“系統工程”辨析

郭寶柱

（中國航天科技集團公司，北京 100048）

1 引言

系統工程（Systems Engineering）是成功實現系統的方法，有明確的內涵和定義，在國外工程技術領域取得了很大的成功，也是中國航天成功的保證。但是，在國內對“系統工程”的內涵有多方面的理解。例如：系統工程的主攻方向是研究社會經濟系統的組織管理問題；系統工程是廣義的系統分析；系統工程是一種決策咨詢活動；系統工程是一個“包含從思想、理論方法論到方法、技術、應用的完整科學體系”；系統工程是工程項目等。辨識“系統工程”的內涵，關注、總結、提升和推廣工程領域的系統工程方法，對于中國航天的發展和國家現代化建設具有重要的意義。

2 Systems Engineering與“系統工程”

20世紀60年代末期，在國防和航天項目的推動下，美軍提出了第一個關于Systems Engineering的標準MIL-STD-499。與此同時，中國航天也在研制實踐中總結出了系統工程的基本理念。20 世紀70年代后期，“系統工程”的概念在中國被推廣到了更廣泛的應用領域當中。

2．1 Systems Engineering

Systems Engineering在國外有明確的內涵和相關的標準。美軍標準MIL-STD-499A（1974年）定義系統工程是“一系列邏輯相關的活動和決策，把使用要求轉換為一組系統性能參數和一個系統配置”［1］。國際系統工程協會（INCOSE）定義系統工程是“實現成功系統的一種跨學科的方法”，“系統工程注重定義用戶需求，集成所有學科和專業，構造一個從概念、生產到運行的結構化過程，目的是提供一個滿足用戶需求的優質產品”［2］。系統工程在國外重大國防和航天項目的推動下迅速發展，從軍用標準演化到商用標準（見圖1），在軍用和民用工程技術領域都取得了很大的成功。

圖1 國外系統工程標準Fig．1 Foreign systems engineering standard

2．2 國內的“系統工程”

中國航天創業初期，在總結研制實踐成功經驗與失敗教訓的基礎上提出來的“強調總體設計，嚴格執行研制程序，充分進行地面試驗”，以及“探索研究一代，設計試制一代，定型生產一代”的要求和原則，是對航天系統研制科學規律認識的深化，同時也奠定了中國航天系統工程方法的基礎。錢學森先生在1978年說，“總體設計部的實踐，體現了一種科學方法，這種科學方法就是系統工程（Systems Engineering）”［3］。幾十年來，中國航天科技工業管理體制歷經調整變化，研制任務不斷更新換代，而以強調總體設計為核心的系統工程方法，一直是中國航天系統研制與管理實踐不變的主旋律，是航天彈、箭、星、船研制成功的保證。

同時，國內對“系統工程”的內涵還存在著一些不同的理解和定義。

社會系統工程 國內系統學者定義“系統工程”是一種改造客觀世界的技術，是對所有“系統”都具有普遍意義的科學方法。這樣就把工程領域的“系統工程”推廣到了諸如企業系統工程、經濟系統工程、行政系統工程、法制系統工程及社會系統工程等廣泛的領域。系統學者建議把社會經濟系統的組織管理研究作為系統工程的主攻方向，讓自然科學工作者、工程技術工作者和社會科學工作者共同解決國民經濟中的一些重大問題，并且由此提出，系統工程活動是咨詢活動，系統工程工作者是咨詢者［4］。

系統工程是廣義的系統分析 系統學者還認為，按照系統工程方法，總是把與系統有關的數量關系歸納成為反映系統機制和性能的數學方程組（即數學模型），然后在約束條件下在計算機上求解這個數學方程組，找出答案。系統學者于是認為“系統工程是廣義的系統分析”［5］。

系統工程思想／理論 有些系統學者認為，在系統科學中系統學是基礎科學，運籌學、控制論、信息論是技術科學，系統工程是工程技術。而另一些系統學者則提出了“系統工程學”和“系統工程科學”的概念。在這里，“系統工程”的內涵是一個“包含從思想、理論方法論到方法、技術、應用的完整科學體系”［6］。

系統工程是工程項目 因為Engineering 和Project在中文里都可以翻譯成“工程”，因此來源于Systems Engineering的“系統工程”，被理解為采用系統思維的工程項目（Systematic Project），“XXX 是一項復雜的系統工程”變成了一種廣泛使用的說法。

