系統(tǒng)工程在航空裝備維修領(lǐng)域應(yīng)用的思考

■ 韓梁 李淼/國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠

0 引言

隨著航空裝備的研制發(fā)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(tǒng)工程的理論和方法已在新型航空裝備研制過(guò)程中應(yīng)用，而航空裝備維修企業(yè)作為全壽命周期產(chǎn)業(yè)鏈的末端，為了更好地介入裝備設(shè)計(jì)、研制等過(guò)程，進(jìn)一步提高裝備維修保障效能，系統(tǒng)工程理論和方法的應(yīng)用成為了重要橋梁。

1 對(duì)系統(tǒng)工程的認(rèn)知

1.1 什么是系統(tǒng)工程

系統(tǒng)工程是一個(gè)視角、一個(gè)流程、一門(mén)專業(yè)，代表性的定義有三種。

1）系統(tǒng)工程是一種使系統(tǒng)能成功實(shí)現(xiàn)的跨學(xué)科的方法和手段。系統(tǒng)工程專注于：在開(kāi)發(fā)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(jìn)行設(shè)計(jì)綜合和系統(tǒng)確認(rèn)，并同時(shí)考慮完整性問(wèn)題，即在考慮運(yùn)行、成本、進(jìn)度、性能、訓(xùn)練、支持、試驗(yàn)、制造和退出問(wèn)題時(shí)，進(jìn)行設(shè)計(jì)綜合和系統(tǒng)確認(rèn)。系統(tǒng)工程把所有學(xué)科和專業(yè)群體綜合為一種團(tuán)隊(duì)的努力，形成從概念到生產(chǎn)再到運(yùn)行的結(jié)構(gòu)化開(kāi)發(fā)流程。系統(tǒng)工程以提供滿足用戶需要的高質(zhì)量產(chǎn)品為目的，同時(shí)考慮所有客戶的業(yè)務(wù)和技術(shù)需要（INCOSE，2004）。

2）系統(tǒng)工程是一種自上而下的綜合、開(kāi)發(fā)和運(yùn)行一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的迭代過(guò)程，以接近于最優(yōu)的方式滿足系統(tǒng)的全部需求（Eisner，2008）。

3）系統(tǒng)工程是一門(mén)專注于整體而不是各個(gè)部分設(shè)計(jì)和應(yīng)用的學(xué)科，涉及從問(wèn)題的整體性來(lái)審視，將問(wèn)題的所有方面和所有變量都考慮在內(nèi)，并將社會(huì)與技術(shù)方面相關(guān)聯(lián)（FAA，2006）。

可以看出系統(tǒng)工程具有跨學(xué)科、迭代性、整體性和社會(huì)技術(shù)等特點(diǎn)。系統(tǒng)工程的視角是基于系統(tǒng)的思考，系統(tǒng)工程流程具有支持發(fā)現(xiàn)、學(xué)習(xí)和持續(xù)改進(jìn)的迭代式方法論[1]。

1.2 系統(tǒng)工程的起源與發(fā)展

現(xiàn)代系統(tǒng)工程的起源可追溯到20世紀(jì)30年代，最早應(yīng)用于英國(guó)防空系統(tǒng)的項(xiàng)目中。隨后在國(guó)際上的影響越來(lái)越廣泛，尤其是在復(fù)雜系統(tǒng)、組織系統(tǒng)工程等方面的研究中的應(yīng)用，使得系統(tǒng)工程學(xué)科成為解決制造企業(yè)乃至經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中復(fù)雜、系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題的核心。美國(guó)、英國(guó)以及前蘇聯(lián)等國(guó)家的科技工作者先后在軍事戰(zhàn)略布置、國(guó)防建設(shè)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域和工業(yè)企業(yè)管理中不斷推出設(shè)計(jì)良好的應(yīng)用系統(tǒng)，為系統(tǒng)工程方法的研究與應(yīng)用做出了不懈的努力。

