事关国家兴衰的标准化领域——复杂产品系统的标准化

李春田

事关国家兴衰的标准化领域
——复杂产品系统的标准化

李春田

本文在论述了复杂产品系统的极端重要性并概括了复杂产品系统与一般产品不同的特征之后，指岀了对复杂产品系统开展标准化的必要性。作者根据已有的经验，提出了针对复杂产品系统开展标准化的3种运作模式。作者认为在未来的国际标准竞争中，这个领域必将成为一个焦点。哪个国家要想使自已的复杂产品系统在国际市场占有一席之地，那就一定要占据这个标准化高地。

复杂产品系统 模块化 综合标准化

一、什么是复杂产品系统？

复杂产品系统（complex products and systems，CoPS）是指研发投入大, 技术含量高, 单件或小批量、定制生产的大型产品、系统或基础设施。诸如大型电信通信系统、大型计算机、航空航天系统、智能大厦、电力网络控制系统、大型船舶、高速列车、半导体生产线、自动化生产线、信息系统、轨道交通控制系统、社会保障及社会安全系统等。

复杂产品系统这个概念，最早是由英国的Hobday提出，并作为与传统的大规模制造的产品有重大差异的产品类型进行单独研究。很显然，其外延已经远远超出了通常的产品范围，这里所讲的“产品”是一类特殊的产品，其最大的特殊就是复杂，它不是一个孤立的产品而是一个复杂系统。我们今天所讲的“大规模工程”指的也基本上是这类对象。

复杂产品系统是由美国军事开发系统中的大型技术系统（large technical systems）演化而来的，如美国陆军的“探险者”计划、海军的“响尾蛇”导弹计划、空军的“宇宙神”计划、航天局的月球探险计划以及波音公司的“民兵”导弹计划等，它们的共同特征是产品系统是由众多子系统或零部件组成的多技术系统（multi-tech-nology systems）,有的甚至是多达几十种技术的复合体，如“柰基—2”导弹就由一百多万个零件组成,不仅要把它们安排在窄小的空间里而且还要互相关联，其复杂性可想而知。负责这类项目的工程师们的共同感受是一旦介入这类项目，就陷入了复杂性灾难之中,技术的复杂性造成了各种不同的但又互相有关的混乱，有时仅仅由于计算中的一个误差就会造成巨大损失。这就是推动运筹学和后来的系统工程发展的强大动力。

人类社会发展到今天，已经把我们从“大规模生产时代”带到了“大规模工程时代”。大规模生产时代以生产工业产品为己任，大规模工程时代则以研制或建造复杂产品系统为己任。今天，凡是接触复杂产品系统的人都有一个共同感受：在大规模生产时代，即使是管理最大的生产系统，问题也较简单，同今天遇到的问题相比也是小问题。因此，与“大规模工程时代”相伴而生的复杂性难题，就成了我们这一代人必须面对的挑战。

二、复杂产品系统的重要性

复杂产品系统，已成为当今世界各国普遍关注的战略重点。德国的“工业4.0”战略、美国正在大力推广的“3D”打印技术，以及IEC正在推进的系统标准化，其终极目的都是针对复杂产品系统这个大目标的。为什么当今世界如此重视复杂产品系统呢？这主要是因为它的巨大技术经济意义：

（1）复杂产品系统与一般产品相比，相对数量虽少，但规模大、单价高，所以整个复杂产品系统产业的总产值占GDP的份额比较高，在现代经济中有着举足轻重的作用。例如，一项对外的高速铁路工程，它所创造的价值，远非一般工业产品可比。一列车苹果换一台设备，8亿件衬衫换一架客机，讲的都是这个道理。

（2）复杂产品系统的综合程度高，它由众多子系统和零部件组成，一旦开发成功，便能够迅速推动相关产业发展，进而带动其他那些普通的大规模制造产品的发展，它对整个国民经济的带动作用无与伦比。

