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“系統工程”最早在20世紀40年代由美國貝爾電話公司提出，50年代在美國製造原子彈的“曼哈頓”計劃及以後美國北極星導彈和阿波羅登月計劃皆為系統工程取得成果的著名範例。中國自20世紀70年代末到80年代在系統工程的實際應用方面有了很快的發展，最初1979年錢學森提出14門系統工程，後來隨著應用的發展很快有了其他各門系統工程。20世紀90年代到21世紀初出現幾門新的系統工程：計算機整合制造系統、網路系統工程、服務系統工程（供應鏈）、金融系統工程、大型工程（三峽、青藏鐵路）、大型社會專案（亞運會、奧運會和世博會）、生物系統工程、醫學系統工程、智慧交通系統、社會預警系統、電子商務、電子政務、可持續發展等。

   

從20世紀60年代貝塔朗菲提出一般系統理論以來，20世紀70年代起系統科學中出現不少新的學科分支，如耗散結構、協同學、超迴圈、突變理論、混沌學、分形等，從1986年起錢學森親自參加系統學討論班，對各個分支逐一介紹並作出點評。錢學森希望由此形成中國的系統學並給出英文名詞（systematology）。這無疑是中國系統科學界一個重要發展動向。20世紀90年代出現了複雜系統，其中一個是錢學森提出的從簡單系統到複雜系統、再到開放複雜巨系統（如社會、生物、經濟、軍事、環境等複雜系統），進而提出了從定性到定量綜合整合的方法論及綜合整合研討廳；另一個是聖菲研究所20世紀90年代中提出的複雜自適應系統以及多主體模擬系統的建模、複雜網路分析和遺傳演算法等方法。複雜自適應系統從以下多個方面表述系統特徵：1）從結構方面，它是由非常多的元素、簡單子系統、很多元件組成，它們具有不同的標度，相互之間是動態的互動作用的；2）它們具有層次性、自組織性和湧現的現象；3）在時間標度上它是演化的，有可能出現混沌；4）跨學科。

   

在20世紀末，中國系統工程學會許國志組織專家編寫了一本《系統科學》（2000年出版）。該書系統闡述了對各類系統的結構、功能和演化、有普適意義的動力學系統理論（包括分岔、混沌等）、自組織理論、隨機性理論，以及簡單巨系統、複雜適應系統、開放的複雜巨系統的理論，對資訊理論、控制論、運籌學、系統工程方法論等系統工程技術也作了簡要介紹。近十多年來，除了一般性的系統科學有了發展，一些專門的系統科學也在迅速發展。例如隨著全球變化研究的發展出現了地球系統科學，目的是促進地球系統整合研究和變化研究，以及利用這些變化進行全球可持續發展能力研究。在生物界，從系統角度研究生物的系統生物學開始蓬勃發展起來。在物理學界同樣有這樣一種將物質分解成分子、原子以至夸克以後，反過來對物質世界走向系統和整體研究以及複雜性的研究的趨勢，楊振寧、周光召等認為對稱性造成各種事物的統一性，而對稱破缺造成事物的複雜性和多樣化，他們主張整體性的研究，楊振寧等在數學工具方面應用了拓撲學中纖維叢及規範建模（Gauge modeling）等，還有一些從物理和其他系統交叉起來研究的新方向，如金融物理，有人利用規範建模描述簡單金融市場。再如社會物理，利用物理現象描述行人動力學，描述社會輿論的動力學，還有利用社會網路分析各種社會關係等，也值得注意。

   

國內外從20世紀50—70年代，用得最多的系統方法論一直是以著重定量模型和講究優化的系統方法論為主，最著名的為霍爾的系統方法論，還有運籌學、系統動力學和系統分析等，後來被切克蘭特稱之為硬系統方法論。到80年代，由於處理社會系統以及涉及人因素較多的系統，再加有不確定因素較多的戰略問題等而出現一批軟的系統方法論。這些軟的方法論比較著重定性、概念模型，不再過分追求最優解而是隻要能找到可行滿意解，甚至使系統有好的改變就可以，而且強調是不斷學習的過程。其實中國中央高層領導提出的“摸著石頭過河”就是一個改革社會的很好的方法論，它強調學習、試錯和試點。錢學森等針對開放複雜巨系統（如社會、生物、經濟、軍事、環境等複雜系統）提出了從定性到定量綜合整合的方法論及為了實現這個方法論的技術和工具——綜合整合研討廳。顧基發和朱志昌提出了物理-事理-人理系統方法論。再加上另一些日本和中國學者提出的方法論由於具有東方哲學和文化特色，我們稱之為東方系統方法論。

