复杂装备系统体系架构设计工程化基本理论研究

穆 歌， 张富雪， 郭齐胜， 马 瑾

(1. 陆军装甲兵学院演训中心， 北京 100072； 2. 陆军装甲兵学院研究生大队， 北京 100072；3. 陆军装甲兵学院车辆工程系， 北京 100072)

体系架构是装备体系发展建设的蓝图，是保证装备体系科学发展的重要基础。装备体系是一类特殊的复杂巨系统，具有结构复杂、信息耦合度高等特征[1]。传统的基于文档的、依靠自然语言的体系设计模式已无法清楚地表达体系要素(单元、系统)之间的复杂影响关系。为适应装备体系发展需求，2004年以来，美国国防部发布了国防部体系结构框架(Department of Defense Architecture Framework，DoDAF)系列规范[2]1-56，并成功地开发了“机动作战单元的系统族体系架构”“全球信息栅格体系架构”等[2]483-527，为世界各国(地区)装备体系建设提供了重要参考。目前，我军在复杂装备系统体系架构设计方面，主要是在借鉴外军体系结构框架规范的基础上，结合我军特色进行理论研究与开发设计。虽然学术研究成果较多，但较为局部、分散，缺乏系统性。在实际设计过程中，存在流程规范性较差、复用性较弱、开发效率较低、体系架构设计与仿真平台间的适应性较差等问题，尚未形成一套完整、规范、通用的体系架构设计理论与方法，特别是在工程实践方面，缺乏适合我国国情和军情的，用以指导体系架构设计工程实践的方法论。因此，笔者在分析复杂装备系统体系架构设计复杂性特征的基础上，通过研究“过程流程化、方法模型化、手段工具化、信息数据化”的技术途径，解决在复杂装备系统体系架构设计过程中面临的应用理论、工作模式、技术方法等工程实践问题，旨在为复杂装备系统体系架构设计提供理论指导与技术支持。

1 复杂装备系统体系架构设计工程化理论的提出

复杂装备系统体系架构设计工程化主要考虑2个方面：1)复杂装备系统体系架构设计的复杂性，包括设计对象、参与人员、设计过程的复杂性；2)设计工程实践面临的实际问题。

1.1 复杂装备系统体系架构设计的复杂性

从设计科学的角度来看，复杂装备系统体系架构设计是设计客体(设计对象)、设计主体(参与人员)、设计动作(设计过程)的知识集合[3]。因此，可从上述3个维度来分析复杂装备系统体系架构设计的复杂性，其基本框架如图1所示。

1.1.1 设计对象的复杂性

复杂装备系统体系架构设计对象是复杂装备系统，其结构、功能及其交互高度集成与协同，呈现出典型的复杂系统的特征[4],是复杂装备系统体系架构设计复杂性的根源。

1) 结构复杂性。结构复杂性是复杂装备系统复杂性的最显著特征。复杂装备系统既可以是由多个子系统组成的单一武器装备(如一辆坦克、一架飞机等)，也可以是由多件或多种武器与技术装备构成的组合式复杂装备系统[5]。不论是单一武器装备还是组合式复杂装备系统，各个系统、装备并非孤立地存在，而是与其他系统、装备具有特定的耦合关系，这种多边连接关系是装备系统成为复杂系统的物理基础，装备系统中所有这种关系的集合就构成了复杂装备系统的结构，也直观地描述了复杂装备系统的存在形式。

2) 演化复杂性。复杂装备系统的结构、状态、特性、行为和功能等随着任务的变化和时间的推移而发生变化[6]。由于复杂装备系统是一个开放式的复杂系统[7-9]，具有多输入、多输出、多干扰、多变量等特点，其功能和结构演化过程的不确定性更大，从而加大了其体系架构设计的复杂性。