（3）复杂产品系统涉及的技术种类多、技术含量高，其开发成功能够直接导致内嵌在复杂产品系统的各种模块技术应用到其他领域，这种技术扩散的速度远远快于通常的产品创新，从而引起整个相关产业链的技术升级，带来国家竞争力的提升。

（4）复杂产品系统属于大型资本型产品，它们为生产“简单”产品以及提供现代化服务创造了条件，它们是经济和社会现代化的支撑平台。众多工业自动化系统的应用，大型项目的投资建设，将极大地推动我国经济的腾飞。

（5）复杂产品系统最能体现一个国家的综合国力和科技竞争力，能使一个国家在当今以科技和知识为主导的国际竞争中占有相当主动的地位，同时还可以为国民经济的结构调整以及整体发展方向指出战略性的目标。对国民经济起支柱作用的复杂产品系统承担起在开放的环境下支撑我国经济应对国际竞争的重任，尤其是国防尖端产品和战略性新兴产业的产品。

因此，可以说复杂产品系统的创新是一个国家在竞争加剧的国际环境中赖以生存和发展、提升国际地位的有效途径，是关系国家强弱盛衰的命脉。

三、复杂产品系统的特点

复杂产品系统的研制或创新是一个巨大、复杂且技术密集的系统工程，与常规的产品开发、生产以及标准化有着截然不同的特点，如：

（1）复杂产品系统结构的高度复杂性。构成产品系统的要素不仅数量巨大（如构成飞机的零件数目多达数百万）而且要素之间的关系错综复杂。系统内部有众多子系统，这些子系统之间又是相互依赖的，子系统之间有许多协同作用，可以共同进化。在复杂系统中，子系统会分为很多层次，大小也各不相同。面对这种复杂产品，我们难以制定通常的产品标准对它进行规范。

（2）复杂产品系统具有多学科知识集成的特点。这就使得复杂产品系统的管理中更需要对多学科知识的集成管理。传统标准化把学科专业分得非常细，培养了大批的专业标准化工作者，却极度缺乏系统集成的综合性人才和横跨诸多专业和领域的标准化经验；传统标准化习惯于单个制定标准并追求单个标准的优秀，复杂产品系统的知识集成要求知识成套（标准成套）且互相协同。

（3）复杂产品系统通常是高度定制化的产品。不仅整个产品系统是定制的，它的许多子系统和零部件也常常是定制的。已有的标准和标准体系无法满足要求，许多标准也必须量身定制。这同我们以往的标准化观念有着天壤之别。

（4）复杂产品系统多数情况下是单件或小批量制造的，批量生产法则常常不适用。建立在大批量生产方式基础上的传统标准化理论和思维方式也常常不适用。如传统标准化以重复性事物为对象，强调标准的通用性；而复杂产品系统的标准化常以非重复性事物为对象，许多标准具有专用的特点等。

（5）复杂产品系统是动态系统，即与时间变量有关的系统。没有时间的变化，就没有系统的演化，也就谈不上复杂性规律，因为事物总是发展变化的。以航空发动机为例，20世纪30年代Frank Whittle推出的航空发动机结构非常简单，然而，随着航空业对压力、速度、飞行高度、温度等各因素的要求不断提高，航空发动机在原产品的基础上不断添加新的子系统，然后又需添加控制与监测子系统和其他相关元件，从而使得现代航空发动机发展成为具有代表性的复杂产品系统。现代的航空发动机由22 000多个零部件组成（其中许多零部件是定制的），它能够实现许多新的功能，能挑战原有发动机所不能克服的恶劣环境 。但是传统标准化的最大问题就是缺乏对这种动态变化的适应能力，企业的标准体系越是庞大，它的刚性便越强，动态变化的能力便越差。

（6）复杂产品系统的研制与生产同步。它们是融合在一起的，很难把研制和生产区分开。标准怎么办？我们没有能力把研制过程中所需要的标准事先全部准备好，更没必要等到研制结束后再去制定标准，许多标准也只能跟研制与生产同步进行——即需、即制、即用。

