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体系工程方法在信息化装备体系建设中的应用概述

2016-02-08中国电子科学研究院北京100041

中国电子科学研究院学报 2016年6期
关键词:研制装备体系

(中国电子科学研究院,北京 100041)

陈奇伟



综 述

体系工程方法在信息化装备体系建设中的应用概述

(中国电子科学研究院,北京 100041)

陈奇伟

分析了体系工程的概念内涵和过程活动,探讨了面向信息化装备体系的体系作战能力生成模型框架,阐述了体系顶层设计、体系平台构建、系统装备研制、体系试验验证、体系工程管理等过程的内涵及工作要求。

体系工程;体系作战能力生成

0 引 言

前美军参联会主席W.Owens上将把未来的网络中心战思想归为体系(SoS,System of System)思想,认为实现网络中心战的关键,就是整合美军在ISR、C4系统和精确制导武器三个领域的技术优势,构建成一个信息化装备体系,为实现传感器到武器平台灵活、快速、无缝的链接提供支持[1]。而在信息化装备体系的构建过程中,本质上就是应用体系工程方法,开展体系中各要素的物理集成和能力集成,实现“以网络为中心”的体系作战能力。因此,如何应用体系工程方法,构建起适应网络中心作战要求的体系作战能力生成模型,指导军队信息化装备体系建设,是当前及未来一段时期内需要重点关注的问题。

1 体系工程方法概述

1.1 体系工程的提出

体系被称之为系统之系统(SoS),《现代汉语词典》将“体系”解释为“若干有关事物或某些意识互相联系而构成的一个整体”。美国国防部将体系定义为“互相依赖的系统组合集,提供的能力远大于这些系统的能力之和”[2]。通常,体系具有要素广域分布、要素行为自主、体系能力涌现、以网络为中心、动态演进等特征。

21世纪初,随着美军网络中心战概念推广,体系工程概念被普遍接受。2005年,美国于专门成立了体系工程研究中心(SOSECE,SoS engineering center of excellence)[3]。IEEE 自 2006年开始举办“体系工程”年度国际会议[4],Inderscience出版社从2008年开始出版专题杂志,专门研讨体系及体系工程问题[5],体系工程作为21世纪一个新的研究领域得到广泛认可。

1.2 体系工程内涵

尽管体系工程概念已经出现了10多年,但对于其概念内涵,尚存在众多分歧,不同的领域、不同实践,都对体系工程具有不同的理解和认识。《美国防采购指南》将其定义为:“体系工程的目的是通过对多个自治的、交互的系统进行综合集成起来满足某种需要的能力,这种能力也只能通过这种综合集成的途径进行获取”,此概念强调了体系工程是基于系统进行集成的特性。美国空军将其定义为:“体系工程是对现有系统和新开发体系能力的集成,以形成体系能力”[6],此概念强调了体系工程以体系能力生成为目标的特性。美国国防部将其定义为:“体系工程是处理现有系统能力与新系统能力集成为体系能力的规划、分析、组织和集成等活动,是实现国防转型变革以及推行网络中心战的方法论”[7],此概念在强调新旧系统集成和生成体系能力的基础上,进一步突出了体系工程对于网络中心战思想的重要意义。国内张维明、阳东升等专家学者,在综合多方定义后,归纳出了体系工程在不同领域理解的4个共性内涵[8]:

(1)体系工程是多用户的、动态演化的需求获取工程;

(2)体系工程是现有系统/部分、新系统/部分的能力集成工程;

(3)体系工程是大规模复杂系统的演化工程;

(4)体系工程是学科领域交叉、多方法论、多认识论的学科。

从上述定义中可以看出,体系工程是以系统工程理论和方法为基础,以需求获取和能力集成为重点,以适应体系动态演进,生成体系能力为目标的一门交叉学科。体系工程尽管源于系统工程,但高于系统工程,是解决系统工程解决不了的体系问题[9]。

1.3 体系工程过程

体系工程尽管是以系统工程的理论和方法为基础,但在体系工程过程上,与系统工程存在较大差别。传统的系统工程方法通常是以产品实现为核心目标,包括需求分析、功能设计、系统设计、系统研发、单元测试、集成测试、系统测试等过程,并应用系统工程方法对项目进行管理与控制,如图1所示。而体系工程重点是解决在多个独立自主、广域分布的系统要素下,如何构建体系,如何演进体系,以及如何生成体系作战能力的问题,通常包括需求分析、系统体系设计、技术体系设计、系统研制、技术体制验证试验、系统集成试验、系统效能验证试验等过程,项目管理与控制应用的也是相应的体系工程方法,工程过程如图2所示。从图中可以看出,相较于体系工程,系统工程主要是解决体系工程过程中系统研制环节。