2．3 國內外“系統工程”的差異

聚集在“系統工程”旗幟下的數學、社會學、經濟學等領域的專家和學者，以極大的熱情投入對系統理論、系統分析、運籌學以及系統復雜性等方面的研究，并取得了豐碩的成果。把“系統工程”理解為采用系統思維的工程項目，對強調系統思維也很有意義。但是，國內外對于“系統工程”內涵的不同認識，導致了關于“系統工程”的著作在內容上的區別（見表1和表2）。國外系統工程著作的內容，主要包括需求分析、系統全生命周期、系統工程過程和系統工程管理等；而國內系統工程著作的內容，主要包括系統科學、系統理論、系統分析，以及社會系統及其方法論等。

表1 國外Systems Engineering著作舉例Table 1 Foreign systems engineering treatises（examples）

表2 國內“系統工程”教科書舉例Table 2 Domestic systems engineering textbooks（examples）

3 航天系統工程方法

為了避免“系統工程”的歧義，這里用“系統工程方法”來表示“Systems Engineering”。航天系統工程方法是從需求出發，綜合多種專業技術，通過分析-綜合-試驗的反復迭代過程，開發出一個滿足使用要求、整體性能優化的系統。航天系統工程方法可以用一個三維結構形式來說明，如圖2所示。

圖2 航天系統工程方法的三維結構Fig．2 Three-dimensional structure of space systems engineering

在圖2中，認識過程是邏輯維，表示從分析、設計到驗證的認識過程。全生命周期是時間維，包括系統全生命周期中從概念研究到系統運行的各個階段。專業維是系統所涉及的各種工程技術，特別是總體技術。航天系統工程方法的實踐是強調總體設計，遵循研制程序，以及反復應用的分析-設計-驗證過程（系統工程過程）。其主要特點如下。

1）強調總體設計

總體設計從需求和大系統約束條件出發，經過分析綜合得到系統頂層體系結構和一組功能、性能參數。根據研制對象的特點，再把系統細分到一個易于掌控的層次，并使它們成為各研制單位和人員的具體工作。經過從部件、分系統到系統逐級研制、協調、集成與試驗，最后得到滿足使用要求的系統產品。一個“V”模型常用來描述這個系統分解-集成的過程（見圖3）。

圖3 系統工程“V”模型Fig．3 Systems engineering“V”model

系統工程方法的輸入是用戶使用要求以及運行方案（Operational Concept）。運行方案是以用戶語言對新系統運行的總體策劃，內容包括新系統的運行環境、使命、功能、運行、維護、運行的組織管理和工作流程，以及特定情況下的工作模式。對運行方案的研究，幫助用戶充分認識新系統及應用體系的任務目標、運作過程和相關的概念，保證使命實現；同時，幫助研制方全面深入地理解新系統的特征和用戶的意圖，降低研制風險。

2）遵循研制程序

研制程序是研制工作技術上循序漸進、管理上分階段控制的過程，是系統全生命周期的組成部分。航天系統的全生命周期包括概念研究、可行性論證、初步設計、詳細設計與生產，以及部署與使用等階段。

（1）概念研究階段，從應用需求或者技術發展機遇出發，探索新原理、新技術、新概念，提出新項目。對于尚不成熟的技術，開展關鍵技術攻關活動。

（2）可行性論證階段，對符合戰略發展方向并且在技術相對成熟的項目進行深入的經濟、技術可行性論證，提出新系統的運行方案和使用要求。

（3）初步設計階段，根據使用要求確定系統級的功能、性能要求，建立功能基線；并將系統級要求分解到分系統，完成系統方案設計，建立研制基線。

（4）詳細設計與生產階段，研制工程樣機，進行功能、性能以及各種環境試驗（初樣階段）；完成系統詳細設計，建立生產基線，進行正式產品的生產，完成功能、性能測試和驗收試驗（正樣／試樣階段）。

（5）部署與使用階段，進行航天系統的發射場測試與發射。經過在軌測試，航天系統投入運行使用。

3）反復應用的系統工程過程

系統工程過程（SEP，見圖4）是一個結構化的分析-設計-驗證過程，包括要求分析、功能分析、設計綜合和試驗驗證。反復應用的系統工程過程使認識不斷深化，將要求逐步轉變為適當的系統設計。