（7）开发任务与开发人员的多元化。研制过程中各相关方的广泛参与和协同创新以及由跨企业的多职能项目团队承担等等，都是传统标准化从未涉足的领域。

复杂产品系统之所以有这么多与众不同的特点，归根结底是由于它的高度复杂性，一切皆由复杂性而生。复杂产品系统有的规模很大，如一项奥运工程；有的规模并不大，如一部智能手机，但复杂性却是共同的特点。那么，什么是复杂性呢？复杂性当然与要素有关，但并不一定是要素越多越复杂。复杂性的根源主要是产品的要素、设计参数和任务之间的相互依赖性、混沌性和不确定性。

复杂性与不确定性休戚相关。复杂产品系统的内嵌技术有着高度的不确定性，有的无法在研发生产前预知。通常是系统越是复杂其内生的不确定性便越大。不确定性越大，失败的概率越高，投资风险越大但商机越多（这也是人们甘冒风险的原因）。那么，不确定性是因何而来的呢？主要是由于人们预期的不完全性和解决复杂间题能力的有限性。

因此，如何克服复杂性和不确定性，如何改变预期的不完全性和解决复杂问题能力的有限性，就成为人类跨越复杂性障碍的关键。

面对这个关键性难题的挑战，标准化能否有所作为？这不仅是对标准化的重大考验，而且对未来标准化的发展与走向有着至关重要的意义。

四、复杂产品系统的标准化模式

基于上述的与传统工业产品截然不同的特点，传统的管理理论、传统的流程管理工具（如ERP）以及常规管理模式，如质量体系、企业标准体系等等，由于它们都是着眼于企业内部的管理，对于横跨诸多行业、专业与组织的项目管理则不具有指导意义。

传统标准化的管理模式是：把一个组织开展各项活动所需要的标准事先全部制定出来，存到仓库里备用。这种模式，在技术进步非常缓慢的工业化初期或计划经济年代，以及产品和生产（服务）流程长期不变的企业是基本可行的；随着科学技术的快速发展、市场竞争环境的急剧变化以及产品生命周期的缩短，单靠以往积累的标准来应对当今的市场挑战，已经越来越不能适应了；到了后工业化时代，不要说无法满足越来越多的复杂产品系统的要求，就是一般工业产品的多元化快速应变它都显得力不从心，传统标准化到了该转型的时候了。

正如恩格斯所说：“社会一旦有技术上的需求，则这种需求就会比十所大学更能把科学推向前进”。技术的快速进步、严峻的市场形势和复杂产品系统标准化的迫切需求是把传统标准化推向现代标准化的决定性力量。

作为现代标准化前沿的模块化已经在诸多领域里大行其道，中国的综合标准化和IEC的系统标准化正在积聚经验、蓄势待发，它们将最先担当起复杂产品系统标准化的重任。根据已有的经验，复杂产品系统的运作方式可以初步概括为以下3种模式：A模式、B模式和A+B模式。

（一）A模式——基于黑箱理论的模块化

1. A模式的方法论基础：黑箱方法

黑箱方法是探索复杂大系统的重要工具。它通过考察对象的输入、输出及其动态过程，而不直接考察其内部结构和相互作用的大量细节，只是从总体行为上去描述和把握系统、预测系统的行为，定量地认识研究对象的功能特征、行为方式及其机理的一种科学方法，这在研究复杂系统时特别有用。

所谓“黑箱”，就是指那些既不能打开，又不能从外部直接观察其内部状态的系统。“黑箱方法”从综合的角度为人们提供了一条认识事物的重要途径，尤其对某些内部结构比较复杂的系统和迄今为止人们的力量尚不能彻底认识的系统。

