系統工程的過去、現在和未來

國際系統工程協會與《系統工程手冊》

王飛躍：國際系統工程協會（INCOSE）的《系統工程手冊》（Systems Engineering Handbook）和相應的“認證系統工程師”（CSEP）是INCOSE在全球系統工程領域最主要、最成功的產品之一，在教育界、產業界都具有廣泛的國際影響力，也是自INCOSE創立以來整個協會和歷屆領導人極力推廣維護的主要項目之一。早在2004年，INCOSE首位美國以外的會長，德國空間署（German Space Agency，DARA GmbH）前負責人海因茨 · 斯托維爾（Heinz Stoewer）博士就來北京與我商談在中國推廣INCOSE的工作，其中主要內容之一就是希望由我推動《系統工程手冊》簡體中文版本的翻譯工作。但因為工作量巨大，而且只有真正有需求和豐富系統工程實踐的人士才會對此感興趣，并有能力完成這項工作，就一直耽擱至今。

中航工業作為中國航空工業發展的主力軍，是中國工業領域的旗艦企業之一，也是中國科技發展的領軍者之一。您深諳系統工程體系精髓，由您擔綱完成《系統工程手冊》的翻譯再好不過了。今年夏天，在清華大學舉辦的INCOSE北京分會2013年會上，我有幸聽到您關于中航工業系統工程理論研究與工程實踐的報告，后來又拜讀了您的專著《新科學管理：面向復雜性的現代管理理論與方法》。這使我深為您長期、扎實地研究并實踐工程管理和系統工程理論及方法的精神與執著所折服，也為您所在的中航工業在系統工程方法和新科學管理理論的實踐中所取得的成就而感到由衷的高興。您在百忙中抽時間翻譯《系統工程手冊》，這是中國系統工程學科培養與工程實踐之幸事，相信此舉必定能夠深入而有效地推動系統工程在中國航空航天和防務以及其他行業中的普及與實施。

張新國：INCOSE致力于開發系統工程學科和流程集并提高系統工程師專業技能，其宗旨在于推進系統工程在學術界、工業界的技術水平和實踐能力，通過促進跨學科、可擴展的方法不斷為工程領域提供恰當的系統解決方案，以滿足產業和產品向更具復雜度發展的需求，并且積極推動和協調全球范圍內應用的系統工程的標準。

《系統工程手冊》是INCOSE在系統工程領域發布的知識體系中的核心，最初由來自美國的幾家航空航天/防務領域的會員所大力倡導并創建，并不斷地結合工程應用的發展擴充系統工程流程域的方法。2006年3月發布的V3.0，成為基于國際通行的系統工程標準——ISO/IEC 15288的首個版本，有意地脫離美國DoD關于系統工程應用的傾向，更加關注系統工程方法和流程在產品和服務中實踐的普適性。此后的數個版本，目的是為廣泛的工業界遵循國際標準提供豐富的流程和方法的指南。

《系統工程手冊》一書描述方法和流程的獨到之處在于徹底超脫具有環境背景特質的技術和工程，卻依然能夠提供廣泛的產品和服務中關鍵系統工程流程活動的詳實闡述，呈現全局審視問題的廣域視角、解決問題的生命周期流程以及推崇整體之上、流程主導的專業素養。該書以系統生命周期模型貫穿于理論和實踐論述的主脈絡，依次引出技術、項目、協議、組織項目使能、剪裁和專業工程等流程活動域，統一地運用背景環境圖的方式掀開上述各流程活動域的“黑箱”，并以活動的輸入、輸出、控制項和使能項四個維度使整體聯絡成為具有因果循環關系的架構，可視化地展現出生命周期的關注焦點并揭示需求開發和驗證的必要性、與各方利益攸關者不斷確認以及適配特定運營環境而不斷進行風險和機遇評估的重要性。因此，該書將引導工程計劃的決策者和組織的高層管理者有層次地強化透視整體、洞悉全局和以簡馭繁的思維能力。另外，隨著相關國際標準和規范的引入和廣泛應用，系統工程學科也將成為在兩個或多個組織之間創建產品和服務協作的契約基線及剪裁依據，該書同樣也是工程計劃和系統的采辦和供應管理者履行業務活動的實施指南。

眾所周知，系統工程學科和方法仍在探索和發展之中，在系統工程理論體系和流程集合的動態演進之中，一定會不斷地與我們已經熟知或將要學到的技術方法和管理手段相互融合并形成更大的體系。譯者在閱讀和翻譯《系統工程手冊》最新版本過程中，也多次被書中所提及的方法框架的包容性所折服，進而也深切體會到系統工程的理論學習和工程實踐感悟之間的交互促進。該書的整個翻譯過程也成為了應用系統工程方法的一次探索性的實踐，并總結出了一套行之有效的跨文化的語言轉換的模式，基于協同翻譯平臺所形成的多學科團隊工作模式、標準的工作流程和方法也為今后翻譯出版后續的專業英文科技類書籍建立了前所未有的堅實基礎。

