湯亞鋒， 徐艷麗， 李紀(jì)蓮

(裝備學(xué)院 航天裝備系, 北京 101416)

太空體系彈性評(píng)估方法綜述

湯亞鋒， 徐艷麗， 李紀(jì)蓮

(裝備學(xué)院 航天裝備系, 北京 101416)

美軍近年來將彈性作為構(gòu)建太空體系的基本原則之一，科學(xué)合理地評(píng)估太空體系的彈性能力成為迫切需要回答的一個(gè)基本問題。采用文獻(xiàn)分析法對(duì)廣義的彈性定義、應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了研究，并按定性評(píng)估和定量評(píng)估兩大類別對(duì)典型的評(píng)估方法進(jìn)行了介紹和分析。對(duì)現(xiàn)有的太空體系彈性評(píng)估方法進(jìn)行了梳理和對(duì)比分析，指出現(xiàn)有的太空體系彈性評(píng)估方法都是在工程系統(tǒng)彈性評(píng)估方法上進(jìn)行適當(dāng)修改獲得的，下一步應(yīng)結(jié)合太空體系特點(diǎn)，加強(qiáng)太空體系彈性評(píng)估原則、過程、指標(biāo)體系、計(jì)算方法等基本問題的研究，構(gòu)建完整的彈性評(píng)估方法體系。

太空；彈性；評(píng)估；定性；定量

在內(nèi)部預(yù)算趨緊、外部反太空實(shí)力增強(qiáng)，以及新型作戰(zhàn)理念與新型技術(shù)發(fā)展推動(dòng)等多重因素的影響下，美國航天部門近幾年提出了“彈性”(resilience)的概念，并逐漸將其作為太空體系構(gòu)建的基本原則之一。美國官方最早在2010年國家航天政策中提到“要增強(qiáng)航天器及其基礎(chǔ)設(shè)施的防護(hù)及彈性”，但并沒有解釋彈性的內(nèi)涵。2011年，美國太空安全戰(zhàn)略提出要“加強(qiáng)太空體系的彈性”，美國防部在《解釋文件：太空能力的彈性》[1]中第一次給出了官方的彈性定義：“一類體系結(jié)構(gòu)的能力，即使在對(duì)抗行為或惡劣條件下，仍然能夠提供任務(wù)成功所需的功能。”2013年，美空軍航天司令部發(fā)布《彈性和分散化太空體系結(jié)構(gòu)》白皮書，系統(tǒng)闡述了對(duì)太空系統(tǒng)“彈性”和“分散式太空系統(tǒng)”體系結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和思考。2016年開始，在時(shí)任空軍太空司令部司令海頓將軍的推動(dòng)下，美空軍太空司令部會(huì)同國家偵察局等單位，開始研究提出“太空企業(yè)級(jí)構(gòu)想”(Space Enterprise Vision)，目標(biāo)是建立經(jīng)濟(jì)上可承受的、彈性的太空體系架構(gòu)?？梢灶A(yù)計(jì)，該構(gòu)想一旦得到正式發(fā)布，將成為美構(gòu)建一體化的、彈性的太空體系的行動(dòng)指南。

太空領(lǐng)域的彈性是一種新概念，有關(guān)研究還處于起步階段，歸納起來，迫切需要回答3個(gè)核心的問題：什么是彈性？怎么衡量彈性？怎么獲得彈性？即需要對(duì)太空體系彈性的概念內(nèi)涵、評(píng)估方法以及實(shí)現(xiàn)途徑展開研究。其中，美國國防部2015年9月發(fā)布的《太空領(lǐng)域任務(wù)保證：彈性分類法》白皮書已對(duì)其概念內(nèi)涵做出了權(quán)威的闡釋，但如何評(píng)估太空體系的彈性，還處于研究的初級(jí)階段。彈性評(píng)估方法是進(jìn)行系統(tǒng)需求論證、方案設(shè)計(jì)、作戰(zhàn)效能評(píng)估等工作的基礎(chǔ)，是需要重點(diǎn)突破的基本問題。美軍方通過學(xué)術(shù)交流、項(xiàng)目牽引等方式，推動(dòng)軍方研究機(jī)構(gòu)、工業(yè)部門和學(xué)術(shù)界提出了一系列的彈性評(píng)估方法，獲得了初步的成果。

