系統工程在航空裝備維修領域應用的思考

■ 韓梁 李淼/國營蕪湖機械廠

0 引言

隨著航空裝備的研制發展，原逆向研制的方式方法已不能滿足新裝備研制需求，面向全壽命周期的系統工程的理論和方法已在新型航空裝備研制過程中應用，而航空裝備維修企業作為全壽命周期產業鏈的末端，為了更好地介入裝備設計、研制等過程，進一步提高裝備維修保障效能，系統工程理論和方法的應用成為了重要橋梁。

1 對系統工程的認知

1.1 什么是系統工程

系統工程是一個視角、一個流程、一門專業，代表性的定義有三種。

1）系統工程是一種使系統能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定義客戶需要與所需求的功能性，將需求文件化，然后再進行設計綜合和系統確認，并同時考慮完整性問題，即在考慮運行、成本、進度、性能、訓練、支持、試驗、制造和退出問題時，進行設計綜合和系統確認。系統工程把所有學科和專業群體綜合為一種團隊的努力，形成從概念到生產再到運行的結構化開發流程。系統工程以提供滿足用戶需要的高質量產品為目的，同時考慮所有客戶的業務和技術需要（INCOSE，2004）。

2）系統工程是一種自上而下的綜合、開發和運行一個真實系統的迭代過程，以接近于最優的方式滿足系統的全部需求（Eisner，2008）。

3）系統工程是一門專注于整體而不是各個部分設計和應用的學科，涉及從問題的整體性來審視，將問題的所有方面和所有變量都考慮在內，并將社會與技術方面相關聯（FAA，2006）。

可以看出系統工程具有跨學科、迭代性、整體性和社會技術等特點。系統工程的視角是基于系統的思考，系統工程流程具有支持發現、學習和持續改進的迭代式方法論[1]。

1.2 系統工程的起源與發展

現代系統工程的起源可追溯到20世紀30年代，最早應用于英國防空系統的項目中。隨后在國際上的影響越來越廣泛，尤其是在復雜系統、組織系統工程等方面的研究中的應用，使得系統工程學科成為解決制造企業乃至經濟社會發展中復雜、系統級問題的核心。美國、英國以及前蘇聯等國家的科技工作者先后在軍事戰略布置、國防建設以及社會經濟領域和工業企業管理中不斷推出設計良好的應用系統，為系統工程方法的研究與應用做出了不懈的努力。

20世紀50～60年代，中國的一些研究機構和著名學者為系統工程的研究與應用做了理論的探討、應用上的嘗試和技術方法上的準備。國內對系統工程的大規模研究和應用是從20世紀70年代末80年代初開始的。1978年9月27日，錢學森、許國志、王壽云在《文匯報》上發表了題為《組織管理的技術——系統工程》的長篇文章；1980年11月，中國系統工程學會在北京成立。20世紀70年代末以來，應用系統工程理論和方法研究與解決中國重大的現實問題，在諸多領域和方面包括軍事領域都取得了較好的效果。

從美國、俄羅斯、歐洲以及其他先進國家角度來看，系統工程技術的發展現狀及趨勢如下。

1）系統工程的標準體系越來越完善。美國國家航空航天局（NASA）已構建了規范化的航天器設計指南及行之有效的技術標準體系。現在，NASA又制定了一項完善的技術標準計劃，主要在吸收非政府標準、開發新標準以及共享國家與國際標準的基礎上對系統工程標準體系進一步完善。另外，歐洲空間標準化合作組織根據NASA、國際標準化組織（ISO）、各航天公司標準，構建了一套全新的系統工程標準體系，這樣，航天器在實施系統工程時就有一套完善、高效的技術作為支撐，以及相關的活動程序作為參照。

2）系統工程的支持能力進一步增強。NASA、歐洲航天局（ESA）等機構相繼研發與利用航天器系統設計以及仿真平臺，同時還組建了一個專門的協同設計機構，主要對各種類型較為復雜、規模大的系統及設計分析仿真提供有利的支持。例如，NASA研發的系統工程系列環境系統以及飛行器仿真系統等各項技術得到了普遍應用，使得系統工程的支撐能力有了很大增強。

3）系統工程的長效機制不斷完善。結合西方國家諸多系統工程技術發展情況來看，系統工程技術能力顯著優點在于：技術活動中的規范作業程序得到了進一步的優化；隨著科學技術的快速發展與廣泛應用，系統工程的應用平臺和仿真試驗支持能力有了很大的提升；結合豐富的研制經驗，進一步健全其長效機制，并制定了一套有效的發展規劃及部署[2]。

