《改进武器系统技术需求开发流程：基于系统的管理方法》报告解读

作者

北京海鹰科技情报研究所 苑桂萍

2022年11月3日，美国兰德公司发布《改进武器系统技术需求开发流程-基于系统的管理方法》报告，通过采用系统工程的理论方法在武器系统技术需求开发中应用研究，旨在减少或避免因技术需求开发过程中的疏忽，而导致的武器系统成本或进度超支、武器性能不能满足作战需求、项目被取消等问题。该报告大致分为五部分：引言、空军部开发技术需求的流程、技术需求开发的方法、系统理论流程分析（STPA）的适用性和可行性、讨论与建议，以及四个附录：研究方法、T-7和MH-139案例研究、系统理论流程分析（STPA）研究、详细的方法。

一、背景

近年美国防部以及军事智库的研究发现，一些国防项目出现成本或进度超支的原因，至少可以追溯到技术需求开发过程中的疏忽，如造成设计返工和额外的测试。为了帮助美国防部改进其武器系统技术需求的开发流程，合理制定技术基线，减少成本与进度超支，兰德公司的“空军项目”¹被委托开发一种基于系统的方法和工具，如系统工程中使用的方法和工具，以及一种特定的新兴危险分析工具：系统理论流程分析（STPA），探索使用STPA进行技术需求开发，旨在实现武器系统采办问题的早期识别以及其解决途径。

二、主要内容

（一）引言

美空军部采用竞争性来源选择的方式与工业界签订合同，设计和生产武器系统。招标书是采办过程中不可或缺的一部分，包括一套对系统设计的技术需求（要求），决定了主承包商的选择、政府与承包商之间基线合同谈判的标准，故制定准确、可行和可负担的技术需求，对于确保空军部武器系统在预算和进度限制内提供所需的作战能力至关重要。

技术需求开发是在武器系统采办全寿命周期中的能力开发文件（CDD）制定之后至里程碑B之前（即项目启动）。项目管理办公室接到能力开发文件，将其转化为招标书中的技术需求，确定承包商并签订合同后，开始监督详细的设计，进行开发测试和生产。需求在采办中一般经历“作战人员定义作战能力需求”、“项目管理办公室定义系统级技术需求”、“承包商定义详细的子系统和组件级技术要求”等三个阶段，每个阶段都取决于前一个阶段的要求，一个阶段需求中的疏忽或错误可能在随后的阶段中被发现，就需要对现有的设计要求进行补充或修订。这种需求的演变可能会导致设计或生产的返工和额外的测试，造成项目的采办成本和进度增加，使用与保障成本增加，尤其可能会导致具有设计缺陷的作战武器系统，造成安全隐患，降低完成任务的有效性。

研究表明，需求的增长与定义不清的系统级技术需求分解有更直接的关系，以及对技术复杂性的低估等，导致不切实际的成本估算。美国政府问责局(GAO)报告指出，国防部的技术需求往往是不可行的，因为“国防部往往没有通过系统工程对项目进行充分的前期需求分析”。通过案例研究发现，采用系统工程的方法进行技术需求开发的项目，会有较好的成本与进度控制。

本研究采用的研究方法，旨在回答以下三个问题：

①空军部目前是如何开发技术需求的，为什么？(蓝色)

②系统理论流程分析（STPA）可以用于技术需求开发吗？(红色)

③开发技术需求的最佳实践是什么？(橙色)

（二）目前空军部开发技术需求的流程

目前，美空军部的技术需求开发流程缺乏权威、一致和详细的政策层指导，易使项目管理办公室采用不支持或无效的方法。其通用技术需求开发流程如下：首先，在关注关键性能参数和关键系统属性下，项目管理办公室将能力需求解析为基础技术领域；其次，运营商和行业参与其中，与项目管理办公室一起反复定义、整合初始技术需求，审查系统设计在成本/进度和性能之间的权衡，确定哪些权衡是可以接受的；最后，通过不断反复迭代，达成一致，直到确定最终的技术需求。

