沈長云

(中國艦船研究院，北京 100192)

艦船系統(tǒng)工程的頂層設(shè)計(jì)

沈長云

(中國艦船研究院，北京 100192)

簡要闡述艦船系統(tǒng)的特征和艦船系統(tǒng)工程的內(nèi)涵，分析艦船系統(tǒng)工程中頂層設(shè)計(jì)的作用，并指出頂層設(shè)計(jì)中需要重視的若干問題。

艦船系統(tǒng)工程;頂層設(shè)計(jì)

1 艦船系統(tǒng)的特性和艦船系統(tǒng)工程

錢學(xué)森先生(1978年《組織管理的技術(shù)——系統(tǒng)工程》)對(duì)系統(tǒng)(System)的看法是:“我們把極其復(fù)雜的研究對(duì)象稱為系統(tǒng)，即由相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)合成的具有特定功能的有機(jī)整體，而且，這個(gè)系統(tǒng)本身又是它所從屬的一個(gè)更大系統(tǒng)的組成部分”。

隨著人們對(duì)系統(tǒng)研究的深入，系統(tǒng)概念被眾多領(lǐng)域所接受，使用范圍不斷擴(kuò)大。在科研生產(chǎn)的實(shí)踐中又產(chǎn)生了大規(guī)模系統(tǒng)或大(巨)系統(tǒng)概念，即Large Scale System。

根據(jù)錢學(xué)森先生等科學(xué)家對(duì)大系統(tǒng)的定義，大系統(tǒng)應(yīng)具有以下5個(gè)特征，即“規(guī)模宏大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、目標(biāo)多樣、功能綜合、因素眾多”。所謂大系統(tǒng)或巨系統(tǒng)，包含有工程大系統(tǒng)、軍事大系統(tǒng)、城市大系統(tǒng)、環(huán)境大系統(tǒng)等。

造船行業(yè)是一個(gè)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，是在傳統(tǒng)的科學(xué)技術(shù)支撐下發(fā)展起來的。但是近幾十年來，在以信息技術(shù)為主導(dǎo)的高新技術(shù)推動(dòng)下，造船行業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)具有高技術(shù)特征的產(chǎn)業(yè)，尤其是艦船研制，代表著國家的綜合科技實(shí)力。

艦船系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的綜合體。傳統(tǒng)意義上的艦船(或總體)，主要是指艦船本身的性能(主尺度、排水量、線型、結(jié)構(gòu)等)和與之相關(guān)的艦船動(dòng)力(主機(jī)、功率、航速等)。其他如電力、電子、武器等專業(yè)被認(rèn)為是配套專業(yè)。隨著高新科技的不斷涌現(xiàn)，由學(xué)科交叉、滲透、融合產(chǎn)生了一批新的技術(shù)門類，新技術(shù)在艦船研制中的應(yīng)用變得越來越重要，綜合集成的要求不斷提高。因此，現(xiàn)在的艦船及其系統(tǒng)的研制，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)意義上的“艦船”所復(fù)蓋的范圍，形成了艦船系統(tǒng)，進(jìn)入到系統(tǒng)工程研究的領(lǐng)域。當(dāng)前，隨著以平臺(tái)為中心轉(zhuǎn)向以網(wǎng)絡(luò)為中心的作戰(zhàn)需求，艦船平臺(tái)已經(jīng)成為整個(gè)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。艦船系統(tǒng)則是涵蓋了更大的范圍，它處于以網(wǎng)絡(luò)為中心的作戰(zhàn)體系(或系統(tǒng))之中，從工程的角度看，艦船系統(tǒng)構(gòu)成了一類龐大的工程系統(tǒng)。

根據(jù)大系統(tǒng)的特征，艦船系統(tǒng)的大系統(tǒng)特性是十分清晰的，它完全具備了上述大系統(tǒng)的5個(gè)特征，如表1所示。

