数智孪生：数字智能时代的体系工程
2020-12-16 来源：科技导报
导读：新一轮数字化、网络化、智能化科技大潮浩浩荡荡，人类社会的数字智能时代正在来临。物理世界在持续深度地数字化，数字空间正覆盖社会活动的方方面面。
本文基于复杂事物演化发展的视角，阐述分析了体系概念，提出体系工程“钻石模型”方法与基于信息活动的体系结构框架，基于现代科技发展趋势，提出体系工程数智孪生概念框架。
随着科学技术发展，在大量的信息化实践过程中人们越来越多地遇到模糊、柔性、多态、演化和不确定的复杂现象，称之为“体系”（system of systems，SoS）现象。体系概念是对系统思想的延伸、拓展与创新。
传统的系统工程理论方法在面对体系问题时难以为继，体系工程（system of systems engineering，SoSE）应运而生。体系工程是体系思想在工程领域的实践应用，以应对传统系统工程方法难以应对的新挑战，如动态性、模糊性、演进性与涌现性等。
体系工程不应该是系统工程简单的堆积、叠加和局部改良，它应是针对体系现象而专门创新形成的工程方法与技术。
体系概念定义
系统概念
令A表示系统S中全部元素构成的集合，R表示系统S中全部元素之间关系的集合，且A中不存在相对于R的孤立元素，则系统S可形式化地定义为S=<A, R>，此式中未体现出具体的系统结构，是对系统概念最一般的定义。
此外，系统的关键特征之一是有明确或相对明确的边界，即将系统与其所处环境分开的界面。
系统S的环境E是指S之外一切与S具有不可忽略的联系的事物集合，系统环境E可表示为E={x|x ∉ S，且与S有不可忽略的联系}。
实际上很难存在一个完备的系统，每个系统在某些方面都可能依赖于一个更大的系统，任何系统都可以是更大环境中的一个组成部分，并与其他组成部分相互关联与影响。
体系便是将关注的事物及其之间的关系放到与环境互动的大整体中去考虑。
体系概念
令A*表示体系内所有主体的集合，且主体具有自主性、可变性（创生、演化、消亡、突变）、分散性（时间分散、空间分散、管理分散）等特征。
令R*表示主体集合A*的所有主体间关系的集合，且关系适应可变。
令E*表示联合体<A*， R*>之外一切与之具有不可忽略的联系的事物集合，可理解为主体所处的环境。
那么，体系S*可形式化地定义为S*= < A*, R*, E*>，这是对体系概念最一般的定义，表明体系是主体集、关系集与环境集的复合体。
对体系的理解
体系相较系统而言，最大的不同在于将环境纳入更大的整体进行考虑。
主体、关系与环境
在体系概念中，将术语“元素”变为“主体”并不是简单的名词变更。
第一，主体是主动的、鲜活的、自治的、有目的的，体现出体系构成要素能够具有活力这一基本内涵。体系中的主体可能是简单元素或系统，也可能是复杂系统或多个系统的组合等。
第二，主体不仅包含物理实体，还有过程、活动、机制等，体现出体系的生命结构特性。
第三，主体具有自主发展和独立管理的性质，它在一定条件下能够独立运作、自主运用、自我保障、自成系统。体系的主体之间既有协作也有竞争，众多主体在共同使命愿景下的异步演进将是体系的重要特征。
在体系概念中，关系无处不在，是决定体系行为和运作效能的关键要素。
关系不仅仅由主体决定，也会受主体与环境等众多因素间的相互作用影响。
关系有实体之间的联系，也有过程之间的联系；有显式存在，也有隐式存在；有紧密耦合的“强”关系，也有松散连接的“弱”关系。
在体系概念中，环境是整体不可或缺的组成部分，是决定体系属性的重要因素，二者间不仅仅是关联互动，更是彼此纠缠的状态。
从体系视角来看，使树木生长的最好方法是同时关注其周边的生存环境，让森林茂盛的最佳方式是同时关注其内外的生态环境。
