系统工程在反导装备体系建设中的应用研究*

王治国，蔡润南

(北京电子工程总体研究所，北京　100854)



系统工程在反导装备体系建设中的应用研究*

王治国，蔡润南

(北京电子工程总体研究所，北京100854)

摘要：分析了系统工程的定义和方法论，剖析了反导装备体系建设的特点，研究了系统工程管理在美国国家导弹防御系统中的应用。结合反导装备体系建设的具体情况，提出在反导装备体系建设中运行系统工程管理，逐步开展自上而下顶层设计、自下而上集成联试的建设思路，并针对相关支撑条件进行了初步分析。

关键词：系统工程；反导装备体系建设；顶层设计；集成联试

0引言

弹道导弹具有突防能力强、精度高和射程远的特点，已成为现代战争中最有威胁性的攻击性武器之一。随着越来越多的国家和地区拥有弹道导弹，弹道导弹防御技术已成为当前大国间博弈与制衡的重要手段，不仅具有实战应用能力，也极具有战略威慑意义[1-3]。一方面，邻国积极发展系列弹道导弹，射程可覆盖我国全境，而由于核心利益和意识形态等方面的差异，来自国外的“空海一体战”和新型空天武器威胁，以及洲际弹道导弹威胁将长期存在，反导能力建设也已成为我国应对现实威胁的必要手段；另一方面，作为一项以高度综合集成为特点的系统工程，反导装备体系建设关系到国家长远和战略利益，反导装备技术涉及多领域多学科的核心技术、支撑技术和基础技术，对国防工业科技体系乃至整个国民经济具有重要的牵引和带动作用。

系统工程技术已成为我国航天器系统研制中的重要综合性技术，已经广泛应用于国防建设中，对我国国防能力的形成具有重要的意义[4-5]。我国在运用系统工程发展航天器的40多年过程中，以重大专项为代表的系统工程管理体系已初步形成。就如何进一步推进武器装备体系工程研究、系统工程在防空反导导弹武器装备体系建设中如何应用，国内相关单位已开展了相关研究工作[6-8]。本文在此基础上得出了一些粗浅的结论。

1系统工程概述

1.1系统工程的定义

系统工程是一种系统开发过程的科学组织和管理方法，根据美国电子工业联合会标准IS-632，其基本概念即综合多种专业技术，通过分析、综合、试验和评价的反复迭代过程，开发出一个满足全寿命周期各种活动要求、总体优化的系统[9]。系统工程的常用技术方法包括评价与预测技术、仿真技术、规划与优化方法、构模方法等[10]。

应用系统工程可以有效缩减系统开发成本，减小开发风险。其中最典型的例子就是美国国家航空和宇宙航行局(national aeronautics and space administration, NASA)建立了一套完整、规范的关于系统工程过程与要求的规章、标准和手册，以此作为组织宇航计划和项目全寿命周期活动的依据与准则。NASA统计了各个宇航项目的系统开发成本超支和系统工程投入的数据，并拟合出二者的关系曲线(如图1所示)，图中表明系统开发成本超支与系统工程投入呈现负相关的关系， 即在一定程度上增加系统工程的投入，会显著减少项目的成本超支[11]。图中还得出结论：对系统工程的投入占系统成本总投入的最优比例为8%。

图1　系统开发成本超支与系统工程投入之间的关系Fig.1　Relationship between cost overrun and　　　system engineering effort

1.2系统工程方法论

(1) 霍尔三维结构

在运用系统工程处理问题的方法中，以霍尔三维结构最具代表性。它以时间维、逻辑维、知识维组成的立体空间结构概括地表示系统工程的各阶段、各步骤以及所涉及的知识范围，如图2所示。霍尔三维结构将系统工程活动分为前后紧密相连的7个阶段和7个步骤，并同时考虑到为完成各阶段、各步骤所需的各种专业知识，为解决大型复杂系统的规划、组织、管理问题提供了一种统一的思想方法。霍尔三维结构形象地描述了系统工程研究的框架，这种框架结构对于系统工程具有普遍的指导意义。

(2) “V”字模型

NASA在多年的宇航系统项目中，逐步总结了系统工程的通用过程。该通用过程体现了以分解和集成思想为基础的方法论，其主体常用一个V型图来说明，如图3所示。一方面，对系统设计采用自顶向下、循环递归的设计方法，即将系统逐级自上而下细化为各组成部分的技术要求和具体工作，并通过分析和仿真手段进行迭代优化；另一方面，按产品层次采用自底向上递进的实现方法，并通过测试进行校正和性能确认，最终得到整体性能优化的系统产品。

