系統工程思想的演化:古代先賢的系統工程觀到當代復雜系統工程方法

摘要：系統工程是人類進行工程活動，特別是復雜性的重大工程活動時總結、歸納、提煉出來的學問。當我們對系統工程觀進行研究時，我國古代先賢的這些觀點是值得我們研究的，而系統工程正式作為一門學問在我國的工程實踐中研究和應用，應當是錢學森啟蒙和推動下，首先在中國的“兩彈一星”工程研制中開展的。隨著系統工程復雜程度的不斷提高，如何應對現代復雜系統已成為一個必須嚴肅面對的問題，MBSE技術的出現，將使現代工程管理成為復雜工程系統的基本手段、載體和技術，也是系統工程從語言論述為主的方法論，提高到以數字模型表述為主的工程科學。我國應在工程哲學、工程方法論、工程知識論研究的基礎上，將中國工程管理科學推進到基于中國重大工程實踐的MBSE的研究高度。

關鍵詞：系統工程；基于模型的系統工程；中國工程學；航天工程

中圖分類號：N945文獻標識碼：A文章編號：2097-0145（2022）05-0001-08doi：10.11847/fj.41.5.1

The Evolution of System Engineering Thought：

From the System Engineering View of Ancient Chinese Scholars to

the Contemporary Complex System Engineering Method

LUAN En-jie

（Committee on Science and Technology of Defense Science and Technology Industry， Beijing 100048， China）

Abstract：System engineering is the knowledge summarized， concluded and refined by human beings when carrying out engineering activities， especially complex major engineering activities. When we study the concept of system engineering， these views of ancient Chinese scholars? are worthy of our study， and the formal research and application of system engineering as a discipline in Chinas engineering practice should be carried out in the development of Chinas “two bombs and one satellite” project under the enlightenment and promotion of Qian Xuesen. With the continuous improvement of the complexity of system engineering， how to deal with modern complex systems has become a serious problem that must be faced. The emergence of MBSE technology will make modern engineering management become the basic means， carrier and technology of complex engineering systems， and it is also the engineering science that system engineering is improved from the methodology based on discourse to the engineering science based on digital model expression. Based on the research of engineering philosophy， engineering methodology and engineering knowledge theory， China should promote Chinas engineering management science to the research height of MBSE based on Chinas major engineering practice.

Key words：systems engineering; model based system engineering; Chinese engineering; aerospace engineering

1引言

系統工程正式作為一門學問在我國的工程實踐中研究和應用，應當是在錢學森提出“系統工程”這個詞的1978年［1］，在錢學森的啟蒙和推動下，首先是在中國的“兩彈一星”工程研制中得到應用，其標志是形成總指揮、總設計師的兩條指揮線；負責工程總體規劃和具體實施保證的總體設計部；分系統專業研究所，以及保證工程系統能夠可靠運行的技術基礎建設體系的建立（包括計量、標準、工藝、規范、工程各分支層次的仿真、模擬、試驗、驗證、評定、評審、評價）。

以錢學森為代表的第一代航天科技工業的領軍者，他們以敏銳的眼光感覺到，在一項以舉國體制為基礎、動員全國力量進行的重大工程系統，沒有一套與其相適應的管理體系作為保證是不行的。在我們推廣系統工程方法以指導中國航天系統工程的初期，有很多從事工程管理的專家并不理解什么是系統工程，以為它是一個新穎、華麗的學科。當他們掌握了這個樸實的，具有提煉、歸納、升華意義的工程實踐性理論后，他們常說：“原來我過去做的工作，就是系統工程理論呀！”

系統工程是人類進行工程活動，特別是復雜性的重大工程活動時總結、歸納、提煉出來的學問。凡是科學的，是客觀存在的，它一定是人們主觀提煉的；是事物規律性在人類面前呈現，它一定是人類對這些呈現的一個聰敏的抽象表達。不論是現代人，還是古代人，或是未來人，都離不開這個認識論。

