“系统工程”辨析

郭宝柱

（中国航天科技集团公司，北京 100048）

1 引言

系统工程（Systems Engineering）是成功实现系统的方法，有明确的内涵和定义，在国外工程技术领域取得了很大的成功，也是中国航天成功的保证。但是，在国内对“系统工程”的内涵有多方面的理解。例如：系统工程的主攻方向是研究社会经济系统的组织管理问题；系统工程是广义的系统分析；系统工程是一种决策咨询活动；系统工程是一个“包含从思想、理论方法论到方法、技术、应用的完整科学体系”；系统工程是工程项目等。辨识“系统工程”的内涵，关注、总结、提升和推广工程领域的系统工程方法，对于中国航天的发展和国家现代化建设具有重要的意义。

2 Systems Engineering与“系统工程”

20世纪60年代末期，在国防和航天项目的推动下，美军提出了第一个关于Systems Engineering的标准MIL-STD-499。与此同时，中国航天也在研制实践中总结出了系统工程的基本理念。20 世纪70年代后期，“系统工程”的概念在中国被推广到了更广泛的应用领域当中。

2．1 Systems Engineering

Systems Engineering在国外有明确的内涵和相关的标准。美军标准MIL-STD-499A（1974年）定义系统工程是“一系列逻辑相关的活动和决策，把使用要求转换为一组系统性能参数和一个系统配置”［1］。国际系统工程协会（INCOSE）定义系统工程是“实现成功系统的一种跨学科的方法”，“系统工程注重定义用户需求，集成所有学科和专业，构造一个从概念、生产到运行的结构化过程，目的是提供一个满足用户需求的优质产品”［2］。系统工程在国外重大国防和航天项目的推动下迅速发展，从军用标准演化到商用标准（见图1），在军用和民用工程技术领域都取得了很大的成功。

图1 国外系统工程标准Fig．1 Foreign systems engineering standard

2．2 国内的“系统工程”

中国航天创业初期，在总结研制实践成功经验与失败教训的基础上提出来的“强调总体设计，严格执行研制程序，充分进行地面试验”，以及“探索研究一代，设计试制一代，定型生产一代”的要求和原则，是对航天系统研制科学规律认识的深化，同时也奠定了中国航天系统工程方法的基础。钱学森先生在1978年说，“总体设计部的实践，体现了一种科学方法，这种科学方法就是系统工程（Systems Engineering）”［3］。几十年来，中国航天科技工业管理体制历经调整变化，研制任务不断更新换代，而以强调总体设计为核心的系统工程方法，一直是中国航天系统研制与管理实践不变的主旋律，是航天弹、箭、星、船研制成功的保证。

同时，国内对“系统工程”的内涵还存在着一些不同的理解和定义。

社会系统工程 国内系统学者定义“系统工程”是一种改造客观世界的技术，是对所有“系统”都具有普遍意义的科学方法。这样就把工程领域的“系统工程”推广到了诸如企业系统工程、经济系统工程、行政系统工程、法制系统工程及社会系统工程等广泛的领域。系统学者建议把社会经济系统的组织管理研究作为系统工程的主攻方向，让自然科学工作者、工程技术工作者和社会科学工作者共同解决国民经济中的一些重大问题，并且由此提出，系统工程活动是咨询活动，系统工程工作者是咨询者［4］。

系统工程是广义的系统分析 系统学者还认为，按照系统工程方法，总是把与系统有关的数量关系归纳成为反映系统机制和性能的数学方程组（即数学模型），然后在约束条件下在计算机上求解这个数学方程组，找出答案。系统学者于是认为“系统工程是广义的系统分析”［5］。

系统工程思想／理论 有些系统学者认为，在系统科学中系统学是基础科学，运筹学、控制论、信息论是技术科学，系统工程是工程技术。而另一些系统学者则提出了“系统工程学”和“系统工程科学”的概念。在这里，“系统工程”的内涵是一个“包含从思想、理论方法论到方法、技术、应用的完整科学体系”［6］。

系统工程是工程项目 因为Engineering 和Project在中文里都可以翻译成“工程”，因此来源于Systems Engineering的“系统工程”，被理解为采用系统思维的工程项目（Systematic Project），“XXX 是一项复杂的系统工程”变成了一种广泛使用的说法。

