張宏軍, 黃百喬, 白 天

(1. 中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司, 上海 200011; 2. 中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司系統(tǒng)工程研究院, 北京 100094)

0 引 言

工程系統(tǒng)是指人類(lèi)有目的、有計(jì)劃、有組織地運(yùn)用知識(shí)和各種工具與設(shè)備有效地配置各類(lèi)資源,通過(guò)優(yōu)化選擇和動(dòng)態(tài)的、有效的集成,構(gòu)建并運(yùn)行的一個(gè)“人工實(shí)在”[1]。隨著先進(jìn)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展以及人們應(yīng)用需求與目標(biāo)的不斷升級(jí),工程系統(tǒng)呈現(xiàn)出體系化、無(wú)人化與智能化的發(fā)展趨勢(shì)。體系化特征尤其體現(xiàn)在武器裝備領(lǐng)域,在多域聯(lián)合作戰(zhàn)概念指引下,由多個(gè)部署在不同地理位置上的獨(dú)立裝備系統(tǒng)集合,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與信息交互實(shí)現(xiàn)任務(wù)協(xié)同,以完成原有單個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)不能完成的使命任務(wù),這類(lèi)系統(tǒng)集合稱(chēng)之為體系[2]。體系也表現(xiàn)出區(qū)別于傳統(tǒng)的一般系統(tǒng)的本質(zhì)性特征,如成員系統(tǒng)的運(yùn)行與管理的獨(dú)立性、行為涌現(xiàn)性、演化發(fā)展性與地理分布性等[3-4]。目前,體系與體系工程的研究已成為國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)的重點(diǎn)研究方向之一[5]。隨著機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)和5G通信技術(shù)的發(fā)展,無(wú)人裝備大量加入到工程體系之中,如無(wú)人機(jī)、無(wú)人車(chē)、無(wú)人艇、水下無(wú)人潛航器等,無(wú)人化帶來(lái)的自主性增加了系統(tǒng)的不確定性。智能化則表現(xiàn)為智能技術(shù)對(duì)工程系統(tǒng)所有功能環(huán)節(jié)的智能化改造,如基于大數(shù)據(jù)分析與深度學(xué)習(xí)的智能識(shí)別、基于智能博弈論的智能輔助指揮決策等,廣義上無(wú)人化也屬于智能化的范疇。

工程系統(tǒng)體系化、無(wú)人化與智能化的發(fā)展趨勢(shì)給傳統(tǒng)的工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。首先,體系化與無(wú)人化帶來(lái)了復(fù)雜性與不確定性的增加,使得傳統(tǒng)的以控制論為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法存在明顯不足。具體表現(xiàn)在:一方面工程體系的涌現(xiàn)性特征更加突出,使得精準(zhǔn)控制難以實(shí)施;另一方面,過(guò)多的控制反而與無(wú)人自主的群體智能設(shè)計(jì)初衷相違背。智能化雖然給系統(tǒng)應(yīng)對(duì)不確定性提供了方法手段,但目前的智能技術(shù)仍處于技術(shù)初期,大部分的智能化模型是不可解釋的黑盒,在提高工作效率的同時(shí)也帶來(lái)了不確定性風(fēng)險(xiǎn)。其次,工程系統(tǒng)體系化、無(wú)人化與智能化的發(fā)展趨勢(shì)給傳統(tǒng)的以可靠性為中心的六性理論帶來(lái)了挑戰(zhàn),工程系統(tǒng)通用質(zhì)量特性中的六性是指可靠性、維修性、保障性、測(cè)試性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性。傳統(tǒng)的可靠性理論主要通過(guò)構(gòu)建確定的可靠性框圖模型來(lái)開(kāi)展可靠性預(yù)計(jì)、可靠性分配和指導(dǎo)可靠性設(shè)計(jì)等工作。面對(duì)體系這種沒(méi)有明確的系統(tǒng)邊界、體系形態(tài)會(huì)動(dòng)態(tài)演化、體系內(nèi)部具有一定系統(tǒng)故障容忍度的復(fù)雜系統(tǒng)集合,缺少確定性的可靠性框圖模型,無(wú)論是預(yù)計(jì)體系整體的可靠性還是將體系的可靠性指標(biāo)分解到各成員系統(tǒng),都難以實(shí)施[6]。有學(xué)者也探討了工程體系論證過(guò)程中傳統(tǒng)的可靠性、維修性、保障性方法的不足[7],但目前對(duì)于工程體系的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要集中在體系的貢獻(xiàn)率評(píng)價(jià)上[8],缺少體系級(jí)的綜合性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

