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摘 要:ICF 装置的设计、集成、运行是典型的系统工程实践。 综合概述了ICF 装置的系统工程的优化循环特点，分析了ICF 装 置系统方法论运用的复杂性实践根源，基于近 20 年来的ICF 装置 研制的系统工程实践， 对 ICF 装置系统工程方法框架进行了归纳 和提炼，揭示其趋势性发展，据以引伸为超大规模科学装置研制科 学方法论的普适性论述。
关键词：ICF 装置 系统复杂性 系统方法论 方法框架
一、引言
惯性约束聚变（Inertial confinement fusion,简称 ICF）是以激光 为驱动源[1]的大科学研究[2-3]，这一研究的终极目标是要为人类的能 源需求，在科学技术上探索一条新的、持久的解决途径。 以此终极 目标所构设的 ICF 研究整体框架中，ICF 激光装置（以下简称“ICF 装置”）与 ICF 研究之间形成了紧密的发展依存关系，物理需求牵 引 ICF 装置研制发展，ICF 装置升级发展，反过来又进一步促进了 ICF 研究，成为塑造 ICF 研究的有机组成部分。ICF 研究在科学形 态上的规模化、工程化特征，主要是由ICF 装置的规模化、工程化 特征所决定的。
概括而言，ICF 装置发展是由一项复杂性科学，导引出的一部 系统工程逻辑循环的“大剧”；它的基本演绎是从一个特定周期的 需求为起点，到一轮需求的实现为归宿。在这个归宿点提升并产生 新的认识，则又孕育出一轮新的出发的起点，秉持相同的逻辑，将 这项以大工程规模展开的科学研究， 在整体上推向更高层次的逻 辑循环。
以近 20 年我国 ICF 装置的发展历程看[4]，这个循环过程犹如 一部战争长卷， 它不是一次战役， 而是由若干战役组成的战争长 剧。这一辩证的发展演绎过程，在 ICF 研究及 ICF 装置范畴，由它 的特有的复杂性所决定。大凡复杂性科学实践之情境，科学实践本 身，既是揭示科学规律的过程，也是科学方法论的诠释过程。从实 践回归于方法论的理论寻根，ICF 研究的基本方法论依归是整体 论与还原论的结合，辩证统一于系统认识论[5-7]。
遵循这一基本方法论，在系统工程实践层次，从以解决系统硬 件为主体对象的系统工程方法论[8]（Hall）的初始应用，逐步走向综 合集成，即从定性开始，定性与定量相结合，逐步走向定量的综合 集成[9]（Meta-synthesis）方法论应用的趋势性发展，这一发展显著表 现为以数字化技术为联系纽带，从以“实”为主，逐步走向“虚”与 “实”的结合，在更高的层次上，实现数据信息的融合集成。在方法 组合上，形成了基于模型 + 工程实证的系统工程方法拓展，融入并 行工程理念的设计实践，以及其他管理的技术性方法的组合运用。
二、系统方法论应用的复杂性根源
（一）适应复杂性科学探索的ICF 装置代际演化
以近 20 年来整体连续的工程实践为线索，我国 ICF 装置研制 呈现以代际发展演变的基本脉络。这一代际发展的内在逻辑，主要 来自于 ICF 物理需求与激光装置之间的互为促进、互相制约的长 期复杂的探索过程，上升为复杂性，有时可称其为复杂性科学的研究过程，这样的整体复杂性的通俗性的概括，大体有以下四点：一是特定的装置只能满足特定阶段的物理需 求目标， 历经逐级匹配物理需求的发展过 程；二者的基本关系：有什么样的物理研究， 就有什么样的 ICF 装置；反过来有什么样的 ICF 装置， 又能塑造什么样的ICF 物理研 究。二是装置概念是在研究和技术攻关过程 中逐步确立的，是需求与可能性的反复权衡 的结果，并在代际演化的整体实践中得到不断丰富和完善。三是装置功能属性是在以高功率激光技术为主要 发展线索的技术进步中逐步优化的，呈现代际提升发展的趋势。四 是装置研制管理是建立在广泛的国内协作基础上， 凸显某种开放 性的系统特征。基于系统工程实践认识，这个整体实践中的不同阶 段 ICF 装置研制， 既印证了装置系统在功能结构上的开放性系统 特征，又凸显了创造这类复杂系统的系统工程管理的开放性趋势。