由此可見，雖然系統工程這一概念產生于近代，但其認識論的本質則是從古至今一以貫之的。特別是我國一些古代先賢，在這一領域有著極其深刻的認識，其所留下的思想已經融入中華民族傳統文化血脈之中［2］。在這里，我們從思想的本質出發，探討從古至今我國系統工程思想與理念的演進，從早期古代先賢智慧中的系統工程思想，到錢學森等老一輩科學家以運籌學理論為基礎創立我國的系統工程體系，最后到目前信息技術與系統工程的融合發展。通過梳理系統工程的整體發展脈絡，以期進一步推動我國系統工程實踐的創新發展。

2古代先賢的系統工程觀

管子、孫子和莊子是三位我國古代先賢，在他們的思維和理念中所表達的系統工程觀點是極其深刻的，他們的有些觀點并不輸于當世人！

2.1管子“立政”的系統工程觀

管子是我國古代具有愛民思想的政治家、政論家，之所以稱其為政論家，是從他留給我們豐富的為政思考、至今仍有教義的論述。如果管子不是思政者、理性思辨者，他就不會留下那么多深刻的論理和至今仍使我們受到啟發的觀念和觀點。

這里我以《管子·立政》篇的其中一段進行學習，我們是否可以從中得到啟發和教育［3］。管子在人與自然的一段論述中寫到：

修火憲（制定防火法規），敬山澤，林藪，積草（敬畏自然為我提供的環境，管理好山林、水澤和草木），夫財之所出，以時禁發焉（對于自然資源豐富的地方，要按時封禁和開發），使民足于宮室之用，薪蒸之所積（以使百姓筑房建屋有足夠的木材，烹蒸炊事有足夠的柴草），虞師之事也（這些事的責任人是虞師，由他來負責）（注：“虞”指預料和憂慮之意，所以虞師的工作有規劃、籌劃的含義，不知是否這樣理解，請語文學者批評）。決水潦（排積水），通溝瀆（疏通溝渠），修障防（修建堤壩），安水藏（加固水庫），使時水雖過度，無害于五谷（做到雖然雨水過多而不傷害莊稼）。歲雖兇旱，有所粉獲（年逢大旱而仍能有所收獲），司空之事也（這是主管水利的官吏司空的職責，責任人是司空）。相高下（觀察地勢高低），視肥墝（分析土壤肥瘠，“墝”地里不肥），觀地宜（查看土地適宜于種植哪些農作物），明詔期（明確農民應征服役的日期），前后農夫（農事的先后），以時均修焉（這些都要及時做出安排），使五谷桑麻，皆安其處（使五谷桑麻的種植各得其適），由田之事也（這是主管農業的官吏由田的職責，責任人是由田）。行鄉里（巡視鄉里），視宮室（察看房屋），觀樹藝（觀察樹木長勢），簡六畜（檢查六畜），以時鈞修焉（對這些事情做出及時安排）。勸勉百姓（鼓勵生產），使力作毋偷（不怠工偷閑）。懷樂家室，重去鄉里（留戀家室，不離鄉），鄉師之事也（這是主管民政的官吏鄉師的職責，責任人是鄉師）。論百工（考核各種行業工匠的技藝），審時事（安排不同季節的農事），辨功苦（辨別產品質量的好壞），上完利（達到產品的精致耐用），監壹五鄉（統一管理五鄉），以時鈞修焉（及時做出全面的安排）。使刻鏤文采，毋敢造于鄉（使刻畫、文飾、彩繡等奢侈品不能在各鄉村生產和制造），工師之事也（這是主管手工業的官吏工師的職責，責任人是工師）。

上述這段文字，在個人和自然的大系統觀之下，不但講到人與自然的敬畏、保護、和諧、互利、利用與發展的關系，而且將水利、農業、畜業、民生、手工業的精細管理分列其中，且明確各項目的負責人，設立虞師、司空、司田、鄉師、工師之責任人和責任崗位。不知在別的古跡文獻中是否有更早的工師崗位記錄。我是第一次在管子的《立政》篇中看到的。如果我們認同在兩千年前就有工師之崗、工師管理和工業之責，那么是否可以認為我國正式的“工程師”稱呼產生于那個時代。而責任崗位責任人的明確論述也表明，我國先賢的系統工程觀念和系統工程方法，以其樸實的社會管理理念和立政原則出現在古代的社會實踐。這就是管子“立政”的系統工程觀。

