欒恩杰，陳紅濤，趙 滟，胡良元

（1. 國家國防科工局，北京 100048；

2. 中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院，北京 100037）

工程系統(tǒng)與系統(tǒng)工程

欒恩杰1，陳紅濤2，趙 滟2，胡良元2

（1. 國家國防科工局，北京 100048；

2. 中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院，北京 100037）

從工程本體論出發(fā)，討論系統(tǒng)工程這種“組織管理的方法”如何保障工程的順利開展、如何保障工程系統(tǒng)的設(shè)計建造過程、如何確保工程目標的實現(xiàn)。著重討論兩個密切相關(guān)又容易混淆的概念：工程系統(tǒng)與系統(tǒng)工程?！肮こ滔到y(tǒng)”是指具體的某個工程及其產(chǎn)出物，并且該工程具有系統(tǒng)性；而“系統(tǒng)工程”不是工程系統(tǒng)本身，而是工程系統(tǒng)設(shè)計建造的方法及過程，兩者統(tǒng)一于工程的進行過程之中，是實現(xiàn)工程目標的兩個支柱。簡要介紹了系統(tǒng)工程的新進展——基于模型的系統(tǒng)工程。

工程；工程系統(tǒng)；系統(tǒng)工程；基于模型的系統(tǒng)工程

引言

工程是人類的一項創(chuàng)造性實踐活動，是人類為了改善自身生存、生活條件，根據(jù)當時對自然規(guī)律的認識而進行的一項物化勞動過程［1］5。一個完整的工程應當包括工程活動的全過程和工程活動的成果，工程過程和工程結(jié)果不可分離，最后的成果和產(chǎn)物是工程過程的組成部分［2］90。如何保障工程過程的順利開展，得到符合人的要求的工程結(jié)果，則需要系統(tǒng)工程這一方法的保障。

1 工程系統(tǒng)與系統(tǒng)工程的概念辨析

工程系統(tǒng)和系統(tǒng)工程是容易混淆的概念，需要對二者的概念進行明晰地區(qū)分。

1.1 工程系統(tǒng)的定義及特征

從三元論的觀點看，科學、技術(shù)、工程是分不開的。科學技術(shù)是工程的支撐，同時也限制工程。當前科學技術(shù)與工程的發(fā)展，已經(jīng)呈現(xiàn)出科學、技術(shù)、工程“無首尾邏輯”的局面［3］324。從科學、技術(shù)、工程的關(guān)系來看，工程具有以下特點。

1.1.1 工程的特點

1）工程必須關(guān)注結(jié)果和目標的實現(xiàn)

工程都有目標、指標、方案、投入、完成時間等具體內(nèi)容和要求，而這些都應當是可實現(xiàn)、可檢查、可驗證的，而不是用諸如“應有好的質(zhì)量、美觀的設(shè)計、耐用的品質(zhì)、安全放心”等描述性語句來表達。同樣，也不能在一個具體的工程項目中開展探索研究，在工程階段不允許“摸著石頭過河”。

2）現(xiàn)代工程是多學科跨領(lǐng)域的科學技術(shù)復合體

工程是技術(shù)的組合性應用。如航天的運載火箭，就其動力而言，不論是固體推進，還是液體推進，都屬于化工范疇；使火箭產(chǎn)生有效推力和有目的行為的，是其控制系統(tǒng)和相應的閥門、管路、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)，這些屬于信息與控制范疇；火箭的最大部分是有極高的特殊要求的各種容器，如推進劑貯箱、各種高壓的氣體貯箱等，又屬于材料、工藝、機械范疇。因此，火箭是一個綜合體，是跨專業(yè)、跨學科綜合的系統(tǒng)性成果。

3）重大工程必須有必要條件說明

重大工程的跨學科特性，要求我們跨出具體學科的視角，在確定一個工程的時候，一定要詢問與它相關(guān)的技術(shù)準備的怎么樣了，這是工程確立的“必要條件說明”。比如現(xiàn)在有學者在談論人類移居火星，要把火星變成適宜人類居住的星球，這是非常誘人的計劃。但我們不能違背工程的特點——“必要條件說明”去決策。一旦講到“工程”，如果沒有經(jīng)過“必要條件說明”就開展工程實踐，則必然會碰壁。這種轟轟烈烈上馬，凄凄慘慘收場的工程并不少見。

4）工程需建立責任制與問責機制

工程項目必須建立責任制，工程項目的責任制建設(shè)也與工程結(jié)構(gòu)一樣是一個樹形結(jié)構(gòu)，每個人都在責任體系中占有一個相應的位置。工程需要問責機制，所謂問責就是對工程所確定的那些具體內(nèi)容進行全面審計、審查并進行補充完善的過程。工程必須有具體的時間表和明確的路線圖，而且必須要在定義和說明的共識下完成這些目標，否則要問責。我國航天“定位準確，機理清楚，問題復現(xiàn)，措施有效，舉一反三”的技術(shù)歸零五條標準和“過程清楚，責任明確，措施落實，嚴肅處理，完善規(guī)章”的管理歸零五條標準充分體現(xiàn)了工程的問責，共同構(gòu)成了航天質(zhì)量的責任制和問責機制，并作為標準在我國軍工行業(yè)得到了推廣應用，同時在2015年被國際標準化組織采納為國際標準ISO 18238 Space systems－Closed Loop Problem Solving Management（航天質(zhì)量問題歸零）。

