基于能力的武器装备体系方案权衡空间多维多粒度探索方法及应用

摘要

信息化战争时期，体系对抗特征日益凸显。高新技术对作战理论、军事装备以及作战方法有着巨大的影响。高技术作战非线性、非对称性的特征要求所需要的武器装备体系必须具备广泛适应能力和快速反应能力。然而，武器装备体系论证过程是一个装备体系架构的设计和分析不断迭代的过程。在装备体系方案论证初期，由于约束并不是很多，因此架构方案空间一般非常大。同时，由于架构设计会影响后期的体系功能和形式，项目费用的多少也一般都会取决于这个阶段，忽视了潜在的架构方案就可能意味着装备采办的损失或者失败。
　　能力是在给定的标准和条件下，通过一系列手段或方式的集合，完成一组任务从而达到预期效果的本领，能力生成机制不仅体现在具体的装备体系配置中，也体现在装备的使用方式上。在基于能力的采办方案空间探索时，一是必须能够在采办和系统工程的初期描述可能的大量架构方案，二是必须有一种能够对方案空间进行过滤和探索的机制，消除不现实的或者是不能满足使命要求的方案，三是由于过滤后的方案仍然有大量的方案需要进行评估，必须有一种方法能够对方案进行快速和相对准确的评估。
　　论文在分析基于能力思想架构方案生成和评估问题特点和本质的基础上，综合考虑装备体系架构方案形成、映射、评估的若干环节，从各个环节的解决思路和关键技术问题出发，提出基于能力的武器装备体系方案权衡空间多维多粒度探索方法，以期科学决策与统筹推进武器装备体系各类武器装备的整体协调发展，从而达到体系架构组合方案的灵活性、适应性和鲁棒性，确保最终构建的武器装备体系能够最大限度地提高总体质量和发挥整体效能。
　　论文的主要工作及创新成果如下：
　　（1）提出了基于OPM的武器装备体系方案空间概念推演与探索方法。
　　概念设计是装备体系全寿命周期最重要的阶段，基于能力需求的装备体系架构方案的建模和探索，其本质是在提出能力需求以后，根据能力需求进行作战方案和系统方案的开发和验证，形成满足能力需求的概念方案，形成能力方案空间的概念模型，并通过概念模型的推演和仿真，支撑概念方案评估。但是目前，装备体系论证时，论证各方对于装备体系方案的认识一般停留在文档中，鲜有从需求（requirements）到方案（solutions）遵从系统工程过程的体系方案形式化描述，对体系的概念设计评估方法也不是特别有效。本文提出用对象过程方法论（Object-Process Methodology，OPM）的方法进行架构方案概念设计和评估的思想，充分利用OPM语言的两个重要优势：一是，把系统的结构和行为综合到一类视图，二是分层组织的模型图。通过仿真推演有助于理解和探索体系架构的行为，揭示其中的概念和逻辑问题，比如：不正确的控制流，逻辑错误，以及对象之间的结构关系丢失问题，在论证初期从概念层次上为装备体系架构方案的探索提供有力支撑。
　　（2）提出了基于CCI的武器装备体系方案权衡空间构造及其筛选方法。
　　在基于能力思想的基础上，从能力定义和生成机制出发，立足于装备体力能力评估，提出了以关键能力问题（Critical Capability Issue，CCI）为主线构建装备体系的能力方案权衡空间的方法和流程。借助于基于Agent的仿真思想，通过多分辨率的析因设计以及分类回归等方法对方案空间进行探索性分析。该方法为武器装备采办初期体系能力指标的筛选进行了很好的尝试。
　　（3）提出了基于DM2和ABMS的特定武器装备体系方案建模及仿真映射方法。建模仿真在武器装备体系架构方案开发和评估各个阶段尤为重要。然而，到目前
　　为止，对体系架构的研究多集中在架构可执行范围，鲜有从架构产品中抽取相关的数据应用于构造式仿真的研究和案例，而体现数据为中心的思想的研究更少之又少。本文面向装备采办早期，借鉴DoDAF2.0标准，通过以数据为中心的思想和基于Agent的建模方法，实现装备体系架构方案空间的探索和优化。本文在分析体系架构方案描述方法以及体系架构可执行和体系架构驱动仿真分析的基础上，提出按照系统工程思维需求空间和方案空间的划分，将体系架构数据组进行重新分组，提出基于能力的架构数据元模型组合（Capability Based Data Meta-model，CBDM2），在CBDM2的基础上，结合基于Agent的建模仿真（Agent Based Modeling and Simulation，ABMS）的仿真需求，探索CBDM2到ABMS的数据映射方法，该研究可以较好的促进实现体系架构师和分析师之间的协同和配合，使架构设计和架构分析融为一体。
　　（4）提出了基于RSBFNN的武器装备体系方案元模型构建方法。
　　基于能力的武器装备体系架构方案的探索和评估，需要建立装备体系作战方案到武器装备体系作战效果的映射模型。本文结合近正交拉丁超立方（Nearly Orthogonal Latin Hypercube，NOLH）实验设计和多Agent仿真技术，提出基于粗糙集的模糊神经网络（Rough Set Based Fuzzy Neural Network，RSBFNN）方法用来对体系架构方案的不同配置所产生的相应效能进行评估。实验结果表明，该方法对实际响应值的预测方面非常可靠，并表现出比其他模型更好的性能。该方法适合体系架构设计人员在装备体系架构设计探索时，做一系列的动态权衡和分析，从而对各种可能的架构方案进行快速比较和研究。
　　（5）提出了基于RST-SOM的武器装备体系方案权衡空间双层探索方法。
　　本文针对体系方案空间探索问题，在现有案例和运行数据基础上，提出了一种方案空间的双层映射和探索方法。通过粗糙集理论（Rough Sets Theory，RST）和自组织映射（Self-organized Mapping，SOM）相结合的数据挖掘技术，对体系架构方案空间从性能空间到配置空间、配置空间到方案空间进行映射，最终实现了性能空间投影到相应的方案空间，初步完成了整个方案空间的探索和缩减。本文提出的双层映射方法能够有效的探索方案空间，达到减少方案空间范围的目的，从装备体系设计优化的根本入手，在概念设计初级阶段解决其计算量大、搜优困难等问题，具有较高实际意义。
　　（6）提出了基于Agent仿真的武器装备体系装备/非装备交互方案空间探索方法。基于能力的装备体系采办过程需要同时考虑装备本身的采办以及装备可能的使用
　　方式（条令方案）。但是在装备采办的早期，如何同时考虑装备因素和非装备的条令因素，在基于作战能力最大化的目标下进行有效的体系方案决策是一个非常困难的事情，在此方面的相关研究也比较少，本章通过基于Agent的建模思想，对装备技术方案和条令方案对能力的影响进行分析，定量化地探究能力生成要素中“方法”“手段”不同组合对体系能力生成的内在机理，为信息化作战条件下基于能力的装备采办和决策提供方法和思路。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景与研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究工作