2.2工程學原則與孫子論兵法

首先是在載人航天、探月工程的實踐中，我始終堅持“各級工程技術指揮員（含總指揮、總師兩條線），必須由有類似經歷的專家組成，他們知曉哪些指標可以成（或經過攻關可以成），同時也要知道哪些指標我們目前不可以成（或在有限的工程任務期間內難以攻克）［4］；其次是明確工程任務中哪些環節具備有豐富知識的成熟技術支持，哪些部分是我們知識的短板，并采取相應的技術路線，試驗驗證條件去實現這種不同層次的工程組織模式；第三是工程隊伍要上下一心，有統一目標，確定統一的任務主線，各系統主動與之配合，實現工程目標；第四是工程進展的全過程都要有預先安排、部署，在出現各種矛盾、困難時，有相應預案和充分的技術儲備；第五是在工程執行中發揮各系統、分系統指揮線的獨立指揮權，使各級指揮員在工程中鍛煉，出人才，而上級則不輕易去制約和牽制各部分的積極性。”

上述五條，我們用系統工程語言表達就是：第一是每個工程系統在其論證以及實施、運行的每個階段都要有“不可行”問題的質疑，開展“非擁護性評審”；第二是在確立工程任務的立項時，務必堅持“目標明確，路線清晰”“安全可靠”“經濟可承受”“責任有落實”；第三是大力協同，重大工程要有動員舉國之力的能力；第四是要有成熟技術支持和新技術攻關、能力儲備，保障工程系統有穩妥的技術成熟度、創新的技術進步，使工程系統能夠帶動技術進步、新技術的應用和推廣；第五是系統工程運行中建立統一指揮與各崗位責任制落實的獨立研發的融合體制，使工程實現出成果、出人才、出產品、出效益（含社會效益）的總目標。

我們看一下《孫子兵法·謀攻篇》中論述：“知勝者有五：知可以戰與不可以戰者勝；識眾寡之用者勝；上下同欲者勝；以虞待不虞者勝；將能而君不御者勝。此五者，知勝之道也。”［5］我認為孫子用兵之法，與工程組織（特別是復雜的系統工程）的系統工程思路是相同的。我們可以說孫子兵法就是古代軍事家以其智慧的理念，思考軍事的系統工程思想。無怪乎，我國系統工程理論的奠基人錢學森將運籌學視為系統工程的一個基礎理論，而運籌學早已成為現代軍事理論的重大應用，也是對軍事理論的重大推動。

2.3《莊子·大宗師》“人之有所不得與，皆物之情也”“人之有所不得與，皆物之情也。”［6］這句話所言是為實。人有不能得，這是智慧之言；人無不能得，此言狂語。人為自然所生，生之規律乃自然法則，科學者生之追求自然真理，死亦循自然之法則。莊子在《大宗師》的同篇文中說：“佚我以老、息我以死。”談到這八個字，讓我們對莊子有如此天地之胸懷而感嘆！他把人老作為自然賦予我們的安逸，而將死亡視為自然給予的休息。這種博大的自然觀，除驚嘆之外就是神奇。二千年前，先賢竟有如此清徹、輕松、融入自然的生死觀，真乃哲人之思！

我受益更深的是對科學之為科學的感悟，在高速發展的科技創新時代，我們對科學力量的認識得到空前高漲，而在思維層面，則似乎科學是無所不能的。我以為，讓人們認識“知識就是力量”的同時，也要真誠地告誡他們，科學不是什么都能做的，科學并不是萬能的，科學并非直接產生技術，工程不一定是來源于科學發現。“人之有所不得與”是自然的一條哲理。我們不能把自己抬起來，我們不能把自己抱在自己的懷里，我們不能創生地球，我們更不能創生另外一個星球。太陽系有生有死，這是自然之規律，人類也只有好好耕耘地球家園才是科學的正路！

關于系統工程的辯證理念里，一個非常重要的思想是：以系統的整體性去認識人造工程的功能表達，也即“任何一種功能的存在必有滿足系統整體的需求，也必然存在有對系統性能破壞的影響。”這種影響表現在這項功能能力的某些改變，或者狀態的某些變化。這些變化對系統整體性的影響可能是可包容性的（可允許的，可承受的），也可能是整體顛覆性的（不可承受的）。所以，系統工程師們在進行系統工程的設計和運行時要有沒實現正常功能表達時的應對方法。莊子在《齊物論》中講到：“物無非彼，物無非是，自彼則不見，自知則知之。”“因是因非，因非因是。”［7］即是說，事物沒有不是“彼”的，也沒有不是“此”的。從彼方看不清的，從此方看就可以知道了。

