系統工程實踐引發創新發展

文 | 本刊記者 石菲

系統工程實踐引發創新發展

文 | 本刊記者 石菲

對于航空制造業而言，隨著航空產品復雜性的提高，傳統的基于文件的系統工程已經不能滿足創新發展的需求，亟需基于模型的系統工程方法和工具。

從零件數量上，飛機的零件數量是其他產品無法比擬的。一架大型民用飛機，零件數量超過600萬件，其中連接件300萬個，電纜總長274km；普通戰機的零部件數量也超過70萬個。在軟件方面，飛機所涉及的軟件代碼數量也是其他產品無法企及的。比如，空客A380有800多萬行代碼，國外某航空航天制造商每年所編寫的軟件代碼數量超過了微軟公司。在研發規模上，飛機通常是由多個國家合作投資研發的；民機的研制周期和服務領域包括從顧客提出對飛機的需求開始，到飛機設計、制造、交付出廠，以及投入航線后的服務工作，其研制周期和服務時限也都相對較長。比如，波音787飛機的研發就涉及10個國家的43家一級供應商，全部供應商達1萬多家；空客A380從方案可行性報告到交付使用共用了19年時間，預期服務年限則超過40年。

總的來說，每一個組成部分的設計、制造、試驗和應用都需要有統一協調的技術要求，才能使全系統協調一致地運轉；對所有承擔研制的單位以統一的計劃和協調的程序進行高度集中的調度，才能使研制工作處于最優的管理狀態，使研制費用最少，時間最短。完成這些艱巨而復雜的總體協調工作最科學的方法就是系統工程。飛機的研制過程無疑是一個龐大的系統工程，是高端制造業的代表。

創新從需求開始

當前，中國正在全面進入“中國制造2025”、“工業4.0”與“互聯網+”的新時代，對于高端制造業而言，擁有自主創新能力至關重要。而對于航空制造業而言，隨著航空產品復雜性的提高，傳統的基于文件的系統工程已經不能滿足創新發展的需求，亟需基于模型的系統工程方法和工具。

作為中國航空的旗艦企業，中國航空工業集團公司（下簡稱中航工業）面臨的主題是創新驅動發展。伴隨產品研發的日益復雜，轉型過程之中，諸多挑戰紛紛出現。例如：復雜性要求對質量管理實踐的挑戰，在相關聯的世界中如何處理安全和行業規約，來自產品創新速度的競爭壓力，增加最終用戶對更多的特定和定制化產品提出范圍的期望等。因此，建立一個開放的工業體系，掌握和全球對接的工業方法成為必然要求。中航工業亟需采用基于模型的系統工程方法與工具，打造基于統一IT架構的新型集團IT治理體系，與航空產品和技術匹配發展。

中航工業信息化首席專家、系統工程信息化推進辦公室副主任、智能制造專家組副組長、中航工業信息技術中心（金航數碼科技有限責任公司）CTO高星海解釋說，創新是從需求開始的，航空復雜產品涉及到供應商、組成制造單位，在這個過程中，需求變化如何規范，并進行準確的傳達，已經成為大家共同面對的問題。而模型驅動的理念能夠做到跨產品生命周期的協同，能夠使開發部門的各個單位和各個業務部門，完全基于一套語言來工作，從而避免溝通所帶來的誤差。

也就是說，工業需要用時間的總量或者模型去洞察整個研發過程，而基于模型的系統工程就是在產品開發前期準確表達用戶需求，表達產品設計架構的功能以及產品內部的各個元素之間的邏輯關系。

2013年，中航工業與IBM進行合作，力促系統工程方法論及相關技術在航空產品研發中的應用，全面推廣基于航空產品的全專業級需求管理系統，建立以需求為驅動的航空產品協同研發體系，合作提升系統工程的應用水平。

需求管理系統幫助中航工業完善了設計、運營環節，使需求的傳遞、更改更為清晰。

在設計的過程中，航空航天的設計過程不是獨立研發，而是要充分考慮運行環境。以飛機為例，飛機只是交通運輸的一個環節，還要考慮和機場、地勤、加油設備以及空中的交通系統等的關系。而這種關系在一開始的過程中不是通過機械部分表達的，需要通過特定的描述，將用戶和各個利益相關方，包括飛行員、乘客、政府管理部門等聯系起來。

