系统工程原理与实践(第2版)

译者序

国际系统工程协会(INCOSE)推行基于模型的系统工程流程、方法和工具，在航空、航天、船舶工业等大型复杂系统的设计、研制、试验和运行过程中得到了广泛应用。由Wiley出版社出版的系统工程系列图书，内容丰富，体系清晰，符合当前主流系统工程方法和流程。其中《Systems Engineering Principles and Practice》一书的原作者——美国约翰斯·霍普金斯大学教授Alexander Kossiakoff，曾任美国航空航天局（NASA）应用物理实验室（APL）主任和首席科学家，从业60余年，领导开发多型军事和航空先进系统，这本书是他智慧和经历的结晶。

该书第1版由西安交通大学知名学者胡保生教授翻译；本书为第2版，由Alexander Kossiakoff的学生和同事Samuel J. Seymour、Steven M. Biemer修订，并顺应系统工程理论和实践的发展，增加了基于模型的系统工程（MBSE）、系统工程语言（SysML）、软件系统工程等内容，使综合案例更加丰富，知识点更加凝练，尤其关注了系统工程师的职业、系统边界、系统复杂性、系统架构、软件系统工程等领域的知识和应用，阐述了如何将系统工程理论和方法应用到复杂系统的设计和研制流程中，使内容更加直观且易于理解。

本书可作为航空、航天系统工程领域的本科生、研究生教材，也可作为该领域从业者掌握系统工程原理和方法的基础读物。

本书在翻译过程中得到了北京航空航天大学出版社、北京航空航天大学飞行学院，以及无人系统研究院的支持和帮助，特别感谢北京航空航天大学云南创新研究院的武瑞霞、吴伟靖、杨昕文、张海祥、高旗彬、关帅、易学飞等多位同事的大力支持和帮助，在此致以诚挚的谢意。

译者

2020年8月15日

前 言

跟随一位对历史进程和系统工程领域有着深远影响的人的脚步，这是令人难以置信的荣耀和荣幸。自本书第1版出版以来，系统工程领域取得了重大进展，包括对学科的认识也有了显著的提高，这从有关这一主题的会议、专题研讨会、期刊、文章和书籍的数量上就可以体现出来。显然，该领域已达到很高的成熟度，并有望继续提高。不幸的是，这一领域也遭遇了令人悲伤的损失，其中包括原著作者之一Alexander Kossiakoff，他在该书出版两年后就去世了。他的远见、创新、激情和毅力感染了和他一起工作的所有人，业界也怀念他。幸运的是，他的远见依然存在，并将继续成为这本书的推动力。我们非常自豪地将第2版作为其不朽的遗产献给Alexander Ivanovitch Kossiakoff。Alexander Kossiakoff（1914—2005）

Alexander Kossiakoff被亲切地称为Kossy，他在1969—1980年担任约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室主任，为该实验室确立了目标和方向。他的工作有助于保卫国家，增强国家的军事实力，推动科学研究朝着新技术和令人兴奋的方向发展，并使新人意识到系统工程的独特挑战和机遇。1980年，在意识到需要改进技术专业人员的培训和教育后，他在约翰斯·霍普金斯大学开设了技术管理专业理学硕士学位课程，并将其扩展到系统工程领域，这是首批此类课程之一。

今天，他创立的系统工程课程已成为美国的非全日制研究生课程，来自世界各地的学生在教室、远程和机构场所就读；随着该领域的不断扩展和教学场所新技术的引入，他为系统工程研究生课程设定了标准。这本书的第1版就是面向全球大学系统工程的基础教科书。

第2版的目标

传统的工程学科并没有为确保一个大型、复杂的系统项目从开始开发到成功使用提供必要的培训、教育和实践。本书的主要目标是倡导实践者从系统工程的视角审视和像系统工程师一样思考。

