系統工程方法在民用航空產品研制中的應用思考

劉鴻雁 / LIU Hongyan

(上海飛機客戶服務有限公司，上海 200241 )

1 系統工程概述

1.1 “系統工程”的定義

按照國際系統工程協會(International Council on Systems Engineering，簡稱INCOSE)的定義：系統工程是一種使系統能夠成功實現的跨學科的方法和手段。系統工程專注于：在開發周期的早期階段，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，即運行、成本、進度、性能、培訓、保障、試驗、制造和退出問題時，進行設計綜合和系統確認[1]。

從定義來看，系統工程具有四個顯著特點：面向整個系統、面向全生命周期、跨學科以及對利益攸關多方的綜合權衡。系統工程的落地對企業復合型人才的需求也更加凸顯。系統工程從整體的角度分析問題，結構化剖析系統的架構和組成，并提供覆蓋全生命周期的產品研制和管理流程集。作為解決復雜系統研發、生產與管理的方法論，系統工程目前已經成為解決制造企業中復雜問題、系統問題的核心手段，同時也是從事高度復雜系統產品開發行業的發展趨勢。

1.2 系統工程應用

系統工程自誕生以來，在國際上影響廣泛。1990年，在波音、洛克希德等航空航天、防務公司的大力倡導下，國際系統工程協會(INCOSE)正式創立，該組織推動系統工程在學術界、工業界的應用能力和實踐水平，以滿足產業和產品趨向高復雜化的發展需求[1]。

目前，我國系統工程和國際先進系統工程水平尚存在一定差距[2]，國內相關領域的學術研究和企業實踐的缺乏導致無法短時間建立系統化、結構化的適合中國企業的系統工程知識體系。但隨著我國聚焦經濟轉型升級、深化改革，提出完成工業大國到工業強國的轉變要求，同時企業和整個社會面臨越來越嚴峻的系統復雜性增長的問題，系統工程作為解決復雜系統正向設計的方法，其重要性再次彰顯。2008年的GB/T 22032-2008/ISO/IEC 15288:2002《系統工程 系統生存周期過程》[3]和2013年的GJB 8113-2013《武器裝備研制系統工程通用要求》[4]的頒布，意味著系統工程的相關要求被正式列入我國通用工程標準。

1.3 民用航空產品研制的系統工程

航空產品研制是涉及多學科的復雜系統工程。隨著機械、電子、電氣、流體、熱、光、軟件等多學科在航空產品研發過程中的深入應用，以及跨地域、多企業聯合協同模式的推廣，航空產品研發技術復雜性和組織復雜性的特點愈發明顯，航空產品研制應用系統工程方法已成為大勢所趨[5]。

目前，國際領先的航空研發企業波音、空客等，均在其大型飛機項目中應用了系統工程的方法。以波音寬體系列、空客寬體系列為例，這些項目均采用了系統工程的研制和管理方法，是使用系統工程完成高復雜性與高風險性并存的大型飛機項目的典型案例[2]。

在國內，隨著多項目同時推進，中國商飛也在產品開發過程中逐步探索系統工程在商用飛機領域的應用，尤其是如何與自身組織架構、管理體系、企業文化、多項目不同階段等企業自身特點的融合。

2 民用航空產品系統工程體系架構設想

系統工程的理論和方法已經在民用航空產品研發領域得到廣泛的應用，基于系統工程理論和方法制定的工業標準，如SAE ARP-4754、RTCA DO-178、RTCA DO-254、RTCA DO-297也已獲得了FAA、EASA等主流適航當局的認可。目前國內對于在民用飛機和系統開發領域應用系統工程方法論已經達成了普遍共識，但是尚未形成完整、有效的實施方案，本文針對其中最重要的民用航空產品系統工程體系建設問題進行了深入研究，提出了解決問題的思路。

系統工程的應用和推廣無法一蹴而就，單純引入國外標準、國外手冊無法實現。實踐表明，可落地、可執行、可支持工程研制的系統工程知識體系需要首先確定明確的目標，然后以自頂向下正向形式為主，自底向上逆向形式為輔，才有可能開發出完善的系統工程體系。因此本文提出如下的設想。

如圖1所示，整個民用航空產品系統工程體系結構自頂向下依次是：要求層、程序層、方法層和作業層。通過這種逐層分解、逐層細化的方法，實現從頂層要求到具體實踐的逐一落地，建立內容上包含流程、方法、工具的完整體系。

