系統工程的本質_風聞

​                   

在錢學森錢老身體力行的極力推崇下，系統工程已經融入到了我國國民經濟的各個領域，也深入人心，成為經常出現在人們口中的高頻用語。

雖然有些人口説系統工程，如強調某項工作很複雜時，會説，“XXX工作是一項系統工程”，但這裏的系統工程其實並不是系統工程的真正內涵。也有些人雖然不瞭解系統工程，但實際的工作中都在遵循系統工程的原則，例如我們型號工程研製需要遵守的GJB9001C與GJB5000A兩項標準，其內容都符合了系統工程的原則和方法。

事實證明，系統工程在指導工程實踐方面確實起到了非常大的作用，美國INCOSE對系統工程在項目中的效用進行過統計（如圖1所示），因此常被工程人員奉為圭臬。但同時我們也要清醒地認識到，系統工程不是萬能的救世主，那些認為只要實施了系統工程就能把工程做好的人只能説對系統工程存在誤解。那麼為什麼系統工程能夠在工程實施中起到非常大的作用？而系統工程又只能在哪些方面產生作用，它還存在哪些不足？當前系統工程的最新發展又是什麼？這是本文嘗試去探討的問題。

圖1

INCOSE系統工程手冊中圖例説明了系統工程產生的效果。共調研了148個項目，其中48個項目實施了較低水平系統工程能力，只有15%的項目交付了較高水平的性能；而51個實施了較高水平系統工程能力的項目中，有57%的項目交付了較高水平的性能工程以及工程過程。

系統工程，從字面上理解，就是用系統的思維來指導工程建設。那麼要了解系統工程，首先要了解什麼是工程以及具體的工程過程是什麼。

工程是指人們為改變客觀世界以滿足人類的某些需要，而將人造系統的設計、建造、驗證和運行組織起來的一種實踐活動。首先，工程有它的現實目的性，工程是為了滿足人類的某些需要，也就是我們常説的系統需求。在這一點上工程不同於科學，科學研究的目的是為了揭示事物規律，更好地認知世界。既然工程有現實目的性，那就涉及到權衡投入和產出利弊的問題，即工程任務需求方願意花多大的代價來獲取工程所帶來的回報，這種代價通常包括投入的資金預算、人力預算和工程工期。因此工程往往是“一次性”的行為，這也是工程區分於科學和技術的重要因素。

其次，工程過程大體上包括設計、建造、驗證和運行。設計的過程是工程師根據需求目標以及掌握的現有相關技術知識，從邏輯上選擇出工程系統的組成單元以及組成單元之間的交互，考慮到實現的可行性，設計過程受到現有技術水平的限制，更準確地説是受到設計者掌握的技術知識水平的限制。而建造的過程是將設計的邏輯系統轉化為物理實體系統的過程。建造過程涉及到人力、資金和時間的統籌安排，必須考慮在資金預算和工期預算之內完成建造任務，這通常用計劃評審技術（Pert）來籌劃任務的時間和先後順序，以排出合理的工期。驗證是將建造的結果與需求和設計進行比對的過程，檢驗建造的系統在功能與性能方面是否符合設計要求以及用户的真正需求，驗證通過後系統投入運行使用，不通過，則需要返回需求，進入下一個迭代循環。典型工程的概要過程如圖2所示。

圖2 典型工程的概要過程示意圖

工程中的設計與建造

工程設計通常有兩種情形。一種稱作標準工程過程，有一個默認的前提，那就是設計中所使用的技術都是成熟的，不需要進行技術突破性研究。一種是設計中採用的部分技術還需要技術突破，因為技術突破研究具有很大的不確定性，會影響到工程其它過程的開展。在我國工程界有“探索一代、預研一代、試製一代和生產一代”的説法。分別對應於系統的理論模型到原理樣機到工程樣機再到鑑定定型後生產。我們在此討論的系統工程是對標準的工程過程的指導方法，即工程中不存在技術突破性研究。

