事關國家興衰的標準化領域
——復雜產品系統的標準化

李春田

事關國家興衰的標準化領域
——復雜產品系統的標準化

李春田

本文在論述了復雜產品系統的極端重要性并概括了復雜產品系統與一般產品不同的特征之后，指岀了對復雜產品系統開展標準化的必要性。作者根據已有的經驗，提出了針對復雜產品系統開展標準化的3種運作模式。作者認為在未來的國際標準競爭中，這個領域必將成為一個焦點。哪個國家要想使自已的復雜產品系統在國際市場占有一席之地，那就一定要占據這個標準化高地。

復雜產品系統 模塊化 綜合標準化

一、什么是復雜產品系統？

復雜產品系統（complex products and systems，CoPS）是指研發投入大, 技術含量高, 單件或小批量、定制生產的大型產品、系統或基礎設施。諸如大型電信通信系統、大型計算機、航空航天系統、智能大廈、電力網絡控制系統、大型船舶、高速列車、半導體生產線、自動化生產線、信息系統、軌道交通控制系統、社會保障及社會安全系統等。

復雜產品系統這個概念，最早是由英國的Hobday提出，并作為與傳統的大規模制造的產品有重大差異的產品類型進行單獨研究。很顯然，其外延已經遠遠超出了通常的產品范圍，這里所講的“產品”是一類特殊的產品，其最大的特殊就是復雜，它不是一個孤立的產品而是一個復雜系統。我們今天所講的“大規模工程”指的也基本上是這類對象。

復雜產品系統是由美國軍事開發系統中的大型技術系統（large technical systems）演化而來的，如美國陸軍的“探險者”計劃、海軍的“響尾蛇”導彈計劃、空軍的“宇宙神”計劃、航天局的月球探險計劃以及波音公司的“民兵”導彈計劃等，它們的共同特征是產品系統是由眾多子系統或零部件組成的多技術系統（multi-tech-nology systems）,有的甚至是多達幾十種技術的復合體，如“柰基—2”導彈就由一百多萬個零件組成,不僅要把它們安排在窄小的空間里而且還要互相關聯，其復雜性可想而知。負責這類項目的工程師們的共同感受是一旦介入這類項目，就陷入了復雜性災難之中,技術的復雜性造成了各種不同的但又互相有關的混亂，有時僅僅由于計算中的一個誤差就會造成巨大損失。這就是推動運籌學和后來的系統工程發展的強大動力。

人類社會發展到今天，已經把我們從“大規模生產時代”帶到了“大規模工程時代”。大規模生產時代以生產工業產品為己任，大規模工程時代則以研制或建造復雜產品系統為己任。今天，凡是接觸復雜產品系統的人都有一個共同感受：在大規模生產時代，即使是管理最大的生產系統，問題也較簡單，同今天遇到的問題相比也是小問題。因此，與“大規模工程時代”相伴而生的復雜性難題，就成了我們這一代人必須面對的挑戰。

二、復雜產品系統的重要性

復雜產品系統，已成為當今世界各國普遍關注的戰略重點。德國的“工業4.0”戰略、美國正在大力推廣的“3D”打印技術，以及IEC正在推進的系統標準化，其終極目的都是針對復雜產品系統這個大目標的。為什么當今世界如此重視復雜產品系統呢？這主要是因為它的巨大技術經濟意義：

（1）復雜產品系統與一般產品相比，相對數量雖少，但規模大、單價高，所以整個復雜產品系統產業的總產值占GDP的份額比較高，在現代經濟中有著舉足輕重的作用。例如，一項對外的高速鐵路工程，它所創造的價值，遠非一般工業產品可比。一列車蘋果換一臺設備，8億件襯衫換一架客機，講的都是這個道理。

（2）復雜產品系統的綜合程度高，它由眾多子系統和零部件組成，一旦開發成功，便能夠迅速推動相關產業發展，進而帶動其他那些普通的大規模制造產品的發展，它對整個國民經濟的帶動作用無與倫比。

