系統(tǒng)工程的本質(zhì)

kaller_cui 2019-10-25

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

雖然有些人口說系統(tǒng)工程，如強調(diào)某項工作很復雜時，會說，“XXX工作是一項系統(tǒng)工程”，但這里的系統(tǒng)工程其實并不是系統(tǒng)工程的真正內(nèi)涵。也有些人雖然不了解系統(tǒng)工程，但實際的工作中都在遵循系統(tǒng)工程的原則，例如我們型號工程研制需要遵守的GJB9001C與GJB5000A兩項標準，其內(nèi)容都符合了系統(tǒng)工程的原則和方法。

事實證明，系統(tǒng)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(tǒng)工程在項目中的效用進行過統(tǒng)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(tǒng)工程不是萬能的救世主，那些認為只要實施了系統(tǒng)工程就能把工程做好的人只能說對系統(tǒng)工程存在誤解。那么為什么系統(tǒng)工程能夠在工程實施中起到非常大的作用？而系統(tǒng)工程又只能在哪些方面產(chǎn)生作用，它還存在哪些不足？當前系統(tǒng)工程的最新發(fā)展又是什么？這是本文嘗試去探討的問題。

圖1

INCOSE系統(tǒng)工程手冊中圖例說明了系統(tǒng)工程產(chǎn)生的效果。共調(diào)研了148個項目，其中48個項目實施了較低水平系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)工程，從字面上理解，就是用系統(tǒng)的思維來指導工程建設。那么要了解系統(tǒng)工程，首先要了解什么是工程以及具體的工程過程是什么。

工程是指人們?yōu)楦淖兛陀^世界以滿足人類的某些需要，而將人造系統(tǒng)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(xiàn)實目的性，工程是為了滿足人類的某些需要，也就是我們常說的系統(tǒng)需求。在這一點上工程不同于科學，科學研究的目的是為了揭示事物規(guī)律，更好地認知世界。既然工程有現(xiàn)實目的性，那就涉及到權(quán)衡投入和產(chǎn)出利弊的問題，即工程任務需求方愿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(qū)分于科學和技術(shù)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(jù)需求目標以及掌握的現(xiàn)有相關技術(shù)知識，從邏輯上選擇出工程系統(tǒng)的組成單元以及組成單元之間的交互，考慮到實現(xiàn)的可行性，設計過程受到現(xiàn)有技術(shù)水平的限制，更準確地說是受到設計者掌握的技術(shù)知識水平的限制。而建造的過程是將設計的邏輯系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為物理實體系統(tǒng)的過程。建造過程涉及到人力、資金和時間的統(tǒng)籌安排，必須考慮在資金預算和工期預算之內(nèi)完成建造任務，這通常用計劃評審技術(shù)（Pert）來籌劃任務的時間和先后順序，以排出合理的工期。驗證是將建造的結(jié)果與需求和設計進行比對的過程，檢驗建造的系統(tǒng)在功能與性能方面是否符合設計要求以及用戶的真正需求，驗證通過后系統(tǒng)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(huán)。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(shù)都是成熟的，不需要進行技術(shù)突破性研究。一種是設計中采用的部分技術(shù)還需要技術(shù)突破，因為技術(shù)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、試制一代和生產(chǎn)一代”的說法。分別對應于系統(tǒng)的理論模型到原理樣機到工程樣機再到鑒定定型后生產(chǎn)。我們在此討論的系統(tǒng)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(shù)突破性研究。

工程設計過程是對現(xiàn)有工程技術(shù)知識的綜合運用。某一領域的技術(shù)知識成熟到一定階段后通常會以行業(yè)標準的形式固化下來，既作為全行業(yè)的公認技術(shù)指導，也是全行業(yè)的設計約束。技術(shù)標準代表了行業(yè)技術(shù)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(yè)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(jié)果轉(zhuǎn)化為具體的任務活動，并實施任務活動的過程。這里常用的方法是工作分解結(jié)構(gòu)（WBS），工作分解結(jié)構(gòu)中的每一項工作背后都是關聯(lián)著人力、資源和時間進度，任務與任務之間還有前、后、因果的關系。因此工程建造過程的第二項重要的任務是統(tǒng)籌任務安排以及資源分配，常用的工具是從計劃評審技術(shù)（Pert）發(fā)展而來的網(wǎng)絡計劃圖方法，典型的網(wǎng)絡計劃圖如圖3所示。

