“系統(tǒng)工程”辨析

郭寶柱

（中國航天科技集團(tuán)公司，北京 100048）

1 引言

系統(tǒng)工程（Systems Engineering）是成功實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的方法，有明確的內(nèi)涵和定義，在國外工程技術(shù)領(lǐng)域取得了很大的成功，也是中國航天成功的保證。但是，在國內(nèi)對“系統(tǒng)工程”的內(nèi)涵有多方面的理解。例如：系統(tǒng)工程的主攻方向是研究社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的組織管理問題；系統(tǒng)工程是廣義的系統(tǒng)分析；系統(tǒng)工程是一種決策咨詢活動(dòng)；系統(tǒng)工程是一個(gè)“包含從思想、理論方法論到方法、技術(shù)、應(yīng)用的完整科學(xué)體系”；系統(tǒng)工程是工程項(xiàng)目等。辨識(shí)“系統(tǒng)工程”的內(nèi)涵，關(guān)注、總結(jié)、提升和推廣工程領(lǐng)域的系統(tǒng)工程方法，對于中國航天的發(fā)展和國家現(xiàn)代化建設(shè)具有重要的意義。

2 Systems Engineering與“系統(tǒng)工程”

20世紀(jì)60年代末期，在國防和航天項(xiàng)目的推動(dòng)下，美軍提出了第一個(gè)關(guān)于Systems Engineering的標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-499。與此同時(shí)，中國航天也在研制實(shí)踐中總結(jié)出了系統(tǒng)工程的基本理念。20 世紀(jì)70年代后期，“系統(tǒng)工程”的概念在中國被推廣到了更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中。

2．1 Systems Engineering

Systems Engineering在國外有明確的內(nèi)涵和相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。美軍標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-499A（1974年）定義系統(tǒng)工程是“一系列邏輯相關(guān)的活動(dòng)和決策，把使用要求轉(zhuǎn)換為一組系統(tǒng)性能參數(shù)和一個(gè)系統(tǒng)配置”［1］。國際系統(tǒng)工程協(xié)會(huì)（INCOSE）定義系統(tǒng)工程是“實(shí)現(xiàn)成功系統(tǒng)的一種跨學(xué)科的方法”，“系統(tǒng)工程注重定義用戶需求，集成所有學(xué)科和專業(yè)，構(gòu)造一個(gè)從概念、生產(chǎn)到運(yùn)行的結(jié)構(gòu)化過程，目的是提供一個(gè)滿足用戶需求的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品”［2］。系統(tǒng)工程在國外重大國防和航天項(xiàng)目的推動(dòng)下迅速發(fā)展，從軍用標(biāo)準(zhǔn)演化到商用標(biāo)準(zhǔn)（見圖1），在軍用和民用工程技術(shù)領(lǐng)域都取得了很大的成功。

圖1 國外系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)Fig．1 Foreign systems engineering standard

2．2 國內(nèi)的“系統(tǒng)工程”

中國航天創(chuàng)業(yè)初期，在總結(jié)研制實(shí)踐成功經(jīng)驗(yàn)與失敗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上提出來的“強(qiáng)調(diào)總體設(shè)計(jì)，嚴(yán)格執(zhí)行研制程序，充分進(jìn)行地面試驗(yàn)”，以及“探索研究一代，設(shè)計(jì)試制一代，定型生產(chǎn)一代”的要求和原則，是對航天系統(tǒng)研制科學(xué)規(guī)律認(rèn)識(shí)的深化，同時(shí)也奠定了中國航天系統(tǒng)工程方法的基礎(chǔ)。錢學(xué)森先生在1978年說，“總體設(shè)計(jì)部的實(shí)踐，體現(xiàn)了一種科學(xué)方法，這種科學(xué)方法就是系統(tǒng)工程（Systems Engineering）”［3］。幾十年來，中國航天科技工業(yè)管理體制歷經(jīng)調(diào)整變化，研制任務(wù)不斷更新?lián)Q代，而以強(qiáng)調(diào)總體設(shè)計(jì)為核心的系統(tǒng)工程方法，一直是中國航天系統(tǒng)研制與管理實(shí)踐不變的主旋律，是航天彈、箭、星、船研制成功的保證。

