系統(tǒng)工程方法在復(fù)雜系統(tǒng)研制中的應(yīng)用

摘 要：本文闡述了系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)的演變和復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的典型特征，并提供了系統(tǒng)工程在復(fù)雜系統(tǒng)研制中的應(yīng)用示例，分析了未來(lái)系統(tǒng)工程的發(fā)展方向，為復(fù)雜系統(tǒng)研制使用系統(tǒng)工程方法提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)工程；MBSE；復(fù)雜系統(tǒng)

0引言

復(fù)雜系統(tǒng)如載人航天工程，民用飛機(jī)設(shè)計(jì)等，具有系統(tǒng)規(guī)模大、技術(shù)水平高、研制周期長(zhǎng)、參與人員多、投資巨大的顯著特點(diǎn)。一般的工業(yè)產(chǎn)品研制流程很難確保最終產(chǎn)品符合預(yù)期的設(shè)計(jì)需求。系統(tǒng)工程方法是針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)研制和集成而產(chǎn)生的一種工程管理技術(shù)，是為了更好的達(dá)到系統(tǒng)目標(biāo)而對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息流動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的技術(shù)。它關(guān)注系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，考慮所有的變量并在技術(shù)層面將各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。

1系統(tǒng)工程的歷史演變

工業(yè)界的系統(tǒng)工程相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也經(jīng)過(guò)若干年的發(fā)展，日漸成熟，其歷史演變?nèi)鐖D1所示。其中，ANSI/EIA-632標(biāo)準(zhǔn)（系統(tǒng)工程過(guò)程）是國(guó)際系統(tǒng)工程委員會(huì)（International Council on Systems Engineering， INCOSE）和美國(guó)電子工業(yè)聯(lián)盟（Electronic Industries Alliance，EIA）合作的產(chǎn)物。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)與先前的系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)相比，擴(kuò)大了系統(tǒng)工程管理的寬度。

ISO/IEC 15288標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)大了系統(tǒng)工程的專(zhuān)業(yè)范圍，描述系統(tǒng)工程和管理過(guò)程的結(jié)合方法，并定義了相關(guān)過(guò)程和術(shù)語(yǔ)。

2復(fù)雜系統(tǒng)

復(fù)雜系統(tǒng)，指的是一類(lèi)具有“系統(tǒng)組成關(guān)系復(fù)雜、系統(tǒng)機(jī)理復(fù)雜、系統(tǒng)的子系統(tǒng)間及系統(tǒng)與其環(huán)境之間交互關(guān)系復(fù)雜和能量交換復(fù)雜，總體行為具有涌現(xiàn)、非線性，以及自組織、混沌、博弈等特點(diǎn)的系統(tǒng)”。在世界上有兩類(lèi)復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)品的工程技術(shù)受到了挑戰(zhàn)，一類(lèi)是超強(qiáng)的應(yīng)力條件，另一類(lèi)是超長(zhǎng)的工作壽命期要求。典型例子如商用飛機(jī)、空間飛行器和人造衛(wèi)星等復(fù)雜系統(tǒng)。這些產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造和以后的使用、運(yùn)行中都有特別嚴(yán)格的要求，一旦失效將會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，人身安全事故，甚至破壞人類(lèi)居住星球的環(huán)境。

商用飛機(jī)是一個(gè)復(fù)雜巨系統(tǒng)，其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

一是規(guī)模方面，項(xiàng)目規(guī)模龐大，管理協(xié)調(diào)難度大。大型商用飛機(jī)全壽命周期從概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、試制、取證、批產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)到退役和回收，參與人員數(shù)以萬(wàn)計(jì)，需要設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)的零件數(shù)量大、周期長(zhǎng)。

二是系統(tǒng)方面，眾多系統(tǒng)并存，協(xié)調(diào)安裝復(fù)雜。商用飛機(jī)具有安全性、舒適性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)，需要復(fù)雜且冗余的系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)、平穩(wěn)地交互工作，并具有足夠的安全性和可靠性，機(jī)體結(jié)構(gòu)、管路線路、零件設(shè)備正確、合理地安裝，以實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互能力和系統(tǒng)匹配程度。

