装备体系保障性研究综述*

丁 刚，张 琳，崔利杰，王利勇，丛继平

（1.空军工程大学防空反导学院，西安 710051；2.空军工程大学装备管理与无人机工程学院，西安 710051；3.解放军93920 部队，西安 710061）

0 引言

信息化战争中，体系化作战成为常态。随着战争形态与科学技术的发展演变，单个装备或装备系统完成作战任务变得比较困难，常常需要具备一定结构和功能的装备体系来达成作战目标。体系化作战、体系化保障、体系化评估成为装备体系研究的关键问题。

装备保障是部队战斗力的重要组成部分。装备体系的可保障性已经成为与装备体系性能同等重要的质量要求。特别地，在执行战训任务时，装备保障机构往往根据以往演习、训练保障经验等制定装备保障方案，对保障方案生成、评估的适用性、合理性验证缺乏行之有效的方法手段。这一问题的解决对推动装备更好地满足作战使用需求，促进部队装备保障能力的提升具有重要意义。因此，研究装备体系的保障性问题具有一定的理论和现实意义。

1 体系保障性概念界定

1.1 保障性

GJB451A《可靠性维修性保障性术语》［1］中，对保障性的定义为：“装备的设计特性和计划的保障资源满足平时战备完好性和战时利用率要求的能力”。保障性是装备质量满足使用要求的能力，这里的质量决定于“设计”和“计划”两方面，其中“设计特性”是由设计人员赋予系统的属性，“计划的保障资源”是装备使用保障中可获得的物质和人力。装备“使用要求”通常由战训任务转化得到。保障性是装备、资源、战训任务互相匹配作用的综合系统特性，保障性关乎装备的设计特性，也关乎后续保障资源，关注装备全寿命周期中的全部保障问题。

1.2 体系保障性

1.2.1 体系概念

体系（System of Systems）的思想最早由Boulding提出，而System of Systems 这个词则首先由Berry 在1964 年提出，后来Eisner 在研究多系统集成时提出体系的概念、特征［2-5］。众多学者结合自身不同的研究领域对体系相关问题进行了探讨，比较有代表性的是Russell［6］、Shenhar［7］、Kotov［8］、Jamshidi［9］等关于体系概念内涵的界定；Jackson［10-11］、Eisner［12-13］、Halland［14］、Aaron［15］、Maier［16］、Pei［17］、Sage［18］、Cook［19］等关于体系方法论的研究；Maier［20］、Caffall［21］、Curtis［22］、Reckmeyer［23］、Boardma［24］、Kovacic［25-26］、Andrew［27］关于体系工程相关问题的研究；Owens［28］、Manthorpe［29］、Maier［30］、Kilicay［31］、GAO［32］等则将体系研究用于解决国防和军事领域的相关问题。从国外的情况看，体系研究应用于各个行业，特别是军事领域复杂时变多要素问题的解决。