同時(shí)，國內(nèi)對“系統(tǒng)工程”的內(nèi)涵還存在著一些不同的理解和定義。

社會(huì)系統(tǒng)工程 國內(nèi)系統(tǒng)學(xué)者定義“系統(tǒng)工程”是一種改造客觀世界的技術(shù)，是對所有“系統(tǒng)”都具有普遍意義的科學(xué)方法。這樣就把工程領(lǐng)域的“系統(tǒng)工程”推廣到了諸如企業(yè)系統(tǒng)工程、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)工程、行政系統(tǒng)工程、法制系統(tǒng)工程及社會(huì)系統(tǒng)工程等廣泛的領(lǐng)域。系統(tǒng)學(xué)者建議把社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的組織管理研究作為系統(tǒng)工程的主攻方向，讓自然科學(xué)工作者、工程技術(shù)工作者和社會(huì)科學(xué)工作者共同解決國民經(jīng)濟(jì)中的一些重大問題，并且由此提出，系統(tǒng)工程活動(dòng)是咨詢活動(dòng)，系統(tǒng)工程工作者是咨詢者［4］。

系統(tǒng)工程是廣義的系統(tǒng)分析 系統(tǒng)學(xué)者還認(rèn)為，按照系統(tǒng)工程方法，總是把與系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)量關(guān)系歸納成為反映系統(tǒng)機(jī)制和性能的數(shù)學(xué)方程組（即數(shù)學(xué)模型），然后在約束條件下在計(jì)算機(jī)上求解這個(gè)數(shù)學(xué)方程組，找出答案。系統(tǒng)學(xué)者于是認(rèn)為“系統(tǒng)工程是廣義的系統(tǒng)分析”［5］。

系統(tǒng)工程思想／理論 有些系統(tǒng)學(xué)者認(rèn)為，在系統(tǒng)科學(xué)中系統(tǒng)學(xué)是基礎(chǔ)科學(xué)，運(yùn)籌學(xué)、控制論、信息論是技術(shù)科學(xué)，系統(tǒng)工程是工程技術(shù)。而另一些系統(tǒng)學(xué)者則提出了“系統(tǒng)工程學(xué)”和“系統(tǒng)工程科學(xué)”的概念。在這里，“系統(tǒng)工程”的內(nèi)涵是一個(gè)“包含從思想、理論方法論到方法、技術(shù)、應(yīng)用的完整科學(xué)體系”［6］。

系統(tǒng)工程是工程項(xiàng)目 因?yàn)镋ngineering 和Project在中文里都可以翻譯成“工程”，因此來源于Systems Engineering的“系統(tǒng)工程”，被理解為采用系統(tǒng)思維的工程項(xiàng)目（Systematic Project），“XXX 是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程”變成了一種廣泛使用的說法。

2．3 國內(nèi)外“系統(tǒng)工程”的差異

聚集在“系統(tǒng)工程”旗幟下的數(shù)學(xué)、社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等領(lǐng)域的專家和學(xué)者，以極大的熱情投入對系統(tǒng)理論、系統(tǒng)分析、運(yùn)籌學(xué)以及系統(tǒng)復(fù)雜性等方面的研究，并取得了豐碩的成果。把“系統(tǒng)工程”理解為采用系統(tǒng)思維的工程項(xiàng)目，對強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)思維也很有意義。但是，國內(nèi)外對于“系統(tǒng)工程”內(nèi)涵的不同認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致了關(guān)于“系統(tǒng)工程”的著作在內(nèi)容上的區(qū)別（見表1和表2）。國外系統(tǒng)工程著作的內(nèi)容，主要包括需求分析、系統(tǒng)全生命周期、系統(tǒng)工程過程和系統(tǒng)工程管理等；而國內(nèi)系統(tǒng)工程著作的內(nèi)容，主要包括系統(tǒng)科學(xué)、系統(tǒng)理論、系統(tǒng)分析，以及社會(huì)系統(tǒng)及其方法論等。

表1 國外Systems Engineering著作舉例Table 1 Foreign systems engineering treatises（examples）

表2 國內(nèi)“系統(tǒng)工程”教科書舉例Table 2 Domestic systems engineering textbooks（examples）

3 航天系統(tǒng)工程方法

為了避免“系統(tǒng)工程”的歧義，這里用“系統(tǒng)工程方法”來表示“Systems Engineering”。航天系統(tǒng)工程方法是從需求出發(fā)，綜合多種專業(yè)技術(shù)，通過分析-綜合-試驗(yàn)的反復(fù)迭代過程，開發(fā)出一個(gè)滿足使用要求、整體性能優(yōu)化的系統(tǒng)。航天系統(tǒng)工程方法可以用一個(gè)三維結(jié)構(gòu)形式來說明，如圖2所示。

