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系统工程的本质

在钱学森钱老身体力行的极力推崇下,系统工程已经融入到了我国国民经济的各个领域,也深入人心,成为经常出现在人们口中的高频用语。

虽然有些人口说系统工程,如强调某项工作很复杂时,会说,“XXX工作是一项系统工程”,但这里的系统工程其实并不是系统工程的真正内涵。也有些人虽然不了解系统工程,但实际的工作中都在遵循系统工程的原则,例如我们型号工程研制需要遵守的GJB9001C与GJB5000A两项标准,其内容都符合了系统工程的原则和方法。

事实证明,系统工程在指导工程实践方面确实起到了非常大的作用,美国INCOSE对系统工程在项目中的效用进行过统计(如图1所示),因此常被工程人员奉为圭臬。但同时我们也要清醒地认识到,系统工程不是万能的救世主,那些认为只要实施了系统工程就能把工程做好的人只能说对系统工程存在误解。那么为什么系统工程能够在工程实施中起到非常大的作用?而系统工程又只能在哪些方面产生作用,它还存在哪些不足?当前系统工程的最新发展又是什么?这是本文尝试去探讨的问题。

系统工程的本质 - 第1张

图1 系统工程在项目中的效用

INCOSE系统工程手册中图例说明了系统工程产生的效果。共调研了148个项目,其中48个项目实施了较低水平系统工程能力,只有15%的项目交付了较高水平的性能;而51个实施了较高水平系统工程能力的项目中,有57%的项目交付了较高水平的性能工程以及工程过程。

系统工程,从字面上理解,就是用系统的思维来指导工程建设。那么要了解系统工程,首先要了解什么是工程以及具体的工程过程是什么。

工程是指人们为改变客观世界以满足人类的某些需要,而将人造系统的设计、建造、验证和运行组织起来的一种实践活动。首先,工程有它的现实目的性,工程是为了满足人类的某些需要,也就是我们常说的系统需求。在这一点上工程不同于科学,科学研究的目的是为了揭示事物规律,更好地认知世界。既然工程有现实目的性,那就涉及到权衡投入和产出利弊的问题,即工程任务需求方愿意花多大的代价来获取工程所带来的回报,这种代价通常包括投入的资金预算、人力预算和工程工期。因此工程往往是“一次性”的行为,这也是工程区分于科学和技术的重要因素。

其次,工程过程大体上包括设计、建造、验证和运行。设计的过程是工程师根据需求目标以及掌握的现有相关技术知识,从逻辑上选择出工程系统的组成单元以及组成单元之间的交互,考虑到实现的可行性,设计过程受到现有技术水平的限制,更准确地说是受到设计者掌握的技术知识水平的限制。而建造的过程是将设计的逻辑系统转化为物理实体系统的过程。建造过程涉及到人力、资金和时间的统筹安排,必须考虑在资金预算和工期预算之内完成建造任务,这通常用计划评审技术(Pert)来筹划任务的时间和先后顺序,以排出合理的工期。验证是将建造的结果与需求和设计进行比对的过程,检验建造的系统在功能与性能方面是否符合设计要求以及用户的真正需求,验证通过后系统投入运行使用,不通过,则需要返回需求,进入下一个迭代循环。典型工程的概要过程如图2所示。

系统工程的本质 - 第2张

图2 典型工程的概要过程示意图

1 工程中的设计与建造

工程设计通常有两种情形。一种称作标准工程过程,有一个默认的前提,那就是设计中所使用的技术都是成熟的,不需要进行技术突破性研究。一种是设计中采用的部分技术还需要技术突破,因为技术突破研究具有很大的不确定性,会影响到工程其它过程的开展。在我国工程界有“探索一代、预研一代、试制一代和生产一代”的说法。分别对应于系统的理论模型到原理样机到工程样机再到鉴定定型后生产。我们在此讨论的系统工程是对标准的工程过程的指导方法,即工程中不存在技术突破性研究。

