搜索深度好文 | 從霍爾模型這一技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)化看傳統(tǒng)系統(tǒng)工程到現(xiàn)代系統(tǒng)工程的演變
2017-10-25 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
長(zhǎng)期以來,人們對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造、特別是復(fù)雜產(chǎn)品全生命期中的設(shè)計(jì)和制造活動(dòng)有個(gè)誤解,即誤認(rèn)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)活動(dòng)只發(fā)生在產(chǎn)品全生命期的早期階段,如立項(xiàng)論證或需求分析、概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段;產(chǎn)品制造活動(dòng)只發(fā)生在產(chǎn)品全生命期的中期階段,如工程研制和生產(chǎn)階段。然而實(shí)際情況是,設(shè)計(jì)和制造、特別是設(shè)計(jì)是貫穿產(chǎn)品全生命期的活動(dòng),而不僅僅局限于產(chǎn)品生命期的某個(gè)階段,對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品尤其如此。例如,在立項(xiàng)論證階段的驗(yàn)證機(jī)試制、工程研制階段工藝設(shè)計(jì)和工裝設(shè)計(jì)、使用維護(hù)階段的維修性改進(jìn)設(shè)計(jì)等等。
造成這一誤解的原因是,把產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造和全生命期簡(jiǎn)單化地看成是沿時(shí)間軸的一維線性串行活動(dòng),混淆了產(chǎn)品由無到有由生到死的、物的成熟度不斷提升的過程和在產(chǎn)品全生命期中各利益相關(guān)方、特別是研發(fā)人員不斷解決各種問題的人的思維過程。
實(shí)際上,早在上世紀(jì)60年代,伴隨系統(tǒng)工程在核潛艇、洲際導(dǎo)彈、阿波羅登月等重大項(xiàng)目上的成功實(shí)踐,美國(guó)工程界總結(jié)了系統(tǒng)工程的理論和方法,提出了后來大家熟知的“硬系統(tǒng)”方法論。其中的重要標(biāo)志是:1962年,霍爾(Arthur D. Hall)出版了《系統(tǒng)工程方法論》(A Methodology for Systems Engineering)一書,強(qiáng)調(diào)要把系統(tǒng)工程看做一種解決實(shí)際問題的程序,用形態(tài)分析的方法把系統(tǒng)生命期階段和問題求解的邏輯步驟分成兩個(gè)維度,用時(shí)間維和邏輯維的二維形態(tài)分析矩陣定義和組織系統(tǒng)工程活動(dòng);1969年,霍爾提出了系統(tǒng)工程的三維形態(tài)分析模型(即霍爾模型,見圖1);進(jìn)而美國(guó)國(guó)防部于1974年正式發(fā)布了基于霍爾模型的系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-499A。
圖1 1969年發(fā)表的霍爾模型原版
霍爾模型的時(shí)間維表示系統(tǒng)工程活動(dòng)從開始到結(jié)束按時(shí)間順序排列的全過程,分為規(guī)劃、擬定方案、研制、生產(chǎn)、安裝、運(yùn)行、更新七個(gè)時(shí)間階段;邏輯維表示時(shí)間維的每一個(gè)階段內(nèi)所要進(jìn)行的工作內(nèi)容和應(yīng)該遵循的思維程序,包括明確問題、確定目標(biāo)、系統(tǒng)綜合、系統(tǒng)分析、優(yōu)化、決策、實(shí)施七個(gè)邏輯步驟;知識(shí)維(見圖1)按照數(shù)學(xué)意義上的形式化或結(jié)構(gòu)化程度由高到低列舉了時(shí)間維-邏輯維構(gòu)成的二維系統(tǒng)工程方法可應(yīng)用的學(xué)科領(lǐng)域:工程、醫(yī)學(xué)、建筑、商業(yè)、法律、管理、社會(huì)科學(xué)、藝術(shù)等各學(xué)科知識(shí)和技能,這樣就形成了由時(shí)間維、邏輯維和知識(shí)維所構(gòu)成的三維空間結(jié)構(gòu)。其中時(shí)間維和邏輯維將各時(shí)間階段和邏輯步驟綜合起來,形成所謂的系統(tǒng)工程活動(dòng)矩陣(見表1),是系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的有效工具,為解決大型復(fù)雜系統(tǒng)的規(guī)劃、組織、管理問題提供了一種統(tǒng)一的思想方法,因而得到廣泛應(yīng)用。
表1 時(shí)間維和邏輯維構(gòu)成的系統(tǒng)工程二維活動(dòng)矩陣
