体系工程核心过程模型与V+模型_风闻

张宏军 黄百乔 体系工程 今体系构建过程的组织管理指导方法是体系工程，目前对于体系工程理论的研究还处在初始阶段，国际系统工程协会（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。在之前文章中已对美军一系列体系化设计方法进行了介绍，从联合作战顶层概念，联合能力需求，体系架构框架描述再到体系工程的过程管理，形成了美军的体系设计方法链，在美军的体系工程指南中采用了朱迪思•达曼教授提出的体系工程核心元素模型，是体系工程领域认可的重要阶段性成果，但并不是一个完整的体系工程过程模型。而我们在此也将结合自身的工程实践经验，提出我们的体系工程核心过程模型以及完整的体系工程V+模型，并分享美军在装备设计中模型化与数字化方向的新的技术动态。

传统V模型应用于体系的不足分析

从定义来说，不是所有的复杂系统都能称之为体系，但体系确实是一类特殊的系统，因此，作为体系构建过程组织管理方法的体系工程依然属于系统工程的理论框架内，只是我们必须根据体系特有的属性，增加做一些额外的考虑，美军体系工程指南中将体系工程核心元素与传统的系统工程过程进行了比照，正是这个思路。

传统系统工程以V模型作为其过程管理的基础模型，无论是INCOSE的系统工程手册还是美国国家航空航天局（NASA）的系统工程手册，其技术过程都是按照V模型的过程模型来组织和管理，V模型本质上是一种还原论的思路，将复杂的系统分解为更小部分，分别设计，然后集成为系统整体，再进行验证与确认，是霍尔系统工程三维结构中时间维的体现。在系统复杂度低的时候，该方法被证明是非常有效的，为系统工程的发展做出了非常重要的贡献。但是当V模型应用到高复杂的体系工程中时，因为体系独有的新的特征，导致其存在以下几点不足：

1.V模型过程是一种先通过降维分解，再通过集成验证的过程，但分解过程不可避免地破坏了体系成员系统之间的联系性，会造成体系的整体性缺失。

2.V模型中的分解是一种简单的、静态的分解，不考虑系统成员之间的动态交互，而体系的顶层能力是成员系统动态协作动态涌现出来的，因此体系的能力无法通过V模型的静态分解方法来开展。

3.V模型需要遵循相应的顺序中的研制各阶段是一种顺序的过程，到研制阶段后期，等到体系集成完成后才能开展体系的能力验证，而此时一旦有大的修正，导致代价大、效率低。

体系工程特点总结

迈尔（Maier）总结了体系区别于系统的五个特征，这些特征将映射到体系工程的构建上，使得体系工程具有以下特点：

首先，体系工程过程是分层级的，分为体系层与系统层。体系层的工程过程将体系的顶层能力要求分解为成员系统的功能需求，以作为系统层系统设计的输入，待系统层提交后，再组织体系的集成、验证与确认工作。而一旦进入到系统层级，便可采用成熟的系统工程方法进行指导。实际工程中，体系层的工程活动由称为“体系总体”的部门来实施，而系统层则由各个系统的承研研制部门来实施。这构成了体系工程工作实施的成员组织结构，这种结构也给体系工程的管理带来复杂性，不同设计部门之间的利益冲突常常会给“体系总体”的管理工作带来“非技术性”障碍。

其次，体系的成员系统，不仅是异构的，它所处的工程阶段也可能并不相同。体系一般都不是从零开始构建的，体系的成员系统一般包含三种情况：其一是全新开发的系统，为满足体系的能力需求，需要全新开发一种新系统；其二是适应性改进的系统，根据体系的能力需求，对现有系统提出了功能改进需求；其三是直接沿用的系统，现有系统能够满足体系的要求，但需进行验证。因此，体系的成员系统应该根据自身的需求状态选择恰当的工程过程，而且体系层对系统层的管理也需区分对待。

最后，体系的生命周期过程应分为两个阶段，一是体系构建阶段，完成初始状态体系的构建；二是体系进化管理阶段，随着体系成员系统的不断升级变化，体系的状态也不断演进发展。

