【学术论文】虚拟采办实施全系统全寿命全方位管理的技术需求

第4卷第1期 智能系统学报 Vol 4 Na 1 2009年2月 CAA I Transactions on Intelligent Systems Feb 2009 虚拟采办实施全系统全寿命全方位管理的技术需求 冯珊'，郭四海2周凯波 (1华中科技大学控制科学与工程系，湖北武汉430074,2武汉理工大学自动化学院，湖北武汉430070) 摘要：基于仿真的采办系统复杂性决定了它对全系统、全寿命、全方位系统管理的需求.为了开发这样一种复杂管 理系统，首先应将管理需求转换成相应的功能，使预期采办对象系统的全寿命过程得以有效实现.为此，对描述问题 域的使命空间概念模型QMMS,及对数据、信息、知识、模型进行一体化描述的可扩展标记语言ML和支持组件按需 组合型应用开发的可扩展建模与仿真框架MSF技术体系结构进行了综合论述.详细给出了QMMS的定义、意义、 形成、性能要求，并与用户空间概念模型QMUS和综合表示概念模型QMRS一起，通过软件开发过程模型SDP实现 开发与验证的方法.随后，以QMM$产生初始能力文件的过程为例进行了应用分析.在总结了已完成的各项系统前 期开发工作基础上，指出为达到可组合性需进一步研究建模与仿真的技术基础，并应将人工智能与计算智能嵌入建 模与仿真的应用系统中 关键词：复杂性：需求分析：使命空间概念模型：基于仿真的采办；决策与控制：人工智能与计算智能：可组合性 中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1673-4785(2009)01-0030-14 Technolog ical requirements for a simula tion-ba sed acqu isition system to manage all aspects of a total system's life cycle FENG Shan',GUO Si-hai2,ZHOU Kai-bo (1.Institute of Systems Engineering.Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;2 School of Automa- tion,Wuhan University of Technobgy,Wuhan 430070,China) Abstract:This paper proposes that the complexity of a smulation-based acquisition system depends on the manage- ment requirements of total system,including all aspects of its whole life cycle To deve bp such a complex manage- ment system,the first step is to transfer the management requirements into corresponding functions,by which the targeted life cycle procedure of the whole objective system can be carried out effectively The conceptual model of m ission space (CMMS)was applied to problem area description;extensible markup language(XML)was used as a data,infomation,knowledge and model integrated descriptive standard;the extensible modeling and smulation framework (XMSF)was used for a component-based,requirements guided system.Composition styles were fully discussed The research focus was on CMMS and the paper introduces its definition,meaning,fomation,perfom- ance requirements and applications in detail Next,a conceptual model of user space (CMUS)and a conceptual model synthetic representation (CMSR),through a sofware devebpment process (SDP)model,were used along with CMMS to fom a devebpment baseline Afterwards,a case study of CMMS used for producing the initial capa- bility documentwas evaluated and conclusionsmade The technical background ofmodeling and smulaton (M&S) should be further studied for composability access and it was shown thatA I and CI capabilities should be embedded into app lied M&S systems Keywords:complexity,requirement analysis conceptual model of m ission space;smulation based acquisition; decision and control artificial Intelligence and computational intelligence;composability 军事装备建设的规模与质量历来衡量一国的国防能力，关系国之安危.现代高科技军事装备日趋复 杂多变，是一国通过多部门协作甚至国际合作综合 收稿日期：200807-10 运用各种最新科学技术获得的成果，常被认定为国 基金项目：“十一五国家部委预研资助项目(4130400501)：国家部 委预研重点基金资助项目(40A04050707):国家自然科学 家综合国力的具体体现，其重要性不言而喻，军事装 重大基金资助项目(79990580). 通信作者：冯珊.Emai止scng@mail hust edu cn 备采办概指军事装备的获得过程，为了界定论域便 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved htp://www.cnki.net

