艦船系統工程的頂層設計

沈長云

(中國艦船研究院，北京 100192)

艦船系統工程的頂層設計

沈長云

(中國艦船研究院，北京 100192)

簡要闡述艦船系統的特征和艦船系統工程的內涵，分析艦船系統工程中頂層設計的作用，并指出頂層設計中需要重視的若干問題。

艦船系統工程;頂層設計

1 艦船系統的特性和艦船系統工程

錢學森先生(1978年《組織管理的技術——系統工程》)對系統(System)的看法是:“我們把極其復雜的研究對象稱為系統，即由相互作用和相互依賴的若干組成部分結合成的具有特定功能的有機整體，而且，這個系統本身又是它所從屬的一個更大系統的組成部分”。

隨著人們對系統研究的深入，系統概念被眾多領域所接受，使用范圍不斷擴大。在科研生產的實踐中又產生了大規模系統或大(巨)系統概念，即Large Scale System。

根據錢學森先生等科學家對大系統的定義，大系統應具有以下5個特征，即“規模宏大、結構復雜、目標多樣、功能綜合、因素眾多”。所謂大系統或巨系統，包含有工程大系統、軍事大系統、城市大系統、環境大系統等。

造船行業是一個傳統產業，是在傳統的科學技術支撐下發展起來的。但是近幾十年來，在以信息技術為主導的高新技術推動下，造船行業已經發展成為一個具有高技術特征的產業，尤其是艦船研制，代表著國家的綜合科技實力。

艦船系統是一個復雜的綜合體。傳統意義上的艦船(或總體)，主要是指艦船本身的性能(主尺度、排水量、線型、結構等)和與之相關的艦船動力(主機、功率、航速等)。其他如電力、電子、武器等專業被認為是配套專業。隨著高新科技的不斷涌現，由學科交叉、滲透、融合產生了一批新的技術門類，新技術在艦船研制中的應用變得越來越重要，綜合集成的要求不斷提高。因此，現在的艦船及其系統的研制，已經遠遠超出了傳統意義上的“艦船”所復蓋的范圍，形成了艦船系統，進入到系統工程研究的領域。當前，隨著以平臺為中心轉向以網絡為中心的作戰需求，艦船平臺已經成為整個作戰網絡中的一個節點。艦船系統則是涵蓋了更大的范圍，它處于以網絡為中心的作戰體系(或系統)之中，從工程的角度看，艦船系統構成了一類龐大的工程系統。

根據大系統的特征，艦船系統的大系統特性是十分清晰的，它完全具備了上述大系統的5個特征，如表1所示。

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系統工程的概念出現在20世紀40年代后期，1948年美國Louis B.Ridenour發表專著《雷達系統工程》)，1957年美國 Harry Goode和 Robert Machol發表《系統工程:大規模系統設計導論》，1962年美國A.D.Hall著《系統工程方法》等。我國的系統工程研究始于20世紀50～60年代，在錢學森先生領導下的導彈研制中進行了實踐;系統工程的大力宣傳和廣泛傳播則是在改革開放初期。當時，錢學森先生指出，系統工程是一種科學方法，我國國防尖端技術的實踐，已經證明了這一方法的科學性。他認為(1978年《組織管理的技術——系統工程》):“系統工程也還是一個總類名稱。因體系性質不同，還可以再分;工程體系的系統工程(像復雜武器體系的系統工程)叫工程系統工程，生產企業或企業體系的系統工程叫經濟系統工程。”他還認為，系統工程理論不宜稱為“軟科學”，應該稱之為系統科學。“現代科學技術對系統工程的貢獻在于把這一概念具體化。就是說不能空談系統，要有具體分析一個系統的方法，要有一套數學理論，要定量地處理系統內部的關系。”如:運籌學中的線性規劃、非線性規劃、博弈論、排隊論、庫存論、決策論、搜索論等是系統工程的理論基礎;計算科學和計算技術也是系統工程的理論基礎。“‘系統工程’是組織管理‘系統’的規劃、研究、設計、制造、試驗和使用的科學方法，是一種對所有‘系統’都有普遍意義的科學方法”。因此，系統工程是現代科學技術發展的重大成果，已經成為一門專門的學科。

艦船系統研制是一項龐大的系統工程。從系統科學的角度看，艦船系統是“極其復雜的研制對象”。與其他系統工程一樣，艦船系統工程的過程具有一定的結構化程序和方法，在系統研制的全過程中是重復使用的，目的是要把需求逐步轉化為系統規范和相應的體系結構。這是以“最優設計、最優控制和最優管理為目的的系統分析、設計、制造和服務，以及充分發揮人力、物力的潛力為目的的管理活動”。總目標是“綜合最優化”。