5）工程必須關(guān)注全壽命周期

工程不僅要關(guān)注建造過程，更要關(guān)注之前的設(shè)計過程、論證過程，以及工程完工之后的運行、保障甚至退役處置工作。工程首先要設(shè)計出來，設(shè)計方案決定了建造過程；工程交付用戶后，需要持續(xù)的維修保障工作，以使工程系統(tǒng)恢復、保持其良好的狀態(tài)，持續(xù)為用戶提供價值，所以工程必須注重維修保障工作，同時保障性需要在前期的設(shè)計中予以充分關(guān)注，并和功能性特征一并考慮、協(xié)調(diào)，在設(shè)計方案中體現(xiàn)出來。對于某些特殊的工程，還要注重退役處置、報廢的工作，如衛(wèi)星在壽命期滿后要合理處置，避免其變成太空垃圾、空間碎片，核電站的退役處置也要關(guān)注核燃料的污染問題。

6）工程必須重視對自然環(huán)境和經(jīng)濟社會的影響

任何一項工程，特別是重大工程，一定會面臨機會成本的權(quán)衡。工程總處于特定的自然和社會環(huán)境中，工程所用的原材料，來自特定的環(huán)境（自然環(huán)境）；工程的設(shè)計過程、建造過程，是對周圍環(huán)境的適應和改造；工程的產(chǎn)出物要交付給用戶，放在用戶的業(yè)務流程中運行，處于用戶的環(huán)境中。因此，在工程的全壽命周期，都必須充分地考慮環(huán)境條件的支持和制約作用，關(guān)注工程對自然資源的耗費，開展工程的伴生物分析，履行工程的社會責任。

1.1.2 工程系統(tǒng)的定義

工程系統(tǒng)是為了實現(xiàn)集成創(chuàng)新和建構(gòu)等功能，由各種“技術(shù)要素”和諸多“非技術(shù)要素”按照特定目標及功能要求所形成的完整的集成系統(tǒng)［2］74。從工程哲學的視角來看，工程活動的核心是構(gòu)建出一個新的存在物。工程活動中所采用（集成）的各種技術(shù)始終圍繞著一個新的存在物展開，所以構(gòu)建新的存在物是工程活動的基本標志。簡言之，工程系統(tǒng)是工程的成果、產(chǎn)出物、交付物，是能夠為社會、為用戶帶來益處的人工創(chuàng)造物。例如衛(wèi)星工程，經(jīng)過策劃、論證、設(shè)計、建造、在軌測試，最后交付給用戶的是一個符合設(shè)計要求、可以持續(xù)提供天基信息服務的衛(wèi)星系統(tǒng)，這就是衛(wèi)星工程的成果、產(chǎn)出物、交付物。

工程系統(tǒng)之所以稱為系統(tǒng)，是因為這一工程由許多部分組成，而且這些組成部分并不是各自獨立的，它們之間具有緊密的關(guān)聯(lián)性，即整個工程具有系統(tǒng)性。所有的組成部分構(gòu)成了工程系統(tǒng)，這些組成部分包括各個系統(tǒng)及其部件，建造過程中的所有環(huán)節(jié)，工程所需要的各種資源，以及確保工程順利實施的支持系統(tǒng)。從最終結(jié)果來看，工程系統(tǒng)是最終交付給工程需求者的客觀存在物。工程系統(tǒng)具有整體性和層次性、統(tǒng)一性和協(xié)同性、目標一致性、匹配性等特征。

1.2 工程系統(tǒng)設(shè)計建造及運行的方法——系統(tǒng)工程

隨著人們建造的工程系統(tǒng)越來越復雜、體系化更強，要求人們必須全面考慮建造過程中的各種影響因素，提前規(guī)劃工程進展中遇到的各種問題，協(xié)調(diào)來自各單位的工程參與者，統(tǒng)籌考慮工程項目的質(zhì)量、進度、成本問題。正如錢學森所說，“導彈武器系統(tǒng)是現(xiàn)代最復雜的工程系統(tǒng)之一，要靠成千上萬人的大力協(xié)同工作才能研制成功。研制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”［4］10。這個“基本問題”實際上就是系統(tǒng)工程所要解決的問題，這也是系統(tǒng)工程應運而生的背景。

20世紀60年代至70年代初，隨著美國阿波羅工程的實施，美國國家航空航天局（NASA）提出了最初的系統(tǒng)工程理念和理論方法體系?？梢哉f，阿波羅工程在技術(shù)、管理上的復雜性，以及工程成敗對政治、經(jīng)濟、社會影響的深遠性，決定了系統(tǒng)工程產(chǎn)生的必然性。

大部分航天工程都具有阿波羅工程的特點，這些工程都必須保證在技術(shù)上、管理上不出紕漏，不發(fā)生重大失誤，避免經(jīng)濟損失和人員損失及其對國家聲望帶來的不利影響。因此，重大工程實踐及科技事業(yè)的發(fā)展也在不斷推動系統(tǒng)工程的進步和完善。