图1 系统工程过程

图2 体系工程过程

2 体系作战能力生成模型

2.1 模型框架

对于军队信息化装备体系建设,在体系作战能力生成过程中,除考虑常规的体系工程过程外,尚需结合以下几个信息化装备体系的特点,对体系工程过程进行调整优化。

(1)体系顶层设计的复杂性

信息化装备体系建设是一个投资巨大、要素众多、关联紧密、风险很高的体系级系统,需求分析、系统设计等顶层设计成果往往需要大量运用数字仿真、半实物仿真等建模仿真技术进行定量化分析评估和试验验证,支持系统工作流程、接口信息关系、装备规模部署等顶层设计方案验证优化,支持最终在各种想定场景下作战效能的分析评估,针对该需求,信息化装备体系工程中需增加全数字仿真试验工作过程。

(2)装备建设的共用通用性

信息化装备体系涉及预警、情报、指控、火力等众多要素,各要素在研制过程中均涉及通信网络、安全保密、时空统一、信息服务等共用基础设施建设,体系建设过程中,为提高建设效益,统一技术体制,应尽可能地将这些基础设施进行统建,形成为各类业务系统提供基础设施服务的共用基础平台。同时,体系内,各要素间的信息交互和服务交互大多发生在业务重叠的通用业务领域,如,态势处理后信息的按需共享,协同作战条件下联合任务规划。因此,体系建设过程中,如果能将各类系统和装备的通用业务进行统建统用,将使各要素保持天然的一体化优势,为系统集成、系统升级、技术体制统一等带来极大便利,从而更好地促进体系作战能力生成。因此,在信息化装备体系建设过程中,需高度关注共用、通用业务部分的统建、统用,形成体系平台,降低体系建设成本,提高体系建设效率。

(3)体系作战能力形成的长期性

由于以网络为中心的信息化作战体系涉及各类装备要素,以及条令条例、战略战术和军事组织等诸多因素,系统自主协同、信息按需共享等网络中心作战能力的形成均需要大量的试验、试用和优化,在“研用结合、迭代发展”的模式下螺旋式迭代生成体系作战能力。因此,除关注体系构成要素的研制建设外,还需要构建一个支撑“研、试、训、战”一体化发展的综合试验环境,支持设计成果验证优化、支持装备集成试验和体系作战能力验证。

综合上述分析,以体系工程方法为基础,结合军队信息化装备体系建设特点,可构建起如图3所示的体系作战能力生成模型。模型以作战为输入,以能力为输出,主要包括体系顶层设计、系统装备研制、体系平台构建、体系试验验证、体系工程管理等过程,如图4所示。

图3 面向军队信息化装备体系建设的体系作战能力生成模型

图4 面向军队信息化装备体系建设的体系工程过程

2.2 体系顶层设计

体系顶层设计主要包括作战体系设计、系统体系设计和技术体系设计等过程。

(1)作战体系设计

在国家战略利益拓展和全军信息化装备体系建设的背景下,以典型作战任务为输入,从作战需求维度,深入分析研究战略需求、任务清单、组织关系、作战流程、规则模型、信息交互、能力指标等内容,为系统体系设计和技术体系设计提供输入。该过程以军方研究机构为主体,工业部门配合。

(2)系统体系设计

在作战体系设计成果的基础上,从系统支撑维度,分析设计针对各类作战需求,体系建设所需提供的系统体系架构、功能组成、工作流程、战技指标、信息关系和装备规模部署,设计形成系统总体技术方案和关键问题解决方案。

(3)技术体系设计

在系统设计成果的基础上,从技术实现维度,分析针对各类系统功能、性能需求,所需的关键技术和标准规范,牵引关键技术攻关,形成技术标准体系框架,制修订急需工程标准,为系统实现奠定技术和标准基础。