圖2 航天系統(tǒng)工程方法的三維結(jié)構(gòu)Fig．2 Three-dimensional structure of space systems engineering

在圖2中，認(rèn)識(shí)過程是邏輯維，表示從分析、設(shè)計(jì)到驗(yàn)證的認(rèn)識(shí)過程。全生命周期是時(shí)間維，包括系統(tǒng)全生命周期中從概念研究到系統(tǒng)運(yùn)行的各個(gè)階段。專業(yè)維是系統(tǒng)所涉及的各種工程技術(shù)，特別是總體技術(shù)。航天系統(tǒng)工程方法的實(shí)踐是強(qiáng)調(diào)總體設(shè)計(jì)，遵循研制程序，以及反復(fù)應(yīng)用的分析-設(shè)計(jì)-驗(yàn)證過程（系統(tǒng)工程過程）。其主要特點(diǎn)如下。

1）強(qiáng)調(diào)總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)從需求和大系統(tǒng)約束條件出發(fā)，經(jīng)過分析綜合得到系統(tǒng)頂層體系結(jié)構(gòu)和一組功能、性能參數(shù)。根據(jù)研制對象的特點(diǎn)，再把系統(tǒng)細(xì)分到一個(gè)易于掌控的層次，并使它們成為各研制單位和人員的具體工作。經(jīng)過從部件、分系統(tǒng)到系統(tǒng)逐級研制、協(xié)調(diào)、集成與試驗(yàn)，最后得到滿足使用要求的系統(tǒng)產(chǎn)品。一個(gè)“V”模型常用來描述這個(gè)系統(tǒng)分解-集成的過程（見圖3）。

圖3 系統(tǒng)工程“V”模型Fig．3 Systems engineering“V”model

系統(tǒng)工程方法的輸入是用戶使用要求以及運(yùn)行方案（Operational Concept）。運(yùn)行方案是以用戶語言對新系統(tǒng)運(yùn)行的總體策劃，內(nèi)容包括新系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、使命、功能、運(yùn)行、維護(hù)、運(yùn)行的組織管理和工作流程，以及特定情況下的工作模式。對運(yùn)行方案的研究，幫助用戶充分認(rèn)識(shí)新系統(tǒng)及應(yīng)用體系的任務(wù)目標(biāo)、運(yùn)作過程和相關(guān)的概念，保證使命實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，幫助研制方全面深入地理解新系統(tǒng)的特征和用戶的意圖，降低研制風(fēng)險(xiǎn)。

2）遵循研制程序

研制程序是研制工作技術(shù)上循序漸進(jìn)、管理上分階段控制的過程，是系統(tǒng)全生命周期的組成部分。航天系統(tǒng)的全生命周期包括概念研究、可行性論證、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，以及部署與使用等階段。

（1）概念研究階段，從應(yīng)用需求或者技術(shù)發(fā)展機(jī)遇出發(fā)，探索新原理、新技術(shù)、新概念，提出新項(xiàng)目。對于尚不成熟的技術(shù)，開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)活動(dòng)。

（2）可行性論證階段，對符合戰(zhàn)略發(fā)展方向并且在技術(shù)相對成熟的項(xiàng)目進(jìn)行深入的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)可行性論證，提出新系統(tǒng)的運(yùn)行方案和使用要求。

（3）初步設(shè)計(jì)階段，根據(jù)使用要求確定系統(tǒng)級的功能、性能要求，建立功能基線；并將系統(tǒng)級要求分解到分系統(tǒng)，完成系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，建立研制基線。

（4）詳細(xì)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)階段，研制工程樣機(jī)，進(jìn)行功能、性能以及各種環(huán)境試驗(yàn)（初樣階段）；完成系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)，建立生產(chǎn)基線，進(jìn)行正式產(chǎn)品的生產(chǎn)，完成功能、性能測試和驗(yàn)收試驗(yàn)（正樣／試樣階段）。

（5）部署與使用階段，進(jìn)行航天系統(tǒng)的發(fā)射場測試與發(fā)射。經(jīng)過在軌測試，航天系統(tǒng)投入運(yùn)行使用。

3）反復(fù)應(yīng)用的系統(tǒng)工程過程

系統(tǒng)工程過程（SEP，見圖4）是一個(gè)結(jié)構(gòu)化的分析-設(shè)計(jì)-驗(yàn)證過程，包括要求分析、功能分析、設(shè)計(jì)綜合和試驗(yàn)驗(yàn)證。反復(fù)應(yīng)用的系統(tǒng)工程過程使認(rèn)識(shí)不斷深化，將要求逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檫m當(dāng)?shù)南到y(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖4 系統(tǒng)工程過程Fig．4 Systems engineering process