工程设计过程是对现有工程技术知识的综合运用。某一领域的技术知识成熟到一定阶段后通常会以行业标准的形式固化下来,既作为全行业的公认技术指导,也是全行业的设计约束。技术标准代表了行业技术的成熟程度,同时也是设计人员强大的设计工具,在提高行业整体设计水平上起了非常大的作用。

工程建造过程是将设计结果转化为具体的任务活动,并实施任务活动的过程。这里常用的方法是工作分解结构(WBS),工作分解结构中的每一项工作背后都是关联着人力、资源和时间进度,任务与任务之间还有前、后、因果的关系。因此工程建造过程的第二项重要的任务是统筹任务安排以及资源分配,常用的工具是从计划评审技术(Pert)发展而来的网络计划图方法,典型的网络计划图如图3所示。

系统工程的本质 - 第3张

图3 典型的网络计划图

2 工程中的组织管理

工程的定义最终落脚在“组织”上,因此工程就是如何合理地组织管理,使得在一定的经费预算和工期限制下完成人造系统的需求分析、设计、建造、验证和运行。正如钱老在《组织管理的技术——系统工程》中说的,研制导弹武器系统这样一种复杂工程系统所面临的基本问题是:怎样把比较笼统的初始研制要求逐步地变为成千上万个研制任务参加者的具体工作,以及怎样把这些工作最终综合成一个技术上合理、经济上合算、研制周期短、能协调运转的实际系统,并使这个系统成为它所从属的更大系统的有效组成部分。这样复杂的总体协调任务不可能靠一个人来完成,因为他不可能精通整个系统所涉及的全部专业知识,他也不可能有足够的时间来完成数量惊人的技术协调工作。这就要求以一种组织、一个集体来代替先前的单个指挥者,对这种大规模社会劳动进行协调指挥。在我国国防尖端技术科研部门建立的这种组织就是“总体设计部”或“总体设计所”。因此最初始的系统工程是一门对工程过程进行组织管理的技术。

3 工程过程与质量管理的融合

工程产出的系统能否发挥预期的功效,系统的质量是非常关键的因素。质量管理是社会化大生产的产物,它的发展经历了质量检验(QT,Quality Testing)、统计质量控制(SQC,Statistical Quality Control)与全面质量管理(TQM,Total Quality Management)三个阶段。逐步形成规范过程、定量控制、预防为主、持续改进等全面质量管理的思想。初始的系统工程吸收了质量管理的主要思想,让自身得到了丰富和发展。

典型的代表是SE-CMM(系统工程能力成熟度模型)。CMM的核心思想是通过规范的过程来提高产品的质量,并定义了不同的能力等级,以及实现能力等级提升的途径。而SE-CMM是将工程过程、工程管理过程和质量管理过程以过程域的形式定义出来,实现了工程过程、工程管理过程与质量管理过程的融合。SE-CMM与SW-CMM(软件CMM)等集成在一起,形成了CMMI(能力成熟度集成模型)标准,也就是我国的GJB5000A标准,因此我们说,实施了GJB5000A其实就是遵循了系统工程。工程过程与质量管理过程的融合使得系统工程标准趋于成熟。

4 系统工程的核心内容

总体来说,系统工程是人们从大型工程建造过程中总结出来的最佳实践的集合。是工程过程、工程组织管理过程与质量管理过程相融合而形成的一套成熟的方法体系。目前,关于系统工程存在多种定义,包括:

钱学森: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。系统工程是一种工程技术。

INCOSE:系统工程是使能(Enable)系统成功研制的一种跨学科的方法和途径。

NASA:系统工程是设计、实现、技术管理、运行和淘汰一个系统的纪律性方法。

欧洲空间标准化合作组织:系统工程是一个跨学科的方法,支配将需求转化为系统的总体技术工作。

综合上述定义,可以总结出系统工程的核心,系统工程是一种工程总体上的组织管理技术,一种使能技术,它的价值在于规划并指导了系统的构建过程,需要经过哪些阶段过程,但是它不是系统实现所依托的具体技术本身。