   

為什麼提出體系？以資訊科技為代表的高新技術的快速發展，使得系統間的聯絡和互動變得愈發頻繁和緊密。20世紀90年代末系統工程規模變得更大更復雜，以複雜自適應系統為理論指導的體系（system of systems, SoS）出現，體系及體系工程逐漸成為系統工程、管理科學等諸多領域新的研究領域。下面舉幾個體系的例子：軍事體系、武器體系、企業體系、計算機體系、全球地面觀測體系（global earth observation system of systems，GEOSS）、交通體系、社會體系等。例如，全球地面觀測體系GEOSS是最近幾年提出來的，它是由設定在全球各地的感測器、通訊裝備、儲存系統和各種計算機裝置組合而成，用於觀測地球、瞭解地球的動態過程以便對—些現象加以預報，監測各國執行環境公約的實際情況。中國最先關注體系的是軍事科研部門，發現現代戰爭早已不是單個軍兵種在作戰，而是體系對體系的戰爭；有的國家被打輸了，並不是因為有生力量被大量殲滅，而是整個指揮體系垮了。此外，以下情況促使更多人關注體系的研究：1）新技術引起新產業革命；2）老知識框架只適於穩定的變化較慢的社會；3）老的系統工程和管理方法已不適合於以知識為基礎的快速的過渡時期；4）要用複雜系統科學；5）SoS的能力要確保演化、突現和適應。

   

 體系和體系工程的含義與特點 

 

“體系”對應的英文詞彙（system of systems），最早出現在1964年Berry B. J. L.的一篇論文中，討論城市系統中的系統。隨後，很快用於社會學、生物學和物理學領域。美國系統科學體系工程協會（SoSECE）主席Reckmeyer W. J.認為，體系源於系統科學，是系統科學關於軟系統和硬系統研究的綜合，對大規模、超複雜系統的研究。體系概念的演化發展經歷了系統科學發展過程的分支與融合過程，如圖1所示。   

 

圖1  體系概念的演化

 

體系的各種定義

 

體系是目前大多數大規模整合體（包括系統、組織、自然環境、生態體系等）普遍存在的問題，對這一問題的研究從最初Eisner在研究多系統整合時提出SoS的概念、特徵到目前這一術語成為眾多領域熱點問題，其典型的概念與定義不下40種。

   

體系是由多個系統或複雜系統組合而成的大系統。在不同領域和應用背景中體系的定義也不完全相同。在眾多關於體系的描述與定義中，有如下17種較為典型的定義描述了不同領域的問題背景與對體系的不同理解與認識。

   

定義1：體系是系統的聯接，在系統聯接的體系中允許系統間進行相互協同與協作，如資訊化戰場的C4I（command，control，computers，communications and information）與ISR（intelligence，surveillance and reconnaissance）系統。這一定義的應用背景是現代軍事系統的整合以獲取戰場對抗的資訊優勢與決策優勢。

   

定義2：體系是大規模分佈、併發系統的整合體，組成體系的系統本身就是複雜單元。這一定義的應用背景是企業資訊系統。

   

定義3：體系是系統的綜合，系統綜合以系統的演化發展、協同與優化為目的，最終達到提高整體效能的宗旨。體系不是單純系統的整合，它具備以下5種特徵：1）組成系統獨立運作；2）組成系統獨立維護管理；3）組成系統的區域分佈性；4）具備“湧現”行為；5）體系是不斷演化發展的。這一定義的應用背景是未來戰場環境資訊系統的綜合整合，軍事領域複雜體系的發展規劃。

   

