搜索深度好文 | 從霍爾模型這一技術系統(tǒng)的發(fā)展進化看傳統(tǒng)系統(tǒng)工程到現代系統(tǒng)工程的演變
2017-10-25 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
長期以來,人們對產品設計和制造、特別是復雜產品全生命期中的設計和制造活動有個誤解,即誤認為產品設計活動只發(fā)生在產品全生命期的早期階段,如立項論證或需求分析、概念設計和詳細設計階段;產品制造活動只發(fā)生在產品全生命期的中期階段,如工程研制和生產階段。然而實際情況是,設計和制造、特別是設計是貫穿產品全生命期的活動,而不僅僅局限于產品生命期的某個階段,對于復雜產品尤其如此。例如,在立項論證階段的驗證機試制、工程研制階段工藝設計和工裝設計、使用維護階段的維修性改進設計等等。
造成這一誤解的原因是,把產品的設計制造和全生命期簡單化地看成是沿時間軸的一維線性串行活動,混淆了產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品全生命期中各利益相關方、特別是研發(fā)人員不斷解決各種問題的人的思維過程。
實際上,早在上世紀60年代,伴隨系統(tǒng)工程在核潛艇、洲際導彈、阿波羅登月等重大項目上的成功實踐,美國工程界總結了系統(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,強調要把系統(tǒng)工程看做一種解決實際問題的程序,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維度,用時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;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);進而美國國防部于1974年正式發(fā)布了基于霍爾模型的系統(tǒng)工程標準MIL-STD-499A。
圖1 1969年發(fā)表的霍爾模型原版
霍爾模型的時間維表示系統(tǒng)工程活動從開始到結束按時間順序排列的全過程,分為規(guī)劃、擬定方案、研制、生產、安裝、運行、更新七個時間階段;邏輯維表示時間維的每一個階段內所要進行的工作內容和應該遵循的思維程序,包括明確問題、確定目標、系統(tǒng)綜合、系統(tǒng)分析、優(yōu)化、決策、實施七個邏輯步驟;知識維(見圖1)按照數學意義上的形式化或結構化程度由高到低列舉了時間維-邏輯維構成的二維系統(tǒng)工程方法可應用的學科領域:工程、醫(yī)學、建筑、商業(yè)、法律、管理、社會科學、藝術等各學科知識和技能,這樣就形成了由時間維、邏輯維和知識維所構成的三維空間結構。其中時間維和邏輯維將各時間階段和邏輯步驟綜合起來,形成所謂的系統(tǒng)工程活動矩陣(見表1),是系統(tǒng)分析和設計的有效工具,為解決大型復雜系統(tǒng)的規(guī)劃、組織、管理問題提供了一種統(tǒng)一的思想方法,因而得到廣泛應用。
表1 時間維和邏輯維構成的系統(tǒng)工程二維活動矩陣
霍爾模型的最大優(yōu)點是將系統(tǒng)工程過程按邏輯維(人和組織分析問題解決問題的維度)和時間維(物演化成熟的維度)嚴格分開,把產品研發(fā)的一維線性過程,增加了一個維度,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號創(chuàng)新原理——一維變多維——可知,增加一個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)增值的機會。這一維度的增加不是憑空產生的,而是應和了二戰(zhàn)之后從40年代到60年代美蘇爭霸世界的軍事需求,應和了一方面運籌學、控制論等學科和計算機、核能、噴氣推進等技術的發(fā)展和應用拓展了人類認識自然改造自然的能力,另一方面也使人們在掌控復雜系統(tǒng)的研發(fā)和運行上遇到了新挑戰(zhàn)的局面。如果把人們建立的產品研制和全生命期管理的各種模型看作一個系統(tǒng),那么這個技術系統(tǒng)的進化應該符合TRIZ八大技術系統(tǒng)進化法則中的協(xié)調性法則,即人們對產品研制和全生命期管理的認知要沿著整個系統(tǒng)(各種模型)的各個子系統(tǒng)之間互相更協(xié)調、且與超系統(tǒng)(如產品研制和全生命期管理的工程實踐)交互更協(xié)調的方向發(fā)展?