對SpaceX來說，系統工程已經過時了嗎？
編者按：
系統工程方法曾經是航天工程的制勝寶典，但對於像SpaceX這樣的創新型企業來說，系統工程嚴格的程序控制也許已經很難適應技術快速發展以及需求快速變化對靈活性的要求。今天的「貓」眼看天專欄，大咖與您聊聊SpaceX對系統工程理念的理解和改造。
對SpaceX來說，系統工程已經過時了嗎？
——淺談SpaceX公司的系統工程文化觀
作者：新流浪貓
系統工程是為了最好地實現系統的目的，對系統的組成要素、組織結構、信息流、控制機構等進行分析研究的科學方法。對於企業而言，系統工程通過提前預測和解決「集成問題」來保護開發大規模複雜系統所需的巨大投資。系統工程思想在航天這一複雜巨系統中得到普遍應用。但在SpaceX公司看來，人類很難預見到所有潛在的「集成問題」，特別是針對新系統。
在傳統航天領域，研發企業非常重視技術狀態的控制，一旦定型，尤其是得到飛行考驗的設計，很少會再改動。而SpaceX公司卻對此特別不在乎，看看Falcon9目前已經改到第幾個Block版本就知道了。
那麼，這家商業公司究竟有何高招呢？
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SpaceX公司的系統工程觀
SpaceX公司的理念是「責任至上」。他們認為，要想正確有效的做事，任何現有的工程過程都無法代替這一理念。（Noengineeringprocess in existence can replace this for getting things done right,efficiently——小編感覺怎麼這麼像廣告宣傳呢......）
經典的系統工程有「規劃——設計——建造——測試」這四個步驟。並且強調要將工作前移，尤其概念設計階段要進行大量的方案對比、模擬分析，並選出最優的方案，避免頻繁的改動；因為越到後期，系統改動帶來的經費、進度的開銷均很難承受，所以前期一定要充分論證。SpaceX的專家給這種傳統做法取了個十分通俗的名字：Heavy Front SE，即在系統工程的前期投入了大量的工作。
但SpaceX認為，與其在前期論了又論，考慮到各種可能性，而且還不能保證結論一定正確，不如捋起袖子先干！在實踐中發現問題，及時改進，然後設計、生產、驗證再改進。這就需要快速的決策、快速的原型開發和高效的驗證，以減少這種做法的風險。他們將這種工作稱為多周期的迭代過程，如圖1所示：
圖1 多周期的開發迭代過程
SpaceX公司將其成功實現這一點的原因歸結於組織機構的敏捷性、低的迭代成本和交易低層次需求的能力。
什麼叫交易低層次需求的能力？通俗地講，與用戶交易，勸說用戶那些不重要的需求就放棄吧；與轉包者交易，希望對方既快且經濟地交出產品。
為了增強說服力，SpaceX公司秀出了幾款產品的對比，如發動機控制器（Engine controller）最初的設計和最新的設計，看上去完全像不同設計理念的產品：
圖2 發動機控制器最早與最新版本對比
以及發動機產品:
圖3 發動機設計狀態前後對比
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SpaceX的開發模型
傳統的系統工程採用瀑布型的開發模型，設計自上而下逐步細化，測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」的開發模型，如下圖所示：
圖4 SpaceX公司螺旋型的開發模式
「螺旋型」開發模式的核心，就是不斷地設計迭代，持續地繼承和發展已有的設計成果，這與前文多周期的開發迭代過程是一致的。這也被證明是敏捷開發模式的一種，在這過程中需求可以經常變更，因為連繫統工程的專家也認識到，「在設計周期中過早地編寫詳細的規範要求，可能會過度限制設計並排除更安全、更負擔得起的解決方案。因此需求的確定也需要反覆迭代」。既然如此，就不要期望需求從一開始就提得十分準確和完整，邊做邊看吧！現在甚至連NASA的載人飛行項目也已開始考慮敏捷開發過程了。
在瀑布型開發模型中，系統工程的流程是「V」型，如下左圖所示，是分層次開發的，逐層對需求和設計進行細化。而SpaceX公司的做法是下右圖，僅關注關鍵的設計要素。抓住主要環節，通過調整這些參數來優化性能，以滿足頂層的需求。通過建模和分析、建造原型產品進行測試等，來對參數的調整進行驗證；並將這些單元放置在通過預計或實際測量出的環境內進行鑒定，隨後直接進入系統集成驗證階段。
圖5 傳統「V」型流程與SpaceX公司的對比
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像飛行一樣測試
像飛行一樣測試（Test Like you fly），是航天界非常重要的一條經驗，我們也經常強調減少天地測試狀態的差異性。但spaceX公司可算是做得最徹底的了：不僅像飛行一樣測試，而且所有飛行的功能均要測試（Test what you fly）。為了逼真，甚至將大量的系統級測試直接安排在發射場進行，尤其在發射服務前也開展。這樣的示例包括：
在Ironbirdsat Hawthorne的軟硬體集成測試
在McGregor的發動機測試–發動機和電子系統集成在真實的動態環境中進行測試
在McGregor的整個火箭級段的測試–貯箱、管路、電子系統、推進系統全部集成在真實的動態環境中進行測試
在發射場的硬體在迴路的模擬-軟硬體與所有系統組成單元集成在一起進行模擬測試
在發射場加註狀態下的測試（Launch Wet Dress Rehearsal, WDR）和靜態點火（Pad Static Firing）試驗—全系統集成測試
SpaceX公司Falcon火箭的測試流程如圖6所示，被測系統分為四大領域：電子系統、推進系統、發動機和結構，其中紅色部分表示在發射場的測試。左上角是開發過程的試驗（Falcon 9 -Development and Qualification Testing），開發一旦完成，這樣的工作不用每次發射均開展；下部是每次飛行均要開展的測試工作（Flight ArticlesFalcon9 -Flight）。
圖6 Falcon9的測試流程
各項測試的主要目的：
開發性的測試主要用來判斷產品性能超出用戶需求的能力，並發現薄弱環節(在更寬的溫度範圍和極限的應力條件下)；
鑒定性試驗驗證產品性能極限(在最壞的飛行條件下再乘以安全餘量因子)。每一個設計/環境組合都進行鑒定測試；
驗收性測試驗證工藝和功能。採用全樣驗收的措施。
硬體在迴路的測試–驗證軟硬體的集成。每一個軟硬體的變化均要開展這項測試。
除此以外，SpaceX公司還認為，需要關注工具而不是規則，太多的規則、過程和組織機構，能夠輕而易舉地破壞團隊的創造性和產品的性能。同時，該公司將系統級任務分配給各個部門，使各個部門都能夠關注於系統層面的思考；採用現代的信息系統工具代替傳統的控制板作為討論和集成的論壇，其模式類似於社交網路。
不過該公司也同時認為，建立有創造性的高性能的系統工程文化是十分困難的。事實上，這也是讓他們感到非常自豪的地方，因為他們自認為已經在創新與傳統系統工程之間實現了良好的平衡，從而達到了敏捷開發且費用可承受的目的。
（註：原創文章，轉載請與我們聯繫）
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