国内对体系的研究起步较晚，发表的有关体系方面的论文也比较少，在2005 年-2011 年期间，研究人员对体系相关问题进行了较多探讨，逐步讨论明晰了体系的概念内涵。有代表性的是：军事科学院张最良［33-34］研究员在2005 年香山科学会议第269 次学术研讨会的报告，及2006 年发表在中国科学基金期刊上的“体系开发规律和科学途径”一文，探讨了体系的概念及特性，体系开发研究的重要意义、面临的困难挑战以及研究体系开发需关注的关键问题。2006 年李增惠［35］发表的“体系开发规律和科学途径——香山科学会议学术讨论会综述”，也给出了体系的概念及体系开发相关研究情况。上海交通大学的王元放［36］博士发表的“‘系统的系统’综述”，对“系统的系统”定义、特征、分类体系、建设原则，以及研究和实践发展前景等进行归纳和整理。国防大学胡晓峰［37］教授的《战争复杂系统仿真分析与实验》，给出了体系的基本概念和战争系统中的体系及其特性。国防科技大学阳东升［38］博士等发表的“信息时代的体系——概念与定义”，总结了国内外关于体系概念与定义的相关研究，给出了信息时代体系综合定义的层次划分的理解途径，比较分析了体系与人工系统以及复杂系统概念的本质差异。国防科技大学张维明教授等在2010 年出版了《体系工程理论与方法》，系统地总结了关于体系与体系工程的前沿研究，提出了体系与体系工程的基本概念、原理和方法，构建了体系工程理论与方法体系，具有较高的学术研究价值。国防大学金伟新［39］教授在2010 年出版了《体系对抗复杂网络建模与仿真》，其中给出了体系的定义，并对体系对抗复杂网络建模与仿真进行了深入研究。北京系统工程研究所游光荣［40］研究员发表的“关于体系与体系工程的若干认识和思考”，探讨了体系的概念，分析了体系的特点，对体系开发、管理和应用所面临的新问题进行了思考，研究了体系工程的概念、方法和关键技术，提出了武器装备体系工程的概念。国防科技大学的谭跃进［41］教授发表的“体系工程的研究与发展”，论述了体系与体系工程的概念，提出了体系工程的研究框架，以体系需求为例，系统地总结了武器装备体系需求分析的过程。

至2011 年左右，国内关于体系概念内涵的认识日渐清晰明确。体系概念虽无统一的定义，但研究人员及学者对体系内涵有了一个基本的共识，这也能为后续研究相关具体问题提供一定的基础。概念是反映事物本质属性的思维形式，思维形式是人类理解和面对繁杂而且无序的世界万物的思维框架。值得一提的是，模型、方法论在某种程度上也具有这种作用，这里也就不难理解为什么众多学者在定义体系的过程中时不时把它描述成“方法”“模型”“结构”等等，这些研究为我们从不同的视角理解体系提供了一定的帮助。为了更好地把握航空装备领域体系的本质，同时便于后续保障性研究工作的展开，本文在综合分析的基础上选取给出体系及体系典型定义：体系（System of Systems，SoS）是由目标一致、功能协调、自主管理的系统构成的具有一定能力、完成一定任务的复杂物质或抽象系统。一般将体系研究归纳为系统科学，是系统科学对大规模复杂系统的综合研究［42］。体系结构（System of Systems Architecture，SoSA）是组成体系的系统之间的关联，这种关联包括层次关联、功能关联、信息关联及替代关联等，结构的产生服务于体系运作机制［43］。体系效能（System of Systems Effectiveness，SoSE）是指装备体系实现特定任务目标的有效程度，即在给定威胁、条件、环境和作战方案下装备体系完成作战任务效果的度量，是一个整体性、动态性和对抗性的概念［44］。

1.2.2 体系构建

体系一般拥有开放的边界，随着环境与输入的变化，体系在可承受的范围内，不断地适应这种变化，以完成体系使命为最终目标。体系构建是体系研究的核心问题，体系构建以使命需求为依据，以能力需求为核心，以系统单元为基础。通常遵循“自顶向下”定性分析（目标分解- 任务建模- 体系构建）与“自底向上”定量综合集成（系统研发- 功能集成-能力聚合）相结合的原则，以“能力”为纽带连接“自顶向下”的分解工作与“自底向上”的综合集成工作，最终形成与使命匹配的体系［44］。体系构建是一个融合了管理过程与技术过程的复杂活动，体系构建机理可提炼为一体、两核、三层、四环、五要素。如图1 所示，一体指体系是由系统耦合交互构成的具有适应性和涌现性的整体。两核是指基于能力的体系需求开发和基于多视图的体系结构设计方法，基于能力的需求开发是目前体系需求研究的最主要的方法，基于多视图的体系结构设计能够比较高效地对体系进行描述、设计和开发。三层是指用户需求层、体系能力层和系统功能层。四环是指概念开发环、需求开发环、体系开发环、体系综合环及系统工程环，概念开发环通过分析体系使命输出体系的目标和约束；需求开发环以输出体系需求、能力需求和功能需求及其之间的映射关系为目的；体系开发环从全局视图、系统视图和技术视图3个视角对体系进行描述，构造体系结构；体系综合环分析现有系统、设计新系统并对这些系统进行集成；系统工程环则是传统系统工程的经典闭环过程，通过系统单元、通用平台和基础设施完成系统的设计、开发与实现。五要素是指体系的使命、能力、结构、机制和单元。

