系統工程與系統定義解讀_風聞

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**2019年，國際系統工程協會（INCOSE）發佈了《系統工程與系統定義》，對系統與系統工程的定義、系統的分類以及幾類特殊的系統進行了説明。****該作品是由INCOSE發起的研究倡議小組發佈，小組成立於2016年，目的是審查目前關於“系統和系統工程”的定義並使定義更加符合工程實踐。****因此該作品體現了工程界對系統與系統工程的最新理解，是學習系統工程的第一手資料。**本文將結合作者的工程實踐經驗，對該技術產品進行解讀。

一、概念定義的重要性

我們研究某個問題往往是從它的定義開始。定義應該簡明扼要，既包括了核心內涵，也劃定了涵蓋範圍。好的想法提出後，往往要經過大量的研究、實踐，才能達成共識，從而形成公認的定義。以“系統工程”為例，我們從INCOSE發佈的不同版本的《系統工程手冊》中就能看出對於這一定義的演變過程，通過《系統工程與系統定義》技術產品來對“系統”“系統工程”等進行了新的闡釋，這也體現了定義的演進過程。

西方學者歷來對定義非常重視，但在我國卻是另一種情況，當人們説 “XXX是一項系統工程，我們應該重視”，往往只是強調此項工作的複雜性，需要花大力氣去理清思路，小心應對，而不是工程意義上的“系統工程”，而系統科學的研究人員認為他們所做的研究工作就是在做系統工程，這也是因為對概念定義不夠重視。

二、系統工程相關概念定義

在《系統工程與系統定義》中對與系統工程相關的概念進行了重新梳理，包括了“系統”、“工程”、“工程化的系統” 、“系統工程”、“跨學科”等。下面分別介紹各概念定義的理解。

圖1 INCOSE系統工程與系統定義技術產品

1）系統（System）

系統是指部分或元素的組合，其共同展現出了單個組成部分不具有的行為或意義。亞里士多德曾説過“整體大於部分之和”的論斷，也常被認為是最初始的系統思想。這裏的“單個組成部分不具有的行為或意義”是系統之所以成為系統的本質特徵，並不是把多個部分或元素組合在一起都能稱作系統，而是這些元素之間必須通過交互與協作能形成新的能力，因此係統定義應該包含三個部分，組成元素、交互關係與新的行為或意義，此處的定義未點明元素之間的交互關係，略顯簡單了。

2）工程（Engineering）

谷歌與維基百科對該詞有不同的定義，谷歌上將工程定義為：

1.科學和技術的分支，涉及引擎、機器和結構的設計、建造和使用。

2.巧妙地工作行動。

而維基百科上將工程定義為：

1.工程學是科學、數學方法和經驗證據的創造性應用，用於結構、機器、材料、設備、系統、過程和組織的創新、設計、構造、操作和維護。

2.術語“工程學”來自拉丁語ingenium，意思是“聰明”和ingeniare，意思是“設計、發明”。

3）工程化的系統（Engineered System）

“工程化的系統”定義為設計或調整用於與預期操作環境進行交互，以實現一個或多個預期目的，並同時遵守適用約束的系統。該系統包含的元素包括人員、產品、服務、信息和流程，以及可能的自然界元素的組合，負責提供滿足指定客户的能力需要或目標。工程化的系統不一定都是技術系統。定義中的人員組件可以是個人、角色、組織、組織單位、治理結構等；產品組件可以是硬件、軟件、固件、數據、設施等；服務組件可以是商業服務、信息服務、應用服務等；信息組件可以是個人信息項、信息類別、信息結構、文檔、知識元素等。過程組件可以是過程、方法、技術、工作指令、策略、指令等。能力是能夠在預期的運營環境中完成某些事情等。

工程化系統有一類特殊的子類，稱作組織/企業(Enterprise)。組織是由包含人類的多個組織機構參與的完成大型目標的複雜大系統，影響組織的外部依賴可能包括環境、政治、法律等社會因素，按照錢學森對系統的分類，組織近似於開發複雜巨系統。

4）系統工程（System Engineering）

系統工程定義為一種跨學科和綜合的方法，可以使用系統的原理和概念以及科學、技術和管理方法來使能工程系統成功地實現、使用和退出（淘汰）。這裏強調了系統工程是跨學科的綜合方法。強調了系統工程的實質是一種“使能”的方法，“使能”是一種總體規劃和指導，而不是具體的技術本身。與《INCOSE系統工程手冊》中對系統工程的定義相比，此定義增加了“使用系統的原理和概念以及科學、技術和管理方法”等內容，體現了系統工程中越來越重視運用系統科學與系統思維來指導工程建造，傳統的系統工程與系統科學是彼此獨立發展，如今二者逐漸走向融合。