第 4卷第 1期 智 能 系 统 学 报 Vol. 4 №. 1 2009年 2月 CAA I Transactions on Intelligent System s Feb. 2009 虚拟采办实施全系统全寿命全方位管理的技术需求 冯 珊 1 ,郭四海 1, 2 ,周凯波 1 (1. 华中科技大学 控制科学与工程系 ,湖北 武汉 430074; 2. 武汉理工大学 自动化学院 ,湖北 武汉 430070) 摘 要 :基于仿真的采办系统复杂性决定了它对全系统、全寿命、全方位系统管理的需求. 为了开发这样一种复杂管 理系统 ,首先应将管理需求转换成相应的功能 ,使预期采办对象系统的全寿命过程得以有效实现. 为此 ,对描述问题 域的使命空间概念模型 CMMS,及对数据、信息、知识、模型进行一体化描述的可扩展标记语言 XML和支持组件按需 组合型应用开发的可扩展建模与仿真框架 XMSF技术体系结构进行了综合论述. 详细给出了 CMMS的定义、意义、 形成、性能要求 ,并与用户空间概念模型 CMUS和综合表示概念模型 CMRS一起 , 通过软件开发过程模型 SDP实现 开发与验证的方法. 随后 ,以 CMMS产生初始能力文件的过程为例进行了应用分析. 在总结了已完成的各项系统前 期开发工作基础上 ,指出为达到可组合性需进一步研究建模与仿真的技术基础 ,并应将人工智能与计算智能嵌入建 模与仿真的应用系统中. 关键词 :复杂性 ;需求分析 ;使命空间概念模型 ;基于仿真的采办 ;决策与控制 ;人工智能与计算智能 ;可组合性 中图分类号 : TP391 文献标识码 : A 文章编号 : 167324785 (2009) 0120030214 Technological requirements for a simulation2based acquisition system to manage all aspects of a total system ’ s life cycle FENG Shan 1 , GUO Si2hai 1, 2 , ZHOU Kai2bo 1 (1. Institute of System s Engineering, Huazhong University of Science and Technology, W uhan 430074, China; 2. School of Automa2 tion, W uhan University of Technology, W uhan 430070, China) Abstract: This paper p roposes that the comp lexity of a simulation2based acquisition system depends on the manage2 ment requirements of total system, including all aspects of itswhole life cycle. To develop such a comp lex manage2 ment system, the first step is to transfer the management requirements into corresponding functions, by which the targeted life cycle p rocedure of the whole objective system can be carried out effectively. The concep tual model of m ission space (CMMS) was app lied to p roblem area descrip tion; extensible markup language (XML) was used as a data, information, knowledge and model integrated descrip tive standard; the extensible modeling and simulation framework (XMSF) was used for a component2based, requirements guided system. Composition styles were fully discussed. The research focuswas on CMMS and the paper introduces its definition, meaning, formation, perform2 ance requirements and app lications in detail. Next, a concep tual model of user space (CMUS) and a concep tual model synthetic rep resentation (CMSR) , through a software development p rocess (SDP) model, were used along with CMMS to form a development baseline. Afterwards, a case study of CMMS used for p roducing the initial capa2 bility documentwas evaluated and conclusionsmade. The technical background ofmodeling and simulation (M&S) should be further studied for composability access and itwas shown thatA I and C I capabilities should be embedded into app lied M&S system s. Keywords: comp lexity; requirement analysis; concep tual model of m ission space; simulation based acquisition; decision and control; artificial Intelligence and computational intelligence; composability 收稿日期 : 2008207210. 基金项目 :“十一五 ”国家部委预研资助项目 ( 4130400501 ) ;国家部 委预研重点基金资助项目 ( 40A04050707) ;国家自然科学 重大基金资助项目 (79990580). 通信作者 :冯 珊. E2mail: sfeng@mail. hust. edu. cn. 军事装备建设的规模与质量历来衡量一国的国 防能力 ,关系国之安危. 现代高科技军事装备日趋复 杂多变 ,是一国通过多部门协作甚至国际合作综合 运用各种最新科学技术获得的成果 ,常被认定为国 家综合国力的具体体现 ,其重要性不言而喻. 军事装 备采办概指军事装备的获得过程 ,为了界定论域便 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