在航天之外，系統(tǒng)工程在其他領(lǐng)域也得到了普遍的應用。例如，系統(tǒng)工程已成為商用飛機行業(yè)通用的指導飛機研制的方法，各主要民機制造商、行業(yè)協(xié)會和相關(guān)機構(gòu)都圍繞系統(tǒng)工程應用，編制了大量的指導方法和標準。例如，SAE ARP4754A《民用飛機及其系統(tǒng)的研制指南》是航空領(lǐng)域一份重要的實踐指南，將系統(tǒng)工程和安全性設(shè)計融入到了民用飛機研制和適航取證過程中。系統(tǒng)工程在國際飛行器研制過程中已經(jīng)得到廣泛應用并取得了顯著的效果，并在波音、空客、米格等巨頭公司最佳實踐經(jīng)驗中得到了總結(jié)和提升［5］84。

實踐證明，對于復雜工程系統(tǒng)來說，系統(tǒng)工程是行之有效的方法體系。復雜工程的從業(yè)者必須用系統(tǒng)工程來保證工程系統(tǒng)是優(yōu)質(zhì)的，是符合社會需要的，能夠按時且在成本預算內(nèi)完成。從本體論來說，系統(tǒng)工程的運用對象是工程系統(tǒng)；從指導工程系統(tǒng)建造的方法論來說，系統(tǒng)工程強調(diào)的是一種方法和手段；從工程實踐活動看，系統(tǒng)工程重在運行。

錢學森院士對系統(tǒng)工程的定義是：“系統(tǒng)工程是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、計劃、試驗和使用的科學方法，是一種對所有系統(tǒng)都有普遍意義的科學方法?！保?］12所以我們認為錢老的定義是將系統(tǒng)工程歸于方法論這一范疇，在工程方法論中有重要的位置。

1.2.1 系統(tǒng)工程概念辨析

目前，工程界、學術(shù)界對工程系統(tǒng)的界定、定義、內(nèi)涵爭議不大，但對系統(tǒng)工程（英文Systems Engineering的翻譯），從名稱的翻譯到具體的內(nèi)涵，都存在某些爭議，主要包括以下三個方面。

1）系統(tǒng)工程是方法還是“工程”？

實際上，Systems Engineering中Engineering是動詞engineer的動名詞，engineer作為動詞的含義是“策劃、設(shè)計、建造等”，此處的engineering不是名詞，不是電子工程（Electronic Engineering）、鐵道工程、水利工程中的工程。Systems Engineering這個短語是動名詞后置，其含義是how to engineer a system？即如何策劃、設(shè)計、建造、運行一個系統(tǒng)，強調(diào)的是方法，以及相應的步驟、流程、程序，強調(diào)把系統(tǒng)設(shè)計、建造出來的過程，因為方法的運用必然要通過一系列活動、經(jīng)歷一系列的步驟和過程，持續(xù)不斷地運行。

系統(tǒng)工程的最新國際標準《系統(tǒng)和軟件工程——系統(tǒng)壽命周期過程》（ISO 15288 2015）給出了系統(tǒng)工程的最新定義：系統(tǒng)工程是“管控整個技術(shù)和管理活動的跨學科的方法，這些活動將一組客戶的需求、期望和約束轉(zhuǎn)化為一個解決方案，并在全壽命周期中對該方案進行支持”［6］10。同時，Systems Engineering一詞在國外是有固定含義的術(shù)語，也出版了很多標準、規(guī)范，如美國的軍用標準Mil-Std 499、NASA的系統(tǒng)工程手冊、歐洲的 ECSS-E-ST-10C（空間工程——系統(tǒng)工程總要求）等等。

追根溯源，為統(tǒng)一對“系統(tǒng)工程”的理解，應明確系統(tǒng)工程是工程系統(tǒng)設(shè)計、建造及運營所采用的方法和技術(shù)。

2）社會上廣泛使用的“系統(tǒng)工程”是否是系統(tǒng)工程？

在我國，“系統(tǒng)工程”這一術(shù)語到目前仍沒有一個統(tǒng)一的標準語言來進行定義，尚未取得完整性的共識。同時，由于“系統(tǒng)”和“工程”的概念很普及，因此，“系統(tǒng)工程”在我國的語境下極易被理解為“系統(tǒng)性的工程”、“復雜的工程”、“牽涉面比較廣的工程”這類描述性的概念。許多工程都被冠以“系統(tǒng)工程”的稱號，例如經(jīng)常說“某某工程”是一項“系統(tǒng)工程”，其本意是強調(diào)該工程的復雜性，說明工程由多層次、多環(huán)節(jié)構(gòu)成，并且受到許多因素的影響和制約，是“系統(tǒng)性的工程”（此處工程的含義是project，是工程項目），是需要采用系統(tǒng)工程方法來開展工作的工程項目，其目的是引起各方面對工程項目的重視，促使相關(guān)部門開展協(xié)調(diào)和配合，例如，三峽工程是一項系統(tǒng)性的工程。這種將“系統(tǒng)工程”作為描述性詞匯的做法，誤解了系統(tǒng)工程作為方法的本意，實際上這種誤解仍然源自于把系統(tǒng)工程當作“工程”而不是方法。