圖3 典型的網(wǎng)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(jīng)費預算和工期限制下完成人造系統(tǒng)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(shù)——系統(tǒng)工程》中說的，研制導彈武器系統(tǒng)這樣一種復雜工程系統(tǒng)所面臨的基本問題是：怎樣把比較籠統(tǒng)的初始研制要求逐步地變?yōu)槌汕先f個研制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(shù)上合理、經(jīng)濟上合算、研制周期短、能協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)的實際系統(tǒng)，并使這個系統(tǒng)成為它所從屬的更大系統(tǒng)的有效組成部分。這樣復雜的總體協(xié)調(diào)任務不可能靠一個人來完成，因為他不可能精通整個系統(tǒng)所涉及的全部專業(yè)知識，他也不可能有足夠的時間來完成數(shù)量驚人的技術(shù)協(xié)調(diào)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(guī)模社會勞動進行協(xié)調(diào)指揮。在我國國防尖端技術(shù)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(tǒng)工程是一門對工程過程進行組織管理的技術(shù)。

工程過程與質(zhì)量管理的融合

工程產(chǎn)出的系統(tǒng)能否發(fā)揮預期的功效，系統(tǒng)的質(zhì)量是非常關鍵的因素。質(zhì)量管理是社會化大生產(chǎn)的產(chǎn)物，它的發(fā)展經(jīng)歷了質(zhì)量檢驗（QT,Quality Testing）、統(tǒng)計質(zhì)量控制(SQC,Statistical Quality Control)與全面質(zhì)量管理（TQM,Total Quality Management）三個階段。逐步形成規(guī)范過程、定量控制、預防為主、持續(xù)改進等全面質(zhì)量管理的思想。初始的系統(tǒng)工程吸收了質(zhì)量管理的主要思想，讓自身得到了豐富和發(fā)展。

典型的代表是SE-CMM（系統(tǒng)工程能力成熟度模型）。CMM的核心思想是通過規(guī)范的過程來提高產(chǎn)品的質(zhì)量，并定義了不同的能力等級，以及實現(xiàn)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(zhì)量管理過程以過程域的形式定義出來，實現(xiàn)了工程過程、工程管理過程與質(zhì)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，因此我們說，實施了GJB5000A其實就是遵循了系統(tǒng)工程。工程過程與質(zhì)量管理過程的融合使得系統(tǒng)工程標準趨于成熟。

系統(tǒng)工程的核心內(nèi)容

總體來說，系統(tǒng)工程是人們從大型工程建造過程中總結(jié)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(zhì)量管理過程相融合而形成的一套成熟的方法體系。目前，關于系統(tǒng)工程存在多種定義，包括：

錢學森：系統(tǒng)工程是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設計、制造、試驗和使用的科學方法。系統(tǒng)工程是一種工程技術(shù)。

INCOSE：系統(tǒng)工程是使能（Enable）系統(tǒng)成功研制的一種跨學科的方法和途徑。

NASA：系統(tǒng)工程是設計、實現(xiàn)、技術(shù)管理、運行和淘汰一個系統(tǒng)的紀律性方法。

歐洲空間標準化合作組織：系統(tǒng)工程是一個跨學科的方法，支配將需求轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的總體技術(shù)工作。

綜合上述定義，可以總結(jié)出系統(tǒng)工程的核心，系統(tǒng)工程是一種工程總體上的組織管理技術(shù)，一種使能技術(shù)，它的價值在于規(guī)劃并指導了系統(tǒng)的構(gòu)建過程，需要經(jīng)過哪些階段過程，但是它不是系統(tǒng)實現(xiàn)所依托的具體技術(shù)本身。