人們與工程系統(tǒng)的復(fù)雜性作斗爭(zhēng)的歷史主要體現(xiàn)在應(yīng)對(duì)工程系統(tǒng)的故障上,大致經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段,從最開(kāi)始的預(yù)先設(shè)計(jì)與事后維修,到后來(lái)的健康管理與智能運(yùn)維,再到現(xiàn)在的工程彈性系統(tǒng)理論,強(qiáng)調(diào)廣泛的適應(yīng)性與故障后的自主修復(fù)。從其發(fā)展趨勢(shì)看,工程系統(tǒng)應(yīng)對(duì)故障的策略正朝著逐漸增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)外界的適應(yīng)能力的方向發(fā)展,尤其是彈性與適應(yīng)性具有很強(qiáng)的相關(guān)性。彈性觀點(diǎn)起源于20世紀(jì)60、70年代的生態(tài)學(xué)。1973年,Holling發(fā)表了題為《生態(tài)系統(tǒng)的彈性和穩(wěn)定性》的開(kāi)創(chuàng)性論文[9],為生態(tài)彈性以及各種其他領(lǐng)域的彈性理論研究提供了基礎(chǔ)。在工程技術(shù)領(lǐng)域,美國(guó)國(guó)防部于2012年提出了工程彈性系統(tǒng)理論,并提出了工程彈性系統(tǒng)的4個(gè)關(guān)鍵特性,包括:① 擊退/抵御/吸收;② 恢復(fù)能力;③ 適應(yīng)能力;④ 廣泛的效用[10-11]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)彈性概念在指導(dǎo)工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究[12-13],尤其是基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的彈性評(píng)估與應(yīng)用[14-17]。工程系統(tǒng)彈性體現(xiàn)了工程系統(tǒng)在干擾情況下的自恢復(fù)能力,這是一種工程視角,但其背后的哲學(xué)邏輯卻仍是提高系統(tǒng)的適應(yīng)性。

人們對(duì)于適應(yīng)性的研究由來(lái)已久。達(dá)爾文的進(jìn)化論提出對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性是推動(dòng)生物選擇性進(jìn)化的動(dòng)力之源。英國(guó)的Beer在20世紀(jì)60—70年代創(chuàng)立的活系統(tǒng)模型理論,將對(duì)組織的管理過(guò)程類(lèi)比為人的大腦對(duì)身體的控制過(guò)程,運(yùn)用控制論的法則使組織能夠應(yīng)對(duì)外部環(huán)境的變化而持續(xù)保持活力[18]。圣塔菲實(shí)驗(yàn)室的Holland從自然界的適應(yīng)性機(jī)制中獲得靈感提出了復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)(complex adaptive system,CAS)理論[19]。在現(xiàn)代工程控制領(lǐng)域中的自適應(yīng)控制也帶有仿生的特點(diǎn),是指系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整自己的行為以適應(yīng)外部(或內(nèi)部)環(huán)境的新的變化。廣義上講,自適應(yīng)是人類(lèi)智能的重要特征,也是人類(lèi)文明發(fā)展和社會(huì)不斷進(jìn)步的重要?jiǎng)右蛑籟20-21]。自適應(yīng)也被用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐中,Lee等人為虛實(shí)映射的信息物理融合系統(tǒng)提出了以智能連接(connection)、智能分析(conversion)、智能網(wǎng)絡(luò)(cyber)、智能認(rèn)知(cognition)和智能配置與執(zhí)行(configuration)為目標(biāo)的5C體系構(gòu)架,用于持續(xù)優(yōu)化決策系統(tǒng)的可追蹤性、預(yù)測(cè)性、準(zhǔn)確性和強(qiáng)彈性,實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體系統(tǒng)活動(dòng)的全局協(xié)同優(yōu)化[22],并最終實(shí)現(xiàn)無(wú)憂(yōu)生產(chǎn)[23],其中最高層次的“智能配置與執(zhí)行”便是自適應(yīng)的體現(xiàn)。國(guó)內(nèi)學(xué)者王維平等也將適應(yīng)性機(jī)制應(yīng)用于無(wú)人集群的任務(wù)流程設(shè)計(jì)中[24]。