1 一般性的系統(tǒng)彈性評(píng)估方法

1.1 彈性的研究范疇

“resilience”一詞，源于拉丁語resiliere，意為“回彈”，一般是指實(shí)體或系統(tǒng)在某破壞性事件發(fā)生后恢復(fù)到正常狀態(tài)的能力，在許多學(xué)科和應(yīng)用領(lǐng)域都有使用，但內(nèi)涵各有不同。2013年10月，在美聯(lián)合軍事行動(dòng)研究協(xié)會(huì)和阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合舉辦的研討會(huì)上，參與者一致將彈性定義為“一個(gè)實(shí)體(如資產(chǎn)、組織、社區(qū)、地區(qū))具有的預(yù)測、抵制、吸收、應(yīng)對(duì)、適應(yīng)自然或人為干擾活動(dòng)的能力，使之得以恢復(fù)功能。”這是目前較為權(quán)威的、一般性的彈性概念。

材料學(xué)、生態(tài)學(xué)、心理學(xué)等不同學(xué)科，很早就在使用彈性這個(gè)概念。近年來，這一概念開始擴(kuò)展應(yīng)用到工程系統(tǒng)領(lǐng)域以及基礎(chǔ)設(shè)施、能源、賽博空間等復(fù)雜巨系統(tǒng)，用于描述其具有的特定能力。21世紀(jì)初，工程系統(tǒng)領(lǐng)域就提出了“彈性工程”的概念，它是在安全工程、生存工程基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一門新學(xué)科，已成為了工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種新范式。2011年，美國防部提出了工程化彈性系統(tǒng)(Engineered Resilient Systems，ERS)的概念[2]，并將其作為國防部優(yōu)先發(fā)展原則，牽引相關(guān)科研項(xiàng)目和裝備研發(fā)。近年來，一些海嘯、地震、颶風(fēng)等災(zāi)害對(duì)社區(qū)、交通網(wǎng)絡(luò)、能源網(wǎng)絡(luò)、物流網(wǎng)絡(luò)等造成了巨大災(zāi)害，使得各界提出應(yīng)建設(shè)彈性的組織結(jié)構(gòu)、彈性的系統(tǒng)等，以便在破壞性事件發(fā)生后，能快速響應(yīng)、快速恢復(fù)、減少損失。美國一些政府部門陸續(xù)出臺(tái)了相關(guān)計(jì)劃或政策：從2013年開始，美國負(fù)責(zé)能源、安裝與環(huán)境的國防部副部長辦公室提出了能源彈性倡議，并已于2016年修訂進(jìn)入美國防部指令4170.11；2013年2月，美國發(fā)布了21號(hào)總統(tǒng)政策指令《關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施安全和彈性》，以強(qiáng)化和擴(kuò)大美國關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的彈性；美國防高級(jí)研究計(jì)劃局正在開展面向任務(wù)的彈性云(Mission-oriented Resilient Clouds,MRC)計(jì)劃，以應(yīng)對(duì)賽博威脅，等等。因此，美軍太空體系彈性的提出，是學(xué)術(shù)研究發(fā)展的必然，也順應(yīng)了全美尤其是國防部對(duì)彈性的關(guān)注。

1.2 彈性評(píng)估的方法

通過對(duì)不同學(xué)科、不同應(yīng)用領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)和梳理，將系統(tǒng)彈性的評(píng)估方法劃分為定性方法和定量方法兩大類[3]，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)彈性的評(píng)估方法分類