霍爾模型的最大優(yōu)點(diǎn)是將系統(tǒng)工程過程按邏輯維(人和組織分析問題解決問題的維度)和時(shí)間維(物演化成熟的維度)嚴(yán)格分開,把產(chǎn)品研發(fā)的一維線性過程,增加了一個(gè)維度,變成了二維平面。由TRIZ(發(fā)明問題解決理論)里解決矛盾問題的第17號(hào)創(chuàng)新原理——一維變多維——可知,增加一個(gè)維度意味著看待問題或系統(tǒng)視角的改變,利用空間和新特征來尋找解決問題和系統(tǒng)增值的機(jī)會(huì)。這一維度的增加不是憑空產(chǎn)生的,而是應(yīng)和了二戰(zhàn)之后從40年代到60年代美蘇爭(zhēng)霸世界的軍事需求,應(yīng)和了一方面運(yùn)籌學(xué)、控制論等學(xué)科和計(jì)算機(jī)、核能、噴氣推進(jìn)等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用拓展了人類認(rèn)識(shí)自然改造自然的能力,另一方面也使人們?cè)谡瓶貜?fù)雜系統(tǒng)的研發(fā)和運(yùn)行上遇到了新挑戰(zhàn)的局面。如果把人們建立的產(chǎn)品研制和全生命期管理的各種模型看作一個(gè)系統(tǒng),那么這個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化應(yīng)該符合TRIZ八大技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則中的協(xié)調(diào)性法則,即人們對(duì)產(chǎn)品研制和全生命期管理的認(rèn)知要沿著整個(gè)系統(tǒng)(各種模型)的各個(gè)子系統(tǒng)之間互相更協(xié)調(diào)、且與超系統(tǒng)(如產(chǎn)品研制和全生命期管理的工程實(shí)踐)交互更協(xié)調(diào)的方向發(fā)展。霍爾模型應(yīng)用形態(tài)分析將系統(tǒng)工程過程模型由一維變二維、由二維變?nèi)S,正好應(yīng)和了技術(shù)系統(tǒng)協(xié)調(diào)性進(jìn)化法則下的幾何形狀進(jìn)化路線(點(diǎn)->線->面->體),使得產(chǎn)品研制和全生命期管理模型系統(tǒng)內(nèi)的研制人員的思維過程模型和研制對(duì)象的產(chǎn)品成熟度演進(jìn)模型兩個(gè)子系統(tǒng)之間,以及模型系統(tǒng)和超系統(tǒng)環(huán)境(如新科技革命和產(chǎn)業(yè)革命所代表的外圍環(huán)境、模型系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)象——產(chǎn)品研制實(shí)踐和研發(fā)體系建設(shè)等)之間的相互作用及其屬性達(dá)到更加匹配狀態(tài)。
霍爾模型的最大問題出在其知識(shí)維。圖2是霍爾模型經(jīng)國(guó)內(nèi)各種出版物翻譯演繹的典型中文版示例,其中對(duì)知識(shí)維的演繹完全改變了1969年原版霍爾模型知識(shí)維的涵義,由學(xué)科領(lǐng)域的形式化結(jié)構(gòu)化遞減關(guān)系變成學(xué)科門類各取所需的隨意羅列,一方面造成這一維度的箭頭失去了實(shí)際業(yè)務(wù)意義,另一方面使得知識(shí)維缺少了模型應(yīng)有的抽象性、嚴(yán)肅性和普適性。根據(jù)霍爾博士的論述,我們也發(fā)現(xiàn),原版霍爾模型中三個(gè)維度的地位和作用完全不同,時(shí)間維和邏輯維構(gòu)成的系統(tǒng)工程二維活動(dòng)矩陣(見表1)是系統(tǒng)工程方法的基礎(chǔ),起主導(dǎo)性的工具作用,而知識(shí)維上的各學(xué)科只是系統(tǒng)工程方法的應(yīng)用領(lǐng)域。
圖2 國(guó)內(nèi)出版物翻譯演繹的霍爾模型中文版示例
即使原版霍爾模型知識(shí)維的箭頭有實(shí)際意義,即使霍爾博士提到可以增加新的學(xué)科領(lǐng)域、細(xì)化時(shí)間維的階段和邏輯維的步驟,用以更多、更準(zhǔn)確地識(shí)別系統(tǒng)工程過程中的活動(dòng)、問題乃至解決方案,但對(duì)于目前某一領(lǐng)域的科研人員,無論知識(shí)維上是系統(tǒng)工程二維活動(dòng)矩陣的應(yīng)用領(lǐng)域,還是完成系統(tǒng)工程過程所需的其他學(xué)科知識(shí)和各種專業(yè)技術(shù),霍爾模型三維空間某一節(jié)點(diǎn)上只能是某階段某步驟在某學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用指南或某學(xué)科領(lǐng)域書本上的知識(shí),表現(xiàn)形式都是紙面文檔或電子文檔,使得知識(shí)維的指導(dǎo)意義和實(shí)操性相比其他兩維都大打折扣。
圖3 飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)軟件代碼量增長(zhǎng)趨勢(shì)
