孫 珂 朱邵偉 李敏勇

（海軍七零二廠1） 上海 200434）（天津市全紅電子裝備新技術(shù)發(fā)展有限公司2） 天津 300385）（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院3） 武漢 430033）

1 引言

軍事變革的一個(gè)主要目標(biāo)是全面提升作戰(zhàn)系統(tǒng)的效能，傳統(tǒng)的途徑是通過提高單機(jī)或子系統(tǒng)的性能來達(dá)到目標(biāo)，但這受制于器件水平、工業(yè)技術(shù)和工藝水平等因素，另一途徑是借助信息技術(shù)，運(yùn)用新概念、新理論開拓了系統(tǒng)效能提升的空間。本文中以作戰(zhàn)系統(tǒng)為例，定量分析互操作對系統(tǒng)效能提升的效果，探討從整合角度提升作戰(zhàn)系統(tǒng)效能的理論和方法，結(jié)論具有通用意義。

互操作概念屬一般系統(tǒng)理論范疇，但在軍事、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用前景。探討互操作概念、結(jié)構(gòu)和方法的主要工作有：Col I W Abbott［1］探討了適合于合作和互操作的作戰(zhàn)結(jié)構(gòu)，Thea Clark［2］提出了在C2組織層次的互操作模型，Jill Slay［3］則分析了文化、社會(huì)背景對C2系統(tǒng)中互操作的影響，Rex Buddenberg［4］則研究了一般互操作結(jié)構(gòu)問題，Dr Michel Barès［5］提出了對互操作程度的模糊評判的概念和方法。

1.1 互操作概念

作為參考，在這里引用美軍聯(lián)合參謀部出版物JP1-02［6］給出的互操作的定義，北大西洋公約組織（NATO）已接受該定義并在成員國中使用：

“系統(tǒng)、單元或兵力提供給和接受到其它系統(tǒng)、單元或兵力的服務(wù)的能力，并使此交換的服務(wù)促進(jìn)他們一起有效地工作?！?/p>

這個(gè)定義在08年以后的修訂版［7～8］中改為：

“在執(zhí)行分配的任務(wù)中協(xié)同工作的能力?！?/p>

修改后的定義的外延和內(nèi)涵都擴(kuò)大了，在JP1－02中還針對作戰(zhàn)系統(tǒng)中互操作給出更為具體的定義：

“在通信電子系統(tǒng)或通信電子設(shè)備的分機(jī)之間達(dá)到的條件，能夠直接和安全地在它們或它們的用戶之間交換信息和服務(wù)，互操作程度的定義參考到具體的情況［6～8］?！?/p>

以上互操作定義涉及軍事作戰(zhàn)和支持系統(tǒng)的廣泛的問題，包括設(shè)備級、系統(tǒng)級、兵力運(yùn)用層面的互操作。互操作已從聯(lián)系信息系統(tǒng)、C4ISR系統(tǒng)的領(lǐng)域擴(kuò)展到作戰(zhàn)管理范圍，它包括武器和傳感器系統(tǒng)、條令條例、未來作戰(zhàn)概念和人員?；ゲ僮鞲拍钜选爸嫠苟堋眹覐椀缹?dǎo)彈防御系統(tǒng)中獲得很好的應(yīng)用［9］，并廣泛應(yīng)用到 C2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中［10］。

1.2 互操作與互聯(lián)、互通的區(qū)別

在分析互操作對系統(tǒng)效能的影響時(shí)，有必要區(qū)別與相似概念的差別。與互操作相似的概念是互聯(lián)、互通和合作概念，這些概念其實(shí)有本質(zhì)的差別。它們的共同點(diǎn)是都包括了兩個(gè)或多個(gè)以上的系統(tǒng)、單元或部隊(duì)之間的信息的交換和協(xié)同問題。但互操作概念涉及的交換是服務(wù)和功能，這種服務(wù)和功能保證系統(tǒng)之間的相互協(xié)作、配合和資源共享，目的可能是為補(bǔ)償系統(tǒng)自身的資源和功能不足，或是擴(kuò)展自身功能的作用域等，使命任務(wù)的完成依賴于由不同系統(tǒng)的功能組成的操作鏈，通過互操作，整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)（SoS）的特性，具有涌現(xiàn)性，擁有單個(gè)系統(tǒng)不具有的功能，完成單個(gè)系統(tǒng)不能完成的任務(wù)。而互聯(lián)、互通則指系統(tǒng)、單元或部隊(duì)提供或接受其它系統(tǒng)、單元或部隊(duì)的信息和數(shù)據(jù)的功能，它反映一種信息聯(lián)通和共享能力，這種能力只影響各個(gè)單元的功能操作的信息條件，不反映系統(tǒng)新功能產(chǎn)生的情況，互聯(lián)、互通是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互操作的基礎(chǔ)。另一個(gè)相似的概念是合作，合作指系統(tǒng)之間的高層協(xié)調(diào)，內(nèi)容涉及與完成使命任務(wù)有關(guān)的聯(lián)合行動(dòng)計(jì)劃等，是系統(tǒng)之間管理層級的配合行為，是不同系統(tǒng)之間的任務(wù)和目標(biāo)的整合，合作強(qiáng)調(diào)為完成使命任務(wù)的分工和協(xié)作，沒有互操作涉及內(nèi)容的廣泛性。