這是莊子的萬物兩相合一、陰陽共體的齊物論觀點。它與我們所能接觸到的觀察是一致的，除非我們對宇宙的認識更加廣大或更加精微（《中庸》大哉篇“致廣大而盡精微，極高明而道中庸。”［8］），使我們對客觀世界的認知有深刻的變革。

當我們對系統工程觀進行研究時，我國古代先賢的這些觀點是值得我們研究的。當我們對工程技術的某些問題的定義產生諸多困難時，我們不如從其對立面去研究和思考，從“非”和“否”的切面去定義也是一個很重要的整體觀、系統觀的思路。

3基于運籌學的系統工程理論

古代先賢的思想對我國古代系統工程的開展起到了有力的支撐作用，但到近代以來特別是新中國成立后，工程復雜性的不斷提升，從定性的思想維度已經不足以支撐我國重大工程的管理，必須構建定量的角度提供將系統工程思想貫徹到工程管理實踐中的工具，形成一套與重大工程相匹配的管理體系，這就是系統工程這個課題產生的必要條件。錢學森明確指出系統工程是一門工程的管理學科，這門學科的數學基礎是“運籌學”。

3.1運籌學的誕生

在科技界正式采用“運籌學”這個術語是在1938年，那年7月，英國在“空襲警報”系統研制中，彼得賽（Bawdsey）雷達站負責人羅伊（Rowe）提出“整個防空系統的運營”并使用“operational research”一詞［9］。我國科學家用《史記·高祖本紀》“運籌帷幄之中，決勝千里之外”中的“運籌”二字，來表達“系統性的研究和運營”這個概念，在漢語語境下它兼有“籌劃、權衡、策略、決勝”的含義。我認為這個翻譯極其優秀、準確，且具開放和激發思路的內涵。

1940年9月，英國成立由物理學家布萊克特（Blackett）為領導的第一個“運籌學小組”，且在之后不久，發展到每個英軍指揮部都成立運籌學小組［9］。實際上，運籌學小組類似我們習慣上理解的“參謀與籌劃部”，所以戰略、戰役籌劃初期的指向是軍事系統工程，其基礎科學即是運籌學。而運籌學也正是在軍事需求的牽引下不斷豐富和成熟起來的。可以說沒有第二次世界大戰的激發，就不會有運籌學的快速發展。

如果我們繼續往下列出運籌學的發展表，則可以簡單地歸納如下。

1945—1950年（創造期）：關注的人少，研究的范圍小。其中1947年，丹齊克（Dantzig）研究線性規劃并提出通用解法——單純形法。1948年，建立運籌學俱樂部，在MIT開課。1950年，在英國伯明翰大學開課。

1950—1959年（成長期）：電子計算機發展、動態規劃在推廣應用。其中1952年，美國卡斯（Case）工業大學設碩士、博士學位。1957年，英國牛津大學召開第一次國際運籌學大會，并確定以后每三年召開一次。1959年，國際運籌學聯合會成立（International Federation of Operation Research Societies（IFORS））。

1960年至今（發展期）：這個時期中，通過細化各分支，運籌學被認可并納入數學，用于復雜系統的分析，如：城市交通、環境、國民經濟、人口理論等領域。

在我國，則是在中華人民共和國成立后的20世紀50年代，1956年在中國科學院力學所成立運籌學小組，1958年建立研究室，在改革開放后的1980年成立運籌學會。

3.2運籌學與系統工程的融合演化發展

特別是在改革開放后，中科院力學所、數學所的科學家們不但對運籌學開展了深入的理論研究，取得了對中國系統工程發展具有重要意義的奠基成果和科學普及，而且在工程應用上做出了諸多實際貢獻。特別通過錢學森領軍的航天系統工程實踐，我國以運籌學為核心的系統工程理論在建設社會主義的實踐中，在國家重大工程和重大戰略問題的規劃中，不斷得以普及、提高和完善。比如在運輸問題，存貯論、目標規劃、線性規劃、動態規劃、非線性規劃方面的理論研究；在網絡計劃、決策分析、系統工程的運行管理等方面，我們都形成了具有中國特色的以工程應用帶動學科發展的諸多成果。運籌學也在隨著科學技術的進步和復雜工程實踐的需要而不斷發展。馬克思講過：“一種科學只有在成功地應用數學時，才算達到了真正完善的地步。”運籌學的誕生既是系統工程理論發展的需要，也是系統工程深化研究的標志和成果。

