作者：姜磊1,2,3，龙如银3，王育红3，苏忻3（1. 中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082；2. 深海技术科学太湖实验室，江苏 无锡 214082；3. 江南大学，江苏 无锡 214082）
摘要: 系统思维以及系统方法论在复杂巨系统的设计上有着极大优势。载人潜水器作为一种大型装备，其设计过程中大量采用了系统方法论。本文对载人潜水器的组成、功能等进行介绍，对系统思维和系统方法论应用于载人潜水器设计的必要性进行分析，对常见的系统方法论进行介绍。并结合具体示例，从载人潜水器总体、载人潜水器分系统之间、载人潜水器分系统自身等层面，对载人潜水器设计过程中所采用的系统方法进行介绍。最后，以生命支持分系统为例，从该系统的运行时长及故障数量角度出发，验证系统思维和系统方法论在该系统的设计过程中发挥的作用。
关键词：系统思维；系统方法论；载人潜水器；生命支持系统
历史经验证明，人类认识海洋、开发海洋、保护海洋都要依靠各时代最先进的科技成果，载人潜水器位于这些先进科学技术发展的前沿，是运载科学家、工程技术人员以及各种电子装置、特种设备快速精确地到达各种深海复杂环境，进行高效勘探、科学考察和海底作业的装备，是和平开发与利用深海资源的重要技术手段，在一定程度上代表国家海洋资源勘探开发能力乃至海洋权益维护能力和科技水平[1]。载人潜水器其系统组成的复杂性、涉及技术的广泛性、庞大的参研人员数量、海量的零部件等特点非常符合钱学森先生关于系统和系统工程的定义，具有很强的整体性、层次性、相关性、目的性、适应性、涌现性[2]。载人潜水器的设计过程中，也大量采用了系统工程的思维方式和方法展开设计，本文将对载人潜水器设计过程中的系统工程思维进行介绍。
载人潜水器是一个由多系统、多部件构成的大型装备，其复杂性非常之高。世界各国的潜水器一般均按照功能将整个潜水器分为水动力性能与总体布置、结构、舾装、压载与纵倾调节、推进、电力与配电、观通、控制、声学、液压、生命支持、应急与潜浮抛载等系统。图 1 所示分别为中国的“蛟龙”号和美国“埃尔文”号载人潜水器的系统和功能划分简图。
载人潜水器每个分系统均具有独立功能，而每个分系统的独立功能再进一步组合后向上形成新的功能，最终形成“蛟龙”号载人潜水器的系统功能。举例来说，水动力性能考虑水流和潜水器线型对潜水器的运动姿态的影响，控制系统考虑潜水器航向、纵横倾角度等运动参数控制，推进系统考虑潜水器推进器形式、功率的大小等参数。但这 3 个系统的单一功能均无法实现潜水器在海中的有效航行，同时，这 3 个系统又存在相互制约的关系：推进器的功率设定需考虑推力在不同线型下的差异，而该差异使得潜水器对水动力性能以及潜水器线型就有了较高要求，水动力性能和潜水器线型的差异又使得控制系统需考虑的控制参数产生较大变化，因此只有将 3 个系统的参数统筹考虑，取得三者的平衡后才能实现潜水器在海中的有效航行。
载人潜水器分系统之间功能联动复杂性很高，而对于每个分系统来说，按照其构成元素的层级高低，又可向下细分为装置、部件、零件。分系统的每个零件都将会对其同级的零件产生功能和物理性质的影响，进而对上级部件的功能和物理性质产生影响，这进一步提升了潜水器的复杂程度。除此之外，载人潜水器涉及的领域学科众多，其设计过程一般会涉及流体力学、固体力学、热力学、化学、医学、机械设计、机械制造、液压、电气控制、计算机、材料成型与加工等众多学科。各个学科之间的互动使得载人潜水器设计过程中需考虑的因素大幅上升，举例来说：深海的水温约 1℃，压力达到70 MPa（以 7 000 m 水深计算），在此温度和压力下，液压油的粘度等参数与常压陆上环境有着极大区别，这就需要液压专业的设计人员在开展工作时，既要考虑液压系统本身的特性，还要从化学、流体力学、材料等学科角度考虑问题，调整自己的设计思路。
通过上述介绍可以很清晰地看出载人潜水器整体性、层次性、相关性、目的性、适应性、涌现性的特点：
1） 载人潜水器组成完整、功能齐全、状态完好才能称之为一个整体；
2） 载人潜水器下分多个子系统，子系统下面又可细分为装置、部件、零件，层次感极强；
3） 载人潜水器的各个子系统之间有着清晰且密不可分的联系，相关性非常明显；
4） 载人潜水器每个子系统都有着明确的功能目的；
5） 载人潜水器需在特定的环境完成任务，对特定环境有很强的适应性；
6） 载人潜水器各分系统在向下划分时，各组成元素的任务使命不断细化、更新，体现出很强的涌现性。系统思维以及系统方法论在解决大型装备的设计、加工、建造时，其考虑问题的高度、解决问题的手段、评估问题解决的效果上，都有着比较大的优势，因此，面对载人潜水器这一复杂、庞大的装备时，在其设计过程中采用系统思维和系统方法论，是非常必要的。