3）廣義系統(tǒng)工程與原義的系統(tǒng)工程之分

錢學森在1978年提出工程項目應當采用系統(tǒng)工程后，又將該方法推廣到社會系統(tǒng)中，提出了經(jīng)濟系統(tǒng)工程［7］80、教育系統(tǒng)工程、法治系統(tǒng)工程等［8］178［9］79，也引發(fā)了1980年代的系統(tǒng)工程熱，大學也開展了系統(tǒng)工程專業(yè)，出版了很多系統(tǒng)工程教科書，但這些大都是社會系統(tǒng)層面的系統(tǒng)工程，也可以說是廣義的系統(tǒng)工程。對應用于航空、航天、船舶、鐵路等領(lǐng)域的系統(tǒng)工程，研究與探討并不多，由于所處理對象的不同，這兩個層次的系統(tǒng)工程分別稱為廣義的系統(tǒng)工程和原義的系統(tǒng)工程。但兩者的核心是相同的，都處于系統(tǒng)科學中的工程技術(shù)層次，都是在系統(tǒng)思想指導下開展相關(guān)工作。

綜合以上三點，我們明確本文討論的系統(tǒng)工程是工程系統(tǒng)設(shè)計、建造與運營的方法，是組織管理的技術(shù)，是原義的系統(tǒng)工程，更具體地說，就是工程系統(tǒng)工程（區(qū)別于處理社會問題那種“廣義”的社會系統(tǒng)工程、系統(tǒng)方法等）。

1.2.2 國內(nèi)外學者和文獻對系統(tǒng)工程的定義

日本工業(yè)標準（JIS）、《大英百科全書》（1974年）、《美國百科全書》（1975年）、《蘇聯(lián)百科全書》（1976年）、《中國大百科全書—自動控制與系統(tǒng)工程卷》等有類似的定義，即：“系統(tǒng)工程是一門研究復雜系統(tǒng)的設(shè)計、建立、試驗和運行的科學技術(shù)”［10］79。

這些定義內(nèi)涵大體一致，即認為系統(tǒng)工程是設(shè)計、建造工程系統(tǒng)的一整套的方法和技術(shù)，此處的技術(shù)并不是具體工程項目中應用的電子技術(shù)、機械技術(shù)，而是組織管理的技術(shù)。

圖1 國外系統(tǒng)工程標準的發(fā)展演化路線圖

系統(tǒng)工程在國外重大國防和航天項目的推動下迅速發(fā)展，從軍用標準演化到商用標準，在軍用和民用工程技術(shù)領(lǐng)域都取得了很大的成功［11］2。這些系統(tǒng)工程的標準、手冊等，表明了國外對系統(tǒng)工程內(nèi)涵理解的一致性、共識。

1.2.3 系統(tǒng)工程是指導工程實踐的方法論

錢學森認為，“系統(tǒng)工程就是從系統(tǒng)的認識出發(fā)，設(shè)計和實施一個整體，以求達到我們所希望得到的效果。我們稱之為工程，就是要強調(diào)達到效果，要具體，要有可行的措施，也就是實干，改造客觀世界”。所以，系統(tǒng)工程的實踐性很強，要講究實干，要面對實實在在的現(xiàn)實世界，面對各種約束條件。

如何保證工程目標的實現(xiàn)，而且是完美地實現(xiàn)，是系統(tǒng)工程成為“組織管理系統(tǒng)的技術(shù)”的關(guān)鍵。認識總結(jié)國內(nèi)外航天工程實踐的經(jīng)驗和教訓，不斷完善工程師的知識和本領(lǐng)，用系統(tǒng)工程的理念、概念、經(jīng)驗和方法，依系統(tǒng)工程的程序和原則來指導工程實踐，這是我國航天工程成功的基本經(jīng)驗。這些經(jīng)驗也值得其他工程行業(yè)參考和借鑒。

2 系統(tǒng)工程運行

從時域上講，系統(tǒng)工程運行是指從系統(tǒng)的論證開始，到工程系統(tǒng)的設(shè)計、建造、完成并交付，以及工程系統(tǒng)的運營、維護，一直到其壽命期結(jié)束。從內(nèi)容上講，系統(tǒng)工程運行則指工程系統(tǒng)任務書的形成（論證、立項結(jié)束）、工程系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計、工程系統(tǒng)的建造及驗證、工程系統(tǒng)的最終驗收和交付，以及工程系統(tǒng)壽命期（合同確定的運營期）的服務和保證［12］34。

2.1 系統(tǒng)工程包括技術(shù)過程和管理過程

技術(shù)過程就是從用戶的需求變成實際產(chǎn)品的過程。如圖2中下半部的V型圖所示：左邊是一個自上而下、從用戶需求開始將系統(tǒng)逐層分解為分系統(tǒng)、單機、零部件、原材料的過程；右邊是把最低層次的零部件自下而上逐級進行組裝、集成、驗證，形成系統(tǒng)，交付用戶，滿足用戶需求的過程。技術(shù)過程的輸入是用戶的需求文檔，供應商的原材料、零部件及其技術(shù)信息等；輸出是導彈系統(tǒng)的設(shè)計方案和飛行樣機，飛行樣機依據(jù)設(shè)計方案而制造出來。整個技術(shù)過程存在兩條線的變化，一是信息這條線，把用戶的需求文檔和零部件信息變成了最終的設(shè)計方案（也是一大堆信息、文檔、符號），二是實物這條線，把各種原材料、零部件變成能夠飛行、基本滿足用戶需求的樣機。技術(shù)過程的有序開展，可以使得參研人員、部門、單位之間的技術(shù)溝通更加地順暢、有效，為商務溝通奠定基礎(chǔ)。