运用黑箱方法研究系统首先要孤立黑箱，确认黑箱——规定它与周围环境的边界，将它从环境中分离出来之后，

即可采用被动考察和主动实验等方法来研究黑箱，使黑箱变成白箱。有时黑箱模型不止一个，这种情况下，系统辨识其中最合理的一个。

当我们把一个复杂产品系统作为研制对象时，由于这个系统中还有许多未知的领域和大量的不确定问题，我们无法像对待一般产品那样，一切全在掌握之中，可以做到由总体设计到施工设计再到生产制造一气呵成。而对于复杂产品系统，只好把那些连总设计师也不清楚的不确定难题装进黑箱里，一步步地向能打开黑箱的专业人员传递，最后再一层层地打开黑箱，变不确定为确定，变未知为已知。

2. A模式的运作方式：模块化设计制造

模块化是标准化的高级形式，黑箱方法的实现形式。模块化运用黑箱原理应对复杂性的主要对策是：

（1）复杂产品系统的全部功能要求，通过组合功能模块的方法来实现，即复杂产品系统采用模块化架构。

（2）用模块分割系统，限制要素间的交互作用，把复杂系统变成一个个较为简单的系统，模块设计者所承担的任务其复杂程度便会显著降底。

（3）如果模块还复杂，可继续分割下去，直到对专业人员来说，黑箱已变成了白箱，这时便可设计制造模块了。

（4）产品的模块化架构，有利于对复杂系统分散决策,使决策方式从集中管理变为对每个模块的管理，从而可以显著地降低对复杂产品系统管理的难度。

（5）当所有黑箱被一层层打开，所有模块均已建成，即可通过一层层的模块系统集成，最终实现复杂产品系统。

（6）由于复杂产品系统通常是根据用户的特殊要求定制的，产品结构中将使用较多的专用模块。又由于模块的开发工作量极大，所以模块集成商常需将非核心技术模块外包，形成模块化产业集群。

（7）模块化产业集群一旦形成，便开始了背靠背的模块研发竞争，产生无与伦比的创新效率。

（8）模块可并行开发、分散化创新、竞争性再集中和事后改进以及模块的可分、可合、可互换等特点，从而使采用模块化架构的复杂产品系统充满无限的生机和活力，产品系统虽然高度复杂但却有极强的应变能力。这种能力已经成为当今市场竞争中决定胜负的关键能力。

在上述所有活动中，必须首先建立能确保系统整体性的“设计规则”或“设计规范”，对模块划分、模块研制、模块集成过程中必须遵守的规则和必须满足的要求，以及在整个过程中必须保留和正确处理的关系、联系和接口等做出统一规定。它既是模块化架构的顶层设计，又是整个系统运作的总依据。如果模块（子系统、分系统）较大，它也是一个相对复杂的系统的话，它还要通过建立相应的子规范、分规范，用以指导子系统、分系统内部的模块化。如此发展下去，便形成一个规范体系，它是模块化成功的最重要的保证。

此外，模块化所特有的选择权和事后改进的特点，可以一定程度地弥补人们预期的不完全性和解决复杂问题能力的有限性，起到降低不确定性的作用。

在传统制造业里模块化方法早有利用，用模块化解决复杂产品系统最成功的典范是IBM的计算机设计革命。到现在无论是一般工业产品还是复杂产品系统，模块化已成为首选的创新模式。从家用电器到机器设备，从运载火箭到航空雷达，从高速列车到航空母舰都不约而同地选择了模块化架构，最具竞争力的模块化智能手机也即将问世。

（二）B模式——基于系统理论的综合标准化

1. B模式的方法论基础：系统分析方法

当我们要创建一个复杂产品系统或者要解决复杂产品系统中的某些问题时，标准是必不可少的。但是，由于前面提到的，人们认识和解决复杂问题能力的有限性，我们无法知道需要制定多少标准？什么标准？更无法知道标准该制定成什么样？如何克服这个复杂性难题呢？系统分析方法便是可借助的科学方法之一。它不仅把标准化对象作为一个系统，而且把这个系统放到它所存在的更大的系统（环境）中进行考察。根据我们创建这个系统的目的和确立的目标，运用各类方法和工具（如模型化方法、定量化方法、最优化方法、以及从定性到定量的综合集成方法等），通过“自上而下”的分析，不仅要找到影响目标实现的相关要素，而且要弄清楚目标与要素之间以及要素与要素之间的定性与定量关系，从而为总目标的分解和落实以及相关标准的制定提供基本依据。这个系统分析过程非常重要，是决定综合标准化成败的关键。每一个综合标准化项目，都是一项系统工程，都要经历一系列步骤和过程，其中的每一步都要经历分析和决策的反复迭代，可以说在综合标准化过程中起关键作用的是以系统理论为基础的系统分析方法。

