基于系統(tǒng)工程方法的科研試驗設備管理體系研究

朱可嘉，孟雪松，谷洪征

（中國航空綜合技術研究所計量維修測試中心，北京 100028）

0 引言

科研院所科研試驗設備作為科研試驗工作過程中最為核心的資源之一，是科研價值創(chuàng)造活動中最為重要的手段和工具，也是科研院所科研試驗能力的綜合體現(xiàn)。科研試驗設備運行情況的好壞，一定程度上決定著一個單位的科研水平的高低。新時期，科研院所生產(chǎn)型設備趨向大型化、精密化、集成化、自動化發(fā)展，對科研試驗設備的使用及其相應管理工作也提出了新的、更高的要求。

1 科研試驗設備管理的概念

科研試驗設備管理是以科研試驗工作中直接創(chuàng)造價值的設備為對象，追求設備綜合效率，應用一系列理論、方法，通過一系列技術、經(jīng)濟、組織措施，對設備的物質(zhì)運動和價值運動進行全過程（從規(guī)劃、設計、選型、購置、安裝、驗收、使用、保養(yǎng)、維修、改造、更新直至報廢）的科學型管理。

2 科研試驗設備管理現(xiàn)狀及問題

目前科研院所整體科研試驗設備管理理念陳舊、手段落后，雖然利用了信息化的手段對設備進行了集中管控，但尚未形成對設備論證、采辦、使用、保養(yǎng)、維修等階段在內(nèi)的全壽命周期管理方法及體系，許多科研單位對科研試驗設備管理仍處于探索階段，普遍存在著設備采辦成本高、設備功能不全、設備開機率低、設備升級改造頻繁、設備維修保養(yǎng)不到位、設備技術狀態(tài)管控弱、科研試驗任務匹配度低、專業(yè)管理人員缺乏、管理程序與制度不健全等情況。具體體現(xiàn)在：

2.1 理念及手段方面

我國在科研試驗設備管理方面起步較晚，很多管理理念來源于美歐日的汽車、家電生產(chǎn)企業(yè)，如精益管理、TPM（Total Productive Maintenance，全員生產(chǎn)維護）。實驗室對標管理往往只從科研試驗能力角度出發(fā)，沒有對其在科研試驗設備管理經(jīng)驗進行有效學習和借鑒。在VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）、大數(shù)據(jù)、以及物聯(lián)網(wǎng)等技術應用方面與國外科研院所存在較大差距，科研試驗綜合條件保障未能引起各方足夠重視。很多科研試驗設備數(shù)據(jù)沒能及時有效加以保存，相關技術價值未能得到充分挖掘。

2.2 論證及采購方面

科研生產(chǎn)型設備在購置前論證不充分，對擬購設備的性能指標參數(shù)了解不充分，沒有長遠和統(tǒng)一科學規(guī)劃；或者雖有論證，但只是出于形式，把關不嚴，隨意性大，缺乏系統(tǒng)性；或只考慮本學科使用上的便利而購置，缺乏成本意識。科研院所很多設備來自于技改及自籌，設備的論證、采購和使用之間嚴重脫節(jié)，設備的效益無法充分體現(xiàn)。

2.3 使用及維護方面

設備管理人員結構不合理，整體素質(zhì)偏低，直接影響儀器設備的準確使用；設備管理與科研試驗人員之間的溝通交流不暢，無法發(fā)揮設備最大效能。除大型科研生產(chǎn)型設備專人管理外，其他科研設備多是一人管多臺設備，專職的儀器維修人員更少。設備管理人員的操作水平不高，維修和保養(yǎng)跟不上去，儀器設備的功能開發(fā)相對薄弱。

2.4 制度及流程方面

多數(shù)科研單位尚未建立健全且行之有效的設備管理制度；大多數(shù)管理制度內(nèi)容廣泛，缺乏人性化，可執(zhí)行性、可操作性不夠強，而且部分存在是為了應付一系列的評估、檢查等而制定。設備安裝、技術工藝流程、精度等級、動力配套、計量維修、安全環(huán)保等配套方面缺乏統(tǒng)一的系統(tǒng)設計與規(guī)范的實施流程。由于標準不統(tǒng)一，造成采購、驗收、使用、維護、修理等記錄資料在填寫和存檔過程中屢有缺失。