圖1 民用航空產品系統工程體系架構

系統工程體系中各層級的內容說明如下。

2.1 要求層

要求層是系統工程體系建設的頂層要求和頂層綱領，是描述體系總體架構和建設要求的綱領性文件，是整個體系建設、工程實施應遵循的總要求。要求層應準確規定體系建設目標，劃定體系范圍和邊界，定義體系構建過程，以及表述各過程之間的相互關系。要求層包含系統工程頂層標準和方法論。對于民用航空產品系統工程體系，本文將以國際系統工程協會(INCOSE)系統工程方法論為體系要求層。INCOSE系統工程方法論包含四大板塊內容，以四個流程組的形式存在，分別是技術流程、項目流程、協議流程、組織的項目使能流程，具體如圖2所示。

圖2 INCOSE系統工程的主要流程組

INCOSE系統工程中的四大流程組在整個體系中的構建思路相同，可以按照相同的方法進行構建。圖3展示的是系統工程體系中技術流程的構建思路。

2.2 程序層

程序層包含系統工程要求的流程和活動，包括它們的目的、內容和要求，回答了系統工程應該“做什么”的問題。程序層將列出系統工程中的關鍵流程，定義各系統工程流程應完成的工作內容，以及流程的輸入輸出、控制使能。程序層包含詳細的流程文件，它們作為支持性文件而存在。

圖3 民用航空產品系統工程體系技術流程部分

程序層首先需完成對要求層中規定的系統工程流程的詳細說明，定義各流程的目的、內容、要求、輸入輸出以及控制使能等多方面內容，明確流程內容和流程要求。另一方面，程序層還需完成對要求層的細化和分解過程，將要求層中簡潔而概括的頂層要求分解為可行的、可實現的詳細流程，從而實現系統工程頂層要求的向下落地。

程序層解決系統工程應用中“做什么”的問題。相比要求層，程序層負責通過更詳細的流程和活動來定義系統工程內容。程序層站在問題域，考慮的是系統工程的流程拆分細化問題，在分解的層面上將頂層要求向下落地。

2.3 方法層

當程序層完成了流程的定義，方法層將尋找對應的方法和工具將其實現。方法層規定了完成系統工程流程所依據方法和工具，回答系統工程實施中“怎么做”的問題。方法層站在解決域，考慮的是流程的實現問題。方法層包括方法論文件和工具使用文件。

程序層定義清楚系統工程的詳細流程內容，方法層將站在實現的層面上尋找方法和工具來實現這些流程。方法層解決系統工程應用中“怎么做”的問題，解決目前實施人員面對系統工程要求卻無從下手的問題。方法層需要定義系統工程應用中各流程所依據方法和工具，從而為實施活動提供方法指導。要求層、程序層、方法層關系示意如圖4所示。

圖4 要求層、程序層、方法層關系示意

圖5 方法層中從問題域到解決域的轉化

方法層站在解決域，考慮的是流程的實現方法。和產品研發中的設計過程和實現過程類似，方法層負責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積累，了解世界現有的方法和工具，能夠迅速調用現有方法解決問題；另一方面又需要自主創新的能力，當現有的辦法解決不了問題時，能夠從無到有地自主提出解決方法。

2.4 作業層

當方法層定義清楚流程的實現方法，作業層則站在具體實踐和工作的層面，定義具體到操作的細節指導。作業層為系統工程的實際實踐活動提供更具體的工作指導，用條目化的要求來規定工作單元。作業層包括各種操作手冊、作業指導書、工作表單。

程序層完成詳細流程的定義、方法層探索流程的實現方法，而作業層則站在具體實踐的層面上，定義具體到操作的作業細節指導。作業層通過條目化的指導手冊、工作表單等方式，規定系統工程應用中的可執行操作，為系統工程應用中的活動提供作業指導和細節支持。

作業層的建立除了自頂向下的正向方法論開發之外，也重視和依賴自底向上的企業工程經驗積累和梳理。作業層涉及廣泛，且均是和具體操作、具體活動緊密相關的任務定義和工作說明。企業可以借助系統工程體系，以體系架構為大綱，將底層操作文檔向上對接，對現有操作文檔進行重新梳理。

3 結論

為了應對產品復雜性與日劇增的問題，越來越多的企業都開始在產品研制過程中應用系統工程的方法。本文針對系統工程應用中頂層標準和方法論難以落地、不能指導實踐的問題，提出了開展系統工程體系建設的建議，通過程序層、方法層、作業層的建立，完成自頂層標準向下到程序、方法、工具、具體操作的逐層落地。

系統工程體系通過架構和分解的方法，將國際系統工程頂層標準轉變為可落地、可支持工程具體研制的知識體系。