也就是說,雖然以霍爾模型為代表的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程方法在上世紀(jì)歐美各國(guó)航空航天國(guó)防軍工行業(yè)和中國(guó)航天行業(yè)都取得了廣泛的成功應(yīng)用,但在世紀(jì)之交傳統(tǒng)系統(tǒng)工程遇到了巨大挑戰(zhàn)。信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展極大增加了各種人工系統(tǒng)的復(fù)雜程度,徹底改變了人類的戰(zhàn)爭(zhēng)模式和生活方式,使得靠以霍爾模型為核心的、基于文檔的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程方法已無法掌控這種復(fù)雜性。例如,在航空領(lǐng)域,嵌入式軟件在飛機(jī)系統(tǒng)中的重要性迅速增長(zhǎng),1960年代的F-4只有8%的需求由軟件控制完成,到世紀(jì)之交F-22多達(dá)80%的需求由機(jī)載軟件完成,下一代戰(zhàn)機(jī)90%的需求將由機(jī)載軟件完成;而飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)軟件代碼量和型號(hào)項(xiàng)目的研制成本都呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)(圖3、圖4)。面對(duì)這樣的趨勢(shì),曾任洛馬公司前身馬丁?馬瑞亞塔航太公司董事長(zhǎng)兼CEO的諾曼?奧古斯丁早在1982年就預(yù)測(cè),由于武器裝備研制成本的增長(zhǎng)率要比國(guó)防預(yù)算的增長(zhǎng)率快得多,到2054年采購(gòu)一架戰(zhàn)機(jī)將會(huì)花費(fèi)全部的國(guó)防預(yù)算,30多年過去了,國(guó)防武器裝備的研制實(shí)踐仍然沒有逃脫奧古斯丁法則的預(yù)言。
圖4 美軍戰(zhàn)機(jī)研發(fā)費(fèi)用增長(zhǎng)趨勢(shì)
面對(duì)這樣的挑戰(zhàn)(需求的拉動(dòng)加上技術(shù)的推動(dòng)),作為應(yīng)用系統(tǒng)思維、原理和方法解決復(fù)雜問題,保證把復(fù)雜的事情做對(duì)、做好、做快的方法論,系統(tǒng)工程必須隨需而變、與時(shí)俱進(jìn),揚(yáng)棄傳統(tǒng)方法的不合時(shí)宜之處,創(chuàng)造性地發(fā)展新范式,將以霍爾模型為核心的產(chǎn)品研制和全生命期管理模型系統(tǒng)依照TRIZ技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則、沿著技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化路線,邁向下一個(gè)進(jìn)化步驟,重新達(dá)到與新科技革命和產(chǎn)業(yè)革命所代表的超系統(tǒng)環(huán)境的協(xié)調(diào)匹配狀態(tài)。
圖5 美軍戰(zhàn)機(jī)復(fù)雜性飆升的同時(shí)研發(fā)效率需要更大幅度提升
歐盟和美國(guó)的各種先進(jìn)技術(shù)預(yù)研驗(yàn)證項(xiàng)目和新一代武器裝備研制都在朝這樣的協(xié)調(diào)匹配狀態(tài)努力。這樣的新目標(biāo)、新常態(tài)對(duì)以霍爾模型為核心的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程工作模式意味著什么?舉兩個(gè)例子,美軍下一代戰(zhàn)機(jī)機(jī)載代碼量9千萬行,比F-35多一個(gè)數(shù)量級(jí),研制周期比F-35縮短4年,這意味著在F-35比F-22研發(fā)效率提升一倍的基礎(chǔ)上,下一代戰(zhàn)機(jī)的研發(fā)效率要比F-35提升13倍以上(見圖5)。美軍在下一代戰(zhàn)車研制計(jì)劃中,采用先進(jìn)的基于模型的設(shè)計(jì)和制造方法,在系統(tǒng)復(fù)雜性比F22和F35高出近一個(gè)數(shù)量級(jí)的情況下,要把研制周期縮短到正常情況下的1/4,研制成本降到1/5(見圖6),這意味著研發(fā)效率比傳統(tǒng)系統(tǒng)工程方法要有幾十倍的提升。這意味著下,對(duì)于一代的武器裝備和復(fù)雜系統(tǒng)的研制,絕大部分錯(cuò)誤被消滅在萌芽狀態(tài),沒有返工,大部分物理試驗(yàn)被數(shù)字化仿真驗(yàn)證替代。
圖6 基于模型的設(shè)計(jì)和制造方法幫助美軍下一代戰(zhàn)車項(xiàng)目大幅度提升研發(fā)效率