定義4：體系是分佈環境中異構系統組成網路的整合，體系中這些異構系統表現出獨立運作、獨立管理和區域分佈特徵，在系統和系統間互動被單獨考慮的情況下，體系的“湧現”與演化行為不太明顯。這一定義的應用背景是國家交通系統、軍事體系和空間探索。

   

定義5：體系的組成不同於一般系統的內部結構（緊耦合），它是一種系統間的互動，而不是重疊。它具備如下特性：1）能夠提供單一系統簡單整合所不具備的更多或更強的功能能力；2）其組成系統是能夠獨立運作的單元，能夠在體系所生存的環境發揮其自身的職能。這一定義的軍事背景包括地面防空體系、戰區導彈防禦體系、作戰群的編成體系等，其非軍事背景如太空梭。

   

定義6：體系是複雜的、有目的的整體，這一整體具備如下特徵：1）其組成成員是複雜的、獨立的，並且具備較高的協同能力，這種協同使得體系組成不同的配置，進而形成不同的體系；2）其複雜特徵在很大程度上影響其行為，使得體系問題難於理解和解決；3）邊界模糊或者不確定；4）具備湧現行為。

   

定義7：體系是一種“元系統”，其自身由多個自主的、嵌入的系統構成，這些自主的、嵌入的系統在技術、環境、地理區域、運作方式以及概念框架等方面是不同的。

   

定義8：體系是相互協作的系統的整合，這些組成系統具備兩種附加特性，即運作的自主性與管理的自主性。

   

定義9：Kilicay N. H.關於體系的概念框架是從網路中心戰的需求出發給出了對體系的理解與定義。

   

定義10：國防大學陸軍工業學院Kaplan J. 認為，體系是巨大的、複雜的、持久的獨立系統的整合，這些是隨著時間的發展通過各自的權威提供各自的能力以支援總的使命從而形成體系。

   

定義11：美國國防部認為，“互相依賴的系統組合連結，提供的能力遠大於這些系統的能力之和”。與體系的定義相對應，美國國防部同時定義了系統聯邦，所謂系統聯邦是指具備下列特性的一組系統：1）能力為所有組成成員的能力之和；2）具有所有成員共有的特徵；3）系統的組合並不產生新的能力和屬性。

   

定義12：體系是由複雜、獨立系統組成的“超系統”，這些獨立的系統通過互動實現其共同的目標。體系特徵包括：1）體系是巨型複雜系統；2）它由相互獨立的系統組成；3）具有動態的開放環境。其例項包括天氣、海洋以及應付天氣海況變化的應急體系等。

   

定義13：2005 年，美國參謀長聯席會議主席在《Joint Capabilities Integration and Development System，JCIDS》（《聯合能力整合與系統演化》）中給出了體系的定義：“體系是相互依賴的系統的整合，這些系統的關聯與連結以提供一個既定的能力需求。去掉組成體系的任何一個系統將會在很大程度上影響體系整體的效能或能力。體系的演化需要在單一系統效能範圍內權衡整合系統整體。戰鬥飛行器是體系研究典型案例，戰鬥飛行器既可以作為單一系統研究，也可以作為體系的子系統研究，作為體系研究時，其組成系統包括機身、引擎、雷達、電子裝置等”。

   

定義14：美國陸軍部在關於陸軍軟體模組化法規（版本11.4E，2001.09）中對體系的定義：“體系是系統的集合，這些系統在協同互動過程中實現資訊的交換與共享”。

   

定義15：Maier在1996年提出體系是為實現共同目標聚合在一起的大型系統集合或網路；常見的SoS包括國際航空系統（飛機、機場、航空公司、航空交通控制系統）、海軍水面艦艇火力支援SoS（偵察、定位、武器系統和C4I）、戰區彈道導彈防禦SoS（監視、跟蹤、攔截系統和C4I）等。

   

定義16：Cook在2001年提出體系是包含人類活動的社會—技術複雜系統，通過組成系統之間的通訊和控制實現整體湧現行為。

   

定義17：美國國防部定義體系是相互關聯起來實現指定能力的獨立系統集合或陣列，其中任一組成部分缺失都會使得整體能力嚴重退化，能夠以不同方式進行關聯實現多種能力的獨立系統集合或陣列。

