3.2 系统生存周期模型的多维特征

由ISO/IEC/IEEE 15288：2015标准对生存周期模型的定义和图3-3的术语概念本体模型可以得出一个重要结论：生存周期模型的两个属性——过程框架（指向过程参考模型）和阶段列表（指向生存周期阶段）是两个独立变量，即某个生存周期选定的过程参考模型要应用于该生存周期的各个阶段。例如，系统工程过程与系统生存周期阶段是两个不同的互相正交的维度。

这一结论有何现实的工程意义呢？长期以来，人们对产品设计和制造，特别是复杂产品生存周期中的设计和制造活动有个误解——认为产品设计活动只发生在产品生存周期的早期阶段，如立项论证或需求分析、概念设计和详细设计阶段；产品制造活动只发生在产品生存周期的中期阶段，如工程研制和生产阶段。但真实情况是，设计和制造，尤其是设计，是贯穿产品生存周期的活动，而不仅仅局限于产品生存周期的某个阶段，对于复杂产品更是如此。例如，在立项论证阶段的验证机试制、工程研制阶段的工艺设计和工装设计、使用维护阶段的维修性改进设计等。造成这一误解的根本原因是，把产品的设计制造和生存周期简单化地看成是沿时间轴的一维线性串行活动，混淆了产品由无到有由生到死的、物的成熟度不断提升的过程（生存周期阶段）和在产品生存周期中各相关方、特别是研发人员不断解决各种问题的人的思维过程（过程参考模型）。

例如，在美国国家航空航天局（NASA）的系统研发流程中（图3-4），也同时表示系统生存周期阶段与系统工程过程两个维度。其中，图中顶层部分描述了系统生存周期阶段及项目评审（项目转阶段评审）活动，反映了从概念探索到系统退役的项目演进阶段和关键决策点。中间部分描述了每个阶段的技术开发过程及主要的系统评审活动。系统工程技术过程从 A前阶段到D阶段进行5次递归，C-D阶段将一个系统工程技术过程分为两部分，由虚线框标出。A前阶段、A阶段和B阶段迭代执行相同的技术过程，逐步提高系统定义的成熟度等级。图中最下部分描述每个阶段的8个技术管理过程，系统工程技术管理过程从A前阶段到F阶段递归使用7次。

早在20世纪60年代，伴随系统工程在曼哈顿计划、阿波罗登月等重大项目上的成功实践，美国工程界总结了系统工程的理论和方法，提出了后来大家熟知的“硬系统”方法论。其中的重要标志是：1962年，霍尔（Arthur D·Hall）出版了《系统工程方法论》（A Methodology for Systems Engineering）一书，强调要把系统工程看作一种解决实际问题的程序，用形态分析的方法把系统生存周期阶段和问题求解的逻辑步骤分成两个维度，用时间维和逻辑维的二维形态分析矩阵定义和组织系统工程活动。1969年，霍尔提出了系统工程的三维形态分析模型，即霍尔模型（图3-6）。

霍尔从时间、逻辑和知识三个维度来描述了一个系统工程项目。

（1）时间（阶段）维 从时间的角度，项目分为七个阶段：项目集规划或组合设计、项目计划和初步设计、系统开发或实施项目计划实现、生产或建造、发布上线、运行或使用、退役下线。

（2）逻辑（步骤）维 对于每一个阶段，都要按若干个步骤来解决问题。霍尔列出了七个步骤：问题定义、价值系统设计、系统综合、系统分析、优化、决策、行动计划。

对于系统工程过程，它们在应用时可以进行迭代和递归。迭代和递归是过程的两种基本属性，在技术过程中，存在大量的迭代与递归现象。

复杂系统往往可以分解为不同的层级结构，不同层级的问题往往具有逻辑上的一致性或相似向，可以使用相同的过程来解决问题，这就是过程的递归。递归是为了通过层层分解细化使问题得到解决。如图3-5所示的系统工程双V模型，在架构V的系统层、子系统层以及最底层技术状态项层，系统工程技术过程基本一致，这就是系统工程过程在系统架构各层级上的递归。通过过程递归，让复杂系统逐层分解细化并最终定义和实现系统对象。

迭代是为了应对需求的不确定性和不稳定性，让待解决问题能够得到更好的结果，针对同一个对象或事物，将已经做过的过程重新再做一遍或部分重做。迭代是工程实践中不可避免的事，这也符合事物发展过程的正常规律。在迭代过程中需要重点关注的，一是控制系统状态，二是控制迭代规模。

迭代可能在很多情形下发生，可以是在同一个层级中的迭代，也可以是跨层级的迭代，还可以是跨项目阶段的迭代。只要是针对已经做过的同一个对象再做一次都属于迭代。理想的迭代应不跨层级、不跨项目阶段，在同一个项目阶段、同一个项目层级内将问题解决好。因为迭代就意味着重复的劳动，这会带来额外的成本以及开发周期的延长。