為什么基于模型的方法及其新范式有這么大的威力和潛能能夠幫助以霍爾模型為核心的產(chǎn)品研制和全生命期管理模型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了這一步的進(jìn)化躍遷,進(jìn)而破解復(fù)雜性困局和奧古斯丁法則的魔咒?在分析霍爾模型本身問題的基礎(chǔ)上,還要分析基于霍爾模型的、以文檔為中心的傳統(tǒng)方法的本質(zhì)缺陷和問題,分析基于模型方法的特點(diǎn),進(jìn)而對(duì)霍爾模型進(jìn)行修訂發(fā)展,以適應(yīng)系統(tǒng)工程新范式的需要。
1990年代個(gè)人計(jì)算機(jī)的普及和辦公軟件的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了紙質(zhì)文檔向電子文檔的轉(zhuǎn)變,方便了文檔的存儲(chǔ)、復(fù)制和修改,但語(yǔ)義表達(dá)歧義性、文本表達(dá)靜態(tài)性、文檔間的非關(guān)聯(lián)性等基于文檔研發(fā)模式的內(nèi)在缺陷并未改變,對(duì)上萬級(jí)的需求和試驗(yàn)條目、以及上十萬級(jí)的界面接口的動(dòng)態(tài)管理依舊力不從心。IT工具,特別是CAx工具的廣泛應(yīng)用,大大提高了研發(fā)人員的專業(yè)設(shè)計(jì)效率,但由于缺乏協(xié)同的信息化手段支持,專業(yè)之間、子系統(tǒng)之間、階段之間交互還是基于文檔的手工拋墻模式,給集成驗(yàn)證和使用維護(hù)留下了大量修修補(bǔ)補(bǔ)和推倒重來的質(zhì)量問題隱患。
由于基于文檔的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程方法缺乏有效的技術(shù)手段支持復(fù)雜產(chǎn)品和系統(tǒng)由需求到功能的轉(zhuǎn)換和分解、需求及設(shè)計(jì)變更的追蹤管理、涉及多學(xué)科領(lǐng)域團(tuán)隊(duì)和系統(tǒng)元素間交互指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的界面接口和設(shè)計(jì)方案量化表達(dá)、權(quán)衡優(yōu)化和溝通決策、以及設(shè)計(jì)方案對(duì)涉眾需求的驗(yàn)證確認(rèn)(V&V),造成系統(tǒng)集成驗(yàn)證時(shí)出現(xiàn)大量的諸如發(fā)熱、振動(dòng)、電磁干擾等不期望的故障效應(yīng)(見圖7)。近年來,F35戰(zhàn)斗機(jī)和波音787飛機(jī)等復(fù)雜裝備和產(chǎn)品遇到的成本進(jìn)度等問題,可以說都是基于文檔的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程方法所面臨的復(fù)雜性困局的生動(dòng)體現(xiàn)。
圖7 基于文檔的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程方法應(yīng)用于當(dāng)前復(fù)雜產(chǎn)品和系統(tǒng)研發(fā)時(shí)面臨的技術(shù)困難
世紀(jì)之交,隨著SysML、STEP、Modelica、FMI等一系列信息建模、數(shù)據(jù)建模、系統(tǒng)建模、系統(tǒng)仿真標(biāo)準(zhǔn)及MBSE、PLM相關(guān)工具平臺(tái)的應(yīng)用和發(fā)展,由于模型本身具有的一致性、可追蹤性、可驗(yàn)證性、全生命期的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)性,能夠做到對(duì)需求等變化的實(shí)時(shí)全局響應(yīng),更好地理解和管理復(fù)雜性,上述建模工具和平臺(tái)物化了相應(yīng)的方法,使得系統(tǒng)工程過程的技術(shù)活動(dòng)和技術(shù)管理活動(dòng)可管理、可復(fù)現(xiàn)、可重用,使得統(tǒng)領(lǐng)生命期各階段產(chǎn)品BOM視圖的集成系統(tǒng)模型和數(shù)據(jù)協(xié)同模型成為可能,打破了專業(yè)壁壘,破解了設(shè)計(jì)和工藝、研發(fā)和制造、研制和使用維護(hù)的分離,極大地提高了溝通和協(xié)同效率,實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜產(chǎn)品和系統(tǒng)研發(fā)的企業(yè)內(nèi)各專業(yè)部門間、供應(yīng)鏈擴(kuò)展企業(yè)各成員單位間、以及客戶與研制方之間的信息共享和協(xié)同,實(shí)現(xiàn)了以模型驅(qū)動(dòng)的方法來采集、捕獲和提煉數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)。在企業(yè)研發(fā)信息化體系建設(shè)中,頂層的基于MBSE的系統(tǒng)工程過程子系統(tǒng)和底層的數(shù)據(jù)管理和信息協(xié)同子系統(tǒng)分別成為復(fù)雜產(chǎn)品研制的跨業(yè)務(wù)、跨組織、跨地域協(xié)同工作平臺(tái)的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”和“經(jīng)絡(luò)系統(tǒng)”,于是霍爾模型的系統(tǒng)工程二維活動(dòng)矩陣構(gòu)成的籬笆墻網(wǎng)格,被拓展為橫跨系統(tǒng)全生命期、系統(tǒng)工程技術(shù)域全過程和企業(yè)智力資產(chǎn)價(jià)值鏈全過程的三維協(xié)同空間。
