人造工程系統/體系複雜性_風聞
Science_北京-不惧过往，不畏将来！2019-12-17 14:57
人造工程系統的發展
根據科學、技術與工程的三元論觀點，三者相互依存但又各有特點。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。工程是科學與技術的集成應用，同時既為科學與技術的發展提供需求牽引，又為二者的發展創造新的條件。而人造工程系統便是工程的產物。
人類早期的人造工程系統主要用於農業、戰爭和墓葬，如農業工具、水利設施（都江堰）、戰爭武器、防禦工事（長城）和帝王陵墓等，體現的科學和技術成分較少。直到第一次工業革命，蒸汽機的出現，機械動力代替人力，科學與人造工程系統第一次緊密結合起來，大大提升了人類的生產力水平，同時也激起了人們開展以物理和化學為代表的自然科學研究的熱忱。到了第二次工業革命，科學界掀起了一股“發現新的科學規律、指導新的技術發明，並投入新的工程應用中去”的風潮，電氣化迅速代替了蒸汽動力，人造工程系統中科學與技術的成分越來越豐富。
此時的人造工程系統都還只屬於無機世界的範疇，直到第三次工業革命，維納的控制論將電子元件與機械裝置連接在一起，形成了穩定的、自動化控制的系統，更重要的是，控制論中的反饋機制與學習機制打通了無機世界與有機世界的界限，使得人造工程系統理論上具備展現有機世界適應性的能力，再加上計算機的問世和發展，存儲、記憶、反饋與學習，給人造工程系統插上了遐想的翅膀，無機的人造工程系統能否展現出類人的智慧來？於是人工智能、元胞自動機、遺傳算法等與人工生命理論相關的研究相繼問世，以計算機為中心的人造工程系統的新形態基本成型。
近年來，雲計算、大數據、機器學習、物聯網和快速無線網絡技術的飛速發展將人工智能技術推到了人類技術發展的前沿，AlphaGo、“波士頓”機器人、自動駕駛汽車以及已經普遍應用的人臉識別、語音識別等技術展現了人工智能技術在追尋類人智能的道路上不斷突破新的高度，人工智能技術是否會失控已經引起了人類的焦慮。在工業製造領域，以自感知、自優化配置、與定製化生產為特徵的信息物理融合系統技術（CPS）方興未艾，進一步體現了生命有機系統的適應性特性對工業製造系統的賦能作用，同時也開啓了第四次工業革命的大門。在人類技術發展的歷史上，戰爭需求從未曾缺席，在武器裝備領域，體系化、無人化與智能化的發展趨勢也激發了無人自主作戰技術的發展，大大改變了未來戰爭對抗的形態。而我們也提出了更為全面的體系生命力理論，賦予人造工程系統自感知、自恢復、自學習和自進化的能力，人造工程系統將在從無機系統跨向有機系統的道路上走得更遠。
人造工程系統組成
分析人造工程系統的複雜性，首先從它的組成入手。從系統的視角審視人造工程系統的組成，其中比較有名的有SHEL模型和MMESE模型，在此基礎上，我們整理了典型的以計算機為中心的人造工程系統模型。
SHEL模型。1972年由英國學者愛德華提出,並於1975年由霍金斯進行圖表化。其中S代表軟件（Software），H代表硬件（Hardware）,E代表環境（Environment），L代表人（Liveware）。該模型最初應用於航空業,以人為中心，探討“人為因素”在航空不良事件中的作用，如圖1所示。其中L-S代表人與軟件之間的交互關係，L-H代表了人與硬件之間的交互關係，L-E代表了人與工作環境、組織結構、組織管理與文化之間的關係，L-L代表了人與人之間的交互關係。據民航數據統計，全世界範圍內民航安全事故導致的原因中70%來源於人的失誤。SHEL模型也給我們提供了一個考察人造工程系統組成的系統視角，即人造工程系統包括人、軟件、硬件和系統環境以及這四者之間的交互關係。
圖1 航空安全分析領域的SHEL模型
