2.3　装备管理建模理论与方法最新进展

2.3.1　复杂自适应系统理论

复杂自适应系统（Complex Adaptive System，CAS）理论是霍兰德教授于1994年提出来的。所谓复杂自适应系统，是指由大量的按一定规则或模式进行非线性相互作用的行为主体所组成的动态系统。复杂自适应系统理论的基本思想是：其复杂性起源于其中的主动个体的适应性，主体是具有自身目的性与主动性，有活力和适应性的个体。这些个体与环境及其他个体间的相互作用，不断改变着它们的自身，同时也改变着环境，这正是系统发展和进化的基本动因。复杂系统中的个体在与环境中的其他个体进行交流的过程中不断“学习”或“积累经验”，并根据经验不断地改变着自身的结构和行为方式。大量个体的行为反过来又对其所在的环境产生影响，不断改变环境。如此反复，个体和环境就处于一种永不停止的相互作用、相互影响、相互进化的过程之中。这个宏观系统演化包括新层次的产生分化和多样性的出现，新的、经聚合而成的更大的主体的出现，等等。

复杂自适应系统理论认为，所有主体都处于一个共同的大环境中，但各自又根据它局部的小环境，并行地、独立地进行着适应性学习和演化。主体的这种适应性和学习能力是智能的一种表现形式，所以又把这种主体称为智能体。在环境中演化的主体，为了生存的需要，不断地调整自己的行为，修改自身的规则，以求更好地适应环境选择的需要。大量适应性主体在环境中的各种行为又反过来不断地影响和改变着环境，结合环境自身的变化规律，动态变化的环境则以一种“约束”的形式对主体的行为产生约束和影响。如此反复，主体和环境就处于一种永不停止的相互作用、相互影响、相互进化的过程之中。

复杂自适应系统相对于一般的复杂系统，具有自己显著的特点：

（1）整体性和系统性。整体大于各个体之和，每个个体无法代替整体，同样，每个层次也不足以说明全局，低层次的规律无法说明高层次的规律；复杂自适应系统是多个能用规则描述的、相互作用的主体组成的系统，而较为简单的主体的聚集相互作用，会涌现出复杂的大尺度行为。

（2）主体具有智能性、适应性、主动性。系统中的主体可以自动调整自身的状态、参数以适应环境，或与其他主体进行协同、合作或竞争，争取最大的生存机会或利益。

（3）主体具有并发性。系统中的主体是并行地对环境中的各种刺激做出反应，进行演化。

（4）多组成性。系统存在多种多样的子系统和子-子系统，每个子系统有着相对独立的结构功能和行为。

（5）多层次性。系统具有明显的层次性，主要是指在时间上和空间上都具有层次性的结构。各层之间界线分明，是一种不均一的网络体系。

（6）关联性。系统各组成之间、不同层次之间有着相互关联、制约的关系，并且这种作用关系应该是复杂的非线性关系，而且是多种多样、互相作用的；同时，层与层之间又具有相对的独立性，层与层之间的直接关联作用少，主体层的主体主要是与同一层次的主体进行交互。

（7）有序性。系统由一定的动力系统驱动，而且随着时间变化，有序地发展变化。内部和周围的相互作用，产生由低级向高级的有序活动。

（8）阶段性。系统在演变的过程中既有渐变也有突变，渐变是突变的基础，而突变是从低级往高级的跳跃形式。

以前开发的各代建模、仿真与分析工具在很大程度上立足于所谓的“工业化战争”，美国往往通过避开具有绝对优势的对手来赢得战争。这些优势指拥有强大军队和数量庞大的飞机、舰船和坦克等装备。此外，单个军兵种独立作战，彼此职责割裂的做法简化了解决冲突的方法。最后，美国的军事思想是把战争作为作战本身，在作战之前、作战过程之中及战后，都很少有灰色领域的讨论。

在过去若干年里，有关方面已逐渐意识到建模、仿真与分析方法的不足，早在20世纪80年代，就已经开始使用一种新方法，用现在的术语说，就是基于政治因素以及军事本身方面的考虑，进行更多的联合与更多的集成。化学家、物理学家、生物学家、经济学家、工程人员，以及其他研究人员不断地丰富完善复杂自适应系统理论，使之成为探索客观世界大部分事物存在与运动本质特征的一种强有力的方法。复杂自适应系统的建模方法包括由各种参与者所构成的系统，这些参与者在不同组织层次上进行交互，具有目标搜索行为，能够学习并适应外部环境，有时还能与外部环境以某种方式相互作用而导致更高层的变化（紧急行为），而如果仅仅对参与者进行观察，则无法预测这些高层现象的特征。这些研究扩展了早期的系统学思想，如由麻省理工学院的杰·福瑞斯特率先提出的系统动力学方法，扩展的内容包括强调非线性、增强对初始和并发状态敏感活动进行预测的能力。

