“新三论”在作战系统研究中的应用

2012-07-02于小红

兵器装备工程学报 2012年6期

李丹，于小红

(装备指挥技术学院 a.研究生管理大队;b.试验指挥系，北京 101416)

“新三论”是在20 个世纪60年代末、70年代初兴起的新兴的横断学科和思想方法，主要包括耗散结构理论、协同学、突变论。它是以客观自然系统为对象，在揭示对象本质上更为深刻，应用也更为广泛，对认识和解决问题具有重要的实践意义，同时它也是具有普适性、可移植性的理论。而作战系统是一个“系统组成的系统”，要深入理解和研究作战问题必须从整体上综合分析这个复杂系统。本文将“新三论”引入到作战系统研究中，从系统科学的角度出发，研究作战系统这个非线性复杂系统，试图更全面、系统地研究考察作战系统，并为作战系统的数学建模提供参考。

1 新三论

1.1 耗散结构理论

耗散结构论是一门研究耗散结构的性质、稳定和演变的科学。具体地讲，是研究系统由混沌向有序转化的机理、条件和规律的学科［1］。耗散结构论研究的对象是一个开放的系统，该系统与外界不断有能量、物质和信息等交换，并且系统是远离平衡态的。特别是耗散结构解释了诸如“整体不等于部分之和”等规律，可以为优化作战系统研究提供参考。

1.2 协同学

协同学是原联邦德国著名理论物理学家赫尔曼·哈肯教授于20 世纪70年代创立的一门跨越自然科学和社会科学的横断科学。它以系统论、突变论、信息论和控制论等现代科学理论为基础，同时吸收了耗散结构理论的精华，采用系统动力学的综合思维模式，揭示了各种系统和现象从无序到有序转变的共同规律。协同学认为，一个系统从无序到有序的转化的关键在于由一个大量子系统构成的开放系统内部发生的“协同作用”。该理论强调系统内部的关联以及系统发生变化时要素间的互相配合与耦合。这一理论突出强调了协同作用是任何复杂大系统本身所固有的自组织能力，是形成系统有序结构的内部作用力［2］。

1.3 突变论

突变理论是现代数学的一门新兴分支学科。它是由法国巴黎高级科学院1958年国际菲尔兹(Fields)数学奖获得者雷内·托姆(R·Thom)教授于1972年创立的。“突变”一词，法文原意是“灾变”，强调变化过程的间断或突然转换的意思。突变论是用拓扑学、奇点、微分方程定性理论以及稳定性数学理论来研究自然界各种形态、结构和社会经济活动的非线性突然变化现象。它的主要特点是用形象而精确的数学模型描述和预测事物的连续性中断的质变过程。

一般所讲的突变理论实际上是初等突变理论，它的主要数学渊源是根据势函数把临界点分类，进而研究各种临界点附近非连续性态的特征，即有限个数的若干初等突变。把得到的结果与对不连续现象的理论分析和观察资料相结合，就可以建立数学模型，能更深刻地认识不连续现象的机理并作预测。

2 作战系统的自组织特性分析

2.1 耗散结构特性

“新三论”研究的对象是自组织系统，耗散结构特征是系统进行自组织演化的前提条件。根据耗散结构理论，系统要形成耗散结构需要具备以下几个基本条件:一是系统必须是开放系统，与外界不断进行物质、能量和信息交换;二是系统必须远离平衡态，其内部存在着物质能量分布的显著差异，不断进行着物质、能量的宏观转移和变换;三是系统各个组成部分之间存在非线性反馈的动力学机制;四是系统中存在涨落。作战作为一个系统，是一个典型的自组织系统，具备耗散结构形成的基本条件。

1)动态开放性是作战系统生存和发展的必要条件。作战系统是一个典型的开放系统，作战双方组成的作战系统与作战环境之间、双方对抗子系统之间不间断地进行着能量、物质和信息的交换。通过对外界信息、物质、能量的引进、吸收才能使系统产生负熵流，从而增强系统有序发展的可能性。例如，新的航天器发射入轨、航天器之间以及航天器与地面站之间的通信、指挥控制中心对航天器的指挥控制行为等，都是物质、能量与信息交换的表现形式。在作战过程中，作战双方都会采取一切措施，通过交换，增加自己的有序和稳定，而造成对方的无序和混乱。