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系統(tǒng)工程的概念出現(xiàn)在20世紀(jì)40年代后期，1948年美國Louis B.Ridenour發(fā)表專著《雷達(dá)系統(tǒng)工程》)，1957年美國 Harry Goode和 Robert Machol發(fā)表《系統(tǒng)工程:大規(guī)模系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)論》，1962年美國A.D.Hall著《系統(tǒng)工程方法》等。我國的系統(tǒng)工程研究始于20世紀(jì)50～60年代，在錢學(xué)森先生領(lǐng)導(dǎo)下的導(dǎo)彈研制中進(jìn)行了實(shí)踐;系統(tǒng)工程的大力宣傳和廣泛傳播則是在改革開放初期。當(dāng)時(shí)，錢學(xué)森先生指出，系統(tǒng)工程是一種科學(xué)方法，我國國防尖端技術(shù)的實(shí)踐，已經(jīng)證明了這一方法的科學(xué)性。他認(rèn)為(1978年《組織管理的技術(shù)——系統(tǒng)工程》):“系統(tǒng)工程也還是一個(gè)總類名稱。因體系性質(zhì)不同，還可以再分;工程體系的系統(tǒng)工程(像復(fù)雜武器體系的系統(tǒng)工程)叫工程系統(tǒng)工程，生產(chǎn)企業(yè)或企業(yè)體系的系統(tǒng)工程叫經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)工程?！彼€認(rèn)為，系統(tǒng)工程理論不宜稱為“軟科學(xué)”，應(yīng)該稱之為系統(tǒng)科學(xué)?！艾F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)工程的貢獻(xiàn)在于把這一概念具體化。就是說不能空談系統(tǒng)，要有具體分析一個(gè)系統(tǒng)的方法，要有一套數(shù)學(xué)理論，要定量地處理系統(tǒng)內(nèi)部的關(guān)系?！比?運(yùn)籌學(xué)中的線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、博弈論、排隊(duì)論、庫存論、決策論、搜索論等是系統(tǒng)工程的理論基礎(chǔ);計(jì)算科學(xué)和計(jì)算技術(shù)也是系統(tǒng)工程的理論基礎(chǔ)?！啊到y(tǒng)工程’是組織管理‘系統(tǒng)’的規(guī)劃、研究、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和使用的科學(xué)方法，是一種對(duì)所有‘系統(tǒng)’都有普遍意義的科學(xué)方法”。因此，系統(tǒng)工程是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重大成果，已經(jīng)成為一門專門的學(xué)科。

艦船系統(tǒng)研制是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程。從系統(tǒng)科學(xué)的角度看，艦船系統(tǒng)是“極其復(fù)雜的研制對(duì)象”。與其他系統(tǒng)工程一樣，艦船系統(tǒng)工程的過程具有一定的結(jié)構(gòu)化程序和方法，在系統(tǒng)研制的全過程中是重復(fù)使用的，目的是要把需求逐步轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)規(guī)范和相應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)。這是以“最優(yōu)設(shè)計(jì)、最優(yōu)控制和最優(yōu)管理為目的的系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)，以及充分發(fā)揮人力、物力的潛力為目的的管理活動(dòng)”。總目標(biāo)是“綜合最優(yōu)化”。

2 頂層設(shè)計(jì)在艦船系統(tǒng)工程研制中的作用

由于軍用裝備的規(guī)模越來越大，系統(tǒng)越來越復(fù)雜，如何在投資、使用、壽命期保障等各種約束條件下，研制出性能和作戰(zhàn)效能最佳的系統(tǒng)，成為一項(xiàng)極其困難的任務(wù)。為了適應(yīng)不斷變化著的各種利益、觀點(diǎn)，在短期目標(biāo)和長期目標(biāo)之間取得平衡，需要有一種有效的方法或技術(shù)來架設(shè)軍事需求和工程實(shí)現(xiàn)之間的橋梁。同時(shí)，軍用系統(tǒng)研制的成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)也昭示著需要一種稱為“頂層設(shè)計(jì)”的技術(shù)或方法。“頂層設(shè)計(jì)”起始于軍方對(duì)于裝備的“頂層需求”，是美軍在裝備發(fā)展中提出的設(shè)計(jì)理念并廣泛運(yùn)用。實(shí)踐表明，頂層設(shè)計(jì)對(duì)于現(xiàn)代復(fù)雜軍用系統(tǒng)的研制發(fā)揮了重要的作用。頂層設(shè)計(jì)不僅在發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃研究中使用，也在系統(tǒng)工程研制中使用。我國則是在20世紀(jì)70～80年代開始研究艦船系統(tǒng)工程研制中的頂層設(shè)計(jì)。通過數(shù)十年的發(fā)展，取得了一定的效果。

