系统工程基础

第1章系统工程概述

系统工程起源于工程，是伴随人类不断地去认识和改造世界的过程而产生的一种方法和技术。在古代，人类使用简易的工具去从事简单的生产活动，这些工具的设计和生产并不需要复杂的流程和技术，一个人或者几个人就可以完成制造。而随着科技的发展，人类活动所需要的系统变得越来越复杂，要求人们采用系统的思维和工程化的方法来处理复杂的系统问题，系统工程便应运而生。如今，人类社会的正常运行已经离不开系统工程的支持，系统工程的影响也已经覆盖到了人类社会各行各业（如航空、航天、交通、通信等）的运行之中。在航空航天领域，系统工程也不仅体现在各类系统的设计和建造过程中，还体现在使用和保障过程对系统可靠和安全的诉求上。随着系统趋于复杂，系统思维和系统工程方法也将会变得更加重要。本章将从系统问题的普遍性出发，详细介绍系统工程的起源及其发展过程，同时也将会对一些重要的系统工程相关概念进行介绍。

1.1系统问题的普遍性

系统工程的研究对象是各式各样的系统。系统普遍存在于人们的生活中，而正是系统及其问题的普遍性推动系统工程成为了一门跨学科的横断专业。与航空航天领域一样，众多领域中对于系统相关的一些问题的思考贯穿整个系统设计、生产和使用过程，人们对这些问题的理解和解答是否有深刻把握决定着系统工程工作的最终效果或成败。一般而言，关于系统的

常见问题包括：我们需要什么样的系统？如何设计和建造系统？如何保证系统能正常运行？

系统会一直运行还是会走向消亡？

1.1.1我们需要什么样的系统

我们需要什么样的系统？这是设计和建造系统之前所必须回答的一个问题。系统无所不在，从自然界到人类社会，存在着形形色色、各式各样的系统。从宇宙中的无机系统到地球上的生态系统，从人类生活中的农业系统、经济系统、工业系统到文化教育系统，以及航空航天领域中各类系统，不同的系统具备的功能和作用各不相同。按照一般系统论提出者冯·贝塔朗菲(Ludwig von Bertalanffy)的观点，这些系统都具有要素、结构、功能等概念。关于这些系统的具体分类和定义，将在第2章进行详细讨论。当前，“系统”一词已经成为人们熟悉并广泛应用的词汇。虽说系统工程是研究所有系统的方法和技术，但是当前它的主要研究对象是人造系统，它是我们所需要的系统，是研究那些为实现一定的目的而被人类所设计和建造出来的系统。人造系统是跟人类生活联系最为紧密的一类系统，不同的人造系统具有不同的组成和结构，也具有不同的设计目的和功能，如飞机、高铁、汽车等人造系统被设计用于满足人们日常出行和交通的需求；火箭、飞船、卫星等系统被设计用于满足人们探索宇宙的需求；电视机、洗衣机、冰箱等家电设备和系统被设计用于满足人们对日常家居和生活的需求，等等。从另外一层含义来讲，这些人造系统既可以是全新设计建造的系统，也可以是在其他非人造系统的基础上改进而来的，比如都江堰、三峡大坝等系统便是在自然系统的基础上改进的人造系统。无论是哪一种系统的设计或制造，其最终的目的都是要服务于人类的需求。因此，在设计和建造系统之前，充分了解我们所期望的系统的目标，是进一步将目标转化为具体的设计指标并最终实现系统功能的必要条件。

1.1.2如何设计和建造系统

如何才能设计和建造出能够满足需要的系统呢?从古至今，任何系统都不是凭空而来的，任何系统和工程的建造，也都不是一蹴而就的，而是为了达到人类的特定目的，在一定方法的指导下，遵循着相应的流程来开展，蕴含着一定的设计和建造思想。小到简单工具的制作，大到飞机或火箭的研制，都应该明确系统设计和建造的目的，并以此为基础，分析实现相应目的所需开展的工作、采用的方法、遵循的流程，并指定每一阶段或步骤所需完成的任务，并付诸实施。这也是“工程”这一词汇的含义，也说明我们需要用工程化的方法来设计和建造系统。

随着社会的发展和技术的进步，我们所需要的系统越来越复杂，系统的结构也日趋复杂，导致系统的设计和建造过程的复杂性也随之增加。这时候，系统的设计和建造更需要采用一定的方法、遵循一定的流程。比如，大型客机包括上千万个零件，为了设计和制造客机，我们需要按照规定的流程和方法去实施设计和制造工作。另外，为了顺利地把系统设计和建造出来，我们还需要运用不同的专业知识，综合运用系统分析、建模和优化等系统工程方法，考虑整个工程项目中的费用与效能的平衡，并采用科学的方法来支持整个工程过程。这些都需要我们采用工程化的方法来对待系统。总而言之，系统的复杂化对于系统的设计和建造提出了更大的挑战。

1.1.3如何保证系统能正常运行

如何保证系统能正常运行呢？每个系统都具有其自身的生命周期。自其被建造出来并投入运行起，所有系统都不可能永久正常地运转下去。例如不同机型的客机从制造出来投入运营，使用年限一般在25~30年之间，其间还要经历很多检查和维修，以确保能满足运营安全要求。对于系统我们不仅要关注其设计和建造过程，还要注意到在系统的使用和保障过程中，总是会因为一些内因和外因而无法持续正常运作和提供服务。举例来说：飞机系统在运行过程中，会因为某些零部件的故障而无法发挥预定的功能；供水供电设施在运行过程中，会因为灾害的发生而无法提供正常的服务，等等。如果想让系统能长时间使用，则必须通过一定的方法去保证系统安全、可靠地持续运行。只有解决系统能够正常运行、正常发挥其功能的问题，我们才能考虑系统运行的优化和控制问题。

本书是面向系统工程学科的专业教材，重点介绍了系统工程原理和方法，内容包括系统工程基本原理和系统工程基础方法两大部分：系统工程基本原理部分介绍了系统工程的起源和基本概念、系统的概念与系统思维基本内容、几种最常见的系统工程方法论和系统的生命周期过程，系统工程基础方法部分介绍了系统工程过程中最常用、基础的系统分析、系统建模、系统优化、系统预测、系统仿真、系统评价、系统决策和系统控制等8种系统工程方法。