工程系统与系统工程

工程系统与系统工程工程系统与系统工程工程系统与系统工程栾恩杰1，陈红涛2，赵滟2，胡良元2（1.国家国防科工局，北京100048；2.中国航天系统科学与工程研究院，北京100037）摘要：从工程本体论出发，讨论系统工程这种“组织管理的方法”如何保障工程的顺利开展、如何保障工程系统的设计建造过程、如何确保工程目标的实现。着重讨论两个密切相关又容易混淆的概念：工程系统与系统工程。“工程系统”是指具体的某个工程及其产出物，并且该工程具有系统性；而“系统工程”不是工程系统本身，而是工程系统设计建造的方法及过程，两者统一于工程的进行过程之中，是实现工程目标的两个支柱。简要介绍了系统工程的新进展——基于模型的系统工程。关键词：工程；工程系统；系统工程；基于模型的系统工程引言工程是人类的一项创造性实践活动，是人类为了改善自身生存、生活条件，根据当时对自然规律的认识而进行的一项物化劳动过程［1］5。一个完整的工程应当包括工程活动的全过程和工程活动的成果，工程过程和工程结果不可分离，最后的成果和产物是工程过程的组成部分［2］90。如何保障工程过程的顺利开展，得到符合人的要求的工程结果，则需要系统工程这一方法的保障。1工程系统与系统工程的概念辨析工程系统和系统工程是容易混淆的概念，需要对二者的概念进行明晰地区分。1.1工程系统的定义及特征从三元论的观点看，科学、技术、工程是分不开的。科学技术是工程的支撑，同时也限制工程。当前科学技术与工程的发展，已经呈现出科学、技术、工程“无首尾逻辑”的局面［3］324。从科学、技术、工程的关系来看，工程具有以下特点。1.1.1工程的特点1）工程必须关注结果和目标的实现工程都有目标、指标、方案、投入、完成时间等具体内容和要求，而这些都应当是可实现、可检查、可验证的，而不是用诸如“应有好的质量、美观的设计、耐用的品质、安全放心”等描述性语句来表达。同样，也不能在一个具体的工程项目中开展探索研究，在工程阶段不允许“摸着石头过河”。2）现代工程是多学科跨领域的科学技术复合体工程是技术的组合性应用。如航天的运载火箭，就其动力而言，不论是固体推进，还是液体推进，都属于化工范畴；使火箭产生有效推力和有目的行为的，是其控制系统和相应的阀门、管路、传感器、执行机构，这些属于信息与控制范畴；火箭的最大部分是有极高的特殊要求的各种容器，如推进剂贮箱、各种高压的气体贮箱等，又属于材料、工艺、机械范畴。因此，火箭是一个综合体，是跨专业、跨学科综合的系统性成果。3）重大工程必须有必要条件说明重大工程的跨学科特性，要求我们跨出具体学科的视角，在确定一个工程的时候，一定要询问与它相关的技术准备的怎么样了，这是工程确立的“必要条件说明”。比如现在有学者在谈论人类移居火星，要把火星变成适宜人类居住的星球，这是非常诱人的计划。但我们不能违背工程的特点——“必要条件说明”去决策。一旦讲到“工程”，如果没有经过“必要条件说明”就开展工程实践，则必然会碰壁。这种轰轰烈烈上马，凄凄惨惨收场的工程并不少见。4）工程需建立责任制与问责机制工程项目必须建立责任制，工程项目的责任制建设也与工程结构一样是一个树形结构，每个人都在责任体系中占有一个相应的位置。工程需要问责机制，所谓问责就是对工程所确定的那些具体内容进行全面审计、审查并进行补充完善的过程。工程必须有具体的时间表和明确的路线图，而且必须要在定义和说明的共识下完成这些目标，否则要问责。我国航天“定位准确，机理清楚，问题复现，措施有效，举一反三”的技术归零五条标准和“过程清楚，责任明确，措施落实，严肃处理，完善规章”的管理归零五条标准充分体现了工程的问责，共同构成了航天质量的责任制和问责机制，并作为标准在我国军工行业得到了推广应用，同时在2015年被国际标准化组织采纳为国际标准ISO18238Spacesystems－ClosedLoopProblemSolvingManagement（航天质量问题归零）。