图1 体系构建

1.2.3 体系保障性

通过以上分析，给出体系保障性定义：体系保障性是一定战训任务牵引下相互独立、相互协作的若干装备，或装备系统构成的装备体系构建特性和规划的保障系统满足战训任务指标要求的能力。体系保障性是装备体系满足使用要求的能力，决定于体系构建、环境扰动和保障运行3 个方面，其中，体系构建, 是由作战指挥员和保障指挥员根据战训任务赋予体系的初始属性；环境扰动是体系运行过程中外界条件变化对体系的动态影响；保障运行是装备体系承担使命任务过程中可获得的保障物质和人员及其运行管理。体系保障性是战训任务、装备体系、保障系统围绕体系目标综合作用的能力特性。保障系统在实际运行过程中大多数时候也可以作为一个体系来分析，可以将体系保障性看作装备体系的保障分体系。

2 装备体系保障性研究现状

保障性是装备、资源、战训任务互相匹配作用的综合系统特性，保障性模型构建则是采用不同的方法和技术建立装备、资源和战训任务的数学或逻辑模型。从保障任务规划与调度、保障资源需求确定与优化配置、维修实施与优化、体系保障性指标构建和体系保障性仿真技术5 个方面进行梳理。

2.1 保障任务规划与调度

高龙等［45］构建了基于多Agent 的分布式装备保障体系任务分配框架，提出了以任务成功率为中心的分布式装备保障任务分配模型，保障任务来源于装备体系遂行作战或训练任务时产生的装备保障需求，其研究的重点集中于保障任务的分配。Luo L Z 等［46］设计了一定流程优先级限制下的多机器人组任务分配算法；左文博等［47］建立了防空反导装备抢修任务分配建模；王坚浩等［48-49］构建了装备保障编组协同任务规划数学模型和方法，可对大规模复杂任务分配方案进行求解。提出基于多维动态列表规划和混沌蝙蝠算法的混合任务规划方法；马海英等［50］基于区域作战时保障力量设置在一个保障基地，研究了其保障任务分配的数学模型和求解算法；赵田等［51］以装备保障任务为对象，从任务流程、信息流转、过程控制3 个方面探究装备保障任务规划机理；邢彪等［52］以保障任务的成功性为度量标准，提出了保障节点的任务分解、支援和协同策略，并在此基础上建立了装备保障体系的任务鲁棒性指标。李康等［53］从仿真建模角度出发，对装备保障效能仿真评估中的任务建模因素、任务模式和执行过程进行了研究。Song T L 等［54］从系统任务需求的角度，提出了作战特性和保障特性的概念，并分析了两者之间的关系，进一步研究了系统保障性目标的定义、组成、内容及要求，介绍了确定系统保障性目标的方法。

保障任务规划与分配研究中，多以装备保障任务为对象，考虑战训任务的研究较少，或者大多数情况下将作战任务进行简化处理；规划与调度的衡量指标多为保障任务或单一装备的任务成功性指标，较少考虑现代作战条件下多型大数量装备的体系级指标；某一保障任务中多以单一保障任务的规划与分配作为研究对象，较少考虑实际复杂任务及其多阶段转化条件下多类型多流程的保障任务规划；未见有从装备体系支撑作战任务的角度提出全面的体系级的保障性评价指标，并对相应的维修保障任务与调度进行全要素、全流程、全过程的研究。