系統(tǒng)工程規(guī)范主要有INCOSE的系統(tǒng)工程手冊和NASA的系統(tǒng)工程手冊兩種。二者大同小異，都是基于規(guī)范過程的方法，基本思想一致。其中NASA的系統(tǒng)工程手冊將系統(tǒng)工程過程分為兩大類，分別是技術(shù)過程和技術(shù)管理過程，技術(shù)過程對應于工程過程，是對傳統(tǒng)的基本工程過程的細分，技術(shù)管理過程融合了工程組織管理與質(zhì)量控制的過程。INCOSE系統(tǒng)工程手冊中考慮的更為寬泛，除技術(shù)過程和技術(shù)管理過程外，還包括協(xié)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(shù)過程構(gòu)成了系統(tǒng)的生命周期階段模型，即經(jīng)典的V模型。追根溯源，V模型中的階段定義又來源于著名的霍爾系統(tǒng)工程三維結(jié)構(gòu)，以上構(gòu)成了系統(tǒng)工程的核心內(nèi)容。

圖4 INCOSE系統(tǒng)工程過程模型

軟系統(tǒng)工程與社會系統(tǒng)工程

在系統(tǒng)工程理論發(fā)展史上，以霍爾的系統(tǒng)工程方法論為代表的稱為硬系統(tǒng)工程方法，它主要針對系統(tǒng)機理清楚，能用明確的數(shù)學模型描述的系統(tǒng)，如物理系統(tǒng)和工程系統(tǒng)。與之相對應的是，英國的系統(tǒng)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(shù)學模型描述的系統(tǒng)，以學習、調(diào)查過程為主的方法論，稱作軟系統(tǒng)工程方法，如社會系統(tǒng)和生物系統(tǒng)。軟系統(tǒng)的系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)狀，尋找構(gòu)成或影響因素及其關系，以便明確系統(tǒng)問題結(jié)構(gòu)、現(xiàn)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）弄清關系。弄清系統(tǒng)問題關鍵要素與關聯(lián)因素，為系統(tǒng)的發(fā)展及其研究確立各種基本的看法，并盡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(shù)學模型的情況下，用結(jié)構(gòu)模型或語言模型來描述系統(tǒng)的現(xiàn)狀。

4）比較及探尋。將現(xiàn)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(jié)果進行適當修正。

5）選擇。針對比較的結(jié)果，考慮有關人員的態(tài)度及其它社會、行為等因素，選出現(xiàn)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，并使得有關人員樂于接受和愿意為方案的實現(xiàn)竭盡全力。

7）評估與反饋。根據(jù)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(tǒng)工程方法論與錢老的社會系統(tǒng)工程思想不謀而合。錢老認為系統(tǒng)工程方法是一種普適性方法，因此應該將系統(tǒng)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(tǒng)工程，見表1。

表1 錢學森系統(tǒng)工程門類與學科基礎

系統(tǒng)工程的優(yōu)勢與不足

為什么系統(tǒng)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(tǒng)工程運用了系統(tǒng)思維，對整個工程活動進行了總體的策劃，橫向來說，考慮了構(gòu)成工程系統(tǒng)的所有成員系統(tǒng)，所有參研單位的利益相關方，縱向來說，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(tǒng)工程的思維優(yōu)勢。

其次，系統(tǒng)工程規(guī)范了整個工程活動過程，包含技術(shù)過程與技術(shù)管理過程，其中技術(shù)管理過程又融合了項目管理和質(zhì)量管理過程的內(nèi)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(guī)范的過程確實能夠保證工程產(chǎn)品的質(zhì)量。

再次，系統(tǒng)工程是一種正向設計思路。從工程的需求出發(fā)，尋找技術(shù)實現(xiàn)方案，組織構(gòu)建并開展驗證，最終完成工程系統(tǒng)并投入運行?，F(xiàn)階段，我國的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)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(xiàn)自主創(chuàng)新是我國技術(shù)發(fā)展的必經(jīng)之路。

雖然系統(tǒng)工程有諸多優(yōu)勢，但我們還應該清醒地認識到，系統(tǒng)工程不是萬能的，不是說實施了系統(tǒng)工程，我們的工程項目就一定能高質(zhì)高效地完成。系統(tǒng)工程還存在一些不足之處：一是系統(tǒng)工程缺少項目經(jīng)驗積累的過程，未考慮項目經(jīng)驗的復用；二是系統(tǒng)工程只是一種使能技術(shù)，總體規(guī)劃技術(shù)，并不能替代系統(tǒng)構(gòu)建所需要的具體技術(shù)本身，所以只實施總體技術(shù)層面的系統(tǒng)工程對于保障系統(tǒng)的成功構(gòu)建是不夠的。三是傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程基本遵循一個先分解再集成的還原論思想的指導，對于復雜的非線性系統(tǒng)，分解的難度較大，且分解后的有效性未能得到及時的驗證，特別是工程系統(tǒng)發(fā)展到系統(tǒng)之系統(tǒng)——體系后，傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程方法存在著較大的不足，體系工程理論應運而生，關于體系工程的內(nèi)容，在《艦隊防空力量的體系化思考》一文中已有過相關論述。而隨著模型驅(qū)動的系統(tǒng)開發(fā)方法的興起，特別是在軟件領域，人們將模型驅(qū)動與系統(tǒng)工程相結(jié)合，提出了基于模型的系統(tǒng)工程方法（Model based System Engineering，MBSE）。

