麥強(qiáng)，王寧，安實(shí)

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，哈爾濱 150001）

重大工程技術(shù)方案設(shè)計(jì)是一個多主體方案搜索過程，眾多負(fù)責(zé)不同分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)單位在不斷地競爭與妥協(xié)過程中持續(xù)修正各自的方案，最終形成一個各方接受的設(shè)計(jì)方案[1-2]。為搜索得到較好的系統(tǒng)方案，通常采用分散的方案設(shè)計(jì)模式。在該模式中，決策權(quán)被充分授權(quán)，同質(zhì)的分系統(tǒng)根據(jù)自身的目標(biāo)展開設(shè)計(jì)。但是由于分系統(tǒng)相關(guān)性所產(chǎn)生的復(fù)雜性，這種組織模式在工程實(shí)踐中的效果并不是很理想。例如，我國在上世紀(jì)八九十年代汽車工業(yè)國產(chǎn)化過程中，上百家整車企業(yè)和上千家零部件企業(yè)在缺少國產(chǎn)化整體設(shè)計(jì)的情況下分散決策，致使自主品牌汽車的開發(fā)舉步不前[3]。在我國第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號”的研制初期，也采取分散方案設(shè)計(jì)的方式，致使工程整體技術(shù)方案遲遲無法確定，研制進(jìn)度被一拖再拖[4]。

在我國重大工程方案設(shè)計(jì)的實(shí)踐過程中，出現(xiàn)了總體部這種新的組織模式。針對“東方紅一號”研制進(jìn)度被延誤的問題，成立了以孫家棟為領(lǐng)導(dǎo)的總體設(shè)計(jì)部，很快確定了總體技術(shù)方案，整個工程也順利開展[4]。在該事件的推動下，總體部逐漸發(fā)展成為我國重大航天工程中的重要組織部門，例如，探月工程有“探月與航天工程中心”，載人航天有“中國載人航天工程辦公室”。一些航天單位也有自己的總體部門，例如，中國航天第五和第二研究院均設(shè)有總體部。這些頂層設(shè)計(jì)部門不僅負(fù)責(zé)工程中分系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)，而且承擔(dān)著總體方案的設(shè)計(jì)職能[5-6]。例如在探月工程中，“探月與航天工程中心”在工程方案階段就制定好了明確的衛(wèi)星平臺和運(yùn)載火箭的技術(shù)方案。

總體部方案設(shè)計(jì)模式假設(shè)分系統(tǒng)是異質(zhì)性，認(rèn)為一些分系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上擁有優(yōu)先權(quán)并進(jìn)行總體優(yōu)化，其他分系統(tǒng)需要根據(jù)這些分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)決策再進(jìn)行自身的設(shè)計(jì)決策。但方案設(shè)計(jì)研究基本上假設(shè)分系統(tǒng)均是同質(zhì)的，忽略了某些分系統(tǒng)相對于其他分系統(tǒng)的重要性。一些研究也考慮了整個設(shè)計(jì)過程的優(yōu)化和控制，但往往假設(shè)總體部門只進(jìn)行管理而不負(fù)責(zé)具體的設(shè)計(jì)工作，所有的分系統(tǒng)仍然是獨(dú)立設(shè)計(jì)，經(jīng)總體部門協(xié)調(diào)后形成最終的技術(shù)方案。我國重大航天工程總體部方案設(shè)計(jì)模式對分系統(tǒng)的認(rèn)識及設(shè)計(jì)過程與上述假設(shè)均不相同，因此，有必要在分系統(tǒng)異質(zhì)性假設(shè)及部分重要分系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對總體部的方案設(shè)計(jì)開展研究。

本文將研究總體部這種具有我國特色的重大航天工程組織模式，從設(shè)計(jì)方案的均衡穩(wěn)定性及績效兩個方面比較總體部方案設(shè)計(jì)模式與分散方案設(shè)計(jì)模式的設(shè)計(jì)效果。本研究將為總體部這一重大航天工程組織實(shí)踐提供理論支持。

1 文獻(xiàn)綜述

重大航天工程的整體技術(shù)方案由功能不同的多個分系統(tǒng)構(gòu)成，并且這些分系統(tǒng)彼此密切相關(guān)，整體技術(shù)方案的最終方案與分系統(tǒng)方案的可能選擇呈指數(shù)關(guān)系增長，是一個具有復(fù)雜性特征的系統(tǒng)[7-8]。如何處理這種復(fù)雜性一直是重大工程方案設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)問題[9]。

