系統(tǒng)工程方法在民用航空產(chǎn)品研制中的應(yīng)用思考

劉鴻雁 / LIU Hongyan

(上海飛機(jī)客戶服務(wù)有限公司，上海 200241 )

1 系統(tǒng)工程概述

1.1 “系統(tǒng)工程”的定義

按照國(guó)際系統(tǒng)工程協(xié)會(huì)(International Council on Systems Engineering，簡(jiǎn)稱INCOSE)的定義：系統(tǒng)工程是一種使系統(tǒng)能夠成功實(shí)現(xiàn)的跨學(xué)科的方法和手段。系統(tǒng)工程專注于：在開發(fā)周期的早期階段，就定義客戶需求與所要求的功能，將需求文件化；然后再考慮完整問題，即運(yùn)行、成本、進(jìn)度、性能、培訓(xùn)、保障、試驗(yàn)、制造和退出問題時(shí)，進(jìn)行設(shè)計(jì)綜合和系統(tǒng)確認(rèn)[1]。

從定義來看，系統(tǒng)工程具有四個(gè)顯著特點(diǎn)：面向整個(gè)系統(tǒng)、面向全生命周期、跨學(xué)科以及對(duì)利益攸關(guān)多方的綜合權(quán)衡。系統(tǒng)工程的落地對(duì)企業(yè)復(fù)合型人才的需求也更加凸顯。系統(tǒng)工程從整體的角度分析問題，結(jié)構(gòu)化剖析系統(tǒng)的架構(gòu)和組成，并提供覆蓋全生命周期的產(chǎn)品研制和管理流程集。作為解決復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)、生產(chǎn)與管理的方法論，系統(tǒng)工程目前已經(jīng)成為解決制造企業(yè)中復(fù)雜問題、系統(tǒng)問題的核心手段，同時(shí)也是從事高度復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

1.2 系統(tǒng)工程應(yīng)用

系統(tǒng)工程自誕生以來，在國(guó)際上影響廣泛。1990年，在波音、洛克希德等航空航天、防務(wù)公司的大力倡導(dǎo)下，國(guó)際系統(tǒng)工程協(xié)會(huì)(INCOSE)正式創(chuàng)立，該組織推動(dòng)系統(tǒng)工程在學(xué)術(shù)界、工業(yè)界的應(yīng)用能力和實(shí)踐水平，以滿足產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品趨向高復(fù)雜化的發(fā)展需求[1]。

目前，我國(guó)系統(tǒng)工程和國(guó)際先進(jìn)系統(tǒng)工程水平尚存在一定差距[2]，國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究和企業(yè)實(shí)踐的缺乏導(dǎo)致無法短時(shí)間建立系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的適合中國(guó)企業(yè)的系統(tǒng)工程知識(shí)體系。但隨著我國(guó)聚焦經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)、深化改革，提出完成工業(yè)大國(guó)到工業(yè)強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變要求，同時(shí)企業(yè)和整個(gè)社會(huì)面臨越來越嚴(yán)峻的系統(tǒng)復(fù)雜性增長(zhǎng)的問題，系統(tǒng)工程作為解決復(fù)雜系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)的方法，其重要性再次彰顯。2008年的GB/T 22032-2008/ISO/IEC 15288:2002《系統(tǒng)工程 系統(tǒng)生存周期過程》[3]和2013年的GJB 8113-2013《武器裝備研制系統(tǒng)工程通用要求》[4]的頒布，意味著系統(tǒng)工程的相關(guān)要求被正式列入我國(guó)通用工程標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 民用航空產(chǎn)品研制的系統(tǒng)工程

航空產(chǎn)品研制是涉及多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)工程。隨著機(jī)械、電子、電氣、流體、熱、光、軟件等多學(xué)科在航空產(chǎn)品研發(fā)過程中的深入應(yīng)用，以及跨地域、多企業(yè)聯(lián)合協(xié)同模式的推廣，航空產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)復(fù)雜性和組織復(fù)雜性的特點(diǎn)愈發(fā)明顯，航空產(chǎn)品研制應(yīng)用系統(tǒng)工程方法已成為大勢(shì)所趨[5]。

目前，國(guó)際領(lǐng)先的航空研發(fā)企業(yè)波音、空客等，均在其大型飛機(jī)項(xiàng)目中應(yīng)用了系統(tǒng)工程的方法。以波音寬體系列、空客寬體系列為例，這些項(xiàng)目均采用了系統(tǒng)工程的研制和管理方法，是使用系統(tǒng)工程完成高復(fù)雜性與高風(fēng)險(xiǎn)性并存的大型飛機(jī)項(xiàng)目的典型案例[2]。

