系統工程、體系工程與武器裝備體系工程_風聞

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體系工程是在系統工程的基礎上，根據體系所特有的複雜性與不確定性、湧現性、演化性等特徵，形成適應體系建設、使用和維護的工程理論和方法學。武器裝備體系工程是體系工程在裝備領域的一個實例。

1  系統工程

系統工程師們在社會實踐中，特別是在大型工程或經濟活動的規劃、組織、生產的管理、自動化項目的開發與使用過程中，發現綜合考慮系統總體時所要解決的共性問題，總結實踐經驗，借鑑和吸收鄰接學科的理論方法，逐步建立起來的。由於它產生和發展比較晚，目前還不能説已經成熟，對系統工程的定義也還沒有公認的一致説法。

其中一些比較有代表性的定義如下：

系統工程：“運用先進的科學方法，進行組織管理，以求最佳效果的技術”(2002年，《現代漢語字典》)。

“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”(1978年錢學森、許國志、王壽雲《組織管理的技術——系統工程》)。

“系統工程是為了更好地達到系統目標，而對系統的構成要素、組織結構、信息流動和控制機制等進行分析與設計的技術”(1967年《日本工業標準JIS》)。

“系統工程是應用科學知識設計和製造系統的一門特殊工程學” (1969年美國質量管理學會系統工程委員會)。

“系統工程是一門把已有學科分支中的知識有效組合起來用以解決綜合性的工程問題的技術”(1974年《大英百科全書》)。

“系統工程是研究由許多密切聯繫的要素組成的複雜系統的設計科學。設計該複雜系統時，應有明確的預定目標與功能，並使各要素以及要素與系統整體之間有機聯繫、配合協調，以使系統總體能夠達到最優目標。但在設計時，要同時考慮到參與系統中人的因素與作用”(1975年《美國科學技術詞典》)。

“系統工程是一門複雜系統的設計、建立、試驗和運行的科學技術”(1976年《蘇聯大百科全書》)。

“系統工程是為了合理開發、設計和運用系統而採用的思想、程序、組織和方法的總稱”(1991年日本寺野壽郎《系統工程學》)。

“系統工程與其他工程學不同之處在於它是跨越許多學科的科學，而且是填補這些學科邊界空白的一種邊緣學科。因為系統工程的目的是研究系統，而系統不僅涉及工程技術學科的領域，還涉及社會、經濟和政治等領域。為了解決這些領域問題，除了需要某些縱向技術外，還需要有一種技術從橫向方面把它們組織起來，這種橫向技術就是系統工程，也就是研製系統的思想、技術、方法和理論體現化的總稱” (1977年日本三浦武雄《現代系統工程學概論》)。

由於系統工程思想和方法來自不同領域和行業，又吸收了不同鄰近學科的理論，造成了系統工程定義的多樣性。但是可以從這些定義中歸納出對系統工程的理解：系統工程是一門總覽全局、着眼整體、綜合利用各學科的思想和方法，從不同方法和視角來處理系統各部分的配合與協調，藉助於數學方法與計算機工具，來規劃和設計、組建、運行整個系統，使系統的技術、經濟和社會要求得以滿足的方法性學科。

系統工程是一門跨越各個學科領域的橫斷性的共性技術學科，一方面是因為這套思想與方法適用於許多領域，因為每個領域都有一些帶有整體、全局性的問題需要綜合處理；另一方面，系統工程所使用的方法和工具又多來自各門學科，只是把它們綜合起來加以運用，系統工程是溝通各學科的橋樑。系統工程屬於工程技術層次，它本身又可以分為兩個分層。

第一個分層是更接近實際分層，由於它的應用領域不同，和相應的行業專門技術結合起來，形成了一門門的具體行業系統工程學科，例如：

1）農業系統工程；

2）工業系統工程；

3）服務系統工程；

4）航天系統工程；

5）軍事系統工程；

6）環境系統工程；

7）教育系統工程；

8）信息系統工程；

9）知識系統工程等。

第二個分層包括系統工程所獨具的概念、原理、思路以及工作步驟和方法(有人稱其為系統工程方法論)，其中包括從技術科學層次提取出來並加以實用化的方法和工具。這些概念、思路、原理、方法和工具對各行業都是通用的。作為技術學科層次的系統學科，有以下幾門：