5）工程必须关注全寿命周期工程不仅要关注建造过程，更要关注之前的设计过程、论证过程，以及工程完工之后的运行、保障甚至退役处置工作。工程首先要设计出来，设计方案决定了建造过程；工程交付用户后，需要持续的维修保障工作，以使工程系统恢复、保持其良好的状态，持续为用户提供价值，所以工程必须注重维修保障工作，同时保障性需要在前期的设计中予以充分关注，并和功能性特征一并考虑、协调，在设计方案中体现出来。对于某些特殊的工程，还要注重退役处置、报废的工作，如卫星在寿命期满后要合理处置，避免其变成太空垃圾、空间碎片，核电站的退役处置也要关注核燃料的污染问题。6）工程必须重视对自然环境和经济社会的影响任何一项工程，特别是重大工程，一定会面临机会成本的权衡。工程总处于特定的自然和社会环境中，工程所用的原材料，来自特定的环境（自然环境）；工程的设计过程、建造过程，是对周围环境的适应和改造；工程的产出物要交付给用户，放在用户的业务流程中运行，处于用户的环境中。因此，在工程的全寿命周期，都必须充分地考虑环境条件的支持和制约作用，关注工程对自然资源的耗费，开展工程的伴生物分析，履行工程的社会责任。1.1.2工程系统的定义工程系统是为了实现集成创新和建构等功能，由各种“技术要素”和诸多“非技术要素”按照特定目标及功能要求所形成的完整的集成系统［2］74。从工程哲学的视角来看，工程活动的核心是构建出一个新的存在物。工程活动中所采用（集成）的各种技术始终围绕着一个新的存在物展开，所以构建新的存在物是工程活动的基本标志。简言之，工程系统是工程的成果、产出物、交付物，是能够为社会、为用户带来益处的人工创造物。例如卫星工程，经过策划、论证、设计、建造、在轨测试，最后交付给用户的是一个符合设计要求、可以持续提供天基信息服务的卫星系统，这就是卫星工程的成果、产出物、交付物。工程系统之所以称为系统，是因为这一工程由许多部分组成，而且这些组成部分并不是各自独立的，它们之间具有紧密的关联性，即整个工程具有系统性。所有的组成部分构成了工程系统，这些组成部分包括各个系统及其部件，建造过程中的所有环节，工程所需要的各种资源，以及确保工程顺利实施的支持系统。从最终结果来看，工程系统是最终交付给工程需求者的客观存在物。工程系统具有整体性和层次性、统一性和协同性、目标一致性、匹配性等特征。1.2工程系统设计建造及运行的方法——系统工程随着人们建造的工程系统越来越复杂、体系化更强，要求人们必须全面考虑建造过程中的各种影响因素，提前规划工程进展中遇到的各种问题，协调来自各单位的工程参与者，统筹考虑工程项目的质量、进度、成本问题。正如钱学森所说，“导弹武器系统是现代最复杂的工程系统之一，要靠成千上万人的大力协同工作才能研制成功。研制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”［4］10。这个“基本问题”实际上就是系统工程所要解决的问题，这也是系统工程应运而生的背景。20世纪60年代至70年代初，随着美国阿波罗工程的实施，美国国家航空航天局（NASA）提出了最初的系统工程理念和理论方法体系。可以说，阿波罗工程在技术、管理上的复杂性，以及工程成败对政治、经济、社会影响的深远性，决定了系统工程产生的必然性。大部分航天工程都具有阿波罗工程的特点，这些工程都必须保证在技术上、管理上不出纰漏，不发生重大失误，避免经济损失和人员损失及其对国家声望带来的不利影响。因此，重大工程实践及科技事业的发展也在不断推动系统工程的进步和完善。在航天之外，系统工程在其他领域也得到了普遍的应用。例如，系统工程已成为商用飞机行业通用的指导飞机研制的方法，各主要民机制造商、行业协会和相关机构都围绕系统工程应用，编制了大量的指导方法和标准。例如，SAEARP4754A《民用飞机及其系统的研制指南》是航空领域一份重要的实践指南，将系统工程和安全性设计融入到了民用飞机研制和适航取证过程中。