《Proceedings of the Design Society》：Capability-based engineering transformation – the periodic table of engineering capabilities
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日益增长的开发过程数字化与互联性正迫使企业全面重塑其工程（Engineering）体系。本研究所提出的工程参考能力图（Engineering Reference Capability Map）为此转型提供了结构化框架。该能力图为四级层次模型，涵盖核心工程能力，
日益增长的开发过程数字化与互联性正迫使企业全面重塑其工程（Engineering）体系。本研究所提出的工程参考能力图（Engineering Reference Capability Map）为此转型提供了结构化框架。该能力图为四级层次模型，涵盖核心工程能力，其设计灵感源于化学元素周期表。标准化能力档案（Standardized Profiles）描述每项能力的特征与依赖关系。该图可作为识别工程领域差距、潜力与发展需求的参考框架。
工程环境持续变化，要求开发技术产品的企业不断调整与重新定位。市场全球化及伴随的竞争加剧、变革节奏加快、产品与服务要求提高以及由此产生的更大复杂性，还有技术进步，均是驱动转型的因素。对研发企业而言，此类转型主要影响其核心业务——工程。重新设计工程体系对于应对最新威胁、保持竞争优势及利用技术进步至关重要。然而，数字化转型的现实是70%以失败告终，主因在于缺乏战略、转型范围不清及目标模糊。
避免上述陷阱的一种有前景的方法是采用基于能力（Capability-based）的路径。设计良好的能力图将抽象战略转化为具体实施计划，同时提供连接业务视角与技术视角的共同语言。研究表明，基于能力的转型更易成功，且效率显著更高，体现为实施更快、成本更低。为此，本研究提出了工程参考能力图，其适用于获取工程能力的全局概览，并作为创建企业特定能力图的起点，从而构成工程转型更系统化、高效且成功的基础。
能力指组织通过人员、流程、技术、信息和资源的协调运用，实现特定目标、成果或业务目的的能力与容量，描述组织能够达成什么，从而形成组织潜能的抽象稳定表征。能力作为企业架构（Enterprise Architecture）的结构构建块，支撑组织绩效的分析、设计与进一步发展。能力与流程、胜任力及技术相区别，具有以下特征：稳定、抽象且与组织解耦的功能构建块，描述组织能够达成什么而不论实现方式；具有高度时间稳定性，是长期有效的结构要素；其实现无关性（Implementation Agnosticism）及与组织、流程和IT系统的解耦，提供了业务与IT之间的共同跨职能语言；模块化层次结构支持从高层能力域到详细子能力的结构化；始终目标与结果导向，面向具体业务成果，结合战略意图与运营实施。
现有工程能力图存在局限性，未能涵盖工程全部方面。例如，国际系统工程协会（INCOSE）的基于模型的能力图（Hale & Hoheb, 2020）和PROSTEP AG的产品生命周期管理（PLM）能力图（Wittkop, 2020）分别局限于基于模型的系统工程（MBSE）和PLM子领域。IT领域的能力图（如Forrester参考IT能力图，Betz, 2024）虽涵盖支持数字化工作的相关子领域，但与工程领域 largely 解耦，无法映射或识别工程能力与IT能力间的联系或依赖。数字工程胜任力模型（DECF）、ASPICE过程成熟度模型、INCOSE及GfSE手册等虽详细全面，但运作于不同于能力的抽象层级，描述必要胜任力、流程和指南，却忽视战略能力层级。
本研究旨在填补上述研究缺口：缺乏工程整个领域在能力层级上的全面详细概览。研究问题包括：工程参考能力图如何构建？包含哪些能力？如何描述这些能力？研究遵循van Riel & Poels（2023）开发通用能力图的研究方法，该七步方法支持针对特定应用领域定制能力图：选择领域、获取目标与内容理解、创建初始设计、定义稳定性标准、规划验证、实施验证并迭代细化、记录变更过程。
工程领域范围依据ISO/IEC/IEEE 15288标准界定，指科学和技术原则的系统化、跨学科应用，以开发、实施、集成和使用技术系统及其生命周期，并扩展至支持和使能方面。鉴于工程数字化趋势，研究聚焦数字工程（Digital Engineering），即以数字方式、主要利用系统数据和模型创建权威真相源（Single Source of Truth），因此IT能力亦纳入范围。
通过文献综述获取工程内容、价值创造目的和目标的全面理解，涵盖21项来源，包括科学出版物、成熟度模型、参考手册、咨询公司白皮书及工程与IT领域现有能力图，关键词包括系统工程、产品/系统与应用生命周期管理、数字工程及工程IT。由于来源抽象层级不一，包含流程、胜任力、技术、能力、成熟度层级和战略，需根据能力层级统一抽象程度，进行细化、抽象或汇总。