20世紀(jì)50～60年代，中國(guó)的一些研究機(jī)構(gòu)和著名學(xué)者為系統(tǒng)工程的研究與應(yīng)用做了理論的探討、應(yīng)用上的嘗試和技術(shù)方法上的準(zhǔn)備。國(guó)內(nèi)對(duì)系統(tǒng)工程的大規(guī)模研究和應(yīng)用是從20世紀(jì)70年代末80年代初開(kāi)始的。1978年9月27日，錢(qián)學(xué)森、許國(guó)志、王壽云在《文匯報(bào)》上發(fā)表了題為《組織管理的技術(shù)——系統(tǒng)工程》的長(zhǎng)篇文章；1980年11月，中國(guó)系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)在北京成立。20世紀(jì)70年代末以來(lái)，應(yīng)用系統(tǒng)工程理論和方法研究與解決中國(guó)重大的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，在諸多領(lǐng)域和方面包括軍事領(lǐng)域都取得了較好的效果。

從美國(guó)、俄羅斯、歐洲以及其他先進(jìn)國(guó)家角度來(lái)看，系統(tǒng)工程技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)如下。

1）系統(tǒng)工程的標(biāo)準(zhǔn)體系越來(lái)越完善。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）已構(gòu)建了規(guī)范化的航天器設(shè)計(jì)指南及行之有效的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。現(xiàn)在，NASA又制定了一項(xiàng)完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃，主要在吸收非政府標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)發(fā)新標(biāo)準(zhǔn)以及共享國(guó)家與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)一步完善。另外，歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織根據(jù)NASA、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、各航天公司標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了一套全新的系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)體系，這樣，航天器在實(shí)施系統(tǒng)工程時(shí)就有一套完善、高效的技術(shù)作為支撐，以及相關(guān)的活動(dòng)程序作為參照。

2）系統(tǒng)工程的支持能力進(jìn)一步增強(qiáng)。NASA、歐洲航天局（ESA）等機(jī)構(gòu)相繼研發(fā)與利用航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及仿真平臺(tái)，同時(shí)還組建了一個(gè)專門(mén)的協(xié)同設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，主要對(duì)各種類(lèi)型較為復(fù)雜、規(guī)模大的系統(tǒng)及設(shè)計(jì)分析仿真提供有利的支持。例如，NASA研發(fā)的系統(tǒng)工程系列環(huán)境系統(tǒng)以及飛行器仿真系統(tǒng)等各項(xiàng)技術(shù)得到了普遍應(yīng)用，使得系統(tǒng)工程的支撐能力有了很大增強(qiáng)。

3）系統(tǒng)工程的長(zhǎng)效機(jī)制不斷完善。結(jié)合西方國(guó)家諸多系統(tǒng)工程技術(shù)發(fā)展情況來(lái)看，系統(tǒng)工程技術(shù)能力顯著優(yōu)點(diǎn)在于：技術(shù)活動(dòng)中的規(guī)范作業(yè)程序得到了進(jìn)一步的優(yōu)化；隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)工程的應(yīng)用平臺(tái)和仿真試驗(yàn)支持能力有了很大的提升；結(jié)合豐富的研制經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步健全其長(zhǎng)效機(jī)制，并制定了一套有效的發(fā)展規(guī)劃及部署[2]。

4）基于模型的系統(tǒng)工程已經(jīng)成為未來(lái)發(fā)展的基本趨勢(shì)。在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之后，建模與仿真已經(jīng)成為區(qū)別于理論和實(shí)驗(yàn)的第三種方法。當(dāng)前，建模與仿真已被定義為跨系統(tǒng)生命周期流程的系統(tǒng)工程共性方法，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)概念的完整性表達(dá)，支持系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證與確認(rèn)活動(dòng)的開(kāi)展，涉及建模目的、標(biāo)準(zhǔn)、范圍、類(lèi)型、語(yǔ)言等內(nèi)容。許多模型和仿真實(shí)踐已被正規(guī)化為系統(tǒng)工程流程，眾多建模語(yǔ)言已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。在“基于模型”的背景環(huán)境下，支持系統(tǒng)工程學(xué)科的有關(guān)方法論、流程、方法和工具日趨成熟，且在航空航天/防務(wù)領(lǐng)域已被證明。模型將不再像傳統(tǒng)系統(tǒng)工程中那些只是文件中的“附屬品”，而是成為系統(tǒng)工程的主要產(chǎn)物和手段。特別是在工業(yè)4.0時(shí)代，為全系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供數(shù)字線索和“數(shù)字孿生”，使系統(tǒng)/產(chǎn)品的數(shù)字模型與物理試驗(yàn)在全生命周期內(nèi)保持同步進(jìn)化[1]。