第1期 冯珊，等：虚拟采办实施全系统全寿命全方位管理的技术需求 ·31· 于分析，参照英国防部国防采办手册（第5版）的定 过SBA系统中的管理策略仿真试验可给真实采办 义：国防采办是应用全系统全寿命管理方法进行 提供最优的管理解决方案.又因为两者在采办管理 国防能力的确定，并实施采购管理、保障管理和退 决策问题、决策者和决策环境上的一致性，SBA采 役处置的过程.国防能力指军费使用者或军种需要 办目标附象系统的成长过程是伴随SBA全寿命管 实现的作战效果”该定义的优点在于对装备采办 理决策过程一起发展的.一个BA项目最终获得预 的解释与我军的现行采办管理概念相吻合，而且在 期的理想目标附象系统时，也应是全寿命优化管理 定义中明确了全系统全寿命管理方法是装备采办的 基于阶段决策优化积累形成的结果.本节从采办客 固有属性.现代武器装备的高新科技含量大、复杂度 体、主体和M&S技术多侧面阐明真实采办和SBA 高、采办周期长、采办进度远赶不上作战需求和技术 的系统复杂性及相应的管理功能需求 进步的变动速度).基于仿真的采办SBA(smula~ 11采办目标附象系统复杂 tion based acquisition)应运而生，对应于真实世界的 为适应信息时代高技术战争的作战需要，采办 实物采办，称数字世界中的SBA为虚拟采办.自 目标系统多属功能、结构和行为复杂的技术密集型 1997年美国国防部建模与仿真委员会首次提出基 产品.例如需要具有精确打击、隐形、自愈、自我生存 于仿真的采办SBA概念到2006年国防部颁布“采 能力和适应各种自然人工环境的功能，其结构涉及 办建模与仿真主计划”，10年的SBA实践，已经基 机械、电子控制、液压、气动、材料、计算机软硬件多 本改变了实物采办所面临的技术困境，起到了缩短 种学科的技术类别，其行为应表现为用各种性能指 采办周期降低成本，有效规避风险.提高装备质量 标度量的整体性能，如作为飞行器的发现、跟踪和摧 的显著效果.然而，SBA面临的复杂性挑战，不仅来 毁敌方目标的能力，目标系统可以是由各种功能单 自被仿真的具体装备系统及其采办过程的固有复杂 元构成的具有独立外部行为的单一种武器装备系 性，更来自应用M&S(model&smulation)技术进行统，也包括由自治的、相互交互的、可互操作的多种 采办复杂大系统全系统、全寿命过程仿真和管理决装备集成的系统的系统SOS(system of systems).本 策时所面临的技术挑战.虽然M&S技术是决策者获 质上，SOS属不同时空和作战需求条件下可提供不 取尚未出现而当前又必须加以考虑的态势的经验和 同能力的动态多装备系统之集合.全系统管理也就 直觉的惟一手段，但因其技术水平相对于待求解的 是管理全系统的内部结构与外部功能和行为 复杂决策问题而言尚不足以单独当此重任，因此， 1.2采办过程复杂 SBA亟需全系统、全寿命、全方位优化管理支持其有 采办目标系统的全生命周期亦称全寿命周期， 效完成使命.该管理系统的建立属于时间尺度大、空 概指为响应未来作战需求而提出适用新型系统的创 间分布广、决策主体与客体关联交互多，而信息知 新要求或研发设想开始，到该新型系统停止装备使 识资源相对有限的非常复杂的问题，既涉及一些新 用或退役为止的全过程.全寿命过程常需持续数年 理论方法和技术，又要在系统规范、协议和使能工具 至数十年，包括需求定义、方案论证、技术开发与演 等多方面集成当今前沿成果.特别是采办立项前期 示、生产与部署、使用与保障、退役与处理各个特征 的需求工程中，如何将军事需求正确体现为采办目 属性不同的阶段.从采办系统工程的角度，有必要按 标系统的效能问题，一直是关注的焦点，本文试图以 具体系统特点和管理体制划分采办阶段，方便安排、 使命空间概念模型QMMS(conceptual model of m is- 组织、管理各阶段任务，制定科学的程序并实施具体 sion space)、基于可扩展标记语言ML(extensible 的工作纲要.更重要的是阶段划分有利于设定具体 markup language)和可扩展建模与仿真框架MMSF 阶段目标和阶段任务的入口和出口标准，实现渐进 (extensible modeling and smulation framework) 式开发策略和螺旋上升式技术能力增长策略，使采 术支撑，迈开SBA全寿命、全系统、全方位管理（以 办工程在低风险条件下有序完成.采办全寿命管理， 下简称三全管理)系统研究与开发的第一步 就是实现目标系统的生命周期管理，也就是全过程 分阶段优化管理 1SBA三全管理复杂性分析 1.3采办主体复杂 在采办项目范围内，以合适的逼真度和实用的 采办活动的运行管理是由政府主管部门、相关 精度在数字世界中实现采办全系统的发展或成长过 军兵种、科研院所、参与活动的企业事业单位等多层 程，即刻划采办对象系统全寿命过程，是SBA的基 次的多个机构组成的综合组织来完成的.采办管理 本任务.虚拟采办SBA是真实采办的支持系统，通 体制就体现在采办组织机构和采办运行的有机结合 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net

于分析 ,参照英国防部国防采办手册 (第 5版 )的定 义 :“国防采办是应用全系统全寿命管理方法进行 国防能力的确定 ,并实施采购管理、保障管理和退 役 /处置的过程. 国防能力指军费使用者或军种需要 实现的作战效果 ”. 该定义的优点在于对装备采办 的解释与我军的现行采办管理概念相吻合 ,而且在 定义中明确了全系统全寿命管理方法是装备采办的 固有属性. 现代武器装备的高新科技含量大、复杂度 高、采办周期长、采办进度远赶不上作战需求和技术 进步的变动速度 [ 1 ] . 基于仿真的采办 SBA ( simula2 tion based acquisition)应运而生 ,对应于真实世界的 实物采办 ,称数字世界中的 SBA 为虚拟采办. 自 1997年美国国防部建模与仿真委员会首次提出基 于仿真的采办 SBA概念到 2006年国防部颁布“采 办建模与仿真主计划 ”, 10年的 SBA 实践 ,已经基 本改变了实物采办所面临的技术困境 ,起到了缩短 采办周期 ,降低成本 ,有效规避风险 ,提高装备质量 的显著效果. 