為了應(yīng)和基于文檔的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程向基于模型的現(xiàn)代系統(tǒng)工程的演變,繼續(xù)應(yīng)用TRIZ里的一維變多維創(chuàng)新原理和技術(shù)系統(tǒng)協(xié)調(diào)性進(jìn)化法則下的幾何形狀進(jìn)化路線,作者對(duì)霍爾模型進(jìn)行了修改、擴(kuò)展和抽象,將知識(shí)維修改為認(rèn)知維,將時(shí)間維修改為系統(tǒng)維,邏輯維的名稱不變,將時(shí)間的概念引入上述三個(gè)維度,使得三維的箭頭都有實(shí)際的業(yè)務(wù)意義,構(gòu)成了精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程抽象模型(見圖8)。具體地說,安世亞太的精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程模型對(duì)原霍爾模型做了如下擴(kuò)展:
圖8 精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程抽象模型
(1) 用DIKW的認(rèn)知維替換了霍爾模型原來的知識(shí)維,給霍爾模型的第三維賦予嶄新的業(yè)務(wù)意義和價(jià)值。DIKW的認(rèn)知維代表了人和組織的智力層次結(jié)構(gòu)價(jià)值遞增的順序,反映了主觀世界改造客觀世界的認(rèn)知過程,既包括人工物理系統(tǒng)全生命期特別是研制過程中產(chǎn)生的DIKW的管理和轉(zhuǎn)化躍遷,也包括組織內(nèi)現(xiàn)有DIKW在人工物理系統(tǒng)全生命期中的應(yīng)用,即涵蓋了原霍爾模型知識(shí)維的本來場(chǎng)景和翻譯成中文版后國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)這一維應(yīng)用的演繹。原霍爾模型基于書本文檔的知識(shí)維在精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程抽象模型的認(rèn)知維中變成了一個(gè)平面。新的認(rèn)知維記錄了主觀世界認(rèn)識(shí)和改造客觀世界過程中的認(rèn)知過程和結(jié)果,研制組織對(duì)人工物理系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)不斷深化、積累形成數(shù)據(jù)→信息→知識(shí)→智慧的認(rèn)知流就是企業(yè)研發(fā)體系的能力建設(shè),是事的維度,PDM、知識(shí)管理/知識(shí)工程、技術(shù)管理等IT工具和平臺(tái)的應(yīng)用是對(duì)企業(yè)復(fù)雜產(chǎn)品研制管理能力的延伸和提升。這一維度應(yīng)合了以工業(yè)4.0為代表的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的發(fā)展趨勢(shì)、以及中國(guó)制造2025信息化促進(jìn)工業(yè)化、兩化深度融合的最新進(jìn)展,應(yīng)對(duì)了人工物理系統(tǒng)復(fù)雜程度日益提高帶來的挑戰(zhàn),將人與研發(fā)組織的能力建設(shè)及其成熟度過程納入復(fù)雜產(chǎn)品和系統(tǒng)研發(fā)的系統(tǒng)工程體系(即精益研發(fā)),利用信息化手段的革命性進(jìn)展(如大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等),強(qiáng)化對(duì)工業(yè)化的支撐和促進(jìn)。
從知識(shí)維到認(rèn)知維的變化,不但是TRIZ的一維變多維創(chuàng)新原理、協(xié)調(diào)性進(jìn)化法則、幾何形狀進(jìn)化路線在產(chǎn)品研制和全生命期管理模型系統(tǒng)進(jìn)化發(fā)展(由霍爾模型進(jìn)化到精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程抽象模型)上的進(jìn)一步應(yīng)用,克服了原霍爾模型知識(shí)維存在的抽象性、嚴(yán)肅性、普適性、指導(dǎo)性和實(shí)操性的問題,而且進(jìn)一步運(yùn)用TRIZ技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則看待產(chǎn)品研制和全生命期管理模型系統(tǒng)的進(jìn)化發(fā)展,可得到更多有益的啟示。