网络信息体系的成熟度评估

刘俊先 曹江 张维明 高岚岚

网络信息体系作为一类复杂巨系统,任务多样,所处的环境也比较复杂,体系经常会遇到任务变化、环境变化、威胁变化等情况.体系的适应性评估衡量体系调整自身以适应任务和环境变化的能力.体系适应变化的方式既包括改变体系自身的组成结构、信息流程,也包括提升体系的性能等.

体系的适应性是一种能力.目前能力评估方法主要有3类.一类是解析法,主要通过建立能力的解析模型或给出能力的显式表达式来计算能力值.这类方法只对某些特殊的单项能力有效,对大部分能力难以找到其解析表达式,对于适应性而言更是难以建立适应性的解析模型.第2类是基于仿真模拟的方法,主要借助仿真模拟开展大量试验,通过试验数据挖掘分析得到能力评估值.这类方法与第1类方法类似,能解决部分能力评估中指标数据获取的问题,但对能力指标合成等工作并没有给出解决手段.第3类是综合评估法,通常是通过能力的逐层分解细化,最终用性能指标来代替能力指标.传统的基于层次分析法等的能力评估都是这种思路.从本质上讲,性能指标会影响能力指标或决定能力指标的表现,但性能指标不是唯一的决定因素,因此用“性能代能力”是不合理的.

能力是在规定的标准和条件下,采用多种方式方法执行一组活动并达到期望效果的本领.能力由活动产生,活动产生活动效果,体系能力通过活动效果得以实现,能力评估的对象是活动效果.因此能力评估应从活动出发,通过效果来落地,建立能力和效果的映射关系,通过评估活动效果来评估能力.

本文首先研究网络信息体系适应性的概念,在分析网络信息体系组织运用方式基础上,从“信息优势-决策优势-行动优势”入手,提出网络信息体系融合模式的概念和互操作、互理解、互遵循3个表征维度,并最终提出评估网络信息体系适应性的成熟度模型.

表1 体系适应能力指标体系

1 网络信息体系的适应性

1.1 体系适应性概念及评估方法

从生物学角度说,适应是生物体调整自身以适应环境的过程.以此类推,对一个个体、公司、系统或体系,适应是一个主体调整自身的组织、结构、流程以更好地适合外部挑战的过程.体系的适应性造就了复杂性[1].体系适应能力越强,体系就会越复杂,就会给体系的设计、建设和运行管理带来更大的困难和更多的风险.因此,从降低体系复杂性和运行风险的角度考虑,对体系适应性能力的要求应该是有限度的,不能一味追求高适应性.

国外学术界近几年来针对体系评估开展了一些探索性工作[2−8].针对体系互操作能力,卡内基梅隆大学的软件工程研究所建立了一种体系互操作能力模型并从计划互操作性、构建互操作性、业务互操作性和互操作环境等方面进行了深入分析[2].在体系的适应性评估方面,美国的Sandia国家实验室开展了较深入的研究,从鲁棒性、变化能力、重配置能力、组合能力、组织能力和性能5个方面提出了一组体系适应能力指标(如表1所示),给出了指标量化的方法和模型,特别是提出了体系适应性指数的指标,用于综合各单项指标以给出体系适应能力的综合度量[3−4].

此外还有研究针对体系数据共享能力,提出了基于体系使命任务分解和数据生成共享功能建模的分析方法;针对体系鲁棒性,提出了一种基于组成系统类型和接口所提供能力的定义体系的模糊评估方法;针对体系的弹性,提出了一种基于相互依赖关系的建模方法,通过贝叶斯网络分析对体系弹性进行评估,并结合近岸作战舰船体系进行了案例研究.

1.2 网络信息体系适应性的概念及内涵

网络信息体系的适应性是网络信息体系调整自身组成要素、流程关系、运行规则等,以适应各类任务和战场环境变化的能力,是体系敏捷性的重要部分.在体系适应性评估中,要根据体系可能的使命任务集和环境变化范围,确定合适的评估内容、指标和标准.

