航天系統工程方法在智慧城市建設中的探索與實踐

/中國空間技術研究院

系統工程學是組織管理技術，將研究的對象或工程管理問題看作是一個由很多相互聯系、相互制約的組成部分構成的整體，然后運用運籌學的理論和方法以及電子計算機技術對構成系統的各組成部分進行分析、預測、評價，最后進行綜合，從而使系統達到最優。

智慧城市建設是一項龐大的系統工程，是一個從宏觀到微觀，從整體到局部，從外部到內部，從動態到靜態，多層次、分系統、縱橫交錯的巨大網絡，其宗旨是推動實現城市治理體系及治理能力現代化，實現優政、強企、惠民的目標。作為一個邊界不固定的復雜巨系統，科學的頂層設計是成功的保證。為此，筆者提出航天系統工程方法論在智慧城市建設中的應用，為我國開展智慧城市建設提出了建議和思考。

一、 航天系統工程典型方法及應用

1.突出系統總體，強調總體最優

航天器研制是一個復雜的系統工程，需要把籠統的研制要求逐步變為成千上萬個研制任務參加者的具體工作，最終綜合成為一個技術上合理、經濟上合算、研制周期短、能協調運轉的實際系統。指導我國航天器研制的方法就是系統工程方法，它既是技術開發過程，也是組織管理過程。航天器系統工程工作的范圍和基本方法用一種“V”字圖描述，即基于用戶需求出發自上而下開展頂層設計，進行功能指標分解、接口關系協調、系統架構設計、信息流設計、系統及分系統設計等，通過多學科系統仿真不斷迭代，部件研制、分系統集成、系統集成測試等自下而上進行。

2.多學科系統仿真等技術手段支撐頂層設計

航天器由相互關聯的各個分系統構成具有一定功能的整體，總體設計并不是分系統和部件的簡單相加。通過科學的體系架構設計、多學科系統仿真、支持系統整體優化、支持體系架構優化設計、支持系統集成效果評估，最終產生滿足要求、整體性能優化的系統，實現的是整體功能優于各分系統功能之和。而大量的工作集中在不同系統之間的接口設計，以實現不同系統間信息交換和共享以及總體最優。

3.系統工程管理方法

我國航天器研制的成功離不開系統工程的管理方法，其表現形式是完備的質量保障體系和設計建造規范、實施流程以及控制流程，用標準和體系將流程固化，通過管理措施來檢查約束執行情況。

中國空間技術研究院主要從事航天器總體設計與系統集成、空間技術開發、衛星應用及空間技術轉化應用等業務，已自主研制并成功發射200余個航天器，樹立了“東方紅”一號、“神舟”五號、“嫦娥”一號中國航天史上三大里程碑。研究院堅持軍民融合發展，充分發揮航天技術的優勢和輻射帶動作用，不僅將航天先進技術推廣到國民經濟的多個領域，也將先進的系統工程理論等管理方法不斷應用于民用產業，產生了顯著的經濟效益和社會影響力。

二、我國智慧城市建設存在的主要問題

1.缺乏科學的頂層設計

部分地區參照已有智慧城市建設，制定了非常宏偉的智慧城市建設目標，規劃內容包羅萬象，然而缺乏明晰的頂層設計，沒有詳細的推進思路和相關資源的統一協調利用及保障體系，這些成為這些區域建設智慧城市最大的障礙。

2.城市信息資源沒有實現數據共享

我國當前的基礎設施特別是物聯網無法實現互聯互通、基礎信息也無法在城市級別共享利用、信息系統沒有完全協同運作；以某一領域的智慧化試點作為智慧城市切入城區不在少數，隨著智慧專項的深入建設，行業壁壘反而加重，協調難度增大，共享應用等方面也達不到預想的效果，專項系統最終僅為某個行業或領域的信息系統，使得城市信息資源數據沒有實現深度的互聯互通。