1.2.1 定性評(píng)估方法

定性評(píng)估方法包括概念框架法和半定量指數(shù)法。

1) 概念框架法。是定性分析彈性的主要方法，一般應(yīng)用在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域，該方法按照一定的步驟、原則或變量對(duì)所研究系統(tǒng)的彈性進(jìn)行描述和分析，適合于從宏觀、系統(tǒng)的角度定性評(píng)估系統(tǒng)。1999年成立的“彈性聯(lián)盟”(Resilience Alliance)提出了一個(gè)評(píng)估社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)彈性的通用框架，該框架由定義系統(tǒng)、確定評(píng)估范圍、確定內(nèi)外影響因素、確定關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、開發(fā)概念、告知決策者、獲得結(jié)論7個(gè)步驟組成。有些研究基礎(chǔ)設(shè)施彈性的學(xué)者也采用了概念框架法，文獻(xiàn)[4]將通信網(wǎng)絡(luò)的彈性和生存能力用防御、探測、診斷、補(bǔ)救、完善、恢復(fù)6個(gè)指標(biāo)來衡量，而文獻(xiàn)[5]則用可靠性、安全性、可用性、保密性、完整性、可維護(hù)性以及性能來表征電信網(wǎng)絡(luò)的彈性。

2) 半定量指數(shù)法。一般是指針對(duì)所評(píng)估系統(tǒng)的特征設(shè)置問題集，通過專家打分的方式獲得數(shù)據(jù)(如置信度數(shù)據(jù)、百分比等)，再使用一定的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合，從而得到評(píng)估指數(shù)。少量分析社區(qū)彈性、供應(yīng)鏈彈性、加工工業(yè)彈性等的文獻(xiàn)使用了這種方法。與純定性的評(píng)估方法相比，通過對(duì)主觀性意見的量化和數(shù)值化處理，獲得了較為明確的評(píng)估數(shù)值，使得評(píng)估結(jié)果更為直觀。

1.2.2 定量評(píng)估方法

定量評(píng)估方法又可以分為2類：通用評(píng)估方法以及結(jié)構(gòu)化模型方法。

1) 通用評(píng)估方法。是在不考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況下，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估。通過對(duì)比破壞性事件發(fā)生前后的系統(tǒng)性能獲得評(píng)估結(jié)果。它包括確定型方法和概率型方法2種，每種方法又可能包括靜態(tài)(不考慮時(shí)間因素)和動(dòng)態(tài)(考慮時(shí)間因素)2種情形。

(1) 確定型方法。應(yīng)用比較普遍的確定型方法是基于彈性三角模型的方法，它存在多種變形，部分表示形式如圖2所示。文獻(xiàn)[6]用彈性三角模型(如圖2a)所示)對(duì)地震后社區(qū)彈性損失進(jìn)行測量，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：t0時(shí)刻破壞性事件發(fā)生，t1恢復(fù)到之前水平；Q(t)為t時(shí)刻社區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的質(zhì)量；陰影區(qū)表示彈性損失RRL,該數(shù)值越小，則彈性越好。文獻(xiàn)[7]用觀察時(shí)間段內(nèi)(用T*表示)損失的能力比例來表征彈性，能力損失用三角形面積XT/2表示(如圖2b)所示)，彈性用公式(T*-XT/2)/T*計(jì)算。更多的文獻(xiàn)在探討工程系統(tǒng)彈性時(shí)，基于可靠性工程研究方法，提出了基于彈性三角范式的更為復(fù)雜的分析框架，文獻(xiàn)[8]用可靠性、脆弱性、恢復(fù)能力以及新穩(wěn)定狀態(tài)表征狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程(如圖2c)所示)；文獻(xiàn)[9]用可靠性、脆弱性和可恢復(fù)性表示系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程(如圖2d所示))，但它們的彈性都可用性能函數(shù)來表示，其計(jì)算過程即為彈性三角范式的變形。

a) 用陰影面積計(jì)算彈性損失

b) 用三角形面積表示能力損失

c) 用4類轉(zhuǎn)移狀態(tài)描述彈性

d) 用3類轉(zhuǎn)移狀態(tài)描述彈性圖2 利用彈性三角形進(jìn)行彈性損失測量

除了彈性三角形分析范式以外，許多研究者從自身應(yīng)用角度出發(fā)，提出了指數(shù)型、期望型、指數(shù)函數(shù)型等多種彈性計(jì)算方法，在此不再贅述。確定型方法描述方式直觀，計(jì)算模型簡單，但是相關(guān)的參數(shù)、計(jì)算公式基于經(jīng)驗(yàn)獲得，是否真實(shí)反映系統(tǒng)性能缺乏理論依據(jù)，適用于較粗粒度的分析式評(píng)估。

