系統(tǒng)工程方法在復雜系統(tǒng)研制中的應(yīng)用

摘 要：本文闡述了系統(tǒng)工程標準的演變和復雜系統(tǒng)設(shè)計的典型特征，并提供了系統(tǒng)工程在復雜系統(tǒng)研制中的應(yīng)用示例，分析了未來系統(tǒng)工程的發(fā)展方向，為復雜系統(tǒng)研制使用系統(tǒng)工程方法提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)工程；MBSE；復雜系統(tǒng)

0引言

復雜系統(tǒng)如載人航天工程，民用飛機設(shè)計等，具有系統(tǒng)規(guī)模大、技術(shù)水平高、研制周期長、參與人員多、投資巨大的顯著特點。一般的工業(yè)產(chǎn)品研制流程很難確保最終產(chǎn)品符合預(yù)期的設(shè)計需求。系統(tǒng)工程方法是針對復雜系統(tǒng)研制和集成而產(chǎn)生的一種工程管理技術(shù)，是為了更好的達到系統(tǒng)目標而對系統(tǒng)的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息流動和控制機構(gòu)進行分析和設(shè)計的技術(shù)。它關(guān)注系統(tǒng)整體設(shè)計，考慮所有的變量并在技術(shù)層面將各個環(huán)節(jié)進行有機結(jié)合。

1系統(tǒng)工程的歷史演變

工業(yè)界的系統(tǒng)工程相關(guān)標準也經(jīng)過若干年的發(fā)展，日漸成熟，其歷史演變?nèi)鐖D1所示。其中，ANSI/EIA-632標準（系統(tǒng)工程過程）是國際系統(tǒng)工程委員會（International Council on Systems Engineering， INCOSE）和美國電子工業(yè)聯(lián)盟（Electronic Industries Alliance，EIA）合作的產(chǎn)物。這個標準與先前的系統(tǒng)工程標準相比，擴大了系統(tǒng)工程管理的寬度。

ISO/IEC 15288標準擴大了系統(tǒng)工程的專業(yè)范圍，描述系統(tǒng)工程和管理過程的結(jié)合方法，并定義了相關(guān)過程和術(shù)語。

2復雜系統(tǒng)

復雜系統(tǒng)，指的是一類具有“系統(tǒng)組成關(guān)系復雜、系統(tǒng)機理復雜、系統(tǒng)的子系統(tǒng)間及系統(tǒng)與其環(huán)境之間交互關(guān)系復雜和能量交換復雜，總體行為具有涌現(xiàn)、非線性，以及自組織、混沌、博弈等特點的系統(tǒng)”。在世界上有兩類復雜系統(tǒng)產(chǎn)品的工程技術(shù)受到了挑戰(zhàn)，一類是超強的應(yīng)力條件，另一類是超長的工作壽命期要求。典型例子如商用飛機、空間飛行器和人造衛(wèi)星等復雜系統(tǒng)。這些產(chǎn)品在設(shè)計、制造和以后的使用、運行中都有特別嚴格的要求，一旦失效將會造成重大的經(jīng)濟損失，人身安全事故，甚至破壞人類居住星球的環(huán)境。

商用飛機是一個復雜巨系統(tǒng)，其特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

一是規(guī)模方面，項目規(guī)模龐大，管理協(xié)調(diào)難度大。大型商用飛機全壽命周期從概念設(shè)計、詳細設(shè)計、試制、取證、批產(chǎn)、運營、維護到退役和回收，參與人員數(shù)以萬計，需要設(shè)計、制造和維護的零件數(shù)量大、周期長。

二是系統(tǒng)方面，眾多系統(tǒng)并存，協(xié)調(diào)安裝復雜。商用飛機具有安全性、舒適性、環(huán)保性和經(jīng)濟性的特點，需要復雜且冗余的系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)、平穩(wěn)地交互工作，并具有足夠的安全性和可靠性，機體結(jié)構(gòu)、管路線路、零件設(shè)備正確、合理地安裝，以實現(xiàn)良好的人機交互能力和系統(tǒng)匹配程度。

三是設(shè)計方面，標準要求復雜。商用飛機必須強制性滿足適航當局制定的適航規(guī)章和技術(shù)標準，這些規(guī)章和標準覆蓋了飛機的設(shè)計、制造到運營，跨度從機體材料、環(huán)境、軟硬件開發(fā)到研發(fā)組織架構(gòu)，這些規(guī)章和標準的滿足需要通過大量的符合性驗證文件和過程來證明，包括設(shè)計文件、仿真計算、安全性分析、空中和地面驗證等大量工作，耗時數(shù)年，而其部分工作是飛機全壽命的，在飛機投入使用后仍要繼續(xù)。

四是客戶方面，客戶化程度高，需求管理復雜。作為客戶的航空公司是強勢甲方，其需求復雜而多變，如何確定客戶需求，在飛機研制中確認、實現(xiàn)和驗證需求，最終交付客戶滿意的飛機，對工程和管理都是巨大的挑戰(zhàn)。

五是管理方面，過程眾多，管理控制復雜。商用飛機的研制需要大量的過程。要保證這些過程是完整健全，所有參與研制人員都要知曉和使用，并要全面投入其中，保證過程的效率和效果。通過使用過程管理技術(shù)如項目管理、風險管理、構(gòu)型管理等降低風險，提高效率，也是十分復雜的一項工作。

