系统工程、体系工程与武器装备体系工程

来源：体系工程  作者：张宏军，韦正现，黄百乔

体系工程是在系统工程的基础上，根据体系所特有的复杂性与不确定性、涌现性、演化性等特征，形成适应体系建设、使用和维护的工程理论和方法学。武器装备体系工程是体系工程在装备领域的一个实例。

1  系统工程

系统工程师们在社会实践中，特别是在大型工程或经济活动的规划、组织、生产的管理、自动化项目的开发与使用过程中，发现综合考虑系统总体时所要解决的共性问题，总结实践经验，借鉴和吸收邻接学科的理论方法，逐步建立起来的。由于它产生和发展比较晚，目前还不能说已经成熟，对系统工程的定义也还没有公认的一致说法。

其中一些比较有代表性的定义如下：

系统工程：“运用先进的科学方法，进行组织管理，以求最佳效果的技术”(2002年，《现代汉语字典》)。

“系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的方法”(1978年钱学森、许国志、王寿云《组织管理的技术——系统工程》)。

“系统工程是为了更好地达到系统目标，而对系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机制等进行分析与设计的技术”(1967年《日本工业标准JIS》)。

“系统工程是应用科学知识设计和制造系统的一门特殊工程学” (1969年美国质量管理学会系统工程委员会)。

“系统工程是一门把已有学科分支中的知识有效组合起来用以解决综合性的工程问题的技术”(1974年《大英百科全书》)。

“系统工程是研究由许多密切联系的要素组成的复杂系统的设计科学。设计该复杂系统时，应有明确的预定目标与功能，并使各要素以及要素与系统整体之间有机联系、配合协调，以使系统总体能够达到最优目标。但在设计时，要同时考虑到参与系统中人的因素与作用”(1975年《美国科学技术词典》)。

“系统工程是一门复杂系统的设计、建立、试验和运行的科学技术”(1976年《苏联大百科全书》)。

“系统工程是为了合理开发、设计和运用系统而采用的思想、程序、组织和方法的总称”(1991年日本寺野寿郎《系统工程学》)。

“系统工程与其他工程学不同之处在于它是跨越许多学科的科学，而且是填补这些学科边界空白的一种边缘学科。因为系统工程的目的是研究系统，而系统不仅涉及工程技术学科的领域，还涉及社会、经济和政治等领域。为了解决这些领域问题，除了需要某些纵向技术外，还需要有一种技术从横向方面把它们组织起来，这种横向技术就是系统工程，也就是研制系统的思想、技术、方法和理论体现化的总称” (1977年日本三浦武雄《现代系统工程学概论》)。

由于系统工程思想和方法来自不同领域和行业，又吸收了不同邻近学科的理论，造成了系统工程定义的多样性。但是可以从这些定义中归纳出对系统工程的理解：系统工程是一门总览全局、着眼整体、综合利用各学科的思想和方法，从不同方法和视角来处理系统各部分的配合与协调，借助于数学方法与计算机工具，来规划和设计、组建、运行整个系统，使系统的技术、经济和社会要求得以满足的方法性学科。

系统工程是一门跨越各个学科领域的横断性的共性技术学科，一方面是因为这套思想与方法适用于许多领域，因为每个领域都有一些带有整体、全局性的问题需要综合处理；另一方面，系统工程所使用的方法和工具又多来自各门学科，只是把它们综合起来加以运用，系统工程是沟通各学科的桥梁。系统工程属于工程技术层次，它本身又可以分为两个分层。

第一个分层是更接近实际分层，由于它的应用领域不同，和相应的行业专门技术结合起来，形成了一门门的具体行业系统工程学科，例如：

1）农业系统工程；

2）工业系统工程；

3）服务系统工程；

4）航天系统工程；

5）军事系统工程；

6）环境系统工程；

7）教育系统工程；

8）信息系统工程；

9）知识系统工程等。

第二个分层包括系统工程所独具的概念、原理、思路以及工作步骤和方法(有人称其为系统工程方法论)，其中包括从技术科学层次提取出来并加以实用化的方法和工具。这些概念、思路、原理、方法和工具对各行业都是通用的。作为技术学科层次的系统学科，有以下几门：