工程設計過程是對現有工程技術知識的綜合運用。某一領域的技術知識成熟到一定階段後通常會以行業標準的形式固化下來，既作為全行業的公認技術指導，也是全行業的設計約束。技術標準代表了行業技術的成熟程度，同時也是設計人員強大的設計工具，在提高行業整體設計水平上起了非常大的作用。

工程建造過程是將設計結果轉化為具體的任務活動，並實施任務活動的過程。這裏常用的方法是工作分解結構（WBS），工作分解結構中的每一項工作背後都是關聯着人力、資源和時間進度，任務與任務之間還有前、後、因果的關係。因此工程建造過程的第二項重要的任務是統籌任務安排以及資源分配，常用的工具是從計劃評審技術（Pert）發展而來的網絡計劃圖方法，典型的網絡計劃圖如圖3所示。 

圖3 典型的網絡計劃圖

工程中的組織管理

工程的定義最終落腳在“組織”上，因此工程就是如何合理地組織管理，使得在一定的經費預算和工期限制下完成人造系統的需求分析、設計、建造、驗證和運行。正如錢老在《組織管理的技術——系統工程》中説的，研製導彈武器系統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為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從屬的更大系統的有效組成部分。這樣複雜的總體協調任務不可能靠一個人來完成，因為他不可能精通整個系統所涉及的全部專業知識，他也不可能有足夠的時間來完成數量驚人的技術協調工作。這就要求以一種組織、一個集體來代替先前的單個指揮者，對這種大規模社會勞動進行協調指揮。在我國國防尖端技術科研部門建立的這種組織就是“總體設計部”或“總體設計所”。因此最初始的系統工程是一門對工程過程進行組織管理的技術。

工程過程與質量管理的融合

工程產出的系統能否發揮預期的功效，系統的質量是非常關鍵的因素。質量管理是社會化大生產的產物，它的發展經歷了質量檢驗（QT,Quality Testing）、統計質量控制(SQC,Statistical Quality Control)與全面質量管理（TQM,Total Quality Management）三個階段。逐步形成規範過程、定量控制、預防為主、持續改進等全面質量管理的思想。初始的系統工程吸收了質量管理的主要思想，讓自身得到了豐富和發展。

典型的代表是SE-CMM（系統工程能力成熟度模型）。CMM的核心思想是通過規範的過程來提高產品的質量，並定義了不同的能力等級，以及實現能力等級提升的途徑。而SE-CMM是將工程過程、工程管理過程和質量管理過程以過程域的形式定義出來，實現了工程過程、工程管理過程與質量管理過程的融合。SE-CMM與SW-CMM（軟件CMM）等集成在一起，形成了CMMI（能力成熟度集成模型）標準，也就是我國的GJB5000A標準，因此我們説，實施了GJB5000A其實就是遵循了系統工程。工程過程與質量管理過程的融合使得系統工程標準趨於成熟。

系統工程的核心內容

總體來説，系統工程是人們從大型工程建造過程中總結出來的最佳實踐的集合。是工程過程、工程組織管理過程與質量管理過程相融合而形成的一套成熟的方法體系。目前，關於系統工程存在多種定義，包括：

**錢學森：**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。系統工程是一種工程技術。

**INCOSE：**系統工程是使能（Enable）系統成功研製的一種跨學科的方法和途徑。

**NASA：**系統工程是設計、實現、技術管理、運行和淘汰一個系統的紀律性方法。

**歐洲空間標準化合作組織：**系統工程是一個跨學科的方法，支配將需求轉化為系統的總體技術工作。

綜合上述定義，可以總結出系統工程的核心，系統工程是一種工程總體上的組織管理技術，一種使能技術，它的價值在於規劃並指導了系統的構建過程，需要經過哪些階段過程，但是它不是系統實現所依託的具體技術本身。