系统思想让人们不能只见树木不见森林。
体系思想则更进一步，让人们看树木、看森林、看环境，将视角延伸到更广阔的范围去。
体系的联合体要适应环境，同时它也在塑造环境，将环境纳入整体是体系的突出特征，也是体系与系统概念的最大区别。
系统与体系的比较
在系统的整体概念里，系统与环境之间划分边界，并且把环境也视为系统。
而在体系的整体概念里，联合体与环境之间边界模糊或者不划分边界，它们都是体系的一部分，并且环境是动态开放的。
系统与体系的区别
体系思维将观察视野置于更高层次、更大范围，它不是解决单一领域或局部的问题，而是考虑如何从整体去塑造环境、塑造生态。
当存在多个体系时，某个体系可将其他体系视为环境，竞争、对抗、合作共赢等都可视为体系塑造环境的方式。
某一体系的联合体塑造环境的能力越强，它在体系竞争与对抗中就更具有优势，就越能影响和改变对方体系的联合体及其所处环境，并在竞争和对抗中胜出。
2个体系之间的塑造关系
对体系工程的认识
一般而言，工程规模越大、覆盖面越多、各种利益诉求和发展要求越不一致，体系现象就越突出，系统工程面临的问题就越严重。新问题的产生孕育着新方法的发展，体系工程应运而生。
体系工程基本概念
体系工程是基于使命愿景重塑社会结构的跨领域、跨部门、跨学科工程方法与技术，是将设计、规划、建设、评估、运用等多个环节集于一体的实践过程，目标是达成“导向性涌现”的体系塑造效果。
体系工程实践过程
体系工程主要特性
体系工程主要有5方面特性：模糊性、整体性、并行性、治理性、继承性。
与系统工程相比，体系工程的进步主要体现在以下4个方面：
1、体系工程将视野置于使命任务、共同利益，其整体性、全局性、导向性超出传统系统工程的范畴。
2、弥补了系统工程适应动态变化的不足，并将不确定性视为可能的发展机遇。
3、支持不同领域、部门在协作、竞争中共同发展。
4、将长期演进作为体系能力升级的重要策略，使体系运作机制、模式和方法在持续发展的前提下保持平滑，保持体系建设与运用的稳定性、延续性。
经典体系工程方法
体系工程V形模型在一定程度上成为现有体系工程方法模型的典型代表，可以理解为多系统顶层设计和效果验证以及与多系统建设的叠加而构成的方法模型，对体系的研究开发有一定的理论指导作用。
体系工程V形模型
当前，体系工程方法模型正处于初期探索阶段，许多问题还有待更深入的研究。
一方面，体系工程与系统工程之间的关系不够清晰，有彼此脱节的现象；另一方面，将体系工程的落脚点置于“建”上，缺乏对设计、规划、建设、部署、运用、评估等体系工程各环节全过程的整体布局，也未能有效体现出体系工程的特性与进步所在。
体系工程在概念上需要根据体系问题进行拓展，在方法上需要涵盖体系设计、建设与运用等全部过程，在技术上需要融入与时俱进的创新内容。
体系工程“钻石”模型
“钻石”模型基本内涵
体系工程“钻石”模型是以使命任务为起点，以塑造效果为目标，将架构设计、运用设计、探索实验、建设规划、体系评估、能力部署、体系运用、效果实验等8个过程有机融地合为一个整体进行综合治理的体系工程方法。
因其构形类似钻石，故而命名为“钻石”模型。
体系工程“钻石”模型
“钻石”模型实施过程
体系工程“钻石”模型将宏观、抽象的体系工程较为明确地转化为多个环节自治、衔接、协作的可重复方法，是一种条理清晰、逻辑串联、全程评估、并行自治的实施过程。
体系工程“钻石”模型方法实施过程
“钻石”模型体系设计
体系工程“钻石”模型在经典框架基础上对体系设计方法进行了改进和创新。
“钻石”模型体系设计的基本思想是：行为或社会活动可以看作是信息活动过程，行为效果是信息活动处理结果的物理呈现。