圖4 系統工程過程Fig．4 Systems engineering process

4）定量的方法——建模與仿真

系統論證和研制過程利用數學仿真、半實物仿真或實物仿真試驗，可以在產品實現之前分析和認識系統的行為特征。隨著研制的進展和認識的深入，計算機仿真模型會逐步細化，從而使仿真試驗更具有真實性。航天系統的行為符合自然科學的規律，從而為計算機建模與仿真方法奠定了可信性的基礎。

5）系統工程管理

系統工程方法用于技術管理過程，稱為系統工程管理。系統工程管理保證分析、設計、試驗和生產活動有序進行，是項目管理中的技術管理。系統工程管理的內容主要包括系統工程計劃與控制、技術工作分解結構、技術狀態控制、技術評審和技術風險管理等。

航天系統的各級總體設計組成的系統工程師體系，是系統工程方法的實踐者和各層次的技術決策者。面對高水平的指標要求，各種前沿的專業技術，復雜的使用環境，系統工程師借助其經驗和才智，精細設計和協調系統各組成部分及環境在信息、能量和物質交流界面上的關系，開發出滿足要求、整體性能優化的系統，實現整體功能和性能的“1＋1＞2”。

4 系統工程方法是應對技術復雜性的有效方法

面對現代高科技項目技術復雜性的挑戰，系統工程方法是一個有效的應對方法。統計（見圖5）表明：投入分別為8%和15%的早期頂層設計階段，已經決定了后續85%的經費投資，從而降低了發現缺陷越晚損失越大的風險［2］。圖6說明，系統工程方法采用的力度越大，成本越低，周期越短，同時成本和進度進展的不確定性越小［2］。

圖5 預期全生命周期成本投入的時間關系Fig．5 Committed life cycle cost against time

圖6 成本、進度與系統工程力度的關系Fig．6 Relationships of cost and schedule with systems engineering effort

5 結束語

中國系統學者對于系統科學的研究，推動了創建系統學的進程，也為系統工程方法奠定了理論和技術基礎。工程領域應當重視對系統工程方法的研究和應用。中國航天是系統工程方法的倡導者和成功實踐者，更應當清楚理解系統工程方法的內涵，認真總結、提升系統工程方法的效能和應用水平。隨著現代化建設和創新型國家的發展，一系列對國家安全、國民經濟和科技進步具有重大影響的高科技專項工程正在或者即將實施，借鑒和推廣系統工程方法，強調大型復雜工程項目管理的系統思維，對國家重大專項工程的成功和現代化發展具有重要的意義。

（References）

［1］USAF．MIL-STD-499A Systems engineering management［S］．Washington D．C．：Department of Defense，1974

［2］Haskins C．INCOSE systems engineering handbook V3［Z］．San Diego，California：INCOSE，2006

［3］錢學森．論系統工程［M］．長沙：湖南科學技術出版社，1988

Qian Xuesen．Systems engineering［M］．Changsha：Hunan Science ＆Technology Press，1988（in Chinese）

［4］許國志．系統科學與工程研究［M］．上海：上海科技教育出版社，2000

Xu Guozhi．System science and engineering analysis［M］．Shanghai：Shanghai Scientific and Technological Education Publishing House，2000（in Chinese）

［5］許國志，顧基發，車宏安．系統科學［M］．上海：上海科技出版社，2000

Xu Guozhi，Gu Jifa，Che Hongan．System science［M］．Shanghai：Shanghai Scientific and Technical Publishers，2000（in Chinese）

［6］王應洛．系統工程學［M］．北京：高等教育出版社，2007

Wang Yingluo．Systems engineering［M］．Beijing：Higher Education Press，2007（in Chinese）

［7］NASA．NASA systems engineering handbook［Z］．Washington D．C．：NASA，2007

［8］Kossiakoff A，Sweet W N．Systems engineering：principles and practice［M］．New York：John Wiley，2003

［9］Blanchard B S．Systems engineering management［M］．2nd ed．New York：John Wiley，1998

［10］黃貫虹，方剛．系統工程方法與應用［M］．廣州：暨南大學出版社，2005

Huang Guanhong，Fang Gang．Systems engineering method and application［M］．Guangzhou：Jinan University Press，2005（in Chinese）

［11］高志亮．系統工程方法論［M］．西安：西北工業大學出版社，2004

Gao Zhiliang．Systems engineering method［M］．Xi’an：Northwestern Polytechnical University Press，2004 （in Chinese）