第4卷第4期 智能系统学报 Vol.4 No.4 2009年8月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Ag.2009 doi:10.3969/j.issn.16734785.2009.04.007 面向体系虚拟采办的智能决策支持系统 冯珊1，郭四海12，周凯波1 (1.单中科技大学控制科学与工程系，武汉430074：2.武汉理工大学自动化学院，武汉430070) 摘要：为满足信息化战争形态对体系采办的需求，基于体系性能固有特征对虚拟采办的技术要求，在传统单系统 虚拟采办技术基础上建立协同工程环境CEE,有效支持基于模型的系统工程MBSE.应用层新增智能决策支持系统 DSS旨在提高决策者的认知决策和群体研讨决策能力以获取初始需求定义模型，运用综合集成法与建模与仿真使 能工具以优化模型构造与演化过程.DSS既是CEE上的MBSE应用，与SBA应用共享可拓展资源层，又是SBA的支 持系统，它运用构件按需组合的机制自动链接和执行工作流程而达到具体SBA问题求解的目标，并以紧致耦合和 Wb服务两种决策支持方式选项来适应用户需要.配合DSS,在CEE中间件平台和资源层进行了相应的技术拓展. 已实现的DS$实用原型系统的可用性、有效性和技术优势，已通过体系采办实例得到了验证.文章最后给出了继续 努力的几个方向. 关键词：体系；虚拟采办：智能决策支持系统：中间件平台：协同工程 中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：16734785(2009)040321-10 An intelligent decision support system for the system of system oriented simulation based acquisition 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 Technology,Wuhan 430070,China) Abstract:To satisfy the requirements of information stylized war,a collaborative engineering environment CEE was constructed on the technical basis for traditional single system acquisition,according to the essential characteristics of system of systems required technological conditions of simulation based acquisition.The CEE is capable to sup- port problem solving efficiently in the model based systems engineering MBSE domain.A newly added intelligent decision support system IDSS was developed for the promotion of cognitive decision making capability and the group decision making capability through discussion,acquiring a initial requirement definition model.Decision makers u- tilized the comprehensive integration approach and sets of enablers of modelling and simulation to optimize the processes of model construction and evolution.The IDSS is an application of MBSE supported by CEE,and also a support tool for SBA.It shares the capability components composition mechanism to linking and executing working flows to solve SBA subsantial problems and offers two options of decision support services adaptively.A ssociating