管理過程包括技術(shù)管理過程和項目管理過程，也就是圖2的上半部分。因為技術(shù)過程的各個步驟、子過程，是由不同的團隊、機構(gòu)、人員完成，需要從技術(shù)的角度進行協(xié)調(diào)、管理，以確保設(shè)計方案的技術(shù)正確性、可行性，技術(shù)管理過程就是對這些活動從技術(shù)的角度進行計劃、組織、協(xié)調(diào)、控制的過程，主要包括技術(shù)規(guī)劃、技術(shù)控制、技術(shù)評估、技術(shù)決策等。技術(shù)管理過程的每一個環(huán)節(jié)，都要覆蓋到V型圖的所有步驟。項目管理過程在技術(shù)管理過程之上，把復雜工程系統(tǒng)研制當作一個項目來管理，為技術(shù)過程確定了技術(shù)、成本、進度三要素相平衡的目標、計劃，向技術(shù)過程提出要求、提供資源、提供保障，并在實施過程進行控制。

圖2 系統(tǒng)工程的技術(shù)過程和管理過程

技術(shù)過程和管理過程是系統(tǒng)工程相互聯(lián)系、不可分割的兩個層次，有些文獻把管理過程中的技術(shù)管理劃歸為項目過程，但實質(zhì)是一樣的。狹義的管理過程，僅包括技術(shù)管理的幾個步驟，如技術(shù)規(guī)劃、技術(shù)控制等。

管理過程非常地重要。例如美國總統(tǒng)肯尼迪說，美國有數(shù)千名知道如何建造金字塔的人，但沒有一個人知道該不該建，說的就是重大工程項目立項論證、決策的困難性。

2.2 總體設(shè)計部在系統(tǒng)工程運行中的作用

總體設(shè)計部在系統(tǒng)工程運行中發(fā)揮著重要作用，其主要職責是開展總體方案設(shè)計、技術(shù)抓總和技術(shù)協(xié)調(diào)。總體設(shè)計部既要負責工程系統(tǒng)，又要負責系統(tǒng)工程運行，是工程系統(tǒng)和系統(tǒng)工程的結(jié)合點。

總體設(shè)計部設(shè)計的是系統(tǒng)的“總體”，是系統(tǒng)的“總體方案”，是實現(xiàn)整個系統(tǒng)的“技術(shù)途徑”?？傮w設(shè)計部一般不承擔具體部件的設(shè)計，卻是整個系統(tǒng)研制工作中必不可少的技術(shù)抓總單位［4］11。

2.2.1 總體設(shè)計部對工程的總體性能負責

所謂總體，主要是指某種人造系統(tǒng)的建造目的、整體結(jié)構(gòu)、整體運行機制和整體功能的總稱，是人們對這一人造系統(tǒng)整體的看法和認識?？傮w設(shè)計部負責進行總體方案設(shè)計和論證，并進行系統(tǒng)的分解和綜合?？傮w設(shè)計部在兩總（即總指揮、總設(shè)計師）的領(lǐng)導下，根據(jù)任務的要求，用系統(tǒng)分析的方法進行大系統(tǒng)指標論證、外部環(huán)境和約束條件分析、總體方案（包括技術(shù)途徑、經(jīng)濟性和可行性）論證、流程設(shè)計，選擇總體參數(shù)和構(gòu)形，以確定系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的組成和功能。

如果沒有總體設(shè)計部，就沒有具體的機構(gòu)來為工程總體負責，就無人對工程總體性能、效能、目標負責，無法確保工程指標能夠分解下去、流動下去，系統(tǒng)工程就無法正常運行起來，也就無法保證工程目標的實現(xiàn)。

2.2.2 總體設(shè)計部負責工程任務大總體的協(xié)調(diào)

總體設(shè)計部的重要作用，不僅體現(xiàn)在技術(shù)抓總上，還充分體現(xiàn)在做好總體技術(shù)協(xié)調(diào)上。

首先，進行技術(shù)協(xié)調(diào)是實現(xiàn)總體技術(shù)抓總的重要手段。由于工程系統(tǒng)是集多專業(yè)、多學科技術(shù)于一體的綜合技術(shù)體系，各分系統(tǒng)間存在相互關(guān)聯(lián)、相互制約的關(guān)系，任何一個分系統(tǒng)的狀態(tài)變化，必然要引起相關(guān)系統(tǒng)相應變化，甚至要牽動總體的變化。比如鐵路工程設(shè)計中，涉及路基、軌道、車輛、通信、信號等多個專業(yè)，如果不進行及時有效的接口協(xié)調(diào)和界面關(guān)系界定，則很容易出現(xiàn)很多矛盾和不協(xié)調(diào)的地方，導致工程無法進行下去，因此，我國鐵路部門及時總結(jié)經(jīng)驗教訓，在鐵路工程設(shè)計中全權(quán)委托設(shè)計院對鐵道工程項目進行技術(shù)總負責，充分發(fā)揮總體設(shè)計部的作用，取得了很好的效果。

其次，總體部負責系統(tǒng)整體的技術(shù)狀態(tài)控制。工程系統(tǒng)內(nèi)部各分系統(tǒng)、各零部件之間互相依賴、互相制約，某個零部件的小改動，可能會對其他部分造成很大的影響，會對系統(tǒng)造成很壞的影響甚至導致任務失敗。嚴格的技術(shù)狀態(tài)更改控制機制，可以保證系統(tǒng)研制的完整性和追溯性，該職能由總體部負責。