(2) 概率型方法。采用概率而不是確定的數(shù)值來表征事件或系統(tǒng)的響應(yīng)特征。文獻(xiàn)[10]提出了一種評(píng)估彈性的概率型方法，考慮了2個(gè)要素：性能的損失和恢復(fù)的時(shí)長。彈性定義為破壞產(chǎn)生后，性能損失處于最大可接受損失范圍之內(nèi)以及恢復(fù)時(shí)長處于最大可接受破壞時(shí)間范圍之內(nèi)的概率。該文對(duì)地震后基礎(chǔ)設(shè)施和社區(qū)的彈性分析，通過統(tǒng)計(jì)一系列仿真計(jì)算的結(jié)果獲得相關(guān)數(shù)據(jù)的概率，進(jìn)而計(jì)算得到彈性。與確定型方法相比，概率型方法表征的隨機(jī)性更接近現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)情況，但相關(guān)的概率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不易獲得，因?yàn)槠茐男允录桥及l(fā)性的，而通過仿真獲得的數(shù)據(jù)同樣會(huì)面臨可信度的問題。

2) 結(jié)構(gòu)化模型方法。結(jié)構(gòu)化模型方法考查系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如何影響系統(tǒng)的彈性，即需要觀察系統(tǒng)的行為，對(duì)系統(tǒng)特征進(jìn)行建?；蚰M。具體又可分為3類：優(yōu)化模型法，仿真模型法以及模糊邏輯模型法。(1) 優(yōu)化模型法，即建立系統(tǒng)的彈性優(yōu)化模型，通過模型量化并優(yōu)化系統(tǒng)的彈性能力。文獻(xiàn)[11]使用多目標(biāo)3階段隨機(jī)數(shù)學(xué)模型來評(píng)估和優(yōu)化路網(wǎng)使用時(shí)間的彈性；文獻(xiàn)[12]使用2階段隨機(jī)規(guī)劃模型分析大城市公共交通網(wǎng)絡(luò)的彈性；文獻(xiàn)[13]提出了混合型整數(shù)線性模型設(shè)計(jì)前向和閉環(huán)供應(yīng)鏈，并使用6個(gè)參數(shù)來表征彈性，等等。優(yōu)化模型法具有很好的理論依據(jù)，但比較適合評(píng)估多節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的彈性。(2) 仿真模型法。文獻(xiàn)[14]使用離散事件仿真法評(píng)估供應(yīng)鏈的彈性，將靈活性和冗余性作為彈性評(píng)估的要素，并使用6個(gè)不同的仿真場景進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[15]用蒙特卡洛方法研究蓄水庫的彈性，考慮了多種極端情況；文獻(xiàn)[16]使用時(shí)間相關(guān)的仿真模型計(jì)算鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的彈性指數(shù)。仿真模型法能很好地反映系統(tǒng)不同場景下的運(yùn)行特征，但建模工作較為復(fù)雜，比較適合需要精確、細(xì)粒度評(píng)估彈性的場合。(3) 模糊邏輯模型法。少量的研究者使用模糊邏輯模型進(jìn)行彈性分析。文獻(xiàn)[17]使用模糊邏輯模型評(píng)估組織彈性，使用模糊語法變量描述組織彈性指數(shù)之間的相對(duì)重要程度；文獻(xiàn)[18]使用模糊認(rèn)知映射(FuzzyCognitionMap，F(xiàn)CM)來表征工程彈性的因素，它使用模糊圖結(jié)構(gòu)的方式描述工程彈性的9個(gè)因素之間的因果推理關(guān)系，等等。模糊邏輯模型法是一種處理指標(biāo)體系中不同指標(biāo)關(guān)系的方法，需與其他評(píng)估方法一起配合才能完成評(píng)估工作，適合評(píng)估指標(biāo)關(guān)系不太明確的場合。

