解读美军新版采办文件之一:《系统工程指南》

云脑智库 2022-08-13 00:00
美国防部(DoD)于2022214日发布《系统工程指南》(SEG),详细阐述了系统工程的目的、定义、程序、政策和计划,规范了系统工程的技术评审活动,说明了系统工程的设计注意事项,为国防采办项目提供系统工程指导并推荐最佳工程实践。

美国防部发布的《系统工程指南》首页(美国防部图片)

一、文件发布背景

美国防部针对装备采办项目的系统工程文件指导此前一直是国防采办大学发布的《国防采办指南》(DAG)第3章“系统工程”,此次发布的《系统工程指南》取代了《国防采办指南》3章“系统工程”这是美国防部首次自行发布系统工程相关指南,由国防部研究与工程副部长办公室直接负责。美国防部发布《系统工程指南》主要基于以下考虑:

一是落实大国竞争中采办系统改革的需要。美军2018年《国防战略》强调,应对大国竞争,要更加重视技术向作战能力的转化,精简军事能力从开发到部署的程序,提升采办系统的灵活性,以加快能力交付速度。为此,美国国防部新版5000.02文件《适应性采办框架的运行》提出了六条采办路径,覆盖了各类采办对象和需求。由于5000.02文件的变化,原《国防采办指南》的“系统工程”内容已无法有效指导美国防采办系统的运行,需要针对新提出的适应性采办框架重新发布系统工程相关文件,以指导国防采办中的系统工程工作。

二是适应新的采办管理体制的需要。2018年初,美国防部将采办、技术与后勤副部长,拆分为研究与工程副部长和采办与保障副部长。新管理体制正式运行以来,国防部多项政策制度需要根据新的体制进行相应调整。系统工程作为一种对复杂系统和工程进行组织和技术管理,以求最佳效果的技术,在新的采办管理体制下,成为美国国防部研究与工程副部长的主要职责范围。因此本次重新发布的《系统工程指南》由国防部研究与工程副部长办公室直接负责,是适应新采办管理体制的一次工作内容调整。

三是系统工程与时俱进的需要。近年来,以数字工程、任务工程、模块化开放系统为代表的科学方法和技术快速发展,并开始在系统工程领域得到推广应用。数字工程已在一系列行业中实施,提高支付性、敏捷性、质量和效率,为改造工程实践提供了方向;任务工程为技术和预算规划决策提供了量化依据对作战系统能力进行精心规划、分析、组织和整合以实现预期的作战任务效果模块化开放系统通过使用一套通用原则来帮助管理复杂系统,将复杂系统分解成独立部分,然后通过定义的标准接口进行集成从而提高系统效率。如何将这些先进科学方法和技术快速引入国防采办领域,并使之服务于美军国防系统工程框架,是需要迫切解决的问题。新版的《系统工程指南》在系统级设计部分引入这些先进理论,保证美军系统工程的理论体系能与先进方法的发展速度保持一致。

《系统工程指南》对系统的定义(美国防部图片)
二、主要内容
《系统工程指南》详细地阐述了系统工程中系统级设计、技术审查与审计、系统工程流程、设计注意事项等内容。

1系统级设计

系统不应与它在操作环境中关联的其他系统隔离,项目经理(PM、系统工程师和首席软件工程师应该了解系统如何满足其设计的需求,提供功能所需的设计考虑事项,并管理其运行涉及的资源。无论系统是作为独立系统还是系统之系统(SOS的一部分,系统工程师都应检查作战概念/作战模式概要和适用的需求文件(关于依赖性/接口)。

为此,项目经理、系统工程师和首席软件工程师应使用接口控制文件定义系统间接口。除接口控制文件外,项目经理、系统工程师和首席软件工程师还应与配套程序就接口、数据交换寻求协议备忘录(MOA)或谅解备忘录(MOU),以及提前通知这两个备忘录可能的变更时间。这些协议是一种专业规范,也是为了减少在计划向预期的未来技术基线提供能力的风险,并按计划部署足够的资源。

