霍爾三維結構模型在氣象衛星工程體系設計中的應用

0 引言

風云氣象衛星作為我國氣象觀測的重要基礎設施，歷經50多年發展，已形成“多星在軌、組網觀測”業務格局。目前，8顆氣象衛星在軌運行，它們在全球氣象監測和預報、氣候研究、氣象防災減災及空間天氣等諸多領域發揮著不可替代的關鍵作用[1-4]。隨著科技的飛速進步與社會需求的持續增長，風云氣象衛星的發展已突破單星運行或單一軌道的局限，步人體系化空間架構和多軌道協同觀測的新階段。這對衛星工程體系提出了更高要求，包括提升觀測精度、拓展觀測要素、優化時空分辨率，以及增強星地系統的可靠性、穩定性與響應能力等。面對復雜多元的需求，急需構建一套科學高效的工程方法論，以指引未來風云氣象衛星工程體系論證，保障其精準契合實際發展需求，實現持續優化升級。

霍爾三維結構作為一種成熟且應用廣泛的系統工程管理方法，其以獨特的三維結構，從時間維、邏輯維和知識維三個維度為工程管理提供全面、系統的框架，已在國內外諸多領域被廣泛應用[5-9]。隨著我國對霍爾模型的研究和應用不斷深入，氣象領域也在積極探索霍爾模型的應用路徑。李雁等[10]以我國氣象工程中的綜合氣象觀測系統運行監控平臺開發項目為案例，結合氣象工程項自特點，對霍爾三維模型進行了嘗試性研究，驗證了其良好的適用性；王慕華[構建了基于霍爾三維結構模型的氣象防災減災監控管理研究框架；李勝杰等[12開展了基于霍爾三維結構的氣象標準體系構建研究。

基于以上研究，本研究將霍爾三維結構模型引入風云氣象衛星工程體系設計，為氣象衛星工程體系設計提供一種系統的視角和工具，深度挖掘其在統籌工程規劃、優化決策流程、整合知識資源等方面的潛力。從系統規劃角度出發，全面梳理工程體系設計各階段任務與目標，確保工程全過程緊密銜接、有序推進。在設計優化環節，深入剖析體系各部分邏輯關系，實現體系性能最優化。從知識整合層面，充分融合氣象、航天、工程、管理等多領域知識，旨在全方位提升氣象衛星工程體系設計水平與運行效能。

1 霍爾三維結構

霍爾三維結構由美國系統工程專家霍爾（A.D.Hall）于20世紀60年代提出，最初旨在為復雜系統工程提供一種結構化的分析與管理框架[13]。其從時間、邏輯和知識三個維度對系統工程活動進行分解與整合。霍爾三維結構歷經多年實踐與理論完善，已廣泛應用于航空航天、國防、通信等眾多領域，成為系統工程管理的經典模型之一。

霍爾三維結構模型將系統工程的整個活動過程分為前后緊密銜接的7個階段和7個步驟，同時還考慮到為完成這些階段和步驟所需要的各種專業知識和技能，構建了一個由時間維、邏輯維和知識維組成的立體化管理框架。時間維按照系統工程的生命周期，依次劃分為規劃、方案、研制、生產、安裝、運行及更新7個階段。各階段均設有明確的起止標志與任務重點，構成項目推進的時間脈絡，確保工程按序開展，避免任務遺漏與混亂。邏輯維側重于解決問題的邏輯步驟，涵蓋問題定義、目標設定、系統綜合、系統分析、優化選擇、決策制定及實施計劃7個步驟。這一系列步驟形成閉環，引導工程管理者從模糊問題中梳理出清晰的解決方案，保障決策的科學性與合理性。知識維則集成了工程實施所需的各類專業知識，包括自然科學、工程技術、社會科學、管理科學等多學科領域。不同階段與邏輯步驟需要調用相應的知識模塊，知識維如同知識庫，為整個工程提供智力支持。

霍爾三維結構模型具有系統性和綜合性，它強調從全局出發，將系統工程看作一個整體，通過時間維、邏輯維和知識維的有機結合，實現對系統工程的全過程、全方位管理。這種管理框架不僅有助于明確各階段的任務和目標，還能有效整合各種資源，提高管理效率和質量。