2.3 体系平台构建

体系平台构建主要包括共用基础平台、通用业务平台和综合试验平台的研制建设。

(1)共用基础平台

应用云计算技术中的基础设施即服务(IaaS)和平台即服务(PaaS)的建设思想,统一实施信息化装备体系在通信网络、时空统一、安全保密、计算存储等硬件基础平台,以及数字球、消息总线、集成框架等软件基础平台的研制建设,为各系统装备要素提供共用基础设施支撑。

(2)通用业务平台

应用云计算技术中的软件即服务(SaaS)思想,针对态势综合显示、联合任务规划、联合信息处理等通用业务功能,研制形成统一的通用功能模块,以通用业务服务、APP软件、席位终端等多种样式进行部署运用,为各级装备要素提供统一支持。

(3)综合试验平台

以支撑体系全生命周期研制、使用为目标,应用建模仿真技术,以全数字、半实物等方式,研制各类装备模型,建立边界约束条件,在试验管理、想定制作、导调控制、数据采集、效能评估等工具软件支撑下,形成一体化支持“研、试、训、战”的综合试验环境,积累试验资源,支撑体系试验验证工作。

2.4 系统装备研制

系统装备研制主要包括感知装备研制、指控装备研制和打击装备研制等。

(1)感知装备研制

按照系统工程方法,研制陆、海、空、天、网、电空间内的各类预警探测和情报侦察装备,支撑战场透明和信息优势形成。

(2)指控装备研制

按照系统工程方法,研制战略、战役、战术等各层级指挥、控制系统,支撑决策优势形成。

(3)打击装备研制

按照系统工程方法,研制火力打击、信息对抗、网络攻击等各类打击类装备,支撑将信息优势、决策优势最终转换为行动优势。

2.5 体系试验验证

体系试验验证主要包括全数字仿真试验、半实物地面集成试验和全实装作战能力试验等过程。

(1)全数字仿真试验

全数字仿真试验以实现设计方案优化、评估体系效能为目标,对装备探测范围、处理时延、处理精度、处理容量等能力指标进行外特性仿真模拟,采用人和实装软硬件不在回路的方式,在想定驱动下实现系统全要素运行,验证顶层设计中的系统工作流程、战技指标、系统信息关系等设计成果,优化装备编成与部署方案,评估体系作战效能。

(2)半实物地面集成试验

半实物地面集成试验以实现信息化装备体系的物理集成为目标,采用部分实装软硬和人在回路的方式,全流程、全要素下完成对各装备要素的接口、功能和性能的集成试验。

(3)全实装作战能力试验

全实装作战能力试验以实现信息化装备体系的能力集成目标,采用人和硬件均在回路的方式,在靶场近真实环境下,通过实物靶弹和电子靶弹的形式,驱动实装系统运行,检验全体系协同作战能力,以及电磁兼容性和复杂环境下的对抗能力,全面验证体系综合实战能力。

2.6 体系工程管理

体系工程管理主要包括组织管理、技术管理、产品保证等工作内容,相较于系统工程管理,体系工程管理更为注重对体系建设目标路线图、跨系统技术状态、技术标准规范等方面的工程化管理。

(1)组织管理

建立组织机构和人员队伍,明确人员职责和组织管理协调机制,分解项目工作任务,明确工作目标,制定工作计划,监控计划执行。

(2)技术管理

制定工程管理办法、技术文件清单及签署程序,形成体系工程研制规范,组织研制的过程中的技术研讨和技术协调活动,开展技术状态管理,组织重大节点的技术文件的评审和审查,跟踪监控和管理技术风险。

(3)产品保证

开展质量、标准化、六性、软件工程化等产品保证管理工作,建立质量管理体系,实施系统全生命周期的质量控制,对研制过程中的标准化贯彻落实情况实施监督检查,加强“六性”工程技术应用管理和软件工程化管理,为高品质实现体系作战能力提供保障。

3 美军应用情况

美军在信息化装备体系建设过程中,除重视单一装备要素研制外,特别注重体系顶层设计、体系平台建设、体系试验验证、体系工程管理等体系工程工作,推动以网络为中心的体系作战能力生成。

3.1 体系顶层设计

美军为了实现各级各类装备系统的综合集成,特别重视开展自上而下的顶层设计,通过顶层设计工作,指导和牵引具体装备研制。具体体现在以下几个方面:

(1)需求研究

2003年,美军为解决传统军事需求生成系统难以适应一体化联合作战要求的问题,将原军兵种主导的“需求生成系统(RGS)”改为国防部主导的“联合能力集成与开发系统(JCIDS)”,成立了专门负责的对联合作战需求进行评审和验收的联合需求监督委员会(JROC),以国家安全战略、国防战略和联合作战概念为指导,以发展面向联合作战的全谱军事能力为核心,形成了一整套成体系的军事能力需求分析方法和流程,确立了“基于能力”的需求生成制度,各类系统和装备建设均是在顶层需求文件(CRD)和作战需求文件(ORD)的指导下完成。

(2)系统体系设计

美军为规范和指导系统体系设计,早在1996年就建立了基于作战、系统和技术三视图的国防部体系结构设计框架,并且根据联合作战理论和信息技术的发展,不断扩充框架内涵,优化框架产品,实现对所有装备要素采办、开发开发过程的约束和规范,最终确保系统间的互连、互通、互操作,以及设计成果共享、共用。

(3)技术体系设计

美国特别注重关键技术攻关和技术体制统一,建立了关键技术的演示验证机制,形成了先期概念技术演示(Advanced Concept Technology Demonstrations,ACTD)论证方法,支持各类关键技术成熟度的不断提高。同时,面向“网络中心”转型发展需求,在“国防部技术参考模型(DoD TRM)”的基础上,提出了《网络中心行动和作战参考模型(NCOW RM)》和《网络中心互操作性解决方案(NESI)》,推进网络中心战下的系统技术体制转型,建立可网上共享的“国防信息技术标准库(DISR)”,持续更新国防部领域所采用的技术标准规范,逐步形成一体化系统技术体制和标准体系,为系统研制提供支撑。

3.2 体系平台建设

美军在开展骨干装备研制和改进升级的同时,也特别注重共用基础平台、通用业务平台和综合试验平台的建设。

(1)共用基础平台

海湾战争后,为改善“烟囱”林立的局面,美军于1993年正式批准建设国防信息基础设施(DII),随后在整个90年代相继发布8版《DII主计划》,逐步实现了对通信基础设施、计算基础设施、公共应用软件、功能应用软件等基础软硬件平台的统建统用。2000年3月,美军参联会联合参谋部正式向国会提交启动第二代国防信息基础设施“全球信息栅格”(GIG)的建设报告。同年5月,美军颁布2020年联合构想,明确“全球信息栅格”是美军获取信息优势的关键所在。通过GIG建设,美军实现了装备体系的网络化、信息化,使网络中心战概念成为现实。2013年1月,美国参谋长联席会议主席签发了《联合信息环境(JIE)白皮书》,继续推动对现有的信息技术基础设施、企业服务、安全架构的升级改进,以提升信息共享和全谱优势能力。

(2)通用业务平台

美海军针对“传感器、指挥控制、武器系统、信息网”构成的网络中心作战体系,初创了基于联合计划网(JPN)、联合数据网(JDN)、联合跟踪网(JCTN)的网络中心战系统体系结构。联合计划网主要着眼于指挥控制系统的需求,核心是依托全球指挥控制系统(GCCS),形成通用作战图像(COP),并提供分布的协同计划、自动辅助决策以及计划分发等手段和能力。联合数据网主要着眼于传感器系统的需求,其核心是以联合战术信息分发系统(JTIDS)为基础,在战区内形成多平台的通用战术图像(CTP),支持联合战区防空、导弹防御等作战行动。联合跟踪网主要着眼于武器系统的需求,以海军协同作战系统(CEC)、陆军增强型定位报告系统(EPLRS)、空军NCCT网络中心协同瞄准系统等通用业务功能系统为基础,形成基于传送实时、信息精确的传感测量数据而生成的单一合成空情图(SIAP)、单一合成海情图(SISP)、单一合成地情图(SIGP)、单一合成海底图(SIUP)、单一合成天情图(SISPP)等态势图像,从而提升武器系统实时火力协同控制能力。

