基于系统工程方法的科研试验设备管理体系研究

朱可嘉，孟雪松，谷洪征

（中国航空综合技术研究所计量维修测试中心，北京 100028）

0 引言

科研院所科研试验设备作为科研试验工作过程中最为核心的资源之一，是科研价值创造活动中最为重要的手段和工具，也是科研院所科研试验能力的综合体现。科研试验设备运行情况的好坏，一定程度上决定着一个单位的科研水平的高低。新时期，科研院所生产型设备趋向大型化、精密化、集成化、自动化发展，对科研试验设备的使用及其相应管理工作也提出了新的、更高的要求。

1 科研试验设备管理的概念

科研试验设备管理是以科研试验工作中直接创造价值的设备为对象，追求设备综合效率，应用一系列理论、方法，通过一系列技术、经济、组织措施，对设备的物质运动和价值运动进行全过程（从规划、设计、选型、购置、安装、验收、使用、保养、维修、改造、更新直至报废）的科学型管理。

2 科研试验设备管理现状及问题

目前科研院所整体科研试验设备管理理念陈旧、手段落后，虽然利用了信息化的手段对设备进行了集中管控，但尚未形成对设备论证、采办、使用、保养、维修等阶段在内的全寿命周期管理方法及体系，许多科研单位对科研试验设备管理仍处于探索阶段，普遍存在着设备采办成本高、设备功能不全、设备开机率低、设备升级改造频繁、设备维修保养不到位、设备技术状态管控弱、科研试验任务匹配度低、专业管理人员缺乏、管理程序与制度不健全等情况。具体体现在：

2.1 理念及手段方面

我国在科研试验设备管理方面起步较晚，很多管理理念来源于美欧日的汽车、家电生产企业，如精益管理、TPM（Total Productive Maintenance，全员生产维护）。实验室对标管理往往只从科研试验能力角度出发，没有对其在科研试验设备管理经验进行有效学习和借鉴。在VR（Virtual Reality，虚拟现实）、大数据、以及物联网等技术应用方面与国外科研院所存在较大差距，科研试验综合条件保障未能引起各方足够重视。很多科研试验设备数据没能及时有效加以保存，相关技术价值未能得到充分挖掘。

2.2 论证及采购方面

科研生产型设备在购置前论证不充分，对拟购设备的性能指标参数了解不充分，没有长远和统一科学规划；或者虽有论证，但只是出于形式，把关不严，随意性大，缺乏系统性；或只考虑本学科使用上的便利而购置，缺乏成本意识。科研院所很多设备来自于技改及自筹，设备的论证、采购和使用之间严重脱节，设备的效益无法充分体现。

2.3 使用及维护方面

设备管理人员结构不合理，整体素质偏低，直接影响仪器设备的准确使用；设备管理与科研试验人员之间的沟通交流不畅，无法发挥设备最大效能。除大型科研生产型设备专人管理外，其他科研设备多是一人管多台设备，专职的仪器维修人员更少。设备管理人员的操作水平不高，维修和保养跟不上去，仪器设备的功能开发相对薄弱。

2.4 制度及流程方面

多数科研单位尚未建立健全且行之有效的设备管理制度；大多数管理制度内容广泛，缺乏人性化，可执行性、可操作性不够强，而且部分存在是为了应付一系列的评估、检查等而制定。设备安装、技术工艺流程、精度等级、动力配套、计量维修、安全环保等配套方面缺乏统一的系统设计与规范的实施流程。由于标准不统一，造成采购、验收、使用、维护、修理等记录资料在填写和存档过程中屡有缺失。

3 科研试验设备管理体系设计

科研试验设备在使用用途、设备规模、使用频率、维护成本、产出价值等方面，与传统设备存在差异，进而导致传统的生产设备管理理论和方法无法满足科研院所的科研试验设备管理的新要求、新变化。

系统工程是用于系统设计、实现、技术管理、运行使用和退役的专业科学方法论，系统工程方法面对不同利益和多样化甚至冲突的约束，可寻找出安全平衡的方案，并在确定的使用环境下和规划的系统寿命周期中达到利益相关方性能需求。科研试验设备管理体系具有对象结构复杂、影响因素众多、项目周期跨度长、利益相关方诉求相互冲突等特点，更是一项保障科研试验能力科学、有序释放的复杂工作集合，符合系统工程思路和方法所解决问题的范畴。以下从科研试验设备管理的体系架构、需求分解流程、技术管理流程、系统实现流程以及配套组织架构、制度体系等方面进行分析与设计。