3 科研試驗設備管理體系設計

科研試驗設備在使用用途、設備規(guī)模、使用頻率、維護成本、產(chǎn)出價值等方面，與傳統(tǒng)設備存在差異，進而導致傳統(tǒng)的生產(chǎn)設備管理理論和方法無法滿足科研院所的科研試驗設備管理的新要求、新變化。

系統(tǒng)工程是用于系統(tǒng)設計、實現(xiàn)、技術管理、運行使用和退役的專業(yè)科學方法論，系統(tǒng)工程方法面對不同利益和多樣化甚至沖突的約束，可尋找出安全平衡的方案，并在確定的使用環(huán)境下和規(guī)劃的系統(tǒng)壽命周期中達到利益相關方性能需求。科研試驗設備管理體系具有對象結構復雜、影響因素眾多、項目周期跨度長、利益相關方訴求相互沖突等特點，更是一項保障科研試驗能力科學、有序釋放的復雜工作集合，符合系統(tǒng)工程思路和方法所解決問題的范疇。以下從科研試驗設備管理的體系架構、需求分解流程、技術管理流程、系統(tǒng)實現(xiàn)流程以及配套組織架構、制度體系等方面進行分析與設計。

3.1 科研試驗設備管理的體系架構

科研試驗設備管理的主要內(nèi)容包括：設備立項論證、設備采購安裝、設備驗收交付、設備計量維修、設備改造升級、設備報廢清場等方面。根據(jù)NPR7120.5 系統(tǒng)工程方法，將以上工作劃分為以下7 個遞進階段。①A 前階段：設備立項論證，即針對所需采購設備的選型、技術參數(shù)、成本費用、壽命周期等進行綜合論證，進而確定可行備選方案；②階段A：方案細化及設備采購；③階段B：設備安裝驗收；④階段C：設備運行保養(yǎng)；⑤階段D：設備計量維修；⑥階段E：設備升級改造；⑦階段F：設備報廢清場。

首先，支撐科研試驗的設備能力是一個耦合的復雜系統(tǒng)，它是完成一系列研制及試驗任務所需的設備能力的總和。通過應用系統(tǒng)工程的方法，將設備能力管理體系從自上而下的系統(tǒng)需求分解開始，結合全面的技術管理流程，完成自下而上的系統(tǒng)級的能力實現(xiàn)。科研試驗設備管理體系架構如圖1 所示。

3.2 科研試驗設備管理的需求分解

科研生產(chǎn)型設備的管理需求，上層來自于裝備型號研制的需求，而這一需求又來自于研制大綱以及配套單位對試驗條件的相應要求。其次，科研院所計劃主管部門會結合實際資源情況，對實際形成的試驗條件及能力提出要求。在設備使用層面，業(yè)務單位會根據(jù)不同的受試對象、測試要求及業(yè)務單位資源情況，提出相應的需求。例如，要保證試驗設備連續(xù)長時間運行，改變機械降溫為物理降溫，增加設備氣密性等。

圖1 科研試驗設備管理體系架構

圖2 需求分解流程

為滿足不同的需求，就要針對需求的共性特點，形成設備論證采辦的方案、設備運行保障方案、設備報廢拆卸方案等，以保證相關需求通過不同的渠道落實到位。同時，形成對設備管理的具體目標要求，具體包括采辦的周期和成本、設備運行的效率與效益、設備故障情況等。最終分解到不同類型的科研試驗設備上。需求分解流程如圖2 所示。

3.3 科研試驗設備管理的技術管理

技術管理流程是項目管理和技術團隊之間的紐帶，更是落實系統(tǒng)需求輸入及分解過程以及承接系統(tǒng)實現(xiàn)過程的必要環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)工程引擎的技術管理部分，即技術規(guī)劃、技術控制（需求管理、接口管理、風險管理、狀態(tài)管理、數(shù)據(jù)管理）、技術評估（技術評估、效益評估）、決策與分析，各部分之間相互關聯(lián)，共同構成了系統(tǒng)功能的集成，從而保證了系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。而且，不是每個系統(tǒng)內(nèi)的設備管理活動都直接經(jīng)歷這所有流程，但他們卻間接接收到這些關鍵功能的影響。技術管理流程如圖3 所示。