三是設(shè)計(jì)方面，標(biāo)準(zhǔn)要求復(fù)雜。商用飛機(jī)必須強(qiáng)制性滿足適航當(dāng)局制定的適航規(guī)章和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這些規(guī)章和標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了飛機(jī)的設(shè)計(jì)、制造到運(yùn)營(yíng)，跨度從機(jī)體材料、環(huán)境、軟硬件開(kāi)發(fā)到研發(fā)組織架構(gòu)，這些規(guī)章和標(biāo)準(zhǔn)的滿足需要通過(guò)大量的符合性驗(yàn)證文件和過(guò)程來(lái)證明，包括設(shè)計(jì)文件、仿真計(jì)算、安全性分析、空中和地面驗(yàn)證等大量工作，耗時(shí)數(shù)年，而其部分工作是飛機(jī)全壽命的，在飛機(jī)投入使用后仍要繼續(xù)。

四是客戶方面，客戶化程度高，需求管理復(fù)雜。作為客戶的航空公司是強(qiáng)勢(shì)甲方，其需求復(fù)雜而多變，如何確定客戶需求，在飛機(jī)研制中確認(rèn)、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證需求，最終交付客戶滿意的飛機(jī)，對(duì)工程和管理都是巨大的挑戰(zhàn)。

五是管理方面，過(guò)程眾多，管理控制復(fù)雜。商用飛機(jī)的研制需要大量的過(guò)程。要保證這些過(guò)程是完整健全，所有參與研制人員都要知曉和使用，并要全面投入其中，保證過(guò)程的效率和效果。通過(guò)使用過(guò)程管理技術(shù)如項(xiàng)目管理、風(fēng)險(xiǎn)管理、構(gòu)型管理等降低風(fēng)險(xiǎn)，提高效率，也是十分復(fù)雜的一項(xiàng)工作。

六是隊(duì)伍方面，人才隊(duì)伍專(zhuān)業(yè)面廣，維持熟練隊(duì)伍難。商用飛機(jī)研制涉及的專(zhuān)業(yè)面廣，需要培養(yǎng)包括飛機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)、總裝制造、客戶服務(wù)等多個(gè)領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)人才；同時(shí)，商用飛機(jī)研制周期長(zhǎng)（一般為5-8年），維持一支有能力、有經(jīng)驗(yàn)、有信念、有擔(dān)當(dāng)?shù)母咚饺瞬抨?duì)伍，并保持人才隊(duì)伍的競(jìng)爭(zhēng)力，需要建立相關(guān)的人力資源保障機(jī)制并投入大量資金。

七是財(cái)務(wù)方面，財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)高，財(cái)務(wù)管理難度大。商用飛機(jī)研制需要巨額資金，即使收益恒定，償還研制費(fèi)用也需要很長(zhǎng)的時(shí)間。航空運(yùn)輸市場(chǎng)的不穩(wěn)定性，給研制新型商用飛機(jī)的帶來(lái)極大的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。

此外，未知因素的風(fēng)險(xiǎn)、市場(chǎng)的買(mǎi)方壟斷、研發(fā)團(tuán)隊(duì)文化的多元性、研發(fā)業(yè)務(wù)的全球性、公共關(guān)系的重要性等也都增加了商用飛機(jī)研制的復(fù)雜性。

航天器研制也是一項(xiàng)多學(xué)科、多專(zhuān)業(yè)相結(jié)合的大型復(fù)雜系統(tǒng)工程，同樣具有技術(shù)難度大、投入資金多、質(zhì)量與可靠性要求高、協(xié)作單位多、研制風(fēng)險(xiǎn)高和管理難度大等特點(diǎn)。我國(guó)航天工業(yè)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，逐步形成了一套獨(dú)具特色的航天器研制系統(tǒng)工程管理模式。近年來(lái)，隨著一批重大工程的啟動(dòng)，航天器研制出現(xiàn)了一些新的特點(diǎn)：一是研制數(shù)量大幅增加，研制周期不斷縮短；二是性能指標(biāo)要求不斷提升，新產(chǎn)品、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)；三是多產(chǎn)品并舉，大規(guī)模協(xié)同，耦合關(guān)系復(fù)雜。

3系統(tǒng)工程在復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

系統(tǒng)工程作為一種行之有效的方法，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著非常重要的指導(dǎo)意義。以商用飛機(jī)的研制為例，通常采用V字模型，如圖2所示。