with IDSS,sets of technical expansions of the CEE middleware platform and resource level were developed.The us- ability,efficiency and technological advantages of the implemented IDSS practical prototype have been verified through applied SOS-SBA cases and finally serveral directions of continuing research efforts are given. Keywords:system of systems;simulation based acquisition;intelligent decision support system;middleware plate- form;cooperational engineering; 世纪之交在全球发生了几场局部战争，向人类 程特征可概括为：首先，掌控天基、海基、陆基和空基 呈现出后信息时代战争形态和新的作战模式.其过 信息，获取信息优势，不失时机地将之转化为决策优 势，这是通向战场优势的必由之路；其次，作战装备 收稿日期：200907-15. 基金项目：“十一五”国家部委基金资助项目(4130400501)：国家部 主体不再是传统的主战武器装备系统为核心的作战 委重点基金资助项目(40A04050707);国家自然科学基金 重大资助项目(79990580). 平台，而是按作战需求动态组合的各具自主独立作 通信作者：冯珊.E-mail:sfeng@mail.hust.edl.cm 战能力、互不隶属的多军兵种联合体一系统的系统
·322· 智能系统学报 第4卷 SOS(system of systems),译作体系；最后，负责组织 有力地支持了按军事需求采办装备（产品）的目的， 管理体系SOS作战的指挥官通过集指挥、控制、计 相应地，建模与仿真技术也有了长足的发展，我国复 算机、情报、监视与侦察于一体的C4ISR(command、 杂武器装备SBA的研究与开发卓有成效，代表性成 communication、control、computer、intelligence、surveil 果有SBA协同仿真平台COSM和后续的网格化工 lance、reconnaissance)),直接协调各组分单元系统 作s1;但针对面向体系SOS的SBA(下文简称S0S 的行动，其作战指挥控制能力在指挥体系扁平化作 SBA)的研究，尚未见系统文献和成果报告，本文属 用下，使S0S能有效运作，最快地达到联合兵力集 SOS虚拟采办的初步探索. 结、交战和脱离战斗的目标，从而能在最低风险条件 1.1体系与系统对比分析 下以最小的资源消耗达到赢得战争的目的.受信息 系统SBA(以下简称SYS-SBA)的采办客体/目 化战争模式驱动，世界各国竞相投资营造军事信息 标系统属军用武器装备产品.产品通常由多个功能 基础设施，开发信息对抗能力并不断提高其数字化、 子系统集成，但它是整体存在和整体运用的系统，如 智能化和网络化水平以实现兵力信息化转型的目 飞机、地面雷达等.而面向具体作战模式，由多个自 标；另外，国防采办目标和过程，迅即从由主战武器 主能力系统按需组合的体系则属不同时间提供不同 系统平台驱动的项目开发，转向网络中心支持的多 能力的多组分系统的动态集合，如执行某特定作战 装备系统，他们按作战需求组合，从而构成多系统的 任务的多军兵种联合能力系统.为便于论述，将文中 动态集合-S0S,相应地，称基于S0S的作战称体系 涉及的系统结构层次自上而下分为体系、系统（组 对抗2].体系对抗条件下，作战能力需要快速按需 分系统、产品系统)和子系统3个层次，自下而上子 组合，灵活部署，同时为提高组合效率，实现装备系 系统构成系统，系统构成体系.鉴于军事用语的体系 列规划，有必要按能力所属的技术领域来准备待组 有其特殊的内涵，同时为区分系统处于或不处于体 合的作战能力系统，因此引发了基于专项能力系统 系中，分别称为组分系统(component systems)和产 按需构成联合能力系统(joint capability system,JCS) 品系统(product system).组分系统是指构成体系的 的采办新模式.按能力系统类别属性可分战场空间 各个单元系统.产品系统则定义为由多个子系统依 感知、指挥与控制、聚焦式后勤、网络中心战、军事力 结构集成为具有确定功能的单系统整体， 量管理、运用和防护等3]，实质上，S0S的组成应按 为对比分析组分系统行为对体系行为的影响和 能力类别选择组分系统并进行必要的剪裁，而JCS 子系统行为对系统行为的影响，表1从3个方面进 也具有S0S的形式特征.