2.2.3 總體設(shè)計部對工程系統(tǒng)中各部分進行接口協(xié)調(diào)

總體技術(shù)協(xié)調(diào)的關(guān)鍵是技術(shù)接口關(guān)系。工程系統(tǒng)的整體功能，是以分系統(tǒng)的功能為基礎(chǔ)，并按嚴格的預定程序相互傳遞和反饋得以實現(xiàn)。但是，系統(tǒng)功能的相互傳遞，又是通過系統(tǒng)間的技術(shù)接口來實現(xiàn)的，技術(shù)接口關(guān)系是否協(xié)調(diào)，就成了實現(xiàn)系統(tǒng)整體功能的關(guān)鍵。所以，在研制的各個階段，總體技術(shù)協(xié)調(diào)必須把技術(shù)接口的協(xié)調(diào)放在十分重要的地位。

2.2.4 總體設(shè)計部負責工程系統(tǒng)的整體驗證與考核

為保證在工程系統(tǒng)交付后符合用戶需求，總體部要負責工程系統(tǒng)的整體驗證與考核，要進行系統(tǒng)試驗和系統(tǒng)使用方法的總體設(shè)計，提出各種試驗和使用設(shè)施的技術(shù)要求，或?qū)ΜF(xiàn)有試驗和使用設(shè)施提出采用或改造的建議。比如，運載火箭研制的總體部，需要制訂一整套嚴密的地面試驗計劃和可靠性保證大綱，以便從元器件、原材料試驗開始，依序進行部件、整機試驗，分系統(tǒng)的綜合試驗，以及全箭的各種試驗，使問題盡量在地面得到檢驗與考核［13］7。

3 工程系統(tǒng)與系統(tǒng)工程的聯(lián)系與區(qū)別

工程活動綜合運用多種技術(shù)造出新的東西，實現(xiàn)某種新的功能，因此工程活動必然伴隨著物的創(chuàng)造和建造，工程系統(tǒng)就是工程活動的產(chǎn)出物、建造出的物，是人類在改造自然界中的產(chǎn)物。工程活動的目的是建造一個“新”的工程系統(tǒng)，來滿足人們有關(guān)方面的需求。

我們要在工程活動中觀察和理解工程系統(tǒng)。工程是創(chuàng)造和建構(gòu)新的社會存在物的人類實踐活動。對工程的理解也不能僅僅停留在工程本身，一個完整的工程應當包括工程活動的全過程和工程活動的成果，工程過程和工程結(jié)果不可分離，最后的成果和產(chǎn)物只是工程過程的組成部分。

3.1 工程系統(tǒng)是工程活動的產(chǎn)出物

工程系統(tǒng)（engineered system）就是工程這項造物活動中所造出的那個“物”、那個系統(tǒng)，并且通過人對“物”的操控、利用、使用，來為人的生存、生活、生產(chǎn)、發(fā)展進步提供益處、創(chuàng)造價值。如嫦娥工程的工程對象系統(tǒng)由衛(wèi)星系統(tǒng)、運載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、測控通信系統(tǒng)、地面應用系統(tǒng)組成。

人們需要的是工程系統(tǒng)的運行所產(chǎn)生的服務，如三峽工程建成之后，交付運營方去長期地運營、維護、創(chuàng)造效益；青藏鐵路建成后，交付鐵路公司去運營；嫦娥衛(wèi)星建成、發(fā)射、測試后，交付地面站去運營、管控、收集資料、分發(fā)數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)工程是指導復雜工程系統(tǒng)建造的方法論

工程系統(tǒng)是工程的結(jié)果、產(chǎn)出物、交付物，工程系統(tǒng)的設(shè)計和建造依靠技術(shù)設(shè)計完成，其技術(shù)基礎(chǔ)是自然科學相關(guān)學科的理論；而系統(tǒng)工程是工程系統(tǒng)的建造過程，是工程的組織管理的技術(shù)，屬于行為科學，其技術(shù)基礎(chǔ)是系統(tǒng)工程運行理論及相應工程學科的支持［12］294。工程系統(tǒng)是“硬的”科學技術(shù)的集成，系統(tǒng)工程是軟科學，是一套科學的方法體系，具備方法論的意義。

工程系統(tǒng)是實物的存在、建造、運行、維修，系統(tǒng)工程是整個建造、運行過程的組織管理，兩者共同形成實現(xiàn)工程目標的兩個支柱。

4 工程系統(tǒng)和系統(tǒng)工程的發(fā)展

人類生產(chǎn)生活、科研等各方面所需的產(chǎn)品、系統(tǒng)越來越復雜，工程系統(tǒng)的規(guī)模和復雜性在持續(xù)地增長，這體現(xiàn)在以下方面：使命任務更加復雜艱巨、運行環(huán)境更加惡劣苛刻、系統(tǒng)規(guī)模更加龐大、且要求掌握多方面的知識和技術(shù)。

4.1 工程系統(tǒng)的使命任務和技術(shù)構(gòu)成越來越復雜

4.1.1 工程系統(tǒng)的使命任務更加復雜

工程系統(tǒng)擔負著越來越復雜的使命任務，操作過程也非常繁雜。人類研制的工程系統(tǒng)從運載火箭、導彈、衛(wèi)星到深空探測器等，都面臨著更長壽命、更高可靠性、難以維修保障等方面的挑戰(zhàn)。