本文在借鑒了自然界應(yīng)對(duì)不確定性的適應(yīng)性策略思路的基礎(chǔ)上,從為復(fù)雜工程體系構(gòu)建“負(fù)熵”機(jī)制的視角,以工程控制理論為基礎(chǔ),結(jié)合人工智能等前沿技術(shù),提出了一種復(fù)雜工程體系應(yīng)對(duì)復(fù)雜性與不確定性的策略機(jī)制,即適應(yīng)性機(jī)制,提出了一種構(gòu)建適應(yīng)性機(jī)制的技術(shù)框架,并對(duì)如何評(píng)價(jià)工程體系適應(yīng)性指標(biāo)進(jìn)行了探討。

1 適應(yīng)性機(jī)制與特征

1.1 自然界適應(yīng)性機(jī)制與CAS理論

總結(jié)自然界中存在的已有規(guī)律并用于指導(dǎo)科學(xué)研究與工程實(shí)踐,是人們開(kāi)展研究工作的主要思路之一。人們一次次被自然界中神奇的規(guī)律所傾倒,例如蜜蜂建造蜂房時(shí)規(guī)范的六邊形結(jié)構(gòu),蜂群尋找蜜源時(shí)的溝通機(jī)制等,人們意識(shí)到,自然界中存在的規(guī)律是動(dòng)植物種群經(jīng)過(guò)千百萬(wàn)年進(jìn)化選擇的結(jié)果。因此,通過(guò)觀察自然界應(yīng)對(duì)復(fù)雜性與不確定性的機(jī)制與策略,可以作為指導(dǎo)工程實(shí)踐的參考。

按照達(dá)爾文生物進(jìn)化論思想,生物總是在不斷適應(yīng)外界環(huán)境變化的過(guò)程中,不斷更新自己。同一個(gè)物種生活在不同的環(huán)境中,會(huì)逐漸分化成兩類(lèi)不同的物種,原本完全一致的性狀會(huì)隨著基因的變異以及自然環(huán)境對(duì)變異后物種的選擇,逐漸分化成各種不同的性狀。對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性被稱(chēng)為是驅(qū)動(dòng)物種進(jìn)化的主要?jiǎng)恿χ?。作為最高智慧生物的人?lèi),雖然自身的生存面臨著非常嚴(yán)苛的外界條件,例如人體需要始終保持在36°～38°這樣一個(gè)狹窄范圍內(nèi),僅僅比正常體溫低2°或者高4°,就會(huì)讓大腦陷入危機(jī),迅速導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的損傷甚至死亡[25]。好在人體在進(jìn)化過(guò)程中發(fā)展出了自身的恒溫系統(tǒng),可以通過(guò)自身的調(diào)節(jié)來(lái)適應(yīng)外部環(huán)境溫度的變化,始終保持體溫在恒定的范圍內(nèi)。

美國(guó)圣塔菲研究所的Holland教授,從自然界這種適應(yīng)性機(jī)制中獲得靈感,提出了復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論,通過(guò)對(duì)城市、蟻群、生態(tài)、胚胎、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人體免疫系統(tǒng)等復(fù)雜系統(tǒng)的研究,從中提煉出共性特征,并從4種特性(即聚集、非線(xiàn)性、流和多樣性)和3種機(jī)制(即標(biāo)識(shí)、內(nèi)部模型和積木)的視角對(duì)復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的演化與適應(yīng)性過(guò)程進(jìn)行了解構(gòu)。Holland還借鑒自然界生物基因變異的機(jī)制,提出了遺傳算法,成為借鑒自然界規(guī)律的典范[19]。

1.2 適應(yīng)性特征與工程技術(shù)相關(guān)性分析

類(lèi)比自然界有機(jī)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)復(fù)雜性與不確定性的適應(yīng)性機(jī)制,通過(guò)為復(fù)雜工程體系構(gòu)建適應(yīng)性機(jī)制,賦予無(wú)機(jī)的工程系統(tǒng)有機(jī)的類(lèi)生命能力,作為復(fù)雜工程體系應(yīng)對(duì)復(fù)雜性的策略。綜合自然生態(tài)系統(tǒng)以及作為最高智慧生物的人類(lèi)在執(zhí)行適應(yīng)性機(jī)制過(guò)程中的主要過(guò)程與行為特征,總結(jié)了自然生命系統(tǒng)適應(yīng)性的5大特征,分別是:感知、決策、自恢復(fù)、學(xué)習(xí)與進(jìn)化。