（3）復雜產品系統涉及的技術種類多、技術含量高，其開發成功能夠直接導致內嵌在復雜產品系統的各種模塊技術應用到其他領域，這種技術擴散的速度遠遠快于通常的產品創新，從而引起整個相關產業鏈的技術升級，帶來國家競爭力的提升。

（4）復雜產品系統屬于大型資本型產品，它們為生產“簡單”產品以及提供現代化服務創造了條件，它們是經濟和社會現代化的支撐平臺。眾多工業自動化系統的應用，大型項目的投資建設，將極大地推動我國經濟的騰飛。

（5）復雜產品系統最能體現一個國家的綜合國力和科技競爭力，能使一個國家在當今以科技和知識為主導的國際競爭中占有相當主動的地位，同時還可以為國民經濟的結構調整以及整體發展方向指出戰略性的目標。對國民經濟起支柱作用的復雜產品系統承擔起在開放的環境下支撐我國經濟應對國際競爭的重任，尤其是國防尖端產品和戰略性新興產業的產品。

因此，可以說復雜產品系統的創新是一個國家在競爭加劇的國際環境中賴以生存和發展、提升國際地位的有效途徑，是關系國家強弱盛衰的命脈。

三、復雜產品系統的特點

復雜產品系統的研制或創新是一個巨大、復雜且技術密集的系統工程，與常規的產品開發、生產以及標準化有著截然不同的特點，如：

（1）復雜產品系統結構的高度復雜性。構成產品系統的要素不僅數量巨大（如構成飛機的零件數目多達數百萬）而且要素之間的關系錯綜復雜。系統內部有眾多子系統，這些子系統之間又是相互依賴的，子系統之間有許多協同作用，可以共同進化。在復雜系統中，子系統會分為很多層次，大小也各不相同。面對這種復雜產品，我們難以制定通常的產品標準對它進行規范。

（2）復雜產品系統具有多學科知識集成的特點。這就使得復雜產品系統的管理中更需要對多學科知識的集成管理。傳統標準化把學科專業分得非常細，培養了大批的專業標準化工作者，卻極度缺乏系統集成的綜合性人才和橫跨諸多專業和領域的標準化經驗；傳統標準化習慣于單個制定標準并追求單個標準的優秀，復雜產品系統的知識集成要求知識成套（標準成套）且互相協同。

（3）復雜產品系統通常是高度定制化的產品。不僅整個產品系統是定制的，它的許多子系統和零部件也常常是定制的。已有的標準和標準體系無法滿足要求，許多標準也必須量身定制。這同我們以往的標準化觀念有著天壤之別。

（4）復雜產品系統多數情況下是單件或小批量制造的，批量生產法則常常不適用。建立在大批量生產方式基礎上的傳統標準化理論和思維方式也常常不適用。如傳統標準化以重復性事物為對象，強調標準的通用性；而復雜產品系統的標準化常以非重復性事物為對象，許多標準具有專用的特點等。

（5）復雜產品系統是動態系統，即與時間變量有關的系統。沒有時間的變化，就沒有系統的演化，也就談不上復雜性規律，因為事物總是發展變化的。以航空發動機為例，20世紀30年代Frank Whittle推出的航空發動機結構非常簡單，然而，隨著航空業對壓力、速度、飛行高度、溫度等各因素的要求不斷提高，航空發動機在原產品的基礎上不斷添加新的子系統，然后又需添加控制與監測子系統和其他相關元件，從而使得現代航空發動機發展成為具有代表性的復雜產品系統。現代的航空發動機由22 000多個零部件組成（其中許多零部件是定制的），它能夠實現許多新的功能，能挑戰原有發動機所不能克服的惡劣環境 。但是傳統標準化的最大問題就是缺乏對這種動態變化的適應能力，企業的標準體系越是龐大，它的剛性便越強，動態變化的能力便越差。

（6）復雜產品系統的研制與生產同步。它們是融合在一起的，很難把研制和生產區分開。標準怎么辦？我們沒有能力把研制過程中所需要的標準事先全部準備好，更沒必要等到研制結束后再去制定標準，許多標準也只能跟研制與生產同步進行——即需、即制、即用。

