精益研发助推中国制造

精益研发方法学

从霍尔模型这一技术系统的发展进化看传统系统工程到现代系统工程的演变

发表时间:2016/01/05    作者:段海波  
关键字:系统工程  霍尔模型  
本文从问题求解的角度看待传统系统工程方法向现代系统工程发展演变的历史,从技术系统进化的角度分析了代表传统系统工程方法的霍尔模型的优缺点,提出了为适应现代系统工程方法新发展的精益研发三维系统工程模型抽象框架和实例化应用于各种业务场景的建模指南,理清了企业研制管理能力建设的涵义和意义,明确了技术研发和产品研发与人工物理系统成熟度之间的关系,提升了产品研制和全生命期管理模型系统的完备性。

1 问题的提出

    长期以来,人们对产品设计和制造、特别是复杂产品全生命期中的设计和制造活动有个误解,即误认为产品设计活动只发生在产品全生命期的早期阶段,如立项论证或需求分析、概念设计和详细设计阶段;产品制造活动只发生在产品全生命期的中期阶段,如工程研制和生产阶段。然而实际情况是,设计和制造、特别是设计是贯穿产品全生命期的活动,而不仅仅局限于产品生命期的某个阶段,对于复杂产品尤其如此。例如,在立项论证阶段的验证机试制、工程研制阶段工艺设计和工装设计、使用维护阶段的维修性改进设计等等。

    造成这一误解的原因是,把产品的设计制造和全生命期简单化地看成是沿时间轴的一维线性串行活动,混淆了产品由无到有由生到死的、物的成熟度不断提升的过程和在产品全生命期中各利益相关方、特别是研发人员不断解决各种问题的人的思维过程。

2 基于霍尔模型的传统系统工程方法

    实际上,早在上世纪60年代,伴随系统工程在核潜艇、洲际导弹、阿波罗登月等重大项目上的成功实践,美国工程界总结了系统工程的理论和方法,提出了后来大家熟知的“硬系统”方法论。其中的重要标志是:1962年,霍尔(Arthur D. Hall)出版了《系统工程方法论》(A Methodology for Systems Engineering)一书,强调要把系统工程看做一种解决实际问题的程序,用形态分析的方法把系统生命期阶段和问题求解的逻辑步骤分成两个维度,用时间维和逻辑维的二维形态分析矩阵定义和组织系统工程活动;1969年,霍尔提出了系统工程的三维形态分析模型(即霍尔模型,见图1);进而美国国防部于1974年正式发布了基于霍尔模型的系统工程标准MIL-STD-499A。


图1 1969年发表的霍尔模型原版

    霍尔模型的时间维表示系统工程活动从开始到结束按时间顺序排列的全过程,分为规划、拟定方案、研制、生产、安装、运行、更新七个时间阶段;逻辑维表示时间维的每一个阶段内所要进行的工作内容和应该遵循的思维程序,包括明确问题、确定目标、系统综合、系统分析、优化、决策、实施七个逻辑步骤;知识维(见图1)按照数学意义上的形式化或结构化程度由高到低列举了时间维-逻辑维构成的二维系统工程方法可应用的学科领域:工程、医学、建筑、商业、法律、管理、社会科学、艺术等各学科知识和技能,这样就形成了由时间维、逻辑维和知识维所构成的三维空间结构。其中时间维和逻辑维将各时间阶段和逻辑步骤综合起来,形成所谓的系统工程活动矩阵(见表1),是系统分析和设计的有效工具,为解决大型复杂系统的规划、组织、管理问题提供了一种统一的思想方法,因而得到广泛应用。

表1 时间维和逻辑维构成的系统工程二维活动矩阵

    霍尔模型的最大优点是将系统工程过程按逻辑维(人和组织分析问题解决问题的维度)和时间维(物演化成熟的维度)严格分开,把产品研发的一维线性过程,增加了一个维度,变成了二维平面。由TRIZ(发明问题解决理论)里解决矛盾问题的第17号创新原理——一维变多维——可知,增加一个维度意味着看待问题或系统视角的改变,利用空间和新特征来寻找解决问题和系统增值的机会。这一维度的增加不是凭空产生的,而是应和了二战之后从40年代到60年代美苏争霸世界的军事需求,应和了一方面运筹学、控制论等学科和计算机、核能、喷气推进等技术的发展和应用拓展了人类认识自然改造自然的能力,另一方面也使人们在掌控复杂系统的研发和运行上遇到了新挑战的局面。如果把人们建立的产品研制和全生命期管理的各种模型看作一个系统,那么这个技术系统的进化应该符合TRIZ八大技术系统进化法则中的协调性法则,即人们对产品研制和全生命期管理的认知要沿着整个系统(各种模型)的各个子系统之间互相更协调、且与超系统(如产品研制和全生命期管理的工程实践)交互更协调的方向发展。霍尔模型应用形态分析将系统工程过程模型由一维变二维、由二维变三维,正好应和了技术系统协调性进化法则下的几何形状进化路线(点->线->面->体),使得产品研制和全生命期管理模型系统内的研制人员的思维过程模型和研制对象的产品成熟度演进模型两个子系统之间,以及模型系统和超系统环境(如新科技革命和产业革命所代表的外围环境、模型系统的应用对象——产品研制实践和研发体系建设等)之间的相互作用及其属性达到更加匹配状态。