然而 , SBA面临的复杂性挑战 ,不仅来 自被仿真的具体装备系统及其采办过程的固有复杂 性 ,更来自应用 M&S(model & simulation)技术进行 采办复杂大系统全系统、全寿命过程仿真和管理决 策时所面临的技术挑战. 虽然 M&S技术是决策者获 取尚未出现而当前又必须加以考虑的态势的经验和 直觉的惟一手段 ,但因其技术水平相对于待求解的 复杂决策问题而言尚不足以单独当此重任 ,因此 , SBA亟需全系统、全寿命、全方位优化管理支持其有 效完成使命. 该管理系统的建立属于时间尺度大、空 间分布广、决策主体与客体关联交互多 ,而信息 /知 识 /资源相对有限的非常复杂的问题 ,既涉及一些新 理论方法和技术 ,又要在系统规范、协议和使能工具 等多方面集成当今前沿成果. 特别是采办立项前期 的需求工程中 ,如何将军事需求正确体现为采办目 标系统的效能问题 ,一直是关注的焦点 ,本文试图以 使命空间概念模型 CMMS( concep tual model of m is2 sion space)、基于可扩展标记语言 XML ( extensible markup language)和可扩展建模与仿真框架 XMSF ( extensible modeling and simulation framework)为技 术支撑 ,迈开 SBA全寿命、全系统、全方位管理 (以 下简称三全管理 )系统研究与开发的第一步. 1 SBA三全管理复杂性分析 在采办项目范围内 ,以合适的逼真度和实用的 精度在数字世界中实现采办全系统的发展或成长过 程 ,即刻划采办对象系统全寿命过程 ,是 SBA 的基 本任务. 虚拟采办 SBA是真实采办的支持系统 ,通 过 SBA系统中的管理策略仿真试验可给真实采办 提供最优的管理解决方案. 又因为两者在采办管理 决策问题、决策者和决策环境上的一致性 , SBA采 办目标 /对象系统的成长过程是伴随 SBA全寿命管 理决策过程一起发展的. 一个 SBA项目最终获得预 期的理想目标 /对象系统时 ,也应是全寿命优化管理 基于阶段决策优化积累形成的结果. 本节从采办客 体、主体和 M&S技术多侧面阐明真实采办和 SBA 的系统复杂性及相应的管理功能需求. 1. 1 采办目标 /对象系统复杂 为适应信息时代高技术战争的作战需要 ,采办 目标系统多属功能、结构和行为复杂的技术密集型 产品. 例如需要具有精确打击、隐形、自愈、自我生存 能力和适应各种自然 /人工环境的功能 ,其结构涉及 机械、电子、控制、液压、气动、材料、计算机软硬件多 种学科的技术类别 ,其行为应表现为用各种性能指 标度量的整体性能 ,如作为飞行器的发现、跟踪和摧 毁敌方目标的能力. 目标系统可以是由各种功能单 元构成的具有独立外部行为的单一种武器装备系 统 ,也包括由自治的、相互交互的、可互操作的多种 装备集成的系统的系统 SOS( system of system s). 本 质上 , SOS属不同时空和作战需求条件下可提供不 同能力的动态多装备系统之集合. 全系统管理也就 是管理全系统的内部结构与外部功能和行为. 1. 2 采办过程复杂 采办目标系统的全生命周期亦称全寿命周期 , 概指为响应未来作战需求而提出适用新型系统的创 新要求或研发设想开始 ,到该新型系统停止装备使 用或退役为止的全过程. 全寿命过程常需持续数年 至数十年 ,包括需求定义、方案论证、技术开发与演 示、生产与部署、使用与保障、退役与处理各个特征 属性不同的阶段. 从采办系统工程的角度 ,有必要按 具体系统特点和管理体制划分采办阶段 ,方便安排、 组织、管理各阶段任务 ,制定科学的程序并实施具体 的工作纲要. 更重要的是阶段划分有利于设定具体 阶段目标和阶段任务的入口和出口标准 ,实现渐进 式开发策略和螺旋上升式技术能力增长策略 ,使采 办工程在低风险条件下有序完成. 采办全寿命管理 , 就是实现目标系统的生命周期管理 ,也就是全过程 分阶段优化管理. 1. 3 采办主体复杂 采办活动的运行管理是由政府主管部门、相关 军兵种、科研院所、参与活动的企业事业单位等多层 次的多个机构组成的综合组织来完成的. 采办管理 体制就体现在采办组织机构和采办运行的有机结合 第 1期 冯 珊 ,等 :虚拟采办实施全系统全寿命全方位管理的技术需求 ·31· © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

·32 智能系统学报 第4卷 上.其中既包含内部组织的人员间的责权分工、相互 种决策资源，分处各地的决策者在网上同步或异步 合作与配合，也包括内部与外部环境有制约的协调 完成决策，所以它是分布决策方式.又如采办周期长 关系等.由于各采办参与主体在不同采办阶段的角 导致的技术风险，需通过分时序阶段决策来降低，以 色重要性不同，在制定具体决策时，常处于合作、竞 保证采办到该时段的成熟技术，并达到阶段出口目 争乃至冲突相交织的状态.冲突是管理决策面临的 标要求，但同时保证阶段间系统行为的连贯性，所以 客观环境，而总体利益和目标的一致又使合作成为 它支持动态优化决策.然而，单一的动态规划和多人 解决冲突获取一致性决策的有效方法.在全寿命管 多目标决策模型都不适用.另外，阶段决策目标是总 理决策过程中，不失时机地保持各采办参与主体行 目标体系下的综合目标，各种子目标间还存在着纵 为的目标一致性是获取高效率采办的关键.我国采 向和横向的联系等，这些复杂性都不是传统MS/ 办主管部门倡导在采办全系统、全寿命管理原则上 DSS/ERP和已有运筹学工具己经具有的性能.另 增加全方位管理，总称三全管理.主要在于强调发挥 外，系统决策主体，需要在各个决策节点上，都能方 各决策主体的主动性和行为协调一致性，以保证最 便地获得己经嵌入系统管理流程中的决策支持技 优采办策略的实施.实施强有力的监管控制机制是 术.所以，从决策视图看，决策流程提供的决策支持 成功采办的保证，世界各国多采取统一指挥、集中监 功能，应是实时按需调用功能组件灵活组合而成的， 控、分散决策的采办策略，我国也不例外 是工作系统嵌入式的支持方法B1.据此，SBA三全 1.4SBA的综合复杂性 管理软件系统应设计为网络环境下基于Web组件 现实世界采办系统的复杂性必然导致SBA系 的体系结构，以满足按管理决策需求由组件链接实 统的复杂性.在数字世界中，基于M&S技术本质再 现具体的功能流程的要求 现实际采办过程，是用复杂模型系统模拟实际采办 22综合优化管理快策功能的使能技术 复杂大系统，是用一种SOS解释描述和模拟另一种 在1.1小节已阐明的系统复杂性中，还说明复 SOS的仿真试验.这是一项十分复杂的任务，既涉及 杂装备体系中整体系统性的重要性，如SS是按作 一些理论方法问题，又要突破一些关键技术，还要关 战需求动态组合的能力系统，这个能力系统的战斗 注规范、协议和多种工具的突破性进展.进入21世 力发挥就取决于其外部行为表现的整体性.