系统工程的发展与应用

系统工程的发展与应用于景元中国航天科技集团710研究所现代科学技术的发展，呈现出既高度分化又高度综合的两种明显趋势。一方面是已有学科不断分化越分越细，新学科、新领域不断产生；另一方面是不同学科、不同领域之间相互交叉、结合与融合，向综合性整体化的方向发展。这两者是相辅相成、相互促进的。系统科学就是这后一发展趋势中，最有代表性和基础性的科学技术。系统科学是从事物的整体与部分、局部与全局以及层次关系的角度来研究客观世界的。客观世界包括自然、社会和人自身，能反映事物这个特征最基本和最重要的概念就是系统。所谓系统是指由一些相互关联、相互作用、相互影响的组成部分所构成的具有某些功能的整体。这是国内外学术界普遍公认的科学概念，这样定义的系统在客观世界中是普遍存在的。所以，系统也就成为系统科学研究和应用的主要对象。系统科学与自然科学、社会科学等不同，但有内在联系，它能把这些科学领域研究的问题联系起来，作为系统进行综合性整体研究。这就是为什么系统科学具有交叉性、综合性、整体性与横断性的原因。也正是这些特点，使系统科学处在现代科学技术发展的综合性整体化方向上。钱学森是大家公认的我国系统科学事业的开拓者和奠基者，上个世纪70年代末，钱学森就提出了系统科学的体系结构，这个体系包括基础理论层次上的系统学，技术科学层次上的运筹学、控制论、信息论等，以及应用技术或工程技术层次上的系统工程。在1978年的一篇文章中，钱老就已明确指出[1]，系统工程是组织管理系统的工程技术。在大力推动系统工程应用的同时，又提出建立系统理论和创建系统学的问题[2]。在创建系统学过程中，钱学森提出了开放的复杂巨系统及其方法论[3]，由此开创了复杂巨系统的科学与技术这一新领域[4]，从而使系统科学发展到了一个新的阶段。在上述发展过程中，系统工程也有了很大发展，现已发展到复杂巨系统工程和社会系统工程阶段。本文的目的是对这些进展作些介绍和讨论，以利于实践中的应用。一、综合集成方法对于系统科学来说，一个是要认识系统，另一个是在认识系统的基础上去设计、改造和运用系统，这就要有科学方法论的指导和科学方法的运用。系统科学的研究表明，系统的一个重要特点，就是系统在整体上具有其组成部分所没有的性质，这就是系统的整体性。系统整体性的外在表现就是系统功能。系统内部结构和系统外部环境以及它们之间的关联关系，决定了系统整体性和功能。从理论上来看，研究系统结构与环境如何决定系统整体性与功能，揭示系统存在、演化、协同、控制与发展的一般规律，就成为系统学，特别是复杂巨系统学的基本任务。国外关于复杂性研究，正如钱老指出的是开放复杂巨系统的动力学问题，实际上也属于系统理论范畴。另一方面，从应用角度来看，根据上述系统性质，为了使系统具有我们期望的功能，特别是最好的功能，我们可以通过改变和调整系统结构和系统环境以及它们之间按关联关系来实现。但系统环境并不是我们想改变就能改变的，在不能改变的情况下，只能主动去适应。但系统结构却是我们能够改变、调整和设计的。这样，我们便可以通过改变、调整系统组成部份或组成部分之间、层次结构之间以及与系统环境的关联关系，使它们相互协调与协同，从而在整体上涌现出我们期望的和最好的功能，这就是系统控制和系统管理的内涵，也是系统工程所要实现的主要目标。根据系统结构的复杂性，可将系统分为简单系统、简单巨系统、复杂系统和复杂巨系统以及特殊复杂巨系统——社会系统。对于简单系统、简单巨系统均已有了相应的方法，也有了相应的理论与技术并在继续发展中。但对复杂系统、复杂巨系统以及社会系统，却不是已有的科学方法所能处理的，需要有新的方法论和方法，正如钱老指出的，这是一个科学新领域。从近代科学到现代科学的发展过程中，自然科学采用了从定性到定量的研究方法，所以自然科学被称为“精密科学”。而社会科学、人文科学等由于研究问题的复杂性，通常采用的是从定性到定性的思辨、描述方法，所以这些学问被称为“描述科学”。当然，这种趋势随着科学技术的发展也在变化，有些学科逐渐向精密化方向发展，如经济学等。