系統工程學科的淵源與使命

王飛躍：20世紀80年代，因時任美國總統里根的“星球大戰計劃”，美蘇兩大陣營之間的冷戰在結束之前達到了新的高潮，使得當時美國的許多國防軍工企業空前繁榮，急需大批具有系統工程思維、技能和經驗的工程與管理人員。然而，這些企業認為傳統專業培養出的大學生（學士學位）無法滿足它們工作的要求，就是傳統專業的碩士畢業生也須再培訓才能勝任相關的工作。一段時期內，許多國防軍工企業紛紛與設有系統工程或相關專業的大學合作，將其新招的大學生送回學校，以半工半讀或者全脫產的形式再讀一個碩士學位。當時，我在美工作時所在的亞利桑那大學系統工業工程系也為休斯航空（即后來的雷神公司）專設了碩士班，我自己還帶了五名碩士生，這是美國大學里系統工程專業短暫的一段“黃金時期”。

然而，小規模的培養并不能滿足國防軍工企業的實際需要。有鑒于此，1989年，著名的軍火公司通用動力（General Dynamics）在加州圣地亞哥負責召集了一個會議，專門討論缺少具有整個系統而不是單個學科的思維與技能、并且能夠實施系統工程的工程師問題。與會人士一致認為，合格系統工程師的短缺已經是一個全國性的問題，需要政府、企業和學校通力合作才能解決。第二年夏天，波音公司在西雅圖召集了第二次會議，這次會議進一步明確了系統工程流程中的核心活動和相關培養問題，并決定成立美國國家系統工程協會（NCOSE），是INCOSE的前身。

可見，INCOSE成立的最大動力就是美國國防軍工企業的實際需求，而編制《系統工程手冊》并在此基礎上建立“認證系統工程師”是INCOSE滿足國防軍工企業需求的重要手段。手冊后來成為西方軍工企業培訓非系統工程專業學生、有時甚至是系統工程專業學生從事系統工程實踐活動的基礎要求，目前已被主要國家廣泛采用，在確保工程質量和成本方面發揮了有效的作用，并正從國防軍工行業走向一般民用企業的工程管理活動。

張新國：系統工程學科（專業）是一種確保系統成功實現的跨學科的方法和手段。系統工程的主線涉及到技術流程和管理流程的高度交叉，注重在系統早期就依賴于兩種流程開展良好的權衡，并具有在生命周期方向的水平橫跨趨向，全面考量進度、成本、性能、制造、保障和退出等因素中進行設計綜合和系統確認。系統工程師的關鍵任務之一正是探索上述議題，并適時地協調各方利益攸關者共同推導出關鍵性的決策。同時，在縱向結構層級方向系統工程又是一種自上而下的綜合、開發和運行的迭代過程，兼顧到所有業務和技術需求，以追求接近于最優的方式來提供滿足需求的高質量產品和服務。系統工程師的目標之一就是協調和融合多個相關學科專家的貢獻，保證系統非預期的后果最小化。

如何理解系統工程

王飛躍：我們對系統工程的理解，主要集中在系統在空間上的全局性，在時間上的全程性（覆蓋從設計到最終顧客使用反饋的產品全生命周期）以及資源配置的全面性。我們更重視需求和過程，在研究方法上有一個SIMILAR的過程框架，然后才是各種各樣的優化算法、供應鏈管理、過程控制等技術和管理手段。

在我看來，系統工程的主要任務是尋求有效的手段來應對系統的不確定性、多樣性和復雜性，使之簡單歸一到一般的員工都能有效地處理系統中的事件并最終完成任務達成系統的目標。

如今我們提出的智慧城市也好，智慧地球也罷，都一定要從系統工程的角度來考量，否則最終就會亂成一鍋粥，變成只有“智慧人”才能玩得轉，變成人服務于計算機。智慧城市的目標是，人可以像傻瓜一般管理一個復雜的系統，而不是相反。所以，我們必須從頂層來設計大型的復雜系統，從系統的需求和規范推導出對組件的要求。

張新國：系統普遍地存在于生態環境、社會結構以及人造的產品和服務之中，無論是自然系統、人工系統抑或復合系統，首先其整體性則因人類認知能力的連續開發和控制預期的持續增強而隨之不斷地外展，其次系統中所包含元素的多樣性和差異性急劇增長，最終都將使系統的任務目標、運行方案和應用場景呈現出多元化的特征，由此造成系統構成的相關性以及與外部環境的依存性體現出復雜度的躍升。

系統的復雜性反映著其中相互作用、相互依賴的元素與整體的特定目標之間的非線性關系，系統的失效模式則是元素固有特性及系統模型中內在聯系的隨機性所帶來的無周期、非規律的行為能力，亦即系統的混沌性。因此，既不能由分析局部的特性來認識整體，也無法由于環境變化來預判系統行為模式轉換能力的動態表現。認知模式決定行為模式，正是關于未來系統中復雜與混沌兩類屬性結合方式和演進趨勢的重新認識，需要基于系統思考創建實用和有效的方法論框架體系，以嚴謹的結構化的范式理解系統帶給我們的問題域，并以科律化的流程在方案域中進行迭代尋優的決策。