2．3 国内外“系统工程”的差异

聚集在“系统工程”旗帜下的数学、社会学、经济学等领域的专家和学者，以极大的热情投入对系统理论、系统分析、运筹学以及系统复杂性等方面的研究，并取得了丰硕的成果。把“系统工程”理解为采用系统思维的工程项目，对强调系统思维也很有意义。但是，国内外对于“系统工程”内涵的不同认识，导致了关于“系统工程”的著作在内容上的区别（见表1和表2）。国外系统工程著作的内容，主要包括需求分析、系统全生命周期、系统工程过程和系统工程管理等；而国内系统工程著作的内容，主要包括系统科学、系统理论、系统分析，以及社会系统及其方法论等。

表1 国外Systems Engineering著作举例Table 1 Foreign systems engineering treatises（examples）

表2 国内“系统工程”教科书举例Table 2 Domestic systems engineering textbooks（examples）

3 航天系统工程方法

为了避免“系统工程”的歧义，这里用“系统工程方法”来表示“Systems Engineering”。航天系统工程方法是从需求出发，综合多种专业技术，通过分析-综合-试验的反复迭代过程，开发出一个满足使用要求、整体性能优化的系统。航天系统工程方法可以用一个三维结构形式来说明，如图2所示。

图2 航天系统工程方法的三维结构Fig．2 Three-dimensional structure of space systems engineering

在图2中，认识过程是逻辑维，表示从分析、设计到验证的认识过程。全生命周期是时间维，包括系统全生命周期中从概念研究到系统运行的各个阶段。专业维是系统所涉及的各种工程技术，特别是总体技术。航天系统工程方法的实践是强调总体设计，遵循研制程序，以及反复应用的分析-设计-验证过程（系统工程过程）。其主要特点如下。

1）强调总体设计

总体设计从需求和大系统约束条件出发，经过分析综合得到系统顶层体系结构和一组功能、性能参数。根据研制对象的特点，再把系统细分到一个易于掌控的层次，并使它们成为各研制单位和人员的具体工作。经过从部件、分系统到系统逐级研制、协调、集成与试验，最后得到满足使用要求的系统产品。一个“V”模型常用来描述这个系统分解-集成的过程（见图3）。

图3 系统工程“V”模型Fig．3 Systems engineering“V”model

系统工程方法的输入是用户使用要求以及运行方案（Operational Concept）。运行方案是以用户语言对新系统运行的总体策划，内容包括新系统的运行环境、使命、功能、运行、维护、运行的组织管理和工作流程，以及特定情况下的工作模式。对运行方案的研究，帮助用户充分认识新系统及应用体系的任务目标、运作过程和相关的概念，保证使命实现；同时，帮助研制方全面深入地理解新系统的特征和用户的意图，降低研制风险。

2）遵循研制程序

研制程序是研制工作技术上循序渐进、管理上分阶段控制的过程，是系统全生命周期的组成部分。航天系统的全生命周期包括概念研究、可行性论证、初步设计、详细设计与生产，以及部署与使用等阶段。

（1）概念研究阶段，从应用需求或者技术发展机遇出发，探索新原理、新技术、新概念，提出新项目。对于尚不成熟的技术，开展关键技术攻关活动。

（2）可行性论证阶段，对符合战略发展方向并且在技术相对成熟的项目进行深入的经济、技术可行性论证，提出新系统的运行方案和使用要求。

（3）初步设计阶段，根据使用要求确定系统级的功能、性能要求，建立功能基线；并将系统级要求分解到分系统，完成系统方案设计，建立研制基线。

（4）详细设计与生产阶段，研制工程样机，进行功能、性能以及各种环境试验（初样阶段）；完成系统详细设计，建立生产基线，进行正式产品的生产，完成功能、性能测试和验收试验（正样／试样阶段）。

（5）部署与使用阶段，进行航天系统的发射场测试与发射。经过在轨测试，航天系统投入运行使用。

3）反复应用的系统工程过程

系统工程过程（SEP，见图4）是一个结构化的分析-设计-验证过程，包括要求分析、功能分析、设计综合和试验验证。反复应用的系统工程过程使认识不断深化，将要求逐步转变为适当的系统设计。