(3)综合试验平台建设

美军通过构建分布式、多要素的各类信息化装备体系集成试验环境,支持各类系统集成试验活动和训练试验活的开展,以加速系统作战支持能力的生成。如,针对联合作战概念的开发和试验,提出了“联合概念试验演示(JCTD)”、“联合试验评估方法(JTEM)”、“研发试验评估(OT&E)”、“作战试验评估(OT&E)”等理论方法,构建了相应作战试验环境;针对信息化装备体系一体化发展,建设了国防研发工程网(DREN)、全球信息栅格试验床(GIG-EF)、移动C4ISR系统试验床(CFEC)、未来作战系统体系试验床(FCS SoSIL)、联合任务试验环境(JMETC)、国家网络靶场(NCR)、导弹防御综合作战中心(MDIOC)等试验验证平台,逐步形成了试验、训练和作战一体化(CTTO,concurrent test training and operations)的装备体系建设模式。

3.3 体系试验验证

为切实减少武器装备系统论证、设计、研制和使用的时间、资源和风险,降低采办全生命周期的成本,提高武器装备系统的质量,在应用需求的牵引与高技术发展的支持下,美国防部于1997 年提出了基于仿真的采办(SBA)新模式,利用建模与仿真技术对包括设计、开发、测试、制造、装备、后勤保障和报废等过程在内的国防采办全过程提供全方位的支持,全面提升国防部范围跨功能领域、跨采办阶段、跨采办项目的采办质量。同时,美军树立了“只有像打仗那样试验,像打仗那样训练,才能像试验(训练)那样打仗”的装备建设理念,通过依托一系列综合试验环境,在非战争条件下深入开展战争设计和验证。

3.4 体系工程管理

通过几十年的摸索,美军在体系建设方面积累了丰富的工程管理经验,不断调整组织机构,优化项目管理方法,为系统建设提供重要的组织机构和体系工程管理方法保障。针对信息系统顶层设计管理,专门成立了国防部首席信息官(CIO)委员会、国防部首席信息官办公室、各军兵种首席信息官办公室等常设机构,负责开展跨部门、跨军兵种信息化建设或信息系统研制协调工作。在导弹防御体系建设过程中,建立了导弹防御局进行统一管理,明确洛克希德马丁、波音等技术总体单位,牵头负责开展项目计划管理、技术状态管理和产品质量保障工作。

4 结 语

随着军队信息化进程不断加快,“体系”将成为信息化条件下军事作战系统的重要形态,但目前,国内就如何基于作战系统性形成体系能力缺少系统性的方法依据,信息化装备体系建设的工作内容、过程方法、关联关系均不清晰,体系建设往往还是以单一的系统装备研制部署为重点,对顶层设计、体系平台和试验验证等一系列总体工作重视程度不够,从而导致有了装备,却难以形成体系能力。本文基于体系工程方法,结合信息化装备体系的建设特点,分析建立了体系作战能力生成模型,可为我军信息化装备体系建设提供参考。

[1] LibickiM. Illuminating Tomorrow’s War.National Defense University Press,Washington DC,1999.

[2] GAO. DefenseAcquistions DoD Management Approach and Processes Not-Well Suited to Supports Development of Global Information Grid,2006.

[3] 谭跃进,赵青松. 体系工程的研究与发展[J]. 中国电子科学研究院学报,2011,(5).

[4] 胡晓峰,张斌. 体系复杂性与体系工程[J]. 中国电子科学研究院学报,2011,(5).

[5] 游光荣,孙晓,王继民,孙敏. 国内体系工程研究态势分析与发展建议[J].中国电子科学研究院学报,2013,(6).

[6] DSB. CombatIdentification,Office of the Under Secretary of Defense for Acquisition and Technology,2008.

[7] Congressional Research Service.Coast Guard Deepwater Acquisition Programs:Background,OversightIssues,and Options for Congress.June 2008.

[8] 阳东升,张维明,张英朝,修保新. 体系工程原理与技术,北京:国防工业出版社[M]. 2013.

[9] 张维明,修保新. 体系工程问题研究[J]. 中国电子科学研究院学报,2011,(5).

The Summary of SoS Engineering Method Applied in Informatization Equipment System Development

CHEN Qi-wei

(China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 10041, China)

This paper established a model forbuild capability of military SoS(system of system). This model based on SoS Engineering, analyzed the need processtype of SoS Engineering, and illuminated the requirement of each process. The model can provide guidanceand methodologyfor military informationization.

SoS Engineering;build capability of military

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.06.004

2016-07-06

2016-11-10

陈奇伟(1980—),男,湖南人,主要研究方向为信息系统总体设计工作;

E-mail:chenqiwei@sina.com

E0-03 文献标识码:A

1673-5692(2016)06-582-06

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