装备技术体系结构优化设计理论及其关键技术研究

安 波, 石东海, 沈雪石, 党晓铃,吴 集, 安茂春, 刘 武, 刘长利

(1.总装武器装备论证研究中心,北京100101; 2.国防科学技术大学战略研究中心,湖南长沙410074)

装备技术体系结构优化设计理论及其关键技术研究

安 波1, 石东海1, 沈雪石2, 党晓铃1,吴 集2, 安茂春1, 刘 武1, 刘长利1

(1.总装武器装备论证研究中心,北京100101; 2.国防科学技术大学战略研究中心,湖南长沙410074)

围绕武器装备体系建设需求,紧密结合装备科研管理实际,在分析国内外有关技术体系研究的基础上,系统提出了装备技术体系的基本概念及其结构特征,分析了优化设计原则及其关键技术,形成了装备技术体系优化设计流程等,为构建结构清晰、符合实际的装备技术体系及其应用验证提供了整体研究框架与技术支撑。

装备技术;体系结构;优化设计

装备技术体系结构优化设计不仅是一个值得深入研究的理论问题,更是一个具有明确需求背景的实践问题：一是适应武器装备体系化建设需求。提高基于信息系统的装备体系作战能力,必然牵引出成体系提升技术能力的需求,如何从体系层面集中反映技术对装备支撑的能力,这在很大程度上取决于装备技术体系的结构构成。二是适应高新技术迅猛发展的趋势。以信息技术为核心的高新技术在大大提升武器装备性能水平的同时,也使装备技术体系涉及的范围变得越来越广泛、传统技术领域间的界限不断被打破、交叉学科和前沿技术大量涌现,各技术领域的层次规模不一、缺乏横向联系与纵向深入等问题逐渐显现。三是适应国防科研管理科学化的要求。未来武器装备性能先进、系统复杂、技术跨度大,装备技术研发与管理的不确定性与技术风险增大,影响因素复杂,特别是在规划计划制订、科研项目安排、发展路线图规划等管理环节,如何明确攻关方向与技术重点,加快成果转化、优化资源配置等,都对装备技术体系结构优化设计提出了新的挑战。

1 研究现状

目前,国内外对装备技术体系的系统性研究不多,主要蕴含在科技发展战略、武器装备体系结构和规划计划论证等方面。在发展战略规划论证方面,美国《21世纪战略技术导向》[1]《技术地平线2010—2030》[2]等研究报告中,采用集中研讨方式形成的科学技术体系方案,涉及了体系构建要素、结构设计方法等。在技术体系研究方面,我国科技部《国家技术路线图》按照“需求—任务—能力—技术”体系结构,开展了国家关键技术体系设计等问题研究;国防科技大学从科学技术哲学的角度,对军事技术体系结构的概念进行了研究,分析了军事革命与军事技术体系的关系[3],并以技术标准轮廓和未来标准预测属性为基础,研究了技术视图的层次关系、技术指标、技术水平、技术对能力的支撑关系等[4],同时还研究提出了从装备全寿命周期、装备工程技术、装备管理技术3个视角,对装备技术体系结构进行定制等;在体系结构框架研究方面,美国、英国、北约分别制定了DoDAF2.0、MoDAF和NAF,以指导武器装备和信息系统的顶层设计,并正在积极探讨将其基础理论和设计方法用于指导装备技术体系的设计和优化等[5]。总体上来说,有关装备技术体系研究仍处于起步阶段,对解决装备技术体系结构优化设计问题,尚不具备实际应用意义,特别是对装备技术体系的概念界定、设计原则、优化流程及其应用验证等方面,仍存在诸多有待解决的技术难题和研究空白。

2 概念内涵

著名科学家钱学森指出,现代科学与技术呈现出相互依赖、相互促进的发展趋势,研究和总结其运动变化的规律,应当把科学技术作为一个整体系统来研究[6]。科学技术体系是指社会所有技术类型按照一定的技术规范所组成的能满足社会需要的、具有综合功能的动态发展系统。构建现代科学技术体系、发展复杂巨系统理论是一项高层次、长期的探索研究工作[7]。特别是随着科学技术的迅猛发展,科学技术体系逐渐呈现出诸如“知识爆炸”“逻辑混乱”等一系列困境,要解决这些问题,必须要对科学技术体系的基础本质特征进行透彻的分析[8]。装备技术是科学技术特别是高新技术在武器装备发展中的直接体现,贯穿武器装备研制、生产、使用、维修等全寿命周期,是国防科技的重要组成部分,也是国防水平能力的集中体现和突出标志。装备技术涉及技术领域众多、耦合关系复杂、数量规模庞大,在层次关联关系上体现出显著的体系特征。科学技术发展的新特点和新趋势,对丰富拓展装备技术体系内涵范畴、构建以工程应用为核心的更为合理的装备技术体系,在理论方法层面和实际应用方面都具有重要意义。在分析国内外装备技术体系研究现状,界定装备技术体系基本内容和层次关系的基础上,我们研究认为：装备技术体系是以武器装备发展需求为视角,对相关科学技术门类、层次、领域进行的整体反映和系统规范,是指导一定时期装备技术发展管理实践的技术规范,具有明显的指向性、功能性、整体性、规范性、逻辑性和演化性特征,主要服务于国防科技发展战略研究、规划计划论证、国防科研管理等方面。