1.1.2 参与人员的复杂性

复杂装备系统体系架构设计通常由军事作战、架构设计、装备研究等多个领域的人员共同完成，每个领域的人员只能完成其某个(某些)明确的组成部分。如：军事作战人员提出作战构想；架构设计人员负责架构设计；装备研究人员参与复杂装备系统体系架构设计主体过程，负责能力需求分析、装备需求分析及架构验证与评估等。在复杂装备系统体系架构设计过程中，各领域的人员对复杂装备系统都具有各自独特的视角、利益和关注点。因此，在复杂装备系统体系架构设计过程中需要各领域人员跨域沟通、协同合作，从而加大了复杂装备系统体系架构设计的复杂性[10]。

1.1.3 设计过程的复杂性

复杂装备系统体系架构设计过程繁杂、领域宽广、设计方法和手段多样，是多过程、多学科、多方法和多手段的综合集成，也是多学科创新的系统工程，其研究领域涉及任务、能力、功能、技术和使用等多个方面，各方面对系统的研究角度差异较大，开展需求分析、需求描述、需求管理、需求建模以及验证与评估所采用的方法也各不相同，需要对设计过程涉及的需求数据实现高度的交互和共享；同时，信息流与控制流交织，需要在各环节之间建立关联关系，统筹各环节的目标和数据需求，建立以模型和数据为核心的体系架构设计方法体系，以保证设计过程的合理性和设计数据的一致性，从而提高复杂装备系统体系架构设计质量。

1.2 设计工程实践面临的实际问题

20世纪80年代，扎克曼框架[2]1-56(Zachman Framework)的提出开启了体系架构设计理论与方法研究的新纪元。世界各国特别是以美国为代表的先进国家开始对复杂装备系统体系架构设计理论与方法进行了系统研究，形成了符合本国国情的体系架构设计规范和标准(如最具代表性的DoDAF)，提升了体系架构设计的科学性。但随着基于DoDAF的体系架构模型设计方法在国内的广泛应用，由于思维方式、习惯等方面的差异，导致外军较为先进的体系架构设计理论与方法在我军的工程实践中出现了“水土不服”的问题，难以完全符合我军工程实践的要求，如DoDAF 2.0中的很多视图产品存在不好理解、用不上等问题。

体系架构设计是设计对象相关理论与架构设计经验循环迭代的过程，由于设计过程复杂、领域宽广、方法多样，因此对体系架构设计人员的专业素质要求较高。目前，在工程实践中，国内尚未形成一套规范、完整的理论与方法体系。亟需结合复杂装备系统体系架构设计工程实践，固化体系架构设计知识，通过构建顶层设计、分项研究、循环迭代的机制，提高体系架构设计的可实施性、可复用性和可迭代性，促进先进的体系架构设计理论与方法在我军体系架构设计工程实践中“落地”，实现其“中国化”“工程化”。

2 复杂装备系统体系架构设计工程化理论分析

复杂装备系统体系架构设计工程化理论分析主要包括相关概念、基本原理、主要特征、工作模式等，旨在系统地描述什么是复杂装备系统体系架构设计工程化，怎样指导工程实践等问题，为复杂装备系统体系架构设计工程化提供基本理论依据。

2.1 相关概念

装备系统是指能完成一定的军事任务，由相互配合的武器和技术装备组成并具有一定作战功能的有机整体。一般包括武器本身及其发射或投掷的各种运载工具、观瞄装置和指挥、控制通信等技术装备[5]。装备体系是指由功能上相互联系的各类、各系列装备构成的有机整体，通常包括战斗装备、综合电子信息系统、保障装备[11]。由于装备体系是一类特殊的复杂巨系统，因此本文所研究的“复杂装备系统”包括装备系统和装备体系2方面。

体系架构是复杂系统的组成部分，其相互关系以及随时间演化的结构化过程与系统的结构化属性相关联[12-13]。复杂装备系统体系架构设计是以实现设计需求目标为目的，综合运用设计知识和基本规律，将分散的复杂装备系统知识转换为结构化描述的过程，简言之，就是一个从初始状态到目标状态的转换过程，其概念模型如图2所示。

