王治國，蔡潤南

(北京電子工程總體研究所，北京　100854)

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系統(tǒng)工程在反導裝備體系建設中的應用研究*

王治國，蔡潤南

(北京電子工程總體研究所，北京100854)

摘要：分析了系統(tǒng)工程的定義和方法論，剖析了反導裝備體系建設的特點，研究了系統(tǒng)工程管理在美國國家導彈防御系統(tǒng)中的應用。結(jié)合反導裝備體系建設的具體情況，提出在反導裝備體系建設中運行系統(tǒng)工程管理，逐步開展自上而下頂層設計、自下而上集成聯(lián)試的建設思路，并針對相關支撐條件進行了初步分析。

關鍵詞：系統(tǒng)工程；反導裝備體系建設；頂層設計；集成聯(lián)試

0引言

彈道導彈具有突防能力強、精度高和射程遠的特點，已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中最有威脅性的攻擊性武器之一。隨著越來越多的國家和地區(qū)擁有彈道導彈，彈道導彈防御技術已成為當前大國間博弈與制衡的重要手段，不僅具有實戰(zhàn)應用能力，也極具有戰(zhàn)略威懾意義[1-3]。一方面，鄰國積極發(fā)展系列彈道導彈，射程可覆蓋我國全境，而由于核心利益和意識形態(tài)等方面的差異，來自國外的“空海一體戰(zhàn)”和新型空天武器威脅，以及洲際彈道導彈威脅將長期存在，反導能力建設也已成為我國應對現(xiàn)實威脅的必要手段；另一方面，作為一項以高度綜合集成為特點的系統(tǒng)工程，反導裝備體系建設關系到國家長遠和戰(zhàn)略利益，反導裝備技術涉及多領域多學科的核心技術、支撐技術和基礎技術，對國防工業(yè)科技體系乃至整個國民經(jīng)濟具有重要的牽引和帶動作用。

系統(tǒng)工程技術已成為我國航天器系統(tǒng)研制中的重要綜合性技術，已經(jīng)廣泛應用于國防建設中，對我國國防能力的形成具有重要的意義[4-5]。我國在運用系統(tǒng)工程發(fā)展航天器的40多年過程中，以重大專項為代表的系統(tǒng)工程管理體系已初步形成。就如何進一步推進武器裝備體系工程研究、系統(tǒng)工程在防空反導導彈武器裝備體系建設中如何應用，國內(nèi)相關單位已開展了相關研究工作[6-8]。本文在此基礎上得出了一些粗淺的結(jié)論。

1系統(tǒng)工程概述

1.1系統(tǒng)工程的定義

系統(tǒng)工程是一種系統(tǒng)開發(fā)過程的科學組織和管理方法，根據(jù)美國電子工業(yè)聯(lián)合會標準IS-632，其基本概念即綜合多種專業(yè)技術，通過分析、綜合、試驗和評價的反復迭代過程，開發(fā)出一個滿足全壽命周期各種活動要求、總體優(yōu)化的系統(tǒng)[9]。系統(tǒng)工程的常用技術方法包括評價與預測技術、仿真技術、規(guī)劃與優(yōu)化方法、構(gòu)模方法等[10]。

應用系統(tǒng)工程可以有效縮減系統(tǒng)開發(fā)成本，減小開發(fā)風險。其中最典型的例子就是美國國家航空和宇宙航行局(national aeronautics and space administration, NASA)建立了一套完整、規(guī)范的關于系統(tǒng)工程過程與要求的規(guī)章、標準和手冊，以此作為組織宇航計劃和項目全壽命周期活動的依據(jù)與準則。NASA統(tǒng)計了各個宇航項目的系統(tǒng)開發(fā)成本超支和系統(tǒng)工程投入的數(shù)據(jù)，并擬合出二者的關系曲線(如圖1所示)，圖中表明系統(tǒng)開發(fā)成本超支與系統(tǒng)工程投入呈現(xiàn)負相關的關系， 即在一定程度上增加系統(tǒng)工程的投入，會顯著減少項目的成本超支[11]。圖中還得出結(jié)論：對系統(tǒng)工程的投入占系統(tǒng)成本總投入的最優(yōu)比例為8%。

圖1　系統(tǒng)開發(fā)成本超支與系統(tǒng)工程投入之間的關系Fig.1　Relationship between cost overrun and　　　system engineering effort