2 風云氣象衛星工程體系

風云氣象衛星工程由衛星、運載火箭、發射、測控和地面應用五大系統組成[14]。我國已成功發射了兩代四型共21顆風云氣象衛星，目前有8顆在軌運行，形成了系列化、業務化的氣象衛星觀測系統。現行氣象衛星工程體系由部署在晨昏、上午、下午、傾斜四條軌道上的第二代極軌氣象衛星風云三號和在軌東西布局的第二代靜止氣象衛星風云四號及其地面應用系統構成[15-7]

隨著應用需求和科技水平的不斷提升，未來氣象衛星工程體系將朝著全面化、系統化、智慧化方向發展。例如，優化星座布局，多軌道衛星協同觀測，提高衛星觀測時空效率；發展多載荷、多波段、主被動結合的綜合觀測技術，實現對地球系統多要素空間觀測；構建智慧化氣象衛星數據處理和應用服務系統等[18-20]。隨著工程體系復雜程度增加，不僅需要科學技術不斷創新，也需要先進管理模式有力支撐

3氣象衛星工程體系設計霍爾三維結構模型

長期以來，風云氣象衛星工程主要依托傳統項目管理模式，以職能部門為核心，按項目階段劃分職責，實施層級式管理架構。然而，在工程實踐中，這種模式逐漸暴露出一些問題。例如，在進度管理方面，由于氣象衛星工程體系設計涉及多系統、多部門，任務接口復雜，易出現進度延遲風險，進而影響整個工程按計劃推進；在技術決策方面，面對新技術引入與傳統技術優化的抉擇時，如果缺乏系統、全面的分析流程，可能導致決策失誤。此外，氣象衛星工程體系設計需要運用多領域知識，不同專業背景人員知識共享不暢，會限制創新思維碰撞與問題解決效率。這些問題亟待借助先進管理模型加以解決。

本文在氣象衛星工程體系設計中引入霍爾三維結構模型，從時間維、邏輯維和知識維三個維度進行建模，并結合氣象衛星工程體系的自身特點和實際需求，對模型進行具體化和精細化調整。

3.1 時間維

在時間維方面，氣象衛星工程體系設計的全生命周期可以分為規劃、論證、設計、仿真運行和更新5個階段。具體如下：

（1）規劃階段。其主要任務是制定氣象衛星未來發展規劃和戰略，明確發展目標、任務及系統的設計理念和初步方案。這一階段要充分考慮氣象衛星的觀測需求和數據應用場景，同時制定具體的實施方案，涵蓋組織架構、工作重點和整體計劃安排等要素。

（2）論證階段。其主要任務是根據制定的實施方案，開展體系設計論證，結合應用需求和多領域技術水平及發展趨勢，論證技術可行性和經濟合理性。

（3）設計階段。其主要任務是結合論證結果，開展工程體系具體設計工作，涵蓋體系架構、各系統方案及接口設計等。這一階段應充分考慮體系的科學性、可靠性、安全性及可擴展性，確保系統能滿足實際應用需求。

（4）仿真運行階段。其主要任務是對工程體系設計結果開展仿真運行，以評估設計結果對應用需求的滿足度，同時測試系統的穩定性和可靠性。

（5）更新階段。其主要任務是根據技術發展和需求變化，對體系設計結果進行必要的更新和升級，確保系統能與時俱進并持續滿足新的應用需求。

3.2 邏輯維

在邏輯維方面，氣象衛星工程體系設計中的每一階段工作內容和系統性流程可以劃分為明確目標、方案設計、系統分析、方案選擇、決策和實施6個步驟。具體如下：

（1）明確目標。明確氣象衛星體系設計的具體目標和需求。這一階段需要充分收集和分析用戶需求、技術需求等信息，為后續工作提供基礎。

（2）方案設計。根據明確目標階段提出的需求和問題，設計出多個具有創新性、實用性和可實現性的系統方案。這些方案為后續工作提供了多樣化的選擇路徑。

（3）系統分析。對提出的多個系統方案進行分析和比較，評估各方案的優缺點和適用性，為方案選擇提供了科學依據。（4）方案選擇。根據系統分析的結果和實際需求，從多個備選方案中篩選出最優方案。（5）決策。對選擇的系統方案進行決策和批準，為后續工作提供了明確的指導和支持。（6）實施。將選定的系統方案轉化為具體行動，開展實施和部署工作。