從效用角度看，互聯(lián)、互通是系統(tǒng)之間的信息和數(shù)據(jù)的交流和共享，只影響系統(tǒng)功能的質(zhì)量，互操作則是系統(tǒng)之間的功能或服務(wù)的交流，它使系統(tǒng)的功能得以補(bǔ)償和提升，可使原系統(tǒng)能完成沒有互操作時(shí)無法完成的任務(wù)。

2 互操作系統(tǒng)模型

為分析和評估系統(tǒng)中互操作的特性，首先建立以下互操作系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

互操作系統(tǒng)由三元組（S，Q，R）構(gòu)成，其中各元素意義如下：

系統(tǒng)集：S＝｛S1，S2，…，SN｝，集中的元素Si為子系統(tǒng)，S稱為互操作系統(tǒng)，在作戰(zhàn)系統(tǒng)中，子系統(tǒng)一般對應(yīng)于單個(gè)作戰(zhàn)平臺(tái)。

操作集：O＝｛O1，O2，…，OR｝，集中的元素 Oj為操作，是系統(tǒng)中可執(zhí)行的但不再考慮分解的基本操作，這種基本操作可由自身寄存的系統(tǒng)控制執(zhí)行，也可在另一系統(tǒng)的指令控制下執(zhí)行，并且執(zhí)行的目的是服務(wù)于發(fā)指令的系統(tǒng)，即跨系統(tǒng)執(zhí)行，稱為互操作。

關(guān)系集：R＝｛（Si，Oj）；i＝1，…，n；j＝1，…，R｝?S×T，集中的元素為二元關(guān)系，反映互操作系統(tǒng)某一子系統(tǒng)Si和某一操作Oj的關(guān)系。

二元關(guān)系的值：R（Si，Oj）＝1／0（True或Fail）表示二元關(guān)系（Si，Oj）的值，1代表關(guān)系值為真，表示Si能執(zhí)行其它子系統(tǒng)給出的完成操作Oj的指令，或能給出控制其它任何子系統(tǒng)執(zhí)行操作Oj的指令，R（Si，Oj）的值反映子系統(tǒng)Si關(guān)于操作Oj的互操作能力。

二元關(guān)系的值R（Si，Oj）可用互操作矩陣Q來表示，如

表示關(guān)系 R（S1，O1），R（S1，O4），R（S3，O1）R（S3，O2）的值為True，其余互操作關(guān)系的值為Fail。

為后面的討論明確起見，一些與互操作相關(guān)的概念界定如下：

互操作——指子系統(tǒng)Si為完成自身的功能而使用另一子系統(tǒng)Sk（k≠i）的某一操作資源、功能或服務(wù)的過程，目的是代替本系統(tǒng)已損傷或由于某些原因而缺失的操作Oj。

系統(tǒng)Si的功能——系統(tǒng)執(zhí)行一組有序的操作而形成的能力。

互操作系統(tǒng)的任務(wù)——指派給互操作系統(tǒng)要達(dá)成的目標(biāo)，通常由互操作系統(tǒng)中的多個(gè)子系統(tǒng)合作完成，依賴于多個(gè)子系統(tǒng)的一組功能來實(shí)現(xiàn)，歸根結(jié)底，任務(wù)可由計(jì)劃周密的多個(gè)子系統(tǒng)中的一系列操作來完成。

互補(bǔ)性——系統(tǒng)的功能由執(zhí)行一系列操作來達(dá)成，這些操作可以是同種類也可以是不同種類的，互補(bǔ)性指某些種類的操作可由其它種類的操作來代用的特性，在實(shí)際情況，這種補(bǔ)償必須在設(shè)計(jì)時(shí)考慮，并有可能是一種降功能的代用。