第1種可行的方案是在分系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中減少分系統(tǒng)間的聯(lián)系以降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。Sanchez等[10]認(rèn)為產(chǎn)品分解過程中標(biāo)準(zhǔn)化的接口有利于產(chǎn)品開發(fā)的合作。Srikanth 等[11]認(rèn)為模塊化有助于系統(tǒng)集成創(chuàng)新過程中的交流合作。這種通過模塊化策略降低復(fù)雜性的方法已經(jīng)成為復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要方法[12]。但這種方法會限制分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案選擇，降低工程的整體設(shè)計(jì)方案績效[13-14]。Zhou[15]也認(rèn)為，當(dāng)系統(tǒng)的分解性較差時(shí)，模塊化方法的可行性及效果會大打折扣。

第2類處理方法是組織化的搜索，即在不降低復(fù)雜性的基礎(chǔ)上通過搜索過程的組織，找到績效較高的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。這類研究提出了多種類型的組織方式。一類組織模式強(qiáng)調(diào)充分的授權(quán)，認(rèn)為將設(shè)計(jì)決策權(quán)授予分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員能夠有效提高系統(tǒng)整體績效[16-18]。另一類組織模式強(qiáng)調(diào)集權(quán)，認(rèn)為層級制的組織結(jié)構(gòu)有助于控制和合作，能夠快速得到搜索結(jié)果[13，19-21]。一些學(xué)者還對適應(yīng)性搜索等搜索策略開展了研究[22-24]。在這類研究中，一般假設(shè)所有的分系統(tǒng)是同質(zhì)的，對分系統(tǒng)的重要性沒有區(qū)分。層級制的有關(guān)研究僅僅是在分系統(tǒng)之上增加了負(fù)責(zé)決策的CEO 及中間管理者，并未考慮分系統(tǒng)在組織結(jié)構(gòu)影響下搜索方式的變化。而搜索策略的研究忽視了搜索過程所對應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)。

總體部組織模式在我國第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號”的研制過程中就已經(jīng)采用[4]，之后錢學(xué)森將其總結(jié)為更具系統(tǒng)性的“綜合集成方法”的重要內(nèi)容[25]。文獻(xiàn)[5，26]中指出，總體部把系統(tǒng)作為若干分系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的整體來設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成的組織實(shí)體。還有學(xué)者建議將這種組織模式應(yīng)用到更加復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中[6，27]。這些研究從系統(tǒng)論和系統(tǒng)工程的視角說明了總體部的作用，對重大工程的組織管理實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。但同時(shí)這些研究均是定性的說明或哲學(xué)上的論述，缺少定量化的證明。

在我國進(jìn)一步發(fā)展航天工業(yè)并實(shí)施更多重大航天工程的需求下，總體部將發(fā)揮更為重要的作用。因此，有必要結(jié)合重大航天工程分系統(tǒng)異質(zhì)性及部分重要分系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，對總體部方案設(shè)計(jì)的優(yōu)化控制過程進(jìn)行建模，并通過定量化的分析證明總體部方案設(shè)計(jì)模式的有效性。

2 方案設(shè)計(jì)模型

2.1 分散獨(dú)立設(shè)計(jì)模型

設(shè)某重大航天工程項(xiàng)目有N個分系統(tǒng)，每個分系統(tǒng)均由一個責(zé)任單位負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，其決策為x i（i=1，2，…，N）。為考慮分系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案之間的相關(guān)性，本文認(rèn)為該設(shè)計(jì)是分系統(tǒng)責(zé)任單位i在已知其他分系統(tǒng)設(shè)計(jì)xˉ i= （x1，…，x i-1，x i+1，…，x N）的情況下做出的，因此，第i個分系統(tǒng)的績效為。對于整個工程項(xiàng)目而言，工程的整體績效為所有分系統(tǒng)績效的線性函數(shù)：

式中，αi為分系統(tǒng)i的績效權(quán)重值。不同分系統(tǒng)的績效權(quán)重值是不同的，權(quán)重的大小反映了該系統(tǒng)對于工程總體的績效貢獻(xiàn)，權(quán)重越大，分系統(tǒng)越重要。

在分散獨(dú)立設(shè)計(jì)模式中，每個分系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)決策過程包括：

