系統(tǒng)工程方法在民用航空產(chǎn)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(tǒng)工程概述

1.1 “系統(tǒng)工程”的定義

按照國際系統(tǒng)工程協(xié)會(International Council on Systems Engineering，簡稱INCOSE)的定義：系統(tǒng)工程是一種使系統(tǒng)能夠成功實現(xiàn)的跨學科的方法和手段。系統(tǒng)工程專注于：在開發(fā)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(tǒng)確認[1]。

從定義來看，系統(tǒng)工程具有四個顯著特點：面向整個系統(tǒng)、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(tǒng)工程的落地對企業(yè)復合型人才的需求也更加凸顯。系統(tǒng)工程從整體的角度分析問題，結構化剖析系統(tǒng)的架構和組成，并提供覆蓋全生命周期的產(chǎn)品研制和管理流程集。作為解決復雜系統(tǒng)研發(fā)、生產(chǎn)與管理的方法論，系統(tǒng)工程目前已經(jīng)成為解決制造企業(yè)中復雜問題、系統(tǒng)問題的核心手段，同時也是從事高度復雜系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)行業(yè)的發(fā)展趨勢。

1.2 系統(tǒng)工程應用

系統(tǒng)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(tǒng)工程協(xié)會(INCOSE)正式創(chuàng)立，該組織推動系統(tǒng)工程在學術界、工業(yè)界的應用能力和實踐水平，以滿足產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品趨向高復雜化的發(fā)展需求[1]。

目前，我國系統(tǒng)工程和國際先進系統(tǒng)工程水平尚存在一定差距[2]，國內(nèi)相關領域的學術研究和企業(yè)實踐的缺乏導致無法短時間建立系統(tǒng)化、結構化的適合中國企業(yè)的系統(tǒng)工程知識體系。但隨著我國聚焦經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級、深化改革，提出完成工業(yè)大國到工業(yè)強國的轉(zhuǎn)變要求，同時企業(yè)和整個社會面臨越來越嚴峻的系統(tǒng)復雜性增長的問題，系統(tǒng)工程作為解決復雜系統(tǒng)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(tǒng)工程 系統(tǒng)生存周期過程》[3]和2013年的GJB 8113-2013《武器裝備研制系統(tǒng)工程通用要求》[4]的頒布，意味著系統(tǒng)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(chǎn)品研制的系統(tǒng)工程

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

目前，國際領先的航空研發(fā)企業(yè)波音、空客等，均在其大型飛機項目中應用了系統(tǒng)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(tǒng)工程的研制和管理方法，是使用系統(tǒng)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(nèi)，隨著多項目同時推進，中國商飛也在產(chǎn)品開發(fā)過程中逐步探索系統(tǒng)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(yè)文化、多項目不同階段等企業(yè)自身特點的融合。

2 民用航空產(chǎn)品系統(tǒng)工程體系架構設想

系統(tǒng)工程的理論和方法已經(jīng)在民用航空產(chǎn)品研發(fā)領域得到廣泛的應用，基于系統(tǒng)工程理論和方法制定的工業(yè)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(nèi)對于在民用飛機和系統(tǒng)開發(fā)領域應用系統(tǒng)工程方法論已經(jīng)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(chǎn)品系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)。實踐表明，可落地、可執(zhí)行、可支持工程研制的系統(tǒng)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(fā)出完善的系統(tǒng)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(chǎn)品系統(tǒng)工程體系結構自頂向下依次是：要求層、程序?qū)印⒎椒▽雍妥鳂I(yè)層。通過這種逐層分解、逐層細化的方法，實現(xiàn)從頂層要求到具體實踐的逐一落地，建立內(nèi)容上包含流程、方法、工具的完整體系。

圖1 民用航空產(chǎn)品系統(tǒng)工程體系架構

系統(tǒng)工程體系中各層級的內(nèi)容說明如下。

2.1 要求層

要求層是系統(tǒng)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(guī)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(tǒng)工程頂層標準和方法論。對于民用航空產(chǎn)品系統(tǒng)工程體系，本文將以國際系統(tǒng)工程協(xié)會(INCOSE)系統(tǒng)工程方法論為體系要求層。INCOSE系統(tǒng)工程方法論包含四大板塊內(nèi)容，以四個流程組的形式存在，分別是技術流程、項目流程、協(xié)議流程、組織的項目使能流程，具體如圖2所示。