另外，需要強調的是系統工程專注於：

a）建立、平衡和整合利益相關者的目標，並在開發之初就開始定義實際的或預期的客户需求、操作概念和所需功能；

b）建立適當的生命週期模型、過程方法和管理結構，考慮複雜性、不確定性、可能的更改和多樣性的水平；

c）生成和評估替代解決方案的概念和架構；

d）每個階段的基線和建模要求以及選定的解決方案架構；

e）執行設計綜合和系統驗證和確認；

f）整體考慮問題和解決方案，考慮必要的支持系統和服務，識別部件和部件間的關係在系統的整體行為和性能方面發揮的作用，並確定如何平衡所有因素以達到滿意的效果。

這裏還提出了一種審視系統工程的新視角，即風險管理視角。所有系統工程活動的目標都是管控風險，包括不能交付客户需求的風險、延遲交付的風險、超額成本的風險以及產生負面意外後果的風險。系統工程活動效用的一個衡量標準是降低風險的程度。

5）跨學科方法（Transdisciplinarity）

在維基百科中被描述為一種“跨越許多學科界限以創建整體方法”的方法。主要側重於跨多學科的工作，同時允許每門學科應用各自的方法和手段。跨學科方法起源於社會科學，它“超越”所涉及的所有學科，分享共同的理解和“共同學習”，將所有的努力集中於共同的目標上。跨學科也是基於目前學科不斷細分的現實，同一工程中的不同專家可能專注於某一學科領域，而系統組成的多元異構性決定了系統工程一定需要跨學科的方法，在一個複雜的工程系統中電力、機械、生物、聲學、光學等多種學科都可能涉及，需要運用各個學科的理論和方法來確保整個工程系統的成功實現。

6）系統的分類

《系統工程與系統定義》中按照不同的劃分維度對系統分類進行了探討，包括了物理系統、概念系統、開發系統、封閉系統、自然系統、人工系統和混合系統等等，下面分別介紹。

a）物理系統

系統可以是物理的，也可以是概念的，或是兩者的組合。物理系統由物質和能量組成。信息嵌入在物理系統中，並在物質/能量載體中存儲和傳輸。該系統的行為表現為物質、能量和信息的流動和交換，以及通過力場的相互作用。物理系統的湧現屬性可以是它們的執行過程，以各部分不能的方式轉換物質、能量和信息。物理系統包括了生物系統和生命系統，因為它們都存在於物理世界中。物理系統可以是單個複雜對象，例如生物體；或者是“對象聚合”，一種相互關聯的對象集合。

b）概念系統

由信息或知識組成。概念系統中的信息可通過對物理系統的物質或能量狀態進行編碼而在物理系統中存儲或傳輸。概念系統是由信息和知識元素組成，其元素彼此相關但不相互交互。概念系統可以幫助我們解釋宇宙的狀態（過去、現在或未來）。概念系統只有在物質/能量載體中存在時才存在，無論是計算機存儲器、書籍手稿、石碑，還是存儲在DNA中的信息。一旦最後的記錄、意識或概念的保留模式消失，這個概念也就消失了。

工程系統包括產品、服務和企業。服務和企業通常依賴於技術產品，但基本上是社會技術系統的形式。“工程系統”可以包括硬件、軟件、固件、過程、人員、組織、治理結構、信息、知識、技術、設施、服務、其他支持元素和（通常修改的）自然元素。工程系統可以被視為物理系統和概念系統的組合。傳統的系統工程過程是將設計者的邏輯設計轉化為物理實體系統的過程，即將概念系統轉化為物理系統的過程。而隨着CPS技術框架的引入，信息空間中的虛擬體系的構建也將成為體系構建的重要內容，從而形成物理實體系統與信息空間虛擬系統之間的映射關係，出現了一種系統工程過程新範式。

 圖2 概念系統與物理系統以及虛擬系統的關係

c）開放系統與封閉系統

封閉系統是與其環境完全隔離的系統。這是系統文獻中常用的定義。與熱力學定義不同，後者區分“閉合”（無材料流動）和“隔離”（無材料或能量流動）的系統。開放系統是在系統與其環境之間具有信息、能量或物質流並且適應交換的系統。這是一個基本的系統科學定義。它不同於IT和相關領域中“開放系統”的含義，其中該術語用於“開放系統架構”。在談到熵時我們常常會提到封閉系統和開放系統，熱力學第二定律指出，封閉系統的熵是不斷增加，這就是所謂的熵增原理，也是“宇宙熱寂説”的根源，但我們的世界是一個開放系統，開放系統通過不斷與環境進行物質與能量的交換來形成耗散結構，從而使系統從遠離平衡態走向穩定的耗散結構。