系统工程规范主要有INCOSE的系统工程手册和NASA的系统工程手册两种。二者大同小异,都是基于规范过程的方法,基本思想一致。其中NASA的系统工程手册将系统工程过程分为两大类,分别是技术过程和技术管理过程,技术过程对应于工程过程,是对传统的基本工程过程的细分,技术管理过程融合了工程组织管理与质量控制的过程。INCOSE系统工程手册中考虑的更为宽泛,除技术过程和技术管理过程外,还包括协议过程和组织的项目使能过程,共30个子过程,如图4所示。两个标准中的技术过程构成了系统的生命周期阶段模型,即经典的V模型。追根溯源,V模型中的阶段定义又来源于著名的霍尔系统工程三维结构,以上构成了系统工程的核心内容。

系统工程的本质 - 第4张

图4 INCOSE系统工程过程模型

5 软系统工程与社会系统工程

在系统工程理论发展史上,以霍尔的系统工程方法论为代表的称为硬系统工程方法,它主要针对系统机理清楚,能用明确的数学模型描述的系统,如物理系统和工程系统。与之相对应的是,英国的系统科学家P.B.切克兰德提出了一套针对机理不清,很难用明确的数学模型描述的系统,以学习、调查过程为主的方法论,称作软系统工程方法,如社会系统和生物系统。软系统的系统工程方法论一般处理较粗的信息,而且以定性为主。其核心是一个学习的过程,在解决问题时更为严谨和有效。软系统工程方法的应用步骤描述如下:

1)认识问题。收集与问题有关的信息,表达问题现状,寻找构成或影响因素及其关系,以便明确系统问题结构、现存过程及其相互之间的不适应之处,确定有关的行为主体和利益主体。

2)弄清关系。弄清系统问题关键要素与关联因素,为系统的发展及其研究确立各种基本的看法,并尽可能选择出最合适的基本观点。

3)建立概念模型。在不能建立精确数学模型的情况下,用结构模型或语言模型来描述系统的现状。

4)比较及探寻。将现实问题和概念模型进行对比,找出符合决策者意图且可行的方案或途径。有时通过比较,需要对根底定义的结果进行适当修正。

5)选择。针对比较的结果,考虑有关人员的态度及其它社会、行为等因素,选出现实可行的改善方案。

6)设计与实施。通过详尽和有针对性的设计,形成具有可操作性的方案,并使得有关人员乐于接受和愿意为方案的实现竭尽全力。

7)评估与反馈。根据在实施过程中获得的新的认识,修正问题描述、根底定义及概念模型等。

软系统工程方法论与钱老的社会系统工程思想不谋而合。钱老认为系统工程方法是一种普适性方法,因此应该将系统工程方法推广应用到社会领域,从而形成了十四个门类的系统工程,见表1。

表1 钱学森系统工程门类与学科基础

系统工程的本质 - 第5张

6 系统工程的优势与不足

为什么系统工程为工程界所推崇,且能够给工程项目带来非常明显的作用?

首先,系统工程运用了系统思维,对整个工程活动进行了总体的策划,横向来说,考虑了构成工程系统的所有成员系统,所有参研单位的利益相关方,纵向来说,考虑了整个工程活动的所有阶段,以及每个阶段之间的约束条件,凡事预则立不预则废,这是系统工程的思维优势。

其次,系统工程规范了整个工程活动过程,包含技术过程与技术管理过程,其中技术管理过程又融合了项目管理和质量管理过程的内容,使得项目组能够有条不紊、按部就班地开展工程工作。实践证明,规范的过程确实能够保证工程产品的质量。

再次,系统工程是一种正向设计思路。从工程的需求出发,寻找技术实现方案,组织构建并开展验证,最终完成工程系统并投入运行。现阶段,我国的技术发展已经走在了世界的前列,前方已无可跟随模仿的对象,通过正向设计来实现自主创新是我国技术发展的必经之路。