在這個時期，系統工程以運籌學為基礎，在系統工程管理思想的指導下，逐步形成了面向實踐的方法論體系，逐步形成了如下三大特征。

（1）系統的整體觀

運籌學的分科是多樣的，它與對象的不同和目標的差異會產生不同的數學描述，形成不同的數學分支，如線性規劃、非線性規劃、動態規劃及各階段決策、圖論與網絡、存貯論、排隊論、庫存論、對策論、決策論（產生最優目標的抉擇），等等。但所有這些不同的離散的分支都有一個共同點，那就是以系統的整體性去分析和思考，以達到系統的最終整體目標為準則。

（2）多學科的綜合觀

運籌學是獨立的一門對策性學問，但它是開放的學問，它的方法和理論基礎必須與對象、環境、目標的變化相適應，它必須善于綜合各領域、各行業、各學科的成果于自身，它的方法工具也將隨著社會進步和科技發展而與時俱進。這個多學科的綜合觀表明，運籌學不同于其他學科有很強的封閉、自洽性理論體系支撐，而是一個如何靈活機動地進行理論判斷，對具體目標的可靠實現的理性思維；是一種以工具方法的運用與社會人（包括團隊、指揮員）的決策相結合的綜合性的科學體系。

（3）模型方法的抽象觀

運籌學之所以能稱為科學，在極大程度上是由于人們可以通過理性分析將研究的對象進行數學的模擬，將其特性和行為進行模型化的表述。如果沒有這個模型的抽象，或者所研究的對象根本無法給予抽象，那這個對象也就無法納入運籌學的研究之中。

我這里將模型問題表述為抽象觀，主要是想表達一個哲學的意識，“客觀運行的事物本無模型”是人們在研究客觀事物的運行規律時產生的一種分析方法，所以因研究人員的“經驗、認識、理解”（可以統稱為“知識”）的不同而產生不同的模型，在“知識經濟”的今天，模型也成為了“知識的凝聚物”，具有知識產權的性格。模型的建構、變量的選擇、狀態的描述、運行的邏輯以及相應的軟件架構、語言應用、信息變換與傳輸、算力與算法的開發、數據的占有和運用等都已成為建立模型的資源基礎。而通過對模型的研究，所謂最優、次優、滿意解的求取、求證則是工程系統在模型方法的抽象層面的準確和精確程度的表征。為了區分模型上取得的最優與實際系統真實實現的結果的非一致性，我將模型系統研究的最優稱作“自描述最優”，是研究人員自己得到的個人的開發結果。

4基于模型的系統工程方法

隨著系統工程復雜程度的不斷提高，如何應對現代復雜系統已成為一個必須嚴肅面對的問題，它既是我們工程界必須面對的實踐性挑戰，也是我們應當深入思考的工程學發展的理論性課題。

4.1當代系統工程的復雜性表現

在建設中國特色社會主義的新時代，中國經濟發展、中國科技發展、中國工程科技的發展正以前所未有的勢頭前進。中國探月工程三步走“繞、落、回”的圓滿收官，以及其他一些重大工程的實施和成功，振奮了我們的精神。習近平總書記在給嫦娥五號的賀信中提出的“探月精神”，更是對我們科技工作者的巨大鼓勵和鞭策。