系统工程在国际飞行器研制过程中已经得到广泛应用并取得了显著的效果，并在波音、空客、米格等巨头公司最佳实践经验中得到了总结和提升［5］84。实践证明，对于复杂工程系统来说，系统工程是行之有效的方法体系。复杂工程的从业者必须用系统工程来保证工程系统是优质的，是符合社会需要的，能够按时且在成本预算内完成。从本体论来说，系统工程的运用对象是工程系统；从指导工程系统建造的方法论来说，系统工程强调的是一种方法和手段；从工程实践活动看，系统工程重在运行。钱学森院士对系统工程的定义是：“系统工程是组织管理系统的规划、计划、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都有普遍意义的科学方法。”［4］12所以我们认为钱老的定义是将系统工程归于方法论这一范畴，在工程方法论中有重要的位置。1.2.1系统工程概念辨析目前，工程界、学术界对工程系统的界定、定义、内涵争议不大，但对系统工程（英文SystemsEngineering的翻译），从名称的翻译到具体的内涵，都存在某些争议，主要包括以下三个方面。1）系统工程是方法还是“工程”？实际上，SystemsEngineering中Engineering是动词engineer的动名词，engineer作为动词的含义是“策划、设计、建造等”，此处的engineering不是名词，不是电子工程（ElectronicEngineering）、铁道工程、水利工程中的工程。SystemsEngineering这个短语是动名词后置，其含义是howtoengineerasystem？即如何策划、设计、建造、运行一个系统，强调的是方法，以及相应的步骤、流程、程序，强调把系统设计、建造出来的过程，因为方法的运用必然要通过一系列活动、经历一系列的步骤和过程，持续不断地运行。系统工程的最新国际标准《系统和软件工程——系统寿命周期过程》（ISO152882015）给出了系统工程的最新定义：系统工程是“管控整个技术和管理活动的跨学科的方法，这些活动将一组客户的需求、期望和约束转化为一个解决方案，并在全寿命周期中对该方案进行支持”［6］10。同时，SystemsEngineering一词在国外是有固定含义的术语，也出版了很多标准、规范，如美国的军用标准Mil-Std499、NASA的系统工程手册、欧洲的ECSS-E-ST-10C（空间工程——系统工程总要求）等等。追根溯源，为统一对“系统工程”的理解，应明确系统工程是工程系统设计、建造及运营所采用的方法和技术。2）社会上广泛使用的“系统工程”是否是系统工程？在我国，“系统工程”这一术语到目前仍没有一个统一的标准语言来进行定义，尚未取得完整性的共识。同时，由于“系统”和“工程”的概念很普及，因此，“系统工程”在我国的语境下极易被理解为“系统性的工程”、“复杂的工程”、“牵涉面比较广的工程”这类描述性的概念。许多工程都被冠以“系统工程”的称号，例如经常说“某某工程”是一项“系统工程”，其本意是强调该工程的复杂性，说明工程由多层次、多环节构成，并且受到许多因素的影响和制约，是“系统性的工程”（此处工程的含义是project，是工程项目），是需要采用系统工程方法来开展工作的工程项目，其目的是引起各方面对工程项目的重视，促使相关部门开展协调和配合，例如，三峡工程是一项系统性的工程。这种将“系统工程”作为描述性词汇的做法，误解了系统工程作为方法的本意，实际上这种误解仍然源自于把系统工程当作“工程”而不是方法。3）广义系统工程与原义的系统工程之分钱学森在1978年提出工程项目应当采用系统工程后，又将该方法推广到社会系统中，提出了经济系统工程［7］80、教育系统工程、法治系统工程等［8］178［9］79，也引发了1980年代的系统工程热，大学也开展了系统工程专业，出版了很多系统工程教科书，但这些大都是社会系统层面的系统工程，也可以说是广义的系统工程。对应用于航空、航天、船舶、铁路等领域的系统