（1）在確定本系統(tǒng)的技術(shù)方案決策之前，該系統(tǒng)會盡量收集相關(guān)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)決策信息。在工程實(shí)踐中，該信息收集過程可以是正式的書面技術(shù)文件或正式的技術(shù)交流會，也可以是非正式的私人交流[20]。

（2）該系統(tǒng)在其他相關(guān)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)決策的基礎(chǔ)上，以本系統(tǒng)績效最大化為目標(biāo)確定設(shè)計(jì)方案x i。在沒有總體控制的情況下，每個分系統(tǒng)有自身的績效追求，因此，并不會追求工程整體績效的最大化?；谶@種考慮，其決策為

（3）所有分系統(tǒng)按照上述兩步確定自己的設(shè)計(jì)方案決策，直到?jīng)]有一個分系統(tǒng)愿意再修改自身的決策。每個分系統(tǒng)確定自身的方案之后，對其他相關(guān)系統(tǒng)而言都會產(chǎn)生新的信息，因此，式（2）中的決策會不斷變化。最后，所有的分系統(tǒng)均會知道其他相關(guān)分系統(tǒng)的決策偏好和決策目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)Nash均衡，即沒有一個分系統(tǒng)會更改其決策而增加收益。在信息充分交流的情況下，系統(tǒng)整體會演化到這種穩(wěn)定狀態(tài)[28-29]。

2.2 總體部設(shè)計(jì)模型

而在總體部設(shè)計(jì)模式下，方案的設(shè)計(jì)過程與分散獨(dú)立設(shè)計(jì)模式略有不同：

（1）總體部會對重要的分系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定這些分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。設(shè)X*為N個分系統(tǒng)中的重要分系統(tǒng)（不失一般性，假設(shè)前n個分系統(tǒng)是這類重要的分系統(tǒng)）為其余的分系統(tǒng)（剩余的N-n個一般分系統(tǒng)），工程的所有設(shè)計(jì)決策X=X*∪?？傮w部會根據(jù)所掌握的當(dāng)前行業(yè)信息及對未來的行業(yè)戰(zhàn)略布局，同時(shí)考慮其他非重要分系統(tǒng)的反應(yīng)，確定X*中n個關(guān)鍵分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以期實(shí)現(xiàn)整體工程的績效最大化。該部分的決策過程為

（2）其余分系統(tǒng)在考慮總體部確定的設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，確定自己的設(shè)計(jì)決策。與分散獨(dú)立設(shè)計(jì)類似，這些分系統(tǒng)的目標(biāo)仍然是自身分系統(tǒng)績效的最大化。因此，該部分的決策過程為

（3）上述兩個過程也在相關(guān)信息的不斷披露過程中演進(jìn)發(fā)展，直到所有分系統(tǒng)知道其他分系統(tǒng)的偏好及目標(biāo)信息，并且不再修改自身的決策為止。在這種方案設(shè)計(jì)框架下，工程系統(tǒng)在由式（3）、（4）所確定的兩類決策間不斷迭代，最終會達(dá)到Stackelberg-Nash均衡[30-31]。

由上述內(nèi)容可以看出，兩種組織模式的設(shè)計(jì)過程完全不同。表1總結(jié)了兩種方案設(shè)計(jì)模式的不同之處。

當(dāng)重大航天工程的分系統(tǒng)較多時(shí)，無論是Nash均衡還是Stackelberg-Nash 均衡都很難求得解析解，因此，本文采用仿真方法討論兩種方案設(shè)計(jì)模式下的工程設(shè)計(jì)效果。

3 仿真模型

由于重大工程的復(fù)雜性，計(jì)算實(shí)驗(yàn)等仿真方法已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的研究方法[32-33]。由上述所提出的兩種方案設(shè)計(jì)模型中，每一個分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)決策均會對其他分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，因此，本文采用Kauffman[34-35]提出的NK模型進(jìn)行仿真研究。該模型是一種基于Agent的仿真模型，借鑒了生物進(jìn)化過程中尋找最高適應(yīng)性的動態(tài)過程，已經(jīng)成為方案設(shè)計(jì)研究中的一種重要方法[36]。NK中的N是指一個系統(tǒng)中存在的Agent個數(shù)（每個分系統(tǒng)可以看成是一個Agent），K是指與每個Agent具有相關(guān)性的Agent個數(shù)。該模型中還有一個參數(shù)A，描述了每個Agent可能擁有的狀態(tài)數(shù)量。根據(jù)這3個參數(shù)，可以生成系統(tǒng)中每個Agent的多種相關(guān)狀態(tài)類型。如果對每種類型均給定一個隨機(jī)的績效值，則系統(tǒng)不同的狀態(tài)就構(gòu)成了一個由很多波峰和波谷組成的適應(yīng)度景觀，系統(tǒng)的演化就是在該適應(yīng)度景觀中尋找最大的適應(yīng)度。本文應(yīng)用N K模型描述每個主體受到相關(guān)主體影響所產(chǎn)生的宏觀動態(tài)環(huán)境，以及各主體在不同策略的指引下尋找最佳績效適應(yīng)動態(tài)環(huán)境的過程。

