系统工程

系统工程是一个跨多学科领域的工程学和工程管理，通常专注于如何设计、开发和管理在其生命周期内的复杂系统。系统工程的核心系利用系统性思考的原则，以建构其知识体系。当处理大型、复杂的专案时，所面临的相关议题（例如：需求工程、可靠度、物流、不同团队的协调、测试与评估、可维修性、和许多其他能够成就系统开发、设计、执行、和最终除役的学科）变得更加困难。系统工程借由工作流程、优化的方法、以及风险管理等工具来处理此一类型的专案，并且与技术、和以人为本的学科相互重叠（例如：工业工程、机械工程、制造工程、控制工程、软件工程、电机工程、模控学、组织研究、以及专案管理）。系统工程确保专案或系统的各个层面均被详加考虑、并整合成为一体。

系统工程流程是一种发现的过程，与制造流程显著不同。制造流程专注于重复性的活动，以花费最少的成本与时间来达成最高的品质输出。系统工程流程则必须由发现实际、待解决的问题为起始点，并识别出最有可能发生、或冲击最大的失效，系统工程也涉入找出这些问题的最佳解决方案。

## 历史

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系统工程一词，可以追溯到1940年代的贝尔实验室。为了去识别和操控一个系统的整体特性〈对于复杂的工程专案而言，可能远大于这些零部件特性的总合〉的需求，激发了各种产业〈特别是那些为美国军方开发系统的企业〉来采用这门学科。

当依赖设计进化来改善一个系统已经不再可能，现有工具也无法满足日益增长的需求时，因而开始发展出一些可直接处理复杂度的新方法。系统工程的持续进化，包括新方法和建模技术的发展与确认。随着工程系统更趋于复杂化，这些方法有助于更好的理解、以及设计与发展的管控。在系统工程领域时常被使用的工具，大多于这个时期被开发出来，包括：生命周期塑模语言(LML)、通用系统语言（USL）、统一塑模语言（UML）、品质机能展开（QFD）、和IDEF0。

在1990年代，由一群来自美国企业和机构的代表创立了一个系统工程的专业协会：“美国国家系统工程委员会”（NCOSE），其创立宗旨为推动改进系统工程实务和教育，也促进了美国以外地区从事于系统工程人员的成长，因此于1995年更名为国际系统工程委员会（INCOSE）。许多国家的学校提供系统工程的研究生课程，也提供实习工程师的进修教育选项。

## 概念

系统工程原本仅仅意味工程上的一个方法，最近则为一门学科。系统工程教育的目标，乃将各种方法简单地正式化，并借此寻找新方法和研发机会，与发生于其他工程领域的情况类似。系统工程是一个整体性、跨学科的方法。

### 起源、和传统范围

工程的传统范围：包括实体系统的概念、设计、开发、生产、和运作。系统工程的原始构想，也落于此范围内。系统工程的名词意义，与为了在时程、成本、和其他限制之下，因应史无前例的规模、与复杂度的功能系统的工程挑战，而发展出来的一套独特的概念、方法论、组织架构 … 等等相关联。阿波罗计划是系统工程专案最为重要的范例。

### 进化到更宽广的范围

系统工程一词的使用，随着时间的推移，逐渐纳入更宽广、更为整体性观念的系统和工程流程。定义的演变，也成为争论的主题，这个名词仍持续应用于较为狭窄、和较为广泛的范围。

在古典意义上，传统的系统工程被视为工程的一个分支，也只应用于实体的系统，例如：太空飞船和飞机。最近，系统工程进化为承载着更为宽广的意义，特别是将人类视为一个系统的必要组成元件。

例如，英国学者彼得‧切克兰德〈Peter Checkland〉就抓住了系统工程更宽广的意义，他说明：“工程可以在一般的意义上解读；你可以“策划”〈engineer〉一个会议，或“策动”〈engineer〉一个政治协定”。

和系统工程更宽广的范围一致，“系统工程知识体系”〈SEBoK〉定义了三种形式的系统工程：〈一〉产品系统工程〈PSE〉为传统的系统工程，专注于包括软件和硬件的实体系统的设计。〈二〉企业系统工程〈ESE〉为企业的观点，亦即把组织、或许多组织的组合视为系统。〈三〉服务系统工程〈SSE〉与服务系统的工程有关，英国学者彼得‧切克兰德〈Peter Checkland〉定义服务系统〈Service System〉为一个被设想为服务另一个系统的系统，大部分的民用基础设施系统皆为服务系统。