2.1 常见的系统方法
1） 霍尔三维结构模型
该模型由美国工程师霍尔（A. D. Hall）于 20 世纪60 年代提出，该模型将系统结构分为时间维、逻辑维、知识维，并组成三维结构，类似于三维坐标系，该模型中逻辑维与三维坐标系中的 X 轴对应，时间维与 Y 轴对应，知识维与 Z 轴对应。逻辑维的内涵一般为系统管理过程中的各个步骤，如明确问题、系统的综合与分析、决策实施等，时间轴的内涵一般指系统管理过程中的各个阶段，如规划、研究、生产和更新等。知识维的内涵一般指系统管理中涉及到的自然科学和社会科学汇总，如工程技术、医学、社会科学、法律等，其选择需要根据建模对象的性质加以取舍[3]。该三维结构模型图及对应的管理矩阵如图 2 和图 3所示。
霍尔三维结构模型能有效对项目目标进行时间和工作量的分解，但当模型涉及的因素复杂且难以定量时，该三维结构不再适用。
2） 软系统方法论
软系统方法论从硬系统方法论发展而来，但进行了一些改进以弥补后者的部分缺陷。软系统方法论将人的主观因素纳入考虑范畴，同时对问题研究开始时定义目标给出了有效方法，这两者是硬系统方法论所欠缺的。软系统方法论解决问题的步骤如图 4 所示。
软系统方法论有助于系统理论和决策理论方面的研究与应用，有助于推动其他软系统问题的研究工作。但其在解释问题情景中的权利与冲突时，缺乏可信度，用于处理突发事件时有所欠缺[4]。
3） 并行工程方法
并行工程方法于 20 世纪 80 年代在计算机集成制造系统 CIMS 和系统工程技术领域中发展而来。该方法是对产品的制造、支持等全部过程进行并行设计的一种系统化方法。该方法的初始视角就是产品的全生命周期，关注对象为产品从概念形成到报废的所有因素。与串行工程方法不同，该方法的产品设计阶段是一个递阶渐进、从定性到定量、从模糊到清晰的连续过程，在此期间其工艺设计同时进行，并行开展。以某设计加工任务为例，其工作流程图如图 5所示。
由图可知，该项目将产品的设计过程和工艺过程并行开展，在每个设计阶段都对二者开展相应工作，根据相应工作结果反馈给前期方案进行调整，该方法减少了项目后期产生变更、失误甚至是错误的可能性，同时也减少了整个项目的研制周期。因此，并行工程方法在我国大型设备的设计生产中有着较为广泛的应用。
4） 综合集成法
综合集成工程是从整体上考虑并解决复杂问题的方法论。钱学森先生等在研究开放的复杂局系统问题时，提出了“从定性到定量综合集成方法”。该方法是在各类集成如观念集成、人员集成、技术集成、管理方法集成等之上的高度综合，又是在各类综合如复合、覆盖、组合、合成、兼并、包容、结合、融合等之上的高度集成。其实质是将专家群体、数据和各种信息与计算机仿真有机结合，把各种学科的理论和人的经验与知识结合起来，发挥整体优势。综合集成法概念图如图 6 所示。
综合集成法既可用来研究理论问题，也可用来解决实际问题。该方法体现了精密科学从定性判断到精密论证的特点，体现了以形象思维为主的经验判断到以逻辑思维为主的精密定量论证过程，该方法可进行系统分解，在系统总体指导下进行分解，在分解后研究的基础上，再综合集成到整体，实现 1+1>2 的涌现，达到从整体上严密解决问题的目的[4]。该方法在解决复杂巨系统和复杂性问题时的优点尤其突出，给出了解决这类问题时过程的方向性和反复性，我国大型水利工程在立项、设计、建造时往往采用这种方法。
2.2 载人潜水器设计过程中使用的系统方法论
载人潜水器设计过程中，由于软系统方法论较适用于社会科学类问题的解决，因此对该方法更多的是进行了解，而未做较深的应用，但对于霍尔三维结构模型、并行工程法、综合集成法均有着较为广泛的应用。但在应用场景和对象上，载人潜水器的设计过程中对上述 3 种方法有着区分。
综合集成法由于其前瞻性、指导性和系统性，在大系统也就是潜水器层面，使用该方法进行总体规划以及纲领性文件的设计编制。通过应用综合集成法，设定了项目的管理组织构架，规定了相应设计工作开展的流程，明确流程确认的方法和形式，确定各流程间反馈的方法等。以“蛟龙”号为例，该潜水器的研制明确了行政指挥线和技术指挥线的双线指挥制度。行政指挥线由分管所领导以及各部门负责人组成，负责政策、财力、物力、人力等资源的调配，技术指挥线由分管技术负责人和总设计师组成，负责项目研制过程中重大技术问题的决策和把关。2 条指挥线均接受专家组的指导，在专家组的意见下开展相应的技术工作和管理工作。同时，项目的开展均接受上级主管单位和用户代表的监督和检查。其管理组织构架如图 7所示。
