备、指挥控制装备、攻防武器装备、通导保障装备以及运行平台装备等组成;在逻辑要素层面,水下攻防体系由作战运用方案、技术体制规范、核心作战指标、作战指挥控制、体系试验验证等组成,如图1所示。

图1 水下攻防体系的要素构成与关联关系Fig.1 Composition and correlation of elements of underwater attack and defense system

水下攻防体系通过综合运用预警探测、指挥控制、攻防对抗、通导保障等各类跨域装备要素,构建水下攻防体系作战运用、技术体制、战技指标、指挥控制、体系试验等各类要素的有序集合,形成执行水下区域控制、远海火力打击、联合反潜作战、特种作战等任务的有机整体,可见水下攻防体系是特征鲜明、要素齐全的复杂跨域作战体系,且由于水下空间天然环境复杂、弱可观测性和弱信道等特征,水下攻防体系并不同于一般意义上的作战体系,存在着体系运行机理复杂,体系技术基础薄弱等主要问题。

一是体系运行机理复杂。水下攻防体系涉及不同介质的作战空间,包含了水和空气两类物理特性差异巨大的物理空间,具有海洋物理边界与装备性能边界复杂等特点,并涉及通信与隐蔽、体系性能与单点性能等多种要素间的动态关联关系,亟需自组织、自适应、可衍生的体系总体架构,特别是跨不同物理空间时,水下攻防体系赋能的制胜机理将更加复杂,战争迷雾现象严重,杀伤链和指挥链的闭合较为困难,更多依赖于任务式指挥和自主系统,传统的工程方法难以有效牵引水下攻防体系的建设和发展。

二是体系技术基础薄弱。水下攻防体系的发展面临体系架构、预警探测、指挥控制、隐蔽攻防、通信导航、综合隐身、能力投送等一系列需要解决的重大技术问题,例如潜艇声隐身和非隐身控制、水下多模异构网络优化、水下战场态势感知与指挥控制等,每一类技术都可以认为是一个庞大的系统工程,但人类对海洋环境及其对装备作用机理认知仍存在着较大局限性,弱信道、弱联通下的水下攻防体系构建与能力生成存在着较大不确定性,因此需要完备的系统科学理论方法提供顶层指导与核心支撑。

3 水下攻防体系的发展措施建议

从军事武器装备体系的概念来看,水下攻防体系是由C4ISR系统联系的具有互操作和协同能力的复杂网络系统[17],各分系统功能上相互作用,性能上相互补充,包含了预警探测、指挥控制、攻防对抗、综合保障等各类装备要素以及系统建设、工程组织、试验验证等各类管理要素,是各类武器装备系统与管理活动的有机结合,并具有运行上的独立性、管理上的自主性、地理上的分布性,以及涌现性和演化性等体系的典型特征,因此可以采用系统工程、体系工程、数字工程的框架和方法去解决水下攻防体系的相关问题。

3.1 以作战系统为核心,牵引体系装备研制建设

水下攻防体系实现效能的关键是各组成部分之间进行有效的互联互通与数据融合,作战系统作为承载水下攻防体系作战能力的重要核心,是水下攻防体系中各类信息要素纵向流转、作战活动横向贯通的重要纽带。水下攻防体系装备研制建设应以作战系统为核心,充分发挥作战系统在技术集成与管理集成方面的优势,利用信息技术将水下攻防体系中情报侦察、指挥控制、攻防对抗、综合保障各类装备关联起来,并不断扩展构建其他系统功能,从体系层面加强战场各类信息标准的上下贯通和数据资源的统一整合,制定体系中指挥、控制和通信的统一标准规范,支持水下攻防体系内自由有序的数据分发和信息共享,开展体系运行流程的规范化设计,协调体系运行中可能出现的系统间冲突,持续优化体系结构,如图2所示。

图2 以作战系统为核心的水下攻防体系运行架构Fig.2 Operational architecture of underwater attack and defense system with combat system as the core

3.2 以系统工程为核心,构建体系工程实施模型

传统系统工程采用了自顶向下设计、由底向上集成的实施过程,水下攻防体系工程实施应以传统系统工程的实施过程为核心,采用体系流程将整个装备体系的组成部分贯穿起来,增加基于模型的系统工程方法,针对水下攻防体系的特征进行体系与系统的划分,通过架构权衡分析与功能设计反馈深化体系能力需求关联映射,确保各组成部分的性能指标有效衔接,信息流转顺畅高效,杀伤链保障链有效闭合,实现体系工程与系统工程无缝衔接,保证精准需求和工程实现的快速闭环迭代。同时,考虑水下攻防体系对抗研究的复杂性,水下试验周期长且费用高,可以构建水下攻防体系虚拟空间,将体系的复杂性、对抗性特征和体系仿真试验相结合,通过体系仿真试验帮助厘清水下攻防体系中的各种可能性,从而更好地管理体系的不确定性,提高对体系运作的认知,如图3所示。

图3 以系统工程为核心的水下攻防体系工程实施模型Fig.3 Implementation model of underwater attack and defense system engineering with system engineering as the core

3.3 以数字工程为核心,促进体系精准高效迭代

从管理活动和装备实体两个层面持续开展水下攻防体系数字化建设,将水下攻防体系从静态的以文档为中心的装备建设模式升级为动态的以模型为中心的数字工程生态系统,对水下攻防体系的需求分析、总体设计、研制生产、试验测试、运用保障等研制过程中涉及的活动、要素进行数字化表达,构建装备体系、装备需求、数字样机、数字装备等水下攻防体系装备数字化模型体系,以及作战概念模型、蓝军装备模型、战场环境模型等为核心的水下攻防体系战场数字化模型体系,通过水下攻防体系数字平行战场与数字研发环境的互相支撑,实现水下攻防体系装备的数字化论证、数字化设计、数字化生产、数字化验证、数字化使用与保障,建立水下攻防体系装备建设新范式,解决传统装备体系建设运用管理模式落后的问题,大幅提升水下攻防体系装备建设发展效益,如图4所示。

图4 以数字工程为核心的水下攻防体系运用架构Fig.4 Application architecture of underwater attack and defense system with digital engineering as the core

4 结束语

随着系统科学体系的不断发展与完善,从系统工程、体系工程到数字工程,反映的既是系统科学与信息技术的快速进步,也是武器装备向信息化、体系化演进的需要,水下攻防体系作为广泛分布于“在水下、对水下、从水下”的重要武器装备体系,跨域作战特点突出、技术能力体系庞大,用好系统工程、体系工程以及数字工程等系统科学体系的理论和方法,科学指导水下攻防体系的论证、建设和运用,对增强水下体系化科技能力、加速形成水下制权具有重大的现实和战略意义。