以航天裝備為例，隨著科學探索和商業(yè)航天的不斷發(fā)展，航天裝備逐步向大型化、長壽命周期方向發(fā)展，大型通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器已達到上百個，最長運行壽命可達15年，造價在10億美元以上。美國哈勃望遠鏡是大型航天裝備的代表，長 13.3米，直徑4.3米，重11.6噸，造價近30億美元，已在軌運行25年，期間只經(jīng)歷了5次維護保障，而其繼任者詹姆斯韋伯望遠鏡的造價高達88億美元。

4.1.2 工程系統(tǒng)的使用運行環(huán)境更加復雜

一是自然環(huán)境更加惡劣。例如航天裝備在空間環(huán)境中工作，空間環(huán)境通常指地面上幾十公里以上的廣大宇宙區(qū)域，除真空（導致排氣、冷焊等問題）、微重力（液體處理問題）、極端溫度等因素外，在空間環(huán)境中的原子氧會引起航天器表面材料的剝蝕；高能帶電粒子會使航天器的微電子器件和設(shè)備產(chǎn)生單粒子效應（SEU），等離子體會使航天器表面和深層介質(zhì)充放電（ESD）；空間碎片和流星體會使航天器及其設(shè)備產(chǎn)生機械損傷等，這些都將可能引起航天器運行、通信和導航的崩潰。因此，航天裝備制造必須要充分考慮嚴酷的空間環(huán)境所造成的影響，應用和采取有效的防護技術(shù)和措施。

二是與更多的系統(tǒng)進行互聯(lián)互通互操作。以武器裝備為例，目前的武器裝備都體系化發(fā)展，新研制的裝備必須“融入”已有的裝備體系，也就是互操作性要好。比如研制一款新型戰(zhàn)斗機，不光考慮飛機這一作戰(zhàn)平臺本身，而且要考慮飛機和各個類別的作戰(zhàn)平臺的互聯(lián)互通互操作，如水面的艦艇、地面的戰(zhàn)車、空中的預警機等，在偵察、預警、識別目標、打擊、評估等作戰(zhàn)全過程中，整個作戰(zhàn)體系的武器裝備都要連在一起。

三是處于復雜的電磁、信息環(huán)境中。系統(tǒng)在整個壽命周期中的絕大部分時間都要與外部的信息網(wǎng)進行信息交互。比如作戰(zhàn)時要進行數(shù)據(jù)裝訂以及作戰(zhàn)指令的發(fā)出；維護時要靠系統(tǒng)自身的機內(nèi)檢測設(shè)備進行檢測。

4.1.3 工程系統(tǒng)的技術(shù)復雜性

首先，工程系統(tǒng)的規(guī)模更加龐大，系統(tǒng)元素的種類及數(shù)量多、層次多，元素之間的聯(lián)系多，相互耦合。涉及的專業(yè)知識門類多，需要考慮的專業(yè)工程多，對可靠性、維修性、安全性等的要求更加地苛刻。例如航天裝備高度復雜，由多學科、多領(lǐng)域的技術(shù)集成而成，形成一種技術(shù)高度密集的多學科大系統(tǒng)。以航天光學遙感器為例，集光、機、電、熱等多種技術(shù)于一體，具有形狀復雜、精度高等特點，航天光學遙感器的制造包括原材料及元器件準備、結(jié)構(gòu)加工、電裝、單機裝調(diào)、光機裝調(diào)、相機總裝測試、單機試驗、相機整機試驗等一系列過程，研制流程復雜，接口眾多，協(xié)調(diào)難度大。

其次，工程系統(tǒng)中軟件的比例大幅度上升，已經(jīng)成為主要矛盾。系統(tǒng)中軟硬件相互耦合，軟件和硬件之間的界面、界限開始模糊，軟件所發(fā)揮的功能由原來的7%增長到70%。

4.2 工程系統(tǒng)的復雜性和工具的進步推動系

統(tǒng)工程向基于模型方向發(fā)展

隨著人們所研制的工程系統(tǒng)越來越復雜，傳統(tǒng)系統(tǒng)工程（Traditional Systems Engineering，TSE）越來越難以應對使命，與此同時，以模型化為代表的信息技術(shù)也在快速發(fā)展，因此在需求牽引和技術(shù)推動下，基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）應運而生。

傳統(tǒng)系統(tǒng)工程中，系統(tǒng)工程活動的產(chǎn)出是一系列基于自然語言的文檔，比如用戶的需求、設(shè)計方案。這個文檔又是“文本格式的”，所以也可以說傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程是“基于文本的系統(tǒng)工程”（Text-Based Systems Engineering，TSE）。在這種模式下，要把散落在各個論證報告、設(shè)計報告、分析報告、試驗報告中的工程系統(tǒng)的信息集成關(guān)聯(lián)在一起，費時費力且容易出錯。

2007年，國際系統(tǒng)工程學會（INCOSE）在《系統(tǒng)工程 2020年愿景》中，正式提出了 MBSE的定義：MBSE是建模方法的形式化應用，以使建模方法支持系統(tǒng)要求、設(shè)計、分析、驗證和確認等活動，這些活動從概念性設(shè)計階段開始，持續(xù)貫穿到設(shè)計開發(fā)以及后來的所有壽命周期階段［14］45。