V字型左側(cè)向下為需求逐層分解細(xì)化的過(guò)程，需求分解是將飛機(jī)級(jí)需求按照產(chǎn)品分解邏輯，自上至下層層分解成一個(gè)個(gè)子系統(tǒng)需求直至零件需求，逐級(jí)確認(rèn)每一層需求都得到有效的分解，建立需求管理數(shù)據(jù)庫(kù)和需求追蹤矩陣。該過(guò)程需從飛機(jī)的全壽命周期來(lái)系統(tǒng)分析研究，不僅要研究飛機(jī)對(duì)飛行性能需求，也要考慮飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)、維修、報(bào)廢和回收等各個(gè)方面的需求。在獲取需求之后，需對(duì)需求進(jìn)行分析，評(píng)審、評(píng)估、優(yōu)先排序、平衡所有利益相關(guān)方和衍生的需求（包括約束），并將這些需求轉(zhuǎn)化為能夠滿足相關(guān)利益方需要的系統(tǒng)的功能和技術(shù)描述。主要手段有情景構(gòu)建、專(zhuān)家評(píng)審等。同時(shí)，還需要進(jìn)行需求確認(rèn)工作，確保所定義的需求盡量的正確和完整。需求確認(rèn)的工作從需求定義階段一直持續(xù)到試飛驗(yàn)證階段，直到飛機(jī)定型，是個(gè)迭代的過(guò)程。

V字模型右側(cè)向上為需求從底層到頂層逐級(jí)驗(yàn)證的過(guò)程。需求驗(yàn)證過(guò)程中可能出現(xiàn)設(shè)計(jì)需求不滿足的情況，此時(shí)，需要回到需求確認(rèn)過(guò)程中，確認(rèn)需求是否正確或完備，對(duì)需求進(jìn)行補(bǔ)充和修改，并啟動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程以滿足新的需求或更改后的需求。需求驗(yàn)證過(guò)程中還可能出現(xiàn)設(shè)計(jì)無(wú)滿足需求的情況，此時(shí)仍需要回到需求確認(rèn)過(guò)程，確認(rèn)需求是否正確，決策是否重新設(shè)計(jì)或修改需求，然后再次回到需求確認(rèn)過(guò)程。

4基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）

隨著系統(tǒng)規(guī)模及復(fù)雜度急劇增長(zhǎng)，以文檔和實(shí)物產(chǎn)品為依托的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程已經(jīng)無(wú)法有效滿足系統(tǒng)研制需求。隨著信息技術(shù)在工程系統(tǒng)研制中的深度融合，促使數(shù)字模型逐漸替代文檔成為信息的載體，仿真等虛擬驗(yàn)證方法逐漸替代實(shí)物試驗(yàn)手段，一種稱(chēng)為“基于模型的系統(tǒng)工程”（MBSE）方法應(yīng)運(yùn)而生。這一方法依靠大型軟件平臺(tái)，建立各級(jí)別的需求與相應(yīng)的系統(tǒng)方案元素的鏈接，并以圖形化的方式展示設(shè)計(jì)者對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。該方法為復(fù)雜產(chǎn)品的研制提供了一個(gè)模型驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)工程工作環(huán)境。從需求階段開(kāi)始即通過(guò)模型（而非文檔）的不斷演化、迭代實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，為各方提供一個(gè)公共、通用、無(wú)二義性的設(shè)計(jì)信息交流平臺(tái)。MBSE有助于進(jìn)一步突破時(shí)間和空間對(duì)設(shè)計(jì)工作的限制，并提升研制管理工作的效率，正廣泛應(yīng)用于大型復(fù)雜系統(tǒng)的研制。

5結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)歸納了大型復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)具備的典型特征，描述了系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)的演變，提供了系統(tǒng)工程方法在復(fù)雜系統(tǒng)研制中的應(yīng)用示例，分析了未來(lái)系統(tǒng)工程的發(fā)展方向，為復(fù)雜系統(tǒng)研制使用系統(tǒng)工程方法提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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[3] VAPNIK VN. Statistical Learning Theory[M]. New York：Wiley， 1998.

作者簡(jiǎn)介：

孟慶虎，出生年月：2001年10月20號(hào)，性別：男，民族：漢族，籍貫（精確到市）：山東省聊城市陽(yáng)谷縣.