通过认识“客观世界是复杂的自适应系统”这一基本事实，建模、仿真与分析领域的研究方法也在持续发生演化和变迁。表2.2列出了一些变化。第一列适用于相对简单的视图与模型；中间列适用于20世纪80年代的一些模型，例如兰德战略评估系统（RSAS），以及海军仿真系统（NSS）；最后一列为有争议的模型，可能应用于未来。从表2.2可以看出：要表现联合性、非线性、非对称、海量不确定性、战略层次的系统问题，就需要对复杂自适应动态系统进行建模。

2.3.2　嵌入式建模、仿真与分析

随着科技的不断进步，现代嵌入式系统已经全方位地服务于人类社会。大到航空卫星、电力网络、汽车系统、制造系统、电力能源系统，小到小型家电设备、移动设备、自动贩卖机等，嵌入式系统和人类生活越来越紧密地联系在一起。从最初简单的系统到如今复杂的控制系统，嵌入式系统也逐渐趋于庞大和复杂。嵌入式系统之所以复杂，一是其覆盖许多特定领域的专业技术，如网络技术、计算机技术及控制理论等；二是这些系统一般具有异构特性，如离散的控制过程与连续的物理过程同时并存；三是有规律的数据采样通常穿插着无规律的通信和用户交互。为了进一步描述异构概念，下面来讲述一个无人驾驶直升机的飞行管理系统。它采用多种操作方式控制飞机盘旋、翻转和垂直爬升等动作，并基于一个正确的飞行模型进行故障诊断，通过飞机配备的数码照相机，估计飞机与着陆架的相对位置，来辅助飞机着陆。其中，飞行动作控制器采用不同的方程描述：在着陆过程中，控制器需运用数据流语言和模型执行图像处理；而正确的飞行模型要求用常微分方程模拟：有限状态机用于控制模型的状态切换。由上可见，此飞行管理系统是异构的，因为它包含连续、离散以及数据流等行为。这些复杂性给嵌入式计算系统设计带来了许多挑战，如闭环控制性能分析、设计优化与实现、组件测试及组件的可复用。在描述复杂系统中，特殊的挑战来自开发建模、仿真与分析能力，而这种能力是嵌入式系统的组成部分。在这些例子中，可能会存在反馈环、新数据的动态组织，以及在真实（感知到的）数据与仿真数据之间的复杂交互。该状态空间巨大，质量保证要求也很高，还有许多问题和困难无法解决。

随着嵌入式系统的复杂程度增加，越来越多的嵌入式系统是硬件与软件的综合体，它不仅包括芯片本身，还需有一套相关的软件来支持。面对日益激烈的市场竞争，嵌入式系统开发通常采用硬件设计与软件设计并行展开，软件开发人员只有在嵌入式硬件原型完成之后，才能在其上运行软件，甚至可能要在大量的软件开发工作完成以后才能运行软件。这就很可能在软硬件的集成阶段，造成项目陷入泥沼，导致延期、费用暴涨，甚至失败的后果，因此急需一种技术来减少软硬件并行开发所带来的风险。系统级设计可减少这种风险。系统级设计通过建立模型、仿真、验证与确认等过程，可实现对嵌入式系统的软硬件同构，在性能分析的基础上，可据此科学地对系统进行软硬件划分，即如何将系统行为描述分解为与实现有关的软件部分和硬件部分，并定义二者之间的边界和通信方法。由于每一步都在上一步得到了验证，因而系统设计不会出现设计的原理性错误，可实现组件的重用，减少开发量，最终缩短设计周期。同时，用户对系统的需求开始时往往是模糊的，系统级设计可以帮助用户进一步明确需求细节，并且对于用户在设计过程提出的新需求，还能快速地改变，针对这些新需求对系统性能产生的影响进行早期评估。

嵌入式系统的基本任务是与物理世界交互信息，而不仅是传输数据，或根据数学公式由输入数据计算输出数据。这就使得嵌入式系统软件具有不同于通用软件的一些特性：

（1）实时性。由于物理过程随时间不断变化，因而与其交互的嵌入式系统软件要能及时处理各种状况。根据系统对响应时间的不同要求，其分为硬实时和软实时。硬实时要求系统在指定的时间内完成相关任务，否则将导致系统崩溃；而软实时虽然认为响应时间很重要，但是超时不会导致致命故障。

