工程弹性系统——Engineered Resilient Systems(ERS) （1）

我们需要持续地推进去设计一个采办系统，能更有效地、更有力地、更快速地响应部队和指挥官的作战需求。” ——国防部长黑格尔，3 April 2013

本文根据国外文献资料编写整理而成。由于内容较多，将分为几期发送，第1期将介绍国外对“弹性”的定义与理解；第2期从国防装备的视角去理解“弹性”，以及国防弹性系统所面临的挑战；第3期将重点介绍美国国防部最近5年来在ERS方面的研究成果，以及发展规划。

前言

Engineered Resilient Systems (ERS)——工程弹性系统，是美国国防部七个科技优先课题之一。ERS是一个不断发展的框架，是支持采办和运营分析所有阶段的集成的可信计算环境。ERS使数据驱动、丰富的明智决策成为必要。

1. 背景

美国国防部（DoD）的使命是装备和部署需要的军事力量阻止战争和确保国家安全。为此，美国国防部需要维护力量就绪状态，并能迅速将所需的人员和装备投入战场以完成任务目标。今天已经部署的系统，在可预见的未来将不断地由简单到复杂。复杂系统的例子有Cyber基础设施系统，后勤数据和信息系统和大型固定翼飞机和舰艇等装备解决方案。在本文中所提到的复杂系统是指第三类(装备)，通过对其中术语的理解进而推广打其他系统。这一推论是基于以下事实得出的，所有系统将被预期在更广泛的作战环境可信和有效，具备通过新的策略、适当重配置和及时更换去响应新的需求的能力。

由于国家和武装力量所面临威胁的性质，在可预见的未来国防部将继续在世界各地部署装备。这使得美国国防部不同于一般的商业企业，其使命任务在未来几十年将相对不会改变，一代又一代面对意外和紧急情况。这一认识为本文提供了动力。

此前,Neches等定义的弹性系统描述如下:

“弹性系统是可信的和有效的，在广泛的环境中开箱即用,通过重新配置或更换很容易适应更多其他环境，,能够缓解和检测功能退化”。

这个定义归因于这样的事实：军事任务从非战争行动（如人道主义援助和救灾）向高强度作战和军事冲突延伸。今天的任务和任务需求快速变化，以及新出现的非对称威胁作战环境，任务产生的不确定性，必须要有临近的备用装备即时处理。此外，全球化商业技术的进入造成国防军事系统和体系的风险并降低了其可信度。

近年来在美国国防部内出现了一种声音并引起广泛的兴趣——设计一个系统在面对意想不到的和未知的情况时表现出弹性。这种兴趣激增起到了推波助澜的作用，人们认识到系统规模和复杂性的持续增加，传统的故障保护方法从成本和覆盖的角度将不足以应对这一情况。

2. 弹性(Resilience),一个不断发展的概念

• 弹性是指系统在变化和干扰之前、期间或之后可以调整系统功能，甚至在重大事故或持续压力之下,系统仍旧可以维持所需运行的一种能力。(Nemeth et al, 2009)

• 弹性是指系统在各种不同运营情况下，能够提供广泛的功用（Broad Utility），尽管存在突发情况，都可以跨过多种潜在可能的未知情况的一种能力。(Neches & Madni,2012)

• 弹性是指系统在被干扰后能够回到初始状态或迁移到一个新的、更理想的状态的能力。(Christopher & Peck, 2004)

• 弹性是指系统能够实现预期(科学)目标的能力，即便系统(飞船)性能、健康状况和/或环境并不像预期的那样(Murray, Ingham, Day, & Williams, 2012)

• 弹性是指系统能够规避，生存，从失效中恢复，并最终实现任务目标的能力。弹性系统能够在环境不确定性的情况下推论系统的/环境的状态。

虽然弹性正迅速地在不同的领域成为一个共同的主题，定义和衡量它在很大程度上依赖于问题域。2013年10月，由联合军事行动研究协会(MORS)和阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）联合举办的研讨会上，参与者一致将弹性定义为“一个实体（如资产、组织、社区、地区）的能力——预测、抵制、吸收、应对、适应和从自然或人为干扰活动中恢复”。这个定义更广义，它包含狭义弹性定义的特征。具体来说，这次研讨会上给出的定义包括以下关键属性：

■ 击退/抵抗/吸收破环的能力(自然或人为破坏)

– 系统在被干扰后能够回到初始状态或迁移到一个新的、更理想的状态的能力

– 在生态系统中的弹性是衡量系统的持久性以及吸收变化和干扰仍然保持相同总体关系或状态变量关系能力的指标

– 系统实现预期(科学) 目标的能力，即使系统（飞船）性能，健康和/或环境并不像预想的那样

– 系统规避，生存，从失败中恢复，并最终实现任务目标的能力。弹性系统能够思考自己的/环境状态的环境不确定性。

■ 从破坏中恢复的能力(灾难或灾难性事件)

– 系统在变化和干扰之前、期间或之后可以调整系统功能，甚至在重大事故或持续压力之下,系统仍旧可以维持所需运行的一种能力。

– 弹性在社会生态系统中是指一个系统在经历改变时通过吸收干扰和重组来保持基本相同的功能、结构、特性和反馈的能力。

– 感兴趣的焦点：工程中的弹性框架——在考虑“破坏、系统属性、方法和指标”的权衡空间进行决策管理。

■ 适应新的或变化的条件的(人为的威胁或自然灾难)能力

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“文化领域的弹性是指一种文化保持和发展文化认同以及重要的文化知识和实践的能力。尽管面临挑战和困难，弹性文化是保持和发展自我的能力”。

虽然这些定义都专注于有机和生态系统，但这些特点也同样适用于军事系统。事实上，美国国防部已经将这一定义应用到改进军职和文职人员弹性的需要上。因此，上述关于弹性的观点为讨论国防军事系统的弹性提供了一个良好的基础。

对系统弹性的判断，不在于系统能够满足多少种不同的需求，而是需要对几方面进行综合判断，适应性强吗?能负担得起吗?有效吗?是考虑了合理变更的设计吗？

一个系统，即便满足成千上万的规格但也不一定是弹性系统。从上图可以看出，即便每个工具单独都能最大限度地有效，但组合不方便或者负担不起，那么这个系统不是一个弹性系统。同样，适应性很强，但是不是一般人负担得起的，也不是弹性系统。

在接下来的第（2）部分内容，我们将介绍从国防系统角度如何去看待“弹性”。敬请关注。

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