系統工程發展歷程_風聞

科學研究的最終目的歸根到底是為了改造客觀世界，服務於人類社會，而工程則是人類改造客觀世界意志的集中體現。系統科學的發展歷程，主要經歷了“一般系統理論”、“自組織系統理論”與“複雜性系統理論”三個階段的發展歷程。而在工程領域也出現了從工程經驗向工程方法的跨越，形成了系統工程（System Engineering）方法論，系統工程方法論為人類大型工程的建造提供了科學的方法指導，為人類改造客觀世界做出了非常重要的貢獻。今天我們主要來探討系統工程方法論的發展歷程。

工程、科學與技術三元論與“無首尾邏輯”

工程（Engineering）最早產生於十八世紀的歐洲，其本義是兵器製造、軍事目的的各項勞作，後擴展到許多領域，如製造機器、架橋修路等。我國的工程管理大家殷瑞鈺、李伯聰與汪應洛等在《工程演化論》中對工程作了較為全面的定義，即工程是人類有目的、有計劃、有組織地運用知識（技術知識、科學知識、工程知識、產業知識、社會-經濟知識等）和各種工具與設備（各種手工工具、各種動力設備、工藝裝備、管控設備、智能性設備等）有效地配置各類資源（自然資源、經濟資源、社會資源、知識資源等），通過優化選擇和動態的、有效的集成，構建並運行一個“人工實在”的物質性實踐過程。從定義中可以看出，工程是一種對科學與技術的綜合運用。

科學、技術與工程相互依存，又相互獨立，這是三元論觀點。科學重在探索和發現，技術重在創新與發明，而工程則重在集成與構建。科學是技術的理論基礎，技術是科學應用的載體，同時技術的創新也推動了科學的更進一步發展。例如顯微鏡，它是一種光學儀器，是利用了透鏡的物理原理而發明的一種技術，而它的出現又大大推進了物理學與生物學的發展。工程是科學與技術的集成應用，同時，一方面工程中將激發技術的革新，一方面工程也為科學發展創造新的條件，如我國貴州建造的世界上最大的射電望遠鏡（FAST），它本身是一項重大的工程，但它的建成為推動人類天文學的發展正在做出重要的貢獻。

貴州天眼，世界上最大的射電天文望遠鏡，建成後已為人類新確認了44顆脈衝星

科學、技術與工程這種相互依存又相互促進的關係，欒恩傑院士將其稱為“無首尾”邏輯。欒院士指出，三者的關係似乎像雞生蛋、蛋生雞式的“無首尾邏輯”一樣，因為在這個邏輯中找不到何處是始發點。而在分析“工程-技術-科學-技術-工程”的不斷循環中可以強烈地感受到“工程”在其中所起的“扳機”作用和基礎性載體地位。因此工程既是人類改造客觀世界的集中體現，同時也是促進技術和科學發展的重要抓手。而作為工程的指導方法的系統工程方法論的地位就顯得尤為重要了。

科學、技術與工程“無首尾邏輯”結構示意圖

系統工程的前世今生

(1) 系統工程的誕生

系統工程的出現可以追溯至20世紀初，第一次提出“系統工程”這一名詞的是1940年在美國貝爾電話公司試驗室工作的E．C·莫利納（E·C·Molina）和在丹麥哥本哈根電話公司工作的A·K，厄朗（A·K，Erlang）。他們將研製工作分為規劃、研究、開發、應用和通用工程等五個階段，這是系統工程階段劃分的雛形，之後又提出了排隊論原理，並應用到電話通信網絡系統中，推動了電話事業的飛速發展。

在第二次世界大戰時期，從軍事領域中誕生了運籌學。一些科學工作者以大規模軍事行動為對象，提出瞭解決戰爭問題的一些決策和對策的方法和工程手段如當時英國為防禦德國的突然空襲，研究了雷達報警系統和飛機降落排隊系統，取得了很多戰果。在這一時期中，英、美等國在反潛、反空襲、商船護航、佈置水雷等項軍事行動中，應用了系統工程方法，都取得了良好的效果。

1947年，美國成立了蘭德公司，為戰後美國空軍的發展戰略和規劃提供諮詢服務。蘭德公司在多年積累的研究經驗的基礎上創立了系統分析方法。系統分析的目的是根據系統目標和評價指標來尋求最優方案。系統分析幾乎是同系統工程並行地發展起來的，這兩個名詞之間也常出現混用現象。蘭德公司創造的系統分析以及規劃計劃預算編制法、特爾斐法、社會實驗法等方法豐富了系統工程方法論。

上述實踐與方法奠定了系統工程的主要思想，為我們今天研究和發展系統工程的理論體系，提供了寶貴的借鑑和重要啓示。

(2) 工程的推動作用

系統工程方法論的發展是在人類大型工程實踐中不斷推進的。其中包括著名的“曼哈頓計劃（Manhattan Project）”和阿波羅計劃（Apollo program）。