2 太空體系的彈性評(píng)估方法

2.1 美國防部的彈性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

美國防部在其彈性解釋文件中對(duì)太空能力的彈性進(jìn)行了專門的闡釋，指出彈性包括了避險(xiǎn)性(avoidance)、健壯性(robustness)、重構(gòu)性(reconstitution)以及恢復(fù)性(recovery)4個(gè)方面，這為相關(guān)的評(píng)估方法提供了一個(gè)基礎(chǔ)框架。同時(shí)，美國防部認(rèn)為彈性可在多個(gè)層次進(jìn)行評(píng)估，如企業(yè)級(jí)、任務(wù)級(jí)以及功能級(jí)，各個(gè)層級(jí)的主要評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)分別是對(duì)國家安全目標(biāo)造成的風(fēng)險(xiǎn)、任務(wù)效能以及系統(tǒng)能力。美國防部要求，彈性評(píng)估時(shí)必須考慮如下5項(xiàng)要素：(1) 預(yù)想的對(duì)抗等級(jí)；(2) 支持任務(wù)必需的各部分能力目標(biāo)；(3) 在指定對(duì)抗等級(jí)下，這些目標(biāo)達(dá)不到的風(fēng)險(xiǎn)；(4) 對(duì)任務(wù)來說，最大的功能短板；(5) 任務(wù)中，所能容忍功能短板存在的時(shí)間。

美空軍太空與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心對(duì)彈性進(jìn)行了相關(guān)研究，獲得了一些初步的成果，建立了評(píng)估的初步方法。該中心研究人員提出了幾條構(gòu)建彈性評(píng)估指標(biāo)體系的原則[19]：(1) 區(qū)分不利條件下(指氣象、自然災(zāi)害、太空環(huán)境影響等)的彈性以及敵對(duì)行動(dòng)下(指物理攻擊、無線電攻擊、光學(xué)攻擊、干擾、欺騙、賽博攻擊等)的彈性；(2) 評(píng)估結(jié)果歸一化到[0，1]范圍；(3) 計(jì)算是基于物理現(xiàn)象，而不是領(lǐng)域?qū)＜矣^點(diǎn)；(4) 在陳述中不是模糊的，是可驗(yàn)證的(客觀性)。

2.2 工業(yè)部門提出的方法

隨著美軍事航天部門尤其是空軍太空司令部對(duì)太空體系彈性的日益重視，工業(yè)部門或與軍方密切聯(lián)系的公司，提出了各自的太空體系彈性評(píng)估方法，以項(xiàng)目報(bào)告或者會(huì)議交流報(bào)告的方式，對(duì)軍方的訴求予以回應(yīng)。從現(xiàn)有公開資料來看，美軍方及工業(yè)部門提出的方法還較為粗略，還未建立一套廣為接受的標(biāo)準(zhǔn)框架。

2.2.1 波音公司提出的方法

波音公司提出了彈性分析過程，包括4個(gè)步驟：(1) 創(chuàng)建系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，建立能力標(biāo)準(zhǔn)；(2) 定義威脅；(3) 開發(fā)并驗(yàn)證威脅場景；(4) 評(píng)估和總結(jié)。通過測度威脅場景中系統(tǒng)保留的能力而獲得系統(tǒng)彈性。該方法考慮彈性的4個(gè)方面，即避險(xiǎn)性、健壯性、重構(gòu)性和恢復(fù)性，在單一威脅下，用(0，1)之間的概率(RAV,RRO,RRC,RRV)來反映這4個(gè)方面，總的體系彈性R用下式計(jì)算[20]

R=1-(1-RAV)(1-RRO)·

(1-RRC)(1-RRV)

(2)

當(dāng)面臨多個(gè)相關(guān)威脅時(shí)，用下式計(jì)算

(3)

式中：N為威脅的總數(shù)；Rs為累計(jì)的系統(tǒng)彈性(N個(gè)威脅)；R1為第1 個(gè)威脅的適應(yīng)彈性；Rn為第n個(gè)威脅的適應(yīng)彈性。

當(dāng)面臨多個(gè)不相關(guān)威脅時(shí)，用下式計(jì)算

(4)