对采办而言，两者基于复 行了比较 杂自适应系统固有特征对建模与仿真技术的挑战是 表1体系与系统的构成和行为对比 等同的，以下的SBA论述对两者都适用 Table 1 SOS VS SYS components and behavior comparison 体系S0S 单系统SYS 体系SOS虚拟采办 体系山组分系统松散耦合成 子系统紧致耦合成单系统 ,组分系统行为对体系行为各 子系统对系统行为各有贡献 国防采办概指武器装备系统的获得过程，基于 有贡献 仿真的采办(simulation based acquisition,SBA)是真 一组分系统可独立运行 ~子系统大独立运行 实世界实物采办过程基于系统建模与仿真M&S 一体系边界虽有定义，然而模糊 ,系统边界定义清楚而确定 (modeling&simulation)技术，在数字世界中的本质 运行中体系具有不可预测的复杂 运行中系统行为可和可理解 再现，亦称虚拟采办4.虚拟采办与真实采办以计 行为表现 ,体系时有自发的涌现行为 ,系统偶有可理解的关发行为 算机网络为介质和载体建立的映射关系，使采办主 一具有人一系统复杂交互行为 ~系统行为通过操作接口可怪 体（采办组织和主持者、项目决策者）智能地以控制 ,休系组分系统可能产偶发 ,系统/子系统的演化可期望 参数的形式融入采办客体产品的构成和演化全过 非预期演化 和可规划 程.通过决策和控制达到产品与过程集成优化和综 饥分系统间的交万多样性可被要 系统/子系统何的交互和关联有 合优化的目标数字世界中成功的采办路线作为真 求有协同性，但无强制性 确定和清楚的规约，具有强制性 实采办的参照系，可以支持和指导实际采办，使之在 低风险条件下，以较少的资源消耗，在更短的时间周 1.2体系SBA系统工程 期内采办到适用的武器装备系统.自美国国防部建 体系S0S的产生，受到新战争形态和作战模式 模与仿真委员会于1997年提出SBA到2006年颁 的需求牵引，更受到信息技术为核心的高新技术迅 布采办建模与仿真主计划，10年的SBA实践已经强 猛发展的推动在局部战争中率先构建和运用体系 的美国国防部的创意在于实现一种务实的整体综合
第4期 冯珊，等：面向体系虚拟采办的智能决策支持系统 ·323· 优化的系统工程策略，面向新的作战概念，在已有装 ing environment,.CEE)采用近年来快速发展和广泛应用 备能力储备的基础上，用最短的时间、花费最少的 的中间件技术，在传统的操作系统与应用系统间增加 “再投入”，以最大限度地形成适应信息化新作战模 一个中间件平台，专门向组分系统构件提供运行支持 式的整体作战能力.事实证明，体系SBA系统工程 和协同管理服务.在开放、动态和复杂难控的网络环境 涉及对混有待采办新系统和既有产品系统的大型采 中，保证具有柔性可演化和多目标自适应的行为特征 办系统的整体能力进行规划、分析、组织和集成.各 的组分系统，构件的运行能满足预期的功能和性能要 国的国情和军备状况不同，应有不同的具体办法.本 求81.限于篇幅，本文只作简单说明 文结合体系与组分系统的定义及表1给出的组分系 2面向SBA的MBSE和CEE 统行为特征，将SOS-SBA系统工程分成2个部分： 1)顶层的作战使命/任务需求分析，据以确定 SBA工程属高复杂度的系统工程，其研究与开 体系的组合方案及其组成对环境的适应性特征.其 发活动的核心在于构建一种M&S技术使能的协同 工程实质是将军事需求概念和预期的作战形态转化 工程环境/平台体系，使采办主体可以在此环境提供 为体系工程总体蓝图，在SBA范畴归结为以结构化 的适用资源和有针对性的技术工具支持下，协作完 方式组织问题空间和用户需求，据以生成一种概念 成采办客体生命周期全过程，获得用户适用的系统。 性的软件体系结构.若采用基于构件的体系结构 武器装备单系统的虚拟采办过程，可概述为基于共 (component based architecture,CBA),则由之确定构 享资源，采办主体在建模与仿真技术使能的协作平 件类别、数量及构件间的连接关系.例如，可套用文 台上，按产品与过程一体化开发(integrated products 献[7]中用户空间概念模型(conceptual models of and processes development,IPPD)模式，协调一致地 user space.,CMUS)驱动的，综合表达概念模型CMSR 面向共同开发目标.从采办前期的需求定义开始，构 支持的使命空间概念模型(conceptual models of the 建产品全数字模型历经方案论证、技术开发与演示 mission space,.CMMS)方法，但需要考虑预期的需求 到生产与部署的阶段定型，再经使用与保障，退役与 变化、技术演化和限制条件等因素.