首先要把需求條目化，確保每個需求都是明確的，可驗證的。之后進行整個系統的功能和邏輯的設計，這一步由很多復雜的子系統組成。需要明確每個子系統應該完成什么功能，之間的交聯關系是怎樣的。在邏輯設計中要把前端需求分解下來，其中有些系統是直接承擔頂層系統的某項需求，有些則是一個需求分拆成多個相關聯的需求，交給不同的子系統來完成。這個過程需要很長的時間周期。

高星海舉例說：“比如航空機載軟件的研發，當研制到后期時，上游提出更改意見。在過去這是一個巨大的變更，我們設計師團隊要圍繞這些更改召開很多會議進行商討?，F在有需求管理工具以后，軟件人員通過需求跟蹤，很快就發現只需要更改少量代碼就可以滿足上游要求。這在研制組織管理上發揮了巨大的作用，為未來在新的型號上如何縮短開發周期、提高質量找到了切入點?！?/p>

不僅如此，在運營環節上，可能隨著新的技術出現，或者隨著用戶需求調整，需要重新改進過去的需求點。如哪些子系統或者哪些部件升級之后，它的交聯關系和原來的系統是不是還能保持正常。需求管理系統使這些問題得以有效解決。

通過三年的實踐，中航工業通過分領域試點，總結形成系統工程流程體系和標準規范，通過最佳實踐案例推廣，快速展開推進工作。先后從航空運載器、發動機到航空系統開展了基于模型的系統工程實施工作，完成了航電、飛控、機電等多個領域的需求管理、基于模型的系統工程、聯合仿真、軟件工程等項目的實施工作，逐步探索出一條適合航空產品研制應用的路線，為在航空行業內以及其他行業進行基于模型的系統工程推廣打下堅實的基礎。

同時，作為國內引領系統工程的推進單位，中航工業信息技術中心還基于國際系統工程協會（INCOSE）的系統工程知識體系、戰略合作伙伴的最佳實踐以及自身最佳實踐積累形成了完整的系統工程推進建設框架和標準實施方案。

工業知識的內生機制

高星海表示，從國際的角度來看，航空企業在不斷地探索過程中帶動了系統工程相關的學術研究以及方法論的提供?！癐BM是國際系統工程協會核心方法論的提供者，在IBM的幫助下，中航工業參加了國際系統工程協會，獲得了國際系統工程學會最新的知識體——系統工程手冊，在這個手冊的基礎上，我們組織了翻譯、出版，同時又開展了和國際對接的系統工程師的培訓。通過三年的認證培訓，如今有將近700名國際系統工程師?！?/p>

如今，中航工業已經形成了一種有自己特色的工業知識的提取、傳播、驗證和型號推廣應用的機制，體現在以下三方面：

首先，中航工業信息技術中心在國際系統工程學會的指導下，完全掌握了這套方法論，并通過培訓實踐不斷完善，完成了思維的突破。

其次，中航工業信息技術中心建立了一套完整的基于模型的系統工程工具的實施系統。

最后，在新型號研制過程中，中航工業認識到基于模型的重要性，也理解了只有基于模型的系統工程全面應用，才能保證未來的重點型號一次設計成功，一次制造成功。因此，中航工業圍繞重大型號的研制全面開始推進基于模型的系統工程進一步完善。

高星海表示，研發人員在設計過程當中要考慮如何采用系統思維的方式去管理整合自己的設計過程和管理自己的設計對象。過去以產品為目標進行工作，只要把工作完成就可以。但是站在復雜系統的角度，要滿足用戶的彈性需求，則需要將工作上升到方法論和工具層面，才能滿足精益求精的工匠精神。

同時，信息技術中心還有另外一個角色——金航數碼，是國家兩化融合的重要支撐單位，擁有國家級信息化和工業化深度融合創新體驗中心、信息化和工業化深度融合工業軟件研發基地，承擔著將工業知識融入工業軟件，從而將國際上最先進的工業方法向其他行業進行推廣，服務于更廣大的工業領域的責任。高星海表示，中航工業會持續在基于模型的系統工程領域探索實踐，并將新技術進一步融入其中，為“中國制造2025”做出貢獻。

他說，基于模型的思想在持續拓展，從基于模型的系統工程，到整個設計、制造、檢測、維護環節都采用模型的定義和連續的傳遞，成為基于模型的工程。如果企業管理也全部基于模型開展數據的交換以及生產系統的仿真，企業就會變成基于模型的企業。而模型背后體現的是設計方法和設計流程，以及對新工具的使用技能。利用工具將設計流程變得可傳承、協同，模型就有了知識化的特征，在這個基礎上提取模型之間的關聯關系，并利用認知計算開展模型的自動推理和計算機的深度理解，工業會走入一個新的階段。