摘要：總結了系統(tǒng)工程、體系工程與數(shù)字工程等系統(tǒng)科學體系的起源、發(fā)展以及相互關系,在分析國內外水下攻防體系發(fā)展情況的基礎上,針對水下攻防體系在發(fā)展過程中面臨的體系運行機理復雜與技術基礎薄弱等主要問題,闡述了將系統(tǒng)科學體系相關理論運用于水下攻防體系建設發(fā)展的必要性,并分別從系統(tǒng)工程、體系工程與數(shù)字工程的角度提出了水下攻防體系的相關發(fā)展建議,對后續(xù)水下攻防體系的研究具有一定的軍事意義和理論價值。

水下戰(zhàn)場空間廣闊,戰(zhàn)略縱深巨大,隨著全域聯(lián)合作戰(zhàn)空間的不斷拓展,水下成為未來海上戰(zhàn)略與軍事對抗的制高點以及各海洋強國強化軍事存在和軍事控制的新型安全領域。因此,水下攻防體系的發(fā)展是現(xiàn)代戰(zhàn)爭向跨域作戰(zhàn)、全域作戰(zhàn)的必然要求,并將成為提升聯(lián)合作戰(zhàn)能力、形成水下制權的重要途徑。同時,隨著系統(tǒng)科學體系的不斷發(fā)展與完善,從系統(tǒng)工程、體系工程到數(shù)字工程,各種指導武器裝備發(fā)展的理論和思潮方興未艾,厘清它們之間的關系并建立相關的理論基礎,構建水下攻防體系論證、建設和運用的新范式,對增強水下攻防體系化科技能力和有序形成水下制權具有重大的現(xiàn)實和戰(zhàn)略意義。

1從系統(tǒng)工程、體系工程到數(shù)字工程

1.1系統(tǒng)工程的起源與發(fā)展趨勢

系統(tǒng)工程的初衷是解決在一定的資源約束條件下的工程實施問題,其基本概念是綜合多種專業(yè)技術,經過分析、集成、試驗和評估的反復迭代,形成一個滿足系統(tǒng)需求且總體逐漸優(yōu)化的系統(tǒng),系統(tǒng)工程作為指導系統(tǒng)研制的一種跨學科的方法和途徑,其核心價值在于規(guī)劃并約束了一般系統(tǒng)的開發(fā)過程,有效縮減了系統(tǒng)的開發(fā)成本以及開發(fā)風險。根據(jù)NASA對系統(tǒng)工程范圍的定義,這些開發(fā)過程包括了技術開發(fā)過程和技術管理過程,其中,技術開發(fā)過程構成了系統(tǒng)的生命周期階段模型,錢學森將現(xiàn)代管理科學與西方系統(tǒng)工程的基本理論結合,形成了具有中國特色的系統(tǒng)工程方法論,并在航天、航空、船舶等武器裝備領域得到了廣泛應用。 但隨著信息技術和武器裝備的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程在具體實踐過程中也遇到了很多問題:一是武器裝備處于一個井噴式的發(fā)展狀態(tài),預研一代、研制一代、裝備一代的武器發(fā)展思路容易受限于復雜武器裝備系統(tǒng)自身的研制周期,往往是一個型號沒干完,新的型號就已經上馬,但傳統(tǒng)系統(tǒng)工程并沒有解決好工程過程中經驗數(shù)據(jù)的積累過程,模塊化和重用化的程度偏低,資產復用程度不高,導致系統(tǒng)資源的利用率偏低,工程中重復建設、重復組織的問題嚴重。二是傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程基本采用分解—集成的還原論思想,隨著武器裝備系統(tǒng)越來越復雜并逐漸演變成復雜的非線性系統(tǒng),功能、性能指標以及系統(tǒng)組成分解難度逐漸加大,集成后能否還原為上層系統(tǒng)的整體屬性不能得到及時驗證,由此導致武器裝備的研制周期過長,風險釋放困難。三是傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程是一種總體技術,雖然能使工程具體技術更高效地實現(xiàn)目標,但重于技術狀態(tài)管理而輕于牽引技術開發(fā),在組織系統(tǒng)研制開發(fā)的過程中缺乏對系統(tǒng)整體技術的整合分析,難以支撐總體設計人員進行多學科多方案的決策尋優(yōu)。 基于模型的系統(tǒng)工程方法(MBSE)本質上是仿真建模方法與系統(tǒng)工程理論的結合,通過貫穿系統(tǒng)全生命周期的形式化建模,很好地解決了傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程所遇到的各種問題,是系統(tǒng)工程在新時代的又一次發(fā)展和演變。MBSE在工程中通過建立的各類系統(tǒng)模型解決了工程經驗積累和項目復用的問題,并通過不同層級的需求模型、架構模型、功能模型、性能模型,為復雜系統(tǒng)的向下分解和及時驗證提供了條件,此外,通過建立的各學科物理模型實現(xiàn)了對各專業(yè)具體技術的描述,將系統(tǒng)工程整合成完整系統(tǒng)所需要的技術集合。