表1 分散獨(dú)立方案設(shè)計(jì)模式和總體部方案設(shè)計(jì)模式的比較

例如，某系統(tǒng)由5個Agent組成（N=5），其中每個Agent的相關(guān)Agent有3個（K=3），并且每個Agent有兩種狀態(tài)0或1（A=2）。在該參數(shù)設(shè)置下，考慮其他3個相關(guān)Agent的可能狀態(tài)，每個Agent的可能績效貢獻(xiàn)值有23+1個（Ak+1）。其中，每個績效貢獻(xiàn)值一般從（0，1）均勻分布中隨機(jī)選取。這樣，整個系統(tǒng)就有5×23+1個績效貢獻(xiàn)值（N×Ak+1），構(gòu)成了該系統(tǒng)的適應(yīng)度景觀。方案設(shè)計(jì)就是在該適應(yīng)度景觀上進(jìn)行搜索，以得到最高的適應(yīng)度。

3.1 分散獨(dú)立方案設(shè)計(jì)仿真

對于不同的決策模式，適應(yīng)度景觀的構(gòu)成及搜索策略也是不同的。對于分散獨(dú)立方案設(shè)計(jì)模式，在參數(shù)組合N、K和A下，由于是同質(zhì)性主體假設(shè)，故其適應(yīng)度景觀是一體的，可以表示為N×Ak+1。其搜索策略有順序?qū)?yōu)和并行尋優(yōu)兩種方式。

在順序?qū)?yōu)策略中，每個Agent依次搜索績效貢獻(xiàn)值。首先，第1個Agent按照臨近次序搜索某相關(guān)Agent狀態(tài)改變時(shí)的隨機(jī)績效貢獻(xiàn)值。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個績效貢獻(xiàn)值優(yōu)于原值時(shí)，則立刻改變原績效貢獻(xiàn)值并修改相應(yīng)Agent的狀態(tài)。接著，在各Agent新的組合狀態(tài)下，第2個Agent也按照臨近次序進(jìn)行搜索，并確定是否進(jìn)行新的狀態(tài)更新。之后，所有的Agent均按順序依照上述過程進(jìn)行搜索，直到所有的Agent找不到更優(yōu)的績效貢獻(xiàn)值時(shí)搜索停止，這時(shí)所有Agent的最終狀態(tài)就是各分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)決策。

在并行尋優(yōu)策略中，所有的Agent同時(shí)搜索績效貢獻(xiàn)值。每個Agent同時(shí)在自己的可能績效貢獻(xiàn)值集合中進(jìn)行搜索，當(dāng)某個組合狀態(tài)下的績效貢獻(xiàn)值優(yōu)于原績效值時(shí)，修改績效值及對應(yīng)的相關(guān)Agent狀態(tài)值。當(dāng)不同的Agent對于同一個相關(guān)Agent的狀態(tài)值要求不同時(shí)，根據(jù)Agent的權(quán)重值確定該相關(guān)Agent的狀態(tài)。該過程持續(xù)進(jìn)行，直到所有的Agent不再修改狀態(tài)為止。

3.2 總體部方案設(shè)計(jì)仿真

在總體部方案設(shè)計(jì)模式下，由于是異質(zhì)性主體假設(shè)，故其適應(yīng)度景觀可以分為兩部分：①總體部關(guān)注的重要Agent的適應(yīng)度景觀，其參數(shù)組合為n1、K1和A；②一般Agent的適應(yīng)度景觀，其參數(shù)組合為n2、K2和A。由于是兩部分Agent，故還需要一個新的參數(shù)C表示兩部分Agent之前的相關(guān)性。這時(shí)的NK模型會變?yōu)镹 KC模型，用于描述兩個種群的進(jìn)化適應(yīng)過程[33]。由于兩部分Agent的個數(shù)及相關(guān)性不同，這類參數(shù)也有兩個，即C1和C2，前者表示n1中Agent與n2中Agent的相關(guān)性，后者表示n2中Agent與n1中Agent的相關(guān)性。