與其他軍用系統(tǒng)或裝備的研制程序一樣，艦船系統(tǒng)的研制也必須遵循規(guī)定的程序。研制程序一般包括立項(xiàng)和論證，總體方案設(shè)計(jì)，總體初步設(shè)計(jì)，工程研制階段包含總體技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)和系統(tǒng)建造，隨后還有試驗(yàn)、定型和批產(chǎn)等。在我國軍用系統(tǒng)或裝備發(fā)展的過程中，“需求牽引和技術(shù)推動(dòng)”一直是普遍適用的原則，當(dāng)一項(xiàng)新的軍用系統(tǒng)或裝備提出時(shí)，首先要進(jìn)行的是需求分析，即完成“需求分析”或“頂層需求”的研究。艦船系統(tǒng)研制的頂層設(shè)計(jì)由此開始。盡管頂層設(shè)計(jì)并不是工程實(shí)現(xiàn)本身，但在一定意義上是工程的靈魂，頂層設(shè)計(jì)所規(guī)定的眾多原則和要求，在工程實(shí)現(xiàn)中是必須始終遵循的，也就是說，頂層設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將影響系統(tǒng)研制的全過程。

在我國艦船系統(tǒng)工程研制的過程中，已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)，也有值得記取的教訓(xùn)。通過初步總結(jié)，頂層設(shè)計(jì)在艦船系統(tǒng)工程研制中主要可以發(fā)揮4個(gè)作用，即轉(zhuǎn)化、統(tǒng)籌、迭代和集成。

1)轉(zhuǎn)化

主要任務(wù)是將軍事需求轉(zhuǎn)化為工程需求。這種轉(zhuǎn)化的前期，主要由使用部門提出軍事需求并進(jìn)行研究，科研部門提供相應(yīng)的技術(shù)支持，使用方發(fā)揮主導(dǎo)作用;轉(zhuǎn)化的后期，則以科研部門為主，按照軍事需求策劃系統(tǒng)的研制，而使用部門則在進(jìn)一步明確軍事需求方面提供協(xié)助。所進(jìn)行的主要工作包括正確理解需求，使需求清晰化;從技術(shù)可行性的角度研究需求;將軍事需求語言轉(zhuǎn)換為工程技術(shù)的頂層語言，使研制人員能正確理解;初步分割工作范圍界線和職責(zé)。

轉(zhuǎn)化是一個(gè)迭代的過程，需要反復(fù)對(duì)話、協(xié)調(diào)和權(quán)衡。一旦頂層設(shè)計(jì)文件(如計(jì)劃或規(guī)劃，論證文件或總體設(shè)計(jì)方案等)形成并得到批準(zhǔn)，則應(yīng)當(dāng)在研制的全過程中保持一致性和權(quán)威性，因?yàn)樗砹塑娛滦枨蟮囊庵?，代表了技術(shù)在該階段可能實(shí)現(xiàn)的程度。如果確實(shí)需要修改，則必須嚴(yán)格履行必要的手續(xù)，對(duì)相應(yīng)的文件進(jìn)行更改，應(yīng)當(dāng)十分慎重地對(duì)待。

2)統(tǒng)籌

主要任務(wù)是在需求分析基礎(chǔ)上形成技術(shù)上的統(tǒng)籌。由于技術(shù)處在不斷的發(fā)展中，而工程研制具有階段性;裝備在其壽命期內(nèi)需要有一定的穩(wěn)定時(shí)期和適時(shí)進(jìn)行現(xiàn)代化改進(jìn)。通過合理的統(tǒng)籌，可以使裝備既具有一定的先進(jìn)性，也具有在研制期內(nèi)的可實(shí)現(xiàn)性。統(tǒng)籌工作包括根據(jù)系統(tǒng)研制的期限提出能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)成果;技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性研究(研制經(jīng)費(fèi)、保障條件、研制周期預(yù)測等);必要的技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn);多方案論證和比較;綜合平衡，形成優(yōu)化的總體技術(shù)方案。