整体性 纪后，SBA系统体系结构己经由集中式、封闭式发展 的获得又基于多重一体化技术管理手段，如CSR 到分布式、开放式和交互式，并期望构成可互操作、 系统中信息系统与主战武器装备系统的一体化，将 可重用、可移植、可拓展及具有强交互能力的对等式 作战人员、作战平台和装备系统纳入统一网络系统 协同仿真体系结构，但其中有不少关键技术仍在攻 环境等，本节讨论拟试用的促进达到一体化管理的 关中.为了发挥BA对真实采办的有效支持作用， 基本使能技术 在采办应用开发中，应强化控制与决策理论、方法与 221促进M&S技术网络化的使能技术 技术，并将之嵌入SBA工作系统作为有机组成部 2000年以后，基于M&S与Web/MML技术的结 分21.用软科学弱方法与M&S技术互补的解题策 合，促进了MSF技术的形成.由于MSF体系结构 略，是一种可行的选择 所具备的使M&S技术网络化的优点和在可组合性 方面的创意和功能，提供了解决SBA复杂工程技术 2 SBA三全管理的功能需求分析 问题的多种可能性，.如可以设计具体模型仿真 21多人多目标分布式动态优化决策功能 应用软件的包装器，使之兼具语法可组合和语义可 根据1.1~1.4小节阐述的复杂性，相应的SBA 组合的功能，成为在网上可以重新按需配置的计算 全系统、全寿命、全方位管理决策是一套复杂的决策 单元，达到按需构建组合件的目标.但只有形式化方 功能体系，是和现存的任何一种管理信息系统MS 法没有基本理论的支持模型与仿真的可重用和可 (management infomation system)、决策支持系统DSS 互操作性问题还是不能彻底解决的.为了迎接更高 (decision support system)执行信息系统ES(execu- 复杂度仿真的挑战，必须研究模型抽象描述，快速建 tive infomation system)乃至企业资源规划系统ERP 模、柔性组合和自动部署的仿真方法论及使能技术 (enterprise resource planning)不同的综合管理决策 工具 系统.例如，就决策主体而言，它既支持高层领导或 222评估时空和逻辑的一致性的支持工具 一般采办人员的个人决策，也支持组织机构决策和 SBA及SBA三全管理系统是在数字世界中再 委员会式多人研讨决策.它可以运用网络分布的各 现真实世界采办及其管理活动的复杂模型体系行为 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.net

上. 其中既包含内部组织的人员间的责权分工、相互 合作与配合 ,也包括内部与外部环境有制约的协调 关系等. 由于各采办参与主体在不同采办阶段的角 色重要性不同 ,在制定具体决策时 ,常处于合作、竞 争乃至冲突相交织的状态. 冲突是管理决策面临的 客观环境 ,而总体利益和目标的一致又使合作成为 解决冲突获取一致性决策的有效方法. 在全寿命管 理决策过程中 ,不失时机地保持各采办参与主体行 为的目标一致性是获取高效率采办的关键. 我国采 办主管部门倡导在采办全系统、全寿命管理原则上 增加全方位管理 ,总称三全管理. 主要在于强调发挥 各决策主体的主动性和行为协调一致性 ,以保证最 优采办策略的实施. 实施强有力的监管控制机制是 成功采办的保证 ,世界各国多采取统一指挥、集中监 控、分散决策的采办策略 ,我国也不例外. 1. 4 SBA的综合复杂性 现实世界采办系统的复杂性必然导致 SBA 系 统的复杂性. 在数字世界中 ,基于 M&S技术本质再 现实际采办过程 ,是用复杂模型系统模拟实际采办 复杂大系统 ,是用一种 SOS解释描述和模拟另一种 SOS的仿真试验. 这是一项十分复杂的任务 ,既涉及 一些理论方法问题 ,又要突破一些关键技术 ,还要关 注规范、协议和多种工具的突破性进展. 进入 21世 纪后 , SBA系统体系结构已经由集中式、封闭式发展 到分布式、开放式和交互式 ,并期望构成可互操作、 可重用、可移植、可拓展及具有强交互能力的对等式 协同仿真体系结构 ,但其中有不少关键技术仍在攻 关中. 为了发挥 SBA对真实采办的有效支持作用 , 在采办应用开发中 ,应强化控制与决策理论、方法与 技术 ,并将之嵌入 SBA 工作系统作为有机组成部 分 [ 2 ] . 用软科学、弱方法与 M&S技术互补的解题策 略 ,是一种可行的选择. 2 SBA三全管理的功能需求分析 2. 1 多人多目标分布式动态优化决策功能 根据 1. 1～1. 4小节阐述的复杂性 ,相应的 SBA 全系统、全寿命、全方位管理决策是一套复杂的决策 功能体系 ,是和现存的任何一种管理信息系统 M IS (management information system)、决策支持系统 DSS ( decision support system)、执行信息系统 EIS( execu2 tive information system)乃至企业资源规划系统 ERP ( enterp rise resource p lanning)不同的综合管理决策 系统. 例如 ,就决策主体而言 ,它既支持高层领导或 一般采办人员的个人决策 ,也支持组织机构决策和 委员会式多人研讨决策. 它可以运用网络分布的各 种决策资源 ,分处各地的决策者在网上同步或异步 完成决策 ,所以它是分布决策方式. 又如采办周期长 导致的技术风险 ,需通过分时序阶段决策来降低 ,以 保证采办到该时段的成熟技术 ,并达到阶段出口目 标要求 ,但同时保证阶段间系统行为的连贯性 ,所以 它支持动态优化决策. 然而 ,单一的动态规划和多人 多目标决策模型都不适用. 另外 ,阶段决策目标是总 目标体系下的综合目标 ,各种子目标间还存在着纵 向和横向的联系等 ,这些复杂性都不是传统 M IS/ DSS/ERP和已有运筹学工具已经具有的性能. 另 外 ,系统决策主体 ,需要在各个决策节点上 ,都能方 便地获得已经嵌入系统管理流程中的决策支持技 术. 所以 ,从决策视图看 ,决策流程提供的决策支持 功能 ,应是实时按需调用功能组件灵活组合而成的 , 是工作系统嵌入式的支持方法 [ 3 ] . 据此 , SBA 三全 管理软件系统应设计为网络环境下基于 W eb组件 的体系结构 ,以满足按管理决策需求由组件链接实 现具体的功能流程的要求. 2. 2 综合优化管理决策功能的使能技术 在 1. 1小节已阐明的系统复杂性中 ,还说明复 杂装备体系中整体系统性的重要性 ,如 SOS是按作 战需求动态组合的能力系统 ,这个能力系统的战斗 力发挥就取决于其外部行为表现的整体性. 整体性 的获得又基于多重一体化技术管理手段 ,如 C 4 ISR 系统中信息系统与主战武器装备系统的一体化 ,将 作战人员、作战平台和装备系统纳入统一网络系统 环境等 ,本节讨论拟试用的促进达到一体化管理的 基本使能技术. 2. 2. 1 促进 M&S技术网络化的使能技术 2000年以后 ,基于 M&S与 W eb /XML技术的结 合 ,促进了 XMSF技术的形成. 由于 XMSF体系结构 所具备的使 M&S技术网络化的优点和在可组合性 方面的创意和功能 ,提供了解决 SBA复杂工程技术 问题的多种可能性 [ 4 ] . 如可以设计具体模型 /仿真 应用软件的包装器 ,使之兼具语法可组合和语义可 组合的功能 ,成为在网上可以重新按需配置的计算 单元 ,达到按需构建组合件的目标. 但只有形式化方 法 ,没有基本理论的支持 ,模型与仿真的可重用和可 互操作性问题还是不能彻底解决的. 为了迎接更高 复杂度仿真的挑战 ,必须研究模型抽象描述 ,快速建 模、柔性组合和自动部署的仿真方法论及使能技术 工具. 2. 2. 2 评估时空和逻辑的一致性的支持工具 SBA及 SBA三全管理系统是在数字世界中再 现真实世界采办及其管理活动的复杂模型体系行为 ·32· 智 能 系 统 学 报 第 4卷 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