系統工程規範主要有INCOSE的系統工程手冊和NASA的系統工程手冊兩種。二者大同小異，都是基於規範過程的方法，基本思想一致。其中NASA的系統工程手冊將系統工程過程分為兩大類，分別是技術過程和技術管理過程，技術過程對應於工程過程，是對傳統的基本工程過程的細分，技術管理過程融合了工程組織管理與質量控制的過程。INCOSE系統工程手冊中考慮的更為寬泛，除技術過程和技術管理過程外，還包括協議過程和組織的項目使能過程，共30個子過程，如圖4所示。兩個標準中的技術過程構成了系統的生命週期階段模型，即經典的V模型。追根溯源，V模型中的階段定義又來源於著名的霍爾系統工程三維結構，以上構成了系統工程的核心內容。

圖4 INCOSE系統工程過程模型

軟系統工程與社會系統工程

在系統工程理論發展史上，以霍爾的系統工程方法論為代表的稱為硬系統工程方法，它主要針對系統機理清楚，能用明確的數學模型描述的系統，如物理系統和工程系統。與之相對應的是，英國的系統科學家P.B.切克蘭德提出了一套針對機理不清，很難用明確的數學模型描述的系統，以學習、調查過程為主的方法論，稱作軟系統工程方法，如社會系統和生物系統。軟系統的系統工程方法論一般處理較粗的信息，而且以定性為主。其核心是一個學習的過程，在解決問題時更為嚴謹和有效。軟系統工程方法的應用步驟描述如下：

**1）認識問題。**收集與問題有關的信息，表達問題現狀，尋找構成或影響因素及其關係，以便明確系統問題結構、現存過程及其相互之間的不適應之處，確定有關的行為主體和利益主體。

**2）弄清關係。**弄清系統問題關鍵要素與關聯因素，為系統的發展及其研究確立各種基本的看法，並儘可能選擇出最合適的基本觀點。

**3）建立概念模型。**在不能建立精確數學模型的情況下，用結構模型或語言模型來描述系統的現狀。

**4）比較及探尋。**將現實問題和概念模型進行對比，找出符合決策者意圖且可行的方案或途徑。有時通過比較，需要對根底定義的結果進行適當修正。

**5）選擇。**針對比較的結果，考慮有關人員的態度及其它社會、行為等因素，選出現實可行的改善方案。

**6）設計與實施。**通過詳盡和有針對性的設計，形成具有可操作性的方案，並使得有關人員樂於接受和願意為方案的實現竭盡全力。

**7）評估與反饋。**根據在實施過程中獲得的新的認識，修正問題描述、根底定義及概念模型等。

軟系統工程方法論與錢老的社會系統工程思想不謀而合。錢老認為系統工程方法是一種普適性方法，因此應該將系統工程方法推廣應用到社會領域，從而形成了十四個門類的系統工程，見表1。

表1 錢學森系統工程門類與學科基礎

系統工程的優勢與不足

為什麼系統工程為工程界所推崇，且能夠給工程項目帶來非常明顯的作用？

首先，系統工程運用了系統思維，對整個工程活動進行了總體的策劃，橫向來説，考慮了構成工程系統的所有成員系統，所有參研單位的利益相關方，縱向來説，考慮了整個工程活動的所有階段，以及每個階段之間的約束條件，凡事預則立不預則廢，這是系統工程的思維優勢。

其次，系統工程規範了整個工程活動過程，包含技術過程與技術管理過程，其中技術管理過程又融合了項目管理和質量管理過程的內容，使得項目組能夠有條不紊、按部就班地開展工程工作。實踐證明，規範的過程確實能夠保證工程產品的質量。

再次，系統工程是一種正向設計思路。從工程的需求出發，尋找技術實現方案，組織構建並開展驗證，最終完成工程系統並投入運行。現階段，我國的技術發展已經走在了世界的前列，前方已無可跟隨模仿的對象，通過正向設計來實現自主創新是我國技術發展的必經之路。