1系统工程在系统之系统中的应用

系统之系统的系统工程涉及规划、分析、组织和集成新系统和现有系统到系统之系统中,使其能力大于其组成部分的能力总和。系统组合可能包括现有的、部分开发的和尚未设计的独立系统。

当系统之系统被识别为“定向”、“确认”或“协作”时,系统工程将应用于各子系统,并根据系统之系统的特征和背景进行定制。对于“虚拟”的系统之系统,国防部按照以网络为中心的服务战略,为缺乏明确共享目标或中央管理环境的系统之系统提供系统工程指导。 

系统之系统的四种类型(美国防部表格)

2)工具、技术和经验教训

在选择和运用系统工程工具和技术之前,系统工程师应考虑:项目的需求和限制、对所需任务和产品的适用性、计算机系统要求、许可和维护费用、技术数据管理、与程序中使用的其他系统工程工具以及外部接口程序集成、培训用户应用工具或技术的成本、政府和承包商工作人员的专业知识水平、在整个采办生命周期内实施工具或技术的可行性。

常用的系统工程工具技术有:模型和仿真、数字工程、任务工程、软件工程、模块化开放系统方法、可持续性分析、价值工程,除此之外,《系统工程指南》还介绍了相关经验教训、最佳做法和案例研究。

3)工程资源和认证

组织和配置系统工程团队并提供支持资源和工具是项目经理、系统工程师和首席软件工程师都关注的关键任务,因为这些任务会影响系统工程方法的有效实施和控制。项目经理负责制定量身定制的战略,使具有成本效益的项目能够在所需的交付时间内提供规定的能力。采办项目定制应包括对成熟度和风险的系统工程评估,确定进入采办生命周期的适当切入点。因此,项目经理应创建一个采办项目办公室结构,确保系统工程师和首席软件工程师融入采办项目规划和执行活动

认证是指由审批机关正式确认系统或程序满足特定要求。在大部分情况下,认证基于法规条令推动系统工程规划在整个采办生命周期中进行认证可降低项目风险并增加对系统的了解。在进行其他设计、集成、网络访问或测试之前,需要特定的认证。

4)系统工程在合同中的作用

系统工程师应参与制定采办项目合同任务,以确保合同中包含适当的技术活动并界定其范围。为了确保最终系统满足目标用户的需求,有必要在工作说明书、目标声明或性能工作声明中对技术任务进行适当的范围界定。系统工程师和技术管理团队应参与合同激励或激励方法的开发,以促进对所选开发方法中固有技术风险和机遇的理解。此外,合同要明确网络安全和运维弹性的连续可测试性的设计要求。

系统工程流程(美国防部图片)

2、技术审查与审计

对于国防采办项目,一系列适当定制的技术审查和审计为整个系统开发提供了关键节点,以提供决策支撑。国防部5000.85指示和自适应采办框架文件识别工具(AAFDIT)确定了采办程序的法规要求:无论采办途径如何,项目经理、系统工程师和首席软件工程师都要适当地调整适用的技术审查与审计,以支持基于技术的里程碑决策,从而简化采办寿命周期,节省纳税人资金。

技术审查和审计可以实现以下目的:1)提供一个严格的活动序列来定义、评估和控制系统的设计和技术基线的成熟度,降低随时间增加的风险。2便于对系统满足能力需求文件规定的操作需求能力进行准确的技术评估。3提供一个与联合能力集成与开发系统JCIDS和规划、计划预算执行系统(PPBE交互的框架4提供技术评估并保证最终产品满足设计和工艺要求。

《系统工程指南》详细介绍了系统工程技术审查与审计的备选系统评审、系统需求评审、系统功能评审、初步设计评审、关键设计评审、系统验证评审/功能配置评审、生产准备程度评审、物理配置评审等内容。

