編者按：

對(duì)SpaceX來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)工程已經(jīng)過(guò)時(shí)了嗎,？

——淺談SpaceX公司的系統(tǒng)工程文化觀

作者：新流浪貓  

系統(tǒng)工程是為了最好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的目的,，對(duì)系統(tǒng)的組成要素、組織結(jié)構(gòu),、信息流,、控制機(jī)構(gòu)等進(jìn)行分析研究的科學(xué)方法。對(duì)于企業(yè)而言,，系統(tǒng)工程通過(guò)提前預(yù)測(cè)和解決“集成問(wèn)題”來(lái)保護(hù)開(kāi)發(fā)大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)所需的巨大投資,。系統(tǒng)工程思想在航天這一復(fù)雜巨系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用。但在SpaceX公司看來(lái),，人類很難預(yù)見(jiàn)到所有潛在的“集成問(wèn)題”,，特別是針對(duì)新系統(tǒng)。

在傳統(tǒng)航天領(lǐng)域，研發(fā)企業(yè)非常重視技術(shù)狀態(tài)的控制,，一旦定型,，尤其是得到飛行考驗(yàn)的設(shè)計(jì)，很少會(huì)再改動(dòng),。而SpaceX公司卻對(duì)此特別不在乎,，看看Falcon9目前已經(jīng)改到第幾個(gè)Block版本就知道了。

那么,，這家商業(yè)公司究竟有何高招呢,？

SpaceX公司的理念是“責(zé)任至上”。他們認(rèn)為,，要想正確有效的做事,，任何現(xiàn)有的工程過(guò)程都無(wú)法代替這一理念。（No engineering process in existence can replace this for getting things done right,efficiently——小編感覺(jué)怎么這么像廣告宣傳呢......）

經(jīng)典的系統(tǒng)工程有“規(guī)劃——設(shè)計(jì)——建造——測(cè)試”這四個(gè)步驟,。并且強(qiáng)調(diào)要將工作前移,，尤其概念設(shè)計(jì)階段要進(jìn)行大量的方案對(duì)比、仿真分析,，并選出最優(yōu)的方案,，避免頻繁的改動(dòng)；因?yàn)樵降胶笃?，系統(tǒng)改動(dòng)帶來(lái)的經(jīng)費(fèi),、進(jìn)度的開(kāi)銷均很難承受，所以前期一定要充分論證,。SpaceX的專家給這種傳統(tǒng)做法取了個(gè)十分通俗的名字：Heavy Front SE,，即在系統(tǒng)工程的前期投入了大量的工作。

但SpaceX認(rèn)為,，與其在前期論了又論,，考慮到各種可能性，而且還不能保證結(jié)論一定正確,，不如捋起袖子先干,！在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)改進(jìn),，然后設(shè)計(jì),、生產(chǎn)、驗(yàn)證再改進(jìn),。這就需要快速的決策,、快速的原型開(kāi)發(fā)和高效的驗(yàn)證，以減少這種做法的風(fēng)險(xiǎn),。他們將這種工作稱為多周期的迭代過(guò)程,，如圖1所示：

圖1 多周期的開(kāi)發(fā)迭代過(guò)程

SpaceX公司將其成功實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的原因歸結(jié)于組織機(jī)構(gòu)的敏捷性,、低的迭代成本和交易低層次需求的能力。

什么叫交易低層次需求的能力,？通俗地講,，與用戶交易，勸說(shuō)用戶那些不重要的需求就放棄吧,；與轉(zhuǎn)包者交易,，希望對(duì)方既快且經(jīng)濟(jì)地交出產(chǎn)品。

為了增強(qiáng)說(shuō)服力,，SpaceX公司秀出了幾款產(chǎn)品的對(duì)比,，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制器（Engine controller）最初的設(shè)計(jì)和最新的設(shè)計(jì)，看上去完全像不同設(shè)計(jì)理念的產(chǎn)品：

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)控制器最早與最新版本對(duì)比

    以及發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品:

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)狀態(tài)前后對(duì)比

傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程采用瀑布型的開(kāi)發(fā)模型,，設(shè)計(jì)自上而下逐步細(xì)化,，測(cè)試自下而上逐步集成。SpaceX公司似乎等不及這種層層分解的工作,，而是喜歡“螺旋型”的開(kāi)發(fā)模型,，如下圖所示：

圖4 SpaceX公司螺旋型的開(kāi)發(fā)模式

“螺旋型”開(kāi)發(fā)模式的核心，就是不斷地設(shè)計(jì)迭代,，持續(xù)地繼承和發(fā)展已有的設(shè)計(jì)成果,，這與前文多周期的開(kāi)發(fā)迭代過(guò)程是一致的。這也被證明是敏捷開(kāi)發(fā)模式的一種,，在這過(guò)程中需求可以經(jīng)常變更,，因?yàn)檫B系統(tǒng)工程的專家也認(rèn)識(shí)到，“在設(shè)計(jì)周期中過(guò)早地編寫詳細(xì)的規(guī)范要求,，可能會(huì)過(guò)度限制設(shè)計(jì)并排除更安全、更負(fù)擔(dān)得起的解決方案,。因此需求的確定也需要反復(fù)迭代”,。既然如此，就不要期望需求從一開(kāi)始就提得十分準(zhǔn)確和完整,，邊做邊看吧,！現(xiàn)在甚至連NASA的載人飛行項(xiàng)目也已開(kāi)始考慮敏捷開(kāi)發(fā)過(guò)程了。