### 整体观点

系统工程专注于：在开发周期的早期阶段，分析引出客户的需要与必需的功能性，将需求文件化，然后在考虑完整问题〈也就是系统生命周期〉期间，进行设计综合和系统验证，包括牵涉利害关系人所充分了解的全部事项。奥立佛 … 等人主张系统工程流程可以分解成：

- 系统工程技术流程
- 系统工程管理流程

在奥立佛的模型内，管理流程的目标在于筹备生命周期中有组织的技术活动；而技术流程则包括估算可利用的信息、定义效益的衡量、创建行为模型、创建结构模型、执行取舍分析、创建顺序构建与测试计划。

根据它们的应用，虽然在工业界有许多的模型可以使用，它们均旨在鉴定前述各个阶段之间的关系，并将回馈包括在内。此类模型的范例包括瀑布模型和V模型。

### 跨学科领域

系统开发经常需要来自多种技术学科的贡献。系统工程借由提供一个开发工作的系统〈整体〉观点，帮助将所有技术贡献者筹组成为一体的工作团队，建立一个从概念、生产、运作、到(在某些情况下)终止与除役的结构化开发流程。在系统取得过程，于涵盖该项目完整生命周期、并且维持可接受程度风险的期间，整体整合学科结合了贡献、以及成本、时程、和效能之间的平衡取舍。

此观点经常在教育学程中被复制，系统工程的课程乃由许多工程系所的教师来讲授，可以有效地协助创建一个跨学科的学习环境。

### 复杂性管理

随着系统和专案的复杂度增加，系统工程的需求也大幅提升。本文所谓的复杂度，不只是针对工程系统，也包括逻辑性人事组织的资料；同时，由于规模增大，系统变得更复杂，资料数量、变因、或涉及设计的领域数目 … 等也随之增加。国际太空站就是此类系统的范例。

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更聪明控制算法开发、微处理器设计、和环境系统分析 … 等，也在系统工程的范围之内。系统工程鼓励使用工具和方法，更能理解和管理系统的复杂度。这些工具举例如下：

- 系统模型，模拟(仿真)
- 系统架构
- 最佳化
- 系统动力学
- 系统分析
- 统计分析
- 可靠度分析
- 决策

采取跨学科方式的工程系统，本身就很复杂；因为系统零组件的运转状态、以及彼此间的相互作用，通常无法立刻被适当地定义、或了解。定义和描述此类系统、次系统、以及其彼此之间相互作用的特点，是系统工程的目的之一，也为来自使用者、操作者、行销机构、和技术规范 … 等的认知差距，成功地搭起了沟通的桥梁。

### 范畴

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欲一窥系统工程背后所隐藏的动机，可以视其为一种方法、或实践行动，来鉴别和改善现存于各种系统之内的通则。请牢记，系统工程原则(整体论、紧急行为、界线 … 等等)可以应用于任何系统、复杂度、或以其他方式，提供可利用在各个层级的系统思维。除了国防和太空之外，许多资讯科技企业、软件开发公司、和电子通讯产业也需要系统工程师成为他们团队的一员。

由国际系统工程委员会〈INCOSE〉的系统工程精进中心〈SECOE〉分析指出：投入系统工程的最佳比例，大约是占整个专案的15~20%；同时，有研究显示系统工程除了其他好处之外，实质上也可导致成本降低。然而，直到最近才开始进行涉及多种产业的大规模定量调查，这样的研究正在进行中，以决定系统工程的效能，并量化其利益。

系统工程鼓励使用建模与模拟，以验证系统的假设或理论，以及他们的相互作用。

在安全工程中，允许可及早侦测可能失效所使用的方法，已经被整合到设计过程中。同时，在专案起始阶段所做的决策，却无法清楚理解其后果者，在系统寿命后期可能造成巨大的冲击。现代系统工程师的任务，就是去探讨这些议题，并作出关键性的决定。没有一种方法可以保证今日的决定，在一个系统从最初构想到投入服务，持续数年、或数十年之后仍然有效。不过，仍有许多支援系统工程程序的技术。例子包括：软系统方法论、系统动力学方法、和统一塑模语言（UML）。这些方法目前都正在探索、评估和开发，以支援工程决策程序。

## 教育

系统工程教育往往被视为正规工程课程的延伸，这反映了产业的态度，也就是工程学生需要在传统的工程学科（如航太工程学，土木工程学、电机工程学、机械工程学，制程工程学，工业工程学）之一的基础背景，加上实务的、现实世界的经验，以成为有效用的系统工程师。在大学本科开设系统工程课程并不多见，通常是在研究生阶段提供系统工程学课程，并与跨学科研究相结合。