3 互操作系統(tǒng)生命力的提升

對于具有互操作能力的作戰(zhàn)系統(tǒng)，通過互操作，使系統(tǒng)的功能具有重組、自恢復(fù)能力，達(dá)到系統(tǒng)魯棒性更強(qiáng)、結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的目標(biāo)。在作戰(zhàn)條件下，系統(tǒng)以一定的速率戰(zhàn)損，每次損失一些系統(tǒng)的一些操作部件和功能，在沒有互操作可用、并且每一種操作對系統(tǒng)的功能都是必要的時(shí)，當(dāng)損失一個(gè)操作功能時(shí)，對應(yīng)的子系統(tǒng)（或平臺(tái)）將喪失功能，或退出戰(zhàn)斗，即每出現(xiàn)一次戰(zhàn)損，都導(dǎo)致一個(gè)平臺(tái)損失或退出戰(zhàn)斗，因此系統(tǒng)可經(jīng)受的戰(zhàn)損次數(shù)等于子系統(tǒng)數(shù)。在實(shí)現(xiàn)互操作的作戰(zhàn)系統(tǒng)中，當(dāng)某一子系統(tǒng)（或平臺(tái)）的某一種操作功能戰(zhàn)損時(shí)，可通過互操作動(dòng)用另一子系統(tǒng)（或平臺(tái)）的同類功能補(bǔ)償原子系統(tǒng)的操作需求，從而只有直到整個(gè)互操作系統(tǒng)中所有子系統(tǒng)的同一種操作功能全喪失時(shí)，互操作系統(tǒng)的功能喪失。本質(zhì)上，互操作系統(tǒng)生命力的提升來源于互操作系統(tǒng)內(nèi)的子系統(tǒng)的操作功能的共享、來源于跨了系統(tǒng)（或平臺(tái)）的操作鏈的執(zhí)行。

為定量分析互操作對系統(tǒng)生命力的改進(jìn)，作以下假定：

· 一次戰(zhàn)損只損壞一個(gè)子系統(tǒng)的一個(gè)操作部件，部件屬于哪個(gè)子系統(tǒng)和哪一類部件按均勻分布選擇，此假定意味全作戰(zhàn)系統(tǒng)已投入戰(zhàn)斗、并且情報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）系統(tǒng)運(yùn)作良好；

·互操作系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)只有一種功能，使用這種功能必須執(zhí)行子系統(tǒng)的所有操作，這種對子系統(tǒng)的單一功能和沒冗余部件的假設(shè)只是為簡化分析過程，不影響問題的本質(zhì)；

·互操作系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成相同，功能相同，當(dāng)各個(gè)子系統(tǒng)的功能都喪失時(shí)，互操作系統(tǒng)喪失功能。

· 互操作系統(tǒng)的生命力評估指標(biāo)為

3.1 操作不能互補(bǔ)時(shí)互操作系統(tǒng)生命力的改進(jìn)

子系統(tǒng)中不同種類的操作要完成不同的功能，一般是不可代用的，如果需要代用，這必須在設(shè)計(jì)時(shí)考慮，并且這種代用設(shè)計(jì)的結(jié)果往往導(dǎo)致操作的主功能性能下降，輔助的代用功能指標(biāo)平平。在這里只考慮不同種類的操作完全不可代用或不能互補(bǔ)的情況，這時(shí)當(dāng)互操作系統(tǒng)中所有子系統(tǒng)的同一種操作失效或戰(zhàn)損時(shí)，互操作系統(tǒng)失效。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

假設(shè)互操作系統(tǒng)中的所有第i種互操作Oi部件在經(jīng)受k次戰(zhàn)損后功能全部喪失，則k的變化范圍在區(qū)間［N，（RN－R＋1）］內(nèi)，因?yàn)樽钌賾?yīng)有N次戰(zhàn)損才有可能使所有子系統(tǒng)中的Oi部件的功能損傷，同時(shí)當(dāng)戰(zhàn)損次數(shù)大于RN－R＋1次后，剩余的R－1種操作功能已使無法行使子系統(tǒng)功能。將損失的N個(gè)Oi進(jìn)行排列，因共有k個(gè)損失空缺，最后一個(gè)空缺為Oi，故Oi的排列數(shù)Lkoi相當(dāng)在k－1種可能中取N－1的排列數(shù)，即

圖1 所有操作不可補(bǔ)償?shù)幕ゲ僮飨到y(tǒng)