第1期 冯珊，等：虚拟采办实施全系统全寿命全方位管理的技术需求 ·33。 仿真系统.在过程仿真中要求仿真对象的状态和行 知模型开始，通过仿真迭代循环、渐次逼近的问题求 为必须和实际对象的状态和行为保持所需的一致 解弱方法应经常使用：又由于外部影响因素的不确 性.当目标系统尚未物理实现时，如何检验和评估仿 定，动态适应性建模方法与技术也是必要的手 真过程行为符合客观世界的时序和因果关系，这些 段56).例如图1表明渐进式采办策略中，合理划分 一致性要求应如何掌握尚未形成实用的技术标准， 采办阶段，设置阶段性的能力增长目标，使技术按阶 这些都是SBA研究中值得重视的基本技术问题. 段呈螺旋上升态势，并分段实现具体性能指标和放 23在不确知和不确定条件下进行决策 行出口标准.这样采办的成功取决于始终如一地和 上述复杂性要求在实施SBA工程中，始终以决 不断的确定军事需求和技术成熟度，争取当期以成 策与控制手段保证基于各个基本采办流程的优化决 熟技术达到阶段出口标准.再由之促使装备研制与 策自底向上逐级促使上层节点目标的优化.但由于 生产稳步前进并逐步实现装备能力递增.相应的决 军事需求变动导致目标体系不确知，所以从初始认 策仿真工具系统由图示的功能组件组合而成， 再分析 再设计 再决策 再执行 入口 处理需求 流程设计 想定产生 仿真执行 检测结果出口 标淮 问题P 机制M 决策D 仿真S 鉴别T 标准 认识 方案 选择 实验 测试 图1采办阶段决策仿真执行过程示意图 Fig 1 Smulation executing of the acquisition stage decision making 24模型与信息的一体化表征 和QM都不是通用术语.本节分定义、意义、性能要 SBA的本质在于利用模型系统的运行来考察实 求等方面论述 际采办过程，模型的准确性是仿真的质量保证.而 3.1定义 SBA的表达对象种类繁多又各处于不同空间节点 概念模型QM对一种具体仿真模型的非软件式 上，各自描述不同的实体，但却要求模型概念一致， 一致性描述通过采用独立于任何仿真实现的语法、 信息相容等.在采办全寿命周期内，各采办主体，不 语义或图表等工具，说明该仿真模型表征什么和如 论其组织归属、角色和专业归属如何，对同一事件/何表征.概念模型为仿真模型的开发奠定基础，由之 客体，有一致理解，必须基于共享信息数据知识， 确定仿真什么和如何进行仿真，用以缩小问题和题 按同一规范下的结构化描述.而对整个采办对象系 解之间的概念差距，为问题的解决和系统的研制提 统及其构成部分则应按统一的综合结构化规范描述 供一致性基础，是一切系统开发的起点[割 模型来理解其结构归属和演化过程.前者由基于 使命空间概念模型QMMS用于复杂大型军事 ML信息交换与集成支持环境与工具承担，后者由 仿真系统的分析阶段，常是多个概念模型的集合，除 使命空间概念模型QMMS完成.与面向仿真开发的 了具备QM的描述特质外，被认为是现实世界最初 体系结构MMSF一起构成面向SBA分析、设计与仿 抽象和高层元模型.它的建立与特定的军事使命范 真应用系统开发的基本支撑技术 围有关，它与用户空间概念模型QMUS(concep tual 3使命空间概念模型与概念模型 model of user space)和综合表示概念模型QMSR (concep tual model of synthetic representations)一起称 在建模与仿真技术领域，概念模型QM(concep- 作支持性概念模型 tual model)是通用术语，通常指仿真建模前的技术 复杂大型装备虚拟采办系统三全管理系统研发 准备工作，包括自然语言表述的模型需求，将之结构 过程中，称全系统顶层概念模型为使命空间概念模 化，再进而形式化表述为概念模型.而使命空间概念 型QMMS它独立于SBA的具体仿真实现，并由多 模型却是军用建模与仿真技术领域的专用术语，特 个概念模型QMs(conceptual models)构成.它根据用 指基于高层体系结构的仿真开发中对被仿真的系统 户空间概念模型给出的用户需求，采集信息，进行数 全局的宏观抽象表征，该表征与系统实现无关). 据形式化处理和各QMs建模等，进而构建系统全局 本文的主题是军事装备采办，因此，以下所论QMS 概念或设想，重点在于明确军事采办使命.而用户空 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net

仿真系统. 在过程仿真中要求仿真对象的状态和行 为必须和实际对象的状态和行为保持所需的一致 性. 当目标系统尚未物理实现时 ,如何检验和评估仿 真过程行为符合客观世界的时序和因果关系 ,这些 一致性要求应如何掌握 ,尚未形成实用的技术标准 , 这些都是 SBA研究中值得重视的基本技术问题. 2. 3 在不确知和不确定条件下进行决策 上述复杂性要求在实施 SBA工程中 ,始终以决 策与控制手段保证基于各个基本采办流程的优化决 策自底向上逐级促使上层节点目标的优化. 但由于 军事需求变动导致目标体系不确知 ,所以从初始认 知模型开始 ,通过仿真迭代循环、渐次逼近的问题求 解弱方法应经常使用 ;又由于外部影响因素的不确 定 ,动态适应性建模方法与技术也是必要的手 段 [ 526 ] . 例如图 1表明渐进式采办策略中 ,合理划分 采办阶段 ,设置阶段性的能力增长目标 ,使技术按阶 段呈螺旋上升态势 ,并分段实现具体性能指标和放 行出口标准. 这样采办的成功取决于始终如一地和 不断的确定军事需求和技术成熟度 ,争取当期以成 熟技术达到阶段出口标准. 再由之促使装备研制与 生产稳步前进并逐步实现装备能力递增. 相应的决 策仿真工具系统由图示的功能组件组合而成. 图 1 采办阶段决策仿真执行过程示意图 Fig. 1 Simulation executing of the acquisition stage decision making 2. 