從嫦娥一號到嫦娥五號，歷時16年的重大工程，它的工程知識集成性表達得十分充分，它已從一般知識的集成到多階段串接的功能集成。嫦娥一號奔月+繞月，嫦娥三號奔月+繞月+落月，嫦娥五號是奔月+繞月+軌道器與著陸器分離+落月+著陸器采樣+月面起飛+月球軌道交會對接+返回器與軌道器對接+采集物品的交接+軌道器與返回器分離+返回器奔地+返回器與軌道器分離+返回器落地。所有這些過程都是功能性工程知識的集成，在這樣功能集成中只要出現一個功能的失敗，則整體工程即告失敗。這種“與門”式的功能塊一旦失敗，功能前的工作就可能被視為前功盡棄。在復雜巨系統的功能鏈里，其工程可靠性隨著串接環節的成功完成，呈現出不斷提升的形態。我們以嫦娥五號這13個串接功能步驟為例，若每個功能的工程可靠性是0.95，則整個工程的可靠性為0.49；若在一個環節中有1萬個器件，則器件的可靠性應高于0.99999；若有1000個器件，則為高于0.99995。在發射時刻，只有火箭系統工作的條件下其發射成功的可靠性為0.95，而此時對全工程的可靠性評估為0.49；若火箭已經成功地將飛行器送入軌道，則下階段任務的可靠性將變成0.9513=0.51。而此時被月球捕獲實現繞月飛行的可靠性，則是該工作系統可靠性0.95。當實現了“返回器奔地”任務進入返回地球的軌道時，它前面只有2個功能的串接，這時任務的可靠性已經升為0.952=0.9。所以在我們分析復雜系統時，它的工程狀態是不斷變化的，而功能性串接的工程一旦某一功能失效，則是前功盡棄，也是無功可建［10］。

我們能深刻地感受到，現代重大工程的復雜性是其突出的一個特征。從工程的“論證、設計、施工、驗證、運行”各階段的實踐顯現出很多過去那些比較孤立的簡單工程，純硬件實現的物理交付性工程不同的特征。我們除成功地達到工程目標外，還形成了豐富的工程理論和實踐的經驗與知識積淀。我們的工程理念和工程學認識都得到了實踐的錘煉和提高。我們有必要、也有能力從現代工程的復雜性特征來深入思考我國工程學的發展并豐富具有以中國工程實踐為支撐的現代中國工程學的形成，這是在工程哲學、工程方法論和工程知識論的奠定下的必然思考。就此，對現代復雜工程系統的特征，可以初步地概括如下幾個方面的表現：

第一，對工程總體期望值需求的復雜性：現代工程的多目標要求；多目標的設計與實現的協調性與均衡性要求；多目標下的性能指標的包絡與控制；多目標下的工程系統技術成熟度的掌控與創新。

第二，系統運行狀態的多樣性與狀態變化中的系統動態適應性：工程系統特殊狀態下的特殊功能對其它系統功能產生的波及和耦合；系統狀態本身的時變性與系統指令或信息獲取的同步與預估策略的需求；狀態間的硬件轉換與軟件匹配可能存在的潛程序潛通路；多狀態下的應急處置方案使系統狀態的復雜性產生二次增加（如預案的預案）。

第三，系統技術指標的先進性需求：復雜系統不但表現在環節間、系統間的制約關系復雜，而且還表現在多種系統及功能環節的獨立指標的先進性要求；有些技術指標的實現條件是在不同狀態下得到的數值性要求或稱其為WCCA（電路最壞情況分析）技術；技術指標的高超、高可靠、高分辨、高時敏、高質量、低噪、低擾、低耗、低成本以及精密感知、精確判斷、精準施策等，則是現代復雜工程系統的較為普遍的要求。特別是對載人的天地往返系統，有嚴重危害性風險的核能工程，有長航程多人運載的飛行器航行器工程。

第四，工程建設與運行的環境復雜性：現代工程特別是現代大型工程的建設與運營是在復雜的自然環境和空間環境下進行的。如果說我們過去所掌控的傳統技術也具備一些工作環境的適應能力的話，那么今天的現代復雜工程系統則幾乎全是在近“極端”的環境下，并要經歷長周期的運營時效來磨煉和考核的。在核、航空、航天、海洋（深海）、重型海陸空天運載、深空、深海，這些工程系統的研發和運行管理中都出現了極端環境條件下工作的工程壓力。