《系统工程原理与实践（第2版）》将继续作为研究生的教科书，介绍有关系统工程领域的知识和实践。我们延续了利用模型来帮助学生掌握书中抽象概念的传统。保留了第1版的五个基本模型，仅作了少量的修改以反映当前的思想。此外，始终将重点放在应用和实践上，并引导学生追求其教育与职业生涯并重。本书没有对数学和其他技术领域的问题（即使这些内容可能让更大范围的学生受益）进行深入、详细探讨，也没有提供传统工程学科的详细内容，这将超出本书的预期范围。

第2版的更新和增补围绕着自第1版出版以来在系统工程领域发生的变化。特别关注到以下主题：

系统工程师的职业。对系统工程师的职业生涯作了进一步的探讨。近年来，系统工程作为一个独立的领域被许多公司和组织所认可，“系统工程师”的职位已经正式确立。因此，我们提出了系统工程师的职业生涯模型，以帮助指导未来的专业人士。

系统工程概览。在第2版中引入的新的章节：系统工程概览，便是以此命名的，其加强了系统工程视角的概念，并对系统工程视角的含义进行了扩展讨论。

系统边界。引入了新材料，定义并扩展了系统边界概念。通过在研究生教育中使用该书，作者发现学生对这一概念存在固有的误解，一般来说，学生无法识别系统与其环境之间的边界。这些知识在第2版书中都得到了加强。

系统复杂性。系统复杂性领域的重要研究和解决方案已经完成。将系统之系统工程、复杂系统管理和系统工程组织等概念作为一个复杂性的递阶层次介绍给学生，其中系统工程是基础。

 系统架构。自第1版出版以来，系统架构领域大大扩展，并且这个领域的工具、技术和实践被纳入概念探索和定义章节。在系统架构中，介绍了传统结构分析和面向对象分析技术的新模型和框架，并给出了示例，包括对统一建模语言和系统建模语言的描述；还介绍了这些新方法的扩展和基于模型的系统工程。

 决策和支持。这一章是对原“系统工程决策工具”一章的更新和扩展，向系统工程的学生介绍了该领域所需的各种决策方法，以及可使用的现代流程、工具和技术。这一章也是移自第1版中特殊专题部分。

 软件系统工程。对原“软件系统工程”一章进行了大幅修改，使其包含了现代软件工程技术、原理和概念；扩展了现代软件开发生命周期模型（如敏捷开发模型），以反映当前的实践。此外，对能力成熟度模型的章节进行了更新，以反映当前的集成模型，本章也已从原专题部分中删除，作为高级开发和工程设计的完整组成部分加以介绍。

除了上面提到的主题外，为了便于理解，还对各章小结进行了重新编排，对习题和扩展阅读进行了更新。后，对措辞或表达方式不明确或不清楚的地方，采纳了研究生的反馈意见和建议。

内容说明

本书继续用于约翰斯·霍普金斯大学系统工程理学硕士课程的核心课程，现在本书已经成为美国和其他几个国家/地区使用的主要教科书。许多程序已经拓展到在线或远程教学；第2版在编写时考虑到了远程教学，并提供了更多的案例。

相较第1版，本书的篇幅也增加了，更新的内容和新的材料反映了这一领域本身的扩展。

第2版包括四个部分：

 部分系统工程基础，包括第1~5章，描述了现代系统的起源、架构，系统工程的当前领域，复杂系统的架构开发流程以及系统开发项目的组织。

 第二部分概念开发阶段，包括第6~9章，描述了系统生命周期的早期阶段。在这个阶段，确认新系统的要求，识别需求，开发备选方案，做出关键流程和技术决策。

 第三部分工程开发阶段，包括第10~13章，描述了系统生命周期的后期阶段。在这个阶段，对系统构建块进行了设计（包括软件和硬件子系统），进行整个系统集成并在运行环境中评估。