（7）開發任務與開發人員的多元化。研制過程中各相關方的廣泛參與和協同創新以及由跨企業的多職能項目團隊承擔等等，都是傳統標準化從未涉足的領域。

復雜產品系統之所以有這么多與眾不同的特點，歸根結底是由于它的高度復雜性，一切皆由復雜性而生。復雜產品系統有的規模很大，如一項奧運工程；有的規模并不大，如一部智能手機，但復雜性卻是共同的特點。那么，什么是復雜性呢？復雜性當然與要素有關，但并不一定是要素越多越復雜。復雜性的根源主要是產品的要素、設計參數和任務之間的相互依賴性、混沌性和不確定性。

復雜性與不確定性休戚相關。復雜產品系統的內嵌技術有著高度的不確定性，有的無法在研發生產前預知。通常是系統越是復雜其內生的不確定性便越大。不確定性越大，失敗的概率越高，投資風險越大但商機越多（這也是人們甘冒風險的原因）。那么，不確定性是因何而來的呢？主要是由于人們預期的不完全性和解決復雜間題能力的有限性。

因此，如何克服復雜性和不確定性，如何改變預期的不完全性和解決復雜問題能力的有限性，就成為人類跨越復雜性障礙的關鍵。

面對這個關鍵性難題的挑戰，標準化能否有所作為？這不僅是對標準化的重大考驗，而且對未來標準化的發展與走向有著至關重要的意義。

四、復雜產品系統的標準化模式

基于上述的與傳統工業產品截然不同的特點，傳統的管理理論、傳統的流程管理工具（如ERP）以及常規管理模式，如質量體系、企業標準體系等等，由于它們都是著眼于企業內部的管理，對于橫跨諸多行業、專業與組織的項目管理則不具有指導意義。

傳統標準化的管理模式是：把一個組織開展各項活動所需要的標準事先全部制定出來，存到倉庫里備用。這種模式，在技術進步非常緩慢的工業化初期或計劃經濟年代，以及產品和生產（服務）流程長期不變的企業是基本可行的；隨著科學技術的快速發展、市場競爭環境的急劇變化以及產品生命周期的縮短，單靠以往積累的標準來應對當今的市場挑戰，已經越來越不能適應了；到了后工業化時代，不要說無法滿足越來越多的復雜產品系統的要求，就是一般工業產品的多元化快速應變它都顯得力不從心，傳統標準化到了該轉型的時候了。

正如恩格斯所說：“社會一旦有技術上的需求，則這種需求就會比十所大學更能把科學推向前進”。技術的快速進步、嚴峻的市場形勢和復雜產品系統標準化的迫切需求是把傳統標準化推向現代標準化的決定性力量。

作為現代標準化前沿的模塊化已經在諸多領域里大行其道，中國的綜合標準化和IEC的系統標準化正在積聚經驗、蓄勢待發，它們將最先擔當起復雜產品系統標準化的重任。根據已有的經驗，復雜產品系統的運作方式可以初步概括為以下3種模式：A模式、B模式和A+B模式。

（一）A模式——基于黑箱理論的模塊化

1. A模式的方法論基礎：黑箱方法

黑箱方法是探索復雜大系統的重要工具。它通過考察對象的輸入、輸出及其動態過程，而不直接考察其內部結構和相互作用的大量細節，只是從總體行為上去描述和把握系統、預測系統的行為，定量地認識研究對象的功能特征、行為方式及其機理的一種科學方法，這在研究復雜系統時特別有用。

所謂“黑箱”，就是指那些既不能打開，又不能從外部直接觀察其內部狀態的系統?！昂谙浞椒ā睆木C合的角度為人們提供了一條認識事物的重要途徑，尤其對某些內部結構比較復雜的系統和迄今為止人們的力量尚不能徹底認識的系統。