1）运筹学：这是从20世纪40年代以来发展起来的一门技术科学(也有人认为是一门应用数学)。它研究如何使系统做到最优运行。它使用各种数学工具(代数、分析、概率论、数理统计、图论等)和逻辑判断方法，也使用带有实验性质的模拟仿真方法，来处理组织、管理、规划和调度等问题，它包括规划论、决策论、对策论、搜索论、随机过程、可靠性理论等。

2）控制论：这是一门研究机器、生物体和社会中的控制过程的科学，它研究包括管理、调度在内的广义控制行为(有目的干预行为)的共同规律，其中应用于工程技术的分支——工程控制论(包括自动控制)发展比较成熟，而生物控制论、经济控制论则正处于发展期。如果说运筹学目前处理的多半是系统的静态问题，则控制理论处理的多是系统的动态问题，二者相辅相成，又相互渗透，结合起来进行系统分析与优化，尤其是后来从双方结合发展起来的处理复杂系统问题的大系统理论，更是二者的进一步融合。

3）信息科学：狭义的信息科学只涉及信息的采集、传输和处理，而广义的信息科学则包括计算机科学在内，研究信息的复杂处理和检索、分类、存储以及信息的识别等。进行系统分析，是离不开信息的，因此信息科学也是系统工程的基础之一。

随着人类社会的发展和技术的进步，人们在认识世界和改造世界的不断深入，出现了复杂系统(开放复杂巨系统——钱学森)和智能型复杂自适应系统，人们提出了复杂系统工程和复杂适应系统工程等。

2  系统工程模型

系统工程是为了指导系统需求、设计、开发和验证顺利实施的过程，也称为系统工程过程模型，按照具体系统的经历阶段也称为生命周期模型。

1） 瀑布模型

瀑布模型是1970年由Royce提出，广泛用于软件工程，由5-7个步骤组成，1981年Boehm将瀑布模型拓展为8个步骤。瀑布模型是一个理想的模型，每一个阶段都应该顺序完成，直到产品交付为止。但实际情况极少如此，因为在系统开发过程中总会发现错误或缺陷，进而重复步骤直到更正。瀑布模型存在几个方面不足：

未关注架构开发的复杂性和风险管理；

未展示系统的迭代扩展和需求逐步细化；

未能详细阐述作为技术管理活动的系统分析和控制；

验证回路未能强调测试计划、过程和结果评估作为产品开发过程的有机组成部分的重要性。

2）螺旋模型

螺旋模型由Boehm在1986年提出，它将反馈的思路融入系统工程的每一个阶段，并认为原型系统的开发是降低系统风险的重要手段。螺旋模型由18个不断旋进的步骤组成，包括：

（1）系统需求确定；

（2）可行性研究；

（3）系统分析；

（4）系统详细说明；

（5）系统原型；

（6）概念评估；

（7）功能定义；

（8）需求分配；

（9）平衡分析；

（10）选择设计；

（11）集成；

（12）测试评估；

（13）详细需求；

（14）元件设计；

（15）优化；

（16）设备定义；

（17）实用原型；

（18）正式设计评估。

螺旋模型是反复进行的，每次都要经历一些阶段，研制出一个原型，在进入下一个阶段前进行风险评估。螺旋模型的优点是：

通过原型的建立，是系统开发在每一个迭代的最初明确方向；

通过风险分析，有效降低系统失败造成损失的可能性；

每个迭代阶段进行测试，使得每个阶段的质量得到保障；

整体过程具备很高的灵活性，在开发过程的任何阶段能自由应对变化；

通过对用户反馈的采集，保证用户需求的最大实现。

螺旋模型主要缺点有几个方面：过分依赖风险分析经验，一旦风险分析过程出现偏差将造成重大损失；过于灵活的开发过程不利于已经签署合同的客户与开发者之间的协调；只是适应大型(软件)系统，过大的风险管理支出会影响客户的最终收益；风险管理被描述为顺序的分析活动，而非开发过程中的并行活动，导致一些低风险活动也被延误；原型完成，风险管理活动看上去就停止了。

3） V模型

V模型是Kevin Forsberg和Harold Mooz在1978年提出的，它强调测试在系统工程各个阶段的作用，并将系统分解和系统集成的过程通过测试彼此关联。