在瀑布型開(kāi)發(fā)模型中,，系統(tǒng)工程的流程是“V”型,，如下左圖所示，是分層次開(kāi)發(fā)的,，逐層對(duì)需求和設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)化,。而SpaceX公司的做法是下右圖，僅關(guān)注關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要素,。抓住主要環(huán)節(jié),，通過(guò)調(diào)整這些參數(shù)來(lái)優(yōu)化性能，以滿足頂層的需求。通過(guò)建模和分析,、建造原型產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試等,，來(lái)對(duì)參數(shù)的調(diào)整進(jìn)行驗(yàn)證；并將這些單元放置在通過(guò)預(yù)計(jì)或?qū)嶋H測(cè)量出的環(huán)境內(nèi)進(jìn)行鑒定,，隨后直接進(jìn)入系統(tǒng)集成驗(yàn)證階段,。

圖5 傳統(tǒng)“V”型流程與SpaceX公司的對(duì)比 

像飛行一樣測(cè)試（Test Like you fly），是航天界非常重要的一條經(jīng)驗(yàn),，我們也經(jīng)常強(qiáng)調(diào)減少天地測(cè)試狀態(tài)的差異性,。但spaceX公司可算是做得最徹底的了：不僅像飛行一樣測(cè)試，而且所有飛行的功能均要測(cè)試（Test what you fly）,。為了逼真,，甚至將大量的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試直接安排在發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行，尤其在發(fā)射服務(wù)前也開(kāi)展,。這樣的示例包括：

• 在Ironbirdsat Hawthorne的軟硬件集成測(cè)試

• 在McGregor的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試–發(fā)動(dòng)機(jī)和電子系統(tǒng)集成在真實(shí)的動(dòng)態(tài)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試

• 在McGregor的整個(gè)火箭級(jí)段的測(cè)試–貯箱,、管路、電子系統(tǒng),、推進(jìn)系統(tǒng)全部集成在真實(shí)的動(dòng)態(tài)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試

• 在發(fā)射場(chǎng)的硬件在回路的仿真-軟硬件與所有系統(tǒng)組成單元集成在一起進(jìn)行仿真測(cè)試

• 在發(fā)射場(chǎng)加注狀態(tài)下的測(cè)試（Launch Wet Dress Rehearsal, WDR）和靜態(tài)點(diǎn)火（Pad Static Firing）試驗(yàn)—全系統(tǒng)集成測(cè)試

SpaceX公司Falcon火箭的測(cè)試流程如圖6所示,，被測(cè)系統(tǒng)分為四大領(lǐng)域：電子系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng),、發(fā)動(dòng)機(jī)和結(jié)構(gòu),，其中紅色部分表示在發(fā)射場(chǎng)的測(cè)試。左上角是開(kāi)發(fā)過(guò)程的試驗(yàn)（Falcon 9 -Development and Qualification Testing）,，開(kāi)發(fā)一旦完成,，這樣的工作不用每次發(fā)射均開(kāi)展；下部是每次飛行均要開(kāi)展的測(cè)試工作（Flight ArticlesFalcon9 -Flight）,。

圖6 Falcon9的測(cè)試流程

 各項(xiàng)測(cè)試的主要目的：

• 開(kāi)發(fā)性的測(cè)試主要用來(lái)判斷產(chǎn)品性能超出用戶需求的能力,，并發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)(在更寬的溫度范圍和極限的應(yīng)力條件下)；

• 鑒定性試驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品性能極限(在最壞的飛行條件下再乘以安全余量因子),。每一個(gè)設(shè)計(jì)/環(huán)境組合都進(jìn)行鑒定測(cè)試,；

• 驗(yàn)收性測(cè)試驗(yàn)證工藝和功能。采用全樣驗(yàn)收的措施,。

• 硬件在回路的測(cè)試–驗(yàn)證軟硬件的集成,。每一個(gè)軟硬件的變化均要開(kāi)展這項(xiàng)測(cè)試。

除此以外,，SpaceX公司還認(rèn)為,，需要關(guān)注工具而不是規(guī)則，太多的規(guī)則,、過(guò)程和組織機(jī)構(gòu),，能夠輕而易舉地破壞團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)造性和產(chǎn)品的性能,。同時(shí)，該公司將系統(tǒng)級(jí)任務(wù)分配給各個(gè)部門,，使各個(gè)部門都能夠關(guān)注于系統(tǒng)層面的思考,；采用現(xiàn)代的信息系統(tǒng)工具代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制板作為討論和集成的論壇，其模式類似于社交網(wǎng)絡(luò),。

不過(guò)該公司也同時(shí)認(rèn)為,，建立有創(chuàng)造性的高性能的系統(tǒng)工程文化是十分困難的。事實(shí)上,，這也是讓他們感到非常自豪的地方,，因?yàn)樗麄冏哉J(rèn)為已經(jīng)在創(chuàng)新與傳統(tǒng)系統(tǒng)工程之間實(shí)現(xiàn)了良好的平衡，從而達(dá)到了敏捷開(kāi)發(fā)且費(fèi)用可承受的目的,。