3 结构特征

装备技术体系结构是体系结构方法在装备技术领域的研究与推广,是对装备技术整体架构的科学化描述,实质上也是对其体系结构特征的抽象。装备技术体系作为解决装备实际问题的工具,必然受到解决问题的军事需求、技术能力和管理体制等多方面影响。装备建设需求是牵引装备技术体系演化的根本动因,高技术迅猛发展是推动装备技术体系演化的内在动力,适应管理体制改革是装备技术体系演变的重要因素[9]。通过分析梳理装备技术体系结构特征,并充分继承和考虑国防科研现有管理特点,在横向上按照技术成熟度标准,可划分为支撑技术、基础技术和前沿技术等3类,以适应科技发展规律特点,并涵盖装备技术各主要领域;在纵向上适应装备技术发展管理特点,构建要素技术、技术方向和技术领域等3层架构。其中：技术领域是根据相近技术属性综合提炼形成的技术群,相当于学科体系中的二级学科及以下层次,其粒度对应于装备科研规划计划安排的项目层次;技术方向是对技术领域研究内容的具体划分,具有一定的抽象性,体现了本技术领域发展的方向性特征,其粒度对应于装备科研规划计划安排的课题层次;要素技术是装备技术体系中的底层元素,其粒度对应于装备科研规划计划安排的专题或子专题层次,可用研究重点或研究内容对其进行描述规范,以抽象出装备技术体系中可供辨识的基本特征要素。

4 设计原则

从需求牵引和技术推动2个方面视角,充分反映武器装备建设需求和科学技术发展特点,重点解决系统性梳理不够,领域设置存在视角差异,结构划分标准欠规范、技术设置冗余(或漏项)、新兴前沿技术领域不突出等问题,为构建有效支撑武器装备近、中、远期发展需求的装备技术体系提供技术支撑。

1)满足军事需求。装备技术体系具有的指向性和功能性特征,决定了其结构构成要符合基于信息系统的装备体系建设特征。装备技术体系只有以支撑装备发展为目标,以促进工程应用为核心,以提升技术能力为基础,才能不断满足武器装备体系发展需求。

2)保持相对稳定。装备技术的突破是以科技成果的累积为前提的,客观上存在一种从“可能”到“可行”,再到“可用”的依次递进关系。装备技术体系只有在保持相对稳定的前提下,才能使装备技术规划论证科学,技术攻关重点突出,并达到技术成果逐步成熟可用的目的。

3)基本要素齐全。装备技术体系要着眼于武器装备近、中、远期发展要求,既要满足装备发展急需、又要着眼长远发展,既要注重现有技术领域的协调发展,避免出现重大“漏项”和发展“短板”问题,更要关注新兴前沿技术可能产生的巨大军事效益,防止技术突袭。

4)结构界面清晰。装备技术体系各领域划分应视角统一,各领域、方向和要素之间的边界清晰,支撑关系明确,各层面颗粒度应基本一致,无明显交叉重复,并可建立标定索引和信息存储标准等。

5)组成比例协调。按照跨越发展有基础、持续发展有后劲、自主发展有保障的要求,装备技术体系的组成要符合基础研究、应用研究和先期技术开发规律,综合考虑支撑技术、基础技术和前沿技术之间的衔接关系,促进各技术领域的协调发展。

6)论证科学实用。综合运用国防科技、科技管理、系统科学和体系工程的研究成果,从科学性和实用性出发,采取定性与定量结合的方法,将专家群体智慧集成于计算机辅助设计工具,尽量减少或避免主观人为影响,逐步形成实用性强的优化设计方法手段。

5 关键技术

装备技术体系结构优化设计包括理论、方法、模型、规范和工具等诸多研究内容,涉及面广、技术复杂,重点应突破以下几个关键技术。

1)装备技术体系特征分析技术。分析装备技术体系内涵构成,建立装备技术体系结构模型,开展多层次、多角度、多维度特征属性分析,确定技术与技术之间的主要结构特征,提取技术与装备之间的复杂关联关系。

2)装备技术体系结构描述技术。以装备需求和能力需求为视角,研究建立规范的体系结构描述方法,通过要素技术自身属性构建体系要素模型和数据模型,这对形成结构清晰完整、形式规范标准,与实际应用紧密衔接的装备技术体系至关重要。

3)装备技术体系结构评估技术。依据多目标、多属性决策优化理论,综合分析装备技术体系结构设计的合理性,对装备发展需求的支撑性、管理体制要求的适应性等问题,在开展科学性分析的基础上,对装备技术体系结构的实用性进行验证性评估。

4)装备技术体系结构优化技术。以装备技术体系的结构特征为优化目标,采用体系结构框架理论和网络化建模方法,建立技术与技术、技术与装备之间的网络结构模型,开展基于人机交互的优化迭代方法研究,形成以聚类分析为基础、以专家经验为支撑的综合设计优化方法,为装备技术体系优化设计提供方法工具支撑。