在除了N個(gè)操作Oi外的k－N個(gè)操作中，每種操作的戰(zhàn)損次數(shù)不超過N－1次，否則在互操作系統(tǒng)在經(jīng)受k次戰(zhàn)損之前已喪失功能，故在損失序列中除操作Oi外的操作的排列數(shù)Lk-oi相當(dāng)于在（N－1）（R－1）個(gè)可能中選k－R種可能進(jìn)行排列，故排列數(shù)為

考慮到任一種操作的損失都有可能導(dǎo)致系統(tǒng)喪失功能，在經(jīng)受k次損失后出現(xiàn)某一操作功能完全喪失的總排列數(shù)Lk為

由任一操作完全損失導(dǎo)致互操作系統(tǒng)喪失功能所經(jīng)受的損失次數(shù)的數(shù)學(xué)期望E1N為

對互操作系統(tǒng)中的各個(gè)子系統(tǒng)，當(dāng)沒有互操作可利用時(shí)，各個(gè)子系統(tǒng)經(jīng)受一次戰(zhàn)損則導(dǎo)致喪失功能并退出戰(zhàn)斗，在有互操作可利用的條件下，可經(jīng)受的戰(zhàn)損次將大幅提高，互操作系統(tǒng)退出戰(zhàn)斗時(shí)各個(gè)子系統(tǒng)經(jīng)受的戰(zhàn)損次數(shù)的數(shù)學(xué)期望E1為

圖2 部分操作可補(bǔ)償?shù)幕ゲ僮飨到y(tǒng)

可以證明，當(dāng)N→∞時(shí)，E1→R，結(jié)果表示當(dāng)子系統(tǒng)數(shù)增加時(shí)，在整個(gè)互操作系統(tǒng)中平均各子系統(tǒng)經(jīng)受戰(zhàn)損次數(shù)的極限值與子系統(tǒng)中具有的操作數(shù)相等。

3.2 部分操作可互補(bǔ)時(shí)互操作系統(tǒng)生命力的改進(jìn)

在實(shí)際的系統(tǒng)中，部分不同類型的操作部件的功能是可以代用的，即可互補(bǔ)，互操作系統(tǒng)中的某一類操作全部失效或戰(zhàn)損時(shí)，系統(tǒng)通過使用其它種類操作進(jìn)行替代，使子系統(tǒng)的功能得以保持，使互操作系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)作。在分析部分操作具有互補(bǔ)性的互操作系統(tǒng)時(shí)，不失一般性，考慮只有操作O1是不可補(bǔ)償?shù)幕ゲ僮飨到y(tǒng)，除O1外的操作可以相互替代，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成見圖2。此時(shí)互操作系統(tǒng)在兩種情況下失效，一是全部O1部件戰(zhàn)損或失效，二是其余的操作部件總數(shù)少于R－1個(gè)。此時(shí)，經(jīng)受k次戰(zhàn)損后由操作O1全部失效導(dǎo)致系統(tǒng)喪失功能時(shí)O1的排列數(shù)為

失效序列中除操作O1外的其余操作的排列數(shù)為

經(jīng)受k次戰(zhàn)損后由操作O1全部失效導(dǎo)致系統(tǒng)喪失功能的排列數(shù)為

當(dāng)O1類操作部件還沒完全戰(zhàn)損時(shí)，其它操作部件損壞到不足R－1個(gè)時(shí)同樣導(dǎo)致互操作系統(tǒng)功能喪失，設(shè)損失的O1部件數(shù)為i（0≤i≤N－1），則經(jīng)RN－N－R＋2＋i次戰(zhàn)損后，互操作系統(tǒng)功能喪失的排列數(shù)為

互操作系統(tǒng)喪失功能時(shí)戰(zhàn)損次數(shù)的數(shù)學(xué)期望為

互操作系統(tǒng)中每個(gè)子系統(tǒng)平均經(jīng)歷戰(zhàn)損次數(shù)的數(shù)學(xué)期望E2為

可以證明當(dāng)N→∞時(shí)，E2→R，結(jié)果表明部分可互補(bǔ)的互操作系統(tǒng)生命力的極限特性與不可互補(bǔ)的互操作系統(tǒng)的特性相同。

3.3 操作可互補(bǔ)時(shí)互操作系統(tǒng)生命力的改進(jìn)

圖3 全部操作可補(bǔ)償?shù)幕ゲ僮飨到y(tǒng)