“工程化”已在各个领域得到广泛应用，但在不同领域中其内涵也各不相同。康昊[14]对“工程化”进行了概念辨析；郭齐胜等[15]提出“工程化”是在认识论、方法论、系统论、信息论、控制论与运筹学的基础上产生的，是对复杂问题的规律、原则和方法的科学认识；秦永刚[16]提出可用“工程化”反映正规、标准、规范和效率。因此，从内涵上看，“工程化”所指的“工程”具有系统工程的思想和方法。本文中，“工程化”是指综合运用系统工程、体系工程、软件工程、管理学、运筹学等多个学科的知识，为解决复杂的系统工程问题提供一套完整的科学方法论。

综上所述，复杂装备系统体系架构设计工程化是指以系统科学为指导，以复杂装备系统为研究对象，综合运用系统工程和体系工程理论与技术、软件工程技术以及流程优化技术等，建立一套能够科学、规范、完整地描述复杂装备系统体系架构的科学方法论，以实现过程流程化、方法模型化、手段工具化、信息数据化。其本质就是通过一套拥有模型、工具、数据有效支撑的流程化体系架构设计过程，最终实现体系架构设计的规范化、标准化，实现知识认知与经验的有效迭代。

2.2 基本原理

复杂装备系统体系架构设计工程化的基本原理即复杂装备系统体系认知方法，其设计过程是不同设计主体(各领域专家、军事作战人员、装备研究人员、架构设计人员等)之间知识流动的过程，实现由思维向文档再到数据的转换。复杂装备系统体系架构设计工程化的基本原理如图3所示。可以看出：复杂装备系统体系架构设计工程化是按照“查找本质问题，剖析分解问题，构建定性、定量模型，形成问题反馈”的过程，通过“明确目标、确定范围、形成初步设计方案、模型构建、分析与评估、生成结果文件”的步骤，进行要素分解、功能解构，并在“问题分析域、认知解构域、架构设计域”之间进行循环迭代来实现的。

1) 问题分析域，包括明确目标和确定范围2个步骤。各领域专家综合考虑国家安全战略、军事战略、装备系统建设要求、技术发展趋势等因素，采用集成研讨、文献调研等方法，按照复杂装备系统建设要求，明确复杂装备系统建设的目的和预期的用途，确定复杂装备系统体系架构设计的内容及相互关系，使各方建设人员在“问题分析”上对复杂装备系统的描述达成一致。简言之，问题分析域就是由识别问题到提炼出有价值的问题，使各利益攸关方达成共识的过程。

2) 认知解构域，是形成初步设计方案的重要步骤。其在问题分析域研究的基础上，将问题逐层细化分解：军事作战人员通过设计未来战争，提出军事需求，形成以文本为主要形式的研究报告；装备研究人员根据军事作战人员提供的军事需求研究报告，进行装备系统的能力需求分析、体系需求分析、装备需求分析等，形成结构化描述的研究报告；架构设计人员从不同视角(如作战能力、作战任务、系统功能等)提出装备系统体系描述所需的数据需求，完成相关数据的采集。认知结构域就是将各领域专家的思维知识转换成分项文档描述，并完成架构设计数据采集的过程。

3) 架构设计域，包括模型构建、分析与评估、生成结果文件3个步骤。由架构设计人员牵头，按照体系架构设计的标准和方法，将采集的非结构化文本形式的复杂装备系统体系架构数据转化为结构化架构数据，通过建立相关分析模型，最终形成基于模型描述的复杂装备系统体系架构，为复杂装备系统总体设计决策提供定性、定量的模型支撑。

2.3 主要特征

实现复杂装备系统体系架构设计工程化的目的在于探索一种将现有体系架构设计知识与工程实践有机融合的理论与方法。通过工程化的技术途径，形成详细、完整的设计内容，构建模型方法库和架构设计数据库，以适应设计对象的复杂性，并兼顾多方利益、便于分析评估和完成反馈迭代，提出规范的体系架构设计模式，使各领域人员在统一的规范下完成体系架构设计工作。其主要特征如下：

1) 可实施性。通过分解工作流程，规范设计内容，建立规范化的设计流程，明确各环节的设计内容与方法，便于经验较少的架构设计人员操作使用，实现体系架构设计的可实施性。