1.2系統(tǒng)工程方法論

(1) 霍爾三維結(jié)構(gòu)

在運用系統(tǒng)工程處理問題的方法中，以霍爾三維結(jié)構(gòu)最具代表性。它以時間維、邏輯維、知識維組成的立體空間結(jié)構(gòu)概括地表示系統(tǒng)工程的各階段、各步驟以及所涉及的知識范圍，如圖2所示?；魻柸S結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)工程活動分為前后緊密相連的7個階段和7個步驟，并同時考慮到為完成各階段、各步驟所需的各種專業(yè)知識，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。霍爾三維結(jié)構(gòu)形象地描述了系統(tǒng)工程研究的框架，這種框架結(jié)構(gòu)對于系統(tǒng)工程具有普遍的指導意義。

(2) “V”字模型

NASA在多年的宇航系統(tǒng)項目中，逐步總結(jié)了系統(tǒng)工程的通用過程。該通用過程體現(xiàn)了以分解和集成思想為基礎的方法論，其主體常用一個V型圖來說明，如圖3所示。一方面，對系統(tǒng)設計采用自頂向下、循環(huán)遞歸的設計方法，即將系統(tǒng)逐級自上而下細化為各組成部分的技術要求和具體工作，并通過分析和仿真手段進行迭代優(yōu)化；另一方面，按產(chǎn)品層次采用自底向上遞進的實現(xiàn)方法，并通過測試進行校正和性能確認，最終得到整體性能優(yōu)化的系統(tǒng)產(chǎn)品。

(3) IEEE 1220 系統(tǒng)工程流程

圖3　系統(tǒng)工程“V”字模型圖Fig.3　V-model of system engineering

IEEE 1220是系統(tǒng)工程的商用標準，它是經(jīng)過美國國防部、軍方和工業(yè)界廣泛的討論和協(xié)調(diào)后制定而成。IEEE 1220主要規(guī)劃了系統(tǒng)工程過程(systems engineering process, SEP)及其詳細要求(如圖4所示)，并將SEP分解成若干個子過程，對每個子過程都給出了一幅圖來描述該子過程總的任務流。IEEE 1220是一個完整的、確切的系統(tǒng)工程描述文件，旨在將客戶需求、期望和限制轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品解決方案，并在產(chǎn)品整個使用期內(nèi)對產(chǎn)品解決方案提供支持。

2反導裝備體系建設特點分析

2.1反導裝備體系定義

首先，美國國防部對于體系有如下定義：“體系是由獨立的系統(tǒng)構(gòu)成，通過系統(tǒng)之間的相互關聯(lián)來實現(xiàn)特定的能力，其中任意組成系統(tǒng)的缺失都會使得體系整體能力嚴重退化”。

從體系的定義出發(fā)，對反導裝備體系的定義如下：反導裝備體系主要包含攔截武器、預警探測、指揮控制3類系統(tǒng)，通過高速通信網(wǎng)絡實現(xiàn)信息互聯(lián)互通，在作戰(zhàn)過程中以對來襲彈道導彈實施有效攔截為目標，三者相互作用，高效配合，共同形成反導裝備體系作戰(zhàn)能力，即針對各種射程的彈道導彈形成助推段、上升段、中段、末段攔截作戰(zhàn)能力[12]。

從上述的定義可以得出，反導裝備體系的最低層應是反導武器裝備系統(tǒng)，包括已定型、生產(chǎn)或列裝的反導武器裝備系統(tǒng)和擬發(fā)展的反導武器裝備系統(tǒng)，中間層是按照一定規(guī)則劃分的武器裝備系統(tǒng)的種或類，最高層就是與作戰(zhàn)任務聯(lián)系最緊密的功能層。

圖4　系統(tǒng)工程過程圖Fig.4　System engineering process

2.2反導裝備體系的關鍵特征分析

反導裝備體系的建設是一項高復雜度、長周期性的系統(tǒng)工程，其關鍵特征總結(jié)如下：①每個分系統(tǒng)都可以獨立運行；②分系統(tǒng)可以按要求相互協(xié)作；③體系架構(gòu)開放，不斷發(fā)展；④體系發(fā)展是一個遞進過程，與分系統(tǒng)的升級過程密不可分；⑤各分系統(tǒng)從地理位置上看是獨立分布的；⑥各分系統(tǒng)之間的信息通過公共通信網(wǎng)絡實現(xiàn)；⑦裝備成本高昂，一旦反復代價巨大。