1.2體系工程的起源與發(fā)展趨勢

體系工程本質上是對系統(tǒng)工程的延伸和拓展,與系統(tǒng)工程相比,體系工程面臨的是更大規(guī)模和更加復雜的系統(tǒng)集成問題,需要更加注意的是多個系統(tǒng)之間復雜的非線性優(yōu)化策略。隨著信息技術的發(fā)展及廣泛應用,機械化條件下的裝備對抗逐漸被信息化條件下的聯(lián)合對抗所取代,戰(zhàn)場對抗方式演變成一種作戰(zhàn)要素齊全,作戰(zhàn)單元關聯(lián),作戰(zhàn)力量聯(lián)動,具有完整行動鏈和整體聯(lián)動特性的全過程跨領域體系作戰(zhàn),并表現(xiàn)出組分系統(tǒng)獨立,相互依存關聯(lián),組織因素明顯,漸進涌現(xiàn)成型等體系化特點。傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程方法已經很難適應體系的這些特點,無法很好地解決武器裝備體系各組成部分的指標銜接、信息流轉、殺傷鏈閉合等問題。美國國防部結合多個聯(lián)合作戰(zhàn)系統(tǒng)開發(fā)的實踐經驗,于2004年推出了體系工程指南,作為美軍聯(lián)合作戰(zhàn)體系開發(fā)的工程指導。美國國防采辦手冊定義體系工程是對一個由現(xiàn)有或新開發(fā)系統(tǒng)組成的混合系統(tǒng)的能力進行計劃、分析、組織和集成的過程,這個過程比簡單地對成員系統(tǒng)進行能力疊加要復雜得多,其強調通過發(fā)展和實現(xiàn)某種標準來推動成員系統(tǒng)間的互操作。

至此,武器裝備體系工程的方法和理論逐漸形成,以頂層作戰(zhàn)概念為牽引,采用“作戰(zhàn)場景設計—體系能力需求—裝備體系架構—單項裝備發(fā)展”的正向設計思路,將武器裝備體系工程分為體系戰(zhàn)略分析、體系頂層設計、體系裝備建設、體系作戰(zhàn)運用以及體系能力評估五個主要階段,其中,體系戰(zhàn)略分析、體系頂層設計、體系裝備建設、體系作戰(zhàn)運用循環(huán)迭代,體系能力評估貫穿體系工程全生命周期。武器裝備體系的涌現(xiàn)性和演化性兩大特征確定了體系并沒有嚴格的需求邊界,并且因為武器裝備體系的組成系統(tǒng)來源不同,所以武器裝備體系總體設計應在對抗的環(huán)境下通過對各系統(tǒng)組成結構的不斷優(yōu)化,追求各系統(tǒng)指標的最優(yōu)與體系效能實現(xiàn)之間的平衡。根據(jù)美軍體系工程發(fā)展及應用情況,體系工程在具體實踐過程中也出現(xiàn)了一些亟須解決的問題:一是需要可進化的動態(tài)體系架構,具有開放式可重構可衍生的特點;二是需要自上而下的頂層設計模型,以頂層需求的牽引與關鍵技術推動指導體系建設;三是需要標準化的任務工程管理機制,支撐體系全生命周期的一致性認知和活動約束;四是需要可信化的體系仿真驗證環(huán)境,利用建模仿真技術實現(xiàn)試驗、訓練、建設的深度融合。

1.3數(shù)字工程的起源與發(fā)展趨勢

以數(shù)字化為主要特征的信息革命,正推動人類社會進入數(shù)字時代,利用數(shù)字系統(tǒng)、數(shù)字孿生、數(shù)字線索等技術將物理世界各類實體、行為映射到數(shù)字空間,借助數(shù)字空間數(shù)據(jù)高速流動、零成本試錯等優(yōu)勢,通過“反復迭代、數(shù)字尋優(yōu)”化解復雜系統(tǒng)的不確定性,從而實現(xiàn)資源高效配置、體系賦能增效,將成為解決武器裝備體系面臨的海量、碎片化、多場景、多領域等復雜問題的重要方案。2018年,美國國防部發(fā)布的《數(shù)字工程戰(zhàn)略》,將數(shù)字工程定義成一種集成的數(shù)字方法,圍繞數(shù)字模型開發(fā)集成應用、權威真相源構建與使用、技術創(chuàng)新改進工程實踐、基礎設施環(huán)境建設、戰(zhàn)略政策與機制建設五大目標,全面開啟了武器裝備體系的數(shù)字工程時代。

