舰船系统工程的顶层设计

沈长云

(中国舰船研究院，北京 100192)

舰船系统工程的顶层设计

沈长云

(中国舰船研究院，北京 100192)

简要阐述舰船系统的特征和舰船系统工程的内涵，分析舰船系统工程中顶层设计的作用，并指出顶层设计中需要重视的若干问题。

舰船系统工程;顶层设计

1 舰船系统的特性和舰船系统工程

钱学森先生(1978年《组织管理的技术——系统工程》)对系统(System)的看法是:“我们把极其复杂的研究对象称为系统，即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体，而且，这个系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分”。

随着人们对系统研究的深入，系统概念被众多领域所接受，使用范围不断扩大。在科研生产的实践中又产生了大规模系统或大(巨)系统概念，即Large Scale System。

根据钱学森先生等科学家对大系统的定义，大系统应具有以下5个特征，即“规模宏大、结构复杂、目标多样、功能综合、因素众多”。所谓大系统或巨系统，包含有工程大系统、军事大系统、城市大系统、环境大系统等。

造船行业是一个传统产业，是在传统的科学技术支撑下发展起来的。但是近几十年来，在以信息技术为主导的高新技术推动下，造船行业已经发展成为一个具有高技术特征的产业，尤其是舰船研制，代表着国家的综合科技实力。

舰船系统是一个复杂的综合体。传统意义上的舰船(或总体)，主要是指舰船本身的性能(主尺度、排水量、线型、结构等)和与之相关的舰船动力(主机、功率、航速等)。其他如电力、电子、武器等专业被认为是配套专业。随着高新科技的不断涌现，由学科交叉、渗透、融合产生了一批新的技术门类，新技术在舰船研制中的应用变得越来越重要，综合集成的要求不断提高。因此，现在的舰船及其系统的研制，已经远远超出了传统意义上的“舰船”所复盖的范围，形成了舰船系统，进入到系统工程研究的领域。当前，随着以平台为中心转向以网络为中心的作战需求，舰船平台已经成为整个作战网络中的一个节点。舰船系统则是涵盖了更大的范围，它处于以网络为中心的作战体系(或系统)之中，从工程的角度看，舰船系统构成了一类庞大的工程系统。

根据大系统的特征，舰船系统的大系统特性是十分清晰的，它完全具备了上述大系统的5个特征，如表1所示。

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系统工程的概念出现在20世纪40年代后期，1948年美国Louis B.Ridenour发表专著《雷达系统工程》)，1957年美国 Harry Goode和 Robert Machol发表《系统工程:大规模系统设计导论》，1962年美国A.D.Hall著《系统工程方法》等。我国的系统工程研究始于20世纪50～60年代，在钱学森先生领导下的导弹研制中进行了实践;系统工程的大力宣传和广泛传播则是在改革开放初期。当时，钱学森先生指出，系统工程是一种科学方法，我国国防尖端技术的实践，已经证明了这一方法的科学性。他认为(1978年《组织管理的技术——系统工程》):“系统工程也还是一个总类名称。因体系性质不同，还可以再分;工程体系的系统工程(像复杂武器体系的系统工程)叫工程系统工程，生产企业或企业体系的系统工程叫经济系统工程。”他还认为，系统工程理论不宜称为“软科学”，应该称之为系统科学。“现代科学技术对系统工程的贡献在于把这一概念具体化。就是说不能空谈系统，要有具体分析一个系统的方法，要有一套数学理论，要定量地处理系统内部的关系。”如:运筹学中的线性规划、非线性规划、博弈论、排队论、库存论、决策论、搜索论等是系统工程的理论基础;计算科学和计算技术也是系统工程的理论基础。“‘系统工程’是组织管理‘系统’的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有‘系统’都有普遍意义的科学方法”。因此，系统工程是现代科学技术发展的重大成果，已经成为一门专门的学科。

舰船系统研制是一项庞大的系统工程。从系统科学的角度看，舰船系统是“极其复杂的研制对象”。与其他系统工程一样，舰船系统工程的过程具有一定的结构化程序和方法，在系统研制的全过程中是重复使用的，目的是要把需求逐步转化为系统规范和相应的体系结构。这是以“最优设计、最优控制和最优管理为目的的系统分析、设计、制造和服务，以及充分发挥人力、物力的潜力为目的的管理活动”。总目标是“综合最优化”。