(3) IEEE 1220 系统工程流程

图3　系统工程“V”字模型图Fig.3　V-model of system engineering

IEEE 1220是系统工程的商用标准，它是经过美国国防部、军方和工业界广泛的讨论和协调后制定而成。IEEE 1220主要规划了系统工程过程(systems engineering process, SEP)及其详细要求(如图4所示)，并将SEP分解成若干个子过程，对每个子过程都给出了一幅图来描述该子过程总的任务流。IEEE 1220是一个完整的、确切的系统工程描述文件，旨在将客户需求、期望和限制转化成产品解决方案，并在产品整个使用期内对产品解决方案提供支持。

2反导装备体系建设特点分析

2.1反导装备体系定义

首先，美国国防部对于体系有如下定义：“体系是由独立的系统构成，通过系统之间的相互关联来实现特定的能力，其中任意组成系统的缺失都会使得体系整体能力严重退化”。

从体系的定义出发，对反导装备体系的定义如下：反导装备体系主要包含拦截武器、预警探测、指挥控制3类系统，通过高速通信网络实现信息互联互通，在作战过程中以对来袭弹道导弹实施有效拦截为目标，三者相互作用，高效配合，共同形成反导装备体系作战能力，即针对各种射程的弹道导弹形成助推段、上升段、中段、末段拦截作战能力[12]。

从上述的定义可以得出，反导装备体系的最低层应是反导武器装备系统，包括已定型、生产或列装的反导武器装备系统和拟发展的反导武器装备系统，中间层是按照一定规则划分的武器装备系统的种或类，最高层就是与作战任务联系最紧密的功能层。

图4　系统工程过程图Fig.4　System engineering process

2.2反导装备体系的关键特征分析

反导装备体系的建设是一项高复杂度、长周期性的系统工程，其关键特征总结如下：①每个分系统都可以独立运行；②分系统可以按要求相互协作；③体系架构开放，不断发展；④体系发展是一个递进过程，与分系统的升级过程密不可分；⑤各分系统从地理位置上看是独立分布的；⑥各分系统之间的信息通过公共通信网络实现；⑦装备成本高昂，一旦反复代价巨大。

同时，反导装备体系的研究、设计、开发、集成、评估、生产和交付是一个复杂的组织管理过程，不仅要考虑到从概念研究到部署使用全寿命周期活动的要求，还要保持在整个研制过程中技术、进度和经费的协调进展。

根据反导装备体系建设特点，为了应对反导装备体系的复杂性、多变性和高风险性，应当紧密围绕体系作战能力的生成与提升，将系统工程的方法论和组织管理模式从反导装备体系顶层设计阶段，贯彻执行到体系集成和试验阶段，对拦截武器、预警探测、指挥控制系统进行整体设计、统筹研制、集成联试、部署运用和完善优化，设计与构建高度匹配的精度链、识别链，形成可靠杀伤链。

3系统工程在美国弹道导弹防御体系建设中的应用

3.1美国弹道导弹防御体系的构建方法

20世纪90年代，美国军方逐渐认识到国家导弹防御系统顶层设计与集成的重要性，认为其难度不亚于“子弹打子弹”，遂于1998年4月授予拦截导弹制造商波音公司总承包合同，以波音公司为技术总体深入开展体系顶层设计，全面负责国家导弹防御系统的设计、集成、试验、交付和维护等。

在军方牵引下，波音公司以分阶段能力需求(即C1,C2，C3)为输入，采用“自上向下(top-down)”的设计方法，以数字/半实物仿真为主要手段开展装备体系顶层设计，包括体系架构设计、指标分解分配、接口关系设计以及装备配系等，对系统分承包商提出装备研制技术要求，自上向下实现了由体系顶层需求到装备研制的层层分解。

在产品研制生成后，波音公司再采用自下而上的集成方法，由组件到装备、再到系统、最终到体系，依序集成验证。在这一过程，波音公司统筹规划系统集成试验方案和步骤，组织实施地面集成测试和飞行试验，完成了建设目标实现程度的检验、作战能力的验证和评估，最终向军方交付了国家导弹防御系统。