2.2 保障资源需求确定与优化配置

于风竺等［55］从保障任务切入，构建了基于任务优先级的保障资源优化配置模型；王铁宁等［56］以遂行多阶段作战任务的装甲装备群为研究对象，构建装甲装备群携行备件配置优化模型，实现携行备件资源的针对性配置；胡文璟［57］通过对保障性分析方法的研究，提出了适用于在装备研制开发企业中配套研制保障资源时的过程与方法；李鼎［58］研究了基于Petri 网和改进遗传算法的基本作战单元使用保障资源仿真优化模型构建方法。盛旺等［59］通过对基本作战单元的使用保障任务可靠性进行分析，构建了基于排队论的单个作业使用保障设备配置优化模型，并采用解析方法对模型进行求解，优化使用保障设备的配置方案。Li L 等［60］研究了以最小化完工时间为目标的任务时间不确定的鲁棒性资源配置问题；王睿等［61］建立了考虑战时动态任务、装备自然故障和战损故障、备件的报废和采购等因素的战时备件维修和供应保障模式下的舰艇编队任务成功性评估模型；盛经雨［62］构建了基本作战单元使用保障资源协调配套评价指标体系；Hooks 等［63］研究了利用OSA（Open System Architecture）方法对航空电子系统资源统型与标准化以减少出厂费用和寿命周期费用。

保障资源需求确定与优化配置研究，多以保障任务或装备单元为切入点，研究某一单一资源的或单个作业使用保障装备设备或备件的优化配置问题；资源配置效能的度量多以保障流程或行为本身的完成度为衡量指标，少有涉及对最终战训任务完成的影响评价；保障资源的配置多面向某型装备或基本作战单元，面向作战单元或作战集团装备体系的需求与优化较少。未见面向装备体系及其任务对保障资源全要素整体运用的研究。

2.3 维修实施与优化

韩小孩等［64］研究了“不完全维修”条件下的功能单元任务可靠度评估方法和任务期间维修时可修单元组合任务维修度评估方法，并进一步对装备任务成功性进行评估；王开良等［65］建立了基于兰彻斯特方程的维稳军事行动军械装备维修任务量估算方法；刘文宝等［66］针对装备维修任务规划的特点，构建基于遗传算法的维修任务规划策略，建立了以作业总维修工时最短为目标函数的维修保障任务规划数学模型。曹立军［67］提出了以任务成功性为中心的维修策略。以某型自行火炮为例，建立反映其任务成功性的评估指标体系。郭霖瀚等［68］描述了基本作战单元的预防性维修过程，提出了故障发生比、更换比和报废比参数，建立了仿真模型，并根据Monte Carlo 仿真原理给出仿真算法；綦海龙等［69］确定了装备维修保障维修任务量模型，进一步运用任务安排模型给出了任务数多于维修人员数和维修时间有限两种情况下的处理方法；刘斌［70］提出以舰船任务可用性评估舰船维修保障系统效能的方法，针对保障资源优化、维修策略优化对装备保障体系效能的影响进行了分析和研究；田舢等［71］建立了装备抢修任务分配问题的数学模型，以装备整体修复时间最短为目标函数，提出了应用遗传算法解决该类问题；张涛［72］在分析装备平时和战时的任务需求特点的基础上，研究了装备使用阶段的维修保障能力评估指标，以使用可用度和任务成功概率为主要评估指标，建立了相应的模型及其求解算法。

维修实施与优化研究集中于单装或基本作战单元维修任务规划、分配与维修能力评估；对装备功能单元则考虑到任务维修度的评估方法；针对某型装备研究了维修保障系统的效能评估，对资源与维修对保障体系的效能影响进行了研究；一些学者建立了某些维修过程的计算机模型描述，建立相应的评价指标和仿真算法；从战训任务出发到维修保障实施与优化的研究较少，面向任务的装备体系级的维修相关要素与流程优化较少。