INCOSE维护一个不断更新的全世界系统工程学术课程目录。截至2009年，在美国大约有80个学院提供165个系统工程的本科和研究生学程。系统工程教育可以作为以系统为中心、或以领域为中心。

- 以系统为中心学程：把系统工程视为一个独立的学科，大部分课程的授课重点在于系统工程原则和实务。
- 以领域为中心学程：提供系统工程成为一个选修项目，可与另一个主要领域的工程学一块学习。

这两种模式都力求教育系统工程师成为能够俯瞰跨学科专案、并具有必要深度的核心工程师。

## 系统工程主题

系统工程工具是有助于执行一个专案或产品的系统工程的策略、程序、和技术。这些工具的目的，依数据库管理、图形浏览、模拟、和推理，到文档生成，中性输入/输出、以及更多的不同而异。

### 系统

在系统工程的领域中，何谓系统有许多的定义。以下是一些较具权威的定义：

- ANSI/EIA-632-1999：“终端产品的集合，使产品达到既定目的。”
- DAU系统工程基础：“一个以人、产品、和程序的整合综合体，提供满足既定需要或目标的能力。”
- IEEE Std 1220-1998：“一整套、或相关布局的元素和流程，其特性以满足客户/运作的需要，并提供产品生命周期的支持。”
- ISO/ IEC15288:2008：“相互作用的元素组合，以实现一个、或多个指定用途。”
- NASA系统工程手册：“（1）共同发挥功用的元素组合，以产生可满足需要的能力。这些元素包括所有硬件、软件、设备、设施、人员、流程、以及为此目的所需的程序。（2）终端产品（执行运作功能）以及驱动（对运作的终端产品提供生命周期支援服务）构成一个系统的产品。”
- INCOSE系统工程手册：“在真实世界中展示预先定义行为的同质实体，由异质部件〈个别展示皆无此行为〉所组成，组件或次系统的整合配置。”
- INCOSE：“系统是不同元素的构造、或组合，可以一起产生个别元素无法独自获得的结果，此元素（或部件）可包括：人员、硬件、软件、设施、政策、和文件，亦即所有可产生系统层级结果的事物，此结果包括：系统层级的品质、属性、特征、功能、行为、和效能，整个系统所添加的价值，超越部件的个别贡献，主要是由部件间的关系所产生，亦即他们如何互联。”

### 系统工程流程

根据他们的应用，在系统工程流程的各个阶段使用不同的工具

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### 使用模型

在系统工程中模型发挥重要和多种角色。一个模型可以有多种定义，包括：

- 现实的抽象化，旨在回答有关现实世界中的具体问题。
- 模仿、模拟、或代表一个真实世界的过程或结构；或者是
- 一个概念，数学、或物理的工具，用以协助决策者。

总之，这些定义很广泛，足以涵盖系统设计验证所使用的实体工程模型，以及图示模型（就像使用于取舍研究过程中的功能流程方块图和数学（定量）模型）。本文侧重于后者。

在取舍研究中使用数学模型和数学图表的主要原因，系提供系统效益、性能或技术属性、一组已知或可估计数量的成本估算。通常需要一批个别模型来提供这些结果变数。任何数学模型的核心，系为其输入和输出之间一套有意义的定量关系。这些关系可以简单到合计成分数量以获得总数，或复杂到要用一套微分方程式来描述在一个重力场中的宇宙飞船飞行轨迹。理想情况下，这些关系表达了因果关系，而不仅仅是相关性。此外，系统工程活动的成功关键，也在于这些模型的方法被有效地管理，并且使用来模拟系统。不过，多种的领域往往造成反复出现的系统工程建模与仿真问题，新的进展是在“建模与仿真系统工程”标题下，正瞄准于不同的科学和工程社群间相互交流、共同成长的方法。

### 建模形式和图形表示

首先，当一位系统工程师的主要目的是去理解一个复杂问题时，系统的图形表示被用来传递系统功能和资料的需求。常见的图形表示包括：

- 功能流程方块图（FFBD）
- 基于模型的设计
- 资料流程图（DFD）
- N平方图（N2 Chart）
- IDEF0图
- 使用案例
- 时序图
- 方块图
- 信号流图
- 通用系统语言
- 企业架构框架
- 基于模型的系统工程

图形表示透过功能、资料、或界面，使系统的各个子系统、或部件相互关连。上述任何方法被使用于产业，是基于产业的需求。例如，N平方图可使用于各系统之间的重要界面。设计阶段的一部分，就是去创建系统的结构和行为模型。