從系統(tǒng)工程的角度來看,數(shù)字工程是對系統(tǒng)工程的又一次演變革新,基于模型的系統(tǒng)工程通過貫穿全生命周期的形式化建模,實現(xiàn)對系統(tǒng)工程的整體性與系統(tǒng)性描述,但MBSE在武器裝備領域的深入應用不僅需要邏輯域的建模,還應該結合物理域的建模。數(shù)字孿生技術能夠很好地滿足武器裝備物理域的建模需求,實現(xiàn)武器裝備物理實體在數(shù)字空間的全要素重建與映射,并基于模型與數(shù)據(jù)對物理空間內的裝備實體進行實時模擬、監(jiān)控、反映。總的來說,數(shù)字孿生實現(xiàn)武器裝備本體的數(shù)字化,MBSE實現(xiàn)武器裝備過程的數(shù)字化,并能夠支撐武器裝備本體數(shù)字化,通過數(shù)字孿生與MBSE的結合構建了武器裝備系統(tǒng)發(fā)展的新范式,是面向武器裝備系統(tǒng)的數(shù)字工程。

從體系工程的角度來看,數(shù)字工程是體系工程發(fā)展應用的必然要求,參考美軍裝備體系建設的實踐經驗,在體系架構層面,數(shù)字化體系架構模型是自頂向下實現(xiàn)對需求變更的快速追溯的有效途徑,并支持體系架構的動態(tài)演化;在體系管理層面,數(shù)字化體系管理活動是形成標準化任務管理機制的必要基礎,即確保了武器裝備之間的互操作性,也提升了設計管理人員的認知與決策能力;在體系運用層面,武器裝備與戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)字化是形成可信化體系仿真驗證環(huán)境的重要支撐,通過在數(shù)字空間內進行作戰(zhàn)試驗分析,探索體系作戰(zhàn)能力,并驗證相關作戰(zhàn)概念,為體系戰(zhàn)略分析、頂層設計、裝備建設、作戰(zhàn)運用和能力評估等不同階段提供支撐。總的來說,通過體系架構、管理活動、戰(zhàn)場環(huán)境、武器裝備數(shù)字化,實現(xiàn)武器裝備體系“動起來、活起來、留起來,用起來”,構建武器裝備體系發(fā)展的新范式,是面向武器裝備體系的數(shù)字工程。

2水下攻防體系的發(fā)展問題分析

隨著水下對抗形勢的不斷加劇,美軍不斷強化水下作戰(zhàn)能力建設,在2016年發(fā)布的《水下戰(zhàn)科學與技術目標》中,提出了多個水下作戰(zhàn)力量重點方向的發(fā)展目標,意圖建設水下作戰(zhàn)領域的體系化作戰(zhàn)及網絡化攻防的能力。美軍為形成西太地區(qū)對我的制衡優(yōu)勢,將作戰(zhàn)中心持續(xù)向亞太地區(qū)轉移,不斷強化在西太地區(qū)的軍事部署,美國海軍戰(zhàn)爭學院的研究報告顯示,美軍認為隨著中美海上作戰(zhàn)力量的對比變化,水下已成為其唯一可對我形成優(yōu)勢的作戰(zhàn)空間。由此可見,發(fā)展水下作戰(zhàn)體系,提升水下作戰(zhàn)力量,已經成為美軍實現(xiàn)對我水下制權的重要途徑。國內司廣宇等人在分析美軍水下作戰(zhàn)體系發(fā)展特點的基礎上,首次提出了水下攻防體系的基本內涵和作戰(zhàn)概念,認為體系化推進、體系化建設是未來水下攻防作戰(zhàn)的重要發(fā)展方向,并從體系結構設計、作戰(zhàn)概念、任務規(guī)劃、效能評估等方面,分析了水下攻防體系的主要研究思路,此后,國內先后涌現(xiàn)出了一批人工智能、有人/無人協(xié)同、預置武器、能源保障等技術在水下攻防體系中的探索與應用。