2. B模式的运作方式：综合标准化

综合标准化不是单纯制定标准，它是要解决问题，而且是解决比较复杂的问题。恰是由于复杂，常常无从下手，不知道该怎样做、做什么才能达到预期的目标。综合标准化借助系统分析方法，进行“自上而下”的分析，不仅要确定与目标的实现密切相关的要素，而且要搞清楚各相关要素与产品系统之间以及各要素相互之间的定性和定量关系，依此将我们设定的总目标（总要求）分解为各相关要素的分目标（分要求）。如果相关要素的分目标仍然复杂难以落实，可再进行分解，直到能够落实到具体的执行主体，随后的工作就是制定确保目标实现的标准。这些标准虽然它们各自的目标不同、任务不同、执行主体也不同，但却都围绕一个总目标并保证总目标的实现，它们被称为“标准综合体”。贯彻实施这个“标准综合体”便可使复杂产品系统创建和运行中的问题得到解决，这种方法运作上的特点便属于IEC所提倡的“自上而下”的标准化方法。

从系统分析到形成标准综合体是一个由分析到综合的反复迭代过程。在这个过程中，“自上而下”的分析使复杂系统简化，帮助我们认识系统，知道该定那些标准和定什么样的标准；“自下而上”的综合，是把标准组织起来，形成一个标准综合体，也就是建立一个复杂的标准系统。只有用复杂的标准系统才能解决复杂产品系统的问题。因为这个标准综合体已不是单个标准的简单相加，是参数指标经过整体协调，各要素互相关联、互相作用的有特定功能的有机整体，它所产生的系统效应，是它能解决问题的根据。

为实现一个较为简单的目标通常建一个标准综合体就能解决问题。对于较复杂的系统目标（需要再分解的目标）则需要建多个标准综合体，分别解决各个分目标的问题。各综合体之间的关系，犹如各子系统之间也是互相关联的，共同保证更高层目标的实现。

（三）A+B模式——模块化与综合标准化互相融合

模块化和综合标准化都是应对复杂性的标准化工具。

模块化是从改变复杂产品系统的架构入手，将复杂产品系统的一体化架构改变为模块化架构，实现对一体化架构的分割，从而使其每一部分变得简单，以达到降低复杂性的目的，使我们有可能对复杂产品展开设计和制造。

综合标准化是从复杂产品系统的目标入手。我们无论创建什么系统，都是有目的和具体目标的。实现预定目标，是创建复杂产品系统的最终目的。因此，综合标准化坚守目标导向原则和用系统分析方法对目标进行分解。但是，目标不是抽象的，对产品系统来说，会大量涉及物理实体，如设备、材料、部件、零件等，它们都可能是目标的载体。对目标的分解，常常会变成对物理实体的分解，这就演变成模块化过程。反过来在模块化过程中对每个具体模块（黑箱）的处理时，又可借助综合标准化的方法对黑箱进行系统分析，找到打开黑箱的途径。

因此，A模式和B模式都不是绝对的，它们在解决具体问题过程中有时只用A模式或B模式，有时交差并用，你中有我我中有你，这就是A+B模式。

五、复杂产品系统的标准化是“重中之重”