；魻柲Ｐ蛻眯螒B(tài)分析將系統(tǒng)工程過程模型由一維變二維、由二維變三維,正好應和了技術系統(tǒng)協(xié)調性進化法則下的幾何形狀進化路線(點->線->面->體),使得產品研制和全生命期管理模型系統(tǒng)內的研制人員的思維過程模型和研制對象的產品成熟度演進模型兩個子系統(tǒng)之間,以及模型系統(tǒng)和超系統(tǒng)環(huán)境(如新科技革命和產業(yè)革命所代表的外圍環(huán)境、模型系統(tǒng)的應用對象——產品研制實踐和研發(fā)體系建設等)之間的相互作用及其屬性達到更加匹配狀態(tài)。
霍爾模型的最大問題出在其知識維。圖2是霍爾模型經國內各種出版物翻譯演繹的典型中文版示例,其中對知識維的演繹完全改變了1969年原版霍爾模型知識維的涵義,由學科領域的形式化結構化遞減關系變成學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際業(yè)務意義,另一方面使得知識維缺少了模型應有的抽象性、嚴肅性和普適性。根據霍爾博士的論述,我們也發(fā)現,原版霍爾模型中三個維度的地位和作用完全不同,時間維和邏輯維構成的系統(tǒng)工程二維活動矩陣(見表1)是系統(tǒng)工程方法的基礎,起主導性的工具作用,而知識維上的各學科只是系統(tǒng)工程方法的應用領域。
圖2 國內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維的箭頭有實際意義,即使霍爾博士提到可以增加新的學科領域、細化時間維的階段和邏輯維的步驟,用以更多、更準確地識別系統(tǒng)工程過程中的活動、問題乃至解決方案,但對于目前某一領域的科研人員,無論知識維上是系統(tǒng)工程二維活動矩陣的應用領域,還是完成系統(tǒng)工程過程所需的其他學科知識和各種專業(yè)技術,霍爾模型三維空間某一節(jié)點上只能是某階段某步驟在某學科領域的應用指南或某學科領域書本上的知識,表現形式都是紙面文檔或電子文檔,使得知識維的指導意義和實操性相比其他兩維都大打折扣。
圖3 飛機機載系統(tǒng)軟件代碼量增長趨勢
也就是說,雖然以霍爾模型為代表的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程方法在上世紀歐美各國航空航天國防軍工行業(yè)和中國航天行業(yè)都取得了廣泛的成功應用,但在世紀之交傳統(tǒng)系統(tǒng)工程遇到了巨大挑戰(zhàn)。信息技術和網絡技術的迅猛發(fā)展極大增加了各種人工系統(tǒng)的復雜程度,徹底改變了人類的戰(zhàn)爭模式和生活方式,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雜性。例如,在航空領域,嵌入式軟件在飛機系統(tǒng)中的重要性迅速增長,1960年代的F-4只有8%的需求由軟件控制完成,到世紀之交F-22多達80%的需求由機載軟件完成,下一代戰(zhàn)機90%的需求將由機載軟件完成;而飛機機載系統(tǒng)軟件代碼量和型號項目的研制成本都呈指數增長趨勢(圖3、圖4)。面對這樣的趨勢,曾任洛馬公司前身馬丁?馬瑞亞塔航太公司董事長兼CEO的諾曼?奧古斯丁早在1982年就預測,由于武器裝備研制成本的增長率要比國防預算的增長率快得多,到2054年采購一架戰(zhàn)機將會花費全部的國防預算,30多年過去了,國防武器裝備的研制實踐仍然沒有逃脫奧古斯丁法則的預言。
圖4 美軍戰(zhàn)機研發(fā)費用增長趨勢
面對這樣的挑戰(zhàn)(需求的拉動加上技術的推動),作為應用系統(tǒng)思維、原理和方法解決復雜問題,保證把復雜的事情做對、做好、做快的方法論,系統(tǒng)工程必須隨需而變、與時俱進,揚棄傳統(tǒng)方法的不合時宜之處,創(chuàng)造性地發(fā)展新范式,將以霍爾模型為核心的產品研制和全生命期管理模型系統(tǒng)依照TRIZ技術系統(tǒng)進化法則、沿著技術系統(tǒng)進化路線,邁向下一個進化步驟,重新達到與新科技革命和產業(yè)革命所代表的超系統(tǒng)環(huán)境的協(xié)調匹配狀態(tài)。
圖5 美軍戰(zhàn)機復雜性飆升的同時研發(fā)效率需要更大幅度提升