1.3 系統(tǒng)工程的價(jià)值

系統(tǒng)工程以系統(tǒng)的思維、理論和方法，致力于復(fù)雜系統(tǒng)的成功，已成為管理復(fù)雜性和變化性的有效方法，是促進(jìn)企業(yè)創(chuàng)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(fēng)險(xiǎn)的有效手段，在提升效能和投資回報(bào)方面展示了非常優(yōu)越的價(jià)值，是建立和保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。

1.4 系統(tǒng)工程在航空工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

航空工業(yè)作為我國(guó)軍工行業(yè)的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，正面臨著前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。面對(duì)新型航空裝備研發(fā)的戰(zhàn)略性、復(fù)雜性和創(chuàng)新性環(huán)境，必須采用系統(tǒng)工程的理論和方法。自2012年起，航空工業(yè)系統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)工程，設(shè)立系統(tǒng)工程推進(jìn)委員會(huì)作為日常推進(jìn)工作的主要責(zé)任部門(mén)，負(fù)責(zé)航空工業(yè)系統(tǒng)工程實(shí)施方法的制定及各成員單位項(xiàng)目的實(shí)施服務(wù)，同時(shí)承擔(dān)系統(tǒng)工程流程體系、知識(shí)體系與培訓(xùn)體系的導(dǎo)入、開(kāi)發(fā)與推廣。

截至2018年，航空工業(yè)已有40多家主要研究所和設(shè)計(jì)制造單位推動(dòng)并實(shí)施了基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE），為加速數(shù)字化時(shí)代的研發(fā)轉(zhuǎn)型和智能制造、推動(dòng)高端制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)奠定了堅(jiān)實(shí)而又廣泛的基礎(chǔ)。

2017年，航空工業(yè)首款全面應(yīng)用系統(tǒng)工程的新型無(wú)人機(jī)研發(fā)成功。航空工業(yè)一飛院將全面推進(jìn)MBSE列入2019年度重點(diǎn)工作，他們認(rèn)為通過(guò)在MA700等新型號(hào)飛機(jī)上的試點(diǎn)，MBSE已經(jīng)具備全面體系化推進(jìn)的客觀條件，為構(gòu)建以MBSE為核心的新型研發(fā)體系提供了千載難逢的機(jī)遇和載體。2018年是一飛院MBSE推進(jìn)的“體系年”和“需求年”，基本建立起了MBSE的體系架構(gòu)。2019年是MBSE推進(jìn)的“需求年”和“架構(gòu)年”，工作重點(diǎn)也將由體系級(jí)、飛機(jī)級(jí)延伸到分/子系統(tǒng)級(jí)。

為了系統(tǒng)地推進(jìn)系統(tǒng)工程，航空工業(yè)還建立了完整的系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)體系，目前已經(jīng)完成其中300余份標(biāo)準(zhǔn)的編制。可以預(yù)見(jiàn)，作為航空工業(yè)的戰(zhàn)略性工程，系統(tǒng)工程將在航空工業(yè)領(lǐng)域及航空裝備全生命周期發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

2 關(guān)于系統(tǒng)工程的幾點(diǎn)思考

2.1 全面系統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)工程是航空裝備修理企業(yè)強(qiáng)烈的內(nèi)在需求