2 顶层设计在舰船系统工程研制中的作用

由于军用装备的规模越来越大，系统越来越复杂，如何在投资、使用、寿命期保障等各种约束条件下，研制出性能和作战效能最佳的系统，成为一项极其困难的任务。为了适应不断变化着的各种利益、观点，在短期目标和长期目标之间取得平衡，需要有一种有效的方法或技术来架设军事需求和工程实现之间的桥梁。同时，军用系统研制的成功经验和失败教训也昭示着需要一种称为“顶层设计”的技术或方法。“顶层设计”起始于军方对于装备的“顶层需求”，是美军在装备发展中提出的设计理念并广泛运用。实践表明，顶层设计对于现代复杂军用系统的研制发挥了重要的作用。顶层设计不仅在发展战略和规划研究中使用，也在系统工程研制中使用。我国则是在20世纪70～80年代开始研究舰船系统工程研制中的顶层设计。通过数十年的发展，取得了一定的效果。

与其他军用系统或装备的研制程序一样，舰船系统的研制也必须遵循规定的程序。研制程序一般包括立项和论证，总体方案设计，总体初步设计，工程研制阶段包含总体技术设计、施工设计和系统建造，随后还有试验、定型和批产等。在我国军用系统或装备发展的过程中，“需求牵引和技术推动”一直是普遍适用的原则，当一项新的军用系统或装备提出时，首先要进行的是需求分析，即完成“需求分析”或“顶层需求”的研究。舰船系统研制的顶层设计由此开始。尽管顶层设计并不是工程实现本身，但在一定意义上是工程的灵魂，顶层设计所规定的众多原则和要求，在工程实现中是必须始终遵循的，也就是说，顶层设计的优劣将影响系统研制的全过程。

在我国舰船系统工程研制的过程中，已经积累了相当丰富的经验，也有值得记取的教训。通过初步总结，顶层设计在舰船系统工程研制中主要可以发挥4个作用，即转化、统筹、迭代和集成。

1)转化

主要任务是将军事需求转化为工程需求。这种转化的前期，主要由使用部门提出军事需求并进行研究，科研部门提供相应的技术支持，使用方发挥主导作用;转化的后期，则以科研部门为主，按照军事需求策划系统的研制，而使用部门则在进一步明确军事需求方面提供协助。所进行的主要工作包括正确理解需求，使需求清晰化;从技术可行性的角度研究需求;将军事需求语言转换为工程技术的顶层语言，使研制人员能正确理解;初步分割工作范围界线和职责。

转化是一个迭代的过程，需要反复对话、协调和权衡。一旦顶层设计文件(如计划或规划，论证文件或总体设计方案等)形成并得到批准，则应当在研制的全过程中保持一致性和权威性，因为它代表了军事需求的意志，代表了技术在该阶段可能实现的程度。如果确实需要修改，则必须严格履行必要的手续，对相应的文件进行更改，应当十分慎重地对待。

2)统筹

主要任务是在需求分析基础上形成技术上的统筹。由于技术处在不断的发展中，而工程研制具有阶段性;装备在其寿命期内需要有一定的稳定时期和适时进行现代化改进。通过合理的统筹，可以使装备既具有一定的先进性，也具有在研制期内的可实现性。统筹工作包括根据系统研制的期限提出能实现的技术成果;技术和经济可行性研究(研制经费、保障条件、研制周期预测等);必要的技术验证试验;多方案论证和比较;综合平衡，形成优化的总体技术方案。

统筹的结果对于系统研制的成败有重要影响。例如，一般认为，在系统研制中新技术和成熟技术的比例为30%和70%为妥。这样，先进性和现实性是比较平衡的，研制风险也比较小。在以往舰船系统研制中，曾经有过舰船上的主要系统都是全新研制的情况，结果是研制进度无法保证，大量科研性试验在舰船建成后进行，不仅经济代价很大，而且导致研制失败。

3)迭代

迭代是工程研制中一项不可或缺的工作，它能产生定义明确的、完全文件化的、平衡最优的系统。如前所述，舰船系统工程过程具有结构化的程序和方法，在系统研制全过程中是重复使用的，目的是要把需求逐步转化为系统规范和相应的体系结构。这就是迭代的过程。在需求转化过程中有迭代，在技术统筹过程中有迭代，在系统研制中的自顶向底和自底向顶或者综合－分解－综合的反复循环中，也有大量的迭代，求得系统所需的功能(性能)要素、系统的限制(工程制约条件)和所获得的系统效能三者之间的平衡。

