/中國空間技術(shù)研究院

系統(tǒng)工程學(xué)是組織管理技術(shù)，將研究的對(duì)象或工程管理問題看作是一個(gè)由很多相互聯(lián)系、相互制約的組成部分構(gòu)成的整體，然后運(yùn)用運(yùn)籌學(xué)的理論和方法以及電子計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的各組成部分進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)，最后進(jìn)行綜合，從而使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)。

智慧城市建設(shè)是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，是一個(gè)從宏觀到微觀，從整體到局部，從外部到內(nèi)部，從動(dòng)態(tài)到靜態(tài)，多層次、分系統(tǒng)、縱橫交錯(cuò)的巨大網(wǎng)絡(luò)，其宗旨是推動(dòng)實(shí)現(xiàn)城市治理體系及治理能力現(xiàn)代化，實(shí)現(xiàn)優(yōu)政、強(qiáng)企、惠民的目標(biāo)。作為一個(gè)邊界不固定的復(fù)雜巨系統(tǒng)，科學(xué)的頂層設(shè)計(jì)是成功的保證。為此，筆者提出航天系統(tǒng)工程方法論在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用，為我國開展智慧城市建設(shè)提出了建議和思考。

一、 航天系統(tǒng)工程典型方法及應(yīng)用

1.突出系統(tǒng)總體，強(qiáng)調(diào)總體最優(yōu)

航天器研制是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要把籠統(tǒng)的研制要求逐步變?yōu)槌汕先f個(gè)研制任務(wù)參加者的具體工作，最終綜合成為一個(gè)技術(shù)上合理、經(jīng)濟(jì)上合算、研制周期短、能協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際系統(tǒng)。指導(dǎo)我國航天器研制的方法就是系統(tǒng)工程方法，它既是技術(shù)開發(fā)過程，也是組織管理過程。航天器系統(tǒng)工程工作的范圍和基本方法用一種“V”字圖描述，即基于用戶需求出發(fā)自上而下開展頂層設(shè)計(jì)，進(jìn)行功能指標(biāo)分解、接口關(guān)系協(xié)調(diào)、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、信息流設(shè)計(jì)、系統(tǒng)及分系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，通過多學(xué)科系統(tǒng)仿真不斷迭代，部件研制、分系統(tǒng)集成、系統(tǒng)集成測(cè)試等自下而上進(jìn)行。

2.多學(xué)科系統(tǒng)仿真等技術(shù)手段支撐頂層設(shè)計(jì)

航天器由相互關(guān)聯(lián)的各個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成具有一定功能的整體，總體設(shè)計(jì)并不是分系統(tǒng)和部件的簡單相加。通過科學(xué)的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)、多學(xué)科系統(tǒng)仿真、支持系統(tǒng)整體優(yōu)化、支持體系架構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、支持系統(tǒng)集成效果評(píng)估，最終產(chǎn)生滿足要求、整體性能優(yōu)化的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)的是整體功能優(yōu)于各分系統(tǒng)功能之和。而大量的工作集中在不同系統(tǒng)之間的接口設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間信息交換和共享以及總體最優(yōu)。

3.系統(tǒng)工程管理方法

我國航天器研制的成功離不開系統(tǒng)工程的管理方法，其表現(xiàn)形式是完備的質(zhì)量保障體系和設(shè)計(jì)建造規(guī)范、實(shí)施流程以及控制流程，用標(biāo)準(zhǔn)和體系將流程固化，通過管理措施來檢查約束執(zhí)行情況。

中國空間技術(shù)研究院主要從事航天器總體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成、空間技術(shù)開發(fā)、衛(wèi)星應(yīng)用及空間技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用等業(yè)務(wù)，已自主研制并成功發(fā)射200余個(gè)航天器，樹立了“東方紅”一號(hào)、“神舟”五號(hào)、“嫦娥”一號(hào)中國航天史上三大里程碑。研究院堅(jiān)持軍民融合發(fā)展，充分發(fā)揮航天技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和輻射帶動(dòng)作用，不僅將航天先進(jìn)技術(shù)推廣到國民經(jīng)濟(jì)的多個(gè)領(lǐng)域，也將先進(jìn)的系統(tǒng)工程理論等管理方法不斷應(yīng)用于民用產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)影響力。

二、我國智慧城市建設(shè)存在的主要問題

1.缺乏科學(xué)的頂層設(shè)計(jì)