綜合國內外水下攻防體系的發(fā)展情況,水下攻防體系的廣泛定義是包含了“在水下、對水下、從水下”的全部或部分力量及人員、作戰(zhàn)運用的綜合體,在需求要素層面,水下攻防體系包含有人/無人協(xié)同水下區(qū)域控制、有人/無人協(xié)同遠海火力打擊、空海一體聯(lián)合反潛作戰(zhàn)、水下特種作戰(zhàn)等典型作戰(zhàn)場景;在裝備要素層面,水下攻防體系由預警探測裝備、指揮控制裝備、攻防武器裝備、通導保障裝備以及運行平臺裝備等組成;在邏輯要素層面,水下攻防體系由作戰(zhàn)運用方案、技術體制規(guī)范、核心作戰(zhàn)指標、作戰(zhàn)指揮控制、體系試驗驗證等組成,如圖1所示。

圖1 水下攻防體系的要素構成與關聯(lián)關系

Fig.1 Composition and correlation of elements of underwater attack and defense system

水下攻防體系通過綜合運用預警探測、指揮控制、攻防對抗、通導保障等各類跨域裝備要素,構建水下攻防體系作戰(zhàn)運用、技術體制、戰(zhàn)技指標、指揮控制、體系試驗等各類要素的有序集合,形成執(zhí)行水下區(qū)域控制、遠海火力打擊、聯(lián)合反潛作戰(zhàn)、特種作戰(zhàn)等任務的有機整體,可見水下攻防體系是特征鮮明、要素齊全的復雜跨域作戰(zhàn)體系,且由于水下空間天然環(huán)境復雜、弱可觀測性和弱信道等特征,水下攻防體系并不同于一般意義上的作戰(zhàn)體系,存在著體系運行機理復雜,體系技術基礎薄弱等主要問題。

一是體系運行機理復雜。水下攻防體系涉及不同介質的作戰(zhàn)空間,包含了水和空氣兩類物理特性差異巨大的物理空間,具有海洋物理邊界與裝備性能邊界復雜等特點,并涉及通信與隱蔽、體系性能與單點性能等多種要素間的動態(tài)關聯(lián)關系,亟需自組織、自適應、可衍生的體系總體架構,特別是跨不同物理空間時,水下攻防體系賦能的制勝機理將更加復雜,戰(zhàn)爭迷霧現(xiàn)象嚴重,殺傷鏈和指揮鏈的閉合較為困難,更多依賴于任務式指揮和自主系統(tǒng),傳統(tǒng)的工程方法難以有效牽引水下攻防體系的建設和發(fā)展。

二是體系技術基礎薄弱。水下攻防體系的發(fā)展面臨體系架構、預警探測、指揮控制、隱蔽攻防、通信導航、綜合隱身、能力投送等一系列需要解決的重大技術問題,例如潛艇聲隱身和非隱身控制、水下多模異構網絡優(yōu)化、水下戰(zhàn)場態(tài)勢感知與指揮控制等,每一類技術都可以認為是一個龐大的系統(tǒng)工程,但人類對海洋環(huán)境及其對裝備作用機理認知仍存在著較大局限性,弱信道、弱聯(lián)通下的水下攻防體系構建與能力生成存在著較大不確定性,因此需要完備的系統(tǒng)科學理論方法提供頂層指導與核心支撐。

3水下攻防體系的發(fā)展措施建議

從軍事武器裝備體系的概念來看,水下攻防體系是由C4ISR系統(tǒng)聯(lián)系的具有互操作和協(xié)同能力的復雜網絡系統(tǒng),各分系統(tǒng)功能上相互作用,性能上相互補充,包含了預警探測、指揮控制、攻防對抗、綜合保障等各類裝備要素以及系統(tǒng)建設、工程組織、試驗驗證等各類管理要素,是各類武器裝備系統(tǒng)與管理活動的有機結合,并具有運行上的獨立性、管理上的自主性、地理上的分布性,以及涌現(xiàn)性和演化性等體系的典型特征,因此可以采用系統(tǒng)工程、體系工程、數(shù)字工程的框架和方法去解決水下攻防體系的相關問題。