感知。從字面理解分為兩個(gè)層面,分別是“感”和“知”?！案小笔侵甘占獠凯h(huán)境數(shù)據(jù)的過(guò)程,如實(shí)采集原始數(shù)據(jù),而“知”則是原始數(shù)據(jù)處理的過(guò)程,將數(shù)據(jù)處理成有用的信息。從人類(lèi)的“感”和“知”上去區(qū)分,“感”是指從具體的外“形”上去認(rèn)識(shí),而“知”則是從“形”背后的“相”去認(rèn)識(shí),即從抽象的概念、道理上去認(rèn)識(shí)。隨著傳感器技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,工程系統(tǒng)的感知能力越來(lái)越強(qiáng)大,但存在較多的問(wèn)題還在于只在于“感”的階段,如何從“感”的原始數(shù)據(jù)深化到“知”的模型、規(guī)律層面尚有很大的提升空間。

決策。自主決策是生命系統(tǒng)的顯著特點(diǎn),但對(duì)于工程系統(tǒng)來(lái)說(shuō)卻并不簡(jiǎn)單。Turing在《計(jì)算機(jī)器與智能》論文中探討了機(jī)器智能時(shí)就提到,機(jī)器只會(huì)按照人們?cè)O(shè)定的程序去執(zhí)行,而不會(huì)自主決策[26]。目前,大量的無(wú)人平臺(tái)在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中必須要做到自主決策,但大量無(wú)人平臺(tái)仍只是按照設(shè)定的程序在執(zhí)行,并不算作真正的自主決策。自主決策應(yīng)該包含兩個(gè)層面的能力,一是能夠根據(jù)外部環(huán)境的變化自主選擇執(zhí)行的規(guī)則,二是能夠根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的積累和環(huán)境的變化來(lái)優(yōu)化已有的規(guī)則,這就需要與學(xué)習(xí)相結(jié)合。做到這兩點(diǎn)才能算是真正的自主決策。

自恢復(fù)。自然生態(tài)系統(tǒng)在遭受外部破壞的情況下,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后一般會(huì)自己恢復(fù)到某一個(gè)平衡穩(wěn)定的新?tīng)顟B(tài),人體有很多具有自恢復(fù)能力的系統(tǒng),例如前面提到的恒溫系統(tǒng),能夠保持體溫的恒定,又如免疫系統(tǒng),外部有病毒入侵時(shí)會(huì)調(diào)用白細(xì)胞來(lái)消滅病毒,維持身體的健康。對(duì)于工程系統(tǒng)來(lái)說(shuō),系統(tǒng)應(yīng)該對(duì)外部輸入異常變化或內(nèi)部故障做出恰當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì),通過(guò)對(duì)系統(tǒng)功能或結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)調(diào)整,來(lái)持續(xù)維持系統(tǒng)完成設(shè)定任務(wù)的能力。當(dāng)然,工程系統(tǒng)的自恢復(fù)能力不是生來(lái)具有的,需要通過(guò)感知、決策與恢復(fù)機(jī)制的設(shè)計(jì)進(jìn)行自恢復(fù)框架的構(gòu)建來(lái)實(shí)現(xiàn),論文前面提到的彈性,便是系統(tǒng)具有自恢復(fù)能力后展現(xiàn)出來(lái)的效果。

學(xué)習(xí)。Wiener在《人有人的用處:控制論與社會(huì)》中提出,某些機(jī)器和若干生命體,都能在過(guò)去經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上來(lái)改變自己的行為模式,從而達(dá)到反熵的特定目的[27]。Turing在《計(jì)算機(jī)器與智能》論文中也提出了學(xué)習(xí)機(jī)器的設(shè)想,人工智能技術(shù)的核心便是機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。對(duì)于高級(jí)生物來(lái)說(shuō),學(xué)習(xí)是適應(yīng)環(huán)境、提高生存能力的必備技能,對(duì)于工程系統(tǒng)來(lái)說(shuō),只有具有了學(xué)習(xí)能力,才能夠不斷積累經(jīng)驗(yàn),改變現(xiàn)有設(shè)定的運(yùn)行規(guī)則,從而走出機(jī)器行為不能出于設(shè)計(jì)之外的困惑,成為具有生命力的有機(jī)體。

進(jìn)化。進(jìn)化能力是生物體特有的特征。達(dá)爾文進(jìn)化論闡述了生物體在與環(huán)境的斗爭(zhēng)中不斷朝有利于適應(yīng)環(huán)境的方向進(jìn)化,物競(jìng)天擇,適者生存。而隨著生物的遺傳密碼——DNA的發(fā)現(xiàn),人們也逐漸揭示了生物交叉變異并由環(huán)境篩選的細(xì)節(jié)過(guò)程,Holland提出的遺傳算法正出于此。對(duì)于工程系統(tǒng)來(lái)說(shuō),隨著規(guī)則的優(yōu)化,系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)出新的頂層能力,從而從一定意義上來(lái)說(shuō)能夠?qū)崿F(xiàn)自我的進(jìn)化。