在特殊情況下，互操作系統(tǒng)中所有操作可相互代用，只要R個(gè)操作聯(lián)接在一起即可完成子系統(tǒng)的功能，圖3給出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。實(shí)際工程系統(tǒng)中由于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、多功能設(shè)計(jì)，代用成為某些系統(tǒng)的選擇，盡管有時(shí)有降功能的代價(jià)。在操作可互補(bǔ)的條件下，經(jīng)歷RNR＋1次戰(zhàn)損后，剩余的R－1個(gè)操作部件已不足已聯(lián)結(jié)成具有完整的子系統(tǒng)功能的系統(tǒng)，互操作系統(tǒng)失效。故失效時(shí)的互操作系統(tǒng)經(jīng)受的戰(zhàn)損次數(shù)為

平均每個(gè)子系統(tǒng)經(jīng)受戰(zhàn)損的次數(shù)E3為

當(dāng)N→∞ 時(shí)，E3→R，操作完全可互補(bǔ)的互操作系統(tǒng)的生命力極限特性與3.1節(jié)、3.2節(jié)中的系統(tǒng)相同。

3.4 實(shí)例分析

圖4 R＝3時(shí)戰(zhàn)斗持續(xù)時(shí)間比Ei變化曲線

圖5 R＝6時(shí)戰(zhàn)斗持續(xù)時(shí)間比Ei變化曲線

假設(shè)子系統(tǒng)的互操作數(shù)為R＝3和R＝6，計(jì)算出E1、E2和E3的值，并繪出曲線圖（見圖4、圖5），從圖中可見，首先是當(dāng)子系統(tǒng)數(shù)達(dá)到N＝5后，互操作給整個(gè)系統(tǒng)帶來的生命力的改進(jìn)的90%的潛力已被開發(fā)，其次是對于系統(tǒng)的操作是否有互補(bǔ)性對互操作系統(tǒng)生命力的影響較小，其中E2和E3曲線已基本重合，因此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的操作功能的互補(bǔ)性時(shí)應(yīng)仔細(xì)考慮它的必要性、效益和代價(jià)。

4 結(jié)語

從前面的分析結(jié)果可見，互操作延長了系統(tǒng)的生命力，這種生命力的延長是與將子系統(tǒng)分割為多個(gè)操作部件的考慮有關(guān)，在極限情況，平均每個(gè)子系統(tǒng)生命力延長為：經(jīng)受戰(zhàn)損次數(shù)的極限值等于子系統(tǒng)分割數(shù)R，但這并不表示對系統(tǒng)的操作劃分越細(xì)和越多則生命力就越長，如果劃分過細(xì)，單個(gè)操作部件的空間尺寸過小，在一次戰(zhàn)損中受損的操作部件個(gè)數(shù)就有可能增加，從而導(dǎo)致與一次戰(zhàn)損損壞一個(gè)操作部件的假設(shè)不符。文中只就互操作對系統(tǒng)的生命力的影響進(jìn)行了分析，在實(shí)際系統(tǒng)中，互操作對系統(tǒng)的功能、性能的影響是多方面的，進(jìn)一步的探討對理論和工程實(shí)踐都有重要意義。

［1］Col I W Abbott，Maj K E Galvin.Exploiting Operational Architectures for Coalition Interoperability.6thCCRTS［C］／／U.S.：Naval Academy，Annapolis，Marland，2001

［2］Thea Clark.Organisational Interoperability Maturity Model for C2.1999CCRTS［C］／／U.S.：Naval War College，Rhode Island.，1999

［3］Jill Slay.A Cultural Framework for the Interoperability of C2systems.2002CCRTS［C］／／U.S.：Naval Postgraduate School，Monterey，California，2002

［4］Rex Buddenberg.Toward an Interoperability Architecture.6thCCRTS［C］／／U.S.Naval Academy，Annapolis，Marland，2001

［5］Dr Michel Barès.Proposal for Modeling a Coalition Interoperability.6thCCRTS［C］／／U.S.：Naval Academy，Annapolis，Marland，2001

［6］Department of Defense Dictionary of Military and Associated Terms［J］.U.S.：DoD Joint Publication，JP 1-02，2005：274～274

［7］Department of Defense Dictionary of Military and Associated Terms［J］.U.S.：DoD Joint Publication，JP 1-02，2008：277～277

［8］Department of Defense Dictionary of Military and Associated Terms［J］.U.S.：DoD Joint Publication，JP1-02，2009：278～278

［9］Mr.Frank Anderson，Mr.George Galdorisi，Ms.A-manda George，et al.Aegis International and Ballistic Missile Defense：A New Interoperability Network，16th ICCRTS［C］／／Québec，Canada，2011

［10］Henrique Costa Marques，JoséMaria P.de Oliveira，Paulo Cesar G.da Costa.C2framework for interoperability among an air component command and multi-agency systems.15th ICCRTS［C］／／U.S.Santa Monica，CA，2010