歐盟和美國的各種先進技術預研驗證項目和新一代武器裝備研制都在朝這樣的協(xié)調匹配狀態(tài)努力。這樣的新目標、新常態(tài)對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?舉兩個例子,美軍下一代戰(zhàn)機機載代碼量9千萬行,比F-35多一個數量級,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上,下一代戰(zhàn)機的研發(fā)效率要比F-35提升13倍以上(見圖5)。美軍在下一代戰(zhàn)車研制計劃中,采用先進的基于模型的設計和制造方法,在系統(tǒng)復雜性比F22和F35高出近一個數量級的情況下,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,對于一代的武器裝備和復雜系統(tǒng)的研制,絕大部分錯誤被消滅在萌芽狀態(tài),沒有返工,大部分物理試驗被數字化仿真驗證替代。
圖6 基于模型的設計和制造方法幫助美軍下一代戰(zhàn)車項目大幅度提升研發(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品研制和全生命期管理模型系統(tǒng)實現了這一步的進化躍遷,進而破解復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)方法的本質缺陷和問題,分析基于模型方法的特點,進而對霍爾模型進行修訂發(fā)展,以適應系統(tǒng)工程新范式的需要。
1990年代個人計算機的普及和辦公軟件的應用實現了紙質文檔向電子文檔的轉變,方便了文檔的存儲、復制和修改,但語義表達歧義性、文本表達靜態(tài)性、文檔間的非關聯性等基于文檔研發(fā)模式的內在缺陷并未改變,對上萬級的需求和試驗條目、以及上十萬級的界面接口的動態(tài)管理依舊力不從心。IT工具,特別是CAx工具的廣泛應用,大大提高了研發(fā)人員的專業(yè)設計效率,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,給集成驗證和使用維護留下了大量修修補補和推倒重來的質量問題隱患。
由于基于文檔的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程方法缺乏有效的技術手段支持復雜產品和系統(tǒng)由需求到功能的轉換和分解、需求及設計變更的追蹤管理、涉及多學科領域團隊和系統(tǒng)元素間交互指數級增長的界面接口和設計方案量化表達、權衡優(yōu)化和溝通決策、以及設計方案對涉眾需求的驗證確認(V&V),造成系統(tǒng)集成驗證時出現大量的諸如發(fā)熱、振動、電磁干擾等不期望的故障效應(見圖7)。近年來,F35戰(zhàn)斗機和波音787飛機等復雜裝備和產品遇到的成本進度等問題,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雜性困局的生動體現。
圖7 基于文檔的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程方法應用于當前復雜產品和系統(tǒng)研發(fā)時面臨的技術困難
世紀之交,隨著SysML、STEP、Modelica、FMI等一系列信息建模、數據建模、系統(tǒng)建模、系統(tǒng)仿真標準及MBSE、PLM相關工具平臺的應用和發(fā)展,由于模型本身具有的一致性、可追蹤性、可驗證性、全生命期的動態(tài)關聯性,能夠做到對需求等變化的實時全局響應,更好地理解和管理復雜性,上述建模工具和平臺物化了相應的方法,使得系統(tǒng)工程過程的技術活動和技術管理活動可管理、可復現、可重用,使得統(tǒng)領生命期各階段產品BOM視圖的集成系統(tǒng)模型和數據協(xié)同模型成為可能,打破了專業(yè)壁壘,破解了設計和工藝、研發(fā)和制造、研制和使用維護的分離,極大地提高了溝通和協(xié)同效率,實現了復雜產品和系統(tǒng)研發(fā)的企業(yè)內各專業(yè)部門間、供應鏈擴展企業(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,實現了以模型驅動的方法來采集、捕獲和提煉數據、信息和知識。在企業(yè)研發(fā)信息化體系建設中,頂層的基于MBSE的系統(tǒng)工程過程子系統(tǒng)和底層的數據管理和信息協(xié)同子系統(tǒng)分別成為復雜產品研制的跨業(yè)務、跨組織、跨地域協(xié)同工作平臺的“中樞神經系統(tǒng)”和“經絡系統(tǒng)”,于是霍爾模型的系統(tǒng)工程二維活動矩陣構成的籬笆墻網格,被拓展為橫跨系統(tǒng)全生命期、系統(tǒng)工程技術域全過程和企業(yè)智力資產價值鏈全過程的三維協(xié)同空間。