   

除以上關於體系的定義外，還有大量的文獻對體系這一概念進行了研討，粗略歸納一下，體系區別於一般系統的主要特點如下。

   

1）規模大，結構複雜，由組分系統協作整合。

   

2）組分系統在地理上分佈廣泛，可獨立執行、獨立管理，具有獨立的功能。

   

3）目的性強，但目標不固定，可動態配置資源以適應不同任務的需要。

   

4）組分系統完成共同目標時相互依賴，可同時執行和互操作。

   

5）開發過程實行集中管理和規劃，不斷演化發展，湧現新的行為和功能。

   

6）重視協調和開發來自不同組織或不同利益相關者完成共同目標的能力。

   

現在低碳經濟、能源、交通、環境保護、社會保障、資訊網路、武器裝備體系等問題都涉及多個複雜系統，這就是前面所說的“體系”問題。

   

看待體系的不同觀點

 

從目前國內外關於SoS的研究看，對SoS問題認識有如下觀點。

   

1）SoS是動態的、不確定環境中大規模系統的集合，其動態不確定性導致SoS的需求預測困難，是對傳統系統工程的挑戰。

   

SoS概念最初的提出是Eisner，他認為SoS應該具備以下6個特徵。

   

（1）由獨立的系統構成，每個系統的運作都遵循系統工程的過程。

   

（2）SoS中每個系統的發展在時間階段上不存在關聯。

   

（3）SoS中系統之間的關聯不是決定與被決定的關係，而是相互依賴的關係。

   

（4）從整體來看，SoS中單個系統通常都具備自己的職能，並在SoS運作中發揮作用。

   

（5）SoS中每個系統的最優化並不能保證體系的最優化。

   

（6）SoS中所有系統的運作促使體系目標或使命的實現。

   

後來，Buede把這些概念關聯到傳統的系統工程技術。Buede認為傳統系統工程方法如果不能明確建立問題的柔性或剛性需求的話，就不能有效解決問題，這一問題在高層決策中經常遇到。現實世界中，由於環境的變化與不確定性主導了世界，導致需求難於預測，Buede認為SoS的研究是對傳統系統工程技術或方法的挑戰。

   

Norman認為高層需求建立困難的原因是SoS的動態性和複雜性。SoS 是動態環境中互動系統的集合，SoS中的系統都具備兩種特徵：1）有SoS的背景環境；2）受SoS中其他系統的影響。SoS同環境的邊界是模糊的，SoS邊界的確定途徑之一取決於SoS決策者的判斷；通常，SoS的邊界是非常之大，足以囊括SoS決策者所關注的所有因素以及這些因素在SoS眾多系統中的行為。在SoS中的每一個系統通常都由大量的行為實體組成，這些實體的行為包括合作、中立和敵對行為，這些行為又通常以團隊、組或者非協作個體行動方式組織。系統中的實體可能運作在1個或多個SoS的系統之中，且對SoS中其他不同的系統可能有不同的行為表現。

   

通常情況下，SoS的決策者關注SoS的效率和效能，但決策者對SoS中系統的行為可能不能進行直接的控制，而且，對SoS來說不存在如此之大的控制機制。這就導致了SoS中系統行為可能呈現出較大程度的自主行為。

   

基於對系統中的系統問題的這一認識，Rod對系統工程、管理科學、公共管理及知識工程4個領域的方法和技術針對SoS問題的解決進行分析和比較。這些方法和技術包括了4個領域的6種方法，並採用11個引數進行了評價。

   

2）SoS仍然屬於系統類，但是區別於大規模整合系統。

   

Owens W.把SoS歸為系統類，定義系統中的系統是由各個部分組建，其各部分在其自身的位置上即為大規模系統。與複雜大規模積體電路系統相比較，Maier認為系統中的系統應該具備以下特徵。

   

（1）組成元素運作的獨立性。如果SoS被分解為各個分系統，則分系統能夠獨立有效運作。SoS就是由這些在自身的位置上能夠獨立運作的系統組成。

   