图4 系统工程过程Fig．4 Systems engineering process

4）定量的方法——建模与仿真

系统论证和研制过程利用数学仿真、半实物仿真或实物仿真试验，可以在产品实现之前分析和认识系统的行为特征。随着研制的进展和认识的深入，计算机仿真模型会逐步细化，从而使仿真试验更具有真实性。航天系统的行为符合自然科学的规律，从而为计算机建模与仿真方法奠定了可信性的基础。

5）系统工程管理

系统工程方法用于技术管理过程，称为系统工程管理。系统工程管理保证分析、设计、试验和生产活动有序进行，是项目管理中的技术管理。系统工程管理的内容主要包括系统工程计划与控制、技术工作分解结构、技术状态控制、技术评审和技术风险管理等。

航天系统的各级总体设计组成的系统工程师体系，是系统工程方法的实践者和各层次的技术决策者。面对高水平的指标要求，各种前沿的专业技术，复杂的使用环境，系统工程师借助其经验和才智，精细设计和协调系统各组成部分及环境在信息、能量和物质交流界面上的关系，开发出满足要求、整体性能优化的系统，实现整体功能和性能的“1＋1＞2”。

4 系统工程方法是应对技术复杂性的有效方法

面对现代高科技项目技术复杂性的挑战，系统工程方法是一个有效的应对方法。统计（见图5）表明：投入分别为8%和15%的早期顶层设计阶段，已经决定了后续85%的经费投资，从而降低了发现缺陷越晚损失越大的风险［2］。图6说明，系统工程方法采用的力度越大，成本越低，周期越短，同时成本和进度进展的不确定性越小［2］。

图5 预期全生命周期成本投入的时间关系Fig．5 Committed life cycle cost against time

图6 成本、进度与系统工程力度的关系Fig．6 Relationships of cost and schedule with systems engineering effort

5 结束语

中国系统学者对于系统科学的研究，推动了创建系统学的进程，也为系统工程方法奠定了理论和技术基础。工程领域应当重视对系统工程方法的研究和应用。中国航天是系统工程方法的倡导者和成功实践者，更应当清楚理解系统工程方法的内涵，认真总结、提升系统工程方法的效能和应用水平。随着现代化建设和创新型国家的发展，一系列对国家安全、国民经济和科技进步具有重大影响的高科技专项工程正在或者即将实施，借鉴和推广系统工程方法，强调大型复杂工程项目管理的系统思维，对国家重大专项工程的成功和现代化发展具有重要的意义。

（References）

［1］USAF．MIL-STD-499A Systems engineering management［S］．Washington D．C．：Department of Defense，1974

［2］Haskins C．INCOSE systems engineering handbook V3［Z］．San Diego，California：INCOSE，2006

［3］钱学森．论系统工程［M］．长沙：湖南科学技术出版社，1988

Qian Xuesen．Systems engineering［M］．Changsha：Hunan Science ＆Technology Press，1988（in Chinese）

［4］许国志．系统科学与工程研究［M］．上海：上海科技教育出版社，2000

Xu Guozhi．System science and engineering analysis［M］．Shanghai：Shanghai Scientific and Technological Education Publishing House，2000（in Chinese）

［5］许国志，顾基发，车宏安．系统科学［M］．上海：上海科技出版社，2000

Xu Guozhi，Gu Jifa，Che Hongan．System science［M］．Shanghai：Shanghai Scientific and Technical Publishers，2000（in Chinese）

［6］王应洛．系统工程学［M］．北京：高等教育出版社，2007

Wang Yingluo．Systems engineering［M］．Beijing：Higher Education Press，2007（in Chinese）

［7］NASA．NASA systems engineering handbook［Z］．Washington D．C．：NASA，2007

［8］Kossiakoff A，Sweet W N．Systems engineering：principles and practice［M］．New York：John Wiley，2003

［9］Blanchard B S．Systems engineering management［M］．2nd ed．New York：John Wiley，1998

［10］黄贯虹，方刚．系统工程方法与应用［M］．广州：暨南大学出版社，2005

Huang Guanhong，Fang Gang．Systems engineering method and application［M］．Guangzhou：Jinan University Press，2005（in Chinese）

［11］高志亮．系统工程方法论［M］．西安：西北工业大学出版社，2004

Gao Zhiliang．Systems engineering method［M］．Xi’an：Northwestern Polytechnical University Press，2004 （in Chinese）