為了應和基于文檔的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程向基于模型的現代系統(tǒng)工程的演變,繼續(xù)應用TRIZ里的一維變多維創(chuàng)新原理和技術系統(tǒng)協(xié)調性進化法則下的幾何形狀進化路線,作者對霍爾模型進行了修改、擴展和抽象,將知識維修改為認知維,將時間維修改為系統(tǒng)維,邏輯維的名稱不變,將時間的概念引入上述三個維度,使得三維的箭頭都有實際的業(yè)務意義,構成了精益研發(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)工程模型對原霍爾模型做了如下擴展:
圖8 精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程抽象模型
(1) 用DIKW的認知維替換了霍爾模型原來的知識維,給霍爾模型的第三維賦予嶄新的業(yè)務意義和價值。DIKW的認知維代表了人和組織的智力層次結構價值遞增的順序,反映了主觀世界改造客觀世界的認知過程,既包括人工物理系統(tǒng)全生命期特別是研制過程中產生的DIKW的管理和轉化躍遷,也包括組織內現有DIKW在人工物理系統(tǒng)全生命期中的應用,即涵蓋了原霍爾模型知識維的本來場景和翻譯成中文版后國內學者對這一維應用的演繹。原霍爾模型基于書本文檔的知識維在精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程抽象模型的認知維中變成了一個平面。新的認知維記錄了主觀世界認識和改造客觀世界過程中的認知過程和結果,研制組織對人工物理系統(tǒng)的認識不斷深化、積累形成數據→信息→知識→智慧的認知流就是企業(yè)研發(fā)體系的能力建設,是事的維度,PDM、知識管理/知識工程、技術管理等IT工具和平臺的應用是對企業(yè)復雜產品研制管理能力的延伸和提升。這一維度應合了以工業(yè)4.0為代表的新一輪科技革命和產業(yè)革命的發(fā)展趨勢、以及中國制造2025信息化促進工業(yè)化、兩化深度融合的最新進展,應對了人工物理系統(tǒng)復雜程度日益提高帶來的挑戰(zhàn),將人與研發(fā)組織的能力建設及其成熟度過程納入復雜產品和系統(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展(如大數據、云計算、物聯網等),強化對工業(yè)化的支撐和促進。
從知識維到認知維的變化,不但是TRIZ的一維變多維創(chuàng)新原理、協(xié)調性進化法則、幾何形狀進化路線在產品研制和全生命期管理模型系統(tǒng)進化發(fā)展(由霍爾模型進化到精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程抽象模型)上的進一步應用,克服了原霍爾模型知識維存在的抽象性、嚴肅性、普適性、指導性和實操性的問題,而且進一步運用TRIZ技術系統(tǒng)進化法則看待產品研制和全生命期管理模型系統(tǒng)的進化發(fā)展,可得到更多有益的啟示。技術系統(tǒng)完備性法則告訴我們:一個完備的技術系統(tǒng)要包含能量源(可在系統(tǒng)外部)、動力裝置、傳輸裝置、執(zhí)行裝置、控制裝置,度量裝置;新的技術系統(tǒng)經常沒有足夠能力獨立實現主要功能,要依賴超系統(tǒng)提供資源;隨著技術系統(tǒng)的發(fā)展,技術系統(tǒng)逐漸獲得所需資源,自己提供主要功能;技術系統(tǒng)朝著系統(tǒng)不斷自我完善、減少人的參與、以提高技術系統(tǒng)效率的方向進化。能量傳遞法則告訴我們:技術系統(tǒng)實現功能的必要條件是,為提高技術系統(tǒng)的能量傳遞效率,能量必須能夠從能量源流向技術系統(tǒng)的所有元件;技術系統(tǒng)的進化應該沿著使能量流動路徑縮短的方向發(fā)展,以減少傳遞過程中的能量損失;最好用一種能量(或場)貫穿于系統(tǒng)的整個工作過程,減少能量轉換導致的損失;如果系統(tǒng)組件可以更換,那么將不易控制的場更換為容易控制的場。