4 模型与信息的一体化表征 SBA的本质在于利用模型系统的运行来考察实 际采办过程 ,模型的准确性是仿真的质量保证. 而 SBA的表达对象种类繁多又各处于不同空间节点 上 ,各自描述不同的实体 ,但却要求模型概念一致 , 信息相容等. 在采办全寿命周期内 ,各采办主体 ,不 论其组织归属、角色和专业归属如何 ,对同一事件 / 客体 ,有一致理解 ,必须基于共享信息 /数据 /知识 , 按同一规范下的结构化描述. 而对整个采办对象系 统及其构成部分则应按统一的综合结构化规范描述 模型来理解其结构归属和演化过程. 前者由基于 XML信息交换与集成支持环境与工具承担 ,后者由 使命空间概念模型 CMMS完成. 与面向仿真开发的 体系结构 XMSF一起构成面向 SBA分析、设计与仿 真应用系统开发的基本支撑技术. 3 使命空间概念模型与概念模型 在建模与仿真技术领域 ,概念模型 CM ( concep2 tual model)是通用术语 ,通常指仿真建模前的技术 准备工作 ,包括自然语言表述的模型需求 ,将之结构 化 ,再进而形式化表述为概念模型. 而使命空间概念 模型却是军用建模与仿真技术领域的专用术语 ,特 指基于高层体系结构的仿真开发中对被仿真的系统 全局的宏观抽象表征 ,该表征与系统实现无关 [ 7 ] . 本文的主题是军事装备采办 ,因此 ,以下所论 CMMS 和 CM都不是通用术语. 本节分定义、意义、性能要 求等方面论述. 3. 1 定义 概念模型 CM对一种具体仿真模型的非软件式 一致性描述 ,通过采用独立于任何仿真实现的语法、 语义或图表等工具 ,说明该仿真模型表征什么和如 何表征. 概念模型为仿真模型的开发奠定基础 ,由之 确定仿真什么和如何进行仿真 ,用以缩小问题和题 解之间的概念差距 ,为问题的解决和系统的研制提 供一致性基础 ,是一切系统开发的起点 [ 8 ] . 使命空间概念模型 CMMS用于复杂大型军事 仿真系统的分析阶段 ,常是多个概念模型的集合 ,除 了具备 CM的描述特质外 ,被认为是现实世界最初 抽象和高层元模型. 它的建立与特定的军事使命范 围有关 ,它与用户空间概念模型 CMUS ( concep tual model of user space )和综合表示概念模型 CMSR ( concep tualmodel of synthetic rep resentations)一起称 作支持性概念模型. 复杂大型装备虚拟采办系统三全管理系统研发 过程中 ,称全系统顶层概念模型为使命空间概念模 型 CMMS. 它独立于 SBA 的具体仿真实现 ,并由多 个概念模型 CM s( concep tual models)构成. 它根据用 户空间概念模型给出的用户需求 ,采集信息 ,进行数 据形式化处理和各 CM s建模等 ,进而构建系统全局 概念或设想 ,重点在于明确军事采办使命. 而用户空 第 1期 冯 珊 ,等 :虚拟采办实施全系统全寿命全方位管理的技术需求 ·33· © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

·34· 智能系统学报 第4卷 间概念模型QMUS,主要描述用户的各种需求，包括 在QMUS,QMMS和QMSR支持下，产生描述各具体 系统子系统规范SSS(system/subsystem specifica~ 任务实例的功能概念模型FQMs(function conceptual tion),接口需求规范RS(interface requirements pec- models)和相应的实例仿真概念模型SQMs(smula- ification),软件需求规范SRS(sofwware requirements tion conceptual models),再根据具体FCM建立对象 pec ification)等.完备的QMUS是构建CMMS的先 模型FOM和相应的仿真对象模型SOM及对象实现 决条件，如它按用户需求定义了QMMS的仿真范围 模型DM(mp lementation object model).如图2所 (scope)、逼真度(fidelity)和分辨率(resolution).而 示，开发工作顺序为QMUS→QMS→QMSR→FQM 这些定义对QMSR也是必要的，QMSR为QMMS引 一→FOM→SOM→DM这是以功能实例概念模型为 导的系统开发中的各QMs提供综合表示支持，包括 主创建仿真对象模型的情况.若以仿真概念模型修 算法、公式和其他科学技术基础知识等，作为QMMS 正功能对象模型，则SDP模型的工作顺序将是 描述模型中知识层面的补充.据此，以集合结构化描 QMUS·QMMS→OMSR→SOM·DM→SOM→ 述所述概念模型的内涵及其间关联： FQM→DM 1)CMMS(CMs,CMUS,CMSR,etc); 0 CMUS CMMS CMSR 2)Cs(Entity,Actions,Process,Tasks,Interac- tion,Enviromment): 3)CMUS(SSS.RS,SRS,Scope,fidelity,resolu- FCMs FCM SCMs SCMs tion): 4)CMSR (A lgorithm,Fommula,Knowledge,etc). FOMs SOM IOMs 3.2意义 QMMS是一种鸟瞰全局的任务顶层抽象描述 图2SBA模型的软件开发过程 可以由许多子系统概念模型组成，从系统仿真实现 Fig 2 Software development process of SBA model 视图，QMMS是SBA采办对象系统的全局粗粒度模 34SBA三全管理系统中QMMS的作用 型或顶层模型.从SBA全寿命全系统、全方位管理 1)使命和共识基础.展示采办主持者（里程碑 视图，它是决策问题层次结构化的总描述，它的意义 决策者)在理解和分析军事战略的作战能力需求基 表现在3个方面： 础上所提出的功能解决方案与实施方略.并给出采 1)从系统仿真开发的角度，QMs和QMMS引导 办任务全寿命、全系统全方位管理的概念定义，作为 具体建模的作用，为系统开发作构思准备 采办参与者对使命概念模型QMs元模型和模型管 2)从问题求解的视角，在系统分析阶段，研究 理理解和共识的基础， 者主要面对问题空间”，所建对象系统的模型是通 2)概念模型的元模型.各概念模型QMs以实 用视图的概念模型.复杂系统的构思用单一概念模 体、动作过程、任务、交互条件、环境因素等作统一 型不足以概括全局，使命空间概念模型就起到表征 结构化描述，这种描述亦称元模型，各描述因素解释 系统全局的作用」 如下： 3)QMMS、QMUS、CMSR是应用软件系统设计 a)实体(Entity):包括系统中涉及的各类实体， 与开发的权威依据，是已知需求的表述，也是问题求 包括人员组织结构、装备及其组成部分、信息及其 解的己知条件和约束条件，题解的产生从这里开始， 它资源 如据以产生需求向功能转换的任务功能概念模型 b)动作(Actons):不可再分的实体行为 FQM(function conceptual model))和任务仿真概念模 c)过程(Process):相关联的动作集合 型SCM(smulation concep tual model)乃至基于FQM d)任务Mission./Tasks).