部分地區(qū)參照已有智慧城市建設(shè)，制定了非常宏偉的智慧城市建設(shè)目標(biāo)，規(guī)劃內(nèi)容包羅萬象，然而缺乏明晰的頂層設(shè)計(jì)，沒有詳細(xì)的推進(jìn)思路和相關(guān)資源的統(tǒng)一協(xié)調(diào)利用及保障體系，這些成為這些區(qū)域建設(shè)智慧城市最大的障礙。

2.城市信息資源沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享

我國當(dāng)前的基礎(chǔ)設(shè)施特別是物聯(lián)網(wǎng)無法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、基礎(chǔ)信息也無法在城市級(jí)別共享利用、信息系統(tǒng)沒有完全協(xié)同運(yùn)作；以某一領(lǐng)域的智慧化試點(diǎn)作為智慧城市切入城區(qū)不在少數(shù)，隨著智慧專項(xiàng)的深入建設(shè)，行業(yè)壁壘反而加重，協(xié)調(diào)難度增大，共享應(yīng)用等方面也達(dá)不到預(yù)想的效果，專項(xiàng)系統(tǒng)最終僅為某個(gè)行業(yè)或領(lǐng)域的信息系統(tǒng)，使得城市信息資源數(shù)據(jù)沒有實(shí)現(xiàn)深度的互聯(lián)互通。

三、航天特色方法在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用

智慧城市是一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)，相比航天器系統(tǒng)更加復(fù)雜、不確定性更多，如邊界不確定、結(jié)果不單一等。要打破條塊分割的信息孤島、減少重復(fù)建設(shè)，必須從全局視角出發(fā)，系統(tǒng)科學(xué)地開展頂層設(shè)計(jì)；要自上而下、多維融合、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一地推進(jìn)。航天特色智慧城市的總體思路是以實(shí)現(xiàn)城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化為目標(biāo)，以頂層規(guī)劃為指導(dǎo)，以底層城市信息資源平臺(tái)為支撐，在“一頂一底”之間開展協(xié)同應(yīng)用，如圖1所示。

1.基于航天特色方法論科學(xué)開展頂層設(shè)計(jì)

智慧城市建設(shè)，切忌“技術(shù)決定論”。盡管智慧城市最終是為了智慧應(yīng)用，但作為一項(xiàng)復(fù)雜的綜合性工程，涉及系統(tǒng)搭建、產(chǎn)業(yè)布局、運(yùn)行維護(hù)和保障支撐等方面，不是依靠一些前沿和新興技術(shù)的簡單疊加就能實(shí)現(xiàn)的。為構(gòu)建這種復(fù)雜系統(tǒng)工程的架構(gòu)，需從整體上全方位、全要素地進(jìn)行考慮。

一是基于Dodaf體系下的系統(tǒng)架構(gòu)理論開展頂層設(shè)計(jì)。Dodaf體系架構(gòu)是由美國國防部制定的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框架，根據(jù)國際系統(tǒng)工程領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展和美國最近20年來的軍事系統(tǒng)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)所形成的，作為指導(dǎo)所有軍事工程項(xiàng)目研發(fā)的系統(tǒng)工程方法論。

將Dodaf體系架構(gòu)的思想及方法應(yīng)用于智慧城市復(fù)雜系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)（見圖2），是將智慧城市看作一個(gè)整體，以城市治理與服務(wù)能力作為指標(biāo)進(jìn)行業(yè)務(wù)流程梳理和優(yōu)化，再根據(jù)流程規(guī)劃智慧城市的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及與業(yè)務(wù)模型相適應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和服務(wù)結(jié)構(gòu)。按照全景、能力、數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)、服務(wù)等8個(gè)視角、52個(gè)子模型自上而下進(jìn)行體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，形成航天特色體系架構(gòu)及方案。

圖1 航天特色智慧城市總體建設(shè)思路

智慧城市體系架構(gòu)采用基于能力的方式，強(qiáng)調(diào)利用自身的綜合能力來應(yīng)對(duì)不確定的、寬泛的問題，它以各地智慧城市建設(shè)主管部門為主導(dǎo)，以能力為分析對(duì)象，貫徹自頂向下、反復(fù)迭代的規(guī)劃思路，其規(guī)劃路徑如圖3所示。

