基于系统工程的试验器建设流程与应用

贺伟

摘 要：试验器是由许多复杂系统组成的，是固定资产投资建设项目的核心，其建设成败直接决定项目建设效益的好坏，建立试验器建设管理的流程和方法尤为重要。本文运用系统工程思维和方法，論述了试验器建设流程，通过实践和应用表明该流程很好地支撑了试验器建设，为保证试验器顺利投入科研使用打下了坚实基础。

关键词：系统工程；试验器建设；流程建设；应用

引言

系统工程最早在20世纪40年代由美国贝尔电话公司提出，50年代在美国制造原子弹的“曼哈顿”计划及以后美国北极星导弹和阿波罗登月计划皆为系统工程取得成果的著名范例。中国自20世纪70年代末到80年代在系统工程的实际应用方面有了很快的发展，最初1979年钱学森提出14门系统工程，后来随着应用的发展很快有了其他各门系统工程。20世纪90年代到21世纪初出现几门新的系统工程：计算机集成制造系统、网络系统工程、服务系统工程（供应链）、金融系统工程、大型工程（三峡、青藏铁路）、大型社会项目（亚运会、奥运会和世博会）、生物系统工程、医学系统工程、智能交通系统、社会预警系统、电子商务、电子政务、可持续发展等。

试验器是为了满足科研生产任务，根据需求或技术要求建设的，由一系列机械系统、电气系统、测试系统等复杂的、非标准的设备组成的大型试验设备。其具有目标明确、投资大、设计和调试难度大、涉及多个利益相关方等特点，且往往是固定资产投资项目的核心。运用系统工程从试验器需求出发，集成多种专业技术，以全寿命周期的视野反复迭代应用分析-设计-验证过程，开发出整体性能优化的系统。以总体设计为龙头的试验器系统工程方法，保证了从整体目标出发，充分发挥各专业技术优势，相互之间有效协调，实现试验器整体目标，表现出强大的大型复杂技术系统建设和研制能力。

1.基于系统工程的建设流程

系统工程过程是一个结构化的分析—设计—验证过程，包括要求分析、功能分析、设计综合和试验验证。反复迭代应用的系统工程过程体现了分解集成的系统方法，在各阶段的应用都要以试验器全寿命周期的视野，考虑到其他阶段的功能要求。试验器建设流程是设计循序渐进、管理分阶段进行决策和控制的过程，主要包括建设方案论证、技术方案研究、方案设计、详细设计、采购与实施以及验收与使用等6个阶段。基于系统工程的流程使认识不断深化，将科研总体需求、分系统设计需求与验证等逐步分解落实到位。

1.1建设方案论证阶段

建设方案论证阶段从应用需求或者技术发展机遇出发，探索试验器新原理、新技术，并提出试验器建设方案和经费需求的阶段。

试验器的使用单位按照试验器立项论证的相关要求开展设备前期论证，编制建设方案报告，为项目立项评估提供支撑。本阶段详细论述项目建设的必要性，初步分析建设需求，评估是否具备建设条件，说明建设方案和投资规模。重点开展必要性分析、需求分析、形成初步建设方案及主要工艺设备并进行投资估算。为开展技术方案研究提供依据。

1.2 技术方案研究阶段

技术方案研究阶段对符合科研需求方向进行任务分析，提出各分系统方案，开展关键技术攻关，进而进行经济、技术可行性论证，提出使用要求和技术指标。

本阶段重点工作为通过对多个技术方案进行比较分析，开展技术方案的可行性研究，编制技术方案报告，确定推荐方案，并对推荐方案进行详细说明，为试验器方案设计编制提供技术支持。使用单位或设计单位依据建设方案论证报告和立项评估建议，开展方案技术可行性分析，保证技术方案经济、恰当、可行，并提出试验器厂房、油、水、电、气等辅助能力、环保、安全、保密等方面使用要求。建设进度符合要求，经费不超标。技术方案成熟度满足要求，关键技术在实施阶段能满足建设要求，技术路径准确、经济、方案充分、合理、已优化，最终形成技术方案报告。与建设方案论证报告相比较，方案、关键技术指标等发生变更的，需在技术方案报告的专门章节中予以说明。