3.3 知識維

在知識維方面，氣象衛星工程體系設計涉及氣象學、空間科學、遙感技術、航天技術、信息技術、管理科學等多學科知識和技術。這些知識和技術相互融合、相互促進，構成氣象衛星工程體系設計的知識體系。

通過將時間維、邏輯維和知識維有機結合，構建氣象衛星工程體系設計霍爾三維模型，如圖1所示。這一框架不僅清晰明確了各階段的任務和目標，還能有效整合各種資源，顯著提升管理效率與質量。同時，它為氣象衛星工程體系的科學決策提供了理論依據和實踐指導。

4應用案例 -以風云某號極軌氣象 衛星工程為例

我國風云某號極軌氣象衛星工程體系設計中應用了霍爾三維模型，其將體系設計工作分解至時間維、邏輯維和知識維三個維度。通過這一模型，清晰厘清了體系設計全生命周期各時間段的工作邏輯鏈條，并有效融合了多學科知識，實現了氣象衛星工程體系設計應用霍爾三維模型的創新路徑和實踐探索。

4.1時間維 × 邏輯維的霍爾活動矩陣

在風云某號極軌氣象衛星工程體系設計中，按照氣象衛星工程設計霍爾模型，明確該工作在時間維上的全生命周期各階段，以及在邏輯維上各階段解決問題應遵循的基本邏輯過程。在時間維上，將工程體系設計劃分為規劃階段、論證階段、設計階段、仿真階段、更新階段；在邏輯維上，遵循明確目標、方案設計、系統分析、方案選擇、決策和實施的基本流程。時間維 × 邏輯維的霍爾活動矩陣見表1。

矩陣元素 X_ij 表示在完成 i 階段中 j 步驟所進行的活動。例如， X₁₁ 表示在規劃階段，首先明確風云某號極軌氣象衛星體系規劃的目標，包括該衛星體系應滿足的應用需求，以及未來計劃發展的衛星數量和觀測目標； X₁₂ 表示制定該型號衛星工程體系設計的工作方案，包括確定組織架構和職責、明確設計工作內容，以及制訂詳細工作計劃；X₁₃ 表示對工作方案的合理性和可實施性進行系統分析； X₁₄～X₁₆ 表示在征求意見等環節后，選擇最科學合理的工作方案，并正式印發實施。

霍爾活動矩陣中的每一個元素代表在時間軸上某一階段的具體工作內容。如果從 X₁₁ 開始直到X₅₆ 結束，每一步都完成出色，則體系設計工作無疑是成功的；如果從 X₁₁ 開始到 X₅₆ 結束，每一步都能做到統籌規劃、提前部署，則整個體系設計工作將是邏輯清晰、系統有序的。

風云某號極軌氣象衛星工程體系設計的實踐證明：在時間維上，通過對工程階段進行精細劃分，并為每個階段設置明確的時間節點和里程碑，工程進度的把控變得更加精準，有效避免了項目拖延的風險；在邏輯維上，通過梳理和優化系統設計流程，各個環節緊密相扣、邏輯清晰，極大提高了工作效率，減少了流程混亂導致的錯誤與重復勞動。設計工作按照時間維和邏輯維的科學安排有序推進，整個工作過程清晰完整、計劃可控。最終，按照制定方案的計劃進度完成了全部設計工作，并提交了完整的設計成果。

4.2 時間維 × 知識維的知識體系

在風云某號極軌氣象衛星工程體系設計中，對時間維的5個階段所對應的知識維進行細致梳理與總結，將其歸類于4種知識分類中，構建了風云某號極軌氣象衛星工程體系設計的知識體系，時間維 × 知識維的知識體系矩陣見表2。