在迭代中，有大量技术管理的工作，例如:系统工程计划;技术状态管理;要求可追溯管理;技术性能度量;技术评审;质量保证和风险管理等。在舰船系统工程的研制中，曾有过单纯追求个别性能指标的先进性，导致系统指标不匹配的教训，也有过经过多次迭代，通过将系统指标和单个设备指标合理匹配，实现系统最优的例子。

4)集成

顶层设计的集成，是与上述3种作用基本同时或稍后开展的系统内部以及与系统外部的集成。内部集成要完成完整的系统结构和实施方案;外部集成则是要与外部的制约条件相协调。例如，美国海军在21世纪水面作战设计策略的顶层研究中，提出了综合和协调作战和非作战舰船的发展计划。“所有非核水面战舰可共享综合信号控制和安静作战模式;自卫系统;信息总线;工作站和主推进系统。这将提供60%的通用元器件，85%的通用系统，以及沿用到2035年的80%～85%的跨水面舰艇、两栖舰和通用作战后勤的培训教程。”这将制约所有舰船系统的研制，在各种系统顶层设计的集成中，需要遵循这些顶层要求。

此外，舰船系统工程集成的主要任务，是要在实际系统体系结构的指导下，将低一级系统单元装配成高一级系统单元的过程。这是在顶层设计指导下由系统研制的责任单位负责的，也有大量集成的工作需要开展。

3 在顶层设计中需要重视的若干问题

舰船系统工程的顶层设计是一门正在发展的技术，在理论和实践2个方面都需要开展研究。美国国防部1997年12月18日发布了C4ISR体系结构框架(2.0版)，其中有一张“作战视图、系统视图和技术视图”间的基本交联关系图。图1是根据该图稍作修改后，给出作战体系、系统体系和技术体系的相互关系图，可以在顶层设计中作为参考。

图1 作战体系、系统体系和技术体系在系统工程中的相互关系Fig.1 Relation ships of combat system and technology in system enginessring

在舰船系统工程的顶层设计中，下述问题是需要重视的。

1)顶层设计的整体性

整体性对于顶层设计而言是需要重视的，因为这项设计涉及系统研制全局和全过程;同时，舰船系统需要集成众多相关的元素，某些元素的缺漏将无法形成完整的系统，从而对系统研制产生不利影响。

2)顶层设计的层次性

由于舰船系统需要适应不同的作战环境和需求，所以系统内的实体或各分系统都是有层次的。在工程研制时合理地划分层次并确定层次之间的关系，可以避免在不同层次中可能进行的顶层设计之间产生的重复、矛盾或冲突。

3)顶层设计的关联性

顶层设计中的关联性涉及组成系统之间的耦合关系，有些系统之间是紧耦合的，而有些则是松耦合的。目前，在舰船系统工程中，存在着系统的纵向集成和横向集成，情况比较复杂，有时还会出现嵌套的情况，耦合深度也不一样。因此需要清晰地区分和定义各种关联性，使得整个系统的综合功能和相关系统的性能得到比较合理的体现，避免出现重复和交叉。

4)顶层设计的渐进性

由于系统工程周期较长，在顶层设计中往往会有对技术发展的前瞻考虑，预测在工程实现中可以获取的技术，并将其应用于系统。尤其是当前军事装备在向信息化转型的过程中，技术发展和变化快，更需要开展渐进获取的处理。对技术发展的过高估计，可能推迟工程研制的进程;而估计过低，形成的装备将失去必要的先进性。这对顶层设计提出了更高的要求。

5)技术成熟度评估

技术成熟度评估是近年来国内正在推广的一项技术，目的是提高科研管理的精确度和科学性，降低技术发展和系统采办过程的风险。在今后的舰船系统工程的顶层设计中应当加以研究并纳入进来。

4 结语

舰船系统工程的顶层设计经历了多年的发展，取得了一定的进展，但目前仍然是系统研制中的薄弱环节，需要引起重视、大力倡导和深入研究。同时，为了开展顶层研究，需要相应的人才队伍。从事顶层设计的技术人员，需要有开阔的视野，一定深度和广度的专业知识，良好的协调能力和勇于创新的精神。这些可能是推进顶层设计技术进步的根本所在。

Top design of ship system engineerings

SHEN Chang-yun
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，Chian)

This paper gives a brief depiction of the properties of ship system and the connotations of ship system engineerings;analyzes the functions of top design in ship system engineerings and points out some key issues in the top design.

ship system engineerings;top design

N945

A

1672－7649(2011)06－0022－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.006

2011－05－06

沈长云(1944－)，男，研究员，目前主要从事船舶系统工程和舰船领域科技发展战略研究。