任务定义为旨在完成 和SQM迈向具体系统建模与仿真对象模型FOM 特定目标的多个过程序列，有初始（入口）条件和终 function object model)SOM siulation object 结（出口）条件，并可测量验证.过程组合称任务，一 mode)的实现」 项复杂系统的采办总任务亦称使命(M isson),可按 3.3软件开发过程模型SDP 时序分为阶段，各阶段又可分解为多个具体任务称 SBA及其三全管理系统，作为复杂应用软件系 Tasks 统，其各组分软件开发过程分别用具体的S①P(0ft e)交互条件(Interact conditions).指QM与QM ware development process)模型表述.其过程简述为： 间或与QMS间的相互作用. 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net

间概念模型 CMUS,主要描述用户的各种需求 ,包括 系统 /子系统规范 SSS ( system /subsystem specifica2 tion) ,接口需求规范 IRS( interface requirements spec2 ification) ,软件需求规范 SRS ( software requirements specification)等. 完备的 CMUS是构建 CMMS的先 决条件 ,如它按用户需求定义了 CMMS的仿真范围 ( scope)、逼真度 ( fidelity)和分辨率 ( resolution). 而 这些定义对 CMSR也是必要的 , CMSR为 CMMS引 导的系统开发中的各 CM s提供综合表示支持 ,包括 算法、公式和其他科学技术基础知识等 ,作为 CMMS 描述模型中知识层面的补充. 据此 ,以集合结构化描 述所述概念模型的内涵及其间关联 : 1) CMMS(CM s, CMUS, CMSR, etc) ; 2) CM s ( Entity, Actions, Process, Tasks, Interac2 tion, Environment) ; 3) CMUS(SSS, IRS, SRS, Scope, fidelity, resolu2 tion) ; 4) CMSR (A lgorithm, Formula, Knowledge, etc). 3. 2 意义 CMMS是一种鸟瞰全局的任务顶层抽象描述 , 可以由许多子系统概念模型组成 ,从系统仿真实现 视图 , CMMS是 SBA采办对象系统的全局粗粒度模 型或顶层模型. 从 SBA全寿命、全系统、全方位管理 视图 ,它是决策问题层次结构化的总描述 ,它的意义 表现在 3个方面 : 1)从系统仿真开发的角度 , CM s和 CMMS引导 具体建模的作用 ,为系统开发作构思准备. 2)从问题求解的视角 ,在系统分析阶段 ,研究 者主要面对“问题空间 ”,所建对象系统的模型是通 用视图的概念模型. 复杂系统的构思用单一概念模 型不足以概括全局 ,使命空间概念模型就起到表征 系统全局的作用. 3) CMMS、CMUS、CMSR 是应用软件系统设计 与开发的权威依据 ,是已知需求的表述 ,也是问题求 解的已知条件和约束条件 ,题解的产生从这里开始. 如据以产生需求向功能转换的任务功能概念模型 FCM (function concep tual model)和任务仿真概念模 型 SCM ( simulation concep tual model)乃至基于 FCM 和 SCM迈向具体系统建模与仿真对象模型 FOM ( function object model) 和 SOM ( simulation object model)的实现. 3. 3 软件开发过程模型 SDP SBA及其三全管理系统 ,作为复杂应用软件系 统 ,其各组分软件开发过程分别用具体的 SDP( soft2 ware development p rocess)模型表述. 其过程简述为 : 在 CMUS, CMMS和 CMSR支持下 ,产生描述各具体 任务实例的功能概念模型 FCM s( function concep tual models)和相应的实例仿真概念模型 SCM s( simula2 tion concep tual models) ,再根据具体 FCM建立对象 模型 FOM和相应的仿真对象模型 SOM及对象实现 模型 IOM ( imp lementation object model). 如图 2 所 示 ,开发工作顺序为 CMUS→CMMS→CMSR →FCM →FOM→SOM → IOM. 这是以功能实例概念模型为 主创建仿真对象模型的情况. 若以仿真概念模型修 正功能对象模型 ,则 SDP 模型的工作顺序将是 CMUS→ CMMS → CMSR → SCM → IOM → SOM → FCM→IOM. 图 2 SBA模型的软件开发过程 Fig. 2 Software development p rocess of SBA model 3. 4 SBA三全管理系统中 CMMS的作用 1)使命和共识基础. 展示采办主持者 (里程碑 决策者 )在理解和分析军事战略的作战能力需求基 础上所提出的功能解决方案与实施方略. 并给出采 办任务全寿命、全系统全方位管理的概念定义 ,作为 采办参与者对使命概念模型 CM s元模型和模型管 理理解和共识的基础. 2)概念模型的元模型. 各概念模型 CM s以实 体、动作、过程、任务、交互条件、环境因素等作统一 结构化描述 ,这种描述亦称元模型 ,各描述因素解释 如下 : a)实体 (Entity) :包括系统中涉及的各类实体 , 包括人员、组织结构、装备及其组成部分、信息及其 它资源. b)动作 (Actions) :不可再分的实体行为. c)过程 (Process) :相关联的动作集合. d)任务 (M ission /Tasks). 任务定义为旨在完成 特定目标的多个过程序列 ,有初始 (入口 )条件和终 结 (出口 )条件 ,并可测量验证. 过程组合称任务 ,一 项复杂系统的采办总任务亦称使命 (M ission) ,可按 时序分为阶段 ,各阶段又可分解为多个具体任务称 Tasks. e)交互条件 ( Interact conditions). 指 CM 与 CM 间或与 CMMS间的相互作用. ·34· 智 能 系 统 学 报 第 4卷 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net