研究发现，空军部正面临一些制约有效开发技术需求的挑战：

①系统工程专业知识和人力水平有限。

②技术需求开发流程的临时性。鉴于缺乏可用的系统工程专业知识、培训和指导，以及对这种低密度资源的高需求，项目管理办公室不得不寻找变通办法来满足项目的时间表，如依赖人员经验，使用临时程序来开发技术需求，大多数借鉴类似项目开发的技术需求、相关的行业标准、市场研究和现有的主题专家判断，而不是具体的系统工程工具。

③受利益相关者参与的数量和类型限制。作战人员虽参与了技术需求开发，但作战人员的作用取决于与作战人员现有关系以及其个性，另外未发现维护人员、测试人员等其他利益相关者参与其中。

④界定的权力范围模糊。研究发现在项目管理办公室、作战人员和测试人员之间的权力界限存在一些不确定性。而且由于没有一个正式的利益相关者参与机制，没有一个程序能确保纳入运营商的意见。

（三）技术需求开发的方法

系统工程被认为是开发技术需求的最佳实践。本报告基于系统工程，结合系统理论流程分析（STPA）方法，探索研究了一种技术需求开发的方法，如下图，旨在将能力要求（橙色输入箭头）转化为适合纳入招标书的技术需求（橙色输出箭头），以帮助项目管理办公室在能力文件中成功地从作战能力中开发出技术需求。

该技术需求开发的方法包括七个要素，分别为：定义场景，收集信息，制定策略，生成技术需求，质量检查，获得反馈，满足退出标准。每个要素都由一组任务、工具和利益相关者组成。其强调了几个基本概念：

①该方法本身是循环迭代的。随着更多信息的确定和决策的达成，技术需求被不断完善。与同时，该方法包括一套退出标准，这些标准是客观的和可衡量的，并明确划分出在哪一点上有可能，以一套满足所需能力的高质量（如可行的和可负担的）技术需求退出该流程。

②保证数据的可追溯性。关键是要记录流程，对决策进行追踪，包括获得的经验和自始至终的决策依据。

③区分“开发”和“生成”技术需求的不同。开发技术需求是指整个开发流程，包括信息收集、征求反馈和策略决策；生成技术需求是指用于定义将在招标书中使用的技术需求的过程。

④每轮迭代应遵循通常的顺序。一是建立态势感知和战略，二是生成技术需求，三是完善技术需求。

1.建立态势感知和战略

该方法为建立适当的态势感知和确定生成技术需求的策略定义了三个要素，每个要素所涉及的任务和利益相关者，如下图红色所示。

其中，进行信息收集时，要识别系统限制或考虑，如潜在技术解决方案的市场成熟度和可用性，探索应用案例的环境条件，收集类似或遗留系统的有关信息，避免教训与陷阱。制定策略以生成系统技术需求时，要包括流程、里程碑和要使用的工具，以及利益相关者的角色、沟通反馈机制和裁决过程等，需考虑项目的限制，如预算、可用的专业知识和采办策略，并确定如何合理分配资源、角色和责任。

2.生成技术需求

该方法的第四个要素包括五个任务，分别是定义功能边界，定义功能，衍生技术需求，定义技术需求至纳入约束，分析、交易和定义技术需求，这些任务以自上而下的方式生成技术需求，见下图。对于每个功能，要求导出其质量属性，包括系统的性能、可靠性、可维护性和安全性，有许多需求推导的方法，如功能流程图，但需要除了项目管理办公室以外的利益相关者参与进来，如运营商、维护和测试团体等，以确保推导出的需求与利益相关者的目标一致。

在每一个技术需求草案产生后，通过对其进行分析，包括可负担性、可行性和物理质量的分配等，以及开发一个交易空间，捕捉其特性对技术需求变化的敏感性等，不断反复迭代完善技术需求草案，使其最终能纳入监管要求。