第五，“軟件決定系統”的現代復雜工程：其由軟件所承擔的工程功能已經占有20%～80%。以航天工程為例，從美、俄的報送及我國的實踐看，由軟件來實現的功能已經達到80%以上。而且，將附加產生的功能、或運營中增加的功能交于軟件來承擔已經成為一種趨勢和傾向，使軟件參與工程系統功能的比重逐步增加。軟件增加量已經成為工程系統智能化程度的度量，甚至有將軟件數量占據功能需要的比值作為AI能力的“工程指標”作為評價指標的趨勢。（見“湖南的機械裝配指數表達市場的動態和生產狀態”）。

4.2MBSE的誕生與發展

隨著計算機、互聯網等信息技術的普及，“工程知識集成”成為了現代系統工程的一個重要理念，也是一個重大特點。而就“當前工程技術是由大型計算技術支撐下的知識系統組成”，這個認識則是逐漸被理解，且在AI技術深化和普及的狀態下才在世界各國的工程界得到共識。不但如此，在“知識系統”這個概念下，已經派生出諸多新型的知識系統學科，MBSE（基于模型的系統工程）則是與工程知識系統相對應的系統知識工程。

MBSE的產生不是工程師們利用計算技術發展而進行的工程游戲，它應現代工程系統的規模增大、子系統（分系統）的工程層次的增多、工程運行環境要求的擴展、工程性能及可靠性與安全性要求不斷提高，使得工程系統的復雜度在不斷的增加而產生［11］。其概念最早由美國亞利桑那大學的Wymore教授提出，而認識到這個問題并給予高度重視的首當屬于美國NASA，我想就NASA所進行的研究與我們自己的工程實踐體會提出如下幾項命題：

在工程規模和復雜度不斷增加下，工程師將如何面對這個局面？工程師要以什么方法解決現代工程的多學科、多領域技術集成下的工程系統設計和系統工程實施？如何保持各層分系統對全系統全狀態透明？復雜系統的系統間、系統級及系統環境之間交互耦合的有害性如何分析？潛在風險的存在以及如何在設計階段就使其消除？在沒有知識的基礎上如何建造一個能可靠實現復雜系統功能的系統工程體系，使系統工程從現在的基于成熟度較高的工程系統向應對成熟度有待提高的復雜系統轉變的新的系統工程模式？

將這些命題總結成一句話就是，“找出一個新的系統工程方法或工具，以應對信息化知識工程的復雜性需求。”

20世紀以來，美國NASA在復雜的深空探測任務推動下產生的基于模型的系統工程方法得以萌芽，并很快得到NASA各有關中心的支持。 我原本認為，“模型”的定義是技術系統建模而利用的方法，也即在控制系統中的設計模型、仿真模型和各種驗證模型，并不理解“基于規范”的系統工程怎么變化為“基于模型”的系統工程。因此，NASA不再基于原來成熟的以標準和規范為基礎的系統工程理念，而改變為基于模型的系統工程的做法引起了我的思考。在復雜的深空探測工程中怎么組織和表達這些復雜系統的相互交叉關系，條件與性能之間內部存在的諸多邏輯因素而構成的關系將是一個立體的相關性結構，基于模型的系統工程是怎樣解決這些問題的？它在我國的深空探測任務（特別是即將進行我國的火星探測）中將有什么迫切需求？這些問題使我對MBSE產生了極大的興趣，隨即依托航天戰略研究院，組織專題隊伍，在國防科技工業科技委立專題開展研究。課題由理論研究逐步進入專題分析和調查階段，這個階段可以稱其為“學習、提綱、概念、分析階段”，2020年進入“案例調研、方法研究、試行運行”的“深化論證”階段。該研究過程體現了MBSE與實際工程緊密結合的思想。MBSE是一種方法、是一個理念、是一個體系，是一個知識工程，也是一個系統工程的知識體系。

4.3對我國MBSE的認識

結合我國的重大工程實踐，目前我們開展MBSE研究應當統一以下幾點認識：

（1）我國的系統工程（SE）至今已經過原始階段（如我國的都江堰工程、長城工程、紫禁城工程、大運河工程、“兩彈一星”工程等）和規范標準階段（在我國“兩彈一星”完成后總結其任務和經驗后），由錢學森主倡的“系統工程”開始在航天工業（國防工業）內執行，主要表現在對工程的總體性、整體性、頂層性、系統性、綜合性、驗證性、試驗性、接口協調性、指標匹配性，以及總體部、總指揮及總設計師系統、分系統及配套組合、技術基礎建設（計量、標準規范、質量）、各種能力的基礎條件建設……這個階段的系統工程可以稱為基于規范的系統工程（或基于標準的系統工程）。如果將原始階段的管理（為完成一個具體目標而進行的獨立工程管理）作為系統工程的1.0版本，而基于規范的系統工程則是2.0版本，在應對復雜系統的信息時代，我們的系統工程作為工程知識體系的整體性和集成性而言，“基于模型的系統工程（MBSE）”就是其工程知識體系的3.0版本。