这一变化将体系设计的关注点从组成要素之间的权利流转移到动态柔性的信息流，聚焦于体系的信息活动并突出其主动性、并行性、持续性，降低、消除因“谁来做（who）、在哪做（where）”导致的权力与利益影响和羁绊，将着眼点放在应该“做什么”并立足于整体决定局部，防止体系设计因权利干扰而忽视全局视野与使命任务。
根据其特点，将这一体系设计方法命名为基于信息活动的体系结构框架。
基于信息活动的体系结构框架
“钻石”模型治理机制
体系内拥有共同使命任务的联合体一般保持独立自治，鼓励自主发展与协同合作，强调基于信息活动的柔性特征，提倡柔性的“治理评估”，而非刚性的“控制反馈”。
治理评估环路模型
治理的依据是指南规范，引导性要求较多。控制的依据是执行方案，要求严格具体。前者更适用于体系，后者更适用于系统。
控制反馈环路模型
体系工程“钻石”模型治理机制主要包括4方面内容：设计与评估紧密结合、愿景与任务紧密结合、能力提升与短板弥补紧密结合、过程自治与整体效果紧密结合。
体系工程数智孪生
系统工程与信息技术的深度融合在很大程度上推动了体系工程的形成发展。面向未来数字智能时代，体系工程研究需要与时俱进创新思想、概念和方法。
数智孪生提出背景
以人工智能、数字孪生等为代表的新一代信息技术与体系理论和工程实践的融合创新，将使未来体系横跨物理世界与数字世界，二者孪生演化共同发展，体系将拥抱虚拟实在。
在此背景趋势下提出体系工程“数智孪生”概念，以前瞻探究未来数字智能时代的体系和体系工程。
数智孪生概念内涵
数智孪生主要包括数智基因、数智孪生体与数智空间3部分内容。
数智孪生概念框架
数智基因是数字智能虚拟世界里的DNA，是运用前沿技术对体系的基本核心因素进行数字设计与建模并融入智能机制而得，蕴含人们对虚实世界的基本认识以及在此基础上对未来的设计。
数智基因主要包含2种关键的编码信息，一种是实体构成规则，决定着体系中主体单元的物理结构；另一种是信息行为规则，决定着体系中主体单元的智能活动。
数智基因是体系工程数智孪生概念的基础与核心。
体系工程发展展望
在未来，虚拟与现实二者，即数字世界与物理世界之间不仅有紧密的联系，更是有相同的起源。
人类是这二者的交点和起点，运用人类智慧设计出的数智基因也处于这样一个位置。
数智基因蕴含人类对虚实世界各种事物的深刻认知以及对体系组成、结构、规则等各方面的智能设计与建模仿真，这是其承载和演进的核心内容，是面向未来建设数字化、智能化体系与进行体系工程实践的重要基础。
数智孪生将体系解构成了不断学习演进的、深层次联系的、物理实体与数字虚体紧密联动的虚实融合大整体，它强调物理世界与数字世界基于数智基因的前瞻设计、孪生演化，强调深刻、紧密、泛在的虚实联动，强调全面、精细且逼真的数字模型，强调从物理信号到社会行为的全程数字化再现，强调采用孪生演化的视角来看待基于信息链接的世界构成与未来虚实世界交融演进背后的本质，强调能通过数智空间真实呈现复杂现象、发现潜在问题、激发创新思维、持续优化演进。
面向未来数字智能时代，体系工程实践不仅需要体系理论、工程管理方法论的创新，也需要在设计方法、实验方法、构建方法、评估方法、运用模式等方面的创新，更需要紧密结合前沿数字化、智能化技术发展进行创新。
体系工程起源于系统工程与复杂性的碰撞，孕育于社会的信息化变革实践，机缘在智能化时代的虚实二重世界。
本文作者：曹江，陈彬，高岚岚，平洋，樊志强
作者简介：曹江，军事科学院战争研究院，研究员，研究方向为信息系统与体系工程。
论文全文发表于《科技导报》第21期
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