第二章 基于能力的武器装备体系方案权衡空间探索研究框架

2.1 基本概念

2.2 基于能力的武器装备体系方案权衡空间探索问题分析

2.3 CBWSoST-MDMG方法论

2.4 本章小结

第三章 武器装备体系方案权衡空间概念推演与逻辑验证

3.1 问题描述

3.2 传统概念建模方法

3.3 基于OPM的体系架构概念建模及仿真推演

3.4 案例研究

3.5 本章小结

第四章 武器装备体系方案权衡空间构造及其初步探索方法

4.1 问题描述

4.2 基于CCI的体系能力方案空间构建

4.3 基于CART和FFD策略空间探索分析方法

4.4 案例研究

4.5 本章小结

第五章 武器装备体系方案权衡空间仿真实验及探索方法

5.1 基于DM2和ABMS的武器装备体系方案建模及仿真映射方法

5.2 基于RSBFNN的武器装备体系方案元模型构建方法

5.3 基于RST-SOM的武器装备体系方案权衡空间双层探索方法

5.4 本章小结

第六章 武器装备体系装备/非装备交互方案空间探索方法

6.1 基于多Agent的建模思想

6.2 建模思路与假设

6.3 体系建模与仿真实现

6.4 仿真数据收集及结果分析

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 论文总结

7.2 进一步研究方向

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录A OPM主要语义

附录B DODAF2.0视图产品

附录C 缩略语中英文对照表