科研試驗設備管理技術規(guī)劃是系統(tǒng)工程引擎中技術管理流程的第一個，它為應用和管理每個公共技術流程確立一個計劃，這個計劃將能夠用來驅(qū)動科研試驗設備管理體系和相應工作。這個流程還為辨別和定義設備管理技術工作確立一個規(guī)劃，這些技術工作是在項目費用、進度和風險約束下，為滿足項目目標和壽命周期成功準則所必要的。

科研試驗設備需求管理活動用于對所有利益相關者的期望、客戶的需求、自頂向下指導最底層產(chǎn)品組件的技術產(chǎn)品需求進行管理。結合科研試驗設備能力這一復雜系統(tǒng)，在實際管理過程中可對科研試驗設備管理工作進行分解，并設定需求控制基線進行追溯及變更管理。

接口管理與控制對于科研試驗設備管理體系運行的成功至關重要。接口管理是在不同組織、部門及團隊中分解科研試驗設備管理工作時輔助控制項目實現(xiàn)過程，也是定義和維護需要操作一致性的過程。

風險管理流程是交叉關聯(lián)的技術管理流程之一。風險是以下部分的組合：設備本身及設備管理過程中可能經(jīng)歷非期望時間的概率；如果非期望事件真的發(fā)生，其產(chǎn)生一定影響及后果。這個非期望時間可能是技術性或管理性原因引起的（如成本超支、進度延遲、安全事故、操作失誤、環(huán)境影響或未能達到所需的科學技術目標或成功準則）。就科研試驗設備管理而言，設備故障、設備維修計劃拖期、設備操作的質(zhì)量安全的風險是管理的重點，并需通過持續(xù)的設備有關的風險識別、分析、計劃、跟蹤和控制，逐漸減少風險發(fā)生的概率及造成的負面影響。

技術狀態(tài)管理是在項目壽命周期內(nèi)應用的，控制性能變更和功能與物理特性變更，并為其提供可視化的管理手段。技術狀態(tài)管理保證項目的技術狀態(tài)是已知的并能反應項目的信息，任何項目變更是有利的且沒有不良后果影響，并保證這些變更是可控的。就設備管理來說，即在生產(chǎn)型設備全壽命周期內(nèi)，確保各階段設備技術及管理狀態(tài)穩(wěn)定、一致，最大程度上避免技術及管理風險。具體包括設備技術狀態(tài)計劃和管理、技術狀態(tài)識別、技術狀態(tài)變更管理、技術狀態(tài)記錄、技術狀態(tài)驗證。涉及生產(chǎn)型設備技術狀態(tài)變更的只有設備整體及部件的購買、維修、計量、重用。

圖3 技術管理流程

其中，科研試驗設備管理中的技術狀態(tài)識別就是選擇、組織和陳述設備性能及管理屬性的系統(tǒng)性過程。就生產(chǎn)型設備的技術狀態(tài)管理而言，其主要圍繞產(chǎn)品控制基線和部署基線展開，即對設備運行使用狀態(tài)評審時，對功能基線中標注的狀態(tài)進行核對和記錄。在設備發(fā)生故障問題時，及時對產(chǎn)品控制基線中的控制項的物理特性、形狀、組裝和功能特征進行變更記錄。技術狀態(tài)驗證是通過檢查文件、設備和記錄，通過評審技術、流程和業(yè)務系統(tǒng)來驗證設備是否達到所需的性能需求和功能屬性。

技術數(shù)據(jù)管理流程用于技術數(shù)據(jù)的規(guī)劃、獲取、訪問、管理、保護和使用，以支持系統(tǒng)的全壽命周期。設備管理中的技術數(shù)據(jù)主要涉及設備本身的性能數(shù)據(jù)以及過程有關的管理數(shù)據(jù)（成本、費用、計劃、維修和計量記錄等）。

技術評估是交互關聯(lián)的流程之一，通過定期技術評審輔助監(jiān)控工程/項目的技術進展。它還提供狀態(tài)信息來支持評估系統(tǒng)、功能實現(xiàn)和技術管理決策。設備管理中的技術評估主要涉及技術規(guī)劃評估（管理計劃、評審計劃、增值管理計劃等）、技術指標評估（效能指標、性能指標、技術性能指標等）、報告需求評估（風險、費用、進度等）。