運用黑箱方法研究系統首先要孤立黑箱，確認黑箱——規定它與周圍環境的邊界，將它從環境中分離出來之后，

即可采用被動考察和主動實驗等方法來研究黑箱，使黑箱變成白箱。有時黑箱模型不止一個，這種情況下，系統辨識其中最合理的一個。

當我們把一個復雜產品系統作為研制對象時，由于這個系統中還有許多未知的領域和大量的不確定問題，我們無法像對待一般產品那樣，一切全在掌握之中，可以做到由總體設計到施工設計再到生產制造一氣呵成。而對于復雜產品系統，只好把那些連總設計師也不清楚的不確定難題裝進黑箱里，一步步地向能打開黑箱的專業人員傳遞，最后再一層層地打開黑箱，變不確定為確定，變未知為已知。

2. A模式的運作方式：模塊化設計制造

模塊化是標準化的高級形式，黑箱方法的實現形式。模塊化運用黑箱原理應對復雜性的主要對策是：

（1）復雜產品系統的全部功能要求，通過組合功能模塊的方法來實現，即復雜產品系統采用模塊化架構。

（2）用模塊分割系統，限制要素間的交互作用，把復雜系統變成一個個較為簡單的系統，模塊設計者所承擔的任務其復雜程度便會顯著降底。

（3）如果模塊還復雜，可繼續分割下去，直到對專業人員來說，黑箱已變成了白箱，這時便可設計制造模塊了。

（4）產品的模塊化架構，有利于對復雜系統分散決策,使決策方式從集中管理變為對每個模塊的管理，從而可以顯著地降低對復雜產品系統管理的難度。

（5）當所有黑箱被一層層打開，所有模塊均已建成，即可通過一層層的模塊系統集成，最終實現復雜產品系統。

（6）由于復雜產品系統通常是根據用戶的特殊要求定制的，產品結構中將使用較多的專用模塊。又由于模塊的開發工作量極大，所以模塊集成商常需將非核心技術模塊外包，形成模塊化產業集群。

（7）模塊化產業集群一旦形成，便開始了背靠背的模塊研發競爭，產生無與倫比的創新效率。

（8）模塊可并行開發、分散化創新、競爭性再集中和事后改進以及模塊的可分、可合、可互換等特點，從而使采用模塊化架構的復雜產品系統充滿無限的生機和活力，產品系統雖然高度復雜但卻有極強的應變能力。這種能力已經成為當今市場競爭中決定勝負的關鍵能力。

在上述所有活動中，必須首先建立能確保系統整體性的“設計規則”或“設計規范”，對模塊劃分、模塊研制、模塊集成過程中必須遵守的規則和必須滿足的要求，以及在整個過程中必須保留和正確處理的關系、聯系和接口等做出統一規定。它既是模塊化架構的頂層設計，又是整個系統運作的總依據。如果模塊（子系統、分系統）較大，它也是一個相對復雜的系統的話，它還要通過建立相應的子規范、分規范，用以指導子系統、分系統內部的模塊化。如此發展下去，便形成一個規范體系，它是模塊化成功的最重要的保證。

此外，模塊化所特有的選擇權和事后改進的特點，可以一定程度地彌補人們預期的不完全性和解決復雜問題能力的有限性，起到降低不確定性的作用。

在傳統制造業里模塊化方法早有利用，用模塊化解決復雜產品系統最成功的典范是IBM的計算機設計革命。到現在無論是一般工業產品還是復雜產品系統，模塊化已成為首選的創新模式。從家用電器到機器設備，從運載火箭到航空雷達，從高速列車到航空母艦都不約而同地選擇了模塊化架構，最具競爭力的模塊化智能手機也即將問世。

（二）B模式——基于系統理論的綜合標準化

1. B模式的方法論基礎：系統分析方法

當我們要創建一個復雜產品系統或者要解決復雜產品系統中的某些問題時，標準是必不可少的。但是，由于前面提到的，人們認識和解決復雜問題能力的有限性，我們無法知道需要制定多少標準？什么標準？更無法知道標準該制定成什么樣？如何克服這個復雜性難題呢？系統分析方法便是可借助的科學方法之一。它不僅把標準化對象作為一個系統，而且把這個系統放到它所存在的更大的系統（環境）中進行考察。根據我們創建這個系統的目的和確立的目標，運用各類方法和工具（如模型化方法、定量化方法、最優化方法、以及從定性到定量的綜合集成方法等），通過“自上而下”的分析，不僅要找到影響目標實現的相關要素，而且要弄清楚目標與要素之間以及要素與要素之間的定性與定量關系，從而為總目標的分解和落實以及相關標準的制定提供基本依據。這個系統分析過程非常重要，是決定綜合標準化成敗的關鍵。每一個綜合標準化項目，都是一項系統工程，都要經歷一系列步驟和過程，其中的每一步都要經歷分析和決策的反復迭代，可以說在綜合標準化過程中起關鍵作用的是以系統理論為基礎的系統分析方法。