同時，反導裝備體系的研究、設計、開發(fā)、集成、評估、生產(chǎn)和交付是一個復雜的組織管理過程，不僅要考慮到從概念研究到部署使用全壽命周期活動的要求，還要保持在整個研制過程中技術、進度和經(jīng)費的協(xié)調(diào)進展。

根據(jù)反導裝備體系建設特點，為了應對反導裝備體系的復雜性、多變性和高風險性，應當緊密圍繞體系作戰(zhàn)能力的生成與提升，將系統(tǒng)工程的方法論和組織管理模式從反導裝備體系頂層設計階段，貫徹執(zhí)行到體系集成和試驗階段，對攔截武器、預警探測、指揮控制系統(tǒng)進行整體設計、統(tǒng)籌研制、集成聯(lián)試、部署運用和完善優(yōu)化，設計與構(gòu)建高度匹配的精度鏈、識別鏈，形成可靠殺傷鏈。

3系統(tǒng)工程在美國彈道導彈防御體系建設中的應用

3.1美國彈道導彈防御體系的構(gòu)建方法

20世紀90年代，美國軍方逐漸認識到國家導彈防御系統(tǒng)頂層設計與集成的重要性，認為其難度不亞于“子彈打子彈”，遂于1998年4月授予攔截導彈制造商波音公司總承包合同，以波音公司為技術總體深入開展體系頂層設計，全面負責國家導彈防御系統(tǒng)的設計、集成、試驗、交付和維護等。

在軍方牽引下，波音公司以分階段能力需求(即C1,C2，C3)為輸入，采用“自上向下(top-down)”的設計方法，以數(shù)字/半實物仿真為主要手段開展裝備體系頂層設計，包括體系架構(gòu)設計、指標分解分配、接口關系設計以及裝備配系等，對系統(tǒng)分承包商提出裝備研制技術要求，自上向下實現(xiàn)了由體系頂層需求到裝備研制的層層分解。

在產(chǎn)品研制生成后，波音公司再采用自下而上的集成方法，由組件到裝備、再到系統(tǒng)、最終到體系，依序集成驗證。在這一過程，波音公司統(tǒng)籌規(guī)劃系統(tǒng)集成試驗方案和步驟，組織實施地面集成測試和飛行試驗，完成了建設目標實現(xiàn)程度的檢驗、作戰(zhàn)能力的驗證和評估，最終向軍方交付了國家導彈防御系統(tǒng)。

3.2美國彈道導彈防御體系的工程管理體系

為了加強對美國彈道導彈防御體系的工程管理，美國導彈防御局(missile defense agency,MDA)專門設立了系統(tǒng)工程部。系統(tǒng)工程部與總集成商波音公司各司其職，兩者具有明確的功能劃分與職責分工。其中，系統(tǒng)工程部由7個工作組支撐，每個工作組的功能如下：①試驗床規(guī)劃，為彈道導彈防御系統(tǒng)提供結(jié)構(gòu)框架和系統(tǒng)能力等；②設計與規(guī)范工程，負責彈道導彈防御系統(tǒng)各個階段的詳細設計和規(guī)范；③集成與驗證工程，實施系統(tǒng)工程活動以集成、測試和評估試驗床能力，并將裝備規(guī)范驗證集成為系統(tǒng)級評估；④威脅系統(tǒng)工程，負責靶彈的設計、交付與支持；⑤系統(tǒng)分析，為所有系統(tǒng)工程活動提供通用分析源；⑥項目管理與控制，為系統(tǒng)工程提供項目運行支持；⑦作戰(zhàn)集成與支持，搜集、分析、發(fā)布用戶輸入和反饋，并管理彈道導彈防御系統(tǒng)的作戰(zhàn)配置。

波音公司作為總承包合同商，在國家導彈防御系統(tǒng)中的基本任務可以概括為：①系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計；②將需求/功能指標貫徹到每個組成部分；③子承包商任務分配、執(zhí)行及相互協(xié)作；④資源配置；⑤計劃管理；⑥管理復雜的接口界面需求；⑦多級系統(tǒng)集成；⑧共同組成頂級的工業(yè)生產(chǎn)能力。

4以系統(tǒng)工程方式推進反導裝備體系建設的經(jīng)驗總結(jié)