式中：RFS為累計(jì)的系統(tǒng)彈性(N個(gè)威脅)；Pn為第n個(gè)威脅發(fā)生的概率。

2.2.2 諾·格公司提出的方法

諾·格公司認(rèn)為波音公司提出的方法主觀性太強(qiáng)，不夠直觀。它提出了一種與成本掛鉤、分析體系脆弱點(diǎn)的確定性方法來評(píng)估系統(tǒng)的彈性，其彈性分析的主要指標(biāo)包括系統(tǒng)類型、系統(tǒng)成本、系統(tǒng)可靠性(執(zhí)行任務(wù)的成功性)。它利用系統(tǒng)工程的方法，構(gòu)建對(duì)抗性體系，在具體的作戰(zhàn)想定下尋找現(xiàn)有體系的脆弱點(diǎn)，并利用如下公式計(jì)算系統(tǒng)或體系的彈性[21]：系統(tǒng)彈性值=成功威脅現(xiàn)有系統(tǒng)的對(duì)抗系統(tǒng)成本/現(xiàn)有系統(tǒng)成本；企業(yè)彈性值=成功威脅現(xiàn)有企業(yè)的對(duì)抗企業(yè)成本/現(xiàn)有企業(yè)成本。2.2.3 諾·馬公司提出的方法該公司按照如下6個(gè)步驟進(jìn)行太空彈性評(píng)估：(1) 研讀政府政策指導(dǎo)和戰(zhàn)略；(2) 研讀國防部長辦公室、美國空軍以及情報(bào)部門提出的框架；(3) 形成指標(biāo)體系；(4) 研究系統(tǒng)屬性；(5) 研究評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)；(6) 開發(fā)算法。最終獲得的算法考慮了威脅的可能性及其后果、系統(tǒng)恢復(fù)的能力等，其計(jì)算公式如下[22]：

R=CCap×(1-L×M×CCon)

(5)

式中：R為彈性；CCap為執(zhí)行任務(wù)必要功能的能力；L為威脅事件的概率；M為威脅發(fā)生后重構(gòu)或恢復(fù)任務(wù)能力的時(shí)間；CCon為威脅事件發(fā)生后能力損失的程度。

此外，該公司還開發(fā)了一種使用顏色標(biāo)記評(píng)估彈性等級(jí)(4個(gè)能力等級(jí)：無、低、中、高)以及對(duì)抗后保有能力的方法。

2.2.4 宇航公司提出的方法

該公司使用能力損失的幅度及其持續(xù)時(shí)間來評(píng)估彈性，評(píng)估示例如圖3所示。圖中灰色陰影區(qū)稱為關(guān)鍵能力損失函數(shù)，是能力受損下不能完成任務(wù)的能力關(guān)于時(shí)間的積分。圖中還標(biāo)注了避險(xiǎn)性、健壯性、重構(gòu)性以及恢復(fù)性對(duì)應(yīng)的區(qū)域。關(guān)鍵損失函數(shù)的形狀尤為關(guān)鍵，不同形狀對(duì)應(yīng)系統(tǒng)不同的能力。此外，該公司還提出了脆弱性的概念，當(dāng)系統(tǒng)損失處于脆弱線(圖3中粗紅色虛線)以下時(shí)，系統(tǒng)失去重構(gòu)的能力。

圖3 關(guān)鍵能力損失函數(shù)示例

2.2.5 MITRE公司提出的方法

MITRE公司在宇航公司提出的能力損失函數(shù)的基礎(chǔ)上，增加了對(duì)抗時(shí)間概率這一維度，用三維曲面圖的方式直觀表述系統(tǒng)彈性，如圖4所示，彈性用能力曲面所涵蓋的體積來描述。圖4中，綠色表示能力充足，黃色表示能力降級(jí)但足以完成任務(wù)，紅色表示能力不足以完成任務(wù)。

MITRE公司使用下式計(jì)算彈性：

(6)

式中：i為對(duì)抗性事件(序號(hào)從1～n)；Pi為第i個(gè)事件發(fā)生的概率；T為事件從開始到結(jié)束的時(shí)間長度；Cri(t)是系統(tǒng)能力函數(shù)，當(dāng)t時(shí)刻系統(tǒng)能力滿足系統(tǒng)所需時(shí)為1，否則為0。

2.2.6 蘭德公司提出的方法

在美空軍2014財(cái)年“太空彈性：對(duì)能力與經(jīng)濟(jì)性平衡戰(zhàn)略的研究”項(xiàng)目支持下，蘭德公司對(duì)美太空體系的彈性進(jìn)行了評(píng)估，最終提交了3份評(píng)估報(bào)告[23](包括1份附件)以及1套評(píng)估軟件“彈性評(píng)估流程及組合選項(xiàng)報(bào)告工具”(ResilienceAssessmentProcessandPortfolioOptionReportingTool，RAPAPORT)[24]，給出了相關(guān)建議和評(píng)估結(jié)果。