V模型以NASA与INCOSE的系统工程过程为典型代表，如图1所示，其设计过程是将复杂的大系统分解为不同的小系统或模块，然后分别实现，再集成还原为大系统。以NASA的系统工程为例，包含技术流程与技术管理流程两大类。其技术流程又包含明确利益相关方期望、技术需求定义、逻辑分解、设计方案定义、产品实施执行、产品集成、产品验证、产品确认和产品交付9个流程。这9个流程是V模型的过程，经过对系统需求的分解、实现与再集成的过程来实现系统产品。

图1  NASA系统工程过程模型

在V模型中，由于系统设计过程中对需求的分解过程是一种从逻辑上的静态分解，分解后必然会带来模块之间交互特征的损失，从而影响了系统在时间上的动态演化特征，系统分解后的再集成，还会损失部分原有系统的整体性特征，把这种分解过程称作“降维解析”过程。在系统规模较小时，降维解析过程造成的交互性与整体性特征损失可以在系统集成验证过程中得到很好的修正，从而不会对最终的结果造成太大的影响。但是如果系统规模较大时，降维解析造成的交互性与整体性缺失只能通过原型样机的不断迭代，逐渐逼近的方式来逐步弥补，造成了复杂大系统的研制周期长、代价大、效率低。归根结底，降维解析方法是一种通过降维来规避系统复杂性的方法，是一种对系统复杂性的消极应对策略。

3  体系工程

在系统工程基础上，为了适应体系特征解决体系中的问题，人们提出了体系工程。

体系工程是最近几年才提出了的，不同领域的学者和工程实践人员有不同的认识和理解，还没有一个统一的定义，下面列举几种典型的定义：

定义1：体系工程是确保体系内在其组成单元的独立自主运作条件下能够提供满足体系功能与需求的能力，或者说执行体系使命和任务的能力。

定义2：体系工程是这样一个过程，它确定体系对能力的需求，把这些能力分配至一组松散耦合的系统，并协调其研发、生产、维护及其他整个生命周期的活动。

定义3：体系工程是解决体系问题的方法、过程的统称。体系工程是国防技术领域的一个新概念，这一概念同时也被广泛应用于国家交管系统、医疗卫生、万维网及空间探索领域。体系工程不仅仅局限于复杂系统的系统工程，由于体系所涵盖问题的广泛性，它还包括解决涉及多层次、多领域的宏观交叉问题的方法和过程。

定义4：体系工程是学科交叉、系统交叉的过程，这种过程确保其能力的发展演化满足多用户在不同阶段不断变化的需求，这些需求是单一系统所不能满足的，而且演化的周期可能超过单一系统的生命周期。体系工程提供体系的分析支持，包括系统交叉的某一时间阶段内在资源、性能和风险上的最佳平衡，以及体系的灵活性与健壮性分析。

定义5：体系工程源于系统，但它不同于常规系统工程，而是对不同领域问题的研究。系统工程旨在解决产品开发和使用，而体系工程重在项目的规划与实施，换句话说，传统系统工程是追求单一系统的最优化，而体系工程是追求不同系统网络集成的最优化，集成这些系统以满足某一问题的目标。体系工程方法与过程使得决策者能够理解选择不同方案的结果，并给决策者提供关于体系问题的有些体系结构框架。

从上面定义可以看出，体系工程在不同领域的理解存在五个方面的共性：

体系工程是能力集成工程；

体系工程是复杂需求获取工程；

体系工程是综合集成体的演化过程；

体系工程是学科交叉、系统交互过程；

体系工程是权衡与平衡工程。

体系工程源于系统工程，但高于系统工程，为的是解决系统工程解决不了的体系问题。体系工程是实现更高一层的系统最优化的科学，是一门高度综合性管理工程技术，涉及最优化方法、概率论、网络理论、可靠性理论以及系统模拟、通信等问题，还与经济学、管理学 、社会学、心理学等各种学科有关。

最初，体系问题并没有被认为是一个独立的新问题，大部分都使用系统工程方法来开展研究，但随着体系越来越多地出现在人们的生产和生活中，体系的许多独有特征是原有系统工程方法所达不到或解决不了的，主要表现如下：