（2）組成元素可獲取的獨立性。SoS的組成部分在構建或形成SoS過程中可以被獨立獲取，在形成SoS後仍然保持持續運作的存在。

   

（3）SoS 模式的演化。SoS 並不以固定的模式出現，其存在和發展都伴隨其功能、使命、環境、知識和經驗的變化而演化。

   

（4）SoS的“湧現”行為。SoS在功能的執行以實現其目標過程中所表現出的行為是其組成各部分所不具備或不能表現出的行為，這些行為是整個SoS的“湧現”特性。SoS的“湧現行為”是SoS的基本特徵和構建體系的主要目標。

   

（5）SoS的分佈性。SoS的各部分在地理上廣泛分佈，通過資訊交流技術在各部分之間進行資訊交流實現各部分之間的融合。

   

根據Maier對SoS特徵的描述，常見的SoS包括國際航空系統（飛機、機場、航空公司、航空交通控制系統）、海軍水面艦艇火力支援SoS（偵察、定位、武器系統和C4I）及戰區彈道導彈防禦SoS（監視、跟蹤、攔截系統和C4I）等。

   

在Maier定義基礎上David定義了聯合C4IS-REW體（JCS），它是通過資訊科技、文化、條令條例途徑把各軍兵種C4ISR和電子戰系統（electronic warfare systems，EW）有效整合以獲取超越各部分能力的效果。這一聯合體為軍事行動中的計劃、部署以及行動提供及時有效的資訊以支援決策優勢的獲取。根據Maier的定義，Laird 認為JCS 就是一個SoS 的例項，是ISR、C4（command，control，computers，communications）和EW 的快速、適時並有效地整合。

   

3）SoS是資訊時代軍事變革的主要內容，是決定未來戰爭勝負的關鍵。

   

最近幾年，複雜SoS工程受到了越來越多學者的關注，尤其是在聯合作戰研究領域，SoS建設被認為是通過眾多作戰平臺、武器系統、感測器系統和通訊交流系統等戰場實體的協同運作實現戰爭目標的必要措施，這種系統間協調運作的需求大大增加了戰場建設的複雜性，這一問題也成為戰場指揮官關注的焦點。美軍前大西洋戰區司令官Sheehan J.認為，未來戰爭的勝負將取決於對戰場作戰SoS的控制能力，這種能力就是採用先進的資訊科技連結戰場硬殺傷和軟殺傷的能力。

   

美軍參聯會前主席Owens W.把未來的網路中心戰思想歸為SoS思想，認為實現網路中心戰的關鍵就是整合美軍在ISR系統、C4系統和PGM 3個領域的技術優勢，構建一個SoS提供感測器到武器投射平臺靈活的、無縫的連結。資訊時代的軍事變革本質上就是體系的形成，這種體系的主要部分是ISR系統、C4系統、系統適時整合技術以及能夠充分利用內在潛力的條令條例、戰略戰術和軍事組織。

   

20 世紀90 年代中期，美國應用物理實驗室基於SoS本質上是一個聯合軍事實體的認識提出了支援聯合作戰的聯合SoS概念，所謂聯合SoS是指連結C4和ISR以及精確制導武器的聯合軍事實體。聯合SoS是改變傳統戰爭的新概念，是支援未來資訊化戰爭、提供戰場環境中資訊優勢的手段。在聯合SoS的概念研究基礎上，應用物理實驗室提出新的作戰思想——“精確閃擊戰”，這一思想在21世紀之初的伊拉克戰爭中成為指導美軍作戰行動的主要指導思想，得到了實踐的檢驗。

   

體系的綜合定義

 

從以上關於體系的定義與描述可以看出：體系應該是一種完整的框架，它需要決策者充分綜合考慮相關的因素，不管這些因素隨著時間的演變而呈現出何種狀態。體系問題研究的迫切性不僅是因為今天系統複雜性增加的挑戰，在資訊時代的今天，人類的決策經常面臨著大規模的數量、高密度互動與關聯、長時間的跨度規劃問題。在一般系統問題上，其明確的邊界與獨立的運作能夠讓人遊刃有餘地處理，但由這些系統組成的體系表現出“湧現”行為特性卻讓人對體系問題的處理顯得較為棘手，對體系問題的處理需要認識、分析和理解體系“湧現”模式的演化特性。體系方法並不倡導某種工具、方法手段或實踐，相反，它追求一種新的思維模式，這種思維模式能夠迎接體系問題的挑戰。體系研究是多學科的交叉，其相關領域的研究包括系統、系統工程、複雜性、協同性和混沌特徵等。