（二）简单性与复杂性并存的复杂系统实践
复杂性的语义范围十分广泛，在 ICF 界，常常借以表述 ICF 研 究的科学、技术及工程三者之间的实践关系；在一些情况下也有表 达管理领域的复杂性问题[10]。在系统科学层次，到目前为止，有关复 杂性，并未形成统一的定义，观察科学实践过程，一般而言，有关复 杂性的语义内含 [11-12]， 主要是人们对各自领域系统问题解决过程 中，各种不同类型问题的困难程度的某种概括，一个复杂系统中， 往往能够产生各种各样的复杂性，而且这些各自范畴的复杂性，通 常相互之间并没有可比性，各有各的复杂性；在这种情况下，依据 系统论的普遍观点和方法，加以澄清，需要有一个基本区分[13]：即凡 是在方法论上，能够采取还原论方法解决的科学实践问题，在概念 范畴上，就不是复杂性问题，可归属于简单性或非典型的复杂性问 题；除此之外，则归属于复杂性问题。
从解决问题的方法论尝试看 ICF 系统实践，ICF 研究是简单 性与复杂性并存的复杂系统问题， 复杂性是 ICF 研究系统属性的 主要方面。以下是通过 ICF 研究实践中的部分例举比较分析，进一 步分析澄清 ICF 系统的复杂性问题，如表 1 所示：
（三）软硬系统问题交织的大规模工程探索
从系统中所包含的硬系统问题与软系统问题的构成及解决方 法的差异看复杂性问题，如表 2 所示。
ICF 装置研制又是软系统与硬系统问题交织的科学实践，这 个软硬交织的系统实践问题是动态的、不断演变的；对这种软硬交 织的科学实践问题，区分复杂性与简单性，是方法论正确运用的起 点，更是系统实践的客观现实要求，建立在这种区别基础上，把复 杂性归于复杂性，在系统涌现中寻求破解复杂性问题；因此，不以简单性混淆复杂性是系统实践中的基本遵循原则。
三、ICF 装置系统方法框架分析
（一）系统工程方法的“V“型逻辑架构
基于复杂性的根源， 将一个特定周期的装置研制放在 ICF 研 究的总体进程中， 这就形成了以大工程方式响应需求的系统工程 整体逻辑架构。该周期的装置工程是一个大系统工程解决方案的 一轮完整优化循环过程。按照这样的思路归纳，如图 1 所示，反映 了从一个特定阶段的需求为起点（Requirement“R”），经过大工程 规模的功能设计构思（Function“F”）、系统集成、试运行，并通过与 物理的磨合性实验，回归于需求目标实现的装置设施层次（Product “P”），在整体上检验该轮系统工程的有效性；这样的一轮循环就形 成了完整的系统工程方法“V”型逻辑框架（logic“L”）。
图的左侧：作为对 ICF 物理需求的回应，从概念设计一方案设 计一工程设计， 反映一轮特定周期的系统工程设计的每一重要逻 辑递进，呈现从总体逐步细化的方法逻辑；图的右侧总体上呈现的 是一种对设计方案的工程验证行为； 这种验证是从特定的分层工 程验证安排开始的，然后在工程的总体集成层次，通过一套特定工 程方法的运用， 从公共基础层—结构体系层—方案内容层—信息 调控层， 逐级集成， 逐步在工程上重复左侧设计所包含的全部逻 辑， 从分解细化逐级收敛为包含各种内在逻辑关系的复杂系统整 体；图左侧的全部方法逻辑的成果形式是一组文件体系，图右侧的 结果最终是一个特定的物化的工程设施， 以一个物化的工程方式 验证一组包含系统方法逻辑的工程解决方案体系， 并最终统一于 ICF 研究的统一数据信息融合体系； 持续以不同周期的 ICF 装置 研制，升级演化这种循环优化的总逻辑。
（二）模型+ 工程实证的综合运用
基于模型与工程实证是系统工程方法的重要组合， 贯穿于ICF 装置系统工程全部过程。