从方法论角度来看，在这个发展过程中，还原论方法发挥了重要作用，特别是在自然科学领域中取得了很大成功。还原论方法是把所研究的对象分解成部分，以为部分研究清楚了，整体也就清楚了。如果部分还研究不清楚，再继续分解下去进行研究，直到弄清楚为止。按照这个方法论，物理学对物质结构的研究已经到了夸克层次，生物学对生命的研究也到了基因层次。毫无疑问这是现代科学技术取得的巨大成就。但现实的情况却使我们看到，认识了基本粒子还不能解释大物质构造，知道了基因也回答不了生命是什么。这些事实使科学家认识到“还原论不足之处正日益明显”[5]。这就是说，还原论方法由整体往下分解，研究得越来越细，这是它的优势方面，但由下往上回不来，回答不了高层次和整体问题，这又是它的不足一面。所以仅靠还原论方法还不够，还要解决由下往上的问题，也就是复杂性研究中的所谓涌现问题。著名物理学家李政道对于21世纪物理学的发展曾讲过：“我猜想21世纪的方向要整体统一，微观的基本粒子要和宏观的真空构造、大型量子态结合起来，这些很可能是21世纪的研究目标”[6]。这里所说的把宏观和微观结合起来，就是要研究微观如何决定宏观，解决由下往上的问题，打通从微观到宏观的通路，把宏观和微观统一起来。同样的道理，还原论方法也处理不了系统整体性问题，特别是复杂系统和复杂巨系统以及社会系统的整体性问题。从系统角度来看，把系统分解为部分，单独研究一个部分，就把这个部分和其他部分的关联关系切断了。这样，就是把每个部分都研究清楚了，也回答不了系统整体性问题。意识到这一点更早的科学家是彼塔朗菲，他是一位分子生物学家，当生物学研究已经发展到分子生物学时，用他的话来说，对生物在分子层次上了解得越多，对生物整体反而认识得越模糊。在这种情况下，于20世纪30年代他提出了整体论方法，强调还是从生物体系统的整体上来研究问题。但限于当时的科学技术水平，支撑整体论方法的具体方法体系没有发展起来，还是从整体论整体、从定性到定性，论来论去解决不了问题。正如钱老所指出的“几十年来一般系统论基本上处于概念的阐发阶段，具体理论和定量结果还很少”[7]。但整体论方法的提出，确是对现代科学技术发展的重大贡献。20世纪80年代中期，国外出现了复杂性研究。所谓复杂性其实都是系统复杂性，从这个角度来看，系统整体性，特别是复杂系统和复杂巨系统以及社会系统的整体性问题就是复杂性问题。所以对复杂性研究，他们后来也“采用了一个复杂系统的词，代表那些对组成部分的理解不能解释其全部性质的系统”[5]。国外关于复杂性和复杂系统的研究，在研究方法上确实有许多创新之处，如他们提出的遗传算法、演化算法、开发的swarm软件平台、以agent为基础的系统建模、用数字技术描述的人工生命等等。在方法论上，虽然也意识到了还原论方法的局限性，但并没有提出新的方法论。方法论和方法是两个不同的层次的问题。方法论是关于研究问题所应遵循的途径和研究路线，在方法论指导下是具体方法问题，如果方法论不对，再好的方法也解决不了根本性问题。20世纪70年代末，钱学森明确指出：“我们所提倡的系统论，既不是整体论，也非还原论，而是整体论与还原论的辩证统一”[8]。钱老的这个系统论思想后来发展成为他的综合集成思想。根据这个思想，钱老又提出将还原论方法与整体论方法辩证统一起来，形成了系统论方法。在应用系统论方法时，也要从系统整体出发将系统进行分解，在分解后研究的基础上，再综合集成到系统整体，实现1+1）2的整体涌现，最终是从整体上研究和解决问题。由此可见，系统论方法吸收了还原论方法和整体论方法各自的长处，同时也弥补了各自的局限性，既超越了还原论方法，又发展了整体论方法。这是钱学森在科学方法论上具有里程碑意义的贡献，它不仅大大促进了系统科学的发展，同时也必将对自然科学、社会科学等其它科学技术部门产生深刻的影响。钱学森高度重视以计算机、网络和通信技术为核心的信息技术革命，并指出这场信息技术革命不仅对人类社会的发展将导致一场新的产业革命，而且对人自身，特别对人的思维会产生重要影响，将出现人—机结合的思维方式，人将变得更加聪明。