2 工程系統(tǒng)適應(yīng)性機(jī)制構(gòu)建

2.1 工程系統(tǒng)的“熵增”機(jī)制與“逆熵體”

根據(jù)熱力學(xué)第二定律,封閉系統(tǒng)總會(huì)朝著變得無(wú)序(“熵增”)的方向發(fā)展,因此系統(tǒng)從其建立的那一刻起,便開(kāi)始了其“熵增”的過(guò)程?？藙谛匏乖诘贸觥办卦觥苯Y(jié)論后,也推導(dǎo)出宇宙最終將走向“熱寂”的悲觀結(jié)論。無(wú)機(jī)世界的系統(tǒng)在使用中會(huì)逐漸磨損、老化,并最終被廢棄,這是人類(lèi)的基本常識(shí),但在有機(jī)的生命世界里,一顆種子最終能長(zhǎng)成參天大樹(shù),人也會(huì)從一顆受精卵成長(zhǎng)為一個(gè)高級(jí)智慧生物,這也是人類(lèi)的基本常識(shí),二者存在矛盾,直到普利高津耗散結(jié)構(gòu)理論的提出才打破了這種局面。普利高津指出,遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開(kāi)放系統(tǒng),通過(guò)與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換,可以形成一種新的穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu),稱(chēng)作耗散結(jié)構(gòu)。有機(jī)生命系統(tǒng)之所以能夠“逆熵”而行,便是其作為開(kāi)放系統(tǒng),不斷從環(huán)境中汲取物質(zhì)和能量,不斷躍升到新的平衡狀態(tài),這也是薛定諤所說(shuō)的,“生命以負(fù)熵為生”[28]。

耗散結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)時(shí)的一種非線(xiàn)性效應(yīng),而復(fù)雜工程體系也是一種典型的非線(xiàn)性系統(tǒng),可以把復(fù)雜工程體系視作一種開(kāi)放系統(tǒng),為適應(yīng)外部需求與環(huán)境的變化,通過(guò)不斷的物質(zhì)和能量的供給來(lái)抵御其“熵增”的趨勢(shì),并不斷優(yōu)化自身,持續(xù)保持良好的平衡狀態(tài),具有這種屬性的系統(tǒng)可稱(chēng)作“逆熵體”。因此,復(fù)雜工程體系應(yīng)對(duì)復(fù)雜性與不確定性的策略便是將其改造成為能夠抵御“熵增”不斷進(jìn)化的“逆熵體”,而實(shí)現(xiàn)的途徑便是借鑒自然界有機(jī)生命系統(tǒng)的適應(yīng)性特性,為其構(gòu)建適應(yīng)性框架。

2.2 工程系統(tǒng)適應(yīng)性框架

類(lèi)比自然生命系統(tǒng)的有機(jī)適應(yīng)性特征,復(fù)雜工程系統(tǒng)通過(guò)逐步實(shí)現(xiàn)感知、決策、自恢復(fù)、學(xué)習(xí)和進(jìn)化來(lái)構(gòu)建對(duì)外界環(huán)境和內(nèi)部不確定性的適應(yīng)性,并通過(guò)適應(yīng)性機(jī)制來(lái)提升工程系統(tǒng)應(yīng)對(duì)外界干擾的能力,從而賦予復(fù)雜系統(tǒng) “有機(jī)生命力”[29-30]。

文獻(xiàn)[31]提出了一種基于規(guī)則的復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,并提出了從微觀規(guī)則、中觀規(guī)則和宏觀規(guī)則3個(gè)層級(jí)來(lái)為復(fù)雜工程系統(tǒng)構(gòu)建規(guī)則庫(kù)。微觀規(guī)則用于約束復(fù)雜工程系統(tǒng)內(nèi)各獨(dú)立主體的自身行為以及彼此間的交互行為,可通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)、行為樹(shù)、Petri網(wǎng)、統(tǒng)一建模語(yǔ)言(unified modeling language,UML)泳道活動(dòng)圖以及基于多智能體的建模等方法來(lái)描述。中觀規(guī)則用于約束復(fù)雜工程系統(tǒng)內(nèi)部形成的較為固定的業(yè)務(wù)包之間的組合關(guān)系,通常用能力包來(lái)描述中觀層級(jí)的行為特征。能力包是復(fù)雜工程系統(tǒng)局部能力的統(tǒng)計(jì)性分析,可通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵參數(shù)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)開(kāi)展定量分析,中觀規(guī)則是微觀層級(jí)行為規(guī)則涌現(xiàn)的結(jié)果。宏觀規(guī)則是指復(fù)雜工程系統(tǒng)作為整體的最頂層的規(guī)則,宏觀規(guī)則一方面來(lái)源于系統(tǒng)原始的設(shè)計(jì)輸入,另一方面來(lái)源于系統(tǒng)構(gòu)建完成后的非預(yù)期功能涌現(xiàn),是設(shè)計(jì)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后對(duì)系統(tǒng)能力的總結(jié)。宏觀規(guī)則一般用性能指標(biāo)與通用質(zhì)量特性指標(biāo)來(lái)描述。