从图 1 反映的系统工程方法运用脉络看， 在系统工程整体优 化的这一逻辑框架中， 工程化验证贯穿于 ICF 装置系统工程全过 程； 主要实现方式包含搭建基于模型的系统工程框架和工程实证 两部分： 基于模型的系统工程 (Modelbased systems engineering， MBSE)作为系统工程的基本架构，主要是通过模型的构设和运用， 将系统总体层次的问题分解到各个局部， 牵引并规定局部展开研 究， 再将这些局部研究纳入到总体层次， 支持总体层次的问题解 决，全部过程以模型为依归，以模型为约束，以模型为纽带；基于模 型的系统工程是系统工程的探索性发展； 按照系统工程这一框架 方法的新发展，图 1 中反映的系统工程方法整体逻辑架构，可以建 立在系统工程模型架构的技术基础上，实现 ICF 研究需求、功能、 逻辑、产品的整体统一。
我国 ICF 装置系统工程实践中， 初步构筑了基于模型的系统 工程框架，现阶段，已建立了激光放大与传输特性模拟系统、形成 了数据调度、数据管控、跨学科联合仿真等功能；建立了光机电多 学科的协同设计平台，支撑了光学设计、结构设计、电学设计、力学 分析、工艺仿真的数字化设计体系；基于不同属性的系统模型，在 总体上，支持了如总体构型研究，功能配置空间模型构设，光路的 几何建模，骨架模型生成，边界和接口控制，结构强度、稳定性、可 靠性、杂散光仿真等设计校验；关键功能模块的安装集成模拟与指 导；系统工程技术文件的数字化管控，以及任务组、协作单位之间 的并行协同与管控。
在中外系统工程实践中， 基于模型的系统工程架构仍处于探 索性的应用阶段，随着数字化技术的不断拓展开发，将持续完善统一定义、统一知识表达的 ICF 装置系统工程整体架构，拓展诸如数 字化实验运行模拟发射， 数字化集成融合等更高层次的综合集成发展。
鉴于复杂系统和复杂性科学问题，在方法组合层次，工程实证与基于模型作为一组方法集合，大体上是并行结合运用的。工程验 证的主体部分仍以工程实证为主，如上所述，在总的方法框架中， 工程实证由设计方案验证、总体集成工程实施、与物理的磨合运行 等多层次的工程实施行为所组成；工程实证的设计方案层次，是在 详细设计阶段，以多层次的设计方案验证为主要内容组成，贯穿装 置、系统、分系统、单元组件 / 模块、单元器件等五个层次，并通过 构设专用的设计验证平台展开， 部分借助外部协作单位的优势力量实施。
（三）融入并行工程理念的设计实践
上述系统工程方法框架中， 包含并行工程理念的广泛实践应用。这一理念或方法，在整体系统工程实践上，需要有一个基本定 位，笔者认为，从过去 20 年的 ICF 装置系统工程实践看，它从属于系统工程方法的整体逻辑架构。并行工程在 ICF 装置设计实践基 本运用情况是：在 ICF 装置项目组、协作任务小组(总体单位之外) 等多功能任务小组的组织建制基础上， 构建了协同设计技术支持 平台，围绕装置主体、环境条件匹配，融入功能、布局、结构、经济 性、“三性”、应变性、光学、机械、电控等各种设计要素，遵循统一的 产品定义模型和知识表达模型，形成了 ICF 装置多任务协同设计， 并行推进的设计格局。
并行工程理念在设计实践中的运用， 产生了多层次的并行设 计关系，在装置设施设计的总体层次：形成了需求与装置，装置与 环境的并行耦合关系；在装置整体层次形成了相互迭代、相互渗透 的复杂系统设计实践的三重重要关系：需求定义与设计并行融合、 设计与验证并行融合、 总体设计与系统设计并行融合的总体设计方法。
（四）系统工程方法体系的总体归纳
综合系统工程方法“V”型逻辑构架的归纳，ICF 装置系统工程方法架构，作为一种工程实践的方法体系 包含着形式（逻辑）与内容的另类统一，作为一种方法体系，它在总体上蕴含四重重要的层 次关系：需求牵引层、工程逻辑层、方法运用层、知识基础层；这四 个层次之间的基本关系：需求牵引决定工程系统的演变逻辑，工程 系统的演变逻辑决定方法的集合与运用， 而系统知识则是对上述 各层的基础支撑。