6 优化流程

根据装备技术体系设计原则,综合分析现有装备技术体系结构,在建立装备技术体系优化设计框架的基础上,形成了优化设计流程如图1所示。总体思路是通过装备发展需求、技术推动和技术预见3个方面采集要素技术信息数据,基于计算机辅助优化设计工具开展装备技术体系结构优化。主要包括装备技术体系结构设计、组成设计和优化验证3大环节。具体流程是：首先是结构设计,按照装备技术体系3层架构模型,通过采用对重点装备进行技术结构分解(technology breakdown structure,TBS)、梳理现有技术领域研究重点、预测前沿技术增长点等方式,获得大量的要素技术,并建立起以数字标志为索引,涵盖技术定义、技术内涵、标志关键词等信息的要素技术属性描述数据库,从而得到反映技术体系最基本的辨识信息。采用计算机辅助优化设计工具对各要素技术进行相关关系分析,通过查重合并、删除冗余、整合聚集,综合整理出技术方向。其次是组成设计,引入专家综合评判进行人机交互,经过重组调整、归类合并、聚类分析和综合提炼,形成装备技术体系各技术领域的组成方案。第三是优化验证,以定量化的分析统计计算结果为基础,通过综合评估和比对验证,引入评估和验证信息再次对各技术领域的组成方案进行调整、补充和完善,并循环迭代,使各技术领域的设置分类更趋合理、更加符合实际应用需求。

图1 装备技术体系结构优化设计流程

7 结束语

装备技术体系研究既有理论方法层面的需求,也有实际应用方面的要求。本文在提出装备技术体系基本概念、结构特征及其优化设计流程的基础上,基本实现了理论、方法和工具的集成与闭环,为开展装备技术体系结构优化设计提供了理论、方法、工具和数据支撑,也拓展了技术体系结构设计方法的内涵与视角范围。研究表明,通过构建技术领域、技术方向和要素技术等3层架构,并以要素技术为基本研究对象,对提取复杂的装备技术体系结构特征,在理论方法上是可能的,在技术途径上是可行的。但是要形成结构清晰、要素齐全和符合实际的装备技术体系,还必须综合考虑数量规模限制、视角维度约束和管理状态衔接等多方面优化条件,重点开展实用性及其验证性研究,这也是装备技术体系优化设计研究面临的主要难点问题。只有充分发挥各领域技术专家群体智慧,并借助计算机辅助优化设计工具,在反复迭代,多方验证,逐步优化的基础上,才能实现装备技术体系研究的科学化和实用化。

References)

[1]Defense Science Board.21stcentury strategic technology vec-tors(Volume I～IV)[EB/OL].[2013-09-09].http：//www. acq.osd.mil/dsb/report.

[2]United States Air Force Chief Scientist.AF/ST technology horizons—a vision for air force science&technology during 2010—2030[EB/OL][2013-09-09].http：//wenku.baidu. com/view/73bcb5c289eb172bed63b799.html.

[3]晏湘涛.军事技术体系结构分析[D].长沙：国防科学技术大学,2002：15-20.

[4]任长晟.武器装备体系技术成熟度评估描述方法研究[D].长沙：国防科学技术大学,2010：8-17.

[5]DoD Architecture Framework Working Group.DoD architecture framework version 2.0[EB/OL][2013-09-09].http：// dodcio.defense.gov/Portals/0/Documents/DODAF/DoDAF_ v2-02_web.pdf.

[6]钱学森.现代科学的结构：再论科学技术体系学[J].哲学研究,1982(3)：19-21.

[7]赵少奎.现代科学技术体系总体框架的探索[M].北京：科学出版社,2011：239-248.

[8]许康,于衍平.科学技术体系的建构基础及演变方向探索[J].科学学研究,2006(2)：24-27.

[9]安波.国防科技预先研究发展历程及其启示[J].中国科技论坛,2009(5)：16-18.

(编辑：孙陆青)

Research on Weapon Equipment Technical Architecture Optimization Design Theory and Key Technology

AN Bo1, SHI Donghai1, SHEN Xueshi2, DANG Xiaoling1, WU Ji2, AN Maochun1, LIU Wu1, LIU Changli1

(1.Center of the Armament Research and Demonstration,Beijing 100101,China; 2.Center for Defense Science and Technology,National University of Defense Technology,Changsha Hunan 410074,China)

Focused on the construction demand of weapon equipment system and combined with the current situation of equipment research and management.This paper analyzes the domestic and foreign research on technical architecture,then provides the basic concept and structure characteristics of weapon equipment technical architecture,analyzes the optimization design principle and key technology,and forms the weapon equipment technical architecture optimization design process.It provides technical supports for the construction of practical and clear weapon equipment technical architecture and its application verification.

equipment technical;system architecture;optimization design

E 252

2095-3828(2014)02-0014-04

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.02.004

2013-10-09

部委级资助项目

安 波(1963-),男,研究员,博士.主要研究方向：国防科技发展管理研究.13911040090@139.com.