技術(shù)系統(tǒng)完備性法則告訴我們:一個(gè)完備的技術(shù)系統(tǒng)要包含能量源(可在系統(tǒng)外部)、動(dòng)力裝置、傳輸裝置、執(zhí)行裝置、控制裝置,度量裝置;新的技術(shù)系統(tǒng)經(jīng)常沒有足夠能力獨(dú)立實(shí)現(xiàn)主要功能,要依賴超系統(tǒng)提供資源;隨著技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展,技術(shù)系統(tǒng)逐漸獲得所需資源,自己提供主要功能;技術(shù)系統(tǒng)朝著系統(tǒng)不斷自我完善、減少人的參與、以提高技術(shù)系統(tǒng)效率的方向進(jìn)化。能量傳遞法則告訴我們:技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的必要條件是,為提高技術(shù)系統(tǒng)的能量傳遞效率,能量必須能夠從能量源流向技術(shù)系統(tǒng)的所有元件;技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化應(yīng)該沿著使能量流動(dòng)路徑縮短的方向發(fā)展,以減少傳遞過程中的能量損失;最好用一種能量(或場(chǎng))貫穿于系統(tǒng)的整個(gè)工作過程,減少能量轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的損失;如果系統(tǒng)組件可以更換,那么將不易控制的場(chǎng)更換為容易控制的場(chǎng)。
DIKW的認(rèn)知維為產(chǎn)品研制和全生命期管理模型系統(tǒng)補(bǔ)全了控制裝置和度量裝置,讓系統(tǒng)工程的八個(gè)技術(shù)管理過程域在精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程抽象模型內(nèi)有了用武之地?；诨魻柲Ｐ偷膫鹘y(tǒng)系統(tǒng)工程過程的媒介是文檔,無法起到對(duì)系統(tǒng)工程過程的控制和度量功能,需要的人的全面參與;而在基于精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程抽象模型的系統(tǒng)工程新范式下,由于模型的一致性、動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)等特性和相關(guān)IT工具的支持,人的參與在減少,產(chǎn)品研制和全生命期管理模型系統(tǒng)可以依靠自身完成部分控制和度量功能,而且效率比基于文檔的傳統(tǒng)模式大幅提高。模型替換文檔成為系統(tǒng)工程新范式的溝通媒介后,溝通的頻率和有效性大幅提高,后期返工大幅減少,因而信息/能量傳遞損失大幅減少,產(chǎn)品研制和全生命期管理模型系統(tǒng)的信息/能量傳遞效率大幅提高。為進(jìn)一步提高信息/能量傳遞效率,減少各領(lǐng)域模型間溝通、格式轉(zhuǎn)換、互操作的信息/能量轉(zhuǎn)換損失,產(chǎn)品全生命期信息表達(dá)、交換和共享標(biāo)準(zhǔn)、本體工程、以架構(gòu)為中心的模型管理、產(chǎn)品全生命期數(shù)據(jù)協(xié)同中樞等各種以一種能量場(chǎng)貫穿整個(gè)模型系統(tǒng)工作過程的努力應(yīng)運(yùn)而生。人參與的減少,模型替換文檔站到系統(tǒng)工程過程的前臺(tái),也正好符合將不易控制的場(chǎng)更換為容易控制的場(chǎng)。
(2) 將時(shí)間維更名抽象為系統(tǒng)維,讓這一維專注于人工物理系統(tǒng)(例如技術(shù)和產(chǎn)品,是主觀世界認(rèn)識(shí)和改造的對(duì)象)的由生到死(孕育期、成長(zhǎng)期、成熟期、衰退期)成熟度不斷提升的發(fā)展進(jìn)化的全生命期過程,是物的維度。
(3) 邏輯維名稱保持不變,但抽象模型的邏輯維將原霍爾模型邏輯維瀑布模型的七個(gè)問題求解步驟抽象為系統(tǒng)工程過程的需求(問題)、方案、驗(yàn)證、物理四個(gè)域,描述主觀世界認(rèn)識(shí)和改造人工物理系統(tǒng)時(shí)基于系統(tǒng)工程過程不斷解決各種問題的思維活動(dòng),是人的維度,CAx等IT工具的應(yīng)用是對(duì)人和組織思維能力和問題求解能力的延伸。
圖9 精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程實(shí)例化模型
(4) 圖8的精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程抽象模型可以按照各維度的分類分形特性進(jìn)行實(shí)例化,為具體的業(yè)務(wù)場(chǎng)景提供人-物-事的系統(tǒng)工程模型框架。