DIKW的認知維為產品研制和全生命期管理模型系統(tǒng)補全了控制裝置和度量裝置,讓系統(tǒng)工程的八個技術管理過程域在精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程抽象模型內有了用武之地?；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、動態(tài)關聯等特性和相關IT工具的支持,人的參與在減少,產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。為進一步提高信息/能量傳遞效率,減少各領域模型間溝通、格式轉換、互操作的信息/能量轉換損失,產品全生命期信息表達、交換和共享標準、本體工程、以架構為中心的模型管理、產品全生命期數據協(xié)同中樞等各種以一種能量場貫穿整個模型系統(tǒng)工作過程的努力應運而生。人參與的減少,模型替換文檔站到系統(tǒng)工程過程的前臺,也正好符合將不易控制的場更換為容易控制的場。
(2) 將時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)(例如技術和產品,是主觀世界認識和改造的對象)的由生到死(孕育期、成長期、成熟期、衰退期)成熟度不斷提升的發(fā)展進化的全生命期過程,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問題求解步驟抽象為系統(tǒng)工程過程的需求(問題)、方案、驗證、物理四個域,描述主觀世界認識和改造人工物理系統(tǒng)時基于系統(tǒng)工程過程不斷解決各種問題的思維活動,是人的維度,CAx等IT工具的應用是對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行實例化,為具體的業(yè)務場景提供人-物-事的系統(tǒng)工程模型框架。
在系統(tǒng)維上,可以將系統(tǒng)生命周期階段應用于裝備體系、裝備系統(tǒng)、裝備產品、設備子系統(tǒng)、元器件/零部件等系統(tǒng)層次上進行實例化,也可以應用于技術研發(fā)、產品研發(fā)、或技術研發(fā)加產品研發(fā)(見圖9)、甚至建筑設計和智慧城市規(guī)劃設計等場景。ISO/IEC/IEEE 15288、國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)過程是系統(tǒng)工程領域的核心問題。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例化。其中,V模型對于系統(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TRIZ的一維變多維創(chuàng)新原理,增加一個維度意味著看待世界的視角完全改變,V的形狀非常準確地表示了從系統(tǒng)分解到集成活動的系統(tǒng)演進過程,使系統(tǒng)工程過程變得可視化、且易于管理。自上世紀80年代末期提出V模型,然后不斷改進,考慮系統(tǒng)架構和系統(tǒng)元素實體的并行開發(fā),到本世紀初提出雙V模型,二維變三維、又增加了一個維度,從MIL-STD-499B橢圓模型到雙V模型,體現了系統(tǒng)工程過程模型向超系統(tǒng)進化的趨勢,至此系統(tǒng)工程過程模型已相當成熟和完善。除了實體V和架構V構成的雙V模型在系統(tǒng)層次上的遞歸應用(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)特性上進行實例化,也可應用于新產品設計(即工業(yè)品正向設計)、現有產品改進(包括工業(yè)品再設計)、故障診斷排除等產品開發(fā)場景,還可以應用于進化開發(fā)、增量開發(fā)等軟件開發(fā)模式。
圖10 實體V和架構V構成的雙V模型在系統(tǒng)層次上的遞歸應用