雖然系統工程有諸多優勢，但我們還應該清醒地認識到，系統工程不是萬能的，不是説實施了系統工程，我們的工程項目就一定能高質高效地完成。系統工程還存在一些不足之處：一是系統工程缺少項目經驗積累的過程，未考慮項目經驗的複用；二是系統工程只是一種使能技術，總體規劃技術，並不能替代系統構建所需要的具體技術本身，所以只實施總體技術層面的系統工程對於保障系統的成功構建是不夠的。三是傳統的系統工程基本遵循一個先分解再集成的還原論思想的指導，對於複雜的非線性系統，分解的難度較大，且分解後的有效性未能得到及時的驗證，特別是工程系統發展到系統之系統——體系後，傳統的系統工程方法存在着較大的不足，體系工程理論應運而生，關於體系工程的內容，在《艦隊防空力量的體系化思考》一文中已有過相關論述。而隨着模型驅動的系統開發方法的興起，特別是在軟件領域，人們將模型驅動與系統工程相結合，提出了基於模型的系統工程方法（Model based System Engineering，MBSE）。

系統工程的新發展新方向：MBSE

針對傳統系統工程方法中存在的缺少項目經驗積累的過程，未考慮項目經驗的複用，以及系統工程過程是一種總體規劃技術並不能替代系統構建所需要的具體技術本身的問題，人們將模型驅動的系統開發方法與系統工程相結合，提出了基於模型的系統工程方法（Model based System Engineering，MBSE）。該方法MBSE強調貫穿於全生命週期的技術過程的形式化建模，建立的系統模型既解決了項目經驗積累和複用的問題，也通過多視角的系統頂層需求建模與系統架構建模，為複雜系統或體系的向下分解與及時驗證提供了模型依據，體現了整體論與還原論的辯證統一；而針對物理層構建的各專業領域（機械、電子、流體、力學、氣動等）的物理模型，也體現了對具體實現技術的描述，使系統工程不再僅僅是使能技術，還包含了完整的工程實現所需的技術集合。同時形式化的建模還為項目利益相關方之間的交流提供了統一的、無二義性的產品，為後續項目的重用和快速改進提供了模塊化的模型支持。

MBSE與傳統的系統工程相比，最主要的區別是貫穿於全生命週期的技術過程的形式化建模，重點在形式化，而不是有無建模。建模是一個很寬泛的概念，文字描述也可以認為是建模手段的一種，但是非形式化的。形式化建模的優點在於：

1）描述嚴謹，無二義性，便於溝通交流，這也是SysML的前身UML稱為統一建模語言的優勢所在；

2）能從不同視角準確描述系統的行為和規律（活動圖、順序圖和狀態圖等），便於開展各類分析工作，提高開發的質量；

3）建立的模型能支持動態執行，提高了各類驗證和確認活動的效率；

4）形式化模型包含了足夠的信息來支持模塊化和重用，也為快速實現設計改進提供了技術途徑。

總之，傳統的系統工程是一種運用系統思維來組織管理工程過程的工程技術，它融合了工程過程、工程管理過程和質量管理過程，形成一套規範的過程模型。它是一種系統思維視角下的總體規劃技術，一種使能技術。而隨着基於模型的系統工程的提出，將傳統系統工程延伸到了具體的物理域，使得系統工程成為一種一以貫之的工程方法，讓系統工程煥發出更旺盛的生命力，將為我國技術發展的正向創新之路做出更大的貢獻。

系統工程融合了部分的工程項目管理與質量管理過程，但項目管理與質量管理也都是門獨立的學科，如項目管理中的PMBOOK與CMMI，質量管理中的全面質量管理體系，他們之間的共性和區別分別是什麼？系統的質量特性除功能和性能外，還包括可靠性、維修性、保障性等通用質量特性，他們分別對應於相應的專業功能，如可靠性工程等，系統工程與這些專業工程活動之間關係又將怎樣？後續我們繼續為大家深入剖析。

（本文已發表在《艦船知識》7月刊）

作者：張宏軍 黃百喬 鞠鴻彬

※ ※ ※

創新體系工程基礎理論和方法

推動系統工程理論再發展