在系統(tǒng)維上,可以將系統(tǒng)生命周期階段應(yīng)用于裝備體系、裝備系統(tǒng)、裝備產(chǎn)品、設(shè)備子系統(tǒng)、元器件/零部件等系統(tǒng)層次上進(jìn)行實(shí)例化,也可以應(yīng)用于技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品研發(fā)、或技術(shù)研發(fā)加產(chǎn)品研發(fā)(見圖9)、甚至建筑設(shè)計(jì)和智慧城市規(guī)劃設(shè)計(jì)等場(chǎng)景。ISO/IEC/IEEE 15288、國(guó)防部裝備采辦綜合管理框架、NASA、能源部等生命期模型都是系統(tǒng)維的實(shí)例化。
在邏輯維上,采用什么的模型來描述系統(tǒng)工程的核心(技術(shù))過程是系統(tǒng)工程領(lǐng)域的核心問題。瀑布模型(Dr. Win Royce, 1969)、螺旋模型(Dr. Barry Boehm, 1983)、V模型(1980年代末)、反饋模型(系統(tǒng)工程管理指南,DSMC,1990)、橢圓模型(MIL-STD-499B, 1994)、循環(huán)模型(Walter Hammond, 1999)、雙V模型(本世紀(jì)初)、乃至TRIZ發(fā)明問題解決流程都是邏輯維上問題求解模型的實(shí)例化。其中,V模型對(duì)于系統(tǒng)工程過程模型有里程碑的意義。V模型不僅僅是掰彎了的瀑布模型或串行開發(fā)過程,根據(jù)TRIZ的一維變多維創(chuàng)新原理,增加一個(gè)維度意味著看待世界的視角完全改變,V的形狀非常準(zhǔn)確地表示了從系統(tǒng)分解到集成活動(dòng)的系統(tǒng)演進(jìn)過程,使系統(tǒng)工程過程變得可視化、且易于管理。自上世紀(jì)80年代末期提出V模型,然后不斷改進(jìn),考慮系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)元素實(shí)體的并行開發(fā),到本世紀(jì)初提出雙V模型,二維變?nèi)S、又增加了一個(gè)維度,從MIL-STD-499B橢圓模型到雙V模型,體現(xiàn)了系統(tǒng)工程過程模型向超系統(tǒng)進(jìn)化的趨勢(shì),至此系統(tǒng)工程過程模型已相當(dāng)成熟和完善。除了實(shí)體V和架構(gòu)V構(gòu)成的雙V模型在系統(tǒng)層次上的遞歸應(yīng)用(見圖10)外,可以將雙V模型在可靠性、安全性、保障性等系統(tǒng)特性上進(jìn)行實(shí)例化,也可應(yīng)用于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)(即工業(yè)品正向設(shè)計(jì))、現(xiàn)有產(chǎn)品改進(jìn)(包括工業(yè)品再設(shè)計(jì))、故障診斷排除等產(chǎn)品開發(fā)場(chǎng)景,還可以應(yīng)用于進(jìn)化開發(fā)、增量開發(fā)等軟件開發(fā)模式。
圖10 實(shí)體V和架構(gòu)V構(gòu)成的雙V模型在系統(tǒng)層次上的遞歸應(yīng)用
在認(rèn)知維上,DIKW框架、方法和工具可以按組織架構(gòu)應(yīng)用于不同層級(jí),也可應(yīng)用于系統(tǒng)工程各技術(shù)管理域和項(xiàng)目管理各管理域等企業(yè)研發(fā)管理和制造生產(chǎn)管理所關(guān)注的管理領(lǐng)域,還可按照DIKW四個(gè)層次,應(yīng)用于工程海量數(shù)據(jù)、工業(yè)大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)等不同種類的數(shù)據(jù)整合、分析、挖掘、展示場(chǎng)景,應(yīng)用于產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)的管理、融合和協(xié)同,應(yīng)用于知識(shí)管理、知識(shí)工程、各種專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)/知識(shí)庫(kù)建設(shè),乃至應(yīng)用于集團(tuán)企業(yè)的商業(yè)智能和戰(zhàn)略決策等等。
(5) 精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程模型人、物、事企業(yè)三維能力成熟度提升是企業(yè)架構(gòu)規(guī)劃和信息化建設(shè)的重要內(nèi)容,也是基于系統(tǒng)工程的精益研發(fā)體系建設(shè)的重要組成部分。CMMI是企業(yè)過程能力的評(píng)價(jià)模型,其中的技術(shù)過程域可應(yīng)用于邏輯維能力成熟度的提升,技術(shù)管理域可應(yīng)用于認(rèn)知維能力成熟度的提升。People-CMMI是人員/組織能力成熟度的評(píng)價(jià)模型,包括基于個(gè)人認(rèn)知能力模型(了解/熟悉/掌握/精通/大師)和基于組織認(rèn)知能力(學(xué)習(xí)、洞察、應(yīng)變、創(chuàng)新、執(zhí)行),可應(yīng)用于認(rèn)知維人力資源管理能力成熟度的提升。而技術(shù)成熟度TRL、集成成熟度IRL、系統(tǒng)成熟度SRL、制造成熟度MRL則是系統(tǒng)維上技術(shù)/產(chǎn)品能力成熟度的度量評(píng)價(jià)模型。