這兩類不同的Agent會采取不同的搜索策略：總體部為整體尋優(yōu)策略，而一般分系統(tǒng)采取局部尋優(yōu)策略。

在總體部的整體尋優(yōu)策略中，總體部考察每個重要Agent的所有搜索空間尋找最優(yōu)值。對于總體部控制的每個重要Agent，會在n1空間內(nèi)部尋找相關(guān)Agent狀態(tài)改變時(shí)的所有績效貢獻(xiàn)值，并計(jì)算該貢獻(xiàn)值下的工程整體績效。如果該績效值大于原績效值，則改變原績效值，相關(guān)Agent狀態(tài)也發(fā)生相應(yīng)的改變。所有的Agent均按照該策略進(jìn)行搜索，直到工程整體的績效貢獻(xiàn)值不發(fā)生改變時(shí)搜索停止。此時(shí)，n1中的狀態(tài)就是重要Agent的狀態(tài)值?？梢钥闯觯摬糠炙阉鬟^程的判斷依據(jù)是工程整體績效，而不是Agent的績效貢獻(xiàn)值。

一般分系統(tǒng)的局部搜索策略中，Agent會在重要Agent狀態(tài)已經(jīng)確定的情況下搜索局部空間使自身績效貢獻(xiàn)值最大。此時(shí)，Agent的搜索策略與分散獨(dú)立決策模式下的策略類似，以Agent的績效貢獻(xiàn)值大小為判斷依據(jù)。區(qū)別在于此時(shí)的搜索空間被限制，僅在n2中進(jìn)行搜索。即可以改變的僅是相關(guān)Agent中屬于n2空間中的Agent狀態(tài)值。

這兩個尋優(yōu)策略也可以采用并行和順序兩種搜索方式。在并行搜索中，總體部整體尋優(yōu)和一般分系統(tǒng)局部搜索同時(shí)進(jìn)行；而在順序搜索中，總體部整體尋優(yōu)策略完成一次迭代后進(jìn)行一般分系統(tǒng)的局部搜索，之后返回相關(guān)信息總體部進(jìn)行第2次整體尋優(yōu)，該過程持續(xù)進(jìn)行直到系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

表2描述了兩種方案設(shè)計(jì)模式的搜索過程。

表2 分散獨(dú)立方案設(shè)計(jì)模式和總體部方案設(shè)計(jì)模式搜索過程比較

4 仿真結(jié)果及分析

本文應(yīng)用Netlogo 5.3.1軟件對8種系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真。圖1描述了這8種類型的系統(tǒng)組成及參數(shù)結(jié)構(gòu)。所有的系統(tǒng)均由兩部分組成，左側(cè)是重要的分系統(tǒng)，右側(cè)是其余的一般分系統(tǒng)。粉線表示各部分內(nèi)部的相關(guān)性，藍(lán)線表示不同部分之間的相關(guān)性。

圖1 仿真的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

4.1 系統(tǒng)均衡

表3描述了這8種系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)下，兩種方案設(shè)計(jì)模式及不同搜索策略的參數(shù)及系統(tǒng)穩(wěn)定點(diǎn)個數(shù)。其中，同一系統(tǒng)組成及參數(shù)結(jié)構(gòu)具有相同的搜索空間。在每一個搜索空間中，每種搜索策略均運(yùn)行了3×105步搜索。為表示兩類分系統(tǒng)的重要性不同，對于n1中Agent的績效貢獻(xiàn)值?。?，1.2）之間的平均隨機(jī)數(shù)，n2中Agent的績效貢獻(xiàn)值取（0，1）之間的平均隨機(jī)數(shù)。由表3可得如下結(jié)論：