**MMESE模型。**人-機-環境系統工程（Men-Machine-Environment System Engineering，MMESE）是運用系統科學理論和系統工程方法，正確處理人、機、環境三大要素的關係，深入研究人-機-環境系統最優組合的一門科學。在錢學森的親自指導，由航天員訓練中心的龍升照老先生於1981年創立。
人-機-環境系統工程的研究內容主要包括七個方面：
1）人的特性的研究；
2）機的特性的研究；
3）環境特性的研究；
4）人-機關係的研究；
5）人-環關係的研究；
6）機-環關係的研究；
7）人-機-環境系統總體性能的研究，如圖2所示。
MMESE模型同樣為我們提供了一個考察人造工程系統組成的系統視角，並強調系統設計的目標是達到人、機、環境三者組合的最優化，是一種用系統的思想來指導系統工程的典型範例。
圖2 人-機-環境系統工程研究內容
**以計算機為中心的人造工程系統模型。**在信息化時代，計算機幾乎是所有人造工程系統的中心。人造工程系統都離不開計算機軟件系統，而軟件系統運行又都離不開其所依賴的基礎硬件和軟件環境。其中基礎硬件包括CPU、內存、硬盤與網絡等；軟件環境包括操作系統、數據庫等。操作人員從應用軟件獲取信息，進行處理與決策，轉化為操作輸入，用於控制系統中的執行機構完成相應任務，軟件系統從執行機構中獲取狀態信息用於監視控制。整個人機系統都處於一定的外界環境中，外界環境是人的生理生存基礎，並對人的操作績效產生影響，同樣，環境是系統正常運行的重要影響因素，所有的裝備系統交裝前必須進行實裝環境實驗的檢驗。圖3是一個獨立的人造工程系統的典型示例，而人造工程體系是多個獨立系統組成的交互系統集合，多個獨立系統基於網絡進行連接，因此在人造工程體系中還涉及不同操作者之間與不同獨立系統之間的交互，其複雜性會表現得更為突出。
圖3 以計算機為中心的人造工程系統模型
人造工程系統複雜性分析
人造工程系統是人們運用所掌握的科學規律與技術工具構建出的綜合系統。從上圖以計算機為中心的人造工程系統模型中可以看出，人造工程系統既包括自然界的無機物質，如電子元器件與執行機構的物理材料（各類金屬、高分子材料、二氧化硅等），也包括人的邏輯產物軟件系統，還包括系統的操作者人，以及系統所處的環境。對應於複雜性層次來説，系統的物理材料遵循的是無機世界的自組織規律，人的操作遵循的是人的決策博弈規律，而對於系統整體來説，人為設計的感知、存儲和反饋機制使系統具備了一定的生命系統所特有的自適應能力。因此人造工程系統兼具了三種複雜性規律。另外，人造工程系統的中軟件系統是人的邏輯的產物，這又是另一類特殊的複雜性規律。
對於人造工程系統中所有的物理材料的自組織規律來説，一方面存在着自組織臨界的狀態規律，例如集成電路中的晶體管元件有一個極限小的臨界，超過這個臨界，量子效應將改變元器件的固有規律；一方面存在着隨時間磨損和老化的熵增過程，如金屬在環境中氧化和被腐蝕等；對於這些規律，設計者在設計過程中未必都一一掌握並考慮到。
對於人造工程系統中操作者人的決策博弈規律來説，我們對人的決策過程進行分類，分為基於技能的決策過程、基於規則的決策過程與基於知識的決策過程，如圖4所示。基於技能與基於規則的決策過程我們可以通過學習和訓練來使操作者掌握，但也不能完全避免不出錯，而基於知識的決策過程通常指操作者遇到異常情況時，需要根據自身掌握的知識和獲取的信息來綜合分析，並做出正確選擇，這給操作者帶來了很大的挑戰，在精神高度緊張的情形下，人往往不能做出正確的操作選擇而犯錯，許多導致危險的事故往往都是因此而發生。
圖4 人類決策過程模型
對於因人為設置的機制而使系統具有的自適應規律來説，往往包含信息採集、存儲、分析、算法計算、反饋控制等多個環節，每一個環節的失誤都將傳導到整個功能鏈條，特別是弱電的元器件控制強電的執行機構，這中間的控制率轉換算法涉及非常複雜的非線性動態控制算法，其複雜性不言而喻。