三、航天特色方法在智慧城市建設中的應用

智慧城市是一個復雜的巨系統，相比航天器系統更加復雜、不確定性更多，如邊界不確定、結果不單一等。要打破條塊分割的信息孤島、減少重復建設，必須從全局視角出發，系統科學地開展頂層設計；要自上而下、多維融合、標準統一地推進。航天特色智慧城市的總體思路是以實現城市治理體系和治理能力現代化為目標，以頂層規劃為指導，以底層城市信息資源平臺為支撐，在“一頂一底”之間開展協同應用，如圖1所示。

1.基于航天特色方法論科學開展頂層設計

智慧城市建設，切忌“技術決定論”。盡管智慧城市最終是為了智慧應用，但作為一項復雜的綜合性工程，涉及系統搭建、產業布局、運行維護和保障支撐等方面，不是依靠一些前沿和新興技術的簡單疊加就能實現的。為構建這種復雜系統工程的架構，需從整體上全方位、全要素地進行考慮。

一是基于Dodaf體系下的系統架構理論開展頂層設計。Dodaf體系架構是由美國國防部制定的系統體系結構框架，根據國際系統工程領域的技術進展和美國最近20年來的軍事系統研發經驗所形成的，作為指導所有軍事工程項目研發的系統工程方法論。

將Dodaf體系架構的思想及方法應用于智慧城市復雜系統的架構設計（見圖2），是將智慧城市看作一個整體，以城市治理與服務能力作為指標進行業務流程梳理和優化，再根據流程規劃智慧城市的系統結構以及與業務模型相適應的組織結構、數據結構和服務結構。按照全景、能力、數據、業務、服務等8個視角、52個子模型自上而下進行體系架構設計，形成航天特色體系架構及方案。

圖1 航天特色智慧城市總體建設思路

智慧城市體系架構采用基于能力的方式，強調利用自身的綜合能力來應對不確定的、寬泛的問題，它以各地智慧城市建設主管部門為主導，以能力為分析對象，貫徹自頂向下、反復迭代的規劃思路，其規劃路徑如圖3所示。

通過系統科學的頂層設計，可實現梳理跨領域、跨部門、跨平臺間共用的業務流程及業務數據，在整體技術架構上強調底層數據融合貫通，是底層城市信息資源平臺建設的保障；有利于政府對智慧城市建設進行統籌規劃，有效避免了各部門的重復建設；整個過程始終以跨部門協同、多領域合作、全要素整合為背景，以此為指導開發的信息系統避免了互聯、互通、互操作性差的問題；提供運用聯合方案的方法，能夠確定和描述在信息化手段以及城市治理能力和城市競爭力方面的提升作用，并能發現能力缺口以及冗余部分；對能力缺口和協同業務現狀評估依據能力依賴關系進行排序，幫助在解決方案的提出階段明確工作重點；加強了區域內和行業內的協調。

圖3 基于Dodaf體系架構規劃路徑

二是基于城市平行系統理論開展仿真驗證。平行系統理論是復雜系統控制與管理的基本方法，實現信息、關系、仿真和決策一體化，城市平行系統是由自然的物理現實城市系統和對應的人工虛擬城市系統所組成的共同系統（見圖4）。充分發揮人工系統、計算實驗和平行執行的作用，通過靜態、離線的仿真分析評估，不斷優化城市治理體系，提高城市管理與服務水平。

三是系統工程管理方法是保障。智慧城市作為一個復雜超大型信息系統工程，不僅是一個科技應用問題，更重要的是如何按照頂層設計不打折扣地執行，而系統工程的管理方法是有效保障。航天系統工程管理方法同樣可以用在智慧城市建設中，最終形成能力體系設計、評價體系設計、頂層規劃、設計建造規范、接口規范、技術產品標準、任務書、項目管理手冊、運營手冊等一系列標準體系及流程，以有效指導智慧城市建設。

2.技術管理“雙輪驅動”，逐步實現城市數據資源共享

一是依托Dodaf體系架構開展的頂層設計，梳理出需要共享的各類數據資源及業務流程，并依托相關標準規范的制定來約束數據格式。

圖4 平行系統功能及組成關系

二是建設航天特色的底層信息資源平臺——城鄉一體化信息柵格平臺（CIG）。CIG主要實現以流程驅動信息的按需聚合，實時調用各委辦局業務系統中的數據，可節省大量數據處理工作，同時最大限度地降低數據冗余。工作流與信息流結合實現了各委辦局系統互聯互通和管理協同。