3 霍尔模型的问题和遇到的挑战

    霍尔模型的最大问题出在其知识维。图2是霍尔模型经国内各种出版物翻译演绎的典型中文版示例,其中对知识维的演绎完全改变了1969年原版霍尔模型知识维的涵义,由学科领域的形式化结构化递减关系变成学科门类各取所需的随意罗列,一方面造成这一维度的箭头失去了实际业务意义,另一方面使得知识维缺少了模型应有的抽象性、严肃性和普适性。根据霍尔博士的论述,我们也发现,原版霍尔模型中三个维度的地位和作用完全不同,时间维和逻辑维构成的系统工程二维活动矩阵(见表1)是系统工程方法的基础,起主导性的工具作用,而知识维上的各学科只是系统工程方法的应用领域。


图2  国内出版物翻译演绎的霍尔模型中文版示例

    即使原版霍尔模型知识维的箭头有实际意义,即使霍尔博士提到可以增加新的学科领域、细化时间维的阶段和逻辑维的步骤,用以更多、更准确地识别系统工程过程中的活动、问题乃至解决方案,但对于目前某一领域的科研人员,无论知识维上是系统工程二维活动矩阵的应用领域,还是完成系统工程过程所需的其他学科知识和各种专业技术,霍尔模型三维空间某一节点上只能是某阶段某步骤在某学科领域的应用指南或某学科领域书本上的知识,表现形式都是纸面文档或电子文档,使得知识维的指导意义和实操性相比其他两维都大打折扣。


图3 飞机机载系统软件代码量增长趋势

    也就是说,虽然以霍尔模型为代表的传统系统工程方法在上世纪欧美各国航空航天国防军工行业和中国航天行业都取得了广泛的成功应用,但在世纪之交传统系统工程遇到了巨大挑战。信息技术和网络技术的迅猛发展极大增加了各种人工系统的复杂程度,彻底改变了人类的战争模式和生活方式,使得靠以霍尔模型为核心的、基于文档的传统系统工程方法已无法掌控这种复杂性。例如,在航空领域,嵌入式软件在飞机系统中的重要性迅速增长,1960年代的F-4只有8%的需求由软件控制完成,到世纪之交F-22多达80%的需求由机载软件完成,下一代战机90%的需求将由机载软件完成;而飞机机载系统软件代码量和型号项目的研制成本都呈指数增长趋势(图3、图4)。面对这样的趋势,曾任洛马公司前身马丁?马瑞亚塔航太公司董事長兼CEO的诺曼?奥古斯丁早在1982年就预测,由于武器装备研制成本的增长率要比国防预算的增长率快得多,到2054年采购一架战机将会花费全部的国防预算,30多年过去了,国防武器装备的研制实践仍然没有逃脱奥古斯丁法则的预言。


图4 美军战机研发费用增长趋势

    面对这样的挑战(需求的拉动加上技术的推动),作为应用系统思维、原理和方法解决复杂问题,保证把复杂的事情做对、做好、做快的方法论,系统工程必须随需而变、与时俱进,扬弃传统方法的不合时宜之处,创造性地发展新范式,将以霍尔模型为核心的产品研制和全生命期管理模型系统依照TRIZ技术系统进化法则、沿着技术系统进化路线,迈向下一个进化步骤,重新达到与新科技革命和产业革命所代表的超系统环境的协调匹配状态。


图5 美军战机复杂性飙升的同时研发效率需要更大幅度提升

    欧盟和美国的各种先进技术预研验证项目和新一代武器装备研制都在朝这样的协调匹配状态努力。这样的新目标、新常态对以霍尔模型为核心的传统系统工程工作模式意味着什么?举两个例子,美军下一代战机机载代码量9千万行,比F-35多一个数量级,研制周期比F-35缩短4年,这意味着在F-35比F-22研发效率提升一倍的基础上,下一代战机的研发效率要比F-35提升13倍以上(见图5)。美军在下一代战车研制计划中,采用先进的基于模型的设计和制造方法,在系统复杂性比F22和F35高出近一个数量级的情况下,要把研制周期缩短到正常情况下的1/4,研制成本降到1/5(见图6),这意味着研发效率比传统系统工程方法要有几十倍的提升。这意味着下,对于一代的武器装备和复杂系统的研制,绝大部分错误被消灭在萌芽状态,没有返工,大部分物理试验被数字化仿真验证替代。


图6 基于模型的设计和制造方法帮助美军下一代战车项目大幅度提升研发效率

    为什么基于模型的方法及其新范式有这么大的威力和潜能能够帮助以霍尔模型为核心的产品研制和全生命期管理模型系统实现了这一步的进化跃迁,进而破解复杂性困局和奥古斯丁法则的魔咒?在分析霍尔模型本身问题的基础上,还要分析基于霍尔模型的、以文档为中心的传统方法的本质缺陷和问题,分析基于模型方法的特点,进而对霍尔模型进行修订发展,以适应系统工程新范式的需要。