从以上文献分析可以看出，当前保障性研究在保障任务规划与调度、保障资源需求确定与优化配置和维修实施与优化3 个方面进行了较为深入的研究，这些研究成果为面向任务的装备体系保障性研究提供了一定的技术基础。另一方面，针对装备体系保障性建立科学完整的计算机描述模型，从战训任务出发构建评估保障性的体系级指标，面向装备保障指挥建立智能决策仿真模型的研究很少，特别是将“指标构建- 智能决策”综合联通研究并进行系统实现和案例验证的还未发现。

2.4 体系保障性指标构建

体系保障性指标构建作为一个新的研究领域，是从型号装备保障性参数、装备系统的保障性指标逐渐发展而来的，在理论和方法上都有了一定的积累。关楠［73］提出了基于灰色理论的装备保障性评价数学分析方法，解决了保障性工程中对定性定量指标的定性分析，用来评估保障性工程的决策优劣。金荣［74］给出了一种基于熵权多目标决策的某型飞机保障性评价方法，其评价指标和评价对象面向单型装备。李军亮等［75］通过更新过程理论建立故障时间和维修时间服从一般分布的系统可用度方程，给出并证明了系统可用度求解的一般方法，其系统界定为军用飞机及其子系统和部件。郭小威等［76］针对装备群多阶段任务特点，以最大化任务可用度为目标建立了规划模型，提出改进算法对模型进行了求解，但其维修活动假定在任务间隔期内，未考虑持续任务与维修同步进行的情况。魏勇等［77］通过任务成功率定义建立任务成功率仿真模型，将原理模型应用于某舰艇多阶段任务训练仿真。陆凯等［78］建立了装备体系维修保障能力参数体系，有助于维修保障能力建模以及仿真，其参数体系建立基于平时保障流程。Claude M.Bolton Jr［79］提出未来作战系统FCS 中与后勤保障相关的两个关键性能指标参数，即运输与布署指标KPP4 和支持与可靠性指标KPP5。通过FCS 体系保障相关技术优化达到提高后勤保障效率和降低作战费用的目标。Mohammad Asjad 等［80］建立一种获取机械系统保障性特征的概念框架，通过研究发现从用户的角度出发可用度和寿命周期费用是定量描述保障性的可行指标。通过进一步研究，Mohammad Asjad［81］等给出了系统可用度的定义，建立了机械系统基于使用和维修保障的系统可用度模型，分析了RMS 参数对机械系统可用度的影响。Chang Y 等［82］分析了故障冗余多阶段任务系统FTMPS 的任务可靠性，建立了阶段持续时间随机、维修活动非指数分布，以及不同维修策略下的解析计算方法，以太空船执行近地飞行任务和分布式计算机系统完成长时科学实验为例进行了验证。

可以看出，当前保障性指标研究多面向单一装备及其部件，侧重于通过保障性分析建模影响装备的设计制造过程及费用控制，对装备体系完成战备与战时使用任务的研究相对较少，一方面凸显出保障性研究与现代条件下作战任务特点不完全相适应，另一方面也体现对装备体系保障性指标的构建还存在诸多不足。可以考虑通过明确装备体系保障性的概念，在分析装备体系保障性逻辑控制机理的基础上，建立装备体系的保障性指标体系，通过某种形式给出各保障性指标的明确定义及计算公式，为后续开展体系保障性评价和决策奠定基础。

2.5 体系保障性仿真技术

系统建模是指将一个实际系统的结构、功能、输入输出关系用数字模型、逻辑模型等描述出来，用对模型的研究来反映对实际系统的研究［83］。有了系统模型，再借助于计算机，就可以模拟系统和功能，这就是系统仿真，相当于在实验室内对系统做实验，即系统的实验研究。体系是大规模的系统集成，一般意义上，体系属于一类特殊的系统，在解决体系问题时，应将其视为“系统工程发展的新领域”［84］。