体系工程核心过程模型概述

体系工程应充分考虑体系本身的特征。我们在体系工程实践过程中，也提出了我们理解的体系工程核心过程模型。

面向能力（Capability-Oriented） ， 能力是体系设计的起点，体系设计过程的第一步必须将体系的能力分解为体系成员系统的需求，因此面向能力是体系工程的核心过程，我们在对美军的联合能力集成开发系统（JCIDS）的文章中对体系的能力有过详细解读。

基于架构（Architecture-based） ， 体系一般具有较为稳定的体系架构，体系架构来源于体系的业务逻辑，因此架构设计与业务流程设计是迭代开展的，以美国的弹道导弹防御体系（BMDS）为例，该体系按任务阶段分为探测、跟踪、轨迹生成、火力控制、毁伤和评估,这便是BMDS的基本架构。我们在对美国国防部体系架构（DoDAF）的解读中对体系架构也有详细解读。

流程贯穿（Process-throughout） ， 体系的能力通过成员系统的交互与协作涌现出来，而体系成员系统间的交互与协作来源于体系的业务流程。业务流程决定了成员系统的网络连接关系与信息交换关系，流程制约着体系能力的涌现。因此，通过对体系业务流程的建模来保留体系的整体性涌现特征，是弥补传统的分解过程导致的整体性缺失的关键步骤。

生存力保障（Survivability-guarantee），  为提升系统或体系在遭遇外部异常时的自恢复能力的弹性设计，是当前工程设计的新需求，从生态系统的弹性恢复概念中借鉴过来，美国防部提出了工程弹性系统理论，而我们在弹性设计的基础上也提出了体系生命力理论，在生命力理论中，将体系的自恢复能力称作体系的生存力。生存力是体系的成员系统独立性与自组织性的体现。

模型支持（Model-support） ， 对于体系工程来说，一方面通过体系顶层的业务流程建模尽可能多保留体系的整体性特征。另一方面，数字化模型是提升从需求、设计、实现与验证全流程效率的有效手段。美国防部在MBSE的基础上，推广应用了数字线程与数字孪生的概念，并推出了《数字工程战略》，致力于装备全生命周期的模型化与数字化，这是美军各军兵种在装备设计上最新的技术动态。

环境协同（Environment-coordination）， 环境是体系能力生成的关键因素，此处的环境既包括体系的外部真实环境，也包含体系的竞争对手，例如在作战体系演习中，试想如果没有红蓝双方对抗体系的参与，任何一方体系都是无法开展能力验证的。同时，体系的进化也离不开外部环境参与。根据霍兰的复杂适应系统理论，复杂系统是在对环境的适应中不断进化的。因此环境协同是体系能力的生成、验证与确认必不可少的条件。

数据驱动（Data-driven），  随着数据存储能力、运算能力和先进算法的快速发展，数据分析方法已成为一种新的科研范式，称作“第四范式”。对于体系设计涉及到多个异构系统、设计部门的特点，体系总体需要建立统一的数据中心来维护体系设计过程中数据来源的唯一性，而数据分析技术也为体系工程中的需求分析、模型构建与体系验证提供方法支持，因此数据分析也将成为体系工程中的重要支持过程。

上述过程是我们总结的在体系层开展体系工程工作的关键过程，我们称之为体系工程关键过程模型，按其首字母缩写，该模型又可称作“DE-CAMPS”模型。

体系工程V+模型

我们尝试建立一个完整的体系工程过程模型。

首先，该模型包括体系级工程过程与系统级工程过程两个层次。在系统级，按照系统的状态分为新开发系统、适应性改进系统和重用系统，不同类型的系统按照不同的系统工程过程进行管理。例如，作为重用系统，只需开展需求分析、需求评估、验证与确认以及移交四个工程过程。在体系级，按照体系工程的关键过程模型DE-CAMPS模型，其中建立统一信息空间数据库和环境协同是公共过程，为其它过程提供支持，并加上常规的体系集成、验证与确认以及体系的运行维护，构成体系级的过程V模型。

其次，由体系级管理部门使用多主体建模技术，在体系顶层建立体系的业务流程模型，该模型随着体系设计的推进，从粗粒度模型逐渐更新到细粒度模型，该模型保留了体系的整体性与涌现性，同时也可支持体系能力指标的分解与确认。