一旦需求被理解，系统工程师的责任就是去改善它们，并与其他工程师一起决定最好的工作技术。在取舍研究的起始点，系统工程鼓励使用加权选择来决定最佳选择。一个决策矩阵〈或Pugh方法〉是一种方式（品质机能展开是另一种），在同时考虑所有重要的标准时可作出这个选择。取舍研究则反过来通知设计，（不改变需求下）将再度影响图形表示。在系统工程过程中，这个阶段代表执行反复的步骤，直到找到可行方案为止。决策矩阵常用的技术，例如：统计分析、可靠度分析、系统动力学（回馈控制）、以及优化方法。

### 其他工具

系统建模语言（SysML）是系统工程应用所使用的一种建模语言，可支援一个范围广泛的复杂系统的规格、分析、设计、验证、和确认。

生命周期建模语言（LML）是一个设计给系统工程使用的开放标准建模语言，可支援完整的生命周期：概念、采用、支援、和除役阶段。

## 相关领域和子领域

许多相关领域可能被认为与系统工程紧密结合，这些领域贡献于将系统工程发展成为一个独特的实体。

认知系统工程：认知系统工程（CSE）是一种特定的人机系统或社会技术系统的描述和分析方法。CSE的三个主要议题：人类如何应对复杂性、如何使用加工品来完成工作、以及人机系统和社会经济技术系统如何可被描述为共同的认知系统。CSE从一开始已成为公认的科学学科，有时也被称为认知工程。尤其，联合认知系统（JCS）的概念已成为一种广泛使用方式，用以了解复杂的社会技术系统如何可以用各种不同程度的分辨率来描述。超过20年的CSE经验已经被广泛描述。

型态管理（配置管理、构型管理、或形态管理）：与系统工程一样，型态管理在国防和航空航太业的实践是一种广泛的系统级的实践。该领域与系统工程的任务分配平行；系统工程应对需求开发，开发项分配和核查；型态管理处理需求捕获，开放项的可追溯性，开发专案的审计以确保它达到了预期的功能；这些已通过系统工程和/或测试工程验证的客观测试来证明。

控制工程：控制工程和控制系统的设计和实施，在几乎每一个行业中都被广泛使用，它是一个系统工程的大的子领域。对汽车和弹道导弹的制导系统的巡航控制就是两个例子。控制系统理论是一个应用数学的活跃域，涉及解空间的调查和发展控制过程分析的新方法。

工业工程：工业工程是工程学的一个分支，涉及人员，资金，知识，资讯，设备，能源，材料和工艺整合系统的开发，改进，实施和评价。工业工程借鉴工程分析和综合的原则和方法，以及数学，物理和社会科学，连同指定的工程分析和设计的原则和方法，已进行指定、预测和评估希望从这写系统所得到的结果。

界面设计：界面设计及其说明关注于保证系统内部某一部分与系统的其他部分和外部系统之间必要的连接和交互操作。界面设计还包括保证系统界面能够接受新的功能特性，包括机械，电气和逻辑界面，包括预留电线，插头空间，命令代码和通信协议中的位元。这被称为可扩展性。人机交互（HCI）或人机界面（HMI）是界面设计的另一个方面，也是现代系统工程的重要方面。局域网和广域网络的网络传输协定设计中就应用了系统工程原理。

机电工程：机电工程与系统工程类似，是一个多学科领域的工程学，它们都使用动态系统建模来表示有形的结构。在这方面，它是从系统工程几乎没有区别，但将它区分于系统工程的特点在于它更专注于小细节，而不是更大的概括和相互关系。正因为如此，这两个领域的区别在于他们的项目的范围，而不是他们的实践方法。

运筹学(物流学或后勤学)：运筹学支持系统工程的发展。运筹学的工具，用于在系统分析，决策和折衷研究。许多学校在运筹学或工业工程院系中都教授系统工程课程，突出系统工程在复杂的项目中发挥的作用。简单地说，运筹学就是有关于在多重约束下的流程的优化。

性能工程：性能工程是一门用以确保系统在其整个生命周期内满足客户的期望的学科。性能通常被定义为具有一定的操作执行的速度或在单位时间内执行多少次这种行动的能力。如果系统能力有限，当一个即将执行的操作伫列被停止时，系统的性能可能会下降。例如，一个封包交换网络的性能可以用点对点分组传输延迟或在一小时内资料包交换的数量来表示。高性能系统的设计需要使用分析或模拟建模，而高性能系统实现的交付，则需要全面的性能测试。性能工程在很大程度上依赖于统计，排队论和概率论的工具和流程。