文獻(xiàn)[32]提出了一種基于3層規(guī)則的復(fù)雜工程系統(tǒng)適應(yīng)性構(gòu)建框架,本文對(duì)該框架進(jìn)行了進(jìn)一步細(xì)化,如圖1所示。在微觀層級(jí),主要是通過(guò)構(gòu)建反饋機(jī)制與自恢復(fù)機(jī)制來(lái)提升系統(tǒng)對(duì)外部環(huán)境變化與內(nèi)部自身狀態(tài)變化的適應(yīng)性,通過(guò)梳理主體自身行為與交互行為的規(guī)則庫(kù),并構(gòu)建適應(yīng)性特征中的感知、決策與自恢復(fù)能力,將感知的外部環(huán)境數(shù)據(jù)與反饋回來(lái)的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)分析成有用的信息,用于驅(qū)動(dòng)規(guī)則的選擇與執(zhí)行。若系統(tǒng)狀態(tài)存在故障,則執(zhí)行自恢復(fù)策略。此過(guò)程也符合作戰(zhàn)領(lǐng)域提出的OODA(observation,orientation,decision,action)環(huán)模型。

圖1 基于3層架構(gòu)的系統(tǒng)適應(yīng)性機(jī)制構(gòu)建框架示意圖Fig.1 Schematic diagram of the system adaptive mechanism construction framework based on three-layer architecture

在中觀層級(jí),主要通過(guò)構(gòu)建規(guī)則的學(xué)習(xí)演進(jìn)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的優(yōu)化,從而提升復(fù)雜工程系統(tǒng)的適應(yīng)性能力。首先,為系統(tǒng)各業(yè)務(wù)能力包中的關(guān)鍵參數(shù)構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,收集系統(tǒng)微觀層級(jí)的運(yùn)行評(píng)估數(shù)據(jù),對(duì)現(xiàn)有微觀規(guī)則的運(yùn)行效率進(jìn)行評(píng)價(jià),并以此構(gòu)建規(guī)則的學(xué)習(xí)演進(jìn)機(jī)制。規(guī)則的演進(jìn)有兩種技術(shù)路線(xiàn),一種是借助強(qiáng)化學(xué)習(xí)的技術(shù)手段來(lái)不斷優(yōu)化微觀規(guī)則中主體的動(dòng)作序列,形成效率更高的規(guī)則;一種是借助遺傳算法的技術(shù)手段,現(xiàn)有規(guī)則在交叉、變異后產(chǎn)生新的規(guī)則,并通過(guò)構(gòu)建的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)對(duì)新規(guī)則進(jìn)行評(píng)價(jià)與篩選,從而推動(dòng)規(guī)則的演進(jìn)。將優(yōu)選的規(guī)則加入到復(fù)雜工程系統(tǒng)/體系運(yùn)行的規(guī)則列表中,從而提升系統(tǒng)的適應(yīng)性。

在宏觀層級(jí),一方面以各類(lèi)綜合性指標(biāo)為牽引,指導(dǎo)體系中的中觀層級(jí)與微觀層級(jí)規(guī)則的構(gòu)建;另一方面通過(guò)微觀規(guī)則和中觀規(guī)則的不斷演進(jìn),帶來(lái)體系整體能力涌現(xiàn)的升級(jí)進(jìn)化。本文提出的適應(yīng)性指標(biāo)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)的通用質(zhì)量特性對(duì)復(fù)雜工程體系頂層設(shè)計(jì)指導(dǎo)的不足。而整個(gè)適應(yīng)性機(jī)制構(gòu)建過(guò)程也實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)到信息,再到知識(shí),最后到智慧的過(guò)程,構(gòu)建了完整的DIKW(data,information,knowledge, wisdom)模型。