虽然系统工程有诸多优势,但我们还应该清醒地认识到,系统工程不是万能的,不是说实施了系统工程,我们的工程项目就一定能高质高效地完成。系统工程还存在一些不足之处:一是系统工程缺少项目经验积累的过程,未考虑项目经验的复用;二是系统工程只是一种使能技术,总体规划技术,并不能替代系统构建所需要的具体技术本身,所以只实施总体技术层面的系统工程对于保障系统的成功构建是不够的。三是传统的系统工程基本遵循一个先分解再集成的还原论思想的指导,对于复杂的非线性系统,分解的难度较大,且分解后的有效性未能得到及时的验证,特别是工程系统发展到系统之系统——体系后,传统的系统工程方法存在着较大的不足,体系工程理论应运而生,关于体系工程的内容,在《舰队防空力量的体系化思考》一文中已有过相关论述。而随着模型驱动的系统开发方法的兴起,特别是在软件领域,人们将模型驱动与系统工程相结合,提出了基于模型的系统工程方法(Model based System Engineering,MBSE)。

7 系统工程的新发展新方向:MBSE

针对传统系统工程方法中存在的缺少项目经验积累的过程,未考虑项目经验的复用,以及系统工程过程是一种总体规划技术并不能替代系统构建所需要的具体技术本身的问题,人们将模型驱动的系统开发方法与系统工程相结合,提出了基于模型的系统工程方法(Model based System Engineering,MBSE)。该方法MBSE强调贯穿于全生命周期的技术过程的形式化建模,建立的系统模型既解决了项目经验积累和复用的问题,也通过多视角的系统顶层需求建模与系统架构建模,为复杂系统或体系的向下分解与及时验证提供了模型依据,体现了整体论与还原论的辩证统一;而针对物理层构建的各专业领域(机械、电子、流体、力学、气动等)的物理模型,也体现了对具体实现技术的描述,使系统工程不再仅仅是使能技术,还包含了完整的工程实现所需的技术集合。同时形式化的建模还为项目利益相关方之间的交流提供了统一的、无二义性的产品,为后续项目的重用和快速改进提供了模块化的模型支持。

MBSE与传统的系统工程相比,最主要的区别是贯穿于全生命周期的技术过程的形式化建模,重点在形式化,而不是有无建模。建模是一个很宽泛的概念,文字描述也可以认为是建模手段的一种,但是非形式化的。形式化建模的优点在于:

1)描述严谨,无二义性,便于沟通交流,这也是SysML的前身UML称为统一建模语言的优势所在;

2)能从不同视角准确描述系统的行为和规律(活动图、顺序图和状态图等),便于开展各类分析工作,提高开发的质量;

3)建立的模型能支持动态执行,提高了各类验证和确认活动的效率;

4)形式化模型包含了足够的信息来支持模块化和重用,也为快速实现设计改进提供了技术途径。

总之,传统的系统工程是一种运用系统思维来组织管理工程过程的工程技术,它融合了工程过程、工程管理过程和质量管理过程,形成一套规范的过程模型。它是一种系统思维视角下的总体规划技术,一种使能技术。而随着基于模型的系统工程的提出,将传统系统工程延伸到了具体的物理域,使得系统工程成为一种一以贯之的工程方法,让系统工程焕发出更旺盛的生命力,将为我国技术发展的正向创新之路做出更大的贡献。

系统工程融合了部分的工程项目管理与质量管理过程,但项目管理与质量管理也都是门独立的学科,如项目管理中的PMBOOK与CMMI,质量管理中的全面质量管理体系,他们之间的共性和区别分别是什么?系统的质量特性除功能和性能外,还包括可靠性、维修性、保障性等通用质量特性,他们分别对应于相应的专业功能,如可靠性工程等,系统工程与这些专业工程活动之间关系又将怎样?后续我们继续为大家深入剖析。

本文来源:体系工程,作者:张宏军、黄百乔、鞠鸿彬。

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