六是隊伍方面，人才隊伍專業(yè)面廣，維持熟練隊伍難。商用飛機研制涉及的專業(yè)面廣，需要培養(yǎng)包括飛機研發(fā)設(shè)計、總裝制造、客戶服務(wù)等多個領(lǐng)域的專業(yè)人才；同時，商用飛機研制周期長（一般為5-8年），維持一支有能力、有經(jīng)驗、有信念、有擔當?shù)母咚饺瞬抨犖椋⒈３秩瞬抨犖榈母偁幜Γ枰⑾嚓P(guān)的人力資源保障機制并投入大量資金。

七是財務(wù)方面，財務(wù)風險高，財務(wù)管理難度大。商用飛機研制需要巨額資金，即使收益恒定，償還研制費用也需要很長的時間。航空運輸市場的不穩(wěn)定性，給研制新型商用飛機的帶來極大的財務(wù)風險。

此外，未知因素的風險、市場的買方壟斷、研發(fā)團隊文化的多元性、研發(fā)業(yè)務(wù)的全球性、公共關(guān)系的重要性等也都增加了商用飛機研制的復雜性。

航天器研制也是一項多學科、多專業(yè)相結(jié)合的大型復雜系統(tǒng)工程，同樣具有技術(shù)難度大、投入資金多、質(zhì)量與可靠性要求高、協(xié)作單位多、研制風險高和管理難度大等特點。我國航天工業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，逐步形成了一套獨具特色的航天器研制系統(tǒng)工程管理模式。近年來，隨著一批重大工程的啟動，航天器研制出現(xiàn)了一些新的特點：一是研制數(shù)量大幅增加，研制周期不斷縮短；二是性能指標要求不斷提升，新產(chǎn)品、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)；三是多產(chǎn)品并舉，大規(guī)模協(xié)同，耦合關(guān)系復雜。

3系統(tǒng)工程在復雜系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

系統(tǒng)工程作為一種行之有效的方法，對復雜系統(tǒng)的設(shè)計有著非常重要的指導意義。以商用飛機的研制為例，通常采用V字模型，如圖2所示。

V字型左側(cè)向下為需求逐層分解細化的過程，需求分解是將飛機級需求按照產(chǎn)品分解邏輯，自上至下層層分解成一個個子系統(tǒng)需求直至零件需求，逐級確認每一層需求都得到有效的分解，建立需求管理數(shù)據(jù)庫和需求追蹤矩陣。該過程需從飛機的全壽命周期來系統(tǒng)分析研究，不僅要研究飛機對飛行性能需求，也要考慮飛機的運營、維修、報廢和回收等各個方面的需求。在獲取需求之后，需對需求進行分析，評審、評估、優(yōu)先排序、平衡所有利益相關(guān)方和衍生的需求（包括約束），并將這些需求轉(zhuǎn)化為能夠滿足相關(guān)利益方需要的系統(tǒng)的功能和技術(shù)描述。主要手段有情景構(gòu)建、專家評審等。同時，還需要進行需求確認工作，確保所定義的需求盡量的正確和完整。需求確認的工作從需求定義階段一直持續(xù)到試飛驗證階段，直到飛機定型，是個迭代的過程。

V字模型右側(cè)向上為需求從底層到頂層逐級驗證的過程。需求驗證過程中可能出現(xiàn)設(shè)計需求不滿足的情況，此時，需要回到需求確認過程中，確認需求是否正確或完備，對需求進行補充和修改，并啟動設(shè)計過程以滿足新的需求或更改后的需求。需求驗證過程中還可能出現(xiàn)設(shè)計無滿足需求的情況，此時仍需要回到需求確認過程，確認需求是否正確，決策是否重新設(shè)計或修改需求，然后再次回到需求確認過程。

4基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）

隨著系統(tǒng)規(guī)模及復雜度急劇增長，以文檔和實物產(chǎn)品為依托的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程已經(jīng)無法有效滿足系統(tǒng)研制需求。隨著信息技術(shù)在工程系統(tǒng)研制中的深度融合，促使數(shù)字模型逐漸替代文檔成為信息的載體，仿真等虛擬驗證方法逐漸替代實物試驗手段，一種稱為“基于模型的系統(tǒng)工程”（MBSE）方法應(yīng)運而生。這一方法依靠大型軟件平臺，建立各級別的需求與相應(yīng)的系統(tǒng)方案元素的鏈接，并以圖形化的方式展示設(shè)計者對系統(tǒng)的認識。該方法為復雜產(chǎn)品的研制提供了一個模型驅(qū)動的系統(tǒng)工程工作環(huán)境。從需求階段開始即通過模型（而非文檔）的不斷演化、迭代實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計，為各方提供一個公共、通用、無二義性的設(shè)計信息交流平臺。MBSE有助于進一步突破時間和空間對設(shè)計工作的限制，并提升研制管理工作的效率，正廣泛應(yīng)用于大型復雜系統(tǒng)的研制。

5結(jié)語

本文總結(jié)歸納了大型復雜系統(tǒng)設(shè)計具備的典型特征，描述了系統(tǒng)工程標準的演變，提供了系統(tǒng)工程方法在復雜系統(tǒng)研制中的應(yīng)用示例，分析了未來系統(tǒng)工程的發(fā)展方向，為復雜系統(tǒng)研制使用系統(tǒng)工程方法提供了借鑒。

參考文獻：

[1] ANSI/EIA 632， Processes for Engineering a System[S].

[2] ISO 15288， Standards for Systems Engineering — System Life Cycle[S].

[3] VAPNIK VN. Statistical Learning Theory[M]. New York：Wiley， 1998.

作者簡介：

孟慶虎，出生年月：2001年10月20號，性別：男，民族：漢族，籍貫（精確到市）：山東省聊城市陽谷縣.