1.3 方案设计阶段

方案设计阶段根据使用要求确定系统级的功能、性能要求，建立功能基线；将系统级要求分解到分系统，完成系统方案设计，建立明确的建设基线。

本阶段为详细设计提供输入，编制设计方案报告，对总体设计方案和重大技术问题的解决方案进行综合分析，论证技术上的适用性、可靠性和经济上的合理性。确定试验器总体设计方案和主要分系统设计方案，为项目的技术、质量、进度控制提供依据，为详细设计提供输入。使用单位协同设计单位依据批复的可行性研究报告或技术方案报告开展方案设计工作，编制设计方案、总图或打样图等方案设计相关的文档和图纸，对设计方案进行仿真或设计验证，形成设计方案报告并归档。重点包括以下几个方面：（1）论述总体设计方案（包括主要设计指标、工作原理、主要组成等）；（2）针对项目的结构方案、功能方案、需求满足情况、关键技术落实情况进行说明，（3）针对项目中的关键、重大技术问题的解决方案进行详细说明；（4）针对项目可靠性、维修性等方面设计情况进行说明；（5）针对设计结果的验证情况进行说明。与技术方案论证报告相比较，方案、关键技术指标等发生调整的，需在设计方案报告的专门章节中予以详细说明。

1.4 详细设计阶段

详细设计阶段进行功能、性能验证分析以及各种仿真分析试验，完成系统详细设计，建立生产制造和调试基线。

本阶段的目标是完成设备（含子系统）的施工图纸设计及技术要求编制等，为设备（含子系统）生产制造和调试提供依据。对于采用整体外包的设备设施，使用单位应依据设计报告，应提出子分系统详细技术指标、验收标准等，并编制设备整体技术要求，作为整体外包实施的前提和依据。对于自主设计的设备设施，使用单位/设计单位应依据设计报告，完成子系统的原理图或施工图纸设计，并编制各分系统技术要求，作为各分系统实施的前提和依据。

与设计方案论证报告和项目初步设计报告相比较，关键技术指标等发生调整的，通过技术决定单形式编制调整原因和调整内容，并需通过审批。

1.5 采购与实施阶段

建设管理部门组织试验器各系统的采购与实施工作，依据施工图纸和技术要求组织开展设备采购、到货验收、安装、调试等工作。在设备和子系统的制造、安装和调试过程，以需求分析与转化为输入，由设计单位和使用单位安排技术和技能人员全程参与，对生产和制造中的关键工序进行把关，给予技术支持，并协同供货方做好在建设备的维护和保养工作。以科研任务需求为输入，以达到试验器各项性能指标为目标，按组件调试、分系统调试和整体联合调试逐步开展调试工作。试验器生产制造、安装、调试过程中需要对原设计进行更改时，应履行审批手续。

1.6 验收与使用阶段

根据试验器设计报告和合同的相关要求逐项开展技术指标验证、可靠性分析、合同验收和试验器验收工作。完成验收后，投入科研使用。

2.流程的应用

基于系统工程的试验器建设流程，已在数十座大型非标准试验器中广泛应用。按流程与模板要求，需求分析与转化逐步深入推进、深化验证，保证在实施前，各系统的建设方案和技术指标能支撑试验器总体要求，减小了后期调整和变更的风险，提高了建设质量，降低了管理风险。且技术方案和方案设计分别对应着可研报告和初设报告，为项目可研、初设编报打下了坚实基础。

3.结束语

以需求分析与转化、验证与仿真迭代为主要工作内容，详细介绍了基于系统工程的试验器建设流程及应用，并针对每个阶段的工作内容进行展开论述，明确了不同阶段的建设目标，为寻找满足科研任务需求的试验器最佳方案提供了解决方案。通过在数十座试验器的应用和实践，保证了建设效益，减小了建设风险，应用效果良好。

参考文献

[1]汪应洛.系统工程[M].第4版.北京：机械工业出版社，2010年，12-15

[2]郭宝柱.航天组织管理的系统思维与系统工程方法，科技导报，2018年第20期，2-3