3.完善技术需求

基于以上过程，还需采用两个要素来审查技术需求草案，以进行必要的改进。第一个是质量保证评估。鉴于技术需求的子集可能是孤立开发的，需对其进行整合，可使用一个标准化的检查表来完成，在确保每项技术需求都能得到满足的同时，还能避免冗余、差距或冲突。如果发现问题，可能会导致对前一个要素（即生成技术需求）的反馈，以便进行完善。一旦技术需求被完全整合，项目管理办公室就可以把它转化成合同语言。第二是反馈机制。一旦技术需求通过了质量检查，有三个任务为项目管理办公室以外的利益相关者的审查提供了正式的机制。任务一是建议利益相关者提供反馈，并根据发展战略要素期间商定的过程来裁定反馈。任务二是红色团队或独立审查。这项任务可以采取多种形式，但应该包括已经熟悉系统和任务的个人，以减少对额外人员和资源的需求。任务三是征求和裁定行业的反馈意见，如征求建议书草案。

（四）系统理论流程分析（STPA）的适用性和可行性

1.适用性

（1）洞察力和推动力

STPA如何实现对系统的理解，主要表现在：

①使用STPA方法，要求分析员从自下而上（即部件层面）思考方式转向自上而下（即系统层面），必须首先定义和理解系统目标，才能进行后面的分析。

②定义目标，制定控制结构，确定不安全的控制行动和场景，需要分析人员对系统充分了解。为了回答STPA提出的问题，分析人员必须严格审查相关文件（如能力要求、作战概念），并与系统利益相关者（作战人员、测试人员、飞行员、维护人员等）进行讨论。

③STPA为分析员在审查文件和举行讨论时提供了一个结构和目标。结构化的分析流程使分析员能够组织系统的概念，以提供一个更好的系统全貌。

（2）限制因素和不确定因素

首先，STPA不能取代许多基础性的系统工程工作，这些工作是发展技术系统知识和有效地编写技术需求以纳入招标书所必需的。本研究确定了以下内容：

①关于系统的技术知识仍然需要通过工程经验和研究来获得。

②仍需进行权衡分析，以决定哪些技术需要对成本或风险是有利的。

③通过STPA制定的设计建议仍然需要转化为适合招标书的技术需求声明。

④仍然需要努力整合各技术领域的技术需求，并确保需求满足所有的质量特征。

其次，无法找到足够的证据来确定STPA是否能有效地执行技术需求开发所需的其他一些重要功能。如，对技术需求进行权衡分析。此外，几乎没有证据表明STPA本身可以得出一套全面的技术需求。

2.可行性

有效地执行STPA的需求，包括(1)方法上的专业知识；(2)专题或技术上的专业知识；(3)利益相关者的参与和协调；(4)人力和资源。STPA的利益相关者表示，如果不满足这四个需求，所进行的分析可能会提供错误的、不可靠的或不完整的结果。

（五）讨论与建议

1.短期建议

①将该方法作为项目管理办公室和系统利益相关者的可定制化指导，优先其对该方法的理解。

②为利益相关者指派军方代表，为新项目的初始干部或现有项目的管理办公室指派来自执行指挥和测试团队的代表，使其真正的参与到技术需求开发中。

2.中期建议

①作为系统工程总部，空军寿命周期管理中心/技术工程分部，应采用一个受信任的代理机制（一个被禁止参与项目竞争的系统工程公司）来增强其系统工程专业知识。

②提供和/或要求对项目管理办公室进行额外的培训。

3.长期建议

①指定正式的作战人员员角色和参与机制。

②增加有机的系统工程专业知识。

③在采办中优先考虑早期系统工程。

三、结束语

综上可见，近年美军广泛利用系统工程的理论方法，探索研究其在武器系统研发过程中的应用，不断规范和提升其武器装备研制的科学性、高效性，合理降低武器装备成本与进度，综合提升装备作战效费比，以获取非对称技术优势。

兰德空军项目是兰德公司的一个部门，也是联邦资助的空军部研发中心，就影响当前和未来航空、航天以及网络力量的发展、部署、战备和补给等方面的政策选择，提供独立分析，为美空军和天军提供支持。

1.兰德空军项目是兰德公司的一个部门，也是联邦资助的空军部研发中心，就影响当前和未来航空、航天以及网络力量的发展、部署、战备和补给等方面的政策选择，提供独立分析，为美空军和天军提供支持。

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