系統(tǒng)工程的新發(fā)展新方向：MBSE

針對傳統(tǒng)系統(tǒng)工程方法中存在的缺少項目經(jīng)驗積累的過程，未考慮項目經(jīng)驗的復用，以及系統(tǒng)工程過程是一種總體規(guī)劃技術(shù)并不能替代系統(tǒng)構(gòu)建所需要的具體技術(shù)本身的問題，人們將模型驅(qū)動的系統(tǒng)開發(fā)方法與系統(tǒng)工程相結(jié)合，提出了基于模型的系統(tǒng)工程方法（Model based System Engineering，MBSE）。該方法MBSE強調(diào)貫穿于全生命周期的技術(shù)過程的形式化建模，建立的系統(tǒng)模型既解決了項目經(jīng)驗積累和復用的問題，也通過多視角的系統(tǒng)頂層需求建模與系統(tǒng)架構(gòu)建模，為復雜系統(tǒng)或體系的向下分解與及時驗證提供了模型依據(jù)，體現(xiàn)了整體論與還原論的辯證統(tǒng)一；而針對物理層構(gòu)建的各專業(yè)領域（機械、電子、流體、力學、氣動等）的物理模型，也體現(xiàn)了對具體實現(xiàn)技術(shù)的描述，使系統(tǒng)工程不再僅僅是使能技術(shù)，還包含了完整的工程實現(xiàn)所需的技術(shù)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(tǒng)一的、無二義性的產(chǎn)品，為后續(xù)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(tǒng)的系統(tǒng)工程相比，最主要的區(qū)別是貫穿于全生命周期的技術(shù)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(yōu)點在于：

1）描述嚴謹，無二義性，便于溝通交流，這也是SysML的前身UML稱為統(tǒng)一建模語言的優(yōu)勢所在；

2）能從不同視角準確描述系統(tǒng)的行為和規(guī)律（活動圖、順序圖和狀態(tài)圖等），便于開展各類分析工作，提高開發(fā)的質(zhì)量；

3）建立的模型能支持動態(tài)執(zhí)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(xiàn)設計改進提供了技術(shù)途徑。

總之，傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程是一種運用系統(tǒng)思維來組織管理工程過程的工程技術(shù)，它融合了工程過程、工程管理過程和質(zhì)量管理過程，形成一套規(guī)范的過程模型。它是一種系統(tǒng)思維視角下的總體規(guī)劃技術(shù)，一種使能技術(shù)。而隨著基于模型的系統(tǒng)工程的提出，將傳統(tǒng)系統(tǒng)工程延伸到了具體的物理域，使得系統(tǒng)工程成為一種一以貫之的工程方法，讓系統(tǒng)工程煥發(fā)出更旺盛的生命力，將為我國技術(shù)發(fā)展的正向創(chuàng)新之路做出更大的貢獻。

系統(tǒng)工程融合了部分的工程項目管理與質(zhì)量管理過程，但項目管理與質(zhì)量管理也都是門獨立的學科，如項目管理中的PMBOOK與CMMI，質(zhì)量管理中的全面質(zhì)量管理體系，他們之間的共性和區(qū)別分別是什么？系統(tǒng)的質(zhì)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(zhì)量特性，他們分別對應于相應的專業(yè)功能，如可靠性工程等，系統(tǒng)工程與這些專業(yè)工程活動之間關系又將怎樣？后續(xù)我們繼續(xù)為大家深入剖析。

（本文已發(fā)表在《艦船知識》7月刊）

作者：張宏軍黃百喬鞠鴻彬

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