決策分析是用來幫助評價技術問題、備選方案及其支持決策時的不確定性。就科研試驗設備管理而言，通常需要明確決策者及其責任，并具備規(guī)范的備選方案評價技術規(guī)程。

3.4 科研試驗設備管理的系統(tǒng)實現(xiàn)

設備管理系統(tǒng)的實現(xiàn)流程是指設備通過購買、維修、改造、計量、重用，在較高層次完成科研試驗能力的組裝集成，根據(jù)能力設計需求及規(guī)范驗證，根據(jù)利益相關者期望確認，最終提交到系統(tǒng)更高層次。該過程中交叉關聯(lián)著技術管理的有關過程，并經(jīng)過技術評估流程驗證，確保設備技術數(shù)據(jù)資料的一致性，即符合利益相關者需求的設備能力得以準確構建。系統(tǒng)實現(xiàn)流程如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)實現(xiàn)流程

表1 科研試驗設備利益關聯(lián)方分布

3.5 科研試驗設備管理的利益關聯(lián)方

科研試驗設備管理體系內(nèi)的利益關聯(lián)方主要涉及設備需求方、設備論證方、設備購買方、設備所有方、設備使用方、設備技術改造方、設備保障方、專家委員會及最高決策者等。主要涉及的職責包括設備購置需求的提出、設備性能及規(guī)格的論證、設備招標及商務談判、設備資產(chǎn)登記、設備安裝、設備保養(yǎng)、設備升級改造、設備維修及計量、設備動力及工藝配套、備件采購及更換、設備報廢、設備重用等。科研試驗設備利益關聯(lián)方分布見表1。

科研試驗設備需求方可以是外部客戶、內(nèi)部業(yè)務單位。

科研試驗設備論證方可以是內(nèi)部業(yè)務單位、組織指定的生產(chǎn)型設備管理部門。

科研試驗設備購買方可以是內(nèi)部技術改造部門、生產(chǎn)保障部門及設備管理部門。

科研試驗設備所有方具有唯一性和代理人特點，所有方均為資產(chǎn)管理部門，代理所有者可以是實際操作和維護設備的單位或部門。

科研試驗設備使用方指直接操作設備并產(chǎn)生直接價值的部門，具體可以是生產(chǎn)型設備使用單位、保障設備及設施操作部門。

科研試驗設備技術改造方是內(nèi)部負責技術改造的部門。

科研試驗設備保障方是負責設備搬運、安裝、保養(yǎng)、維修、計量等工作的部門。

專家委員會是參與有關科研試驗設備論證的專家組成的臨時性組織。

最高決策者是科研試驗設備采購、搬遷、改造等工作的最終決策人。

注：職責分為兩類，一類是“參與”用B 標識，另一類是“負責”用A 標識。

為了更好地劃分設備管理體系內(nèi)的職責關系，根據(jù)設備管理的一般經(jīng)驗，可將科研試驗設備管理組織架構共分為4 個層級，分別是決策層、輔助決策層、管理層、實施層。結合科研院所組織運行的實際情況，有如下組織架構，科研試驗設備管理體系內(nèi)利益關聯(lián)方結構如圖5 所示。

3.6 科研試驗設備管理的約束機制

科研試驗設備管理受到來自不同維度、不同程度的約束，要想實現(xiàn)科研試驗管理效果最優(yōu)，并能達成絕大多數(shù)利益關聯(lián)方的訴求，就需要從設備約束本身的目標和層級入手，明確不同約束下的平衡機制，即優(yōu)先關系、強弱關系。通常約束提出的層級越高，則約束的優(yōu)先級越高，外部約束強于內(nèi)部約束。

科研設備管理制度與科研試驗管理制度、職能運營管理制度共同形成了科研試驗設備管理的約束機制。就約束的內(nèi)容來看，涉及設備采購、設備驗收、設備檔案、設備維護、設備檢修、設備故障、維護保養(yǎng)、設備計量、備品備件等活動。歸納起來包括設備技術管理約束、運行管理約束、保障管理約束、退出管理約束。科研試驗設備管理約束機制如圖6 所示。