最后，由体系级管理部门建立统一信息空间数据库，该数据库收集、存储和配置管理体系级和所有成员系统有关的设计输入、中间产品和最终产品相关的数据。为体系模型的建立和更新提供数据支持，为各系统成员提供统一的设计输入。并对数据库进行权限管理与配置管理。

我们建立的体系工程改进V模型，因为体系顶层业务流程模型与统一信息空间数据库之间构成了一个形象的“+”号，我们称之为体系工程V+模型。

体系工程V+模型图

模型与基于模型的系统工程

模型是对现实世界对象的抽象描述。模型不一定是形式化的，对现实世界对象的文字描述也可以当作是建模过程。在哲学家眼里，文字或语言是无法准确描述特定个体的，因为语言具有普遍性，对象一旦通过语言描述出来，就带有了普遍性意义。模型对现实对象的抽象描述也具有将特定对象普遍化的作用，这对于建模者来说是一种求之不得的特性，因为建模的重要目标之一便是从特定的对象中总结出具有普遍意义的，可以复用的规律来。

人们在总结传统系统工程的缺点时，经常会提到的一点是缺少项目经验积累和复用的手段，而这正是模型普遍性意义的优势。随着工程界各种模型驱动的或是基于模型的开发方法的成功，特别是在软件领域，统一建模语言UML的推广使用，提出了一种规范的、无歧义的形式化描述语言，并被大家所接受，成为软件设计的标准。而在计算机辅助建模方面CAD、CAE技术也已发展成熟，各专业领域的仿真建模技术也发展迅速，特别是跨物理域物理系统建模语言Modelica的发展，为系统的物理层建模提供了方法支持，使得MBSE逐渐成熟。

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。可见，MBSE与传统的系统工程相比，最主要的区别是贯穿于全生命周期的技术过程的形式化建模，重点在形式化，而不是有无建模。

数字线索与数字孪生

基于模型的系统工程的进一步发展，便是数字线索（Digital Thread）与数字孪生（Digital Twin）的概念。数字线索的概念最早来源于美国军事航空领域，但目前已应用于数字化制造与信息物理融合系统（CPS）中。数字线索是指在设备全寿命周期内提供各阶段数字化模型的访问与综合分析的能力，强调对数据的全程可追溯性，因此数字线索实质是一种数据模型管理、集成和追溯的框架。而数字孪生是指通过在信息空间建立与装备物理相映射的数字化模型，并通过二者之间的数据和信息交互，不断提高自身完整性和精确度，最终完成对装备物理实体的完全、精确描述。虽然这两个概念容易混淆，但确实是不同的概念，数字线索为数字孪生的建立提供了模型基础，数字孪生强调的是虚实映射的状态，以及利用虚拟模型的运行来揭示物理模型中隐含的规律，而数字线索强调的是全生命周期模型的数字化管理与追溯。

美军的数字工程战略

2013年，在美空军发布的《全球地平线》顶层科技规划文件中，将数字线索和数字孪生视为“改变游戏规则”的颠覆性机遇。2016年，诺•格公司主持的F-35机身制造数字线索项目获得了当年美国国防制造技术奖。2017年，基于对模型化与数字化工程的重视，美国防部发布了《数字工程战略》。国防部发布数字工程战略的愿景，目标是实现使装备研发部门在设计、开发、交付、运营与运行维护系统时实现现代化。国防部将数字工程定义为使用权威可信数据源，以在生命周期内可跨学科、跨领域连续传递的模型和数据，支撑系统从概念开发到退役处置的所有活动。国防部将采用诸如先进的计算、大数据分析、人工智能、自治系统和机器人技术来改善工程实践。《数字工程战略》是一种将装备研制过程彻底模型化与数字化的举措，将大大提升美军的装备研发效率，减少验证与确认的费用。

美军数字工程战略文件中“权威的可信数据源”模型示例

总 结

本文探讨了传统V模型应用在体系上的不足以及体系构建过程本身的特点，提出了体系工程核心过程模型，包含面向能力、基于架构、流程贯穿、生存力保障、模型支持、环境协同与数据驱动7个核心过程，也可称作DE-CAMPS模型以及完整的体系工程过程模型V+模型。本文还针对美军装备设计的技术动态，重点分析了美军在数字线索、数字孪生和数字工程战略上的基本内容，以供参考。

（本文已发表在《舰船知识》杂志7月刊）

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