对网络信息体系而言,适应性等体系质量特征刻画的是体系在不确定任务环境下的应变水平,衡量体系是否对未来可能的风险有所准备,反映体系的内在本领.体系质量特征不直接体现为能力效果,但会从总体上提升功能性能力的水平,发挥类似“倍增器”的作用.以信息系统特别是C2系统为核心的网络信息体系,其适应多样化任务和环境变化的水平,可以从3个方面来衡量:一是体系互操作水平,主要是指通过信息活动的信息交互,使体系最终达成信息优势;二是体系互理解水平,主要是体系要素间通过态势理解、计划和决策等的交互共享,使体系达成决策优势;三是体系互遵循水平,主要是体系要素在任务执行过程中通过协同以及共同准则的遵守,达成整体上的行动优势.可以认为网络信息体系的互操作、互理解和互遵循是体系运行时,在信息域、认知域和社会域的层面为提高适应性而采取的活动.互操作、互理解和互遵循是手段,信息优势、决策优势和行动优势是效果.

决定网络信息体系适应性评估值高低的因素有两类.第1类是外部因素,即体系所服务的多样化任务和快速变化的不确定环境.第2类是内部因素,主要是体系组成要素、体系要素关系、文化、准则等内容.在外部因素不变时,体系组成、结构和运行方式越灵活、越合理,体系的适应性评估值越高.在内部因素不变时,外部因素的变化影响着体系的适应性评估值,但是不管外部因素怎么变,体系的适应能力是不变的,因为适应能力决定于体系的内部因素.在外部因素和内部因素都不变时,网络信息体系所采用的组织运用方式会决定体系的适应性评估值.

2 网络信息体系的融合模式

2.1 网络信息体系的组织运用

体系的运转或运行通常是自动的,因此,网络信息体系的组织运用一般是指在完成任务过程中所体现出来的体系要素的运行方式,以及体系要素之间的关联、交互、协作等模式.为了描述这些模式的特点和规律,可以根据体系要素所属的域,分析不同域的体系要素的运行方式、域内要素之间的关系以及不同域要素之间的各种关联、交互、协作等关系.这些方式、关系可以归结为两个方面:

一是体系要素运行时的自主程度.网络信息体系作为复杂系统,体系要素的自主性程度相比于系统组成单元而言要大得多,因此,体系要素在多大程度上能够自主运行是衡量体系要素运行方式的主要方面.用军事领域的语言来讲,体系要素运行的自主程度反映了体系中指挥决策权力的分配程度,如各域的要素有完全自主的指挥决策权,还是完全被集中指挥,还是介于两者之间.

二是体系要素之间的关联程度.不同域的要素关联的内涵是不同的,如联合感知域要素的关联本质上更多反映了信息在体系内的共享分布,联合决策域的要素的关联更多反映了认知和理解在体系内的共享情况.

网络信息体系要素运行的自主程度和体系要素之间的关联程度,反映了网络信息体系运行时的融合水平,即体系要素在完成任务时互相联系、交互、协作的紧密程度,本文将这种情况定义为网络信息体系的融合模式.

2.2 网络信息体系融合模式的表征维度

显然,不同的任务和环境下,需要的网络信息体系的融合模式是不一样的.有的任务需要联合感知域的体系要素广泛共享信息,而有的任务则更强调联合感知域的体系要素要及时共享信息而不是在域内进行共享.为了区分网络信息体系融合模式,从体系适应性特征出发,将前面的体系要素运行自主程度和体系要素关联程度具体化为体系互操作、互理解和互遵循3个维度.

体系互操作维度从信息的角度衡量体系要素所完成的信息活动之间的各种关系,以判断体系要素之间的信息共享水平.传统上互操作是指不同平台或编程语言之间交换和共享数据的能力.美国国防部将互操作界定为在执行一组指定任务时通过协作完成的活动,或系统、装备间直接交换信息、服务[9].广义的理解,互操作是通过信息交换达成协调工作的能力[10].网络信息体系的互操作指的是体系要素在完成任务时,通过信息交换来协作其他要素执行相应的信息活动,以满足任务的需要.体系互操作的关键是信息交换,效果是信息优势.