(6) 精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程模型更深層次的應(yīng)用是分析兩兩維度交互的細(xì)節(jié),特別是全新的認(rèn)知維與系統(tǒng)維和邏輯維,即物-事和人-事交互的細(xì)節(jié),進(jìn)而為特定業(yè)務(wù)場(chǎng)景下的人-物-事業(yè)務(wù)需求和業(yè)務(wù)邏輯三維空間建模提供輸入。
霍爾模型和精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程模型分別為基于文檔的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程和基于模型的現(xiàn)代系統(tǒng)工程提供了理論方法框架。表2從問題求解和技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的角度梳理對(duì)比分析了從傳統(tǒng)系統(tǒng)工程向現(xiàn)代系統(tǒng)工程的演變。
表2 從傳統(tǒng)系統(tǒng)工程向現(xiàn)代系統(tǒng)工程演變的對(duì)比分析
在精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程模型的理論框架和三維空間里,MBSE作為關(guān)鍵使能技術(shù),其發(fā)展和應(yīng)用也遵循TRIZ技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則的向超系統(tǒng)進(jìn)化的趨勢(shì),從SysML的單點(diǎn)應(yīng)用,到基于各種領(lǐng)域模型互操作和集成的產(chǎn)品全生命期的應(yīng)用(見圖11),從單一產(chǎn)品、到產(chǎn)品線、體系工程的應(yīng)用,從航空航天、國(guó)防軍工,到汽車、軌道交通、醫(yī)療器械、能源工程、城市規(guī)劃、公共安全乃至人類生活的方方面面,其能力成熟度和技術(shù)成熟度不斷提高(見圖12)。但需要澄清一點(diǎn),在基于模型的新范式下,并不是不要文檔,而是文檔由傳統(tǒng)范式的前端移到了后端,為前臺(tái)的模型中樞起輔助作用。
圖11 基于STEP/PLCS標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品信息模型總線和產(chǎn)品數(shù)據(jù)協(xié)同中樞
圖12 MBSE能力成熟度演進(jìn)路線圖
面對(duì)無窮的未知和挑戰(zhàn),通過問題求解和方案修正來尋求好的解釋是人類不斷取得科技進(jìn)步和發(fā)展進(jìn)化的不竭動(dòng)力。無論是基于模型的新范式破解硬件問題軟件化帶來的奧古斯丁法則魔咒和復(fù)雜性挑戰(zhàn),還是用TRIZ的技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則來解釋推演系統(tǒng)工程過程模型半個(gè)世紀(jì)來的發(fā)展變化,都是如此。
本文從問題求解的角度看待傳統(tǒng)系統(tǒng)工程方法向現(xiàn)代系統(tǒng)工程發(fā)展演變的歷史,從技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的角度分析了代表傳統(tǒng)系統(tǒng)工程方法的霍爾模型的優(yōu)缺點(diǎn),提出了為適應(yīng)現(xiàn)代系統(tǒng)工程方法新發(fā)展的精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程模型抽象框架和實(shí)例化應(yīng)用于各種業(yè)務(wù)場(chǎng)景的建模指南,理清了企業(yè)研制管理能力建設(shè)的涵義和意義,明確了技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品研發(fā)與人工物理系統(tǒng)成熟度之間的關(guān)系,提升了產(chǎn)品研制和全生命期管理模型系統(tǒng)的完備性。
最后,系統(tǒng)工程說到底解決的是人與物之間的問題,它不解決人之間和人內(nèi)心的問題。無論是系統(tǒng)工程、MBSE,還是霍爾模型、精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程模型,都既不是點(diǎn)金術(shù),也不是歷史的終結(jié),都還在不斷發(fā)展變化中,隨著幾十年后以人體科學(xué)、生物工程、量子計(jì)算機(jī)等為代表的下一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的到來,系統(tǒng)工程也將會(huì)進(jìn)入新的發(fā)展階段。
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