三是推動政府建立數據共享的機制體制，根據各地實際情況采用多種數據交換手段，如直接接入、前置機數據交換、定期導入等。

3.發揮天基信息資源優勢，進一步提升數據獲取能力

研究院作為我國空間事業的主導力量，已自主研制并成功發射200余個航天器，形成了航天特有的天地一體化優勢，衛星導航、衛星遙感、衛星通信綜合應用于智慧城市建設農業、林業、海洋、應急等多個領域，進一步提升了城市信息資源的數據獲取能力。

四、系統工程方法在智慧城市領域的探索和實踐

研究院作為我國航天器研制的主導力量，在天基信息資源使用方面具有優勢，同時通過系統工程方法論的指導和實踐形成了非常有代表性的實施復雜系統的技術及管理流程。在智慧城市發展的初期就進入了這個市場，將航天系統工程的方法在智慧城市的建設上進行有機結合，同時又將新技術發展的元素（大數據、物聯網、人工智能）融入智慧城市建設，形成了一整套航天特色的設計體系并進行了實踐。

1.哈爾濱智慧管網

研究院于2013年參與的哈爾濱智慧管網地下管線數據普查工程項目獲得中國測繪地理信息學會2016年全國優秀測繪工程“白金獎”。哈爾濱市地下管網存在年久失修、管理部門多、信息無法共享等諸多問題，導致管道泄漏長時間不能修復，同一條路因為管網建設在短時間內反復挖開等情況發生。為了徹底解決這種多頭分管的情況，避免重復建設和資源浪費，哈爾濱市啟動“智慧管網”建設。

哈爾濱智慧管網系統平臺建設實現了地下管網信息由多家封閉管理變為開放式的只有一個“管家”，各管線產權單位共享資源，一旦發生地下管網事故相關產權單位可隨時快速查準漏點進行搶修。當城市的壓力管道發生爆管泄漏時，通過系統的壓力管道爆管分析，工作人員能夠快速、準確地定位漏點，并對管線進行分析，及時找出相關的控制閥門，有效控制災情，縮短搶險救災時間。

在實施哈爾濱智慧管網項目的基礎上，研究院進一步開展對哈爾濱市的智慧城市建設工作，開拓了城市信息管理等其他領域的建設項目。

2.長興縣域治理現代化示范工程

浙江省長興縣地處長三角區域中心，2016年在全國“百強縣”排名第57位，綜合實力較好。雖然基礎設施相對完善，全縣已建成的信息化系統197個，中央部委垂直系統13個、省建系統60個、市建系統8個、縣內主建系統116個，但各委辦局之間缺乏聯動機制，數據不共享，協同效率低。

通過與研究院下屬航天神舟智慧公司合作，以頂層設計為突破口，建設航天特色的CIG平臺。作為全縣各類信息資源統一、唯一的“接入口”，推動政府組織委辦局建立了數據共享機制，共整合了48個部門、392類信息資源、4007個數據項，基本實現數據共享，初步預計節約信息系統建設投資30%以上，服務器等硬件投資減少60%以上。

當前，中國航天科技集團有限公司正在部署的低軌道通信衛星星座最終將超過300顆衛星，將成為全球無縫覆蓋的空間信息網絡基礎建設，為地面固定、手持移動、車載、船載、機載等各類終端提供互聯網傳輸服務，將為我國智慧城市建設注入新的動力。

通過航天特色智慧城市建設的探索與實踐，一方面表明在面對復雜大系統的設計當中，頂層設計非常重要，且采用系統工程方法論的指導是可行且有效的；另一方面在面對智慧城市信息壁壘這個關鍵難題時，技術手段是重要的，但需要政府的機制和管理體制作支撐，只有真正實現城市信息互聯互通，才能實現城市治理體系及治理能力現代化。