2)远离平衡是作战系统有序演进的内在源泉。普利·高津指出:“非平衡是有序之源”。这里所说的非平衡态是指系统远离平衡态。作战系统远离平衡态，是系统出现有序结构的必要条件。作战系统内部的各个子系统的功能、结构、运行模式互不相同，各个部分是不可能均匀一致的，系统中的各个部分的差异越大，就会离平衡状态越远，即作战系统诸要素发展水平的不一致性促使作战系统进入发展的不平衡态。另外，作战系统存在于瞬息万变的战场环境中，外界环境的变化会对空间作战系统产生一定的张力，而不同的系统所承受的张力是不同的。环境改变而引起的差异导致了系统与环境之间物质、能量和信息的交换，也正是这种不平衡的存在才使得作战系统不断进步、发展和演化。

3)非线性是作战系统自我演化和完善的关键。作战系统是一个典型的非线性系统。作战是双方或者多方的对抗，每一方都有很多子系统组成，子系统之间存在着大量非线性的交互作用。比如，作战指挥控制中的反馈、指挥决策过程以及作战过程中的偶然因素等，使得系统总体行为呈现强的非线性特性。正因为作战系统中的许多小单元要素间存在着非线性相互作用和它们的协同效应，使得作战系统具有那些子系统的简单相加所没有的性质。作战系统内复杂的相互作用既可能产生协同效应，形成良性循环，推动作战系统向有序方向发展，也可能产生消极效应，互相牵制，形成恶性循环，甚至导致原来某些结构的消失，使作战系统后退到混乱的平衡态上。

4)随机涨落是作战系统达到有序的诱因和触发点。作战系统是由大量的子系统组成，如指挥控制系统、攻防对抗武器系统、综合保障系统和信息系统等。而信息系统由信息收集、信息处理和信息分发等组成。作战系统的状态不是各子系统状态的简单叠加，而是一个综合平均的效应，因此，必然存在涨落现象。当系统处于稳定状态时，涨落相对于系统的宏观性质影响不大。但当系统处于临界点时，涨落所起的作用就非常重要了。作战系统的随机涨落力来自系统的外部环境和系统内部的运行模式。作战需求的变化、战场态势的改变和新技术、装备的引入都是影响系统成长的外部涨落力;而系统调整内部结构、提高作战人员素质、建立合理的作战机制等，都是系统成长的内部涨落力。作战系统的涨落力没有确定的方向，它可能使系统获得新的对抗优势，向更高层次的有序方向进化，也可能不利于系统的成长，导致走向衰亡。无论是来自外部的涨落力还是内部的涨落力，都必须建立在作战系统开放和远离平衡态的前提下，通过系统内部各作战力量之间的非线性相互作用，最终实现系统不同形式的转化。

可见，作战系统内部各子系统既相互制约又相互联系，系统与外界既进行物质交换又进行信息交换，具有开放性特征，其有序性是随着时间不断变化的动态过程，呈涨落现象，其特性符合耗散结构。运用“新三论”研究作战系统，一方面有助于深刻理解作战系统“动态开放性”、“远离平衡性”以及整体功能的“集体涌现性”，正确认识其作战机理，并以此来创新作战理论;另一方面，能揭示空间作战系统的一般特征和规律，理清系统中各要素之间的相互联系与相互作用，促进空间作战系统的进一步完善和发展。

2.2 熵减机制

19 世纪60年代德国物理学家克劳修斯首次运用可逆热力学系统中的状态函数熵表示物质系统中能量衰减程度，之后熵成为衡量系统有序性的重要工具。耗散结构理论认为，在假设局域平衡条件下，任何一个开放系统熵变dS(总熵)由deS(外熵)与diS(内熵)两部分组成，如式(1)所示。

作战系统同外界有着熵的交换。因为在这里，热力学第二定律仍然适用，只要求系统内部的熵的产生非负，即diS≥0。然而外界给作战系统不断注入的熵流deS 则没有确定的要求，deS 可以大于、等于或者小于零。如果deS ＜0，只要这个负熵流足够强，它就除了抵消系统内部的熵产生diS，还能使系统的总熵dS 减小，从而使系统进入相对有序的状态。如果外界流入作战系统的是正熵流(deS ＞0)，它不仅不能形成有序的耗散结构，反而更快趋于混乱。譬如，作战系统中的信息系统遭到破坏，使注入系统的信息是错误的，就会造成作战系统运行受阻。熵增定律表明，任何系统都存在着混乱度不断增加的趋势。因此，对于作战系统一方面必须把熵增运动作为一个前提，承认所有的系统中都存在着这种倾向，另一方面又必须考虑，在有些系统中有一种特殊的机制，它能够在熵增过程中，克服其“阻力”，形成逆流而上的自组织运用，即表现为熵减机制。