显然，SOS-SBA 处理完成整个生命周期各阶段的连续演化过程.因 对M&S的技术支撑，不仅在建模范围和运用灵活性 为采办的投入资源、中间和最终产品、采办过程的多 方面都提出了更高的要求，更重要的是现有M&S技 阶段输出的实体分别表征为不同类别的模型，即 术已经不能解决具有预决、适应、组织及演化等复杂 SBA是在模型环境中构造模型、演化模型的工程，称 动力学特征的SOS-SBA问题.本文提出的SBA-IDSS 基于模型的系统工程(model based system engineer- 试图通过适应人类问题求解的思维模式，佐以普适 ing,MBSE).MBSE是国际系统工程委员会INCOSE 计算、服务计算的应用以增强对采办决策者的认知 和对象管理组织OMG提出的新概念，旨在从技术 支持，提高其决策能力，并且运用系统工程的软科学 综合发展的视角，在更高的层次上将这类复杂模型 方法来缓解这个技术难题.DSS的构成、运用及其 系统的问题求解归结为系统工程91o1.据此，S0S 功效分析是本文主要内容， SBA和SYS-SBA都属CEE支持的MBSE应用.当体 2)各组合方案中的组分系统实体化，即系统设计 系组分系统角色既定，需求明确时，SOS-SBA过程和 与软件实现.实体化又可划分为既有产品系统的信息 SYS-SBA一样可经历产品与过程集成开发全寿命周 化改造和新组分系统的生成.合格的体系组分系统应 期，如图1应用层左边所示， 在传统单武器装备系统具备的功能和性能基础上，增 2.1面向体系SBA的IDSS概述 加自治性、反应性、协同性及自适应性等特征.在SBA 图1的应用层上指出采办对象系统的全寿命周 范畴，沿用文献[7]中面向单武器装备系统的软件开发 期PPD和IDSS同属CEE上的应用系统，但是IDSS 过程模型(software development process model,SDPM), 有两重性.IDSS是为SBA工程的决策者提供智力支 可以基于CMMS与CMUS进行功能/能力实例模型 持的系统，支持目的旨在通过决策者决策认知水平 (implementation object models,IOMs)的开发、集成和验 的提高而优化采办过程、增进效果和提高效率.与传 证.然而基于SDPM的实体系统开发，如用主流面向对 统的为具体决策者量身打造的专用个人DSS不同， 象技术，由于相对封闭、稳定、可控的运行环境，尚不具 它在被支持的决策者组织角色、专业领域等多类属 有处理体系组分系统间的运行时（动态）行为按需协同 性方面未设局限，与传统的分布式决策支持系统和 的能力和组分系统构件间交互的多样、复杂和可变等 群决策支持系统相比，它在系统构成和运行方面也 特征.本文提出的协同工程环境(collaborative engineer- 不具有各类典型的确定的模式
·324· 智能系统学报 第4卷 金 虚拟采办 个2 示范系统 规划 分析 组织 部署、 采办应用 」户层 应用门户层 体系、系统 产品与过程集成开发全寿命周期 系统 备选方案 方案 管理 分析评估 初选 技术 系统 需求工程 开发路线 生前 与精遗 开 与 使用 与演示 部署 协同T程 保障 应用层 资源环境 智能决策 技术一体 支持系统 化管理/ IDSS 全管理 个人决策 M&S 建 研讨决策 使能 分析综合 验证 试 决策支持应州 协同工程 构件运；和管理平台COP 环境 标准和框架，DOT NET/CLR,J2EE/EJB 与工其层 M&S使能T.具/XMSF/基于构件体系结构CBA/Web 分布 计算平台 数据/ 网络作战环境 上下文 资源层 算法州例 信息模刑 文件模板/ 仿真/案例 装备体系与系统 识 软硬件文档 图1协作工程环境CEE Fig.1 Collaborative engineering environment CEE 决策任务 决策过程(S0S】 工作细文档 子装号修巴 评备选方案 指标/测度 MS概念模型 模型仿真组个 携序塔优 家，立意无 决策准则 是 参加决策人 问题空间 器料 各选方案柴 中间成最终 解空间 决策分析与集成(S0S) 综合集成 综合分析 研术 决策可溯性分析 按期型H标检查 合理开反 辛、效果、效王 冲突化解 影利因素的 灭数以分析 决策空间 SBA-MeS1DSS公共设施 MS管与制，策（人、，事环晚）管制 局域网 相关平价1系统1 相关平台系m 门户 接入管舞与控制 广域网 平台 系缆 图2SBA-IDSS系统概念框架 Fig.2 SBA-IDSS system conceptual framework