新版指南的技术审查与审计由旧版的9个环节变为8个,去掉了在役评审,将该部分内容放入设计注意事项的保障性中,保证技术审查与审计的所有内容在采办项目寿命周期的生产和部署前完成,以提供武器装备满足设计和工艺要求的技术评估和保证。除此之外,新版指南对部分环节新增了规定:系统需求评审要求在系统需求文档中记录的系统需求必须明确说明,并且可以进行测量和验证;系统验证评审要求检查验证过程的全部文件和数字工件的完整性和充分性;物理配置评审要求确认所有硬件和软件的持续集成均由其产品基线信息准确表示。

重大能力采办寿命周期的技术审查与审计(美国防部图片)
3、系统工程流程
从总体上说,系统工程流程在采办过程某一个阶段中是反复迭代的。系统工程过程通过受控的基线从一个层次向下一个更详细的层次逐步推进。通过技术管理流程和活动,可以发现一些具体的要求、接口或设计方案并非最佳并加以更改,从而提高整个系统的性能,实现费用节约,达到进度要求。系统工程流程的价值不仅在于将设计转化为系统,也在于它构成一个综合框架,在这个框架的指导下,可以从整体上对通用要求进行规定、分析、分解、权衡、管理、分配、指定、综合、测试、部署和维持。

适用于所有采办途径的八个技术管理流程为管理技术活动和识别对采办项目成功至关重要的技术信息和事件提供了一致的框架。同时,八个技术流程确保系统设计和交付能力反映利益相关者表达的要求。

1)技术管理流程

美国防部的系统工程由八个技术管理流程组成,这些技术管理流程在整个系统生命周期中始终一致地使用,以帮助管理系统开发。技术管理流程主要包括:技术规划流程、决策分析流程、技术评估流程、需求管理流程、风险管理流程、配置管理流程、技术资料管理流程、接口管理流程。

新版指南对部分环节新增了要求和说明:技术评估流程中提出应该酌情让决策者、利益相关者和中小企业参与审查和审计;风险管理流程提出相比项目风险流程,风险管理计划更加重要,并新增了风险规划(用于提前计划风险管理过程并进行记录)和风险监控(用于监控风险缓解后可能出现的变化,跟踪和评估风险缓解的效果)两个步骤;接口管理流程特别提及使用符合里程碑决策且基于共识的标准系统接口规范,具有标准化接口的模块化开放系统能促进未来的新技术嵌入系统和加速系统的创新化发展。

2)技术流程

技术管理流程提供对系统整个生命周期内技术开发的控制,而技术流程用于设计、开发和分析如何集成、测试、生产、部署、保障、操作和处理所需的系统和系统要素。技术流程主要包括:利益相关者的需求定义流程、需求分析流程、架构设计流程、实施流程、集成流程、功能验证流程、有效性验证流程、过渡流程。

新版指南对部分环节新增了要求和说明:利益相关者的需求定义流程规定在确定利益相关者的需求时加入对网络环境的考虑;需求分析流程要求最终确定的需求必须简洁明了并且没有歧义;实施流程的设计环节要求确定出维护定制和非标准化零件所需的全部特殊工具和工艺。

4、设计注意事项

在进行系统工程设计时,系统工程师应说明并记录设计注意事项,包括所有法定和监管要求,以便:1将最终用户所需的能力转化为相互关联的系统设计规范,以支持所需作战能力的交付。2能够在设计考虑因素之间进行权衡,以支持在成本和进度限制范围内实现所需的任务有效性。3将设计注意事项纳入系统需求集合,因为有些需求是由法律、法规或条约强制要求的,而另一些则是由各自领域或国防部各部门和机构强制要求的;这些要求应在需求分析过程中合并,以实现所有系统需求之间的平衡

有些设计注意事项需要进行权衡分析,应适用于每个系统或程序。另外,对于约束、边界或限制,其价值有时可以调整或谈判,但通常是系统设计中不可改变的部分。考虑到每个设计注意事项是离散的,指南建议系统工程师和其他利益相关者应将设计注意事项视为一组相互影响的综合变量,提前准备好备选方案,以实现更好的任务性能,并在设计过程中避免冲突