1.需求牵引层。需求是这个架构中的最高层次逻辑。需求是什么，如何提出，背后是科学规律或大科学的认知规律起作用，任何 以大工程规模推进的科学研究大体都是这个逻辑。
2.工程逻辑层。第二层次的工程逻辑层，它与大科学规律的整 体认知水平联系在一起， 当然也受到某些技术层次的科技进步水 平所牵制，如高功率激光技术进步之于 ICF 研究；在以大工程规模 推进的科学实践中， 不乏有人针对某些特定领域的大科学工程提 出某种质疑，甚至争议，如超级对撞机工程，某种程度上，这些都牵 涉到科学认知与科学工程之间的关系问题，大工程也即大风险；总 体上讲，工程逻辑决定了一项工程系统的展开规律，派生出工程设 施或产品的功能属性，规定了以什么样的规模，遵循什么样的步骤 的展开工程实践的逻辑内含。
3.方法工具层。方法运用是由工程逻辑决定的，在系统工程实 践中，方法运用的存在前提是工程，没有工程逻辑的存在、方法运 用也就无从谈起；方法运用的内含是丰富的，根据 ICF 装置系统工 程实践，可归纳出三大方面：流程集：用于表征系统工程过程的一 组特定活动步骤（流程），一般由一个特定的一级总流程牵引，分层 次展开的系统工程方案优化循环所有过程的集合。在不同环境下 （如体制性环境），这些流程集中的局部过程，可能有所不同，但在 总体上，遵循系统工程基本逻辑步骤的本质不会有大的变化。组织 集：系统工程总体组织方式的选择与运作的全部。组织方式是系统 工程管理不可或缺的方法内含， 我国 ICF 装置两总系统是抓总的 组织实现方式集中体现，它是经长期的工程实践逐步演变而来，无 论过往，还是当前，组织方式或可变化，其抓总内含则始终不变。方 法工具集： 方法工具集是由系统工程管理的技术方法和管理的制 度规范集合而成，方法工具集，呈开放性，扩展性，随着 ICF 装置工 程实践不断丰富、完善。
4.知识基础层。在 ICF 系统工程方法框架中，知识体系作为整 个系统工程构架中的基础层，广义的知识，囊括了自然科学和社会 科学知识体系的所有方面，但这种知识体系，对于一个特定的系统 工程而言，它一般只牵涉到知识体系中的某一部分，这部分系统知 识在这个结构框架中，始终处于潜层的、可调用的秩序中。
四、走向综合集成的复杂系统工程实践
（一）系统工程的趋势性发展
ICF 装置工程实践根源于系统工程方法论， 但这一实践是不 断深化的。从对实施过程的解析，可以看出，复杂性问题的破解过 程、或复杂系统的创造过程， 在方法论的内在结构上是综合集成 的，它缘于复杂系统实践，并且逐步演变为具复杂性特点的实践活 动的趋势性要求，在这个趋势性发展中，最初并没有综合集成方法 论运用的概念符号，随着复杂系统实践的深化与发展，逐步凝练为 一个特定的方法论概念范畴， 这就在实践和理论两方面将系统工 程管理推向了新的阶段。这一方法论的工程应用，将系统对象、工 程技术、专业知识、工具方法、个体智慧等实现多维度的统一，据此 可引为解决复杂巨系统问题的基本方法论。它的运用基础是数学 和计算机信息技术等；尤其是数字化技术的发展，建立在这一技术 基础上的系统工程管理的新发展： 即基于模型的系统工程架构 （MBSE），既可视为对综合集成方法论理论体系的丰富，又可纳为 综合集成方法论的运用结果，在整个综合集成方法论理论论述中， MBSE 可作为其基础性的技术架构。
（二）走向综合集成的ICF 研究大循环
ICF 装置系统升级发展的基本脉络凝结着综合集成方法论的全部逻辑内含： 定性综合集成——定性与定量相结合的综合集 成——从定性走向定量的综合集成。它在工程应用层次，呈递进展 开、螺旋式循环上升的实践特点。
工程样机系统——正式系统——升级发展系统—聚变能源 系统， 这一演变代表着我们对特定工程问题的认知程度的变化轨 迹，聚焦到每一阶段的装置系统工程上，方法论的起点，一定是从 定性开始的， 如果不是这个逻辑， 那么直接就可以确定的定量方 法，做成一个正式系统则更加高效、节省资源，也就没有必要这样 大费周章地持续循环了。