曼哈頓計劃集中了當時西方國家（除納粹德國外）最優秀的核科學家，動員了10萬多人，歷時3年，耗資20億美元，於1945年7月16日成功地進行了世界上第一次核爆炸，並按計劃製造出兩顆實用的原子彈，整個工程取得圓滿成功。該工程負責人L.R.格羅夫斯和R.奧本海默應用了系統工程的思路和方法，大大縮短了工程所耗時間，成功地促進了第二次世界大戰後系統工程的發展。曼哈頓計劃不僅造出了原子彈，還為世人留下了巨大的系統工程經驗財富。

阿波羅計劃從1961年啓動到1972年完成第六次登月成功，共歷時11年。在工程高峯時期，參加工程的有2萬家企業、200多所大學和80多個科研機構，總人數超過30萬人。為了保證這樣一個複雜的、工程質量要求高的工程能夠順利實施，NASA大力發展了系統工程方法，這也是阿波羅計劃成功的關鍵。它的整個組織管理過程採用了系統工程的方法和基本原理，包括：1、建立組織管理機構，明確職責分工。美國國家宇航局設立了阿波羅計劃辦公室主管全部工作，負責工程進度、成本費用和技術性能等；2、制定和選擇方案。針對登月飛行的三個備選方案，分別在技術因素、工作進度、成本費用和研製難易度等方面進行衡量；3、採用系統仿真技術對航天系統進行系統分析和評價等。

阿波羅登月計劃

正如錢學森在《組織管理的技術——系統工程》中提到的，“導彈武器系統是現代最複雜的工程系統之一，要靠成千上萬人的大力協同工作才能研製成功。研製這樣一種複雜工程系統所面臨的基本問題是：怎樣把比較籠統的初始研製要求逐步地變成成千上萬個研製任務參加者的具體工作，以及怎樣把這些工作最終綜合成一個技術上合理，經濟上合算、研製週期短、能協調運轉的實際系統，並使這個系統成為它所屬的更大系統的有效組成部分”。大量複雜工程中對系統工程方法論的探索和實踐極大地促進了系統工程方法論的發展。

(3) 理論的提煉

1957年，美國的H.H.古德和R.E.麥克霍爾合作出版了第一本完整的系統工程教科書《系統工程》。

1965年，麥克霍爾又出版了《系統工程手冊》一書。這兩本書以豐富的軍事素材論述了系統工程的原理和方法。

1962年，A.D.霍爾出版了《系統工程方法論》一書，其內容涉及系統環境、系統要素、系統理論、系統技術、系統數學等方面。A.D.霍爾還於1969年提出著名的霍爾三維結構，又稱霍爾的系統工程，是一種系統工程方法論。

A.D.霍爾的三維結構模式的出現，為解決大型複雜系統的規劃、組織、管理問題提供了一種統一的思想方法，因而在世界各國得到了廣泛應用。霍爾三維結構是將系統工程整個活動過程分為前後緊密銜接的六個階段和六個步驟，同時還考慮了為完成這些階段和步驟所需要的各種專業知識和技能，從而實現了由“時間維”、“邏輯維”和“知識維”所組成的三維空間結構。

霍爾三維結構和相關書籍的出現，標誌着系統工程方法論的成型，為工程過程提供了更為規範化的指導。

霍爾系統工程三維結構

(4) 系統工程的成熟與發展

1990年系統工程國際委員會（INCOSE）成立，該組織是一個非營利性的會員組織，致力於發展系統工程和提高系統工程師的專業地位。越來越多的企業代表和學校研究者加入到系統工程的研究中來，並出版了《INCOSE系統工程手冊》，目前已更新到第四版。

在系統工程領域還有一個研究代表，就是美國的NASA，一脈相承於阿波羅登月計劃，NASA不斷更新它的系統工程手冊，目前《NASA系統工程手冊》也是系統工程標準領域重要的代表。

INCOSE系統工程手冊與NASA系統工程手冊

系統工程在中國

隨着一大批愛國科學家從美國回到中國，把先進的系統工程方法論也帶回了中國，結合中國社會主義建設的工程實踐，系統工程方法在中國開出了燦爛的理論之花。

1956年，中國科學院在錢學森、許國志教授的倡導下，建立了第一個運籌學小組。

60年代初，著名數學家華羅庚大力推廣了統籌法和優選法。與此同時，錢學森將系統工程應用在導彈等現代化武器的總體設計和組織方面，取得了豐富的經驗。

1980年成立了中國系統工程學會，與國際系統工程界進行了廣泛的學術交流。近年來，系統工程在各個領域都取得了許多成果。

20世紀80年代，錢學森將他的系統工程思想進行了總結，提出了一系列科技創新的理念。在方法技術層面，錢學森提出了“從定性到定量的綜合集成方法”，“從定性到定量綜合集成研討廳體系”、“大成智慧學與大成智慧工程”以及總體設計部思想，創立了系統工程中國學派。