我们知道，人类有史以来是通过人脑获得知识和智慧的，但现在由于以计算机为主的现代信息技术的发展，出现了人—机结合、人—网结合以人为主的思维方式、研究方式和工作方式，这在人类发展史上是具有重大意义的进步，对人类社会的发展必将产生深远的影响。正是在这种背景下，钱老提出了人—机结合以人为主的思维方式和研究方式。从思维科学角度来看，人脑和计算机都能有效处理信息，但两者有极大差别。人脑思维一种是逻辑思维（抽象思维），它是定量、微观处理信息的方式；另一种是形象思维，它是定性、宏观处理信息的方式。而人的创造性主要来自创造思维，创造思维是逻辑思维与形象思维的结合，也就是定性与定量相结合，宏观与微观相结合，这是人脑创造性的源泉。今天的计算机在逻辑思维方面确实能做很多事情，甚至比人脑做的还好、还快，善于信息的精确处理。已有很多科学成就证明了这一点，如著名数学家吴文俊先生的定理机器证明就是这方面的一项杰出成就。而在形象思维方面，现在的计算机还不能给我们以任何帮助，也许今后这方面有了新的发展，情况将会变化。至于创造思维就只能依靠人脑了。但计算机在逻辑思维方面毕竟有其优势，如果把人脑和计算机结合起来以人为主，那就更有优势，人将变得更加聪明，它的智能比人高，比机器就更高，这也1+1）2的道理。这种人--机结合以人为主的思维方式、研究方式和工作方式，具有更强的创造性，也具有更强的认识世界和改造世界的能力。用下图来说明这一点。机器人·机结合以机器为主人人·机结合以人为主智能与认知能力思维方式和研究方式从图中可以看出，人--机结合以人为主的思维方式，它的智能和认知能力处在最高端。这种聪明人的出现，预示着将出现一个“新人类”，不只是人，是人--机结合的新人类。基于思维科学和信息技术的发展，20世纪80年代末到90年代初，钱学森又先后提出“从定性到定量综合集成方法”以及它的实践形式“从定性到定量综合集成研讨厅体系”（以下将两者合称为综合集成方法），并将运用这套方法的集体称为总体设计部。这就将系统论方法具体化了，形成了一套可以操作的行之有效的方法体系和实践方式。从方法和技术层次上看，它是人--机结合、人--网结合以人为主的信息、知识和智慧的综合集成技术。从应用和运用层次上看，是以总体设计部为实体进行的综合集成工程。这就将前面提到的人--机结合以人为主的思维方式和研究方式具体实现了。综合集成方法的实质是把专家体系、信息与知识体系以及计算机体系有机结合起来，构成一个高度智能化的人--机结合与融合体系，这个体系具有综合优势、整体优势和智能优势。它能把人的思维、思维的成果、人的经验、知识、智慧以及各种情报、资料和信息统统集成起来，从多方面的定性认识上升到定量认识。综合集成方法就是人--机结合获得信息、知识和智慧的方法，它是人--机结合的信息处理系统，也是人--机结合的知识创新系统，还是人--机结合的智慧集成系统。按照我国传统文化有“集大成”的说法，即把一个非常复杂的事物的各个方面综合集成起来，达到对整体的认识，集大成得智慧，所以钱老又把这套方法称为“大成智慧工程”。将大成智慧工程进一步发展，在理论上提炼成一门学问，就是大成智慧学。从实践论和认识论角度来看，与所有科学研究一样，无论是复杂系统、复杂巨系统（包括社会系统）的理论研究还是应用研究，通常是在已有的科学理论、经验知识基础上与专家判断力（专家的知识、智慧和创造力）相结合，对所研究的问题提出和形成经验性假设，如猜想、判断、思路、对策、方案等等。这种经验性假设一般是定性的，它所以是经验性假设，是因为其正确与否，能否成立还没有用严谨的科学方式加以证明。在自然科学和数学科学中，这类经验性假设是用严密逻辑推理和各种实验手段来证明的，这一过程体现了从定性到定量的研究特点。但对复杂系统、复杂巨系统（包括社会系统）由于其跨学科、跨领域、跨层次的特点，对所研究的问题能提出经验性假设，通常不是一个