系统工程方法在复杂系统研制中的应用

摘 要：本文阐述了系统工程标准的演变和复杂系统设计的典型特征，并提供了系统工程在复杂系统研制中的应用示例，分析了未来系统工程的发展方向，为复杂系统研制使用系统工程方法提供了借鉴。

关键词：系统工程；MBSE；复杂系统

0引言

复杂系统如载人航天工程，民用飞机设计等，具有系统规模大、技术水平高、研制周期长、参与人员多、投资巨大的显著特点。一般的工业产品研制流程很难确保最终产品符合预期的设计需求。系统工程方法是针对复杂系统研制和集成而产生的一种工程管理技术，是为了更好的达到系统目标而对系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机构进行分析和设计的技术。它关注系统整体设计，考虑所有的变量并在技术层面将各个环节进行有机结合。

1系统工程的历史演变

工业界的系统工程相关标准也经过若干年的发展，日渐成熟，其历史演变如图1所示。其中，ANSI/EIA-632标准（系统工程过程）是国际系统工程委员会（International Council on Systems Engineering， INCOSE）和美国电子工业联盟（Electronic Industries Alliance，EIA）合作的产物。这个标准与先前的系统工程标准相比，扩大了系统工程管理的宽度。

ISO/IEC 15288标准扩大了系统工程的专业范围，描述系统工程和管理过程的结合方法，并定义了相关过程和术语。

2复杂系统

复杂系统，指的是一类具有“系统组成关系复杂、系统机理复杂、系统的子系统间及系统与其环境之间交互关系复杂和能量交换复杂，总体行为具有涌现、非线性，以及自组织、混沌、博弈等特点的系统”。在世界上有两类复杂系统产品的工程技术受到了挑战，一类是超强的应力条件，另一类是超长的工作寿命期要求。典型例子如商用飞机、空间飞行器和人造卫星等复杂系统。这些产品在设计、制造和以后的使用、运行中都有特别严格的要求，一旦失效将会造成重大的经济损失，人身安全事故，甚至破坏人类居住星球的环境。

商用飞机是一个复杂巨系统，其特点主要体现在以下几个方面：

一是规模方面，项目规模庞大，管理协调难度大。大型商用飞机全寿命周期从概念设计、详细设计、试制、取证、批产、运营、维护到退役和回收，参与人员数以万计，需要设计、制造和维护的零件数量大、周期长。

二是系统方面，众多系统并存，协调安装复杂。商用飞机具有安全性、舒适性、环保性和经济性的特点，需要复杂且冗余的系统相互协调、平稳地交互工作，并具有足够的安全性和可靠性，机体结构、管路线路、零件设备正确、合理地安装，以实现良好的人机交互能力和系统匹配程度。

三是设计方面，标准要求复杂。商用飞机必须强制性满足适航当局制定的适航规章和技术标准，这些规章和标准覆盖了飞机的设计、制造到运营，跨度从机体材料、环境、软硬件开发到研发组织架构，这些规章和标准的满足需要通过大量的符合性验证文件和过程来证明，包括设计文件、仿真计算、安全性分析、空中和地面验证等大量工作，耗时数年，而其部分工作是飞机全寿命的，在飞机投入使用后仍要继续。

四是客户方面，客户化程度高，需求管理复杂。作为客户的航空公司是强势甲方，其需求复杂而多变，如何确定客户需求，在飞机研制中确认、实现和验证需求，最终交付客户满意的飞机，对工程和管理都是巨大的挑战。

五是管理方面，过程众多，管理控制复杂。商用飞机的研制需要大量的过程。要保证这些过程是完整健全，所有参与研制人员都要知晓和使用，并要全面投入其中，保证过程的效率和效果。通过使用过程管理技术如项目管理、风险管理、构型管理等降低风险，提高效率，也是十分复杂的一项工作。

六是队伍方面，人才队伍专业面广，维持熟练队伍难。商用飞机研制涉及的专业面广，需要培养包括飞机研发设计、总装制造、客户服务等多个领域的专业人才；同时，商用飞机研制周期长（一般为5-8年），维持一支有能力、有经验、有信念、有担当的高水平人才队伍，并保持人才队伍的竞争力，需要建立相关的人力资源保障机制并投入大量资金。

