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NASA 系统工程手册 NASA Systems Engineering Handbook 朱一凡 李群 杨峰 雷永林 侯洪涛 译 Publishing House of Electronics ndustry 北京BEJNG 内 容 简 介 系统工程是分析解决复杂系统的论证、设计、生产和使用中的评价决策和权衡优化问题的有效方法和手段。系统工程不仅有完整的理论方法和技术手段构成的科学体系，而且在像航天系统这样经费预算多、研制周期长、运行使用风险高的复杂系统中的具体应用又体现出多样性和复杂性。如何有效地利用系统工程理论和方法针对复杂系统进行组织管理并达到预期的目的，需要对系统工程思想有深刻的理解和丰富的工程实践经验。本手册是美国国家航空航宇局（NASA）对多年系统工程实践经验的总结，主要有三个部分的内容：第一部分（第 13 章）是结合航天产品的寿命周期介绍由多个系统工程流程构成的航天产品开发和控制管理的系统工程引擎，第二部分（第 45 章）针对系统工程引擎中的每个流程详细介绍流程实施的过程和指南，第三部分（第 67 章）介绍在开展系统工程工作时应当把握的关键技术和相关标准。本手册内容翔实、图文并茂，许多问题的阐述结合实例，部分具体操作还在附录中给出了参考样板。NASA系统工程手册不仅可以作为工业工程领域产品开发和系统工程组织管理实践的有益借鉴，也可以作为从事产品研发与项目管理的科技人员和高等院校系统工程专业或相近专业研究生和高年级本科生的学习参考。本手册部分章节的阅读需参考“NASA 项目寿命周期系统工程视图飞行与地面系统系统工程流程”大图，读者可登录 （华信教育资源网）搜索本书免费下载，或发送邮件到 索取。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CP）数据 NASA 系统工程手册/朱一凡等译.北京：电子工业出版社，2012.11 SBN 978-7-121-18081-1.N.朱.航空工程技术手册航天工程技术手册.V2-62V4-62 中国版本图书馆 CP 数据核字（2012）第 202165 号 策划编辑：陈韦凯 特约编辑：刘丽丽 责任编辑：陈韦凯 印 刷：三河市鑫金马印装有限公司 装 订：三河市鑫金马印装有限公司 出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：21 字数：533 千字 印 次：2012 年 11 月第 1 次印刷 册 数：3 000 册 定价：65.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。序 我国航天事业经过 50 多年的发展，取得了举世瞩目的成就。在钱学森等老一辈科学家的带领下，我国航天系统工程伴随着中国航天事业的发展而逐步成长、成熟。航天系统工程是运用系统工程的理论和方法对航天工程从需求论证到设计研制、生产制造，以及运行维护等全寿命过程所进行的技术和管理活动的统称，主要关注并解决复杂工程系统总体权衡与优化问题，在“两弹一星”、“载人航天”、“北斗”等大型复杂工程的建设实践中得到充分运用，对保障我国航天工程的顺利实施、增强我国综合实力、带动科技进步、促进经济发展发挥了重大作用。我国正处于由航天大国向航天强国迈进的关键时期，航天工程的使命任务更加多样化，系统功能越来越复杂，需要进一步探索航天系统工程规律，提升现代宇航能力，积极推动航天事业科学发展。中国卫星导航系统管理办公室一直致力于促进航天系统工程理论和方法在北斗卫星导航系统建设和应用实践中的运用。2012 年底北斗卫星导航系统将完成区域系统建设，提供覆盖亚太地区的导航服务，2020 年将建成全球卫星导航系统。面对前所未有的系统规模、高可靠高质量的应用服务要求、日趋激烈的国际竞争，迫切需要进一步研究航天系统工程理论和方法，有力保障北斗卫星导航系统建设和应用的顺利实施。