（1）系統(tǒng)復(fù)雜性會影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的均衡點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的均衡點(diǎn)與系統(tǒng)規(guī)模和系統(tǒng)相關(guān)性存在非線性的正相關(guān)性。在第1～第4組的仿真中，比較了組織規(guī)模（Agent數(shù)量）和組織關(guān)系（相關(guān)性參數(shù)）同時(shí)改變下，不同方案設(shè)計(jì)模式和搜索策略的均衡點(diǎn)。在第5～第8組的仿真中，比較了不同組織規(guī)模、相同組織關(guān)系情況下，不同方案設(shè)計(jì)模式和搜索策略的均衡點(diǎn)。從中可以看出，系統(tǒng)越復(fù)雜（組織規(guī)模越大，組織相關(guān)性越強(qiáng)），系統(tǒng)中存在的均衡點(diǎn)越多。并且，這種增長是非線性的。

表3 不同方案設(shè)計(jì)模式下的均衡點(diǎn)

（2）分散獨(dú)立方案設(shè)計(jì)模式的系統(tǒng)穩(wěn)定點(diǎn)遠(yuǎn)大于總體部方案設(shè)計(jì)模式的系統(tǒng)穩(wěn)定點(diǎn)，系統(tǒng)均衡容易陷入局部最優(yōu)解。由第1～第8組，總體部方案設(shè)計(jì)模式的系統(tǒng)穩(wěn)定點(diǎn)數(shù)目均低于分散獨(dú)立方案設(shè)計(jì)模式，特別是第3～第7組，總體部方案設(shè)計(jì)模式的系統(tǒng)穩(wěn)定點(diǎn)數(shù)目遠(yuǎn)低于分散獨(dú)立方案設(shè)計(jì)模式的系統(tǒng)穩(wěn)定點(diǎn)數(shù)目。這是因?yàn)榉稚ⅹ?dú)立方案設(shè)計(jì)模式中的Agent均考慮自身利益最大化，系統(tǒng)在搜索到“適應(yīng)度景觀”的某個局部最優(yōu)解時(shí)，將不再改變系統(tǒng)狀態(tài)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)局部穩(wěn)定。而在總體部方案設(shè)計(jì)模式中，總體部的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體績效最大化，會在曲折的“適應(yīng)度景觀”上搜索較高的適應(yīng)點(diǎn)，因此其系統(tǒng)穩(wěn)定點(diǎn)較少。

（3）在總體部方案設(shè)計(jì)模式下，順序搜索策略的穩(wěn)定點(diǎn)數(shù)目不會多于并行搜索策略，總體部首先決定重要分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)決策有利于搜索的穩(wěn)定性。由第1～第8 組，可以看到，在分散獨(dú)立方案設(shè)計(jì)模式下，并行搜索策略和順序搜索策略的穩(wěn)定點(diǎn)數(shù)量是一致的。這說明，如果每個分系統(tǒng)僅僅考慮自身利益最大化，無論是重要分系統(tǒng)先進(jìn)行決策還是所有分系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行決策，系統(tǒng)搜索的穩(wěn)定點(diǎn)是相同的，均會在局部最優(yōu)解上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)局部穩(wěn)定。而在總體部方案設(shè)計(jì)模式下，兩種搜索策略的穩(wěn)定點(diǎn)數(shù)目卻出現(xiàn)不一致，并且順序搜索策略的穩(wěn)定點(diǎn)數(shù)目不會多于并行搜索策略（在第1、2、3、6、7和第8組，順序搜索策略穩(wěn)定點(diǎn)低于并行搜索策略穩(wěn)定點(diǎn)；而在第4和第5 組，兩種搜索策略的穩(wěn)定點(diǎn)相同）。這說明，在總體部方案設(shè)計(jì)模式下，總體部首先確定重要分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)決策有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定。

4.2 系統(tǒng)績效

對于上述仿真數(shù)據(jù)，本文還用箱形圖統(tǒng)計(jì)了兩種方案設(shè)計(jì)模式及兩種搜索策略的系統(tǒng)績效值，具體如圖2所示。其中，系統(tǒng)績效值采用所有主體的績效貢獻(xiàn)值的均值。

圖2 不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的績效圖

根據(jù)第3節(jié)的模型符號，設(shè)第i個主體的隨機(jī)績效貢獻(xiàn)值為ρi，其取值由自身狀態(tài)si及其他K個相關(guān)主體的狀態(tài)sˉi= （si1，si2，…，siK）決定。因此，ρi為。根據(jù)文獻(xiàn)[20，24]，整個工程的績效可以表示為所有主體的績效貢獻(xiàn)值的均值：

盡管工程技術(shù)方案的復(fù)雜性隨著系統(tǒng)層次及主體個數(shù)的增加而不斷增加，但從仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，不同方案設(shè)計(jì)模式及搜索策略的績效仍然具有規(guī)律性。由上述不同方案設(shè)計(jì)模式及圖2可得如下結(jié)論：