七是财务方面，财务风险高，财务管理难度大。商用飞机研制需要巨额资金，即使收益恒定，偿还研制费用也需要很长的时间。航空运输市场的不稳定性，给研制新型商用飞机的带来极大的财务风险。

此外，未知因素的风险、市场的买方垄断、研发团队文化的多元性、研发业务的全球性、公共关系的重要性等也都增加了商用飞机研制的复杂性。

航天器研制也是一项多学科、多专业相结合的大型复杂系统工程，同样具有技术难度大、投入资金多、质量与可靠性要求高、协作单位多、研制风险高和管理难度大等特点。我国航天工业经过几十年的发展，逐步形成了一套独具特色的航天器研制系统工程管理模式。近年来，随着一批重大工程的启动，航天器研制出现了一些新的特点：一是研制数量大幅增加，研制周期不断缩短；二是性能指标要求不断提升，新产品、新技术不断涌现；三是多产品并举，大规模协同，耦合关系复杂。

3系统工程在复杂系统设计中的应用

系统工程作为一种行之有效的方法，对复杂系统的设计有着非常重要的指导意义。以商用飞机的研制为例，通常采用V字模型，如图2所示。

V字型左侧向下为需求逐层分解细化的过程，需求分解是将飞机级需求按照产品分解逻辑，自上至下层层分解成一个个子系统需求直至零件需求，逐级确认每一层需求都得到有效的分解，建立需求管理数据库和需求追踪矩阵。该过程需从飞机的全寿命周期来系统分析研究，不仅要研究飞机对飞行性能需求，也要考虑飞机的运营、维修、报废和回收等各个方面的需求。在获取需求之后，需对需求进行分析，评审、评估、优先排序、平衡所有利益相关方和衍生的需求（包括约束），并将这些需求转化为能够满足相关利益方需要的系统的功能和技术描述。主要手段有情景构建、专家评审等。同时，还需要进行需求确认工作，确保所定义的需求尽量的正确和完整。需求确认的工作从需求定义阶段一直持续到试飞验证阶段，直到飞机定型，是个迭代的过程。

V字模型右侧向上为需求从底层到顶层逐级验证的过程。需求验证过程中可能出现设计需求不满足的情况，此时，需要回到需求确认过程中，确认需求是否正确或完备，对需求进行补充和修改，并启动设计过程以满足新的需求或更改后的需求。需求验证过程中还可能出现设计无满足需求的情况，此时仍需要回到需求确认过程，确认需求是否正确，决策是否重新设计或修改需求，然后再次回到需求确认过程。

4基于模型的系统工程（MBSE）

随着系统规模及复杂度急剧增长，以文档和实物产品为依托的传统系统工程已经无法有效满足系统研制需求。随着信息技术在工程系统研制中的深度融合，促使数字模型逐渐替代文档成为信息的载体，仿真等虚拟验证方法逐渐替代实物试验手段，一种称为“基于模型的系统工程”（MBSE）方法应运而生。这一方法依靠大型软件平台，建立各级别的需求与相应的系统方案元素的链接，并以图形化的方式展示设计者对系統的认识。该方法为复杂产品的研制提供了一个模型驱动的系统工程工作环境。从需求阶段开始即通过模型（而非文档）的不断演化、迭代实现产品的设计，为各方提供一个公共、通用、无二义性的设计信息交流平台。MBSE有助于进一步突破时间和空间对设计工作的限制，并提升研制管理工作的效率，正广泛应用于大型复杂系统的研制。

5结语

本文总结归纳了大型复杂系统设计具备的典型特征，描述了系统工程标准的演变，提供了系统工程方法在复杂系统研制中的应用示例，分析了未来系统工程的发展方向，为复杂系统研制使用系统工程方法提供了借鉴。

参考文献：

[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.

作者简介：

孟庆虎，出生年月：2001年10月20号，性别：男，民族：汉族，籍贯（精确到市）：山东省聊城市阳谷县.