第4期 冯珊，等：面向体系虚拟采办的智能决策支持系统 ·325· 图2所示的SBA-IDSS框架，从应用软件系统来 2.3资源层的拓展 看，它具有按决策需求进行多种选项灵活组成决策 在SBA工程实用原型的技术基础上，已能实现 流程的性质，并且可由决策者掌控决策全过程.它和 数据/信息/知识/文档等的无障碍共享和处理过程 它为之服务的SBA工程一样，可共享图1资源层的 的自动化，并已达到分布、开放和交互运用的水平 所有MBSE资源，因此有足够的决策资源和使能工 但在模型与仿真资源方面尚未构成严格意义上可互 具.如其决策问题源自SBA过程，则问题的解必然 操作、可重用、可移植、可拓展和具有强交互能力的 要在同一背景和环境下经受可信性和适应性考验. 体系结构.当采办对象系统由单系统发展为SOS 它与SBA全寿命过程同属CEE上的应用，对SBA 时，资源层的技术改进还应包括： 而言，它是一种基于软件的嵌入式系统，其决策流程 1)拓宽重用资源类别并建立相关知识库，资源 参见图3，其输人来自SBA某环节，而其输出又将作 包括：除已有常规资源外的实用程序、网络、计算平 为SBA另一环节的输入.从数据/信息/模型/仿真 台、典型作战环境、技术服务、体系结构、靶场、装备 的取用、生成和运用上看，它具有和应用系统SBA 案例、VV&A案例、文件模板、采办过程等. 相同的一体化和规范化基于构件的体系结构.因此， 2)为支持多个高层部门对体系协同决策时，需 它的问题求解流程，可由按需组合的构件集成的执 要对体系模型和其组分系统模型同时表征，并对相 行软件实现，包括SOS-SBA和SYS-SBA应用软件系 应的功能、结构、行为进行考察对比和在适合需求的 统中的相关构件和决策任务信息.对于采办目标/体 作战环境中进行试验等.因此在资源层要扩充粗粒 系而言，作为SOS-SBA和SYS-SBA工作流程的构 度的武器装备系统模型和基于单个系统组成的具体 件，它又是全寿命周期各阶段的决策支持工具，协同 体系元模型，提供与体系有关的所有技术信息， 完成开发任务.图1的示范系统和图2中通过网络 3)应充实仿真试验环境，联合军兵种战斗空间 互连的各个结点上的人-机决策单元，说明SBA- 环境的测试以评估和验证体系（方案）作战效能. IDSS对所有采办参与者提供决策服务.用户可按需 3SBA-IDSS系统概念框架 选择2种服务提供方式。 2.2 操作运行和使能工具层 3.1SBA-IDSS构成 在文献[7]中，作者已阐明SBA应用软件系统 从软件系统实现的层次上看，图2所示SBA- 采用了基于构件的软件体系结构CBA和可扩展建 IDSS概念框架属SBA采办问题求解流程解决方案的 模与仿真框架(extensible modeling and simulation 统一描述.它给出如何将分属决策任务、决策过程和 framework,XMSF)作为实现技术支撑，并确定了构 决策分析与集成3个子系统/功能类别的逻辑部件相 件结构定义及其可组合性实现方法.本文按体系 连接，按需组成面向各种具体决策问题的决策流程， SOS的性能特征，特别是其构件实体间按需协同的 见图3与图4.它集成了最佳实践和可复用的基础软 行为模式要求，初步定义了通信、协调、转换和辅助 件，见图2问题空间、解空间和决策空间分别列出的 交互等一组连接件，再通过实现构件模型的构件框 功能模块，在具体开发中起到指导和规范作用.它之 架，在其上实现构件的组装与部署，使在实现构件按 所以具有按需组合的功能，是因为它作为CEE上的 需组合的同时，有可能解决其行为的按需协同.在实 应用软件，必须具有CBA的体系结构属性.SBA-DSS 现层次上，是通过平台化的中间件技术实现的.由中 作为软件系统，由构件实体和实体间通过连接件，按 间件平台负责构件系统的运行与管理，首先将构件 计算执行过程的需要组合而成.而选择CBA体系结 转换为可运行软件实体，再通过增减实体间的连接 构则是出于对SBA软件系统的复杂大型软件结构的 件的变化和演化，适应环境变化上下文行为，达到按 考虑.通过结构化、一体化和规范化将开发工作的重 需协同.中间件平台处于系统软件与应用软件之间， 点放在规范构件开发与系统集成上， 见图1的操作运行/使能工具层，如采用平台COP 3.2SBA-IDSS外部行为 和框架DOT NET/CLR、EJB/J2EE等. 图2所示SBA-IDSS概念框架已在文献[6]中， 这样，可以在M&S技术支持下，通过模型简化 从使命空间概念模型CMMS视角，定义了IDSS的 克服SOS实际系统的适应性与复杂系统不可建模 预期行为和物理配置.这里从应用软件系统开发的 的难题，从而在一定程度上推进S0S的研究与开发 多个视图，特别是对它在SOS-SBA中的作用进一步 问题的解决 阐明.首先，作为决策视图，它是概念框架，从总体