《系统工程指南》列出了设计注意事项的法定要求,以及与这些设计考虑因素相关的适用政策和指南,相比旧版指南,新增了情报(寿命周期任务数据计划)、生产和质量两个设计注意事项,并对人与系统集成进行了大量更新。

现代武器系统在其寿命周期的每个阶段都依赖于各种科学和技术情报,因此项目必须规划寿命周期任务数据,为系统设计和开发权衡、风险评估和决策提供信息,新版指南对关键情报参数的获取和使用提供了流程工具,确保系统响应动态威胁和目标环境的灵活性和敏捷性

生产和质量分为生产管理方案和质量管理计划两部分,生产管理方案描述了经过验证的生产管理实践,新版指南确保将可生产性和可检查性作为系统设计考虑因素;质量管理计划描述了经过验证的质量管理实践,新版指南要求将质量管理体系与统计过程控制相结合,以消除生产中的缺陷并控制偏差

由于美国防部已单独发布5000.95指示《人与系统集成》和《人与系统集成指南》,提供了关于全系统方法中所有人与系统集成领域的指导。新版指南中根据新的政策文件对系统工程中的人与系统集成工作更新了规定,强调人是系统的一个基本要素,人的要求和问题需要在系统设计中得到解决。

《国防采办指南》的部分章节示意图(美国防部图片)
三、几点认识
1、新版指南内容回归系统工程学科本身

《系统工程指南》首次由美国防部负责研究与工程的副部长办公室发布,相比旧版,新版指南进行大幅调整和增补,结构更加清楚、内容更加全面。新版《系统工程指南》针对装备采办框架,内容回归系统工程学科本身,可在各类国防系统中定制使用,使用范围得到扩充,是适用于国防采办系统全寿命周期流程和活动的指南,将系统工程理论与国防采办实践充分融合。而且,国防部针对国防采办的系统工程运用,与《系统工程指南》同时发布了《国防系统工程指南》,该指南根据《系统工程指南》针对适应性采办框架的六条采办路径量身定制后发布的指导文件。

2新版指南加强系统工程在系统之系统设计中的运用

美军近年来十分重视单个系统在作战环境中关联系统联合运用,新版指南中增加了系统工程在系统之系统中的运用以及相关工具、技术和经验教训,特别强调了系统模块化和可持续发展。新版指南要求系统工程师保证独立系统的模块化和开放性,详细规定了如何满足系统之系统设计的需求、考虑交付能力所需的设计注意事项、保障系统运行所需联合环境等内容,保证系统工程原则和工具在系统之系统中有效使用,这与落实美国防部发布的任务工程指南相协调一致。

3、新版指南更加注重技术审查与审计的作用

美军针对国防采办系统的开发制定了详细的技术审查与审计流程,审查已拥有的技术并正确评价有关的技术能力,从战略角度分析这些技术能力发展水平。因为新版指南基于系统工程学科,所以特别强调了系统工程的技术审查与审计要区分于采办项目各个里程碑评审。新版指南从系统设计的角度说明了技术审查与审计的重要性,详细描述了技术审查与审计的负责人员、流程和工具方法等内容,以定义、评估和控制系统设计和技术基线的成熟度,保证随着时间的推移降低风险。

5、新版指南增加系统工程新的设计考虑和注意事项

旧版指南有介绍系统工程的部分设计注意事项,但随着美国防部能力需求的发展以及相关政策和指南的颁布,旧版指南中的设计注意事项已跟不上系统工程最新的设计考虑。新版增加了以数字工程、任务工程、模块化开放系统为代表的科学方法和技术在系统工程中的设计考虑。新版指南增加了情报(寿命周期任务数据计划)、生产和质量两项设计注意事项,并根据新的政策法规更新了其他设计注意事项。这些改动都与美国防部近年来遇到的问题或想要推行的政策和工程方法相关联,是对美国防采办体系改革后系统工程需求的有效传导和落实。

(中国航空工业发展研究中心 彭驰于晓伟)
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