能力图基本结构需先定义水平和垂直结构。垂直结构基于APQC跨行业流程分类框架（APQC, 2023）和Capstera能力图（Capstera, 2025），将APQC框架的五级调整为四级：第1级能力类别（Capability Category）——最高层级，用于水平结构；第2级能力组（Capability Group）——共同实现工程领域的若干能力组合；第3级能力（Capability）——可相互区分的能力个体；第4级子能力（Sub-Capability）——详细描述能力各组成部分的下级单元。
水平结构分为五类：技术核心能力（Technical Core Capabilities, TCC），直接贡献于产品开发的技术能力；生命周期管理能力（Lifecycle Management Capabilities, LMC），管理协调产品全生命周期活动的能力；交叉能力（Cross-Cutting Capabilities, CCC），影响多个技术和组织领域的跨学科能力；支持能力（Supporting Capabilities, SC），支持运营工程的组织和管理能力；使能能力（Enabling Capabilities, EC），使能其他能力的技术和基础设施能力。TCC、SC和EC借鉴既有框架，LMC和CCC为工程特异性扩展，以应对工程在生命周期阶段（规格、实施、产业化等）和学科（机械、电气/电子、软件等）方面的高度多样性复杂性。
第1级五类划分为17个第2级能力组，再细分为46个第3级能力。ISO/IEC/IEEE 15288为技术和生命周期管理能力第3级提供结构模板。所有层级均以化学元素周期表形式可视化，利用其高认知识别度、明确分类逻辑、网格形成和多维同时表示以降低视觉复杂性。每项能力表示为一个元素，含名称、唯一符号（名称缩写）、层级和能力类型信息（四角标注）：左上为能力类别符号并决定颜色（TCC蓝色、LMC绿色、CCC黄色、SC紫色、EC粉色），左下为能力组，右下为能力编号（仅子能力填充四角，高层级留空）。右上第四角标注第3-4级能力类型：业务能力（Business Capabilities, BC）——将战略目标转化为增值活动、通过流程资源和胜任力实现业务成果的组织能力；IT能力（IT-Capabilities, ITC）——确保数字工具、数据流和应用开发运营发展的技术和信息技术能力。因数字化工作离不开IT技能资源技术，IT能力对工程数字化转型至关重要。
第4级子能力因数量众多未以周期表呈现，以列表展示，总计137项：TCC 45项、SC 33项、EC 16项、LMC 24项、CCC 19项。每项能力以档案详细描述，含名称、符号、层级、类型、描述、成功实施收益，以及工程转型四行动领域（Wyrwich et al., 2025）的影响：产品、流程与方法、组织、IT系统。同时提供可能规格和示例关键绩效指标（KPIs），以及能力间依赖关系类型：支持（Supports）——贡献有效性但非前提；包含（Contains）——子能力为上层能力的子方面；需要（Requires）——依赖其他能力的存在/特征方可实施；关联（Linked to）——无层级或依赖的关系。详细描述和链接确保层级内外无冗余不一致。
稳定性标准基于变更速率或验证伙伴的变更请求：第1-3级无新增能力；能力结构或特征无变化；验证伙伴无根本性变更建议。第4级因参考性质未纳入稳定性标准，因适用多行业多规模多价值链深度企业，第3级的基本完整准确比第4级细节更重要，且第4级细节深度难以跨企业达成一致，任何调整添加定制需在企业特定工程转型应用中进行。
验证通过基于网络的问卷专家调查实施（Prat et al., 2014），29名利益相关者来自七个领域：机械与设备工程（6）、汽车/农业工程（6）、研究/科学（6）、家用电器（6）、咨询（3）、自动化技术（2）。职位涵盖部门/division经理（6）、系统工程师（11）、项目经理（2）、开发/工程师（2）、研究助理（6）、顾问（2），确保从战略到应用视角的全面评估。专家对完整性、可理解性、简洁性、适用性、细节程度的评分为1-4分，平均分至少3.0；90%参与者认为能力图适合进一步推动工程发展。
初始设计变更源于反馈表单自由文本，分三类：内容变更（修订能力档案）、新增内容（如ISO/SAE 21434标准引用、缺失链接、MTBF等KPI、RAM等缩写展开）、结构变更（移除与能力重叠的危险与脆弱性分析；需求管理改为需求工程；生产改为制造工程；工程质量保证和工程风险管理从生命周期管理重分类为支持能力；新增系统运维、循环工程、外部开发伙伴协作、技术产品管理和战略产品管理能力）。