 第四部分后开发阶段，包括第14~15章，描述了系统在整个生命周期的生产、运行和支持阶段中的任务使命，以及系统工程师在这些阶段应该掌握哪些领域的知识。

本书每章包含小结、习题和扩展阅读。

致谢

本书第2版的作者对Kossiakoff博士和William先生的家人表示感谢，感谢他们对第2版的鼓励和支持。与第1版一样，作者感谢约翰斯·霍普金斯大学系统工程研究生课程的教师（现在的和过去的）做出的许多贡献。他们对第1版的精辟见解和改进建议对构建第2版非常宝贵。特别感谢E.A.Smyth对手稿的深刻评论。

后，感谢我们的家人——Judy Seymour、 Michele和August Biemer，感谢他们的鼓励、耐心和始终如一的支持，即使他们不断被要求做出牺牲而结局似乎永远遥不可及。

本书的大部分准备工作作为约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的教育任务的一部分得到了支持。

Samuel J. Seymour

Steven M. Biemer

2010年

本书旨在让立志学习航空航天专业的学生，初步了解航空航天工程的概念、发展历程、科学基础、工程技术及能力素质要求等。全书以空天工程为导引和框架，诠释工程理念，培育工程思维，帮助同学们学科学、学技术、学知识、学方法，提高学养和能力；促使同学们懂全局、懂集成、懂优化、懂权衡，增强工程素养。

本书可作为高等院校航空航天专业通识课程的配套教材，适用于航空航天专业的学生，也可供非航空航天专业的学生和感兴趣的读者参考。

Alexander Kossiakoff是Johns Hopkins大学应用物理实验室的前主任和现任首席科学家，以及Johns Hopkins大学GWC Whiting工学院系统工程和技术管理硕士计划的主席。

译者简介

王英勋，男，研究员，博士生导师。北京航空航天大学无人系统研究院院长，飞行器控制一体化技术国防科技重点实验室副主任。中国航空学会理事、学术委员会委员、GNC分会名誉主任委员；无人驾驶航空器系统专门委员会副主任委员；中国民航局无人机人员资质专家组成员；中国航空器拥有者与驾驶员协会无人机专家委员会主任；全国专业标准化技术委员会委员；中国指控与控制学会多智能体协同控制专业委员会委员。研究方向为无人机总体技术、无人机自主控制技术。曾任中国航空工业集团公司无人机办专务、副主任、主任。曾任多个型号无人机的总师、副总师，荣获国家科技进步一等奖、国防科技进步一等奖。具有国际项目管理学会（IPMP）高级项目经理资质，是国际系统工程师协会（INCOSE）系统工程师培训课程高级讲师。享受政府特殊津贴。

蔡志浩，男，博士，高级工程师，硕士生导师。主讲航空系统工程、系统架构设计等本科生、研究生核心专业课程；参与了多型国家重点型号无人机系统研制；探索将系统工程与复杂系统架构方法应用于教学、科研实践；从事创新布局无人机系统设计、高动态飞行器自主感知与控制等方向科学研究；主持预研项目、探索项目、航空基金和多项军工企业合作项目；培养的研究生曾荣获国家奖学金等荣誉，参加国内、国际大赛，取得优异成绩。

赵江，男，博士，副教授，硕士生导师。本科毕业于西北工业大学自动化专业，硕士毕业于西北工业大学控制理论与控制工程专业，博士毕业于北京航空航天大学导航制导与控制专业。研究方向为自主飞行控制技术。主持参与研究课题20余项，发表学术论文50余篇。入选北京航空航天大学青年拔尖人才、Chinese Journal of Aeronautics高被引作者。主讲系统工程原理、系统思维与航空系统工程等课程。