（2）并发性。嵌入式系统软件极少处理单一物理过程，它可能在处理网络和传感器发送信号的同时，还需控制驱动器，而软件的顺序执行和嵌入式系统软件的并发特性给嵌入式设计带来了挑战。传统处理并发情况的方法，如线程、进程、同步信号等，只提供了一种解决办法，但对嵌入式系统软件仍不够。

（3）活性。对于通用软件，不能中止的程序通常视为存在故障。嵌入式系统软件恰好相反，它需要程序一直运行，不允许出现因等待其他事件而发生阻塞的情况。由于嵌入式系统软件的关键特性是通过传感器和驱动器等设备与物理过程交互，因而嵌入式系统软件的准确性不仅为得到正确的结果，还需满足系统的实时性，以及其他一些“非功能”性质，如时序、能耗、错误恢复、安全及软件的健壮性。

（4）异构性。从嵌入式系统的物理组成以及建模设计的角度看，其通常是异构的。异构意味着系统组件的类型和交互模式是不同的。例如，一个机电系统，其机械部分具有某些物理特性，组件间的交互方式采用牛顿法则约定；而电子部分的交互方式根据基尔霍夫电流定律执行。

（5）反应。互动系统以自身速度与环境交互，转换系统则简单地输入一组数据，通过运算后变换成另一组输出数据，而嵌入式系统根据环境速度对环境变化做出积极响应。分布式网络嵌入式系统要求能适应条件的变化，即当服务要求变化或计算资源和传感器出现和消失时，系统能随条件做出正确的反应，不会出现故障。

设计一个嵌入式系统，首先应该详细地说明该系统的需求，然后通过一个概念模型准确地描述出该系统的功能、行为以及组成。一个模型一般是由对象以及组合规则组成的形式化系统，一般情况下，设计人员通过一个特定的模型将系统分解成小的模块，然后再通过建模语言对小模块进行描述，从而生成整个嵌入式系统的描述。嵌入式建模、仿真与分析能力作为许多系统的组成部分业已存在，尤其是在国防部的系统中，其数量和多样性都有很大增长，从手工可控设备到太空船中均有涉及，并且在计算能力、存储管理和时间需求方面的约束上都有很大变化。那些使用地上和空中无人交通工具或大量密集型交通工具的项目，可以自动响应环境变化，或敌方行动的变化，而这种变化可以通过机载探测器探测到。这就是嵌入式系统对于未来军事能力很重要的一个例子。要想有效地响应变化，这些交通工具应自治地计划其行动过程。无论嵌入式系统的规模和能力如何变化，大部分嵌入式系统都对建模、仿真与分析有相同的影响。

最显著的影响是，在嵌入式系统中，建模、仿真与分析已经从脱机的计算能力发展为联机执行系统中必不可少的部分，而且往往是实时的。建模、仿真与分析的作战样式需要新的可追溯性，需要新的方法来为系统提供检查点。这样，在快速变化的环境中，系统可以回退到上一个决策点和状态中。此外，也需要新方法来评估并报告部分中间结果，同时也需要新的自检控和自分析能力。例如，可提供计算型的具有自我监控能力的建模、仿真与分析系统，可监测其自身状态，并自己进行修改。

由于嵌入式系统所使用的数据必须是在一段固定时间内可用的，因此，有时必然会产生中间结果。我们应使用合适的方法来评估当前解决方案或计算过程的优点，也就是说，当前的解决方案在哪些方面不同于最优方案，或通过连续计算可以获取多少附加值。

嵌入在指挥与控制系统中的建模与仿真，可以展示动态的、数据驱动的应用系统。此类系统是美国国家科学基金会的主要规划目标。在这类系统中，嵌入式建模与仿真用于控制指导实施过程，决定何时、何地、如何收集附加数据。嵌入式建模与仿真必须在全局层次和局部层次上都可以运行。在全局层次上，它决定使用哪个系统来收集更多数据；而在局部层次上，它决定某些系统作为其数据收集工具。

动态的、数据驱动的应用系统还包括第二个目标，即综合地将动态数据输入正在执行的应用中，使其拥有最准确的数据，用于模型计算和其他计算过程。这一观点包括，系统从实战数据源接收并响应动态输入的能力。这些实战数据源可能包括用户、计算过程、存档数据或来自传感器的实时数据等。