統(tǒng)籌的結(jié)果對(duì)于系統(tǒng)研制的成敗有重要影響。例如，一般認(rèn)為，在系統(tǒng)研制中新技術(shù)和成熟技術(shù)的比例為30%和70%為妥。這樣，先進(jìn)性和現(xiàn)實(shí)性是比較平衡的，研制風(fēng)險(xiǎn)也比較小。在以往艦船系統(tǒng)研制中，曾經(jīng)有過艦船上的主要系統(tǒng)都是全新研制的情況，結(jié)果是研制進(jìn)度無法保證，大量科研性試驗(yàn)在艦船建成后進(jìn)行，不僅經(jīng)濟(jì)代價(jià)很大，而且導(dǎo)致研制失敗。

3)迭代

迭代是工程研制中一項(xiàng)不可或缺的工作，它能產(chǎn)生定義明確的、完全文件化的、平衡最優(yōu)的系統(tǒng)。如前所述，艦船系統(tǒng)工程過程具有結(jié)構(gòu)化的程序和方法，在系統(tǒng)研制全過程中是重復(fù)使用的，目的是要把需求逐步轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)規(guī)范和相應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)。這就是迭代的過程。在需求轉(zhuǎn)化過程中有迭代，在技術(shù)統(tǒng)籌過程中有迭代，在系統(tǒng)研制中的自頂向底和自底向頂或者綜合－分解－綜合的反復(fù)循環(huán)中，也有大量的迭代，求得系統(tǒng)所需的功能(性能)要素、系統(tǒng)的限制(工程制約條件)和所獲得的系統(tǒng)效能三者之間的平衡。

在迭代中，有大量技術(shù)管理的工作，例如:系統(tǒng)工程計(jì)劃;技術(shù)狀態(tài)管理;要求可追溯管理;技術(shù)性能度量;技術(shù)評(píng)審;質(zhì)量保證和風(fēng)險(xiǎn)管理等。在艦船系統(tǒng)工程的研制中，曾有過單純追求個(gè)別性能指標(biāo)的先進(jìn)性，導(dǎo)致系統(tǒng)指標(biāo)不匹配的教訓(xùn)，也有過經(jīng)過多次迭代，通過將系統(tǒng)指標(biāo)和單個(gè)設(shè)備指標(biāo)合理匹配，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)的例子。

4)集成

頂層設(shè)計(jì)的集成，是與上述3種作用基本同時(shí)或稍后開展的系統(tǒng)內(nèi)部以及與系統(tǒng)外部的集成。內(nèi)部集成要完成完整的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)施方案;外部集成則是要與外部的制約條件相協(xié)調(diào)。例如，美國海軍在21世紀(jì)水面作戰(zhàn)設(shè)計(jì)策略的頂層研究中，提出了綜合和協(xié)調(diào)作戰(zhàn)和非作戰(zhàn)艦船的發(fā)展計(jì)劃?！八蟹呛怂鎽?zhàn)艦可共享綜合信號(hào)控制和安靜作戰(zhàn)模式;自衛(wèi)系統(tǒng);信息總線;工作站和主推進(jìn)系統(tǒng)。這將提供60%的通用元器件，85%的通用系統(tǒng)，以及沿用到2035年的80%～85%的跨水面艦艇、兩棲艦和通用作戰(zhàn)后勤的培訓(xùn)教程?！边@將制約所有艦船系統(tǒng)的研制，在各種系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)的集成中，需要遵循這些頂層要求。

此外，艦船系統(tǒng)工程集成的主要任務(wù)，是要在實(shí)際系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)下，將低一級(jí)系統(tǒng)單元裝配成高一級(jí)系統(tǒng)單元的過程。這是在頂層設(shè)計(jì)指導(dǎo)下由系統(tǒng)研制的責(zé)任單位負(fù)責(zé)的，也有大量集成的工作需要開展。

3 在頂層設(shè)計(jì)中需要重視的若干問題

艦船系統(tǒng)工程的頂層設(shè)計(jì)是一門正在發(fā)展的技術(shù)，在理論和實(shí)踐2個(gè)方面都需要開展研究。美國國防部1997年12月18日發(fā)布了C4ISR體系結(jié)構(gòu)框架(2.0版)，其中有一張“作戰(zhàn)視圖、系統(tǒng)視圖和技術(shù)視圖”間的基本交聯(lián)關(guān)系圖。圖1是根據(jù)該圖稍作修改后，給出作戰(zhàn)體系、系統(tǒng)體系和技術(shù)體系的相互關(guān)系圖，可以在頂層設(shè)計(jì)中作為參考。