**研究背景与问题**
当前，工程领域正经历由数字化和互联性驱动的深刻变革。市场全球化带来的竞争加剧、技术变革加速、产品复杂性攀升以及数字技术渗透，共同迫使企业必须对其核心工程业务进行全面转型。然而，研究表明高达70%的数字化转型归于失败，根源在于战略缺失、转型范围模糊以及目标不清。在此背景下，基于能力的管理方法展现出独特优势——通过构建能力图将抽象战略转化为可执行计划，同时架设业务与技术之间的沟通桥梁，使转型更易成功、效率更高、成本更低、实施更快。尽管工程领域已存在若干能力图或相关模型，但它们或局限于模型驱动系统工程（MBSE）、产品生命周期管理（PLM）等子领域，或与IT能力脱节无法映射跨域依赖，或运作于流程、胜任力等不同抽象层级而忽视战略能力视角。这一研究缺口催生了构建覆盖工程全域、统一于能力层级的参考框架的迫切需求。
**研究设计与方法**
研究人员遵循van Riel & Poels提出的通用能力图开发研究方法开展研究。该方法包含七个步骤：选择领域、获取领域目标与内容理解、创建初始设计、定义稳定性标准、规划验证、实施验证并迭代完善、记录设计变更过程。在领域范围界定上，以ISO/IEC/IEEE 15288系统工程标准为基础，将工程定义为科学和技术原则的系统性跨学科应用，涵盖技术系统全生命周期的开发、实施、集成和使用，并扩展至支持与使能方面；同时聚焦数字工程范式，纳入IT能力范畴。通过系统文献综述整合21项来源，涵盖科学出版物、成熟度模型、参考手册、行业白皮书及既有能力图，关键检索词涉及系统工程、生命周期管理、数字工程及工程IT等。在结构设计上，纵向建立四级层次（能力类别-能力组-能力-子能力），横向划分为五大能力类别；采用化学元素周期表作为可视化隐喻，以颜色编码区分类别、符号缩写标识能力、四角信息标注层级关系；并为每项能力建立标准化档案，详述其定义、收益、转型影响、规格、KPI及多类型依赖关系。验证阶段采用网络问卷调查，纳入29名跨领域专家（机械、汽车、家电、自动化、科研、咨询），从战略管理到工程应用覆盖多层级职位，依据完整性、可理解性、简洁性、适用性、细节程度五项标准评分。
**研究结果**
**领域范围与文献基础**：工程参考能力图覆盖数字工程全领域，包含跨学科、全生命周期及IT使能维度。文献综述确保关键工程内容覆盖，同时通过抽象化处理实现统一能力层级表达。
**四级层次结构**：能力图采用四级层次模型。第1级为5个能力类别：技术核心能力（TCC）、生命周期管理能力（LMC）、交叉能力（CCC）、支持能力（SC）、使能能力（EC）。第2级划分为17个能力组。第3级细分为46项能力。第4级展开为137项子能力。其中TCC、SC、EC借鉴既有框架，LMC和CCC为工程特异性创新扩展，以应对工程在生命周期阶段和学科维度上的固有多样性复杂性。
**周期表可视化设计**：以化学元素周期表为灵感实现可视化，利用其高认知度、分类明确性和多维信息压缩优势。每项能力以元素形式呈现，包含名称、符号缩写及四角信息：左上为类别符号与颜色编码（TCC蓝、LMC绿、CCC黄、SC紫、EC粉），左下为能力组，右下为能力编号，右上为能力类型。类型区分业务能力（BC）与IT能力（ITC），明确数字化工程的双重能力属性。
**能力档案与依赖关系**：每项能力配备标准化档案，涵盖名称、符号、层级、类型、描述、实施收益，以及工程转型四维度影响（产品、流程与方法、组织、IT系统）。同时提供规格说明、示例KPI，并以四种关系类型（支持、包含、需要、关联）刻画能力间依赖，确保层级内外的无冗余与一致性。
**验证结果**：专家调查达成高度认可。五项评估指标平均分均不低于3.0（4分制），90%参与者确认该能力图适合推动工程进一步发展，证明其具有充分的应用价值、完整性、可理解性、简洁性、适用性和恰当抽象程度。
**设计迭代**：基于反馈进行三类调整。内容层面修订能力档案；新增层面补充标准引用、缺失链接、KPI示例及缩写释义；结构层面移除重叠能力，重命名部分能力，重新分类质量保证与风险管理归属，并新增系统运维、循环工程、外部协作、技术/战略产品管理等能力，以增强覆盖完整性。
**讨论与意义**
工程参考能力图的科学贡献体现为：系统推导并构建了周期表样式的工程参考能力图，形成从类别到子能力的四级层次体系；以标准化档案实现能力特征与依赖的统一全面理解；通过工业界专家调查确认接受度。该能力图为全面工程转型提供领域范围与可能性的全景概览，使企业能够系统识别能力现状、差距、潜力与发展需求。
**研究结论**：未来研究需将能力图融入工程转型过程，特别是在生成企业特定目标图景方面发挥作用——识别差距、潜力与需求并予以解锁。鉴于各企业工程范围和深度各异，所需能力亦有差异，需开发评估方法以识别企业需求、转化为必要能力并创建企业特定能力图。具体而言，评估结果需与能力档案比较分析，进而按相关性优先排序，形成转型目标图景和/或路线图。能力热图（Capability Heat Map）是该过程中有前景的工具，可用于识别现有能力及待开发能力。
该论文发表于《Proceedings of the Design Society》。