在中国卫星导航系统管理办公室的支持下，由国防科技大学系统工程系组织开展了NASA 系统工程手册的翻译、出版工作。该书是 NASA 对航天系统工程管理方法、技术和经验的最新概括和总结，反映了 NASA 在航天系统工程领域积累的成功经验。书中介绍的航天系统工程技术和管理方法，对我国航天工程组织实施具有积极的借鉴意义。中国科学院院士 译 者 序 自 20 世纪后半叶，在钱学森先生创导下，系统工程如雨后春笋蓬勃发展，在我国的社会发展和经济建设中得到广泛应用并发挥了积极作用。而随着系统工程理论和方法的日渐丰富，以及系统工程技术在社会、经济和军事领域应用的不断深入，对于如何利用系统工程有效解决复杂系统问题，还存在不少认识误区和实践偏差。甚至某些时候复杂的系统工程成为了某些部门回避困难的借口。实际上，在系统的设计研发过程中，系统工程不仅仅是对于系统预测、评价和优化等技术的应用，更多情况下是从宏观上和整体上分析系统，在系统集成设计框架下采用专门技术解决具体问题，寻求系统整体最优的理念和过程。系统工程的实践过程是长期和复杂的，其核心作用在于将所涉及的人员、技术和资源有机地结合在一起，以最有效的方式达到系统目标，而这一点恰恰就是系统工程实践中的困难所在。美国国家航空航宇局（NASA）曾经组织过多个大型复杂航天系统项目，有着丰富的经验积累和理论沉淀；“阿波罗”载人登月工程和天地往返运输系统（“航天飞机”）就是系统工程应用的成功典范。NASA 系统工程手册是对系统工程应用实践经验的总结，该手册结合系统全寿命周期，对系统寿命周期各个阶段对应的系统工程流程，以及各个系统工程流程中的系统工程管理技术进行了详细说明。可以说，这本手册对于系统前期论证和产品设计开发过程中系统工程方法运用和实践具有极高的借鉴和参考价值。复杂的航天系统各项工程都有各自具体的问题，解决问题的手段和途径也不尽相同，但利用系统工程方法解决系统问题的思路是相通的。NASA 系统工程手册一公布，就引起了“北斗”卫星导航专项管理办公室的极大关注。在“北斗”卫星导航专项管理办公室的鼓励和支持下，我们组织力量对NASA 系统工程手册进行了翻译，希望这项工作能够对像“北斗”卫星导航工程这样的复杂系统工程项目中的产品设计和项目管理起到辅助作用。由于手册中涉及的学科专业知识广泛、工程历史背景繁杂，翻译中难免有不准确和不精致之处，敬请读者批评指正。在本手册的翻译过程中，得到了许多同行和专家的指导和帮助，在此表示感谢！感谢“北斗”卫星导航专项管理办公室的领导对本手册的翻译给予的支持和协作；感谢电子工业出版社工业技术出版分社的徐静分社长和陈韦凯编辑为本手册的顺利翻译出版在版权联系和文稿编辑方面付出的努力和给予的指导；感谢王维平教授、郭波教授对于本手册翻译的理解和鼓励，以及总体上的把关和具体事务上的支持。译者 2012 年 5 月 前 言 自从 1995 年编写 NASA/SP-6105 之后，在美国和国际标准的框架下，作为一门学科，美国国家航空航宇局（NASA）的系统工程已经有了迅猛的发展。其主要进步包括实现了国际标准组织的 SO9000 标准，采用了卡内基梅隆大学软件工程研究所的一体化能力成熟度模型（CMM）来提升产品的开发和发布，以及减少任务失败的影响。在系统工程方面的经验教训已经写入 NASA 一体化行动小组（NAT）报告、哥伦比亚号事故调查委员会报告，以及随后的迪亚兹报告。由此产生了 NASA 总工程师办公室（OCE）提高 NASA 系统工程基础和能力的倡议，以获得更有效的 NASA 工程系统，生产更高质量的产品，以实现使命任务的成功。此外，NASA 的系统工程政策和要求已经建立，这本更新后的手册是 OCE 发起的全 NASA范围的系统工程倡议的一部分。1995 年 SP-6105 的出版是为了将系统工程的基本概念和技术带给 NASA 的技术人员，以此使他们认识 NASA 系统和 NASA 环境的性质。