在设计工作的节点审查上，同样引入综合集成法中的专家体系，通过专家组审查的形式，对设计过程的各个节点进行审查，确认工作内容的完整性、正确性。图 8 为载人潜水器设计过程中设计节点的审查形式简图。横坐标为进度线，通常分为 5 个节点：方案设计、技术设计、施工设计、交付和维保，纵坐标为事件线，可简略的分为两级审查：内部评审和专家组审查。
在具体工作层面，由于载人潜水器的设计涉及很多工程内容，此时会将综合集成法和并行工程法相结合，以方案设计阶段为例，方案设计阶段的具体工作将并行开展，如方案优选、方案比较、费用预算、技术风险分析等，但同样由专家组对工作结果进行审查并反馈给设计师系统进行设计调整，其工作内容及流程简图如图 9 所示。
并行工程法更多地应用于各个分系统之间，体现在各分系统之间的协调、设计反馈、以及设计变更。以前文所述的水动力性能分系统、控制分系统、推进分系统为例，3 个分系统并行开展工作，水动力性能分系统的线型因素以及控制分系统的控制算法之间互为制约，控制分系统与推进分系统之间存在控制算法和推力分配的互相制约，而水动力性能分系统与推进分系统之间存在推力反馈和线型影响之间的制约。3 个分系统工作过程中定期沟通，在相互制约的前提下取得总体性能的最优化，图 10 为这 3 个分系统之间的并行工作流程框图。
霍尔三维结构模型更多地应用于分系统内部。在分系统内部，由于此时已经有了部分量化指标，且分系统任务相对单一，因此霍尔三维结构模型能较好地规划分系统内的逻辑维、时间维以及知识维。以载人潜水器生命支持分系统为例，其霍尔三维结构模型如图 11 所示。
在知识维上，该分系统涉及医学、化学、机械设计、液压、电气控制等学科，因此需要设计人员进行相应知识或技能的储备。出于这个目的，技术人员对相应文献、标准等资料展开相应学习，通过对化学氧发生器、密闭舱室有毒有害气体清除、密闭舱室空气质量等方面资料的研究[5]，对分系统的设计工作有了一个较为详细的认识。
在时间维上，分系统按照潜水器总体研制要求的进度划分出方案设计、初步设计、详细设计、验收性试验等 10 个阶段，在逻辑维上，分系统根据自身系统的特点划出了明确功能、确定指标、系统设计等 7 项工作内容。
通过使用该系统方法，可很清晰地将整个分系统的研制工作分块、分层，逻辑完整、界面清晰，不存在明显的遗漏或错误情况，且每个阶段任务完成情况考核相对方便，提高了整个分系统的研制工作效率。如，在方案设计阶段，从明确功能这一角度出发，技术人员可集中精力对方案进行比较、选优，通过这种方法，根据我国三代载人潜水器“蛟龙”号、“深海勇士”号、“奋斗者”号不同的需求，探讨民航系统化学氧发生器应用于载人潜水器时在供氧速度、产氧杂质等方案上的调整，辨识出化学供氧与物理供氧的优缺点，最终基于化学供氧速度快、体积小的优点，在奋斗者号中明确使用化学供氧作为载人舱内应急供氧的方案。同样的方式，在初步设计阶段，技术人员集中精力对分系统的各项技术指标进行了辨别、论证和明确，如载人舱内氧气浓度的下限值，从 17% 调整为 18%，上限值从 25% 调整至 23%，对载人舱内各种有毒有害气体如氯气、一氧化碳[6 − 8] 等提出了定量的指标要求。
系统思维应用于载人潜水器的设计取得了比较好的效果。我国三代载人潜水器在加工建造阶段未出现较大的设计调整，在海上试验期间故障率也较低，出现的故障其模式和危害性也都属于较低的危害层次。“奋斗者”号载人潜水器更是于 2020 年在马里亚纳海沟下潜至 10 909 m 的深度，标志着我国具有了进入世界海洋最深处开展科学探索和研究的能力，体现了我国在海洋高技术领域的综合实力[9]。以“蛟龙”号载人潜水器生命支持分系统为例，表 1 为该潜水器生命支持分系统的故障统计表。可看出生命支持分系统的运行时长、故障原因等信息。该系统设计过程中充分使用系统思维考虑问题，使用系统方法论开展设计，因此虽然该分系统是整个潜水器各组成系统中连续运行时间最长的一个系统，但其故障率却处于一个非常低的水平，且各故障均不影响潜水器的预定工作任务，这也从一个侧面证实了系统思维以及系统方法论应用于载人潜水器设计的有效性。
载人潜水器的设计、海试、应用的结果，充分证实了系统思维以及系统方法论在大型复杂项目的规划、立项、设计、试验验证等方面的有效性，从项目的顶层设计一直到项目底层具体工作的开展，系统思维和系统方法论都能发挥巨大作用。本文着重从载人潜水器某分系统的角度对系统思维和系统方法论应用于载人潜水器的设计进行了介绍，这对于从事相关技术领域的工作人员有着一定启发作用。
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[8]王志刚. 奋力谱写高水平科技自立自强新篇章 [J]. 旗帜,2022(11): 15−17.
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