4）定量的方法——建模與仿真

系統(tǒng)論證和研制過程利用數(shù)學(xué)仿真、半實(shí)物仿真或?qū)嵨锓抡嬖囼?yàn)，可以在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)之前分析和認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的行為特征。隨著研制的進(jìn)展和認(rèn)識(shí)的深入，計(jì)算機(jī)仿真模型會(huì)逐步細(xì)化，從而使仿真試驗(yàn)更具有真實(shí)性。航天系統(tǒng)的行為符合自然科學(xué)的規(guī)律，從而為計(jì)算機(jī)建模與仿真方法奠定了可信性的基礎(chǔ)。

5）系統(tǒng)工程管理

系統(tǒng)工程方法用于技術(shù)管理過程，稱為系統(tǒng)工程管理。系統(tǒng)工程管理保證分析、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和生產(chǎn)活動(dòng)有序進(jìn)行，是項(xiàng)目管理中的技術(shù)管理。系統(tǒng)工程管理的內(nèi)容主要包括系統(tǒng)工程計(jì)劃與控制、技術(shù)工作分解結(jié)構(gòu)、技術(shù)狀態(tài)控制、技術(shù)評審和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)管理等。

航天系統(tǒng)的各級總體設(shè)計(jì)組成的系統(tǒng)工程師體系，是系統(tǒng)工程方法的實(shí)踐者和各層次的技術(shù)決策者。面對高水平的指標(biāo)要求，各種前沿的專業(yè)技術(shù)，復(fù)雜的使用環(huán)境，系統(tǒng)工程師借助其經(jīng)驗(yàn)和才智，精細(xì)設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)系統(tǒng)各組成部分及環(huán)境在信息、能量和物質(zhì)交流界面上的關(guān)系，開發(fā)出滿足要求、整體性能優(yōu)化的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整體功能和性能的“1＋1＞2”。

4 系統(tǒng)工程方法是應(yīng)對技術(shù)復(fù)雜性的有效方法

面對現(xiàn)代高科技項(xiàng)目技術(shù)復(fù)雜性的挑戰(zhàn)，系統(tǒng)工程方法是一個(gè)有效的應(yīng)對方法。統(tǒng)計(jì)（見圖5）表明：投入分別為8%和15%的早期頂層設(shè)計(jì)階段，已經(jīng)決定了后續(xù)85%的經(jīng)費(fèi)投資，從而降低了發(fā)現(xiàn)缺陷越晚損失越大的風(fēng)險(xiǎn)［2］。圖6說明，系統(tǒng)工程方法采用的力度越大，成本越低，周期越短，同時(shí)成本和進(jìn)度進(jìn)展的不確定性越?。?］。

圖5 預(yù)期全生命周期成本投入的時(shí)間關(guān)系Fig．5 Committed life cycle cost against time

圖6 成本、進(jìn)度與系統(tǒng)工程力度的關(guān)系Fig．6 Relationships of cost and schedule with systems engineering effort

5 結(jié)束語

中國系統(tǒng)學(xué)者對于系統(tǒng)科學(xué)的研究，推動(dòng)了創(chuàng)建系統(tǒng)學(xué)的進(jìn)程，也為系統(tǒng)工程方法奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。工程領(lǐng)域應(yīng)當(dāng)重視對系統(tǒng)工程方法的研究和應(yīng)用。中國航天是系統(tǒng)工程方法的倡導(dǎo)者和成功實(shí)踐者，更應(yīng)當(dāng)清楚理解系統(tǒng)工程方法的內(nèi)涵，認(rèn)真總結(jié)、提升系統(tǒng)工程方法的效能和應(yīng)用水平。隨著現(xiàn)代化建設(shè)和創(chuàng)新型國家的發(fā)展，一系列對國家安全、國民經(jīng)濟(jì)和科技進(jìn)步具有重大影響的高科技專項(xiàng)工程正在或者即將實(shí)施，借鑒和推廣系統(tǒng)工程方法，強(qiáng)調(diào)大型復(fù)雜工程項(xiàng)目管理的系統(tǒng)思維，對國家重大專項(xiàng)工程的成功和現(xiàn)代化發(fā)展具有重要的意義。

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