2) 可复用性。通过信息数据化的方法，构建可扩充、可修改、可再用、兼容性高的体系架构设计模型及数据库，实现体系架构设计知识的整合与共享，提高体系架构设计的可复用性。

3) 可迭代性。复杂装备系统体系架构设计工程化应采用开放的、可循环迭代的设计方式，便于先进体系架构设计理论与方法的修改和扩充。同时，通过体系架构工程化的实施形成相对固化的设计知识，便于军事作战人员、装备研究人员、架构设计人员继承现有设计知识，从而降低设计难度、提高工作效率，使相关参与人员有更多的时间进行科研创新工作，进一步促进复杂装备系统体系架构设计的创新发展。

2.4 工作模式

复杂装备系统体系架构设计按照“体系化设计、工程化推进、基线式管理”的工程实施方法，使体系建设和架构设计协调有序进行，通过采用“系统设计线-技术分析线”的双基线模式，如图4所示，分工分步推进、动态交互研究。

1)系统设计线。主要是认知解构域的工作模式，通过系统设计“过程流程化”的实施，使参与架构设计的各部门、各领域的人员在规范的设计流程下，明确职责分工及完成时限，实现从专家研讨成果到建立研究文档，最终形成体系架构研究报告，完成复杂装备系统体系架构设计。

2) 技术分析线。主要是架构设计域的工作模式，装备研究人员和架构设计人员按照技术分析流程化的设计过程，进行数据采集并分类。采用模型化的设计方法，通过架构设计软件平台完成体系架构模型构建、元素模型构建、模型验证与分析，构建定性、定量化的架构模型体系。完成体系架构数据的存储，实现架构设计的可分析性和可复用性，为复杂装备系统体系架构设计优化迭代提供支撑。

3 复杂装备系统体系架构设计工程化技术途径

复杂装备系统体系架构设计工程化技术途径包括过程流程化、方法模型化、信息数据化、手段工具化。其中：过程流程化是前提，为整个体系架构设计工作提供规范的流程；方法模型化是关键，是实现手段工具化理论与方法的前提，并为信息数据化提供基础数据；手段工具化是支撑，是方法模型化、信息数据化的实现手段；信息数据化是核心，是确保体系架构设计数据一致性的根本保证。复杂装备系统体系架构设计工程化各技术途径之间的关系如图5所示。

3.1 过程流程化

过程流程化是在系统工程理论的基础上，通过精简所有不必要的工作环节和内容、合并必要的工作、合理重排程序等方式[17]，优化设计流程，明确计划制定、协同合作、进度控制、任务分解等问题，提高设计工作效率。

3.2 方法模型化

方法模型化是采用基于模型的系统工程理论与方法，建立输出与输入、约束之间的关系[15](通常有定量和定性2种形式)，实现对装备系统体系架构的完整描述，为后续的分析、验证和确认等工作提供模型基础。

3.3 手段工具化

手段工具化是在过程流程化、方法模型化的基础上，应用计算机辅助手段，应用建模准确地描述复杂装备系统，支持体系工程过程的分析、设计、优化、评估等活动，以满足架构设计人员开展架构设计工作的工具需要。

3.4 信息数据化

信息数据化就是在各种形式的信息中，对表示实际对象的元素加以格式化和整合，通过计算机应用系统处理，形成包括构成视角、描述模型及产品等内容，体系架构数据实体、属性和关系，以及体系架构内部的数据组织。

4 结论

笔者将体系架构设计理论研究与工程应用实际相结合，为解决复杂装备系统体系架构设计理论与实践脱节的问题提供了一种可行的方案，通过“过程流程化、方法模型化、信息数据化、手段工具化”构建了实用性强的工程化关键技术，为复杂装备系统体系架构设计提供了可实施、可复用、可迭代、科学规范的理论和方法支撑。目前，复杂装备系统体系架构设计工程化研究还处于初级阶段，还需要进一步深入研究架构设计工程化相关的理论与方法。