SP-6105 的修订本保留了这个最初的理念，并更新了 NASA 系统工程知识结构，提供了对了解当前 NASA 最佳实践的指导，并根据新的NASA 系统工程政策修订了手册。本手册的更新体现在两个方面：自顶向下兼容 NASA 的高层政策和自底向上汇集 NASA在本领域从业者的智慧。这种方法建立了科技情报与 NASA 系统工程过程之间的桥梁，便于在 NASA 内部更好地开展系统工程实践。本手册试图说明良好实践及方案的原则，而不是强调完成某个使命任务的特定方法。本手册集成的是 NASA 系统工程实践独特的顶层实现方法。本手册的更新过程中采用的材料有多种来源，包括 NASA 工程上的要求、外场系统工程手册和流程，以及非 NASA 的系统工程教材和指导书。本手册包括 6 个核心章节：（1）系统工程基础讨论；（2）NASA 工程/项目寿命周期；（3）从概念到设计的系统工程流程；（4）从设计到最终产品的系统工程流程；（5）系统工程流程的交互关联技术管理；（6）与系统工程相关的特别专题。用于充实这些核心章节的附录提供各章主题的要点、案例及其他附加信息。本手册还使用注记和图形用于核心章节中的概念定义、理论深化、具体说明和概念拓展，而不会使读者的兴趣偏离各章节中的主要内容。本手册为良好的系统工程实践提供自顶向下的指导，而不是以任何方式提出指令。NASA/SP-2007-6105 修订版就此取代 1995 年 6 月颁布的 SP-6105。目 录 第 1 章 引言 1 1.1 本手册的目的 1 1.2 本手册的范围和深度 1 1.3 关于 NASA 1 第 2 章 系统工程基础 4 2.1 通用技术流程与系统工程引擎 5 2.2 按照项目阶段概述系统工程引擎 6 2.3 使用系统工程引擎的示例 7 2.3.1 示例导言 9 2.3.2 详细示例 9 2.4 产品验证和产品确认的区别 16 2.5 系统工程的费用 16 第 3 章 NASA 工程/项目寿命周期 19 3.1 工程规划论证 20 3.2 工程实施执行 21 3.3 项目 A 前阶段：概念探索 22 3.4 项目阶段 A：概念研究和技术开发 23 3.5 项目阶段 B：初步设计和技术完善 24 3.6 项目阶段 C：详细设计和制造 25 3.7 项目阶段 D：系统组装、集成、试验和投产 27 3.8 项目阶段 E：运行使用与维护 28 3.9 项目阶段 F：退役处置 28 3.10 经费：预算周期 29 第 4 章 系统设计 31 4.1 明确利益相关者的期望 32 4.1.1 流程描述 32 4.1.2 明确利益相关者期望流程指南 35 4.2 技术需求定义 39 4.2.1 流程描述 39 4.2.2 技术需求定义指南 41 4.3 逻辑分解 48 4.3.1 流程描述 48 4.3.2 逻辑分解指南 51 4.4 设计方案定义 54 4.4.1 流程描述 54 4.4.2 设计方案定义指南 61 第 5 章 产品实现 69 5.1 产品实施执行 69 5.1.1 流程描述 70 5.1.2 产品实施执行指南 73 5.2 产品集成 74 5.2.1 流程描述 75 5.2.2 产品集成指南 77 5.3 产品验证 80 5.3.1 流程描述 80 5.3.2 产品验证指南 86 5.4 产品确认 94 5.4.1 流程描述 95 5.4.2 产品确认指南 101 5.5 产品交付 102 5.5.1 流程描述 102 5.5.2 产品交付指南 106 第 6 章 技术管理 108 6.1 技术规划 108 6.1.1 流程描述 109 6.1.2 技术规划指南 120 6.2 需求管理 129 6.2.1 流程描述 129 6.2.2 需求管理指南 133 6.3 接口管理 134 6.3.1 流程描述 134 6.3.2 接口管理指南 135 6.4 技术风险管理 136 6.4.1 流程描述