美军体系工程发展及启示

摘 要：      体系化战场环境使得装备系统与作战体系间交互纷繁复杂，在联合作战环境下的装备体系建设过程中，体系工程的重要性日趋凸显。美军经过长期积淀和摸索，其体系工程不断成熟，有力促进了其联合作战体系下的装备体系建设。本文研究了美军体系工程的作用和应用，结合NIFC-CA体系工程研制历程及美国国防部需求论证机制，总结了美军体系工程建设的特点，提出对国内武器装备体系建设的启示。

关键词：     武器装备; 体系工程; 装备体系; 联合作战; NIFC-CA

中图分类号：     TJ760; V37

文献标识码：    A

文章编号：     1673-5048（2022）02-0052-08

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2021.0141

0 引  言

随着信息化战争步伐的加快，装备系统与作战体系之间的联系日趋复杂，装备体系建设难度加大。体系工程通过对现有或新开发系统组成的混合系统的能力进行计划、分析、组织和集成，发展制定技术标准化来推动系统间互操作，从而成为辅助装备建设的有利手段。体系工程是对传统系统工程思维方法的扩展，可解决多种多样复杂系统汇合在一起形成体系时的工程化问题。美国SoSCE、INCOSE、麻省理工、普度大学、MITRE公司、IEEE都成立了体系工程研究机构，进行体系工程研究。在军事领域，美国国防部认为体系工程是促使国防部成功采购装备的手段，制定了一系列政策，包括核心系统工程技术和管理流程，这些制度将国防部系统各阶段联系在一起[1]。美军独特的装备体系建设机制，在实践中不断丰富完善，为以最低费用、最快速度向部队提供最好装备提供制度保障。美军体系工程指导下的装备体系建设战略、建设思路、建设方法对国内武器装备体系建设有极大的借鉴意义。

1 体系及体系工程发展及作用

1.1 体系出现的背景与特征

1998年，Maier提出体系是为实现共同目标聚合在一起的大型系统集合或网络，如国际航空系统体系包括飞机、机场、航空公司、航空交通控制系统。美国陆军在关于陆军软件模块化法规中对体系的定义： “体系是系统的集合，这些系统在协同交互过程中实现信息的交换与共享”。美国国防部在采办手册（DOD 2004）中对体系的定义为： 相互关联起来实现指定能力的独立系统集合或阵列，其中任意组成部分缺失都会使得整体能力严重退化; 这些独立系统集合或阵列能够以不同方式进行关联，实现多种能力[2-5]。2005年，美国参谋长联席会议主席在《Joint Capabilities Integration and Development System，JCIDS》（《联合能力集成与系统演化》）中指出： “体系是相互依赖的系统的集成，这些系统的关联与链接以提供一个既定的能力需求; 去掉组成体系的任何一个系统将会在很大程度上影响体系整体的效能或能力; 体系的演化需要在单一系统性能范围内权衡集成系统整体; 战斗飞行器是体系研究典型案例，战斗飞行器既可以作为单一系统研究，也可以作为体系的子系统研究，作为体系研究时，其组成系统包括机身、引擎、雷达、电子设备等”[2]。可见，体系是一种超系统，其由众多具备共同目标的要素组成，各要素本身相互独立、相互作用，在联合作战领域，体系关注的是C4I和ISR系统间的互操作性和协同作用。

根据Maier的研究，体系的主要特征为： 成员系统独立运行; 成员系统独立管理，具有不同的功能和使命; 地理上分布范围广泛; 通过系统间的组合， 形成新的行为或功能; 随着需求的变化而不断发展和进化。这些特征导致体系研究和决策的难度增加，需要面对的系统规模

大、数量多、关联性高、时间长、跨度大。所以，需要采用体系的方法来认识、分析、理解和处理体系这种“涌现”特性、演化特性。通过新的体系方法思维模式，解决体系的复杂性、协同性、混沌性。