   

將上面各種定義綜合歸納一下，體系和其他系統的區別在於體系的十大主要特性：1）獨立性。組成體系中各系統是獨立可用。2）異構性。組成個體的異構性。3）自主性。各系統管理自主獨立。4）分佈性。各系統分佈不同地理位置。5）演化性。關係複雜與演化發展。6）非線性。湧現行為。7）關聯性。因素與各系統影響的關聯性。8）自組織。系統能自組織。9）適應性。環境適應性。10）模糊性。邊界和目標模糊。

   

由於在不同體系，如作為系統工程升級的體系、計算機體系、國防用武器體系、企業體系等各有自己的定義，此外它們大多將複雜自適應系統作為自已的基礎，Sheard曾經將它們放在一起形成體系的綜合定義，如圖2所示。

   

圖2  體系的綜合定義（S. Sheard）

 

體系工程

 

在種種體系問題背景下，體系工程（SoSE，system of systems engineering）應運而生。與傳統的系統工程理論相比，體系工程在分析和解決不同種類的、獨立的、大型的複雜系統之間的相互協調與相互操作問題更具有針對性。

   

體系工程是對系統工程的延伸和拓展，它更加關注於將能力需求轉化為體系解決方案，最終轉化為現實系統。一般地，系統工程在系統開發前，明確並建立一個嚴格的系統邊界，針對這個邊界規範一系列的子需求，並根據這些需求完成一個系統的設計和開發。體系工程則主要通過平衡和優化多個系統之間的相互關係，實現可互操作的靈活性和應變能力，並最終構造一個可以滿足使用者需求的體系。多個方面對系統工程和體系工程的比較見表1。

   

表1  體系工程與系統工程的對比

 

從體系開發過程角度來看，體系工程包含體系需求（獲取與分析）、體系設計、體系整合、體系管理、體系優化和體系評估等過程。

   

體系工程發展過程經歷了3個階段。

   

第一階段是20世紀90年代中期，體系的現象與問題的產生、技術迅猛發展使得複雜的技術整合與管理問題越來越突出，在各個領域都出現了大規模系統整合與更新換代的需求，如國防系統、城市交通、航空管制及航天技術整合等。

   

第二階段始於20世紀末，廣大學者開始探索解決體系問題的思路與方法，首先認識到傳統系統工程在解決體系問題上的不足，然後開始新的途徑與方法的探索。

   

第三階段是21世紀初，體系工程概念被普遍接受，進行了系列的理論研究與工程實踐活動，成立體系工程研究機構（如IEEE SoSE，International Council on System Engineering），舉行體系工程的年度專題會議，並創辦了《International Journal of System of Systems Engineerzing》雜誌，這些工程實踐活動包括美軍未來作戰系統（future combat systems）的全新設計與實現、美海岸警衛隊深海作戰系統的一體化改進及戰區導彈防禦體系的構建等。

   

2005年，美國建立了2個體系研究中心，一個是體系工程研究中心（SoSECE，SoS Engineering Center of excellence），另一個是美國老道名大學（Old Dominate University）的國家體系研究中心（NCOSE，National Centers of SoS Engineering）。國際上還有其他大學和研究機構分別在工程系統領域和智慧交通系統方面，能源開發、電力網路傳輸等方面開展了體系結構設計相關的研究，在軟體體系結構整合度評估、體系結構風險評估和體系結構設計方面取得了大批研究成果。

   

儘管如此，到目前為止，還沒有成熟的理論、方法和技術來支撐體系的研究或在體系問題的解決上實施系統工程的框架，但這一思想沒有得到普遍的認可，在Eisner工作基礎上Ronald提出了體系工程的構想，在其構想中強調體系問題的定量分析，在該方法中體系被看作一個整體，對體系的優化是基於費用代價和技術約束，其研究方法包括運籌分析、效用建模、非線性最優化和隨機建模與模擬。應該說Ronald的工作是體系工程研究上邁出的第一步。