在國(guó)內(nèi)，隨著多項(xiàng)目同時(shí)推進(jìn)，中國(guó)商飛也在產(chǎn)品開發(fā)過程中逐步探索系統(tǒng)工程在商用飛機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是如何與自身組織架構(gòu)、管理體系、企業(yè)文化、多項(xiàng)目不同階段等企業(yè)自身特點(diǎn)的融合。

2 民用航空產(chǎn)品系統(tǒng)工程體系架構(gòu)設(shè)想

系統(tǒng)工程的理論和方法已經(jīng)在民用航空產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，基于系統(tǒng)工程理論和方法制定的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如SAE ARP-4754、RTCA DO-178、RTCA DO-254、RTCA DO-297也已獲得了FAA、EASA等主流適航當(dāng)局的認(rèn)可。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于在民用飛機(jī)和系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用系統(tǒng)工程方法論已經(jīng)達(dá)成了普遍共識(shí)，但是尚未形成完整、有效的實(shí)施方案，本文針對(duì)其中最重要的民用航空產(chǎn)品系統(tǒng)工程體系建設(shè)問題進(jìn)行了深入研究，提出了解決問題的思路。

系統(tǒng)工程的應(yīng)用和推廣無法一蹴而就，單純引入國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)外手冊(cè)無法實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐表明，可落地、可執(zhí)行、可支持工程研制的系統(tǒng)工程知識(shí)體系需要首先確定明確的目標(biāo)，然后以自頂向下正向形式為主，自底向上逆向形式為輔，才有可能開發(fā)出完善的系統(tǒng)工程體系。因此本文提出如下的設(shè)想。

如圖1所示，整個(gè)民用航空產(chǎn)品系統(tǒng)工程體系結(jié)構(gòu)自頂向下依次是：要求層、程序?qū)?、方法層和作業(yè)層。通過這種逐層分解、逐層細(xì)化的方法，實(shí)現(xiàn)從頂層要求到具體實(shí)踐的逐一落地，建立內(nèi)容上包含流程、方法、工具的完整體系。

圖1 民用航空產(chǎn)品系統(tǒng)工程體系架構(gòu)

系統(tǒng)工程體系中各層級(jí)的內(nèi)容說明如下。

2.1 要求層

要求層是系統(tǒng)工程體系建設(shè)的頂層要求和頂層綱領(lǐng)，是描述體系總體架構(gòu)和建設(shè)要求的綱領(lǐng)性文件，是整個(gè)體系建設(shè)、工程實(shí)施應(yīng)遵循的總要求。要求層應(yīng)準(zhǔn)確規(guī)定體系建設(shè)目標(biāo)，劃定體系范圍和邊界，定義體系構(gòu)建過程，以及表述各過程之間的相互關(guān)系。要求層包含系統(tǒng)工程頂層標(biāo)準(zhǔn)和方法論。對(duì)于民用航空產(chǎn)品系統(tǒng)工程體系，本文將以國(guó)際系統(tǒng)工程協(xié)會(huì)(INCOSE)系統(tǒng)工程方法論為體系要求層。INCOSE系統(tǒng)工程方法論包含四大板塊內(nèi)容，以四個(gè)流程組的形式存在，分別是技術(shù)流程、項(xiàng)目流程、協(xié)議流程、組織的項(xiàng)目使能流程，具體如圖2所示。

圖2 INCOSE系統(tǒng)工程的主要流程組

INCOSE系統(tǒng)工程中的四大流程組在整個(gè)體系中的構(gòu)建思路相同，可以按照相同的方法進(jìn)行構(gòu)建。圖3展示的是系統(tǒng)工程體系中技術(shù)流程的構(gòu)建思路。

2.2 程序?qū)?/h3>

程序?qū)影到y(tǒng)工程要求的流程和活動(dòng)，包括它們的目的、內(nèi)容和要求，回答了系統(tǒng)工程應(yīng)該“做什么”的問題。程序?qū)訉⒘谐鱿到y(tǒng)工程中的關(guān)鍵流程，定義各系統(tǒng)工程流程應(yīng)完成的工作內(nèi)容，以及流程的輸入輸出、控制使能。程序?qū)影敿?xì)的流程文件，它們作為支持性文件而存在。

圖3 民用航空產(chǎn)品系統(tǒng)工程體系技術(shù)流程部分

程序?qū)邮紫刃柰瓿蓪?duì)要求層中規(guī)定的系統(tǒng)工程流程的詳細(xì)說明，定義各流程的目的、內(nèi)容、要求、輸入輸出以及控制使能等多方面內(nèi)容，明確流程內(nèi)容和流程要求。另一方面，程序?qū)舆€需完成對(duì)要求層的細(xì)化和分解過程，將要求層中簡(jiǎn)潔而概括的頂層要求分解為可行的、可實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)流程，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工程頂層要求的向下落地。