1）運籌學：這是從20世紀40年代以來發展起來的一門技術科學(也有人認為是一門應用數學)。它研究如何使系統做到最優運行。它使用各種數學工具(代數、分析、概率論、數理統計、圖論等)和邏輯判斷方法，也使用帶有實驗性質的模擬仿真方法，來處理組織、管理、規劃和調度等問題，它包括規劃論、決策論、對策論、搜索論、隨機過程、可靠性理論等。

2）控制論：這是一門研究機器、生物體和社會中的控制過程的科學，它研究包括管理、調度在內的廣義控制行為(有目的干預行為)的共同規律，其中應用於工程技術的分支——工程控制論(包括自動控制)發展比較成熟，而生物控制論、經濟控制論則正處於發展期。如果説運籌學目前處理的多半是系統的靜態問題，則控制理論處理的多是系統的動態問題，二者相輔相成，又相互滲透，結合起來進行系統分析與優化，尤其是後來從雙方結合發展起來的處理複雜系統問題的大系統理論，更是二者的進一步融合。

3）信息科學：狹義的信息科學只涉及信息的採集、傳輸和處理，而廣義的信息科學則包括計算機科學在內，研究信息的複雜處理和檢索、分類、存儲以及信息的識別等。進行系統分析，是離不開信息的，因此信息科學也是系統工程的基礎之一。

隨着人類社會的發展和技術的進步，人們在認識世界和改造世界的不斷深入，出現了複雜系統(開放複雜巨系統——錢學森)和智能型複雜自適應系統，人們提出了複雜系統工程和複雜適應系統工程等。

2  系統工程模型

系統工程是為了指導系統需求、設計、開發和驗證順利實施的過程，也稱為系統工程過程模型，按照具體系統的經歷階段也稱為生命週期模型。

1） 瀑布模型

瀑布模型是1970年由Royce提出，廣泛用於軟件工程，由5-7個步驟組成，1981年Boehm將瀑布模型拓展為8個步驟。瀑布模型是一個理想的模型，每一個階段都應該順序完成，直到產品交付為止。但實際情況極少如此，因為在系統開發過程中總會發現錯誤或缺陷，進而重複步驟直到更正。瀑布模型存在幾個方面不足：

未關注架構開發的複雜性和風險管理；

未展示系統的迭代擴展和需求逐步細化；

未能詳細闡述作為技術管理活動的系統分析和控制；

驗證迴路未能強調測試計劃、過程和結果評估作為產品開發過程的有機組成部分的重要性。

2）螺旋模型

螺旋模型由Boehm在1986年提出，它將反饋的思路融入系統工程的每一個階段，並認為原型系統的開發是降低系統風險的重要手段。螺旋模型由18個不斷旋進的步驟組成，包括：

（1）系統需求確定；

（2）可行性研究；

（3）系統分析；

（4）系統詳細説明；

（5）系統原型；

（6）概念評估；

（7）功能定義；

（8）需求分配；

（9）平衡分析；

（10）選擇設計；

（11）集成；

（12）測試評估；

（13）詳細需求；

（14）元件設計；

（15）優化；

（16）設備定義；

（17）實用原型；

（18）正式設計評估。

螺旋模型是反覆進行的，每次都要經歷一些階段，研製出一個原型，在進入下一個階段前進行風險評估。螺旋模型的優點是：

通過原型的建立，是系統開發在每一個迭代的最初明確方向；

通過風險分析，有效降低系統失敗造成損失的可能性；

每個迭代階段進行測試，使得每個階段的質量得到保障；

整體過程具備很高的靈活性，在開發過程的任何階段能自由應對變化；

通過對用户反饋的採集，保證用户需求的最大實現。

螺旋模型主要缺點有幾個方面：過分依賴風險分析經驗，一旦風險分析過程出現偏差將造成重大損失；過於靈活的開發過程不利於已經簽署合同的客户與開發者之間的協調；只是適應大型(軟件)系統，過大的風險管理支出會影響客户的最終收益；風險管理被描述為順序的分析活動，而非開發過程中的並行活動，導致一些低風險活動也被延誤；原型完成，風險管理活動看上去就停止了。

3） V模型

V模型是Kevin Forsberg和Harold Mooz在1978年提出的，它強調測試在系統工程各個階段的作用，並將系統分解和系統集成的過程通過測試彼此關聯。