体系互理解维度从认知的角度衡量体系要素之间通过交互形成对当前态势的一致认识、判断和预测,并作出一致决策的水平.理解是领会、了解、懂得的一种心理思维过程,是对事物的意义形成了结构化的知识表达[10].互理解是协作各方遵循标准的概念框架和活动流程,从而为达成对事物的一致理解创造条件.互理解与觉知(Awareness)、理解(Understanding)和决策(Decision)等活动相关,它们都发生在认知域.觉知与态势相关,是先验知识和当前认识折衷的结果.理解是基于充分的知识对态势的可能结果进行推理,并预测态势的发展[11].态势觉知关注过去发生了什么、当前情况如何,理解关注态势如何发展、不同的行动对态势有什么影响.决策就是选择要执行的任务.互理解与共享理解间存在因果关系,互理解是实现共享理解的必然途径,共享理解则为体系要素的决策提供了统一基础,是形成一致决策、获得决策优势的重要影响因素.

体系互遵循维度从执行的角度衡量体系要素之间在执行任务时是否遵循统一的规范、标准、准则、文化,以通过协作实现任务同步执行、达成作战优势的水平.协作是衡量互遵循效果的重要手段,通过协作的效率、效能可以间接衡量体系要素是否遵循了统一的规范和准则,是否遵循了相互的要求和行动方案.

2.3 网络信息体系融合模式空间

以体系互操作、互理解和互遵循的水平为3个参量来表征网络信息体系的融合模式,则所有的网络信息体系融合模式形成了一个空间,即网络信息体系融合模式空间,如图1所示.

图1 网络信息体系融合模式空间

体系互操作水平的取值介于孤立和完全互操作之间,孤立代表体系要素之间不存在交互,完全互操作表示任何体系要素只要有需要就可以进行互操作.体系互理解水平的取值介于冲突的理解和完全一致理解之间.体系互遵循水平的取值介于完全自主行动与自发同步之间.原则上图1立方体中的每一个点都代表了一种网络信息体系融合模式.但是由于体系的互操作、互理解和互遵循是递进的关系,前者是后者的基础,因此,在图1的立方体中,立方体去除三角锥OABC的区域里一般不会存在可行的融合模式,常见的体系融合模式基本位于三角锥OABC里.

3 网络信息体系成熟度评估模型

3.1 成熟度概念和等级模型

成熟度是一个耳熟能详的概念,如软件能力成熟度、技术成熟度、管理成熟度等.软件能力成熟度模型是一种对软件组织在定义、实施、度量、控制和改善其软件过程的实践中各个发展阶段的描述形成的一种标准.技术成熟度是指科技成果的技术水平、工艺流程、配套资源、技术生命周期等方面所具有的产业化实用程度.

成熟度的评估通常采用等级模型,如美国防部将技术成熟度分为9个等级:1)基本原理被发现和阐述;2)形成技术概念或应用方案;3)应用分析与实验室研究,关键功能实验室验证;4)实验室原理样机组件或实验板在实验环境中验证;5)完整的实验室样机,组件或实验板在相关环境中验证;6)模拟环境下系统演示;7)真实环境下的系统演示;8)定型试验;9)运行与评估[12].软件能力成熟度模型(CMM)用于评价软件承包能力以改善软件质量,侧重于软件开发过程管理及工程能力的提高与评估,分为初始级、可重复级、已定义级、已管理级和优化级5个等级[13].

DSAlberts博士提出了一个衡量网络中心战(NCW)成熟度的模型(如图2所示)[14],该模型将NCW的成熟度分为5层,从态势觉知和指挥控制两个维度给出了NCW成熟度的演进途径,分析了各层成熟度的概念内涵,以及在实现信息共享、一致认知等目标方面,系统和组织之间需要的互操作能力水平.