2 頂層設計在艦船系統工程研制中的作用

由于軍用裝備的規模越來越大，系統越來越復雜，如何在投資、使用、壽命期保障等各種約束條件下，研制出性能和作戰效能最佳的系統，成為一項極其困難的任務。為了適應不斷變化著的各種利益、觀點，在短期目標和長期目標之間取得平衡，需要有一種有效的方法或技術來架設軍事需求和工程實現之間的橋梁。同時，軍用系統研制的成功經驗和失敗教訓也昭示著需要一種稱為“頂層設計”的技術或方法。“頂層設計”起始于軍方對于裝備的“頂層需求”，是美軍在裝備發展中提出的設計理念并廣泛運用。實踐表明，頂層設計對于現代復雜軍用系統的研制發揮了重要的作用。頂層設計不僅在發展戰略和規劃研究中使用，也在系統工程研制中使用。我國則是在20世紀70～80年代開始研究艦船系統工程研制中的頂層設計。通過數十年的發展，取得了一定的效果。

與其他軍用系統或裝備的研制程序一樣，艦船系統的研制也必須遵循規定的程序。研制程序一般包括立項和論證，總體方案設計，總體初步設計，工程研制階段包含總體技術設計、施工設計和系統建造，隨后還有試驗、定型和批產等。在我國軍用系統或裝備發展的過程中，“需求牽引和技術推動”一直是普遍適用的原則，當一項新的軍用系統或裝備提出時，首先要進行的是需求分析，即完成“需求分析”或“頂層需求”的研究。艦船系統研制的頂層設計由此開始。盡管頂層設計并不是工程實現本身，但在一定意義上是工程的靈魂，頂層設計所規定的眾多原則和要求，在工程實現中是必須始終遵循的，也就是說，頂層設計的優劣將影響系統研制的全過程。

在我國艦船系統工程研制的過程中，已經積累了相當豐富的經驗，也有值得記取的教訓。通過初步總結，頂層設計在艦船系統工程研制中主要可以發揮4個作用，即轉化、統籌、迭代和集成。

1)轉化

主要任務是將軍事需求轉化為工程需求。這種轉化的前期，主要由使用部門提出軍事需求并進行研究，科研部門提供相應的技術支持，使用方發揮主導作用;轉化的后期，則以科研部門為主，按照軍事需求策劃系統的研制，而使用部門則在進一步明確軍事需求方面提供協助。所進行的主要工作包括正確理解需求，使需求清晰化;從技術可行性的角度研究需求;將軍事需求語言轉換為工程技術的頂層語言，使研制人員能正確理解;初步分割工作范圍界線和職責。

轉化是一個迭代的過程，需要反復對話、協調和權衡。一旦頂層設計文件(如計劃或規劃，論證文件或總體設計方案等)形成并得到批準，則應當在研制的全過程中保持一致性和權威性，因為它代表了軍事需求的意志，代表了技術在該階段可能實現的程度。如果確實需要修改，則必須嚴格履行必要的手續，對相應的文件進行更改，應當十分慎重地對待。

2)統籌

主要任務是在需求分析基礎上形成技術上的統籌。由于技術處在不斷的發展中，而工程研制具有階段性;裝備在其壽命期內需要有一定的穩定時期和適時進行現代化改進。通過合理的統籌，可以使裝備既具有一定的先進性，也具有在研制期內的可實現性。統籌工作包括根據系統研制的期限提出能實現的技術成果;技術和經濟可行性研究(研制經費、保障條件、研制周期預測等);必要的技術驗證試驗;多方案論證和比較;綜合平衡，形成優化的總體技術方案。

統籌的結果對于系統研制的成敗有重要影響。例如，一般認為，在系統研制中新技術和成熟技術的比例為30%和70%為妥。這樣，先進性和現實性是比較平衡的，研制風險也比較小。在以往艦船系統研制中，曾經有過艦船上的主要系統都是全新研制的情況，結果是研制進度無法保證，大量科研性試驗在艦船建成后進行，不僅經濟代價很大，而且導致研制失敗。

3)迭代

迭代是工程研制中一項不可或缺的工作，它能產生定義明確的、完全文件化的、平衡最優的系統。如前所述，艦船系統工程過程具有結構化的程序和方法，在系統研制全過程中是重復使用的，目的是要把需求逐步轉化為系統規范和相應的體系結構。這就是迭代的過程。在需求轉化過程中有迭代，在技術統籌過程中有迭代，在系統研制中的自頂向底和自底向頂或者綜合－分解－綜合的反復循環中，也有大量的迭代，求得系統所需的功能(性能)要素、系統的限制(工程制約條件)和所獲得的系統效能三者之間的平衡。