武器装备体系研究的根本目的是武器装备体系优化，核心是比较和选择［85］。优化选择的目标可以是效费比最大、对使命任务适应度最大、对任务变化鲁棒性最强、获取信息与决策优等［86］。体系保障性研究的优化对象主要是装备体系的维修保障能力，按照维修保障能力的表现形式，可分为通过实际作业进行的评估和不通过实际作业过程进行的评估，第1 类包含实战（演习）评估、试验评估、实兵演练评估等；第2 类主要是建模与仿真方法［87］，建模与仿真方法克服了实战、武器装备试验和实兵演习的缺点，无需实际使用装备，通过建立装备体系活动与演化模型，在各种不同外界输入条件下进行反复计算和评估，具有经济、简便、灵活、通用等特点，因而成为非实战条件下评估装备效能最常用和最主要的方法。

近年来，随着装备全寿命周期特别是作战使用保障问题的凸显，装备保障建模与仿真研究逐渐引起学者的重视。潘星等［88］基于体系工程（SoSE）需求开发过程和装备体系特点，给出了装备体系RMS 论证框架；罗湘勇等［89］针对复杂装备保障任务提出了基于DoDAF 的装备保障任务建模与仿真验证方法；米巧丽等［90］基于ExtendSim 对舰炮维修保障过程进行了建模与仿真；尹丽丽等［91］基于多智能体对装备保障体系进行了分布式建模与仿真；寇力等［92］对基于多智能体的装备保障体系仿真关键技术进行了研究，构建了原型系统并进行了案例分析；Mahulkar 等［93］基于智能体对海军作战人员日常维修流程进行了体系建模与仿真分析；Yang L B 等［94］基于智能体对多源数据集成进行了研究，以解决高速公路信号系统维修决策支持的问题；Cao Y 等［95］基于多智能体系统对装备保障过程建模进行了研究；Panteleev 等［96］人基于智能体方法建立了一种装备维修保障过程模型，用以解决维修服务公司提供相应服务的优化；Du X M 等［97］建立了基于智能体的装备保障指挥框架，对各智能体的沟通机制进行了设计。

以上文献对装备保障体系建模与仿真相关问题进行了较为深入的研究，其需要改进的地方主要集中在3 个方面，一是缺乏从完成装备体系任务的角度出发建立全面的建模、评价、验证和优化的解决方案研究；二是在构建模型的过程中，对于保障体系要素数学和逻辑描述科学性有待提高，主要表现在体系自适应性和涌现性的表示和控制；三是由于模型设计开发的复杂性，很多仿真更加关注模型的设计、开发和运行，对实验设计和实验分析方法着力不够，导致问题的研究缺乏深度。另一方面，对在一定任务条件下装备保障体系的研究还很少。考虑多Agent 技术在解决复杂系统仿真领域涌现性、演化性问题的优势，可以考虑基于多Agent 仿真建模技术，提出装备保障体系的多Agent 仿真开发过程，建立构成装备保障体系仿真的多Agent 模型。从完成装备体系任务的角度出发，建立较为全面完整的保障性建模与仿真技术方案，支撑装备保障能力提升的决策分析和方案优化。

3 结论

信息化战争中作战力量运用呈现出明显的体系化发展特点，装备保障已经成为部队战斗力的重要组成部分。本文深入分析了体系概念及其构建机理，界定了体系保障性的概念。进一步分析了国内外装备体系保障性研究的现状。最后，对面向任务的装备体系保障性研究中“指标构建-智能决策”两个方面的研究现状进行了分析。下一步应当在装备体系的任务规划、保障资源确定、维修实施等方面加强理论与技术研究，特别是保障性评价指标和保障性问题的仿真技术方法研究，对解决体系保障性问题具有重要作用。本文研究对后续开展面向任务的装备体系保障性建模与仿真评估工作具有一定的指导意义。