4）基于模型的系統工程已經成為未來發展的基本趨勢。在計算機出現之后，建模與仿真已經成為區別于理論和實驗的第三種方法。當前，建模與仿真已被定義為跨系統生命周期流程的系統工程共性方法，用以實現對系統概念的完整性表達，支持系統需求、設計、分析、驗證與確認活動的開展，涉及建模目的、標準、范圍、類型、語言等內容。許多模型和仿真實踐已被正規化為系統工程流程，眾多建模語言已成為國際標準。在“基于模型”的背景環境下，支持系統工程學科的有關方法論、流程、方法和工具日趨成熟，且在航空航天/防務領域已被證明。模型將不再像傳統系統工程中那些只是文件中的“附屬品”，而是成為系統工程的主要產物和手段。特別是在工業4.0時代，為全系統的開發提供數字線索和“數字孿生”，使系統/產品的數字模型與物理試驗在全生命周期內保持同步進化[1]。

1.3 系統工程的價值

系統工程以系統的思維、理論和方法，致力于復雜系統的成功，已成為管理復雜性和變化性的有效方法，是促進企業創新的一種較為成熟有效的方法，成為在全生命周期尤其是在概念探索階段減少風險的有效手段，在提升效能和投資回報方面展示了非常優越的價值，是建立和保持競爭優勢的關鍵。

1.4 系統工程在航空工業領域的應用

航空工業作為我國軍工行業的戰略性產業，正面臨著前所未有的機遇和挑戰。面對新型航空裝備研發的戰略性、復雜性和創新性環境，必須采用系統工程的理論和方法。自2012年起，航空工業系統推進系統工程，設立系統工程推進委員會作為日常推進工作的主要責任部門，負責航空工業系統工程實施方法的制定及各成員單位項目的實施服務，同時承擔系統工程流程體系、知識體系與培訓體系的導入、開發與推廣。

截至2018年，航空工業已有40多家主要研究所和設計制造單位推動并實施了基于模型的系統工程（MBSE），為加速數字化時代的研發轉型和智能制造、推動高端制造業轉型升級奠定了堅實而又廣泛的基礎。

2017年，航空工業首款全面應用系統工程的新型無人機研發成功。航空工業一飛院將全面推進MBSE列入2019年度重點工作，他們認為通過在MA700等新型號飛機上的試點，MBSE已經具備全面體系化推進的客觀條件，為構建以MBSE為核心的新型研發體系提供了千載難逢的機遇和載體。2018年是一飛院MBSE推進的“體系年”和“需求年”，基本建立起了MBSE的體系架構。2019年是MBSE推進的“需求年”和“架構年”，工作重點也將由體系級、飛機級延伸到分/子系統級。

為了系統地推進系統工程，航空工業還建立了完整的系統工程標準體系，目前已經完成其中300余份標準的編制。可以預見，作為航空工業的戰略性工程，系統工程將在航空工業領域及航空裝備全生命周期發揮越來越重要的作用。

2 關于系統工程的幾點思考

2.1 全面系統推進系統工程是航空裝備修理企業強烈的內在需求

系統工程的提出和發展始終與航空航天的實踐緊密結合在一起，系統工程起源于20世紀的防務和航空航天系統，現代的系統工程也具有強烈的防務和航空航天傳承，系統工程手冊中大多數流程能夠以直接的方式使用。航空裝備維修具有復雜性、不確定性，利益攸關者眾多，使用條件極端，系統生命周期長等特點，符合系統工程應用的范圍。尤其在備戰的大背景和環境下，對航空裝備維修的周期、質量和成本提出了更高的要求，系統工程作為一套科學的理論和方法，可以進一步提升裝備維修的科學性和規范性，提升航空裝備修理企業的整體能力。

2.2 全面系統推進系統工程是實現裝備維修正向設計的必由之路

根據張新國介紹，系統工程的重要作用之一就是實現“需求的正向提出”和“研發的正向設計”。當前，航空裝備維修基本還依靠“設計維修”和“經驗維修”，維修需求的識別與整理以及維修的正向設計長期缺乏，但隨著航空工業深入推進系統工程以及航空裝備修理企業自身發展的需要，維修設計必將向正向設計轉變。系統工程提供了更為系統和全面的正向設計的理論和方法，并在航空裝備研制階段廣泛使用，為裝備維修的正向設計提供了很好的實施路徑。