虽然我们对复杂产品系统的标准化的认识还很肤浅，但有一点是肯定的，它已经或必将成为国家之间经济和科技实力较量的焦点和未来标准化发展的重点。因此，IEC已经将其提到日程并纳入《发展纲要》。IEC认为：“技术多样性以及许多新兴市场中的技术融合（特别是那些大型基础设施建设领域）现在需要“自上而下”的方法开展标准化。首先从系统或系统架构层面开展工作，而非以往的从产品层面开展工作。系统标准在多领域的需求将快速增长，包括环境，安全和健康”。ISO在质量管理和环境管理领域的标准化取得成功之后，一发而不可收拾，接着在食品安全、社会安全、信息安全、道路交通安全、能源管理、风险管理、社会责任等关键领域，推出了已接近20个基于系统方法的管理系列标准。2012年国家标准委以“系统管理”的思维将综合标准化列为“重中之重”，选择了现代农业、大型客机、海上钻井平台、智能电网、电子商务、社会管理和公共服务等典型的复杂产品系统开展了大范围的综合标准化试点。工业与信息化部在太阳能光伏、半导体照明、云计算、物联网、锂离子电池、智能电视、智能终端等产业发展的重点领域（共10大领域72个子领域）的综合标准化项目正在扎实推进，并筹划下一步将挑战智能制造领域。中国向高难度的现代标准化迈出的这一步，是有重大战略意义的，必将对中国经济的腾飞产生深远的影响。

在面对复杂系统的大规模工程时代，所谓标准化实力，主要不在于你拥有多少标准，也不在于你有多大机构和多少人，更不在于你规范了多少业务流程，关键看你是否具有应对复杂系统的能力并参与其中做出实实在在的成效，这才是当今时代要求标准化具备的“能力”。

这种“能力”的培育和形成，要经历极其艰难的过程，要做大量的艰苦细致工作，要有相当规模的资源投入，毫无疑问它一定是标准化战略的重点。

这种“能力”的研究，也就是解决复杂产品系统的标准化难题，必将成为各类科研机构攻坚的目标。对标准化研究机构来说，同样的是对它的研究能力和研究水平的考验。

所谓“高素质标准化人才”的培养，除了把他们放到复杂性“灾难”之中去磨练，让他们组织跨学科、跨专业、跨领域的专家团队去攻克标准化难题之外，别无它法。

我国的标准化搞了60多年，已经有了相当的基础，标准数量的增长已不是当务之急，到了该用标准解决关键性难题的时候了，也就是到了该转型的时候了。

标准化工作的对象永远是无限的，随便一抓就是一大把，但标准化的资源却是有限的，因此，国际标准化界才提出了个“优先顺序”的概念。聂帅的教导不仅为我们安排优先顺序指明了方向，而且指出了标准化规划和战略的重点和方向。当前的重点和方向就是要把这类与国家命运攸关的事情提到日程。

本文所述的复杂产品系统标准化的3种模式（可能还有许多种），只是根据已有经验的探索，需要解决的技术和方法难题还有很多，探索的路还会很长、很艰巨。但是可以预见，哪个国家要想使自已的复杂产品系统在国际市场占有一席之地，就一定要占领这个标准化高地。

[1] 恩格斯. 自然辩证法[M]. 北京：人民出版社，1960.

[2] IEC发展纲要2011.

[3] IEC SMB/anG35（系统组）报告 （IEC内部文件2013.05.03）.

[4] 陈钢. 在全国标准化工作会议上的工作报告，2012.02.23.

[5]（美）弗雷蒙·E·卡斯特，等. 科学、技术与管理[M]. 北京：国防工业出版社，1978.

[6] 陈劲. 复杂产品系统创新管理[M]. 北京：科学出版社，2007.

[7] 契合新需求 创综合标准化新局[N]. 中国工业报，2011-08-26.

[8] 乌尔里希·森德勒. 工业4.0[M]. 邓敏，李现民，译. 北京：机械工业出版社，2014.

Research on Standardization of Complex Products and Systems

Li Chun-tian

It is necessary to carry out the standardization work of complex products and systems (CoPS) due to the extremely signif cance and different characteristics of CoPS. Based on the existing experience, the author puts forward three operation models for carrying out CoPS standardization and believes the sector will become the focus in the future international standards competition.

complex products and systems, modularization, integrated standardization