自组织运动的重要条件和途径是从环境里去解决问题。如果dS ＞0 表明系统从环境中吸取的负熵不足以抵消系统内部形成的熵增，即系统处于无序状态、系统协同度低。如果dS ＜0 这是负熵过程，能使开放状态的作战系统由无序变为有序，或协同度高。因此，在强调系统开放的同时，也要对系统与环境的交流内容进行分析。一方面要加强系统的开放性。因为，作战系统的开放性意味着它与外界环境之间有着广泛的联系，只有加强系统的开放性，才能通过与外界的交流而引入负熵流，使系统走向有序。另一方面，要形成熵减机制。通过加强控制，使得流入的正熵流越少越好，克服熵增加的可能，形成系统内熵减机制，从而使得作战系统与外界环境进行物质与能量交换过程中，引入足够的负熵，使系统的总熵值为负值，进而减少系统总熵，使系统进入相对有序的状态。

3 作战系统自组织动力学模型

3.1 作战系统的构成

作战系统是指由若干相互联系和相互作用的要素按照一定结构组成的，具有打击及抗击敌方军事行动功能的有机整体。按照协同学的观点，系统通常可以划分为3 个层次即:宏观、中观、微观。就作战系统而言，宏观是指整个系统，中观是指构成作战系统的各个子系统，而微观则是组成系统的基本元素。显然，这里只关心中观层次到宏观层次的过渡，而协同学恰恰提供了这样的方法。作战系统的中观结构包括指挥控制系统、信息系统、对抗武器系统和综合保障系统。

从图1 可以看出，作战系统的4 个子系统的关系并不是各自独立，而是相互联系、相互制约的。通过它们之间的协同合作与竞争，使整个系统得以运转和发展。就作战而言，一方面，这4 要素的作用缺一不可，另一方面它们的作用又有主次之分的。只有通过科学的指挥和协调，才能形成作战系统内各作战单元的优势互补，最大限度发挥作战系统的综合效能。

图1 作战系统内部关系

3.2 自组织动力学模型

自组织系统是那些不需外界特定的干预，能够通过内部过程产生宏观的空间、时间或时空结构的系统。作战系统就是这样一个自组织系统，它不存在特定方式作用于系统的外力，结构的形成和演化不能用状态变量对外力的响应过程来描述，而是一种内部过程。如果把系统的外部作用力看作是恒定的，那么其变化是随机的。作战系统的形成被看作是系统内部的自组织运动过程，其形成和演化是系统内不同基本子系统之间相互作用的结果。构成作战系统的子系统的各自的状态变化及它们间的相互作用可用自组织方程加以描述，并建立如下的动力学模型:

式中:p1、p2、p3、p4分别是空间信息子系统、空间指挥控制子系统、对抗武器子系统和综合保障子系统;E 为作战系统的作战能力;k 为E 的变化率与原有状态的关系;ki为pi的变化率与原有状态的关系;g 为所有子系统的协同对作战系统作战能力演化的影响;gi为各子系统的协同作用对pi演化的影响;F 为外部环境作用力。

模型中，式(2)表示作战系统作战能力形成和演化的结果，它不仅受系统自身前期状态和外部环境的作用，同时也受到内部各子系统相互协同作用的影响。式(3)则分别表明各子系统的基本能力在系统内部的演化过程，它描述了系统内部的自组织作用机理，每个子系统不仅受到自身前期状态的影响，也受到其他子系统协同作用的影响。作战系统的自组织过程促进内部子系统基本能力的演化，也促使作战能力的演化，并且每个子系统基本能力的演化又促进了其他子系统基本能力的演化，形成了相互促进、相互影响、互为因果的关系。作战能力正是在这些相互影响、相互促进中不断形成和演化的。可见，作战系统作战能力的形成和演化，是作战系统通过其内部各子系统基本能力的自组织过程，是从原有的结构功能改变为新的结构功能的结果。