在規劃階段，重點使用科學知識和管理知識。其中， Y₁₁ 涉及氣象科學、空間科學等基礎科學知識，而 Y₁₄ 涉及管理學知識。在明確目標和需求時，所用到的科學知識包括但不限于大氣物理學、大氣化學、動力氣象學、農業氣象學、海洋氣象學、氣候學，以及空間氣象學和空間物理學。在確定工作方案時，還需運用管理學和項目管理技術。

在論證階段，需要將氣象衛星觀測需求轉化為工程技術指標要求。因此，除科學知識和管理知識，還加入了技術知識，包括大氣和空間探測技術、遙感應用技術、航天工程技術，以及新技術，如人工智能等。

在設計階段，主要任務是開展風云某號極軌氣象衛星工程體系架構設計、各系統方案設計、接口設計等。這一階段所用知識重點轉向技術知識和工程知識，增加了航天器設計與制造技術、測控與通信技術。同時，由于氣象衛星地面應用系統是一個信息化系統，還涉及信息系統工程技術。

在仿真運行階段和更新階段，基本應用了前序階段所用到的所有知識，并通過迭代更新不斷優化設計。

通過構建風云某號極軌氣象衛星工程體系設計的知識體系，全面梳理了項目全過程各階段所涉及的科學、技術、工程和管理知識。可以看出，在項目全生命周期中，初始階段以科學知識為主，隨著論證設計工作的推進，重點轉入技術和工程知識。然而，科學知識作為所有工作的根本牽引，與項目管理知識一起，貫穿于整個項目始終。

通過在知識維上有機融合和整合多學科知識，構建了一個綜合性知識體系，有效打破了學科壁壘，不僅推動了新技術和新方法的應用，還為風云某號極軌氣象衛星工程體系設計提供了堅實的科學支撐。例如，在關鍵技術領域，推動氣象衛星核心關鍵技術的自主化攻關，加入人工智能、敏捷項目管理等先進技術。基于霍爾三維結構的風云某號極軌氣象衛星工程體系設計如圖2所示。

5結語

本研究通過將霍爾三維結構模型進行針對性優化與拓展，并結合風云氣象衛星工程體系設計的特點，構建了氣象衛星工程體系設計三維結構模型。該模型不僅建立了高度貼合工程需求的時間維階段劃分、邏輯維流程設計及知識維體系架構，還顯著提高了模型的適應性與精準度。該模型應用于風云某號極軌氣象衛星工程體系設計工作，取得了良好的應用效果。在進度管控方面，實現了對計劃進度的精準把控，確保了各項任務按期完成；在工作推進方面，通過科學規劃流程、嚴謹解決問題及優化決策，顯著提升了工程系統性。同時，通過多學科知識融合創新，風云某號極軌氣象衛星工程體系在衛星組網布局、星地系統功能完備性等多方面實現了顯著優化，工程體系的整體效能得到進一步提升。

基于實踐經驗，本研究總結得到三點啟示：第一，先進管理模型與工程實踐的深度融合是成功的關鍵。霍爾三維結構模型為氣象衛星工程體系設計提供了系統的思維框架。根據工程的具體特性對模型進行優化，能夠精準地指導實踐，確保工程設計的科學性和高效性。第二，多方協同機制至關重要。復雜工程任務的順利推進離不開協同機制的有效建立。通過協調多部門資源、流程和知識，打破部門壁壘，能夠顯著提升協同效率。第三，持續創新與科學管理相輔相成。在工程實踐中，不僅要通過技術創新為工程注入新的活力，還要通過科學管理確保工程的持續發展。

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收稿日期：2025-01-07

作者簡介：

關敏（通信作者）（1978—），女，副研究員，研究方向：風云氣象衛星規劃及社會經濟效益評估。

謝利子（1982—），男，研究員級高級工程師，研究方向：風云氣象衛星工程資源調度管理。

姚依欣（1990—），男，高級工程師，研究方向：風云氣象衛星工程計劃管理。