蘭德公司認(rèn)為，太空體系完整的評(píng)估要素應(yīng)包括條令、組織、訓(xùn)練、裝備、領(lǐng)導(dǎo)和教育、人事、設(shè)施以及政策(doctrine,organization,training,materiel,leadershipandeducation,personnel,facilities,andpolicy，DOTMLPF-P)，而不僅僅是裝備要素(主要是在軌裝備)。通過對(duì)裝備以外要素的改善，可以不依賴在軌資產(chǎn)來提升體系的彈性，是預(yù)算受限情況下的合適選擇。

蘭德公司基于太空防護(hù)作戰(zhàn)概念，開發(fā)了一套一體化的方法，主要針對(duì)太空力量增強(qiáng)領(lǐng)域進(jìn)行彈性方法研究。研究范圍覆蓋戰(zhàn)術(shù)/中隊(duì)層面(如太空操作中隊(duì)、太空預(yù)警中隊(duì)，負(fù)責(zé)衛(wèi)星操控)以及戰(zhàn)役層面(如聯(lián)合太空作戰(zhàn)中心，負(fù)責(zé)聯(lián)合太空部隊(duì)的全球戰(zhàn)役應(yīng)用)。蘭德首先對(duì)太空企業(yè)的每一項(xiàng)評(píng)估要素提出了評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算方法(核心是基于MITRE公司提出的計(jì)算方法)，隨后根據(jù)關(guān)聯(lián)性構(gòu)建DOTMLPF-P的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，分析了總的體系彈性。根據(jù)分析結(jié)果，給美國空軍提高太空體系彈性提出了頂層建議以及具體的建議。

2.3 學(xué)術(shù)界提出的方法

少量研究人員對(duì)太空體系的彈性評(píng)估方法開展了研究。美空軍少尉Turner[25]在其碩士論文中提出了一套評(píng)估衛(wèi)星通信系統(tǒng)彈性的方法，論文采用的極端事件建模方法(ExtremeEventModeling)利用了基于單調(diào)非線性連續(xù)與混合整形變量的二次規(guī)劃技術(shù)。國內(nèi)電子科學(xué)院的嚴(yán)曉芳等[26]基于波音公司的分析式方法，針對(duì)太空系統(tǒng)的單個(gè)威脅、多個(gè)不相關(guān)威脅、多個(gè)相關(guān)威脅、全部威脅場景的案例，給出了適應(yīng)彈性的計(jì)算公式，進(jìn)行了仿真分析。

3 不同評(píng)估方法的對(duì)比分析

按照第1節(jié)的彈性評(píng)估分類法，對(duì)比了各太空體系彈性評(píng)估方法，如表1所示。需要說明的是，各個(gè)機(jī)構(gòu)在提出具體的彈性計(jì)算公式之前，都闡述了評(píng)估過程或框架，因此，可以認(rèn)為均使用了概念框架法，但表中只對(duì)核心計(jì)算方法進(jìn)行了歸類。

表1 不同評(píng)估方法比較

從對(duì)比可以看出，各機(jī)構(gòu)普遍使用概率型方法和確定型方法進(jìn)行彈性能力計(jì)算，其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍與第1節(jié)所述一樣。再對(duì)照美國國防部所提出的5條標(biāo)準(zhǔn)，可以發(fā)現(xiàn)各公司都在一定程度上進(jìn)行了響應(yīng)。比如除諾·格公司以外，其他公司都考慮了彈性的避險(xiǎn)性、穩(wěn)健性、重構(gòu)性和恢復(fù)性4個(gè)方面；諾·格公司、蘭德公司在評(píng)估中考慮了系統(tǒng)的功能短板，但其他公司沒有深入考慮；所有公司都沒有考慮容忍功能短板存在時(shí)間這一評(píng)估要素。因此，現(xiàn)有的評(píng)估方法都不能完全滿足國防部的標(biāo)準(zhǔn)，也表明太空體系彈性評(píng)估方法還處于初步研究階段。