在工程实践中，需要加强里程碑管理以减少跨阶段的迭代。不能让“迭代”成为轻率搁置问题的接口。已经发现问题或预测到可能发生问题的事项，就应该在该里程碑前处理掉。让多数迭代在某一阶段内进行，尽量减少跨阶段（跨里程碑）迭代的规模，使不同阶段的研发活动相对隔离，避免不同阶段之间过多的相互干扰。

（3）知识（专业）维 系统工程可以应用到许多领域，在上述二维结构的基础上增加第三维——专业维，表示学科领域的形式化、结构化递减关系，形成系统工程三维结构。1969年发表的霍尔模型原版如图3-6所示。

逻辑维和时间维将各时间阶段和逻辑步骤综合起来，形成所谓的系统工程二维活动矩阵（表3-1），是系统分析和设计的有效工具，为解决大型复杂系统的规划、组织和管理提供了一种统一的思想方法，因而得到广泛应用。

图3-7所示为基于霍尔模型的系统工程超细结构，它显示了开展系统工程活动的全过程。它以步骤维的七个步骤为一个循环周期（一个阶段），经过多次循环而汇聚为一个理想的系统。

霍尔模型提出的分别按照阶段和步骤的角度来循序渐进地构建系统的思路，将系统工程过程按逻辑维（人和组织分析问题-解决问题的维度）和时间维（物演化成熟的维度）严格分开；把产品研发的一维线性过程，增加了一个维度，变成了二维平面。增加一个维度意味着看待问题或系统视角的改变，利用空间和新特征来寻找解决问题和系统增值的机会，使得霍尔模型成为传统系统工程方法和模型的基础。

如果把人们建立的产品研制和生存周期管理的各种模型看作一个系统，那么霍尔模型应用形态分析就是将系统工程过程模型由一维变二维、由二维变三维，使得系统生存周期管理模型系统内的研制人员的思维过程模型和研制对象的系统成熟度演进模型两个子系统之间，以及模型系统和超系统环境（模型系统的应用对象——系统研制实践和研发体系建设等）之间的相互作用及其属性达到最佳匹配状态。

基于霍尔模型，美国国防部于1974年正式发布了系统工程标准MIL-STD-499A，1994年该标准升级为MIL-STD-499B（图3-8）。

因此，在系统生存周期和系统工程技术过程的关系描述中，不能仅仅使用描述系统工程技术过程的实体V模型从左至右推进来说明阶段和成熟度划分，这是两个不同维度的事物。在每一个生存周期阶段，都有一次系统工程技术过程及技术管理过程在不同的细节程度和成熟度上的递归应用。

以霍尔模型为代表的传统系统工程方法在20世纪欧美各国航空航天、国防军工行业和我国航天行业都取得了广泛的成功应用，但在世纪之交，传统系统工程遇到了巨大挑战：信息技术和网络技术的迅猛发展极大地增加了各种人工系统的复杂程度，彻底改变了人类的战争模式和生活方式，使得靠以霍尔模型为核心、基于文档的传统系统工程方法已无法掌控这种复杂性。

以霍尔模型为核心、基于文档的传统系统工程方法缺乏有效的技术手段支持复杂产品和系统由需求到功能的转换和分解、需求及设计变更的追踪管理、涉及多学科领域团队和系统元素间交互指数级增长的界面接口/设计方案量化表达、权衡优化和沟通决策以及设计方案对相关方需求的验证确认（V&V），造成系统集成验证时出现大量的诸如发热、振动、电磁干扰等不期望的故障效应（图3-9）。这时，霍尔模型的系统工程二维活动矩阵变成了缺乏有效沟通交流的抛墙式的篱笆墙网格。

世纪之交，基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）作为新一轮科技革命和产业革命条件下复杂产品研制和生存周期保障的全新研发范式，登上了历史舞台。作为一种形式化的建模方法学，MBSE为了应对基于文档的传统系统工程工作模式在复杂产品和系统研发时面临的挑战，以逻辑连贯一致的多视角系统模型为桥梁和框架，实现跨领域模型的可追踪、可验证和动态关联，驱动人工系统生存周期内各阶段和各层级内的系统工程过程和活动（表现为过程参考模型），使其可管理、可复现、可重用，进而打破专业壁垒，破解设计和工艺、研发和制造、研制和使用维护的分离，极大地提高沟通协同效率，实现复杂产品和系统研发的企业内各专业部门间、供应链扩展企业各成员单位间以及客户与研制方之间的信息共享和协同，实现以模型驱动的方法来采集、捕获和提炼数据、信息和知识。