2. B模式的運作方式：綜合標準化

綜合標準化不是單純制定標準，它是要解決問題，而且是解決比較復雜的問題。恰是由于復雜，常常無從下手，不知道該怎樣做、做什么才能達到預期的目標。綜合標準化借助系統分析方法，進行“自上而下”的分析，不僅要確定與目標的實現密切相關的要素，而且要搞清楚各相關要素與產品系統之間以及各要素相互之間的定性和定量關系，依此將我們設定的總目標（總要求）分解為各相關要素的分目標（分要求）。如果相關要素的分目標仍然復雜難以落實，可再進行分解，直到能夠落實到具體的執行主體，隨后的工作就是制定確保目標實現的標準。這些標準雖然它們各自的目標不同、任務不同、執行主體也不同，但卻都圍繞一個總目標并保證總目標的實現，它們被稱為“標準綜合體”。貫徹實施這個“標準綜合體”便可使復雜產品系統創建和運行中的問題得到解決，這種方法運作上的特點便屬于IEC所提倡的“自上而下”的標準化方法。

從系統分析到形成標準綜合體是一個由分析到綜合的反復迭代過程。在這個過程中，“自上而下”的分析使復雜系統簡化，幫助我們認識系統，知道該定那些標準和定什么樣的標準；“自下而上”的綜合，是把標準組織起來，形成一個標準綜合體，也就是建立一個復雜的標準系統。只有用復雜的標準系統才能解決復雜產品系統的問題。因為這個標準綜合體已不是單個標準的簡單相加，是參數指標經過整體協調，各要素互相關聯、互相作用的有特定功能的有機整體，它所產生的系統效應，是它能解決問題的根據。

為實現一個較為簡單的目標通常建一個標準綜合體就能解決問題。對于較復雜的系統目標（需要再分解的目標）則需要建多個標準綜合體，分別解決各個分目標的問題。各綜合體之間的關系，猶如各子系統之間也是互相關聯的，共同保證更高層目標的實現。

（三）A+B模式——模塊化與綜合標準化互相融合

模塊化和綜合標準化都是應對復雜性的標準化工具。

模塊化是從改變復雜產品系統的架構入手，將復雜產品系統的一體化架構改變為模塊化架構，實現對一體化架構的分割，從而使其每一部分變得簡單，以達到降低復雜性的目的，使我們有可能對復雜產品展開設計和制造。

綜合標準化是從復雜產品系統的目標入手。我們無論創建什么系統，都是有目的和具體目標的。實現預定目標，是創建復雜產品系統的最終目的。因此，綜合標準化堅守目標導向原則和用系統分析方法對目標進行分解。但是，目標不是抽象的，對產品系統來說，會大量涉及物理實體，如設備、材料、部件、零件等，它們都可能是目標的載體。對目標的分解，常常會變成對物理實體的分解，這就演變成模塊化過程。反過來在模塊化過程中對每個具體模塊（黑箱）的處理時，又可借助綜合標準化的方法對黑箱進行系統分析，找到打開黑箱的途徑。

因此，A模式和B模式都不是絕對的，它們在解決具體問題過程中有時只用A模式或B模式，有時交差并用，你中有我我中有你，這就是A+B模式。

五、復雜產品系統的標準化是“重中之重”