在認知維上,DIKW框架、方法和工具可以按組織架構應用于不同層級,也可應用于系統(tǒng)工程各技術管理域和項目管理各管理域等企業(yè)研發(fā)管理和制造生產管理所關注的管理領域,還可按照DIKW四個層次,應用于工程海量數據、工業(yè)大數據、互聯網大數據等不同種類的數據整合、分析、挖掘、展示場景,應用于產品模型數據的管理、融合和協(xié)同,應用于知識管理、知識工程、各種專業(yè)數據庫/知識庫建設,乃至應用于集團企業(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)架構規(guī)劃和信息化建設的重要內容,也是基于系統(tǒng)工程的精益研發(fā)體系建設的重要組成部分。CMMI是企業(yè)過程能力的評價模型,其中的技術過程域可應用于邏輯維能力成熟度的提升,技術管理域可應用于認知維能力成熟度的提升。People-CMMI是人員/組織能力成熟度的評價模型,包括基于個人認知能力模型(了解/熟悉/掌握/精通/大師)和基于組織認知能力(學習、洞察、應變、創(chuàng)新、執(zhí)行),可應用于認知維人力資源管理能力成熟度的提升。而技術成熟度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/產品能力成熟度的度量評價模型。
(6) 精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程模型更深層次的應用是分析兩兩維度交互的細節(jié),特別是全新的認知維與系統(tǒng)維和邏輯維,即物-事和人-事交互的細節(jié),進而為特定業(yè)務場景下的人-物-事業(yè)務需求和業(yè)務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從問題求解和技術系統(tǒng)進化的角度梳理對比分析了從傳統(tǒng)系統(tǒng)工程向現代系統(tǒng)工程的演變。
表2 從傳統(tǒng)系統(tǒng)工程向現代系統(tǒng)工程演變的對比分析
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作為關鍵使能技術,其發(fā)展和應用也遵循TRIZ技術系統(tǒng)進化法則的向超系統(tǒng)進化的趨勢,從SysML的單點應用,到基于各種領域模型互操作和集成的產品全生命期的應用(見圖11),從單一產品、到產品線、體系工程的應用,從航空航天、國防軍工,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成熟度不斷提高(見圖12)。但需要澄清一點,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,為前臺的模型中樞起輔助作用。
圖11 基于STEP/PLCS標準的產品信息模型總線和產品數據協(xié)同中樞
圖12 MBSE能力成熟度演進路線圖
面對無窮的未知和挑戰(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步和發(fā)展進化的不竭動力。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雜性挑戰(zhàn),還是用TRIZ的技術系統(tǒng)進化法則來解釋推演系統(tǒng)工程過程模型半個世紀來的發(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)工程方法向現代系統(tǒng)工程發(fā)展演變的歷史,從技術系統(tǒng)進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,提出了為適應現代系統(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例化應用于各種業(yè)務場景的建模指南,理清了企業(yè)研制管理能力建設的涵義和意義,明確了技術研發(fā)和產品研發(fā)與人工物理系統(tǒng)成熟度之間的關系,提升了產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,都既不是點金術,也不是歷史的終結,都還在不斷發(fā)展變化中,隨著幾十年后以人體科學、生物工程、量子計算機等為代表的下一輪科技革命和產業(yè)革命的到來,系統(tǒng)工程也將會進入新的發(fā)展階段。
部分參考文獻
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