图2 NCW成熟度模型

网络赋能C2成熟度模型(NATO NEC C2 maturity model,N2C2M2)是北约SAS-065研究组所提出的衡量C2方式成熟度水平的模型[15].N2C2M2根据决策权的分配、参与对象的交互模式和信息分布情况,定义了一组指挥控制方式,包括冲突式指挥控制(Conflicted C2)、去冲突式指挥控制(De-Conflicted C2)、协调式指挥控制(Collaborative C2)、协同式指挥控制(Coordinated C2)和边缘式指挥控制(Edge C2)[16].所有指挥控制方式的集合形成指挥控制方式空间.N2C2M2将C2成熟度分为5个层次,每个层次对应的指挥控制方式如图3所示.

图3 N2C2M2的成熟度与指挥控制方式

3.2 网络信息体系成熟度的定义

网络信息体系的成熟度是网络信息体系为适应任务和环境的变化,而切换自身运行时的融合模式的能力.参考N2C2M2,可以从3个方面入手定义网络信息体系的成熟度水平:一是体系要素能采用的融合模式,二是识别最满足要求融合模式的能力,三是从当前融合模式转换为最合适模式的能力.

网络信息体系的成熟度水平与一组特定的体系能力相关,而且高水平的成熟度所对应的能力一定涵盖了低水平成熟度的相关能力.每种网络信息体系的成熟度对应一组体系融合模式,在该成熟度水平下,体系能够根据需要从这组体系融合模式中选择合适的模式,并切换到该模式下运行.每种网络信息体系成熟度水平内能选择的体系融合模式的数量和在这些融合模式间转换的能力,是网络信息体系成熟度模型的两项重要内容.体系能力水平、体系成熟度水平和体系融合模式之间的逻辑关系如图4所示.

图4 体系能力、成熟度与融合模式的关系

为了评估网络信息体系的成熟度,需要以网络信息体系能力需求为依据,制定网络信息体系的成熟度水平,并确定每种成熟度水平对应的体系融合模式.

3.3 网络信息体系能力等级

网络信息体系能力多种多样,水平各有高低,总体能力等级描述了作战对网络信息体系能力的要求.体系的最重要特征就是能力的涌现特性,通过能力涌现,可以完成单一要素不能完成的任务.体系能力涌现的机理极其复杂,目前尚不清晰,但有一点是至关重要的,即体系要素要通过协作、交互和联合,才有可能形成新能力.

网络信息体系要素在执行任务时既要有自主性,又要根据需要服从指挥、接受控制,并与其他要素进行协作以联合完成任务.网络信息体系的组成要素根据能力的不同可以分为多种类型,相同类型的体系要素形成网络信息体系的域,如联合感知域、联合决策域和联合控制域等.不同域的网络信息体系要素协作、交互和联合水平的高低,代表了网络信息体系能力的总体水平.本文把体系能力水平分为6个层级,具体如表2所示.每种等级下体系要素在指挥、控制和联合协作方面的特征是不同的.

表2 网络信息体系能力等级及其特征

随着能力等级的提升,体系内要素的指挥、控制和协作的范围逐渐从域内扩展到跨域、再到全域,最后具备灵活、按需、适应等特性.

3.4 网络信息体系成熟度等级模型

对每一种网络信息体系能力等级,都可以映射到相应的体系成熟度,如图5所示.

每种网络信息体系成熟度都对体系的互操作、互理解和互遵循水平有特定的要求,因此,每种成熟度等级都对应了网络信息体系融合模式间中的一个区域,这些区域可能相交,也可能不相交,如图6所示.每个区域都代表了一系列网络信息体系的融合模式.

在后续研究中,将具体分析网络信息体系每种能力等级的具体特点和要求,进而明确每种网络信息体系成熟度等级的要求.在分析每种成熟度的网络信息体系互操作、互理解和互遵循特点后,结合网络信息体系域的划分和域特点分析,提出一组典型的网络信息体系融合模式,进而明确每种网络信息体系成熟度对应的体系融合模式集,并分析各融合模式转换的前提条件和具体方式.对网络信息体系的互操作、互理解和互遵循,也将从使能手段和外在效果两方面,结合信息优势、决策优势和行动优势的研究成果,建立网络信息体系互操作、互理解、互遵循的具体等级评定模型,提高网络信息体系成熟度评估的可实现程度.

图5 网络信息体系成熟度水平与能力水平的对应

图6 网络信息体系成熟度对应的融合模式区域