1.2 体系工程的发展

体系工程最初用来解决ISR、C4I、精确火力打击系统三大系统间的信息交换、互相联系及新军事能力生成问题。在联合作战领域进行体系工程建设，将有效实现平台、武器、传感器和通信等战场系统的协同运作，达成作战目标。1991年海湾战争，美军首次实现三军联合作战，同时也认识到联合作战对于提升作战能力的重要性。经过不断的实践与验证，美军逐步形成了由C4ISR”→“C4ISR+K”概念和实战化转变[6]，之后的科索沃战争（1999年）、阿富汗战争（2001年）、伊拉克战争（2003年）及利比亚战争（2011年），各个战场要素互联、互通、互操作程度不断增强，从传感器-决策者-武器的响应时间不断缩短，联合作战能力和装备持续升级。

美国国防部在统筹开展基于C4ISR的多兵种联合作战设计时，由于不同装备供应商之间技术体制不一样，造成无法实现一体化设计与评估。1995年，美国国防部专门成立了“C4ISR一体化任务小组”，随后颁布了C4ISR架构框架1.0版; 1997年12月，发布了C4ISR架构框架2.0版，采用经典三视图（作战视图、系统视图和技术视图）结构。2003年8月，美国国防部颁布国防部架构框架DoDAF1.0版草案; 2003年8月，颁布正式版本，并在国防部推广应用; 2007年4月，颁布了DoDAF 1.5版; 2009年5月，开发了DoDAF2.0。DoDAF架构框架是吸纳世界各国及相关组织在体系结构框架研究后的最新成果，进一步深化、提炼形成的易于理解、掌握，开发内容灵活、理论性强、系统完整、阐述深入的框架标准，在实践运用中发挥巨大效益，更加适应网络中心战能力建设的要求。DoDAF提供了一种体系架构描述方法，用于不同装备供应商之间进行统一规格的架构设计，以符合彼此间比较与联合作战设计的需要，同时其还将美国国防部主持的六个核心流程的概念和模型统一起来，形成一体化的描述。DoDAF建立架构内容指南与目标相适应; 通过严格的数据模型DoDAF元模型（DM2）来提高架构的实用性和有效性，甚至可以通过架构的集成、分析和评估，为达到需要的数学精度奠定设计基础。

体系工程在美军装备采办领域不断发展，内涵不断丰富，应用也不断成熟。美国国防部认为系统工程是促使成功采购装备的重要手段。为了应对日益上升的装备采购成本、不断延长的装备交付时间，美国国防部系统工程在不断革新，尤其是在重要装备采购程序上。系统工程流程与军事系统采购美国国防部流程规程密切相关，美国国防部采购指南（DoD 2004a）设计了核心系统工程技术和管理流程，将其与各个采购阶段联系在一起。美国国防部同样关注军事所需能力，需求定义流程（CJCS 2007）也不断改革，聚焦于在预期战斗空间的效果，获得这些效果所需的能力，以及为达到满足目标能力所需填补的空缺，采购改革建议（DoD 2003，DoD 2004b，Durham 2006 2007）呼吁从更广阔的空间、可平衡的供应能力和能力需求方面进行技术可行性评估。战斗空间中的信息交换（DoD CIO 2004，DoD CIO 2005），对于通过战斗空间网络和广域、柔性的信息共享，支撑网络中心战非常重要。最终，美国国防部意识到需要关注系统设计开发的方法，使得系统功能成为更大的环境和联合作战能力的一部分，提高对体系级解决方案管理和工程的关注。2006年，分管采办与技术的美国国防部副部长助理（DUSD A&T）启动了体系工程开发指导工作[1]。

美国国防部在一些学者研究成果的基础上，结合多个联合作战系统开发的实践经验，于2004年推出了“体系工程指南”（Systems Engineering Guide for Systems of Systems），作为美军联合作战体系开发的工程指导。美国国防采办手册定义体系工程是对一个由现有或新开发系统组成的混合系统的能力进行计划、分析、组织和集成的过程，这个过程比简单的对成员系统进行能力叠加要复杂的多，其强调通过发展和实现某种标准来推动成员系统间的互操作[1-5]。其中还引用了Maier关于体系的五大特征的论述和分类; 引用了Dahmann的研究成果，包括体系工程的核心元素模型、体系演化特性等。