3 工程系統(tǒng)適應(yīng)性評(píng)價(jià)框架

3.1 工程系統(tǒng)適應(yīng)性指標(biāo)定性評(píng)價(jià)

目前通用質(zhì)量特性中提出的六性,包括可靠性、維修性、保障性、安全性、測(cè)試性與環(huán)境適應(yīng)性,都是針對(duì)具體系統(tǒng)的。由于復(fù)雜工程體系的體系頂層缺少綜合性評(píng)價(jià)指標(biāo),于是提出將適應(yīng)性作為體系頂層的評(píng)價(jià)指標(biāo),一方面用來(lái)表征復(fù)雜工程體系在應(yīng)對(duì)外界環(huán)境變化與自身故障等不確定性的能力;一方面用于強(qiáng)調(diào)在復(fù)雜工程體系設(shè)計(jì)過(guò)程中提升其適應(yīng)性的重要性。適應(yīng)性指標(biāo)不同于彈性指標(biāo),彈性指標(biāo)主要針對(duì)系統(tǒng)的自恢復(fù)過(guò)程,而適應(yīng)性則針對(duì)復(fù)雜工程體系的感知、決策、恢復(fù)、學(xué)習(xí)與進(jìn)化的全過(guò)程。

對(duì)任何指標(biāo)的評(píng)價(jià)都存在定性評(píng)價(jià)與定量評(píng)價(jià)兩種思路。在指標(biāo)相關(guān)的因素及其影響關(guān)系不明確時(shí),從其產(chǎn)生的整體效果出發(fā)進(jìn)行定性評(píng)價(jià)是一種可取的思路,因此首先考慮對(duì)適應(yīng)性指標(biāo)進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。為指標(biāo)劃分等級(jí)的定性評(píng)價(jià)方法使用比較多,如對(duì)技術(shù)成熟度的評(píng)價(jià),以及2022年美國(guó)米切爾航空航天研究所發(fā)布的報(bào)告中提到的,將無(wú)人機(jī)的自主能力分為:低自動(dòng)化、部分自動(dòng)化、完全自動(dòng)化、半自主和完全自主5個(gè)等級(jí)[33]。參考上述思路,類(lèi)比生物有機(jī)適應(yīng)性效果,將復(fù)雜工程體系的有機(jī)適應(yīng)性分為干預(yù)性適應(yīng)性、半自主適應(yīng)性和全自主適應(yīng)性3個(gè)層次10個(gè)等級(jí),用AL(adaptive level)表示。干預(yù)性適應(yīng)性是指工程系統(tǒng)/體系需要在有人操作(人在回路)的情況下的適應(yīng)性,這是低級(jí)別適應(yīng)性(AL-1～AL-4)。半自主適應(yīng)性是指工程系統(tǒng)/體系在有限人工干預(yù)情況下,通過(guò)預(yù)設(shè)規(guī)則或動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的適應(yīng)性,這是中級(jí)別適應(yīng)性(AL-5～AL-7)。全自主適應(yīng)性則強(qiáng)調(diào)不需要人工干預(yù),工程系統(tǒng)/體系能夠完全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性,這是高級(jí)別適應(yīng)性(AL-8～AL-10)。復(fù)雜工程系統(tǒng)/體系的適應(yīng)性等級(jí)劃分如表1所示。

表1 體系適應(yīng)性層次定義

3.2 對(duì)工程系統(tǒng)適應(yīng)性定量指標(biāo)評(píng)價(jià)的考慮

為了定量評(píng)價(jià)工程系統(tǒng)適應(yīng)性指標(biāo),首先需考慮與工程系統(tǒng)適應(yīng)性相關(guān)的變量參數(shù)主要都有哪些。參考圖1的適應(yīng)性機(jī)制構(gòu)建的3層架構(gòu),適應(yīng)性評(píng)價(jià)應(yīng)綜合考慮每一個(gè)層級(jí)上的適應(yīng)性特征。