4.1用系統(tǒng)工程流程對反導裝備體系建設進行階段劃分

以V型圖的開發(fā)模式建設反導裝備體系(如圖5所示)，將左半部分作為分解設計過程，根據(jù)軍方軍事需求，將裝備體系自上而下逐級細化為各組成裝備的技術要求和具體工作，并通過分析和仿真手段進行迭代優(yōu)化；在標準規(guī)范與工具方法體系支撐下，開展裝備研制；將右半部分作為集成聯(lián)試過程，將裝備自下而上逐級組裝與集成，并在集成聯(lián)試系統(tǒng)支持下，通過仿真、實裝等試驗方式進行校正和性能確認，最終得到整體性能優(yōu)化的“反導裝備體系”產(chǎn)品。同時，在反導裝備體系建設中，還需關注進度的管理(V型圖上方)和相關支撐條件(V型圖下方)。

圖5　反導裝備體系開發(fā)流程Fig.5　Development process of anti-missile　　　 equipment systems

4.2設立技術總體單位，適時轉(zhuǎn)化為重大專項開展體系建設

設立技術總體，以系統(tǒng)工程方式推進反導裝備體系建設，分階段開展頂層設計和集成聯(lián)試，形成體系作戰(zhàn)能力，并通過實戰(zhàn)和演練反饋，完善頂層設計方案，逐步提升體系作戰(zhàn)效能。在條件成熟時，適時轉(zhuǎn)化為重大專項形式開展。

4.3設立反導裝備體系總體設計實驗室，加強仿真系統(tǒng)建設

設立反導裝備體系總體設計實驗室，根據(jù)體系建設不同階段需求，開發(fā)相應粒度的數(shù)字/半實物仿真系統(tǒng)，基于仿真試驗對總體設計進行分析與評估，以起到縮短研制周期、減少飛行試驗次數(shù)的作用。

4.4加強體系集成聯(lián)試系統(tǒng)建設

解決異地異構(gòu)裝備互聯(lián)互通問題，實現(xiàn)跨地域分布的彈道導彈防御體系裝備在時統(tǒng)、協(xié)議、協(xié)同流程等方面的有效集成，統(tǒng)籌安排武器系統(tǒng)試驗與體系集成試驗、體系作戰(zhàn)能力評估等項目，逐步提升試驗逼真度，適時轉(zhuǎn)換為體系作戰(zhàn)能力。

4.5進一步重視標準規(guī)范研究

制定術語字典、設計規(guī)范、集成規(guī)范、試驗規(guī)范、數(shù)據(jù)采集規(guī)范、評估規(guī)范等，在設計、研制、集成與作戰(zhàn)運用等全壽命階段，保障各方理解的一致性，為體系作戰(zhàn)能力生成奠定基礎。

5結(jié)束語

本文首先分析了系統(tǒng)工程的概念，總結(jié)了霍爾三維結(jié)構(gòu)、NASA總結(jié)的“V”字模型和IEEE 1220 3種系統(tǒng)工程的方法論，其次剖析了反導裝備體系建設的特點，研究了美國彈道導彈防御體系的構(gòu)建方法和工程管理體系。最后，結(jié)合反導裝備體系建設中的具體情況，提出了反導裝備體系建設中運行系統(tǒng)工程管理，逐步開展自上而下頂層設計、自下而上集成聯(lián)試的建設思路，并從仿真試驗、集成聯(lián)試和標準規(guī)范等方面總結(jié)了若干經(jīng)驗。

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Research on Application of System Engineering in Constructions of Anti-Missile Equipment Systems

WANG Zhi-guo, CAI Run-nan

(Beijing Institute of Electronic System Engineering, Beijing 100854, China)

Abstract:The definition and methodology of systems engineering are analyzed. The characteristics of anti-missile equipment systems construction are discussed. The applications of system engineering management in the U.S. NMD (nation missile defense) are explored. The application of system engineering management in anti-missile equipment systems construction is proposed combined with the specific situation. The construction thoughts of top-down design and bottom-up system integration test are developed gradually and analyzed preliminarily.

Key words:systems engineering; anti-missile equipment systems construction; top-down design; system integration test

中圖分類號：N945；TJ76

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-01-0013-05

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.01.003

通信地址：100854北京市142信箱30分箱

作者簡介：王治國(1977-)，男，陜西蒲城人。高工，博士，主要從事空天防御體系、預警探測等研究工作。

基金項目：有

收稿日期：2014-03-24；
修回日期：2014-04-21