3.1 科研试验设备管理的体系架构

科研试验设备管理的主要内容包括：设备立项论证、设备采购安装、设备验收交付、设备计量维修、设备改造升级、设备报废清场等方面。根据NPR7120.5 系统工程方法，将以上工作划分为以下7 个递进阶段。①A 前阶段：设备立项论证，即针对所需采购设备的选型、技术参数、成本费用、寿命周期等进行综合论证，进而确定可行备选方案；②阶段A：方案细化及设备采购；③阶段B：设备安装验收；④阶段C：设备运行保养；⑤阶段D：设备计量维修；⑥阶段E：设备升级改造；⑦阶段F：设备报废清场。

首先，支撑科研试验的设备能力是一个耦合的复杂系统，它是完成一系列研制及试验任务所需的设备能力的总和。通过应用系统工程的方法，将设备能力管理体系从自上而下的系统需求分解开始，结合全面的技术管理流程，完成自下而上的系统级的能力实现。科研试验设备管理体系架构如图1 所示。

3.2 科研试验设备管理的需求分解

科研生产型设备的管理需求，上层来自于装备型号研制的需求，而这一需求又来自于研制大纲以及配套单位对试验条件的相应要求。其次，科研院所计划主管部门会结合实际资源情况，对实际形成的试验条件及能力提出要求。在设备使用层面，业务单位会根据不同的受试对象、测试要求及业务单位资源情况，提出相应的需求。例如，要保证试验设备连续长时间运行，改变机械降温为物理降温，增加设备气密性等。

图1 科研试验设备管理体系架构

图2 需求分解流程

为满足不同的需求，就要针对需求的共性特点，形成设备论证采办的方案、设备运行保障方案、设备报废拆卸方案等，以保证相关需求通过不同的渠道落实到位。同时，形成对设备管理的具体目标要求，具体包括采办的周期和成本、设备运行的效率与效益、设备故障情况等。最终分解到不同类型的科研试验设备上。需求分解流程如图2 所示。

3.3 科研试验设备管理的技术管理

技术管理流程是项目管理和技术团队之间的纽带，更是落实系统需求输入及分解过程以及承接系统实现过程的必要环节。在系统工程引擎的技术管理部分，即技术规划、技术控制（需求管理、接口管理、风险管理、状态管理、数据管理）、技术评估（技术评估、效益评估）、决策与分析，各部分之间相互关联，共同构成了系统功能的集成，从而保证了系统功能的实现。而且，不是每个系统内的设备管理活动都直接经历这所有流程，但他们却间接接收到这些关键功能的影响。技术管理流程如图3 所示。

科研试验设备管理技术规划是系统工程引擎中技术管理流程的第一个，它为应用和管理每个公共技术流程确立一个计划，这个计划将能够用来驱动科研试验设备管理体系和相应工作。这个流程还为辨别和定义设备管理技术工作确立一个规划，这些技术工作是在项目费用、进度和风险约束下，为满足项目目标和寿命周期成功准则所必要的。

科研试验设备需求管理活动用于对所有利益相关者的期望、客户的需求、自顶向下指导最底层产品组件的技术产品需求进行管理。结合科研试验设备能力这一复杂系统，在实际管理过程中可对科研试验设备管理工作进行分解，并设定需求控制基线进行追溯及变更管理。

接口管理与控制对于科研试验设备管理体系运行的成功至关重要。接口管理是在不同组织、部门及团队中分解科研试验设备管理工作时辅助控制项目实现过程，也是定义和维护需要操作一致性的过程。

风险管理流程是交叉关联的技术管理流程之一。风险是以下部分的组合：设备本身及设备管理过程中可能经历非期望时间的概率；如果非期望事件真的发生，其产生一定影响及后果。这个非期望时间可能是技术性或管理性原因引起的（如成本超支、进度延迟、安全事故、操作失误、环境影响或未能达到所需的科学技术目标或成功准则）。就科研试验设备管理而言，设备故障、设备维修计划拖期、设备操作的质量安全的风险是管理的重点，并需通过持续的设备有关的风险识别、分析、计划、跟踪和控制，逐渐减少风险发生的概率及造成的负面影响。