21世紀初，顧基發於朱志昌共同提出了WSR方法論，即“物理-事理-人理方法論”。該方法論強調思考方法、工作過程和人的參與，是東方智慧與系統工程方法論的結合應用。

錢學森系統工程中國學派

錢老的系統工程思想來源於西方，但結合我國型號任務中的工程實踐，演化成為具有中國特色的自成一派的系統工程理論體系。

1978年，錢老與許國志、王壽雲在《文匯報》上發表《組織管理的技術——系統工程》，指出“系統工程是組織管理系統的規劃、研究、設計、製造、試驗和使用的科學方法，是一種對所有系統都具有普遍意義的方法。”錢老最初將系統工程定位為組織管理技術，這與西方的系統工程內涵是一致的。而對應於系統工程的技術過程和技術管理過程，錢老在航天形成了由技術線總師和管理線總師組成的型號兩總制度。

錢老結合中國的工程實踐經驗，對西方的系統工程思想進行了擴展，形成了具有中國特色的系統工程方法體系，該體系博大精深，在此作者主要摘取其中的三點內容，簡要説明錢老方法體系的特點。主要體現在以下三點。

**一是提出了總體設計部思想。**錢老指出“總體設計部由熟悉系統各方面專業知識的技術人員組成，……總體設計部一般不承擔具體部件的設計,……總體設計部把系統作為它從屬的更大系統的組成部分進行研製，對它的所有技術要求都首先從實現這個更大系統技術協調的觀點來考慮，……對每個分系統的技術要求都首先從實現整個系統技術協調的觀點來考慮”。西方的系統工程是一個分解以後再集成的過程，這是一種典型的還原論思想，還原論是西方學者科研的文化基因。而錢老的總體設計部思想強調要構建的系統需要放到它從屬的更大系統層面去協調，這體現了整體論與系統論思想，強調各分系統需要放到整個系統層面去協調，這強調了還原論與系統論的結合，因此錢老的系統工程思想體現的是還原論與整體論的辯證統一。系統不夠複雜時，分解後再集成能夠將系統的整體還原出來，而對於複雜非線性系統來説，系統分解後再集成未必能完整地還原出來，這時就體現出設立總體設計部來組織分解的協調和驗證的重要意義了。總體設計部思想是社會主義制度優越性的體現，能夠集中力量辦大事，錢老指出，這是社會主義戰勝資本主義的重要法寶。

二是錢老提出的從定性到定量綜合集成方法。該方法很具有前瞻性，可算是當前流行的基於模型的系統工程（MBSE）思想的萌芽。該方法主要是針對非線性的複雜大系統而提出的系統工程方法，當定量分解已無法描述系統時，需要藉助專家的定性經驗判斷與建模仿真的定量評估相結合來開展系統研究。該方法強調藉助計算機技術的建模仿真實驗來輔助專家的判斷，因此可算作基於模型的系統工程思想的萌芽，只是當時的計算機技術水平和建模方法尚未發展到能夠支持完整的基於模型系統工程的地步。

錢學森綜合集成方法示意圖

**三是錢老認為，系統工程思想不僅僅只能用在人造系統的工程構建上，還是一種適合於各個行業的普適性的理論。**提出了包含工程系統工程、信息系統工程、軍事系統工程、經濟系統工程、環境系統工程、社會系統工程等在內的14個系統工程方向。而其中的工程系統工程就對應於西方的系統工程理論。因此錢老的系統工程思想的內涵要比西方豐富的多。

錢學森系統工程門類與學科基礎

總 結

系統工程方法是直接指導人們改造客觀世界的方法指導，它來源於工程實踐，在更大規模的工程實踐中又得到了應用和發展，它經歷了理論來源於實踐、高於實踐並指導實踐的循環過程，並最終發展成熟。系統工程方法與中國的社會主義建設實踐充分結合，開出了屬於中國特色的理論之花。

系統工程方法論為什麼在指導工程實踐中就能夠發揮它的作用，其核心要點是什麼？系統工程方法最新的發展方向是什麼？而隨着人造工程系統變得越來越複雜，出現了複雜大系統和體系，以降維解析為主要手段的傳統系統工程方法在處理系統複雜性和不確定性問題時又將面臨哪些問題和挑戰？我們後續將繼續開展分析。

(本文已發表在《艦船知識》2019年5月刊)

作者：張宏軍   黃百喬   鞠鴻彬

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