系統(tǒng)工程的提出和發(fā)展始終與航空航天的實(shí)踐緊密結(jié)合在一起，系統(tǒng)工程起源于20世紀(jì)的防務(wù)和航空航天系統(tǒng)，現(xiàn)代的系統(tǒng)工程也具有強(qiáng)烈的防務(wù)和航空航天傳承，系統(tǒng)工程手冊(cè)中大多數(shù)流程能夠以直接的方式使用。航空裝備維修具有復(fù)雜性、不確定性，利益攸關(guān)者眾多，使用條件極端，系統(tǒng)生命周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，符合系統(tǒng)工程應(yīng)用的范圍。尤其在備戰(zhàn)的大背景和環(huán)境下，對(duì)航空裝備維修的周期、質(zhì)量和成本提出了更高的要求，系統(tǒng)工程作為一套科學(xué)的理論和方法，可以進(jìn)一步提升裝備維修的科學(xué)性和規(guī)范性，提升航空裝備修理企業(yè)的整體能力。

2.2 全面系統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)工程是實(shí)現(xiàn)裝備維修正向設(shè)計(jì)的必由之路

根據(jù)張新國(guó)介紹，系統(tǒng)工程的重要作用之一就是實(shí)現(xiàn)“需求的正向提出”和“研發(fā)的正向設(shè)計(jì)”。當(dāng)前，航空裝備維修基本還依靠“設(shè)計(jì)維修”和“經(jīng)驗(yàn)維修”，維修需求的識(shí)別與整理以及維修的正向設(shè)計(jì)長(zhǎng)期缺乏，但隨著航空工業(yè)深入推進(jìn)系統(tǒng)工程以及航空裝備修理企業(yè)自身發(fā)展的需要，維修設(shè)計(jì)必將向正向設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。系統(tǒng)工程提供了更為系統(tǒng)和全面的正向設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)提供了很好的實(shí)施路徑。

2.3 全面系統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)工程是融入航空裝備全生命周期的重要橋梁

當(dāng)前，系統(tǒng)工程在航空工業(yè)新裝備研發(fā)過(guò)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(huán)，在研發(fā)過(guò)程中越來(lái)越受重視，如何參與并影響裝備研發(fā)過(guò)程中的維修性設(shè)計(jì)，融入航空裝備全生命周期，已經(jīng)成為航空裝備修理企業(yè)的重要命題。全面系統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)工程，是統(tǒng)一航空工業(yè)部門(mén)和裝備修理企業(yè)研發(fā)平臺(tái)和語(yǔ)言環(huán)境的重要環(huán)節(jié)。

2.4 航空裝備修理企業(yè)正處于全面系統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)工程的歷史機(jī)遇期

隨著航空裝備研制的進(jìn)展，新型裝備普遍采用系統(tǒng)工程，其維修必須與研制統(tǒng)一平臺(tái)和環(huán)境，當(dāng)前正是全面系統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)工程的歷史機(jī)遇期。從另外一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，推進(jìn)系統(tǒng)工程的窗口期也非常短，如不加快推進(jìn)，將錯(cuò)過(guò)歷史發(fā)展期。推進(jìn)系統(tǒng)工程不是一朝一夕，不可一蹴而就，從航空工業(yè)的推進(jìn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看還需要較長(zhǎng)時(shí)間，必須要有強(qiáng)烈的危機(jī)感，加快策劃和實(shí)施。

2.5 航空裝備修理企業(yè)具備全面系統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)工程的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)條件

近年來(lái)，航空裝備修理企業(yè)導(dǎo)入了一定的復(fù)雜理論、方法和工具，并予以實(shí)施，擁有一批思想開(kāi)放、眼界開(kāi)闊、知識(shí)經(jīng)驗(yàn)豐富、學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、改革創(chuàng)新意識(shí)強(qiáng)的高端人才隊(duì)伍；同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及系統(tǒng)內(nèi)多年來(lái)數(shù)字化修理、工業(yè)4.0的研究與實(shí)施，與工業(yè)部門(mén)和地方企業(yè)良好的合作關(guān)系，都為推動(dòng)和實(shí)施基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）創(chuàng)造了良好的環(huán)境和基礎(chǔ)。