圖5 科研試驗設備管理體系內(nèi)利益關聯(lián)方結構

圖6 科研試驗設備管理約束機制

科研試驗設備管理約束機制的目的是：規(guī)范操作流程、提高使用效率、支撐科研試驗、積極創(chuàng)造價值、確保質(zhì)量安全、降低系統(tǒng)風險、嚴控成本費用。從形式上分為制度、細則、規(guī)范。

科研試驗設備管理制度涵蓋內(nèi)容包括：設備臺賬檔案管理制度、設備標識、設備的組織、設備的租賃或調(diào)動、設備的使用及管理、設備的保養(yǎng)及維修、設備的安裝和拆卸以及運輸、設備的停用管理、設備的報廢批準等內(nèi)容。

科研試驗設備管理制度實施細則包括：設備管理制度的適用范圍、目的、職責。固定資產(chǎn)管理、設備升級改造、新增設備的管理、設備的搬遷、設備租賃和調(diào)撥、設備的封存管理、設備的報廢、設備的使用管理、設備的維護保養(yǎng)、設備計劃檢修、重點關鍵設備管理、特種設備的管理、動力設施的管理、設備事故處理及應急響應、設備的潤滑管理、設備的備件管理、設備事故處罰、設備完好獎罰、計量器具管理等內(nèi)容。

4 結束語

綜上所述，在未來很長一段時期內(nèi)，科研試驗設備管理水平的高低勢必成為影響科研創(chuàng)新能力提升的關鍵。在“中國制造”向“中國創(chuàng)造”轉變過程中，除了在思想上要提高認識外，還應該在方法論上下功夫，在新技術、新手段上不斷加以探索。

4.1 提高科研試驗設備論證的系統(tǒng)性及科學性

科研試驗設備的論證不應該為了“論證”而論證，不是為了“現(xiàn)在”而論證，更不是為了局部“某個”技術問題而論證。要立足系統(tǒng)全局，從技術發(fā)展的長遠視角來開展論證工作。另一方面，科研試驗設備論證之初，就要將與之有關的系統(tǒng)要素考慮進來，包括科研試驗設備后續(xù)的使用環(huán)境、工藝條件、人員配置、技術需求、以及經(jīng)濟社會效益（回收周期）。只有這樣才能做到科學合理，才不會在未來的設備使用過程中產(chǎn)生不必要的問題。

4.2 加強科研試驗設備的綜合效能評估

科研試驗設備來源廣泛，主要源自單位自籌和國家技改兩個渠道。對于國有科研院所來說，設備采購及研制的經(jīng)費均來自于國家財政，這就造成很多生產(chǎn)型設備閑置后無人問津，甚至為了完成技改任務還要花費額外的成本。對于眼下未投入使用的設備，可以運用綜合效益評估的方法，對設備的投資回收期及效益均衡點進行測算，并根據(jù)測算結果選擇報廢、轉讓、合作、及重用等方案。對正常運轉的設備進行定期評估，以便實現(xiàn)總體運行成本的合理轉移及分攤，進而提高科研生產(chǎn)型設備整體運行的綜合效能。

4.3 完善科研試驗設備管理的組織架構

很多機構和組織長期以來不重視科研試驗設備的管理，更強調(diào)科研試驗設備論證，不注重后期使用及運營，進而導致“馬路警察，各管一段”的情況屢有發(fā)生。就其根源，在于科研試驗設備管理未像科研計劃管理一樣，形成一套完整的組織架構。因此，有必要構建一個由決策層、輔助決策層、管理層、實施層構成的決策組織，各層分別承擔不同的責任，行使不同的權利。在生產(chǎn)型設備管理的不同階段要實現(xiàn)多維、多層級間的共識共為，以達到組織架構內(nèi)的信息對稱（決策接口一致性）。

4.4 鼓勵科研試驗設備管理新方法和新手段的運用

隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術興起，特別是分布式計算能力、物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術的快速發(fā)展，原有的科研院所生產(chǎn)型設備管理模式也在悄然發(fā)生著變化，不論從管理響應的及時性、運行的準確性、保障的智能化等方面均提出了新的要求。同時，在管理方面基于模型的系統(tǒng)工程、人工智能的發(fā)展也在沖擊著傳統(tǒng)的生產(chǎn)型設備管理理念。這就需要結合科研院所的實際情況，分布有序的進入與技術發(fā)展相適應的新方法和新手段。進而，不斷提升和改進科研試驗設備管理水平。