程序?qū)咏鉀Q系統(tǒng)工程應(yīng)用中“做什么”的問題。相比要求層，程序?qū)迂?fù)責(zé)通過更詳細(xì)的流程和活動(dòng)來定義系統(tǒng)工程內(nèi)容。程序?qū)诱驹趩栴}域，考慮的是系統(tǒng)工程的流程拆分細(xì)化問題，在分解的層面上將頂層要求向下落地。

2.3 方法層

當(dāng)程序?qū)油瓿闪肆鞒痰亩x，方法層將尋找對(duì)應(yīng)的方法和工具將其實(shí)現(xiàn)。方法層規(guī)定了完成系統(tǒng)工程流程所依據(jù)方法和工具，回答系統(tǒng)工程實(shí)施中“怎么做”的問題。方法層站在解決域，考慮的是流程的實(shí)現(xiàn)問題。方法層包括方法論文件和工具使用文件。

程序?qū)佣x清楚系統(tǒng)工程的詳細(xì)流程內(nèi)容，方法層將站在實(shí)現(xiàn)的層面上尋找方法和工具來實(shí)現(xiàn)這些流程。方法層解決系統(tǒng)工程應(yīng)用中“怎么做”的問題，解決目前實(shí)施人員面對(duì)系統(tǒng)工程要求卻無從下手的問題。方法層需要定義系統(tǒng)工程應(yīng)用中各流程所依據(jù)方法和工具，從而為實(shí)施活動(dòng)提供方法指導(dǎo)。要求層、程序?qū)?、方法層關(guān)系示意如圖4所示。

圖4 要求層、程序?qū)印⒎椒▽雨P(guān)系示意

圖5 方法層中從問題域到解決域的轉(zhuǎn)化

方法層站在解決域，考慮的是流程的實(shí)現(xiàn)方法。和產(chǎn)品研發(fā)中的設(shè)計(jì)過程和實(shí)現(xiàn)過程類似，方法層負(fù)責(zé)完成問題域到解決域的解答，如圖5所示。方法層中涉及的是從無到有的問題解答過程，這一方面需要豐富的知識(shí)積累，了解世界現(xiàn)有的方法和工具，能夠迅速調(diào)用現(xiàn)有方法解決問題；另一方面又需要自主創(chuàng)新的能力，當(dāng)現(xiàn)有的辦法解決不了問題時(shí)，能夠從無到有地自主提出解決方法。

2.4 作業(yè)層

當(dāng)方法層定義清楚流程的實(shí)現(xiàn)方法，作業(yè)層則站在具體實(shí)踐和工作的層面，定義具體到操作的細(xì)節(jié)指導(dǎo)。作業(yè)層為系統(tǒng)工程的實(shí)際實(shí)踐活動(dòng)提供更具體的工作指導(dǎo)，用條目化的要求來規(guī)定工作單元。作業(yè)層包括各種操作手冊(cè)、作業(yè)指導(dǎo)書、工作表單。

程序?qū)油瓿稍敿?xì)流程的定義、方法層探索流程的實(shí)現(xiàn)方法，而作業(yè)層則站在具體實(shí)踐的層面上，定義具體到操作的作業(yè)細(xì)節(jié)指導(dǎo)。作業(yè)層通過條目化的指導(dǎo)手冊(cè)、工作表單等方式，規(guī)定系統(tǒng)工程應(yīng)用中的可執(zhí)行操作，為系統(tǒng)工程應(yīng)用中的活動(dòng)提供作業(yè)指導(dǎo)和細(xì)節(jié)支持。

作業(yè)層的建立除了自頂向下的正向方法論開發(fā)之外，也重視和依賴自底向上的企業(yè)工程經(jīng)驗(yàn)積累和梳理。作業(yè)層涉及廣泛，且均是和具體操作、具體活動(dòng)緊密相關(guān)的任務(wù)定義和工作說明。企業(yè)可以借助系統(tǒng)工程體系，以體系架構(gòu)為大綱，將底層操作文檔向上對(duì)接，對(duì)現(xiàn)有操作文檔進(jìn)行重新梳理。

3 結(jié)論

為了應(yīng)對(duì)產(chǎn)品復(fù)雜性與日劇增的問題，越來越多的企業(yè)都開始在產(chǎn)品研制過程中應(yīng)用系統(tǒng)工程的方法。本文針對(duì)系統(tǒng)工程應(yīng)用中頂層標(biāo)準(zhǔn)和方法論難以落地、不能指導(dǎo)實(shí)踐的問題，提出了開展系統(tǒng)工程體系建設(shè)的建議，通過程序?qū)?、方法層、作業(yè)層的建立，完成自頂層標(biāo)準(zhǔn)向下到程序、方法、工具、具體操作的逐層落地。

系統(tǒng)工程體系通過架構(gòu)和分解的方法，將國(guó)際系統(tǒng)工程頂層標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)變?yōu)榭陕涞?、可支持工程具體研制的知識(shí)體系。