通過系統(tǒng)科學(xué)的頂層設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)梳理跨領(lǐng)域、跨部門、跨平臺(tái)間共用的業(yè)務(wù)流程及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，在整體技術(shù)架構(gòu)上強(qiáng)調(diào)底層數(shù)據(jù)融合貫通，是底層城市信息資源平臺(tái)建設(shè)的保障；有利于政府對(duì)智慧城市建設(shè)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，有效避免了各部門的重復(fù)建設(shè)；整個(gè)過程始終以跨部門協(xié)同、多領(lǐng)域合作、全要素整合為背景，以此為指導(dǎo)開發(fā)的信息系統(tǒng)避免了互聯(lián)、互通、互操作性差的問題；提供運(yùn)用聯(lián)合方案的方法，能夠確定和描述在信息化手段以及城市治理能力和城市競(jìng)爭力方面的提升作用，并能發(fā)現(xiàn)能力缺口以及冗余部分；對(duì)能力缺口和協(xié)同業(yè)務(wù)現(xiàn)狀評(píng)估依據(jù)能力依賴關(guān)系進(jìn)行排序，幫助在解決方案的提出階段明確工作重點(diǎn)；加強(qiáng)了區(qū)域內(nèi)和行業(yè)內(nèi)的協(xié)調(diào)。

圖3 基于Dodaf體系架構(gòu)規(guī)劃路徑

二是基于城市平行系統(tǒng)理論開展仿真驗(yàn)證。平行系統(tǒng)理論是復(fù)雜系統(tǒng)控制與管理的基本方法，實(shí)現(xiàn)信息、關(guān)系、仿真和決策一體化，城市平行系統(tǒng)是由自然的物理現(xiàn)實(shí)城市系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)的人工虛擬城市系統(tǒng)所組成的共同系統(tǒng)（見圖4）。充分發(fā)揮人工系統(tǒng)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)和平行執(zhí)行的作用，通過靜態(tài)、離線的仿真分析評(píng)估，不斷優(yōu)化城市治理體系，提高城市管理與服務(wù)水平。

三是系統(tǒng)工程管理方法是保障。智慧城市作為一個(gè)復(fù)雜超大型信息系統(tǒng)工程，不僅是一個(gè)科技應(yīng)用問題，更重要的是如何按照頂層設(shè)計(jì)不打折扣地執(zhí)行，而系統(tǒng)工程的管理方法是有效保障。航天系統(tǒng)工程管理方法同樣可以用在智慧城市建設(shè)中，最終形成能力體系設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)體系設(shè)計(jì)、頂層規(guī)劃、設(shè)計(jì)建造規(guī)范、接口規(guī)范、技術(shù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、任務(wù)書、項(xiàng)目管理手冊(cè)、運(yùn)營手冊(cè)等一系列標(biāo)準(zhǔn)體系及流程，以有效指導(dǎo)智慧城市建設(shè)。

2.技術(shù)管理“雙輪驅(qū)動(dòng)”，逐步實(shí)現(xiàn)城市數(shù)據(jù)資源共享

一是依托Dodaf體系架構(gòu)開展的頂層設(shè)計(jì)，梳理出需要共享的各類數(shù)據(jù)資源及業(yè)務(wù)流程，并依托相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定來約束數(shù)據(jù)格式。

圖4 平行系統(tǒng)功能及組成關(guān)系

二是建設(shè)航天特色的底層信息資源平臺(tái)——城鄉(xiāng)一體化信息柵格平臺(tái)（CIG）。CIG主要實(shí)現(xiàn)以流程驅(qū)動(dòng)信息的按需聚合，實(shí)時(shí)調(diào)用各委辦局業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，可節(jié)省大量數(shù)據(jù)處理工作，同時(shí)最大限度地降低數(shù)據(jù)冗余。工作流與信息流結(jié)合實(shí)現(xiàn)了各委辦局系統(tǒng)互聯(lián)互通和管理協(xié)同。

三是推動(dòng)政府建立數(shù)據(jù)共享的機(jī)制體制，根據(jù)各地實(shí)際情況采用多種數(shù)據(jù)交換手段，如直接接入、前置機(jī)數(shù)據(jù)交換、定期導(dǎo)入等。

3.發(fā)揮天基信息資源優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)獲取能力

研究院作為我國空間事業(yè)的主導(dǎo)力量，已自主研制并成功發(fā)射200余個(gè)航天器，形成了航天特有的天地一體化優(yōu)勢(shì)，衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星通信綜合應(yīng)用于智慧城市建設(shè)農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋、應(yīng)急等多個(gè)領(lǐng)域，進(jìn)一步提升了城市信息資源的數(shù)據(jù)獲取能力。

四、系統(tǒng)工程方法在智慧城市領(lǐng)域的探索和實(shí)踐

研究院作為我國航天器研制的主導(dǎo)力量，在天基信息資源使用方面具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)通過系統(tǒng)工程方法論的指導(dǎo)和實(shí)踐形成了非常有代表性的實(shí)施復(fù)雜系統(tǒng)的技術(shù)及管理流程。在智慧城市發(fā)展的初期就進(jìn)入了這個(gè)市場(chǎng)，將航天系統(tǒng)工程的方法在智慧城市的建設(shè)上進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，同時(shí)又將新技術(shù)發(fā)展的元素（大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能）融入智慧城市建設(shè)，形成了一整套航天特色的設(shè)計(jì)體系并進(jìn)行了實(shí)踐。