在迭代中，有大量技術管理的工作，例如:系統工程計劃;技術狀態管理;要求可追溯管理;技術性能度量;技術評審;質量保證和風險管理等。在艦船系統工程的研制中，曾有過單純追求個別性能指標的先進性，導致系統指標不匹配的教訓，也有過經過多次迭代，通過將系統指標和單個設備指標合理匹配，實現系統最優的例子。

4)集成

頂層設計的集成，是與上述3種作用基本同時或稍后開展的系統內部以及與系統外部的集成。內部集成要完成完整的系統結構和實施方案;外部集成則是要與外部的制約條件相協調。例如，美國海軍在21世紀水面作戰設計策略的頂層研究中，提出了綜合和協調作戰和非作戰艦船的發展計劃。“所有非核水面戰艦可共享綜合信號控制和安靜作戰模式;自衛系統;信息總線;工作站和主推進系統。這將提供60%的通用元器件，85%的通用系統，以及沿用到2035年的80%～85%的跨水面艦艇、兩棲艦和通用作戰后勤的培訓教程。”這將制約所有艦船系統的研制，在各種系統頂層設計的集成中，需要遵循這些頂層要求。

此外，艦船系統工程集成的主要任務，是要在實際系統體系結構的指導下，將低一級系統單元裝配成高一級系統單元的過程。這是在頂層設計指導下由系統研制的責任單位負責的，也有大量集成的工作需要開展。

3 在頂層設計中需要重視的若干問題

艦船系統工程的頂層設計是一門正在發展的技術，在理論和實踐2個方面都需要開展研究。美國國防部1997年12月18日發布了C4ISR體系結構框架(2.0版)，其中有一張“作戰視圖、系統視圖和技術視圖”間的基本交聯關系圖。圖1是根據該圖稍作修改后，給出作戰體系、系統體系和技術體系的相互關系圖，可以在頂層設計中作為參考。

圖1 作戰體系、系統體系和技術體系在系統工程中的相互關系Fig.1 Relation ships of combat system and technology in system enginessring

在艦船系統工程的頂層設計中，下述問題是需要重視的。

1)頂層設計的整體性

整體性對于頂層設計而言是需要重視的，因為這項設計涉及系統研制全局和全過程;同時，艦船系統需要集成眾多相關的元素，某些元素的缺漏將無法形成完整的系統，從而對系統研制產生不利影響。

2)頂層設計的層次性

由于艦船系統需要適應不同的作戰環境和需求，所以系統內的實體或各分系統都是有層次的。在工程研制時合理地劃分層次并確定層次之間的關系，可以避免在不同層次中可能進行的頂層設計之間產生的重復、矛盾或沖突。

3)頂層設計的關聯性

頂層設計中的關聯性涉及組成系統之間的耦合關系，有些系統之間是緊耦合的，而有些則是松耦合的。目前，在艦船系統工程中，存在著系統的縱向集成和橫向集成，情況比較復雜，有時還會出現嵌套的情況，耦合深度也不一樣。因此需要清晰地區分和定義各種關聯性，使得整個系統的綜合功能和相關系統的性能得到比較合理的體現，避免出現重復和交叉。

4)頂層設計的漸進性

由于系統工程周期較長，在頂層設計中往往會有對技術發展的前瞻考慮，預測在工程實現中可以獲取的技術，并將其應用于系統。尤其是當前軍事裝備在向信息化轉型的過程中，技術發展和變化快，更需要開展漸進獲取的處理。對技術發展的過高估計，可能推遲工程研制的進程;而估計過低，形成的裝備將失去必要的先進性。這對頂層設計提出了更高的要求。

5)技術成熟度評估

技術成熟度評估是近年來國內正在推廣的一項技術，目的是提高科研管理的精確度和科學性，降低技術發展和系統采辦過程的風險。在今后的艦船系統工程的頂層設計中應當加以研究并納入進來。

4 結語

艦船系統工程的頂層設計經歷了多年的發展，取得了一定的進展，但目前仍然是系統研制中的薄弱環節，需要引起重視、大力倡導和深入研究。同時，為了開展頂層研究，需要相應的人才隊伍。從事頂層設計的技術人員，需要有開闊的視野，一定深度和廣度的專業知識，良好的協調能力和勇于創新的精神。這些可能是推進頂層設計技術進步的根本所在。

Top design of ship system engineerings

SHEN Chang-yun
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，Chian)

This paper gives a brief depiction of the properties of ship system and the connotations of ship system engineerings;analyzes the functions of top design in ship system engineerings and points out some key issues in the top design.

ship system engineerings;top design

N945

A

1672－7649(2011)06－0022－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.006

2011－05－06

沈長云(1944－)，男，研究員，目前主要從事船舶系統工程和艦船領域科技發展戰略研究。