太空體系彈性評(píng)估，必然要經(jīng)歷探索性研究、建立成熟體系、基于應(yīng)用案例深入研究等幾個(gè)階段。從發(fā)展趨勢(shì)來看，經(jīng)過前期探索，美軍有可能近期形成成熟的評(píng)估體系，并明確評(píng)估原則、評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)估過程、評(píng)估算法等，最后不同用戶可從自身角度出發(fā)進(jìn)行案例的深度研究。

4 結(jié) 束 語

彈性概念的提出，是對(duì)工程系統(tǒng)安全性、生存性、可靠性等概念的拓展，反映了一種以系統(tǒng)為中心向以能力為中心的思維理念轉(zhuǎn)變，同時(shí)也會(huì)帶來系統(tǒng)設(shè)計(jì)范式的改變，將對(duì)系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力帶來深遠(yuǎn)的影響。太空體系彈性評(píng)估方法還處于探索階段，現(xiàn)有的許多方法脫胎于系統(tǒng)安全工程、系統(tǒng)可靠性工程中所使用的方法，還缺乏比較權(quán)威的、經(jīng)過詳細(xì)驗(yàn)證的方法，有待進(jìn)一步探索和研究。

)

[1]DOD.FACT SHEET：Resilience of space capabilities [EB/OL](2011-10-14)[2017-03-24].http://archive.defense.gov/home/features/2011/0111_nsss/docs/DoD%20Fact%20Sheet% 20-%20Resilience.pdf.

[2]GOERGER S R,MADNI A M,ESLINGER O J.Engineered resilient systems:a DoD perspective [J].Procedia Computer Science,2014,28:865-872.

[3]HOSSEINI S,BARKER K,E.RAMIREZ-MARQUEZ J.A review of definitions and measures of system resilience [J].Reliability Engineering and System Safety,2016,145:47-61.

[4]STERBENZ J P G.,CETINKAYA E K,HAMEED M A,et al.Modeling and analysis of network resilience [C]// Proceedings of the IEEE COMSNETS.Bangalore,India：IEEE，2011：1-10.

[5]VLACHEAS P,STAVROULAKI V,DEMESTICHAS P,et al.Towards end-to-end network resilience [J].Int J Crit Infrastruct Prot,2013,6(3/4):159-178.

[6]BRUNEAU M,CHANG S E,EGUCHI R T,et al.A framework to quantitatively assess and enhance the seismic resilience of communities [J].Earthquake Spectra,2003,19(4):733-752.

[7]ZOBEL C W.Representing perceived tradeoffs in defining disaster resilience [J].Decision Support Systems,2011,50(2):394-403.

[8]YODO N,WANG P.Resilience modeling and quantification for engineered systems using bayesian networks [J].Journal of Mechanical Design,2016,138(3):031404-031404-12.

[9]HENRY D,RAMIREZ-MARQUEZ J E.Generic metrics and quantitative approaches for system resilience as a function of time [J].Reliability Engineering and System Safety,2012,99:114-122.

(編輯：李江濤)

A Summary of Space System Resilience Assessment Methods

TANG Yafeng， XU Yanli， LI Jilian

(Department of Space Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

In recent years, US forces take resilience as an essential guideline for the construction of the space system. Therefore, it is urgent to answer such a basic question: how to properly assess the resilience of a space system? Firstly, the definition and application of resilience are discussed based on document analysis, and the typical related assessment methods are summarized and classified with qualitative and quantitative methods. Secondly, a series of existing space resilience assessment methods are summarized and compared. It is concluded that these methods are mostly acquired with appropriate modification of those used in the engineering area. Taking the space system feature into account, future researchers are expected to enhance the research of the following basic issues, such as resilience assessment principles, assessment process, index systems and computing methods, so as to construct a complete resilience assessment framework.

space; resilience; assessment; qualitative; quantitative

2017-03-28

部委級(jí)資助項(xiàng)目

湯亞鋒(1982—)，男，講師，博士，主要研究方向?yàn)樘樟α拷ㄔO(shè)與運(yùn)用。

E917

2095-3828(2017)03-0074-07

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2017.03.013