圖1 作戰(zhàn)體系、系統(tǒng)體系和技術(shù)體系在系統(tǒng)工程中的相互關(guān)系Fig.1 Relation ships of combat system and technology in system enginessring

在艦船系統(tǒng)工程的頂層設(shè)計(jì)中，下述問題是需要重視的。

1)頂層設(shè)計(jì)的整體性

整體性對(duì)于頂層設(shè)計(jì)而言是需要重視的，因?yàn)檫@項(xiàng)設(shè)計(jì)涉及系統(tǒng)研制全局和全過程;同時(shí)，艦船系統(tǒng)需要集成眾多相關(guān)的元素，某些元素的缺漏將無法形成完整的系統(tǒng)，從而對(duì)系統(tǒng)研制產(chǎn)生不利影響。

2)頂層設(shè)計(jì)的層次性

由于艦船系統(tǒng)需要適應(yīng)不同的作戰(zhàn)環(huán)境和需求，所以系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)體或各分系統(tǒng)都是有層次的。在工程研制時(shí)合理地劃分層次并確定層次之間的關(guān)系，可以避免在不同層次中可能進(jìn)行的頂層設(shè)計(jì)之間產(chǎn)生的重復(fù)、矛盾或沖突。

3)頂層設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)性

頂層設(shè)計(jì)中的關(guān)聯(lián)性涉及組成系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，有些系統(tǒng)之間是緊耦合的，而有些則是松耦合的。目前，在艦船系統(tǒng)工程中，存在著系統(tǒng)的縱向集成和橫向集成，情況比較復(fù)雜，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)嵌套的情況，耦合深度也不一樣。因此需要清晰地區(qū)分和定義各種關(guān)聯(lián)性，使得整個(gè)系統(tǒng)的綜合功能和相關(guān)系統(tǒng)的性能得到比較合理的體現(xiàn)，避免出現(xiàn)重復(fù)和交叉。

4)頂層設(shè)計(jì)的漸進(jìn)性

由于系統(tǒng)工程周期較長，在頂層設(shè)計(jì)中往往會(huì)有對(duì)技術(shù)發(fā)展的前瞻考慮，預(yù)測在工程實(shí)現(xiàn)中可以獲取的技術(shù)，并將其應(yīng)用于系統(tǒng)。尤其是當(dāng)前軍事裝備在向信息化轉(zhuǎn)型的過程中，技術(shù)發(fā)展和變化快，更需要開展?jié)u進(jìn)獲取的處理。對(duì)技術(shù)發(fā)展的過高估計(jì)，可能推遲工程研制的進(jìn)程;而估計(jì)過低，形成的裝備將失去必要的先進(jìn)性。這對(duì)頂層設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

5)技術(shù)成熟度評(píng)估

技術(shù)成熟度評(píng)估是近年來國內(nèi)正在推廣的一項(xiàng)技術(shù)，目的是提高科研管理的精確度和科學(xué)性，降低技術(shù)發(fā)展和系統(tǒng)采辦過程的風(fēng)險(xiǎn)。在今后的艦船系統(tǒng)工程的頂層設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)加以研究并納入進(jìn)來。

4 結(jié)語

艦船系統(tǒng)工程的頂層設(shè)計(jì)經(jīng)歷了多年的發(fā)展，取得了一定的進(jìn)展，但目前仍然是系統(tǒng)研制中的薄弱環(huán)節(jié)，需要引起重視、大力倡導(dǎo)和深入研究。同時(shí)，為了開展頂層研究，需要相應(yīng)的人才隊(duì)伍。從事頂層設(shè)計(jì)的技術(shù)人員，需要有開闊的視野，一定深度和廣度的專業(yè)知識(shí)，良好的協(xié)調(diào)能力和勇于創(chuàng)新的精神。這些可能是推進(jìn)頂層設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)步的根本所在。

Top design of ship system engineerings

SHEN Chang-yun
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，Chian)

This paper gives a brief depiction of the properties of ship system and the connotations of ship system engineerings;analyzes the functions of top design in ship system engineerings and points out some key issues in the top design.

ship system engineerings;top design

N945

A

1672－7649(2011)06－0022－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.006

2011－05－06

沈長云(1944－)，男，研究員，目前主要從事船舶系統(tǒng)工程和艦船領(lǐng)域科技發(fā)展戰(zhàn)略研究。