MBSE新范式对基于霍尔模型的传统系统工程方法和过程提出了新要求，即如何对霍尔模型进行修订发展，以适应系统工程新范式的需要。

由于MBSE新范式的引入，企业信息化建设中顶层的基于MBSE的系统工程过程子系统和底层的数据管理与信息协同子系统将分别成为复杂产品研制的跨业务、跨组织、跨地域协同工作平台的“中枢神经系统”和“经络系统”。于是霍尔模型的系统工程二维活动矩阵构成的篱笆墙网格，将拓展为横跨系统生存周期、系统工程全过程和企业智力资产价值链全过程的三维协同空间。

基于此，安世亚太公司的段海波博士对原霍尔模型进行了修改、扩展和抽象，用DIKW（数据-信息-知识-智慧）的认知维替换知识（专业）维，将时间（阶段）维改为系统维，将逻辑（步骤）维抽象逻辑维，将时间的概念引入上述三个维度，得到了系统生存周期模型的一个通用框架（图3-10）。

系统维是系统生存周期模型的阶段属性或称系统生存周期阶段模型，保证组织做正确的事。系统维是面向外部客户、聚焦在移交给客户的产品或服务的主流程，是物的维度。这一维度箭头的含义是，伴随时间流逝所关注人工系统（SoI）本身的成熟度（Readiness）的提升。本书所讨论的系统或项目生存周期（Stage或Phase），对应于系统维。

逻辑维是系统生存周期模型的过程框架属性，即过程参考模型所代表的系统工程的核心技术过程和活动，保证组织正确地做事。逻辑维是面向组织内部、聚焦在系统工程过程执行和管控的辅流程，是事的维度。这一维度箭头的含义是，伴随时间流逝，系统过程能力（Capability）成熟度（Maturity）的提升。本书所重点讨论的各种系统工程过程和过程组，对应于逻辑维。

认知维是DIKW的认知流，反映了人和组织智力层次结构在MBSE新范式的助力下价值递增的顺序，对应技术管理过程组和组织性项目使能过程组。认知维记录了主观世界认识和改造客观世界的认知过程和结果，关注组织能力建设和个体自身成长，是人的维度。这一维度箭头的含义是，伴随时间流逝，组织和个人能力（Competency）成熟度（Maturity）的提升。

这样，霍尔模型扩展后得到的系统生存周期模型通用框架中三个维度的箭头都有了实际的业务意义。特别是，从知识维到认知维的变化，不但克服了霍尔模型原知识维存在的抽象性、严肃性、普适性、指导性和实操性的问题，而且可得到更多有益的启示。

DIKW的认知维为系统生存周期管理模型系统补全了控制装置和度量装置，让系统工程技术管理过程组和组织性项目使能过程组在基于MBSE新范式下的系统生存周期模型通用框架内有了用武之地。

基于霍尔模型的传统系统工程过程的媒介是文档，无法起到对系统工程过程的控制和度量功能，需要的人的全面参与；而在通用框架下，由于模型的一致性、动态关联等特性和相关IT工具的支持，人的参与在减少，系统生存周期管理模型系统可以依靠自身完成部分控制和度量功能，而且效率比基于文档的传统模式大幅提高。模型替换文档成为系统工程新范式的沟通媒介后，沟通的频率和有效性大幅提高，后期返工大幅减少，因而信息/能量传递损失大幅减少，系统生存周期管理模型系统的信息/能量传递效率大幅提高。

为进一步提高信息/能量传递效率，减少各领域模型间沟通、格式转换、互操作的信息/能量转换损失，系统生存周期全过程的信息表达交换和共享标准、本体工程、以架构为中心的模型管理、系统生存周期全过程数据协同中枢等各种以一种能量场贯穿整个模型系统工作过程的努力应运而生。

这一系统生存周期模型通用框架的第三维——认知维，目前尚未反映在图3-3（系统工程过程管理标准体系部分基础术语概念的本体模型）中，也未反映在图2-7（面向系统工程和软件工程的生存周期管理标准体系）中，但在附录C（国外系统工程标准指南手册列表）中已有所体现，即以ISO 10303-233：2012为代表的系统工程相关数据标准以及相关新标准的研发制订。可以预见，为迎接将霍尔模型的系统工程二维活动矩阵构成的篱笆墙网格拓展为横跨系统生存周期、系统工程全过程和企业智力资产价值链全过程的三维协同空间这一新趋势，系统工程相关的两个标准化组织ISO/IEC JTC 1/SC 7和ISO TC 184将进一步协同工作，构建满足图3-10所示系统生存周期模型通用框架需求的更加系统化、更加复杂多维的标准体系和术语概念本体模型。

将图3-10中的系统生存周期模型通用框架按照各维度的分类分形特性进一步实例化，得到可以指导系统工程实施和企业研发实践的系统生存周期模型通用框架实例化的三维模型（图3-11）。