對於軟件邏輯規律來説，由順序語句、條件語句、循環語句與跳轉語句等基本語句組成的軟件代碼既存在着執行路徑的組合爆炸，也存在着輸入空間的組合爆炸，作為驗證手段的軟件測試來説，有一條簡單的公理，即軟件無法進行窮舉測試，因此這是軟件邏輯複雜性的根源。
人們在設計人造工程系統時，根據設計者所掌握的知識與技能來開展設計，首先勾勒出理想中的系統邏輯組成，然後投入實際的生產實現，但設計者未必掌握所有的無機材料的自組織規律，未必能完全確保設計的功能鏈各個環節不出差錯，未必能完全確保編碼實現的軟件邏輯中不出現非預期的危險邏輯路徑，未必能完全確保操作者在使用時不做出錯誤選擇和操作，所有這些都會將人造工程系統置於複雜的境地，是導致人造工程系統複雜性與不確定性的根源所在。
人造工程體系複雜性分析
人造工程體系是人造工程系統發展的新趨勢，即由多個獨立的系統組成，通過交互與協同共同完成特定任務的系統集合。我們從以下三個方面去理解體系的複雜性。一是體系中系統與系統之間的連接絕不是簡單的線性疊加關係，體系的複雜性度量值應是各個系統的複雜性度量值之間的乘積，從而呈指數性增長；二是體系的成員系統之間通過網絡連接，形成了複雜的網絡拓撲結構，我們用圖論來描述和研究複雜網絡問題；三是，系統有明確的需求邊界，而體系沒有，更增加了體系的複雜性與不確定性。上述這些因素造成了相較於系統來説，體系具有系統間的鬆散耦合性、行為的湧現性和狀態的動態演化性。
人造工程系統/體系複雜性解決策略
人造工程系統/體系中的無機物理材料的自組織性規律是自然之道，無法避免，軟件功能設計代碼邏輯無法窮舉，故障也難以避免，人的操作選擇的正確性與人的技能水平和綜合素質相關，同時還受到當時操作者的生理與心理狀態的影響，同樣無法做到萬無一失，系統組成體系帶來的行為湧現性與不確定性更甚，我們應該如何應對？作為地球最高智慧生物的人類，每天面對着複雜的外部環境（如氣象變化、病毒入侵等）和工作、生活中諸多繁瑣的事務時，人類有温度保持系統來保證身體的恆温，有免疫系統來應對外來病菌的入侵，有反饋、記憶和學習機制來不斷增強自身技能，提升應對外部事物的能力。這裏的核心便是有機生命系統特有的適應性機制。我們應對人造工程系統與體系的複雜性策略便是在系統中類比引入這種自適應機制。
在人造工程系統中引入自適應機制的技術已經成熟，我們稱之為健康管理（PHM）或智能運維。通過監測和分析系統的狀態信息來評估系統的健康狀態，預測系統的健康趨勢，給出預防性維修建議。但是因為系統的組成是確定性的，部分故障後，我們只能開展離線維修。而體系的組成是鬆散耦合與不確定的，這一特點為體系內部通過動態配置或動態重組的方式來在線地實現部分故障的恢復提供了條件。在人造工程體系中引入自適應機制，賦予其自感知、自恢復、自學習與自進化的能力，使人造工程體系真正成為類生命有機體，這就是我們所提出的體系生命力理論的初衷。體系生命力理論是解決人造工程體系複雜性的應對之策。
總結
以上介紹了人造工程系統的發展歷程與基本組成。人造工程系統從無機系統發展到以計算機為中心的具有一定有機特性的複雜系統，再到人造工程體系，並參照計算機為中心的人造工程系統模型，分析了導致系統複雜性發生的基本規律，包括無機物理材料的自組織規律、操作者人的決策博弈規律、因人為設置機制使系統具有的自適應規律和軟件的邏輯規律，特別分析了人造工程體系的複雜性新特徵。最終提出了賦予人造工程體系有機生命特性的體系生命力理論是解決人造工程系統/體系複雜性的應對之策。
本文已在《艦船知識》雜誌11月刊發表
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