在需求分析过程中，体系工程研究的系统之间的可达性分析和信息数量规模成指数级增长，远远超出了系统工程需求分析方法所能承受的规模。

构成体系的组分系统，特别是现有系统，都是根据独立的需求进行开发，在体系工程领域中，彼此协作和相互依赖关系大大的增加，为集成和开发带来了新的挑战。

在体系的应用环境和适应性上，部署和使用一个体系的工程解决方法要求也较系统工程更高。

整体的解决方案超出了对于技术或软硬件方面独立解决方案的要求。

体系工程提供了对体系问题的分析与支持，其与系统工程区别较大，不十分关注组分系统的具体技术和配置参数，更关注这些系统的组合能够获得的新能力，而不是单个系统的设计与开发。

体系工程要解决的问题和达到的目标如下：

实现体系的集成，满足在各种想定环境下的能力需求；

对体系的整个寿命周期提供技术和管理支持；

达到体系中成员系统间的费用、性能、进度和风险的平衡；

对体系问题求解并给出严格的分析及决策支持；

确保成员系统的选择与匹配；

确保成员系统的交互、协调与协同工作，实现互操作；

管理体系涌现行为，以及动态的演化与更新。

体系工程主要包括8个管理过程和8个技术过程。

8个管理过程如下：

决策分析：实现体系费用、效能、进度、风险及可靠性的平衡；

技术规划：在体系整个生命周期内恰当运用必要的技术和系统工程计划；

技术评估：度量技术过程和技术成熟度；

需求管理：获取和管理需求及它们的属性和关系；

风险管理：识别整个生命周期内潜在的风险；

配置管理：建立和维护需求，当前属性和配置信息之间的一致性；

数据管理：获取数据来源，数据访问、共享、集成及使用；

接口管理：建立恰当的接口定义及文档说明。

8个技术过程如下：

需求开发：获取各利益相关方的需求。

逻辑分析：理解需求而开发可行的解决方案；

设计分解：开发可执行方案以确认需求和功能结构；

执行：通过制造、获取或重复利用来集成、确认和验证；

集成：集成低层系统元素到高层系统元素的过程；

确认：确认是否生成了符合要求的体系；

验证：在运作环境中验证体系；

变迁：系统元素的转换。

体系工程所要解决的体系问题包括现有系统的集成问题、新系统规划问题及全新体系的构建问题。这些问题的解决途径构成了体系工程的主要工程实践。

依据体系工程所要解决这些问题思路和方法，可以将体系工程的主要实践划分为五类：体系的需求、顶层设计工程、体系集成与构建工程、体系演化以及体系的评价工程。

4 武器装备体系工程

武器装备体系工程是以武器装备体系发展为目标，在装备体系的需求开发、体系结构设计、体系试验与评估及运行过程中等使用的理论、技术和方法，并对武器装备体系所进行的系统管理过程的总称。

武器装备体系工程研究具有重大意义，通过科学地获取装备体系发展的需求，建立适当的装备体系发展需求方案，设计并优化装备体系结构，提升武器装备体系整体能力和作战效能，为武器装备体系的全面、协调和可持续发展提供科学论证手段，为武器装备体系建设和管理提供决策支持。

国内相关研究对武器装备体系工程的概念进行了探讨，比较有代表性的定义是武器装备体系工程是在一定的战略指导、作战指挥和保障条件下，为完成一定作战任务，构建的由功能上相互联系、相互作用的各种武器装备系统组成的更高层次系统的过程。

通过上述武器装备体系工程概念的分析，以一般武器装备系统和武器装备体系为对象，从使命目标、外部环境、整体状态等几个方面，武器装备系统工程和武器装备体系工程的区别和联系见表1。

表1武器装备系统工程与武器装备体系工程的特征对比

武器装备体系的建设发展过程与单一武器装备型号的研制过程不同。首先，武器装备体系的建设具有整体性，要在规定的时间和有限的经费条件下尽可能实现体系的总体建设目标；其次，武器装备体系中各型装备的研制过程存在相关性，不同型号的装备单元在发展过程中可能会交互相关；最后，武器装备体系建设是渐进过程，对当前武器装备发展技术基础存在依赖性。

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