这类系统中最困难的一点是，在所建模的世界和最新测量到的数据流之间保持一致。要解决这一难题，建模、仿真与分析主流应用的优势非常明显。尤其是在诸如路由规划等关键性的应用系统中，结合了建模、仿真与分析的嵌入式系统，已经解决了将模型与新探测到的信息保持一致并进行更新这一难题。不过，技术水平限制了早期嵌入式系统的普及应用，这些系统需要大量手工调整，而且几乎没有分析或验证。

2.3.3　以网络为中心的建模与仿真

网络中心战由原美海军作战部长约翰逊于1997年在美国海军学会第123届年会上首次提出，他认为“从以平台为中心的战争转变为以网络为中心的战争，是一种根本性的转移，它将证明这是二百年来最重大的军事革命”。随后对网络中心战的研究便在全世界范围内广泛展开。网络中心战是信息时代的产物，也是信息化战争中最为典型的作战概念，随着相关军事技术与作战理论的不断成熟和完善，美军认为它必将成为信息化战争的基本形态。

网络中心战中全新的作战理念更加突出了从全局指挥员到局部指挥员甚至发射手的人的能动性作用，短时间内的个体决策效果将借助强大的物质流扩大到战场全空间。网络中心战中，人对活动的适应性始终贯穿于物理域、信息域和认知域。

在20世纪90年代的大部分时间里，美国国防部开发模型和仿真主要借助指挥与控制技术。这些技术已经得到认证，或被当作单独的学科，例如用于处理通信问题或空间探测的技术。在大部分作战模型中，除了可能表现延迟的参数和只允许某些组织机构之间进行通信的硬件线路，其他都假设指挥与控制发挥作用。指挥与控制的示意图通常是点对点式的，如果人们考虑某个问题，例如需要某些监控平台，则可以为该平台添加专门的点对点连接。

现代网络概念与点对点的观点大相径庭。网络以及相关服务不断提供以下能力：

（1）规划者可以在全球范围内获取信息，而无须知道这些信息具体位于何处。

（2）作战部队可以获取周围的（通过传感器或情报）信息，而无须将传感器与武器平台进行物理连接。

（3）可在指控与组织机构之间建立关系，以满足紧急情况的需要，并且可以随情况变化而进行调整。

网络世界的类型以及网络中心战，促进了对新一代的建模、仿真与分析的需求。这种体系结构可能与先前的网络体系结构有很大不同（所谓先前的网络体系结构，大致覆盖了传感和通信的特定平台）。

采用建模与仿真的方法进行网络中心战模拟是研究网络中心战的一种比较有效的方法，但关键是要准确地描述多个层次实体在信息化战场中的适应性。下面是以网络为中心的建模与仿真的典型例子。

（1）概念开发与能力定义。大量实验涉及实际兵力与仿真兵力。由于各种模型与仿真支持这些实验，这些实验本身并不是网络中心战的典型实例，而是将这些模型与仿真通过物理网络连接起来，以此实现网络中心战行为。

（2）规划与预算。有些军兵种在进行重大资源分配决策中使用了传统模型GASTFOREM、VI、NSS 等，这些决策影响着开发以网络为中心的能力（例如，陆军的未来作战系统），因此可按照针对网络中心战中最初成果的方式来评估这些活动。

（3）采办与工程化。网络作战仿真（NETWARS）是某部的标准模型，用于度量、评估已有的和规划中的军事通信网络中的信息流。使用该系统对从物理层到网络层的行为性能进行分析，它还具有扩展的能力。由于该系统聚焦于网络的底层，可将其从重要的建模技术因素中排除。这些重要因素包括信息认证（不包括加密）、高层服务（如发现与协作），以及进入/退出网络的特定方式。这些对于设定网络中心战的方式非常关键。

（4）训练与作战。基于代理的模型与动态网络分析技术相结合，已经可以解决作战问题。此外，还必须进行许多基础研究，并广泛收集经验数据。

由于传统模型的基本体系结构和功能反映了军事作战领域在网络时代之前的特性，这些模型不适宜于描述以网络为中心的作战。此外，由于还没有其他方法可以解决如资源分配等某些重要的定量分析，所以还不能完全抛弃这些模型。基于代理的模型显示出了某些优势，可进行进一步开发。

为描述网络中心战模型，需建立新的数学基础，使用一系列方法，特别是针对复杂自适应系统的研究方法。正如新的数学方法或已有数学方法的新应用是科学进步的体现一样，新的基于网络的数学框架也是实现网络中心战所必需的。按照这个思路，基于网络的数学结构及底层的动态网络分析方法也开始得到应用。