技术状态管理是在项目寿命周期内应用的，控制性能变更和功能与物理特性变更，并为其提供可视化的管理手段。技术状态管理保证项目的技术状态是已知的并能反应项目的信息，任何项目变更是有利的且没有不良后果影响，并保证这些变更是可控的。就设备管理来说，即在生产型设备全寿命周期内，确保各阶段设备技术及管理状态稳定、一致，最大程度上避免技术及管理风险。具体包括设备技术状态计划和管理、技术状态识别、技术状态变更管理、技术状态记录、技术状态验证。涉及生产型设备技术状态变更的只有设备整体及部件的购买、维修、计量、重用。

图3 技术管理流程

其中，科研试验设备管理中的技术状态识别就是选择、组织和陈述设备性能及管理属性的系统性过程。就生产型设备的技术状态管理而言，其主要围绕产品控制基线和部署基线展开，即对设备运行使用状态评审时，对功能基线中标注的状态进行核对和记录。在设备发生故障问题时，及时对产品控制基线中的控制项的物理特性、形状、组装和功能特征进行变更记录。技术状态验证是通过检查文件、设备和记录，通过评审技术、流程和业务系统来验证设备是否达到所需的性能需求和功能属性。

技术数据管理流程用于技术数据的规划、获取、访问、管理、保护和使用，以支持系统的全寿命周期。设备管理中的技术数据主要涉及设备本身的性能数据以及过程有关的管理数据（成本、费用、计划、维修和计量记录等）。

技术评估是交互关联的流程之一，通过定期技术评审辅助监控工程/项目的技术进展。它还提供状态信息来支持评估系统、功能实现和技术管理决策。设备管理中的技术评估主要涉及技术规划评估（管理计划、评审计划、增值管理计划等）、技术指标评估（效能指标、性能指标、技术性能指标等）、报告需求评估（风险、费用、进度等）。

决策分析是用来帮助评价技术问题、备选方案及其支持决策时的不确定性。就科研试验设备管理而言，通常需要明确决策者及其责任，并具备规范的备选方案评价技术规程。

3.4 科研试验设备管理的系统实现

设备管理系统的实现流程是指设备通过购买、维修、改造、计量、重用，在较高层次完成科研试验能力的组装集成，根据能力设计需求及规范验证，根据利益相关者期望确认，最终提交到系统更高层次。该过程中交叉关联着技术管理的有关过程，并经过技术评估流程验证，确保设备技术数据资料的一致性，即符合利益相关者需求的设备能力得以准确构建。系统实现流程如图4 所示。

图4 系统实现流程

表1 科研试验设备利益关联方分布

3.5 科研试验设备管理的利益关联方

科研试验设备管理体系内的利益关联方主要涉及设备需求方、设备论证方、设备购买方、设备所有方、设备使用方、设备技术改造方、设备保障方、专家委员会及最高决策者等。主要涉及的职责包括设备购置需求的提出、设备性能及规格的论证、设备招标及商务谈判、设备资产登记、设备安装、设备保养、设备升级改造、设备维修及计量、设备动力及工艺配套、备件采购及更换、设备报废、设备重用等。科研试验设备利益关联方分布见表1。

科研试验设备需求方可以是外部客户、内部业务单位。

科研试验设备论证方可以是内部业务单位、组织指定的生产型设备管理部门。

科研试验设备购买方可以是内部技术改造部门、生产保障部门及设备管理部门。

科研试验设备所有方具有唯一性和代理人特点，所有方均为资产管理部门，代理所有者可以是实际操作和维护设备的单位或部门。

科研试验设备使用方指直接操作设备并产生直接价值的部门，具体可以是生产型设备使用单位、保障设备及设施操作部门。

科研试验设备技术改造方是内部负责技术改造的部门。

科研试验设备保障方是负责设备搬运、安装、保养、维修、计量等工作的部门。

专家委员会是参与有关科研试验设备论证的专家组成的临时性组织。

最高决策者是科研试验设备采购、搬迁、改造等工作的最终决策人。

注：职责分为两类，一类是“参与”用B 标识，另一类是“负责”用A 标识。

为了更好地划分设备管理体系内的职责关系，根据设备管理的一般经验，可将科研试验设备管理组织架构共分为4 个层级，分别是决策层、辅助决策层、管理层、实施层。结合科研院所组织运行的实际情况，有如下组织架构，科研试验设备管理体系内利益关联方结构如图5 所示。