V模型以NASA與INCOSE的系統工程過程為典型代表，如圖1所示，其設計過程是將複雜的大系統分解為不同的小系統或模塊，然後分別實現，再集成還原為大系統。以NASA的系統工程為例，包含技術流程與技術管理流程兩大類。其技術流程又包含明確利益相關方期望、技術需求定義、邏輯分解、設計方案定義、產品實施執行、產品集成、產品驗證、產品確認和產品交付9個流程。這9個流程是V模型的過程，經過對系統需求的分解、實現與再集成的過程來實現系統產品。

圖1  NASA系統工程過程模型

在V模型中，由於系統設計過程中對需求的分解過程是一種從邏輯上的靜態分解，分解後必然會帶來模塊之間交互特徵的損失，從而影響了系統在時間上的動態演化特徵，系統分解後的再集成，還會損失部分原有系統的整體性特徵，把這種分解過程稱作“降維解析”過程。在系統規模較小時，降維解析過程造成的交互性與整體性特徵損失可以在系統集成驗證過程中得到很好的修正，從而不會對最終的結果造成太大的影響。但是如果系統規模較大時，降維解析造成的交互性與整體性缺失只能通過原型樣機的不斷迭代，逐漸逼近的方式來逐步彌補，造成了複雜大系統的研製週期長、代價大、效率低。歸根結底，降維解析方法是一種通過降維來規避系統複雜性的方法，是一種對系統複雜性的消極應對策略。

3  體系工程

在系統工程基礎上，為了適應體系特徵解決體系中的問題，人們提出了體系工程。

體系工程是最近幾年才提出了的，不同領域的學者和工程實踐人員有不同的認識和理解，還沒有一個統一的定義，下面列舉幾種典型的定義：

定義1：體系工程是確保體系內在其組成單元的獨立自主運作條件下能夠提供滿足體系功能與需求的能力，或者説執行體系使命和任務的能力。

定義2：體系工程是這樣一個過程，它確定體系對能力的需求，把這些能力分配至一組鬆散耦合的系統，並協調其研發、生產、維護及其他整個生命週期的活動。

定義3：體系工程是解決體系問題的方法、過程的統稱。體系工程是國防技術領域的一個新概念，這一概念同時也被廣泛應用於國家交管系統、醫療衞生、萬維網及空間探索領域。體系工程不僅僅侷限於複雜系統的系統工程，由於體系所涵蓋問題的廣泛性，它還包括解決涉及多層次、多領域的宏觀交叉問題的方法和過程。

定義4：體系工程是學科交叉、系統交叉的過程，這種過程確保其能力的發展演化滿足多用户在不同階段不斷變化的需求，這些需求是單一系統所不能滿足的，而且演化的週期可能超過單一系統的生命週期。體系工程提供體系的分析支持，包括系統交叉的某一時間階段內在資源、性能和風險上的最佳平衡，以及體系的靈活性與健壯性分析。

定義5：體系工程源於系統，但它不同於常規系統工程，而是對不同領域問題的研究。系統工程旨在解決產品開發和使用，而體系工程重在項目的規劃與實施，換句話説，傳統系統工程是追求單一系統的最優化，而體系工程是追求不同系統網絡集成的最優化，集成這些系統以滿足某一問題的目標。體系工程方法與過程使得決策者能夠理解選擇不同方案的結果，並給決策者提供關於體系問題的有些體系結構框架。

從上面定義可以看出，體系工程在不同領域的理解存在五個方面的共性：

體系工程是能力集成工程；

體系工程是複雜需求獲取工程；

體系工程是綜合集成體的演化過程；

體系工程是學科交叉、系統交互過程；

體系工程是權衡與平衡工程。

體系工程源於系統工程，但高於系統工程，為的是解決系統工程解決不了的體系問題。體系工程是實現更高一層的系統最優化的科學，是一門高度綜合性管理工程技術，涉及最優化方法、概率論、網絡理論、可靠性理論以及系統模擬、通信等問題，還與經濟學、管理學 、社會學、心理學等各種學科有關。

最初，體系問題並沒有被認為是一個獨立的新問題，大部分都使用系統工程方法來開展研究，但隨着體系越來越多地出現在人們的生產和生活中，體系的許多獨有特徵是原有系統工程方法所達不到或解決不了的，主要表現如下：