3.2美国弹道导弹防御体系的工程管理体系

为了加强对美国弹道导弹防御体系的工程管理，美国导弹防御局(missile defense agency,MDA)专门设立了系统工程部。系统工程部与总集成商波音公司各司其职，两者具有明确的功能划分与职责分工。其中，系统工程部由7个工作组支撑，每个工作组的功能如下：①试验床规划，为弹道导弹防御系统提供结构框架和系统能力等；②设计与规范工程，负责弹道导弹防御系统各个阶段的详细设计和规范；③集成与验证工程，实施系统工程活动以集成、测试和评估试验床能力，并将装备规范验证集成为系统级评估；④威胁系统工程，负责靶弹的设计、交付与支持；⑤系统分析，为所有系统工程活动提供通用分析源；⑥项目管理与控制，为系统工程提供项目运行支持；⑦作战集成与支持，搜集、分析、发布用户输入和反馈，并管理弹道导弹防御系统的作战配置。

波音公司作为总承包合同商，在国家导弹防御系统中的基本任务可以概括为：①系统结构设计；②将需求/功能指标贯彻到每个组成部分；③子承包商任务分配、执行及相互协作；④资源配置；⑤计划管理；⑥管理复杂的接口界面需求；⑦多级系统集成；⑧共同组成顶级的工业生产能力。

4以系统工程方式推进反导装备体系建设的经验总结

4.1用系统工程流程对反导装备体系建设进行阶段划分

以V型图的开发模式建设反导装备体系(如图5所示)，将左半部分作为分解设计过程，根据军方军事需求，将装备体系自上而下逐级细化为各组成装备的技术要求和具体工作，并通过分析和仿真手段进行迭代优化；在标准规范与工具方法体系支撑下，开展装备研制；将右半部分作为集成联试过程，将装备自下而上逐级组装与集成，并在集成联试系统支持下，通过仿真、实装等试验方式进行校正和性能确认，最终得到整体性能优化的“反导装备体系”产品。同时，在反导装备体系建设中，还需关注进度的管理(V型图上方)和相关支撑条件(V型图下方)。

图5　反导装备体系开发流程Fig.5　Development process of anti-missile　　　 equipment systems

4.2设立技术总体单位，适时转化为重大专项开展体系建设

设立技术总体，以系统工程方式推进反导装备体系建设，分阶段开展顶层设计和集成联试，形成体系作战能力，并通过实战和演练反馈，完善顶层设计方案，逐步提升体系作战效能。在条件成熟时，适时转化为重大专项形式开展。

4.3设立反导装备体系总体设计实验室，加强仿真系统建设

设立反导装备体系总体设计实验室，根据体系建设不同阶段需求，开发相应粒度的数字/半实物仿真系统，基于仿真试验对总体设计进行分析与评估，以起到缩短研制周期、减少飞行试验次数的作用。

4.4加强体系集成联试系统建设

解决异地异构装备互联互通问题，实现跨地域分布的弹道导弹防御体系装备在时统、协议、协同流程等方面的有效集成，统筹安排武器系统试验与体系集成试验、体系作战能力评估等项目，逐步提升试验逼真度，适时转换为体系作战能力。

4.5进一步重视标准规范研究

制定术语字典、设计规范、集成规范、试验规范、数据采集规范、评估规范等，在设计、研制、集成与作战运用等全寿命阶段，保障各方理解的一致性，为体系作战能力生成奠定基础。

5结束语

本文首先分析了系统工程的概念，总结了霍尔三维结构、NASA总结的“V”字模型和IEEE 1220 3种系统工程的方法论，其次剖析了反导装备体系建设的特点，研究了美国弹道导弹防御体系的构建方法和工程管理体系。最后，结合反导装备体系建设中的具体情况，提出了反导装备体系建设中运行系统工程管理，逐步开展自上而下顶层设计、自下而上集成联试的建设思路，并从仿真试验、集成联试和标准规范等方面总结了若干经验。

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Research on Application of System Engineering in Constructions of Anti-Missile Equipment Systems

WANG Zhi-guo, CAI Run-nan

(Beijing Institute of Electronic System Engineering, Beijing 100854, China)

Abstract:The definition and methodology of systems engineering are analyzed. The characteristics of anti-missile equipment systems construction are discussed. The applications of system engineering management in the U.S. NMD (nation missile defense) are explored. The application of system engineering management in anti-missile equipment systems construction is proposed combined with the specific situation. The construction thoughts of top-down design and bottom-up system integration test are developed gradually and analyzed preliminarily.

Key words:systems engineering; anti-missile equipment systems construction; top-down design; system integration test

中图分类号：N945；TJ76

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2015)-01-0013-05

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.01.003

通信地址：100854北京市142信箱30分箱

作者简介：王治国(1977-)，男，陕西蒲城人。高工，博士，主要从事空天防御体系、预警探测等研究工作。

基金项目：有

收稿日期：2014-03-24；
修回日期：2014-04-21