2.3 全面系統推進系統工程是融入航空裝備全生命周期的重要橋梁

當前，系統工程在航空工業新裝備研發過程中已普遍使用，裝備維修作為裝備全生命周期中的重要一環，在研發過程中越來越受重視，如何參與并影響裝備研發過程中的維修性設計，融入航空裝備全生命周期，已經成為航空裝備修理企業的重要命題。全面系統推進系統工程，是統一航空工業部門和裝備修理企業研發平臺和語言環境的重要環節。

2.4 航空裝備修理企業正處于全面系統推進系統工程的歷史機遇期

隨著航空裝備研制的進展，新型裝備普遍采用系統工程，其維修必須與研制統一平臺和環境，當前正是全面系統推進系統工程的歷史機遇期。從另外一個角度來說，推進系統工程的窗口期也非常短，如不加快推進，將錯過歷史發展期。推進系統工程不是一朝一夕，不可一蹴而就，從航空工業的推進經驗來看還需要較長時間，必須要有強烈的危機感，加快策劃和實施。

2.5 航空裝備修理企業具備全面系統推進系統工程的現實基礎條件

近年來，航空裝備修理企業導入了一定的復雜理論、方法和工具，并予以實施，擁有一批思想開放、眼界開闊、知識經驗豐富、學習能力強、改革創新意識強的高端人才隊伍；同時，計算機技術的發展以及系統內多年來數字化修理、工業4.0的研究與實施，與工業部門和地方企業良好的合作關系，都為推動和實施基于模型的系統工程（MBSE）創造了良好的環境和基礎。

3 推進系統工程的幾點想法

雖然全面系統推進系統工程對航空裝備修理企業的發展具有較強的戰略意義，但推進和實施過程中必將遇到較大的困難和問題。為了順暢、快速、穩妥地推進系統工程的建設，提出幾點想法。

1）迅速和普遍提高對系統工程的理解和認識，加快人才培養

企業管理者和決策者應理解和把握系統工程思想，認識到系統工程的重要作用，具備強烈的推進意愿是成功推進系統工程的前提條件。具有系統思維和系統工程理論基礎以及扎實的航空裝備維修技術功底的系統工程師的培養，是推進系統工程的關鍵要素。因此，必須采取有效手段，加快系統工程知識的普及，培養一定數量和較高水平的系統工程師。

2）集中全力，研究解決重難點問題，突破關鍵技術

在基礎還比較薄弱的航空裝備修理企業中全面推進系統工程，還會面對較多的重難點問題和關鍵技術，尤其是在技術流程的前端，包括業務或任務分析、利益攸關者需要和需求定義、系統需求定義、架構定義、設計定義等，系統內的理論基礎和實踐經驗還十分有限，不能照搬照抄國外和航空工業的研究成果，還需要重點突破基于模型的系統工程（MBSE）的關鍵技術，包括系統設計、驗證、仿真等，這些都需要集中全系統的優勢資源，逐項研究和解決。

3）適時選取典型裝備或領域試點推進，以積累實踐經驗

系統工程需要實踐經驗的總結和積累。在對理論和方法工具學習的同時，必須推進試點工作，創新和研究系統工程理論，進行詳細的系統工程經驗總結，然后再逐步深入展開推進。可以選取在研制階段系統工程應用較好的型號，選取與航空工業部門建立良好合作關系的單位進行試點推進，或者在航空裝備修理重點領域（如正向維修設計領域）開展試點。

4）及時總結制定完善的標準體系，規范和支持系統工程活動

基于對工業實踐的充分總結、理解和認識，歐美發達國家非常重視工業標準、指導手冊的建設，美國與系統工程相關的標準規范十分豐富。航空工業部門也十分重視標準體系的建設，制定發布了一系列標準。因此，在航空裝備修理企業推進系統工程的同時，必須高度重視標準體系的研究與建設，根據相關標準，結合航空裝備修理實際，總結提煉成功經驗和失敗教訓，研究構建一套健全的、規范的、高效的適合于航空裝備修理企業的系統工程標準及其手冊，以此保障系統工程所有活動項目的順利執行，進一步增強系統工程能力，形成一套支撐系統工程的長效機制。