对于一个复杂系统问题， 定性描述过程是将原本散落在各个 “角落”的“碎片式”的个体经验、智慧、知识集合在某一统一的系统 框架下，通过研讨和逻辑上的必要整理，综合集成为某种特定需求 问题的共识与判断； 这种共识与判断只是解决一个复杂系统问题 的方法论的初始步骤。
需要朝着复杂系统问题的解决进程， 进行更加精细且现实的 逻辑递进。在方法论上， 把这一步称之为定性与定量相结合的过 程。这个结合过程是在定性原则的规定之下，去寻求一个复杂系统 问题的现实解，这就要运用一系列专业的科学定量方法，对系统整 体进行深入的研究和描述。从 ICF 装置总体设计的设计要素看（大 约十余项），几乎所有要素都必须形成定量描述，即使那些一时不 具备条件进行直接定量描述的，也要设法创造一定的统计学样板， 并从统计学规律中， 推导形成定量描述。按照这样的方法， 可将 ICF 装置在这一逻辑递进中的综合集成分为若干方面： 技术综合 集成，它涉及 ICF 装置最核心的综合集成，包括光、机、电、测、装、 安、防等不同领域，以及科学、应用技术、工程技术等不同层次的科 学技术的综合集成。内容综合集成：对应设计、集成、运行等工程阶 段；不同阶段的内容综合集成侧重点有所不同，如激光物理、材料 科学、化学、高能量密度物理等科学范畴的综合集成更多集中于概 念设计、实验运行等过程；各相关应用技术及工程技术内容的综合 集成，则主要集中于方案设计、工程设计、以及总体集成过程。由技 术综合集成派生出一系列其他类综合集成，包括方法综合集成，方 法工具集就是典型的定性与定量相结合的综合集成； 模型综合集 成： 包括具有内在联接关系的分类模型的综合集成， 仿真综合集 成，知识综合集成等。 由方法综合集成派生出的信息综合集成、数 据综合集成、运算结果综合集成、意见综合集成、评价综合集成等。 从方法论层次的逻辑递进关系看；无论具体划分为哪几类，所有这 些不同类型的综合集成均是在定性原则规定之下， 定性与定量相 结合的方法运用的过程。
定性与定量相结合获得的系统问题的描述， 在复杂系统问题 解决进程的递进关系上，并不会立刻结束。 当然，有没有很快就结 束的例外情形呢：答案是：有。如果这样，那这可能就不是复杂系统 问题， 它在本质上应该是复杂性掩盖下的简单系统问题。一般而 言，对于复杂系统，定性与定量相结合，所形成的定量描述，总是需 要反复进行验证、优化，并融合不同专家团队系统的智慧和机器仿 真模拟结果等，经过多轮定性与定量的综合集成循环，才能逐步逼 近，最终形成决策层认同的相对满意解，这即是一轮工程优化循环 的定量结果的产生，而这与系统工程“V”型逻辑架构所呈现的是完 全相同的优化逻辑，放在 ICF 研究的整个发展进程中，既是一轮工 程循环的终点，又是下一轮工程循环的起点。
从定性走向定量的综合集成的逻辑进程中， 验证是获取定量 认识的必不可少的方法步骤， 它主要是工程实证和建模仿真两方 面的综合运用。在数字化技术快速发展的今天，各类建模及系统仿 真模拟能力还将进一步增强； 这将改善综合集成方法论运用的技 术基础， 这一发展将导致基于模型的系统工程架构与综合集成方 法论在理论体系上的完美融合。
五、结语
近 20 年是我国 ICF 装置发展的重要历史周期，ICF 科技共同 体以其集体实践，不仅成就了世界 ICF 研究的中国地位，更以其特 有的实践示范，诠释了大规模复杂系统设计、集成的科学方法论， 这一方法论脱胎于实践，并经过从实践到经验、从经验到理论的逐 步蜕变。面对艰巨挑战的当下和不确定性的未来，从科学方法论的 高度思考和凝练 ICF 装置的系统工程实践，并进一步指导实践，是 完成任务使命的基本要求， 更是 ICF 科技共同体在新的时代环境 下，实现集体重塑，自我超越，引领未来 ICF 实践的科学方法论的 重要基础。
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