在需求分析過程中，體系工程研究的系統之間的可達性分析和信息數量規模成指數級增長，遠遠超出了系統工程需求分析方法所能承受的規模。

構成體系的組分系統，特別是現有系統，都是根據獨立的需求進行開發，在體系工程領域中，彼此協作和相互依賴關係大大的增加，為集成和開發帶來了新的挑戰。

在體系的應用環境和適應性上，部署和使用一個體系的工程解決方法要求也較系統工程更高。

整體的解決方案超出了對於技術或軟硬件方面獨立解決方案的要求。

體系工程提供了對體系問題的分析與支持，其與系統工程區別較大，不十分關注組分系統的具體技術和配置參數，更關注這些系統的組合能夠獲得的新能力，而不是單個系統的設計與開發。

體系工程要解決的問題和達到的目標如下：

實現體系的集成，滿足在各種想定環境下的能力需求；

對體系的整個壽命週期提供技術和管理支持；

達到體系中成員系統間的費用、性能、進度和風險的平衡；

對體系問題求解並給出嚴格的分析及決策支持；

確保成員系統的選擇與匹配；

確保成員系統的交互、協調與協同工作，實現互操作；

管理體系湧現行為，以及動態的演化與更新。

體系工程主要包括8個管理過程和8個技術過程。

8個管理過程如下：

決策分析：實現體系費用、效能、進度、風險及可靠性的平衡；

技術規劃：在體系整個生命週期內恰當運用必要的技術和系統工程計劃；

技術評估：度量技術過程和技術成熟度；

需求管理：獲取和管理需求及它們的屬性和關係；

風險管理：識別整個生命週期內潛在的風險；

配置管理：建立和維護需求，當前屬性和配置信息之間的一致性；

數據管理：獲取數據來源，數據訪問、共享、集成及使用；

接口管理：建立恰當的接口定義及文檔説明。

8個技術過程如下：

需求開發：獲取各利益相關方的需求。

邏輯分析：理解需求而開發可行的解決方案；

設計分解：開發可執行方案以確認需求和功能結構；

執行：通過製造、獲取或重複利用來集成、確認和驗證；

集成：集成低層系統元素到高層系統元素的過程；

確認：確認是否生成了符合要求的體系；

驗證：在運作環境中驗證體系；

變遷：系統元素的轉換。

體系工程所要解決的體系問題包括現有系統的集成問題、新系統規劃問題及全新體系的構建問題。這些問題的解決途徑構成了體系工程的主要工程實踐。

依據體系工程所要解決這些問題思路和方法，可以將體系工程的主要實踐劃分為五類：體系的需求、頂層設計工程、體系集成與構建工程、體系演化以及體系的評價工程。

4 武器裝備體系工程

武器裝備體系工程是以武器裝備體系發展為目標，在裝備體系的需求開發、體系結構設計、體系試驗與評估及運行過程中等使用的理論、技術和方法，並對武器裝備體系所進行的系統管理過程的總稱。

武器裝備體系工程研究具有重大意義，通過科學地獲取裝備體系發展的需求，建立適當的裝備體系發展需求方案，設計並優化裝備體系結構，提升武器裝備體系整體能力和作戰效能，為武器裝備體系的全面、協調和可持續發展提供科學論證手段，為武器裝備體系建設和管理提供決策支持。

國內相關研究對武器裝備體系工程的概念進行了探討，比較有代表性的定義是武器裝備體系工程是在一定的戰略指導、作戰指揮和保障條件下，為完成一定作戰任務，構建的由功能上相互聯繫、相互作用的各種武器裝備系統組成的更高層次系統的過程。

通過上述武器裝備體系工程概念的分析，以一般武器裝備系統和武器裝備體系為對象，從使命目標、外部環境、整體狀態等幾個方面，武器裝備系統工程和武器裝備體系工程的區別和聯繫見表1。

表1武器裝備系統工程與武器裝備體系工程的特徵對比

武器裝備體系的建設發展過程與單一武器裝備型號的研製過程不同。首先，武器裝備體系的建設具有整體性，要在規定的時間和有限的經費條件下儘可能實現體系的總體建設目標；其次，武器裝備體系中各型裝備的研製過程存在相關性，不同型號的裝備單元在發展過程中可能會交互相關；最後，武器裝備體系建設是漸進過程，對當前武器裝備發展技術基礎存在依賴性。

作者：張宏軍，韋正現，黃百喬

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創新體系工程基礎理論和方法

推動系統工程理論再發展