3 推進(jìn)系統(tǒng)工程的幾點(diǎn)想法

雖然全面系統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)工程對(duì)航空裝備修理企業(yè)的發(fā)展具有較強(qiáng)的戰(zhàn)略意義，但推進(jìn)和實(shí)施過(guò)程中必將遇到較大的困難和問(wèn)題。為了順暢、快速、穩(wěn)妥地推進(jìn)系統(tǒng)工程的建設(shè)，提出幾點(diǎn)想法。

1）迅速和普遍提高對(duì)系統(tǒng)工程的理解和認(rèn)識(shí)，加快人才培養(yǎng)

企業(yè)管理者和決策者應(yīng)理解和把握系統(tǒng)工程思想，認(rèn)識(shí)到系統(tǒng)工程的重要作用，具備強(qiáng)烈的推進(jìn)意愿是成功推進(jìn)系統(tǒng)工程的前提條件。具有系統(tǒng)思維和系統(tǒng)工程理論基礎(chǔ)以及扎實(shí)的航空裝備維修技術(shù)功底的系統(tǒng)工程師的培養(yǎng)，是推進(jìn)系統(tǒng)工程的關(guān)鍵要素。因此，必須采取有效手段，加快系統(tǒng)工程知識(shí)的普及，培養(yǎng)一定數(shù)量和較高水平的系統(tǒng)工程師。

2）集中全力，研究解決重難點(diǎn)問(wèn)題，突破關(guān)鍵技術(shù)

在基礎(chǔ)還比較薄弱的航空裝備修理企業(yè)中全面推進(jìn)系統(tǒng)工程，還會(huì)面對(duì)較多的重難點(diǎn)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)，尤其是在技術(shù)流程的前端，包括業(yè)務(wù)或任務(wù)分析、利益攸關(guān)者需要和需求定義、系統(tǒng)需求定義、架構(gòu)定義、設(shè)計(jì)定義等，系統(tǒng)內(nèi)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)還十分有限，不能照搬照抄國(guó)外和航空工業(yè)的研究成果，還需要重點(diǎn)突破基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）的關(guān)鍵技術(shù)，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、仿真等，這些都需要集中全系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)資源，逐項(xiàng)研究和解決。

3）適時(shí)選取典型裝備或領(lǐng)域試點(diǎn)推進(jìn)，以積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

系統(tǒng)工程需要實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和積累。在對(duì)理論和方法工具學(xué)習(xí)的同時(shí)，必須推進(jìn)試點(diǎn)工作，創(chuàng)新和研究系統(tǒng)工程理論，進(jìn)行詳細(xì)的系統(tǒng)工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，然后再逐步深入展開(kāi)推進(jìn)。可以選取在研制階段系統(tǒng)工程應(yīng)用較好的型號(hào)，選取與航空工業(yè)部門(mén)建立良好合作關(guān)系的單位進(jìn)行試點(diǎn)推進(jìn)，或者在航空裝備修理重點(diǎn)領(lǐng)域（如正向維修設(shè)計(jì)領(lǐng)域）開(kāi)展試點(diǎn)。

4）及時(shí)總結(jié)制定完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)范和支持系統(tǒng)工程活動(dòng)

基于對(duì)工業(yè)實(shí)踐的充分總結(jié)、理解和認(rèn)識(shí)，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、指導(dǎo)手冊(cè)的建設(shè)，美國(guó)與系統(tǒng)工程相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范十分豐富。航空工業(yè)部門(mén)也十分重視標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)，制定發(fā)布了一系列標(biāo)準(zhǔn)。因此，在航空裝備修理企業(yè)推進(jìn)系統(tǒng)工程的同時(shí)，必須高度重視標(biāo)準(zhǔn)體系的研究與建設(shè)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合航空裝備修理實(shí)際，總結(jié)提煉成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)，研究構(gòu)建一套健全的、規(guī)范的、高效的適合于航空裝備修理企業(yè)的系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)及其手冊(cè)，以此保障系統(tǒng)工程所有活動(dòng)項(xiàng)目的順利執(zhí)行，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)工程能力，形成一套支撐系統(tǒng)工程的長(zhǎng)效機(jī)制。