1.哈爾濱智慧管網(wǎng)

研究院于2013年參與的哈爾濱智慧管網(wǎng)地下管線數(shù)據(jù)普查工程項(xiàng)目獲得中國測(cè)繪地理信息學(xué)會(huì)2016年全國優(yōu)秀測(cè)繪工程“白金獎(jiǎng)”。哈爾濱市地下管網(wǎng)存在年久失修、管理部門多、信息無法共享等諸多問題，導(dǎo)致管道泄漏長時(shí)間不能修復(fù)，同一條路因?yàn)楣芫W(wǎng)建設(shè)在短時(shí)間內(nèi)反復(fù)挖開等情況發(fā)生。為了徹底解決這種多頭分管的情況，避免重復(fù)建設(shè)和資源浪費(fèi)，哈爾濱市啟動(dòng)“智慧管網(wǎng)”建設(shè)。

哈爾濱智慧管網(wǎng)系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)實(shí)現(xiàn)了地下管網(wǎng)信息由多家封閉管理變?yōu)殚_放式的只有一個(gè)“管家”，各管線產(chǎn)權(quán)單位共享資源，一旦發(fā)生地下管網(wǎng)事故相關(guān)產(chǎn)權(quán)單位可隨時(shí)快速查準(zhǔn)漏點(diǎn)進(jìn)行搶修。當(dāng)城市的壓力管道發(fā)生爆管泄漏時(shí)，通過系統(tǒng)的壓力管道爆管分析，工作人員能夠快速、準(zhǔn)確地定位漏點(diǎn)，并對(duì)管線進(jìn)行分析，及時(shí)找出相關(guān)的控制閥門，有效控制災(zāi)情，縮短搶險(xiǎn)救災(zāi)時(shí)間。

在實(shí)施哈爾濱智慧管網(wǎng)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，研究院進(jìn)一步開展對(duì)哈爾濱市的智慧城市建設(shè)工作，開拓了城市信息管理等其他領(lǐng)域的建設(shè)項(xiàng)目。

2.長興縣域治理現(xiàn)代化示范工程

浙江省長興縣地處長三角區(qū)域中心，2016年在全國“百強(qiáng)縣”排名第57位，綜合實(shí)力較好。雖然基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)完善，全縣已建成的信息化系統(tǒng)197個(gè)，中央部委垂直系統(tǒng)13個(gè)、省建系統(tǒng)60個(gè)、市建系統(tǒng)8個(gè)、縣內(nèi)主建系統(tǒng)116個(gè)，但各委辦局之間缺乏聯(lián)動(dòng)機(jī)制，數(shù)據(jù)不共享，協(xié)同效率低。

通過與研究院下屬航天神舟智慧公司合作，以頂層設(shè)計(jì)為突破口，建設(shè)航天特色的CIG平臺(tái)。作為全縣各類信息資源統(tǒng)一、唯一的“接入口”，推動(dòng)政府組織委辦局建立了數(shù)據(jù)共享機(jī)制，共整合了48個(gè)部門、392類信息資源、4007個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，基本實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，初步預(yù)計(jì)節(jié)約信息系統(tǒng)建設(shè)投資30%以上，服務(wù)器等硬件投資減少60%以上。

當(dāng)前，中國航天科技集團(tuán)有限公司正在部署的低軌道通信衛(wèi)星星座最終將超過300顆衛(wèi)星，將成為全球無縫覆蓋的空間信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)，為地面固定、手持移動(dòng)、車載、船載、機(jī)載等各類終端提供互聯(lián)網(wǎng)傳輸服務(wù)，將為我國智慧城市建設(shè)注入新的動(dòng)力。

通過航天特色智慧城市建設(shè)的探索與實(shí)踐，一方面表明在面對(duì)復(fù)雜大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，頂層設(shè)計(jì)非常重要，且采用系統(tǒng)工程方法論的指導(dǎo)是可行且有效的；另一方面在面對(duì)智慧城市信息壁壘這個(gè)關(guān)鍵難題時(shí)，技術(shù)手段是重要的，但需要政府的機(jī)制和管理體制作支撐，只有真正實(shí)現(xiàn)城市信息互聯(lián)互通，才能實(shí)現(xiàn)城市治理體系及治理能力現(xiàn)代化。