d）自然系統、人工系統與混合系統

自然系統是在自然界中運轉而沒有人類干預的系統。自然系統具有活力、彈性和自組織等特性，可為工程系統提供樣本。仿生學就是從自然系統中借鑑，作為人工系統參考模式的一種實踐。人造系統是由人類代理構建的系統，或由其產生的系統。人類代理可以是人類，也可是由人類創造的過程、方法或工具，其間接地影響變化以創建人造系統。混合系統是指同時具有自然和人工元素的系統，或受刻意影響（例如通過選擇性育種）或修飾（例如通過基因工程）的天然系統。通過上面對系統的分類，我們可以重新來審視工程系統。工程系統--可以是人工的或混合的，可以使概念上的和/或物理上的。

e）幾類特殊系統

“生命系統”。生物和生命系統是一大類重要的動態開放系統的例子，這些系統通過與環境進行能量和廢物的交換以維持自身的生存，同時也以增加環境中的熵為代價。生命系統利用了物質和能量以及信息和知識元素。系統行為通過物質、能量和信息的流動表現出來，並通過代代相傳地累積知識。生命系統既有概念上的，也有物理上的，但其獨特之處在於他們的湧現性行為與學習與適應性有關。人類系統是生命系統中的特例，他有複雜的語言表達能力意義，並通過驅使其他的物理、概念和生命系統來達成其目標。

“活系統”。活系統是指開放系統，在某些環境限制內，可以通過與環境交換物質、能源和信息來維持自身；檢測並承受外部威脅，面對中斷，維護和修復其內部組織，並適應不斷變化的環境（例如，通過發展其能力）；同時保持其內部平衡（動態平衡）。活系統模型用於組織與企業的管理中。

活系統模型是由英國的管理大師斯坦福德·比爾在1960-1970年代創立的，將對組織的管理過程類比為人類大腦對身體的控制過程，運用控制論的法則來維持組織的穩定，以及使組織能夠應對外部環境的變化而保持活力。活系統模型由環境系統、執行系統和管理系統三部分組成，而執行系統與管理系統又細分為6個分系統，分別是負責操作的系統S1、負責協調的系統S2、負責內部總體優化控制的系統S3、負責監視審計的系統S3*、負責外部信息與未來環境狀況情報獲取和開發的系統S4和負責頂層政策的系統S5。S1-S3*構成了組織的自主管理機構，以保證系統內部能夠穩定運行。S4分析環境，預測未來可能到來的挑戰，來保證組織能夠在變化的環境中繼續保持活力，並將結果傳給S3以便採取對策。S5則根據S4的分析，制定相應的政策和戰略規劃。活系統模型體現了對當前系統的優化和對未來變化的適應，以時刻保持組織的活力，與我們對工程系統的要求是一致的，它構建的理論框架可以為我們實現工程系統生命有機性提供參考。

圖3 活系統模型

“複雜系統”。有人説，如果“湍流”是理論研究的墳墓，那麼“複雜性”則是定義的墓碑。雖然，人們越來越認識到複雜性才是當今世界的本質，但對於複雜性的定義卻非常難以給出。聖塔菲研究所認為：“複雜性產生於任何多個主體交互、相互適應以及主體適應環境的系統。這些交互和適應在宏觀層面產生系統演化過程和常見的令人驚奇的湧現行為。霍蘭德也給出了適應性造就複雜性的著名論斷。同時，複雜性也對於人們研究的不同層次來説也有相對性，眼前這塊石頭，它的組成，它的演變過程是非常複雜的，但如果人們只是踢他一腳，關注它的運動規律，則使用牛頓定律就能勝任。

在本技術產品中，嘗試給出了複雜系統的定義，指系統的因果關係之間存在非平凡關係：每種效應可能是由多種原因引起的；每種原因都可能導致多種影響；原因和影響可能與反饋循環有關，包括正面和負面；因果鏈是循環的和高度糾纏的而不是線性的和可分離的。複雜系統中關係的非平凡性質使得整個系統是不確定的、模糊的或混沌的（在數學意義上，混沌是指初始條件的非常小的變化可能產生非常大的結果變化）。聖塔菲給出的複雜性定義和本技術產品給出的定義側重點不同，前者側重於系統內部之間以及系統與外部環境之間的適應與協調，指出了系統從簡單到複雜，從低級到高級的演化因素。而後者側重於強調系統關係的非線性、不確定性和混沌。

現在我們對研究中經常出現幾個概念對象的範圍大小進行韋恩圖範圍排序，這些概念包括系統、體系、複雜系統和組織（Enterprise），以便於理解他們之間的聯繫。

圖4 不同系統概念的韋恩圖範圍關係

三、總結

以上對INCOSE發佈的《系統工程與系統定義》的主要內容進行了解讀，其對系統工程的相關概念定義以及對系統分類的整理代表了國際工程界對系統工程的最新理解，有助於研究人員在學習和應用系統工程理論方法時達成一致的理解，因此是我們學習和研究系統工程與體系工程理論方法的基礎。

作者：張宏軍  黃百喬  鞠鴻彬

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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