在具體實現(xiàn)上，INCOSE聯(lián)合對象管理組織（OMG）在統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了適宜于描述工程系統(tǒng)的系統(tǒng)建模語言（System Modeling Language，SysML），軟件提供商也開發(fā)了相應的支持SysML的工具，并且把SysML的建模工具和已有的專業(yè)分析軟件如FEA、CAD等進行了集成，提出了MBSE的整體解決方案，具備了實際開發(fā)工程系統(tǒng)的基礎(chǔ)。NASA、波音、洛馬也積極采用MBSE開發(fā)各類工程系統(tǒng)，取得了很好的效果。

建模工具是工程實踐中重要的工具。馬克思說，“最蹩腳的建筑師從一開始就比最靈巧的蜜蜂高明的地方，是他在用蜂蠟建筑蜂房以前，已經(jīng)在自己的頭腦中把它建成了”［15］202。工程系統(tǒng)的研制過程，實際上是建立工程系統(tǒng)模型的過程，也是一個借助模型來實現(xiàn)技術(shù)溝通的過程。工程研制中建立并使用工程系統(tǒng)模型，需要合適的建模語言、建模工具和建模思路，因此，系統(tǒng)工程工具、建模工具，是系統(tǒng)工程的重要組成部分。

建模仿真工具的發(fā)展進步推動了系統(tǒng)工程的發(fā)展，使其從“基于文本”向“基于模型”發(fā)展。MBSE的提出，實質(zhì)是基于自然語言的系統(tǒng)工程轉(zhuǎn)到模型化的系統(tǒng)工程，把人們對工程系統(tǒng)的全部認識、設(shè)計、試驗、仿真、評估、判據(jù)等全部以模型的形式進行保存和利用。

4.2.1 MBSE促進工程系統(tǒng)和系統(tǒng)工程從伴生到融合

MBSE下系統(tǒng)模型成為各專業(yè)學科模型的集線器。目前，各專業(yè)學科的模型已經(jīng)被大量應用于工程設(shè)計的各個方面，但模型缺乏統(tǒng)一的編碼，也無法共享，建模工作仍處于“煙囪式”的信息傳遞模式，形成了一個個的“模型孤島”，沒有與系統(tǒng)工程工作流形成良好的結(jié)合。在MBSE下，系統(tǒng)模型成了各學科模型的“集線器”，各方人員圍繞系統(tǒng)模型開展需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、仿真等工作，便于工程團隊的協(xié)同工作。這就使得整個設(shè)計團隊可以更好地利用各專業(yè)學科在模型、軟件工具上的先進成果。

4.2.2 MBSE推動系統(tǒng)工程的智能化發(fā)展

MBSE出現(xiàn)后，系統(tǒng)工程的本質(zhì)沒有變，只是運行的形態(tài)發(fā)生了變化。MBSE下，工程研制工作由過去的“80%勞動、20%創(chuàng)造”轉(zhuǎn)變?yōu)椤?0%勞動、80%創(chuàng)造”。如同能戰(zhàn)勝人類圍棋高手的AlphaGo軟件，其實質(zhì)是讓機器模仿人，發(fā)揮機器海量存儲、高速計算、不知疲勞的優(yōu)點，代替人從事繁重、繁雜、重復性的腦力勞動，實現(xiàn)人與計算機的更優(yōu)化的分工，從而推動系統(tǒng)工程向智能化發(fā)展。

5 結(jié)語

本文討論界定了工程系統(tǒng)的概念，明確了系統(tǒng)工程是工程系統(tǒng)設(shè)計、建造及運營管理的方法。指出工程系統(tǒng)和系統(tǒng)工程是實現(xiàn)工程目標的兩個支柱，在工程系統(tǒng)建造和系統(tǒng)工程運行過程中，討論了工程系統(tǒng)和系統(tǒng)工程的關(guān)系。特別指出系統(tǒng)工程要注重運行。工程系統(tǒng)的復雜性和信息技術(shù)進步推動系統(tǒng)工程向基于模型的方向發(fā)展，而基于模型的系統(tǒng)工程又進一步深化了工程系統(tǒng)和系統(tǒng)工程的融合，促進了系統(tǒng)工程的智能化發(fā)展。

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Engineered Systems and Systems Engineering

Luan Enjie1，Chen Hongtao2，Zhao Yan2，Hu Liangyuan2
（1. State Administration of Science，Technology and Industry for National Defense，Beijing 100048，China；2. China Aerospace Academy of Systems Science and Engineering，Beijing 100037，China）

Based on the theory of engineering ontology，how systems engineering to support engineering process，to support the design of engineered systems，and to support the achievement of engineering goal are discussed in this paper. The distinction of engineered systems and systems engineering is emphasized. Engineered system refers to the concrete engineering project and its outcomes，and systems engineering is not engineered systems，but the design and building process of engineered systems，which are unified in the process of engineering project，and are two pillars of the goal of engineering project. This paper also briefly discusses the newly proceed of systems engineering called Model-Based Systems Engineering.

engineering ；engineered systems；systems engineering；Model-Based Systems Engineering

N945

A

1674-4969（2016）05-0480-11

10.3724/SP.J.1224.2016.00480

2016-08-25；

2016-09-05

中國工程院“工程方法論研究”項目

欒恩杰（1940-），男，中國工程院院士，研究方向為自動控制、航天系統(tǒng)工程。E-mail： 13701124553@139.com