（1）相對于分散獨(dú)立方案設(shè)計(jì)模式，總體部方案設(shè)計(jì)模式能夠提高系統(tǒng)績效值。在本文所進(jìn)行的8組仿真中，無論采取哪種搜索策略，總體部方案設(shè)計(jì)模式下的系統(tǒng)績效值的中位數(shù)值均大于分散獨(dú)立組織模式的中位數(shù)值，說明前者在曲折的“適應(yīng)度景觀”中找到較好的穩(wěn)定點(diǎn)的可能性更高，也意味著總體部方案設(shè)計(jì)模式在設(shè)計(jì)績效方面也優(yōu)于分散獨(dú)立方案設(shè)計(jì)模式。

（2）無論是哪種方案設(shè)計(jì)模式，順序搜索策略的系統(tǒng)績效值不劣于并行搜索策略的系統(tǒng)績效值。在本文進(jìn)行的8組仿真中，順序搜索策略系統(tǒng)績效值的中位數(shù)均大于或等于同種方案設(shè)計(jì)模式下并行搜索策略的系統(tǒng)績效值（第3和第4組中，總體部方案設(shè)計(jì)模式兩種搜索策略的穩(wěn)定點(diǎn)只有一個且相等）。這說明，無論是否有總體部的總體優(yōu)化，順序搜索策略搜索到較好的穩(wěn)定點(diǎn)的可能性更高。

根據(jù)上述均衡穩(wěn)定點(diǎn)及績效仿真結(jié)果，可得如表4所示的方案設(shè)計(jì)模式對比。

表4 方案設(shè)計(jì)模式對比表

因此，對于分系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的復(fù)雜系統(tǒng)，總體部方案設(shè)計(jì)模式是一種高效的組織模式，既能夠有效避免系統(tǒng)整體陷入很多的局部最優(yōu)解，而且能夠較好地提高系統(tǒng)的整體績效。同時(shí)，在總體部方案設(shè)計(jì)模式中，順序的開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作是一種較好的設(shè)計(jì)模式，即首先要在掌握所有分系統(tǒng)可能選擇方案的基礎(chǔ)上確定重要分系統(tǒng)的系統(tǒng)方案，再由其他分系統(tǒng)在重要分系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種策略能夠有效提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)穩(wěn)定性及系統(tǒng)績效。

5 結(jié) 語

重大工程的方案設(shè)計(jì)是一個復(fù)雜過程，某一分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更改會引起其他相關(guān)分系統(tǒng)乃至整體設(shè)計(jì)方案的改變，對組織管理帶來了很大的挑戰(zhàn)。我國重大航天工程實(shí)踐中總結(jié)出了總體部這一創(chuàng)新的方案設(shè)計(jì)模式，在方案設(shè)計(jì)實(shí)踐中取得了很好的效果。本研究有如下三方面的貢獻(xiàn)：①本文構(gòu)建了重大航天工程總體部方案設(shè)計(jì)的決策模型，指出該模型的均衡解是Stackelberg-Nash均衡；②本文從均衡穩(wěn)定性及系統(tǒng)績效兩方面證明了總體部方案設(shè)計(jì)模式的有效性，指出這種方案設(shè)計(jì)模式既有助于避免系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案陷入某些分系統(tǒng)的局部最優(yōu)解，也有助于系統(tǒng)整體績效的提升；③本文證明了在總體部方案設(shè)計(jì)模式下先由總體部制定重要分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)方案的穩(wěn)定性和績效會更好。本研究證明了總體控制有助于解決關(guān)聯(lián)性引起的復(fù)雜性問題，并且為這種方案設(shè)計(jì)模式在重大工程中的推廣和應(yīng)用提供了理論依據(jù)。在工程實(shí)踐中，總體部方案設(shè)計(jì)模式涵蓋了多種類型的系統(tǒng)，遠(yuǎn)比本文所抽象的組織搜索過程復(fù)雜，這是本文研究的局限。今后會在多樣化的混雜系統(tǒng)框架下對這種組織模式進(jìn)行更為深入的研究，例如環(huán)境動態(tài)變化所引起的復(fù)雜情景對總體部方案設(shè)計(jì)的影響，并行搜索和順序搜索相結(jié)合的組合搜索策略等。