系統工程方法論正是基于在系統早期就應率先決定系統的整體邏輯框架，隨之再構建結構化的系統工程流程以及層次化的文件、規范和模型的傳遞鏈路，用以指引和控制各個工程技術、專業工程領域的設計、綜合和驗證的過程，力圖將構成系統的元素加以合理的定義和配置來提供系統的整體功能和提高系統的性能指標。系統工程的核心思想是“綜合即創造”。

系統的需求（requirement）必須轉化成組件的規范（specification）。自頂向下（top-down）就是頂層的需求確定后，必須向下一以貫之，經過層層分解，貫徹到子系統、軟硬件，然后進行自頂向下的設計，全程根據V形圖來驗證與確認（V&V）是否一致，否則就要推倒重來。V&V就是來保證做正確的事和正確的做事。在中航工業，包括軟硬件開發在內的所有工業設計，現在都是這么做的，也必須這么做。復雜的系統，不這么做，就無法做到全程性的可追溯。

系統工程的今天和明天

王飛躍：1958年，亞利桑那大學的老院長提出大系統的觀念，指出未來必須實現人機交互，系統與社會的交互，人機物系統，工程教育下一步的大發展，將在系統工程學科，亞利桑那大學要有一個系統工程系。

張新國：1958年提出這樣的觀念確實非常超前。現在，人機交互已經實現了，汽車的駕駛系統和計算機的windows系統就是典型，使得普通人就能開汽車，使得個人電腦迅速普及。人-機-物的系統剛剛開始，系統與社會的交互是一個挑戰。

在我們的習慣中，當一件事規模很大、難度很高時，我們就會說，“這是一個系統工程”。這是好事，加深了人們對系統工程的認識。但是，面對復雜事物，我們要以科律性的流程（結構化的過程知識）應對復雜系統結果的不確定性，要以系統化的模型（結構化的元素關系）應對復雜系統工程的可演進性。只有形成一個學科后，才有了統一的共同語言，才能夠有效的交流和溝通。系統工程與其他學科最大的區別就在于過程（process），過程就是知識化、結構化、顯性化。這樣以來，知識才能共享，才能傳播得快，繼承得快，改進得快，發展得快。傳統的系統是基于設計論的，尋求最優解；復雜的系統是基于進化論的，尋求最大的次優解的空間。對于汽車、飛機這樣的系統來說，再復雜其設計目標和最終實現的功能也都是確定的，要完全一致；而對于社會系統，像互聯網，可以在全生命周期內進行演化，其最初的發明者也很難想象出未來的狀況。

王飛躍：我把二者分為工程復雜性和社會復雜性，工程復雜性是結構性的，社會復雜性是非結構性的。

張新國：經濟學家在論證市場經濟為什么需要監管時表示，自由交換的市場經濟基于成千上萬個理性人的隨機選擇，但不監管就會使整個市場復雜到混沌的狀態。政府使用規則和制度進行監管，可以使成千上萬的隨機選擇規范到一種或幾種選擇，所以，規則使復雜系統簡單化。

王飛躍：以前的工程師，只知道算法，這就好像我們知道了哪個景區的風景如何美，也知道了使用哪種交通工具可以到達，卻不知道具體的路線。

張新國：技術的本質就是方法、工具和過程，又分為物理技術和非物理技術。工程人員熟悉的是不分國別和文化的物理技術，其背后是物理原理。一旦涉及到過程，涉及到非物理技術，就會受到習慣、文化和方式（pattern）的影響。就像交通規則，英國人靠左行與習慣有關，沒有對錯，關鍵是要有確定的規則。中國傳統的廣大工程技術人員恰恰不重視非物理技術。過程是根據規則對活動進行編排，所以，我們可以輕易地引進技術，卻很難引進工藝，因為工藝就是過程，就是對制造活動的編排。我們需要系統工程的理論和方法來解決這些問題。

王飛躍：隨著互聯網技術和電子商務的發展，現在一些商業企業，比如淘寶網和京東網，面對的系統復雜性甚于一些大型的傳統工業制造企業，這就是您說的復雜系統。我們現在正在補傳統系統工程的課，但復雜系統工程的挑戰已經撲面而來。工程系統需要社會化，社會系統需要工程化。系統的開放性使得事物變得越來越不確定，某個人在網上“吼一聲”，可能就會給某個企業帶來一個危機。我們不能還是兵來將擋水來土掩，我們需要按照系統理論和方法進行應對。

張新國：面對復雜系統，面對不確定性，從理論上來講，我們甚至無法確定（涵蓋并描述）全部的需求。所以，應對復雜系統，要用進化的思想，允許在系統演化的過程中，逐步對需求進行確認、完善。傳統的系統工程在全生命周期內靠文件傳遞靜態的信息，復雜的系統工程要靠模型來傳遞動態的信息。這得益于信息技術發展帶來的仿真、虛擬現實等手段，但系統工程的方法論沒有變。這就是現在的軟設計，軟制造，軟試驗，軟裝備，可以只在數學領域和虛擬中進行迭代，大大減少了風險，降低了成本，提高了效率。 （本文根據錄音整理，未經對話者審閱。）