2005年，美国建立了2个体系研究中心，一个是体系工程研究中心（SoS Engineering Center of Excellence，SoSECE），指出体系工程是设计、开发、部署、操作和更新体系的系统工程科学[7]。其关心的是： 确保单个系统在体系中能够作为一个独立的成员运作并为体系贡献适当的能力; 体系能够适应不确定的环境和条件; 体系的组分系统能够根据条件变化来重组，形成新的体系; 体系工程整合了多种技术与非技术因素来满足体系能力的需求。另一个是美国Old Dominate University的国家体系研究中心（National Centers of SoS Engineering，NCOSE）。在国际系统工程协会（INCOSE）的系统工程手册中也引用了Maier的体系特征与体系分类。INCOSE将体系工程和基于模型的系统工程（MBSE）一起，视为未来系统工程发展的两大重点方向[8-9]。INCOSE在《系统工程2020年愿景》中，给出了“MBSE”的定义： 支持以概念设计阶段开始并持续贯穿于开发和后续的生命周期阶段的系统需求、设计、分析、验证和确认活动的形式化建模应用。IEEE也成立了专门的体系工程研究机构（International Council on System Engineering，IEEE SoSE），举行体系工程的年度专题会议，并创办了《International Journal of System of Systems Engineering》杂志。这些研究促进了体系工程研究的发展，取得了诸多成果。

1.3 体系工程的作用

体系工程（System of Systems Engineering ，SoSE）是来解决体系研究与体系设计问题的方法。体系工程的目标是体系能力生成，通过体系工程方法，找到体系能力生成的解决方案和途径。体系工程建设可通过调整体系的整体结构或设计体系的运作机制，在打破原有体系均衡的基础上，形成超越原有框架和秩序的新能力; 也可以针对局部节点/关系进行替换或者更新，重塑原有体系的均衡而形成新的能力。

体系工程通过平衡和优化多个系统之间的相互关系，实现可互操作的灵活性和应变能力，最终构造一个可以满足用户需求的体系，包含体系需求（获取与分析）、体系设计、体系集成、体系管理、体系优化和体系评估等过程[5-6]。体系工程是能力集成、复杂需求获取工程，反映了综合集成体的演化，在学科交叉、系统交互过程中完成系统间权衡与平衡。体系工程需要解决如下问题：

（1） 能力与需求生成

体系工程需要明确表达体系在技术层的期望。体系构建的目标是实现某种能力。提供促进体系能力演化的技术规划基础，把握体系运行环境、预测体系演化，把能力需求转化为技术需求，并不断更新。

（2） 体系构成及其关系

系统工程明确系统边界，而体系工程需要明确与其他系统的交互，需要把握每个系统的功能，理解系统如何支持能力目标，如系统技术细节、共享交换信息的途径、研制计划、组织环境。

（3） 体系的评估

在体系运作中，实现能力目标的途径很多，因此， 需要建立与实现途径无关的体系性能测试与评估方法。基于条件（领域、环境）实施性能监控评估，识别体系需要关注的领域，可能的涌现行为，明确变化造成的影响。

（4） 体系架构

体系架构明确体系的概念，包括体系功能、组成系统、系统间结构、依赖关系。体系架构提供一种技术框架，评估组成系统的变化和满足能力需求的可选方案。明确实现能力目标的关键组成系统、定义当前性能，具有可扩展性。记录系统当前状态和未来状态，如果出现系统需求约束冲突，可权衡其他方案。

（5） 体系演化的预测

体系工程需要预测变化对体系功能与系统的影响，包括组成系统的变化、外部需求变化。掌握系统演化规律及对体系的影响，及时排解体系问题。