圖2 INCOSE系統(tǒng)工程的主要流程組

INCOSE系統(tǒng)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(tǒng)工程體系中技術流程的構建思路。

2.2 程序?qū)?/h3>

程序?qū)影到y(tǒng)工程要求的流程和活動，包括它們的目的、內(nèi)容和要求，回答了系統(tǒng)工程應該“做什么”的問題。程序?qū)訉⒘谐鱿到y(tǒng)工程中的關鍵流程，定義各系統(tǒng)工程流程應完成的工作內(nèi)容，以及流程的輸入輸出、控制使能。程序?qū)影敿毜牧鞒涛募鼈冏鳛橹С中晕募嬖凇?/p>

圖3 民用航空產(chǎn)品系統(tǒng)工程體系技術流程部分

程序?qū)邮紫刃柰瓿蓪σ髮又幸?guī)定的系統(tǒng)工程流程的詳細說明，定義各流程的目的、內(nèi)容、要求、輸入輸出以及控制使能等多方面內(nèi)容，明確流程內(nèi)容和流程要求。另一方面，程序?qū)舆€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(xiàn)的詳細流程，從而實現(xiàn)系統(tǒng)工程頂層要求的向下落地。

程序?qū)咏鉀Q系統(tǒng)工程應用中“做什么”的問題。相比要求層，程序?qū)迂撠熗ㄟ^更詳細的流程和活動來定義系統(tǒng)工程內(nèi)容。程序?qū)诱驹趩栴}域，考慮的是系統(tǒng)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?qū)油瓿闪肆鞒痰亩x，方法層將尋找對應的方法和工具將其實現(xiàn)。方法層規(guī)定了完成系統(tǒng)工程流程所依據(jù)方法和工具，回答系統(tǒng)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(xiàn)問題。方法層包括方法論文件和工具使用文件。

程序?qū)佣x清楚系統(tǒng)工程的詳細流程內(nèi)容，方法層將站在實現(xiàn)的層面上尋找方法和工具來實現(xiàn)這些流程。方法層解決系統(tǒng)工程應用中“怎么做”的問題，解決目前實施人員面對系統(tǒng)工程要求卻無從下手的問題。方法層需要定義系統(tǒng)工程應用中各流程所依據(jù)方法和工具，從而為實施活動提供方法指導。要求層、程序?qū)印⒎椒▽雨P系示意如圖4所示。

圖4 要求層、程序?qū)印⒎椒▽雨P系示意

圖5 方法層中從問題域到解決域的轉(zhuǎn)化

方法層站在解決域，考慮的是流程的實現(xiàn)方法。和產(chǎn)品研發(fā)中的設計過程和實現(xiàn)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(xiàn)有的方法和工具，能夠迅速調(diào)用現(xiàn)有方法解決問題；另一方面又需要自主創(chuàng)新的能力，當現(xiàn)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(yè)層

當方法層定義清楚流程的實現(xiàn)方法，作業(yè)層則站在具體實踐和工作的層面，定義具體到操作的細節(jié)指導。作業(yè)層為系統(tǒng)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(guī)定工作單元。作業(yè)層包括各種操作手冊、作業(yè)指導書、工作表單。

程序?qū)油瓿稍敿毩鞒痰亩x、方法層探索流程的實現(xiàn)方法，而作業(yè)層則站在具體實踐的層面上，定義具體到操作的作業(yè)細節(jié)指導。作業(yè)層通過條目化的指導手冊、工作表單等方式，規(guī)定系統(tǒng)工程應用中的可執(zhí)行操作，為系統(tǒng)工程應用中的活動提供作業(yè)指導和細節(jié)支持。

作業(yè)層的建立除了自頂向下的正向方法論開發(fā)之外，也重視和依賴自底向上的企業(yè)工程經(jīng)驗積累和梳理。作業(yè)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(yè)可以借助系統(tǒng)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(xiàn)有操作文檔進行重新梳理。

3 結論

為了應對產(chǎn)品復雜性與日劇增的問題，越來越多的企業(yè)都開始在產(chǎn)品研制過程中應用系統(tǒng)工程的方法。本文針對系統(tǒng)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(tǒng)工程體系建設的建議，通過程序?qū)印⒎椒▽印⒆鳂I(yè)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(tǒng)工程體系通過架構和分解的方法，將國際系統(tǒng)工程頂層標準轉(zhuǎn)變?yōu)榭陕涞亍⒖芍С止こ叹唧w研制的知識體系。