（2）MBSE是由基礎模型塊組織的知識架構，這個架構則不僅僅是一種管理規范，而是使系統工程成為一門科學學科的開拓性起點。此處的模型就是中國工程實踐形成的工程知識，而工程知識元素的核心技術是以模型化的認識和理解作為表達形式，并以此進行知識思考和知識交流。我國近20年重大工程積累的實踐經驗和知識，是中國系統工程發展的基本素材，也是中國系統工程方法創新的基礎條件和豐富的營養。

（3）MBSE是一個知識體系，所以它必須有專業技術工程師和系統工程師的合作才能完成。沒有專業技術工程師的參與則缺少基于模型的“模型基礎”，如果缺少系統工程師參與則形成不了全系統技術模型的集成，也就構架不出完整的系統工程運行。

（4）技術建模產生于技術實踐、抽象于知識基礎，所以技術模型是工程的知識模型的核心部分，它產生于對專業知識的分析利用和建模的理論支撐，其工程知識中計算技術、經驗數據，以及1.0、2.0版本下的系統工程實踐，構成了產生MBSE的基本知識要素（這個基本知識要素是由“建模知識、計算知識、技術與經驗知識”這三類基礎知識組成）。

（5）MBSE是復雜工程系統中相關知識進行綜合和集成的方法，而模型是表達系統知識的相關性，所以它是一個工程系統整體的綜合、協同和集成。在時域上它是表述全系統“功能實現”和“狀態轉換”的運行關系與運行結果。所以MBSE是工程系統設計、仿真、驗證的方法、工具和相應的技術。

綜上所述，MBSE將使現代工程管理成為復雜工程系統的基本手段、載體和技術，也是系統工程從語言論述為主的方法論，提高到以數字模型表述為主的工程科學。我國MBSE的核心是工程模型建構中的社會主義舉國體制、人類命運共同體、資源共建共享和資源保護，這些獨特的內容是建立復雜工程目標和工程條件的我們中國體系才具有的獨特因素和現代大工程的根基理念，所以我們的模型建構具有內生的活力，是優質資源的合作與競爭，而不是分裂的、私利的、相互傾軋的競爭和打擊。

5總結

MBSE的形成表明模型化的系統工程和工程管理是應對現代復雜工程系統的有效對策，模型化的過程是科學的表達過程、是技術的集成過程、是系統工程的實現過程、是工程系統目標的交付過程。同時模型化也是復雜工程系統責任的分解過程，是系統工程中“產品結構”和“工作結構”邏輯規范過程、是系統中所有交付產品（軟、硬件）的狀態環境、性能實現的標準化過程。總之它是集技術工程師的群體能力和系統工程師的群體智慧的共同結晶。

通過模型、嚴格的數學表達式對系統工程過程中多狀態和元素進行抽象表達，并以數字形式的模型體系建立系統工程各種狀態之間的聯系，這是MBSE方法的核心。國際系統工程學會（INCOSE）在2007年的MBSE定義是“對系統需求、設計、分析與確認等活動的建模行為形式化與標準化的應用，這種建模從系統概念設計階段開始并貫穿系統開發及之后的生命周期。”并強調MBSE是工程方法與技術的發展趨勢，也是系統工程領域的一次變革。我贊同這種分析和定義，但我強調的是必須有中國的工程實踐的成功經驗、知識、方法的成果和特點。

鑒于此，我建議在工程哲學、工程方法論、工程知識論研究的基礎上，沿續這十幾年思考中國工程學的形成發展的趨勢，將中國的工程管理科學推進到中國的MBSE研究高度，使基于中國重大工程實踐的MBSE成為工程管理科學的奠基石。

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