3.1以作戰(zhàn)系統(tǒng)為核心,牽引體系裝備研制建設

水下攻防體系實現(xiàn)效能的關鍵是各組成部分之間進行有效的互聯(lián)互通與數(shù)據(jù)融合,作戰(zhàn)系統(tǒng)作為承載水下攻防體系作戰(zhàn)能力的重要核心,是水下攻防體系中各類信息要素縱向流轉、作戰(zhàn)活動橫向貫通的重要紐帶。水下攻防體系裝備研制建設應以作戰(zhàn)系統(tǒng)為核心,充分發(fā)揮作戰(zhàn)系統(tǒng)在技術集成與管理集成方面的優(yōu)勢,利用信息技術將水下攻防體系中情報偵察、指揮控制、攻防對抗、綜合保障各類裝備關聯(lián)起來,并不斷擴展構建其他系統(tǒng)功能,從體系層面加強戰(zhàn)場各類信息標準的上下貫通和數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一整合,制定體系中指揮、控制和通信的統(tǒng)一標準規(guī)范,支持水下攻防體系內自由有序的數(shù)據(jù)分發(fā)和信息共享,開展體系運行流程的規(guī)范化設計,協(xié)調體系運行中可能出現(xiàn)的系統(tǒng)間沖突,持續(xù)優(yōu)化體系結構,如圖2所示。

圖2 以作戰(zhàn)系統(tǒng)為核心的水下攻防體系運行架構

Fig.2 Operational architecture of underwater attack and defense system with combat system as the core

3.2以系統(tǒng)工程為核心,構建體系工程實施模型

傳統(tǒng)系統(tǒng)工程采用了自頂向下設計、由底向上集成的實施過程,水下攻防體系工程實施應以傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的實施過程為核心,采用體系流程將整個裝備體系的組成部分貫穿起來,增加基于模型的系統(tǒng)工程方法,針對水下攻防體系的特征進行體系與系統(tǒng)的劃分,通過架構權衡分析與功能設計反饋深化體系能力需求關聯(lián)映射,確保各組成部分的性能指標有效銜接,信息流轉順暢高效,殺傷鏈保障鏈有效閉合,實現(xiàn)體系工程與系統(tǒng)工程無縫銜接,保證精準需求和工程實現(xiàn)的快速閉環(huán)迭代。同時,考慮水下攻防體系對抗研究的復雜性,水下試驗周期長且費用高,可以構建水下攻防體系虛擬空間,將體系的復雜性、對抗性特征和體系仿真試驗相結合,通過體系仿真試驗幫助厘清水下攻防體系中的各種可能性,從而更好地管理體系的不確定性,提高對體系運作的認知,如圖3所示。

圖3 以系統(tǒng)工程為核心的水下攻防體系工程實施模型

Fig.3 Implementation model of underwater attack and defense system engineering with system engineering as the core

3.3以數(shù)字工程為核心,促進體系精準高效迭代

從管理活動和裝備實體兩個層面持續(xù)開展水下攻防體系數(shù)字化建設,將水下攻防體系從靜態(tài)的以文檔為中心的裝備建設模式升級為動態(tài)的以模型為中心的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng),對水下攻防體系的需求分析、總體設計、研制生產、試驗測試、運用保障等研制過程中涉及的活動、要素進行數(shù)字化表達,構建裝備體系、裝備需求、數(shù)字樣機、數(shù)字裝備等水下攻防體系裝備數(shù)字化模型體系,以及作戰(zhàn)概念模型、藍軍裝備模型、戰(zhàn)場環(huán)境模型等為核心的水下攻防體系戰(zhàn)場數(shù)字化模型體系,通過水下攻防體系數(shù)字平行戰(zhàn)場與數(shù)字研發(fā)環(huán)境的互相支撐,實現(xiàn)水下攻防體系裝備的數(shù)字化論證、數(shù)字化設計、數(shù)字化生產、數(shù)字化驗證、數(shù)字化使用與保障,建立水下攻防體系裝備建設新范式,解決傳統(tǒng)裝備體系建設運用管理模式落后的問題,大幅提升水下攻防體系裝備建設發(fā)展效益,如圖4所示。

圖4 以數(shù)字工程為核心的水下攻防體系運用架構

Fig.4 Application architecture of underwater attack and defense system with digital engineering as the core

4結束語

隨著系統(tǒng)科學體系的不斷發(fā)展與完善,從系統(tǒng)工程、體系工程到數(shù)字工程,反映的既是系統(tǒng)科學與信息技術的快速進步,也是武器裝備向信息化、體系化演進的需要,水下攻防體系作為廣泛分布于“在水下、對水下、從水下”的重要武器裝備體系,跨域作戰(zhàn)特點突出、技術能力體系龐大,用好系統(tǒng)工程、體系工程以及數(shù)字工程等系統(tǒng)科學體系的理論和方法,科學指導水下攻防體系的論證、建設和運用,對增強水下體系化科技能力、加速形成水下制權具有重大的現(xiàn)實和戰(zhàn)略意義。
責任編輯：彭菁