部分系统工程基础

第1章系统工程与现代系统世界/3

1.1什么是系统工程/3

1.2系统工程的起源/4

1.3需求系统工程的系统示例/8

1.4系统工程专业/10

1.5系统工程师职业发展模型/15

1.6系统工程的力量/17

1.7小结/18

习题/20

扩展阅读/21

第2章系统工程概览/22

2.1系统工程视角/22

2.2系统工程的透视图/26

2.3系统域/27

2.4系统工程领域/28

2.5系统工程方法/29

2.6系统工程活动和产品/30

2.7小结/31

习题/32

扩展阅读/32

第3章复杂系统的结构/33

3.1系统的构建块和接口/33

3.2复杂系统的层级/33

3.3系统的构建块/36

3.4系统环境/41

3.5接口和交互/46

3.6现代系统的复杂性/48

3.7小结/51

习题/53

扩展阅读/54

第4章系统开发流程/55

4.1贯穿系统生命周期的系统工程/55

4.2系统生命周期/55

4.3开发流程的演化特性/64

4.4系统工程方法/68

4.5系统开发中的测试/80

4.6小结/82

习题/83

扩展阅读/84

第5章系统工程管理/86

5.1管理系统的开发和风险/86

5.2工作分解结构/87

5.3系统工程管理计划/90

5.4风险管理/93

5.5系统工程的组织/100

5.6小结/102

习题/103

扩展阅读/104

第二部分概念开发阶段

第6章需求分析/109

6.1创建一个新系统/109

6.2运行分析/114

6.3功能分析/118

6.4可行性定义/119

6.5需求确认/120

6.6系统运行需求/123

6.7小结/126

习题/127

扩展阅读/127

第7章概念探索/129

7.1系统需求的开发/129

7.2运行需求分析/132

7.3性能需求的制定/138

7.4概念探索的实现/143

7.5性能需求的确认/146

7.6小结/148

习题/149

扩展阅读/150

第8章概念定义/151

8.1选择系统概念/151

8.2性能需求分析/153

8.3功能分析与表达/157

8.4功能分配/162

8.5概念选择/163

8.6概念确认/165

8.7系统开发计划/167

8.8系统架构/170

8.9系统建模语言：UML和SysML/175

8.10基于模型的系统工程/185

8.11系统功能规范/188

8.12小结/189

习题/191

扩展阅读/193

第9章决策分析和支持/195

9.1制定决策/195

9.2贯穿系统开发过程的建模/200

9.3为决策建模/200

9.4仿真/208

9.5权衡分析/215

9.6概率检查/225

9.7评估方法/227

9.8小结/234

习题/237

扩展阅读/238

第三部分工程开发阶段

第10章高级开发/241

10.1降低项目风险/241

10.2需求分析/244

10.3功能分析与设计/248

10.4作为降低风险技术的原型开发/252

10.5开发测试/258

10.6降低风险/265

10.7小结/266

习题/267

扩展阅读/269

第11章软件系统工程/270

11.1应对复杂性和抽象性/271

11.2软件开发的本质/273

11.3软件开发生命周期模型/277

11.4软件概念开发：分析和设计/283

11.5软件工程开发:编码和单元测试/292

11.6软件集成与测试/299

11.7软件工程管理/302

11.8小结/307

习题/309

扩展阅读/310

第12章工程设计/312

12.1实现系统构建块/312

12.2需求分析/315

12.3功能分析与设计/317

12.4部件设计/319

12.5设计确认/329

12.6配置管理/333

12.7小结/334

习题/336

扩展阅读/337

第13章集成与评估/339

13.1集成、测试与评估整个系统/339

13.2测试计划和准备/343

13.3系统集成/347

13.4开发系统测试/352

13.5运行测试与评估/357

13.6小结/362

习题/365

扩展阅读/365

第四部分后开发阶段

第14章生产/369

14.1工厂的系统工程/369

14.2生产的工程化/370

14.3从开发到生产的交付/373

14.4生产运行/376

14.5获取生产的基础知识/379

14.6小结/381

习题/383

扩展阅读/384

第15章运行和支持/385

15.1安装、维护和升级系统/385

15.2安装与测试/387

15.3运行支持/390

15.4主要系统的升级： 现代化/394

15.5系统开发中的运行因素/396

15.6小结/398

习题/399

扩展阅读/400