计划管理和专案管理：计划管理与系统工程有许多相似之处，但较之系统工程的工程学，却有着更广泛的来源。专案管理也与计划管理和系统工程密切相关。

提案工程：提案工程的将科学和数学的原则应用于设计、建造和经营一个成本效益的提案开发系统。基本上，建议工程采用“系统工程流程”来创建一个符合成本效益的提案，并增加成功提案的可能性。

可靠度工程：可靠度工程是一门确保系统在其整个生命的可靠性将满足客户的期望，也就是说，它不会比预期有更频繁的失败。可靠性工程应用系统的各个方面。它与可维护性、可用性、和保障工程密切相关。可靠性工程一直是安全工程的一个重要组成部分，正如失效模式与影响分析 （FMEA）和危险故障树分析，同样也是安保工程的重要组成部分。可靠性工程在很大程度上依赖于统计，概率论和可靠性理论的工具和流程。

安全工程：安全工程技术可应用于非专业的工程师在设计复杂的系统，以最大限度地减少安全关键性失败的概率。“系统安全工程”功能，可以说明在新兴的设计中识别“安全隐患”，并可能作为技术的补充，以“缓解”危险的条件下，无法设计出系统的（潜在的）影响。

安保工程：安保工程可以被看作是一个跨学科领域，它整合了控制系统设计，可靠性，安全和系统工程的实践社群。它可能涉及其他附属专业学科，如系统使用者认证，系统目标和其他——人，物和流程。

软件工程：从一开始，软件工程就在帮助塑造著现代系统工程的实践。在处理大型软件密集型系统的复合体时所使用的技术，对系统工程的工具、方法和流程的塑造以及重塑产生了影响。

## 延伸阅读

- Harold Chestnut, Systems Engineering Methods. Wiley, 1967.
- Daniele Gianni, Andrea D'Ambrogio, and Andreas Tolk (editors), Modeling and Simulation-Based Systems Engineering Handbook, CRC Press, 2014 at CRC
- Harry H. Goode, Robert E. Machol System Engineering: An Introduction to the Design of Large-scale Systems, McGraw-Hill, 1957.
- Derek Hitchins (1997) World Class Systems Engineering at hitchins.net.
- Malakooti, B. (2013). Operations and Production Systems with Multiple Objectives. John Wiley & Sons.
- MITRE, The MITRE Systems Engineering Guide ( pdf )
- NASA (2007) Systems Engineering Handbook , NASA/SP-2007-6105 Rev1, December 2007.
- NASA (2013) NASA Systems Engineering Processes and Requirements NPR 7123.1B, April 2013 NASA Procedural Requirements
- David W. Oliver, Timothy P. Kelliher & James G. Keegan, Jr. Engineering Complex Systems with Models and Objects. McGraw-Hill, 1997.
- Simon Ramo, Robin K. St.Clair, The Systems Approach: Fresh Solutions to Complex Problems Through Combining Science and Practical Common Sense, Anaheim, CA: KNI, Inc, 1998.
- Andrew P. Sage, Systems Engineering. Wiley IEEE, 1992. .
- Andrew P. Sage, Stephen R. Olson, Modeling and Simulation in Systems Engineering, 2001.
- SEBOK.org, Systems Engineering Body of Knowledge (SEBoK)
- Dale Shermon, Systems Cost Engineering , Gower publishing, 2009
- Robert Shishko et al. (2005) NASA Systems Engineering Handbook . NASA Center for AeroSpace Information, 2005.
- Richard Stevens, Peter Brook, Ken Jackson & Stuart Arnold. Systems Engineering: Coping with Complexity. Prentice Hall, 1998.
- US Air Force, SMC Systems Engineering Primer & Handbook , 2004
- US DoD Systems Management College (2001) Systems Engineering Fundamentals. Defense Acquisition University Press, 2001
- US DoD Guide for Integrating Systems Engineering into DoD Acquisition Contracts, 2006
- US DoD MIL-STD-499 System Engineering Management

## 外部链接

- ICSEng 网页
- INCOSE 网页
- INCOSE UK 网页
- PPI SE Goldmine 网页
- Systems Engineering Body of Knowledge
- Systems Engineering Tools 系统工程工具清单
- DoD Systems Engineering ODASD/SE 网站〈包括参考资料的指引〉
- NDIA Systems Engineering Division