雖然我們對復雜產品系統的標準化的認識還很膚淺，但有一點是肯定的，它已經或必將成為國家之間經濟和科技實力較量的焦點和未來標準化發展的重點。因此，IEC已經將其提到日程并納入《發展綱要》。IEC認為：“技術多樣性以及許多新興市場中的技術融合（特別是那些大型基礎設施建設領域）現在需要“自上而下”的方法開展標準化。首先從系統或系統架構層面開展工作，而非以往的從產品層面開展工作。系統標準在多領域的需求將快速增長，包括環境，安全和健康”。ISO在質量管理和環境管理領域的標準化取得成功之后，一發而不可收拾，接著在食品安全、社會安全、信息安全、道路交通安全、能源管理、風險管理、社會責任等關鍵領域，推出了已接近20個基于系統方法的管理系列標準。2012年國家標準委以“系統管理”的思維將綜合標準化列為“重中之重”，選擇了現代農業、大型客機、海上鉆井平臺、智能電網、電子商務、社會管理和公共服務等典型的復雜產品系統開展了大范圍的綜合標準化試點。工業與信息化部在太陽能光伏、半導體照明、云計算、物聯網、鋰離子電池、智能電視、智能終端等產業發展的重點領域（共10大領域72個子領域）的綜合標準化項目正在扎實推進，并籌劃下一步將挑戰智能制造領域。中國向高難度的現代標準化邁出的這一步，是有重大戰略意義的，必將對中國經濟的騰飛產生深遠的影響。

在面對復雜系統的大規模工程時代，所謂標準化實力，主要不在于你擁有多少標準，也不在于你有多大機構和多少人，更不在于你規范了多少業務流程，關鍵看你是否具有應對復雜系統的能力并參與其中做出實實在在的成效，這才是當今時代要求標準化具備的“能力”。

這種“能力”的培育和形成，要經歷極其艱難的過程，要做大量的艱苦細致工作，要有相當規模的資源投入，毫無疑問它一定是標準化戰略的重點。

這種“能力”的研究，也就是解決復雜產品系統的標準化難題，必將成為各類科研機構攻堅的目標。對標準化研究機構來說，同樣的是對它的研究能力和研究水平的考驗。

所謂“高素質標準化人才”的培養，除了把他們放到復雜性“災難”之中去磨練，讓他們組織跨學科、跨專業、跨領域的專家團隊去攻克標準化難題之外，別無它法。

我國的標準化搞了60多年，已經有了相當的基礎，標準數量的增長已不是當務之急，到了該用標準解決關鍵性難題的時候了，也就是到了該轉型的時候了。

標準化工作的對象永遠是無限的，隨便一抓就是一大把，但標準化的資源卻是有限的，因此，國際標準化界才提出了個“優先順序”的概念。聶帥的教導不僅為我們安排優先順序指明了方向，而且指出了標準化規劃和戰略的重點和方向。當前的重點和方向就是要把這類與國家命運攸關的事情提到日程。

本文所述的復雜產品系統標準化的3種模式（可能還有許多種），只是根據已有經驗的探索，需要解決的技術和方法難題還有很多，探索的路還會很長、很艱巨。但是可以預見，哪個國家要想使自已的復雜產品系統在國際市場占有一席之地，就一定要占領這個標準化高地。

[1] 恩格斯. 自然辯證法[M]. 北京：人民出版社，1960.

[2] IEC發展綱要2011.

[3] IEC SMB/anG35（系統組）報告 （IEC內部文件2013.05.03）.

[4] 陳鋼. 在全國標準化工作會議上的工作報告，2012.02.23.

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[6] 陳勁. 復雜產品系統創新管理[M]. 北京：科學出版社，2007.

[7] 契合新需求 創綜合標準化新局[N]. 中國工業報，2011-08-26.

[8] 烏爾里?！ど吕? 工業4.0[M]. 鄧敏，李現民，譯. 北京：機械工業出版社，2014.

Research on Standardization of Complex Products and Systems

Li Chun-tian

It is necessary to carry out the standardization work of complex products and systems (CoPS) due to the extremely signif cance and different characteristics of CoPS. Based on the existing experience, the author puts forward three operation models for carrying out CoPS standardization and believes the sector will become the focus in the future international standards competition.

complex products and systems, modularization, integrated standardization