微觀層是系統(tǒng)主體的活躍空間,在這一層復(fù)雜工程系統(tǒng)關(guān)注的是主體與主體、主體與環(huán)境之間的相互作用關(guān)系,并應(yīng)對(duì)外部環(huán)境的各種變化,從而向中觀層級(jí)穩(wěn)定地涌現(xiàn)不同的能力包,因此與微觀層級(jí)適應(yīng)性相關(guān)的變量參數(shù)包括主體數(shù)量、環(huán)境變化量以及主體間的規(guī)則數(shù)量。在中觀層,不同能力包的功能組合按照一定的作業(yè)流程組織起來(lái),完成不同的上層任務(wù)目標(biāo)。中觀層的適應(yīng)性是在能力包不同排列組合完成子任務(wù)的進(jìn)程中,尋找有序性更好的系統(tǒng)架構(gòu)和流程的過(guò)程。由此可知,中觀層關(guān)注的主要適應(yīng)性因子是內(nèi)部流程、中觀規(guī)則和環(huán)境。而宏觀層關(guān)注的重點(diǎn)是整個(gè)復(fù)雜工程系統(tǒng)的整體效能,也就是需要在各項(xiàng)子任務(wù)的功能上進(jìn)行平衡性引導(dǎo),根據(jù)整體效能要求的變化來(lái)引導(dǎo)子任務(wù)在整個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)中的權(quán)重,不是單一任務(wù)完成度越高越好,而是整體的完成度。因此,以效能為目標(biāo)的復(fù)雜工程體系的工作流程以及各流程組合所產(chǎn)生的各種整體性效應(yīng)成為宏觀層適應(yīng)性的核心。

為此,定義多層級(jí)復(fù)雜工程系統(tǒng)的適應(yīng)性指數(shù)為:適應(yīng)性指數(shù)=F(主體;規(guī)則;能力包;流程;環(huán)境)。

運(yùn)算F定義了復(fù)雜工程體系微觀主體間耦合作用關(guān)系、中觀作業(yè)級(jí)能力包間時(shí)序流程及宏觀外部任務(wù)組織協(xié)同流程的有序性和協(xié)調(diào)性。以微觀層級(jí)為例,復(fù)雜工程系統(tǒng)/體系中,人員、設(shè)備與設(shè)施分別屬于不同的主體群落,主體群落中不同主體之間通過(guò)協(xié)作關(guān)系完成特定的作業(yè),形成不同的能力包,如圖2所示。

圖2 微觀層級(jí)主體與能力包網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖Fig.2 Micro-level entity and capability packet network relationship diagram

在特定能力包級(jí)作業(yè)群落中,分析能力包對(duì)應(yīng)的作業(yè)流程的人-機(jī)-環(huán)資源需求,匹配多個(gè)與該作業(yè)執(zhí)行相關(guān)的主體聚合群落,并設(shè)定不同主體聚合群落中主體間的組織協(xié)作關(guān)系邊權(quán)重,為0～1之間的數(shù),數(shù)值越大,說(shuō)明協(xié)作的可能性也越高,從而運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)化建模手段建立體系內(nèi)各群落之間的協(xié)作關(guān)系矩陣R。矩陣R中任意一條主體協(xié)作關(guān)系連接通路,均表征一個(gè)面向該項(xiàng)作業(yè)執(zhí)行的可行資源配置方案(即構(gòu)成了完成該項(xiàng)作業(yè)的一個(gè)實(shí)例化能力包)。換言之,矩陣R中內(nèi)含的主體通路數(shù)量既直接反映了面向特定作業(yè)的工程系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)能力,又量化描述了系統(tǒng)的彈性抗干擾能力,即分析若干單元級(jí)主體喪失能力后的備選節(jié)點(diǎn)重構(gòu)恢復(fù)能力。

4 結(jié) 論

本文在總結(jié)分析當(dāng)前工程系統(tǒng)體系化、無(wú)人化與智能化發(fā)展趨勢(shì)下,復(fù)雜性與不確定性的增加對(duì)工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法帶來(lái)的不足基礎(chǔ)上,借鑒自然系統(tǒng)與人體應(yīng)對(duì)外界復(fù)雜性的適應(yīng)性機(jī)制,分析了在工程系統(tǒng)中引入適應(yīng)性機(jī)制的可行性。從為復(fù)雜工程體系構(gòu)建“負(fù)熵”機(jī)制的視角,提出了一種基于規(guī)則的工程系統(tǒng)適應(yīng)性機(jī)制構(gòu)建框架,并基于該框架,進(jìn)一步分析了適應(yīng)性指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法,為指導(dǎo)復(fù)雜工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)提供了方法參考。復(fù)雜工程體系的適應(yīng)性不僅是一種綜合評(píng)估指標(biāo),或一種應(yīng)對(duì)復(fù)雜性與不確定性的機(jī)制,更是一種指導(dǎo)復(fù)雜工程體系技術(shù)演進(jìn)的工程哲學(xué)。