3.6 科研试验设备管理的约束机制

科研试验设备管理受到来自不同维度、不同程度的约束，要想实现科研试验管理效果最优，并能达成绝大多数利益关联方的诉求，就需要从设备约束本身的目标和层级入手，明确不同约束下的平衡机制，即优先关系、强弱关系。通常约束提出的层级越高，则约束的优先级越高，外部约束强于内部约束。

科研设备管理制度与科研试验管理制度、职能运营管理制度共同形成了科研试验设备管理的约束机制。就约束的内容来看，涉及设备采购、设备验收、设备档案、设备维护、设备检修、设备故障、维护保养、设备计量、备品备件等活动。归纳起来包括设备技术管理约束、运行管理约束、保障管理约束、退出管理约束。科研试验设备管理约束机制如图6 所示。

图5 科研试验设备管理体系内利益关联方结构

图6 科研试验设备管理约束机制

科研试验设备管理约束机制的目的是：规范操作流程、提高使用效率、支撑科研试验、积极创造价值、确保质量安全、降低系统风险、严控成本费用。从形式上分为制度、细则、规范。

科研试验设备管理制度涵盖内容包括：设备台账档案管理制度、设备标识、设备的组织、设备的租赁或调动、设备的使用及管理、设备的保养及维修、设备的安装和拆卸以及运输、设备的停用管理、设备的报废批准等内容。

科研试验设备管理制度实施细则包括：设备管理制度的适用范围、目的、职责。固定资产管理、设备升级改造、新增设备的管理、设备的搬迁、设备租赁和调拨、设备的封存管理、设备的报废、设备的使用管理、设备的维护保养、设备计划检修、重点关键设备管理、特种设备的管理、动力设施的管理、设备事故处理及应急响应、设备的润滑管理、设备的备件管理、设备事故处罚、设备完好奖罚、计量器具管理等内容。

4 结束语

综上所述，在未来很长一段时期内，科研试验设备管理水平的高低势必成为影响科研创新能力提升的关键。在“中国制造”向“中国创造”转变过程中，除了在思想上要提高认识外，还应该在方法论上下功夫，在新技术、新手段上不断加以探索。

4.1 提高科研试验设备论证的系统性及科学性

科研试验设备的论证不应该为了“论证”而论证，不是为了“现在”而论证，更不是为了局部“某个”技术问题而论证。要立足系统全局，从技术发展的长远视角来开展论证工作。另一方面，科研试验设备论证之初，就要将与之有关的系统要素考虑进来，包括科研试验设备后续的使用环境、工艺条件、人员配置、技术需求、以及经济社会效益（回收周期）。只有这样才能做到科学合理，才不会在未来的设备使用过程中产生不必要的问题。

4.2 加强科研试验设备的综合效能评估

科研试验设备来源广泛，主要源自单位自筹和国家技改两个渠道。对于国有科研院所来说，设备采购及研制的经费均来自于国家财政，这就造成很多生产型设备闲置后无人问津，甚至为了完成技改任务还要花费额外的成本。对于眼下未投入使用的设备，可以运用综合效益评估的方法，对设备的投资回收期及效益均衡点进行测算，并根据测算结果选择报废、转让、合作、及重用等方案。对正常运转的设备进行定期评估，以便实现总体运行成本的合理转移及分摊，进而提高科研生产型设备整体运行的综合效能。

4.3 完善科研试验设备管理的组织架构

很多机构和组织长期以来不重视科研试验设备的管理，更强调科研试验设备论证，不注重后期使用及运营，进而导致“马路警察，各管一段”的情况屡有发生。就其根源，在于科研试验设备管理未像科研计划管理一样，形成一套完整的组织架构。因此，有必要构建一个由决策层、辅助决策层、管理层、实施层构成的决策组织，各层分别承担不同的责任，行使不同的权利。在生产型设备管理的不同阶段要实现多维、多层级间的共识共为，以达到组织架构内的信息对称（决策接口一致性）。

4.4 鼓励科研试验设备管理新方法和新手段的运用

随着大数据、物联网技术兴起，特别是分布式计算能力、物联网传感器技术的快速发展，原有的科研院所生产型设备管理模式也在悄然发生着变化，不论从管理响应的及时性、运行的准确性、保障的智能化等方面均提出了新的要求。同时，在管理方面基于模型的系统工程、人工智能的发展也在冲击着传统的生产型设备管理理念。这就需要结合科研院所的实际情况，分布有序的进入与技术发展相适应的新方法和新手段。进而，不断提升和改进科研试验设备管理水平。