   

國際上對體系工程開展的研究剛剛起步，與體系的定義一樣，不同領域的學者和工程實踐人員都有不同的理解和認識，體系工程也並未形成一個權威定義。

   

下面是一些體系工程典型的定義。

   

定義1：體系工程是確保體系內在其組成單元的獨立自主運作條件下能夠提供滿足體系功能與需求的能力，或者說執行體系使命與任務的能力。

   

定義2：體系工程是這樣一個過程，它確定體系對能力的需求；把這些能力分配至一組鬆散耦合的系統；並協調其研發、生產、維護及其他整個生命週期的活動。

   

定義3：體系工程是指解決體系問題的方法、過程的統稱。體系工程是國防技術領域的一個新概念，這一概念同時也被廣泛應用於國家交管系統、醫療衛生、全球資訊網及空間探索領域。體系工程不僅侷限於複雜系統的系統工程，由於體系所涵蓋問題的廣泛性，它還包括解決涉及多層次、多領域的巨集觀交叉問題的方法與過程。

   

定義4：體系工程是學科交叉、系統互動的過程，這種過程確保其能力的發展演化滿足多使用者在不同階段不斷變化的需求，這些需求是單一系統所不能滿足的，而且演化的週期可能超越單一系統的生命週期。體系工程提供體系的分析支援，包括系統交叉的某一時間階段內在資源、效能和風險上的最佳平衡，以及體系的靈活性與健壯性分析。

   

定義5：體系工程源於系統，但它不同於系統工程，是不同領域問題的研究。系統工程旨在解決產品的開發與使用，而體系工程重在專案的規劃與實施，換句話說，傳統系統工程是追求單一系統的最優化（例如某一產品），而體系工程是追求不同系統網路整合的最優化，整合這些系統以滿足某一專案（即體系問題）的目標。體系工程方法與過程使得決策者能夠理解選擇不同方案的結果，並提供給決策者關於體系問題有效的體系結構框架。

   

定義6：體系工程解決體系中的系統的整合，最終為社會基礎設施的發展做出貢獻。

   

定義7：美國國防採辦手冊定義體系工程是對一個由現有或新開發系統組成的混合系統的能力進行計劃、分析、組織和整合的過程，這個過程比簡單的對成員系統進行能力疊加要複雜得多，它強調通過發展和實現某種標準來推動成員系統間的互操作。

   

定義8：美國體系工程研究中心指出體系工程是設計、開發、部署、操作和更新體系的系統工程科學。它所關心的是：確保單個系統在體系中能夠作為一個獨立的成員運作併為體系貢獻適當的能力；體系能夠適應不確定的環境和條件；體系的組分系統能夠根據條件變化來重組形成新的體系；體系工程整合了多種技術與非技術因素來滿足體系能力的需求。

   

從上面的定義可以看出，體系工程在不同領域的理解存在5個方面的共性：

 

1）體系工程是能力整合工程。

   

2）體系工程是複雜需求獲取工程。

   

3）體系工程是綜合整合體的演化工程。

   

4）體系工程是學科交叉、系統互動過程。

   

5）體系工程是權衡與平衡工程。

   

 體系工程過程 

 

體系工程以解決體系的構建與演化問題為目標，其研究物件是體系，區別於系統工程所針對的簡單系統物件，在過程原理上兩者間存在本質的差異。

   

體系工程過程存在需求分析迴圈、設計分析迴圈與設計驗證迴圈，除此之外，還存在對體系環境與邊界的分析。體系環境與邊界分析同需求分析迴圈、設計分析迴圈和設計驗證迴圈並行進行，體系工程4個方面的過程分析通過體系分析與控制活動進行平衡，通過平衡找到體系設計的合適的方案，如圖3所示。

   

圖3  體系工程過程

 

 體系問題有效的體系結構框架 

 

體系工程源於系統工程，但高於系統工程，是解決系統工程解決不了的體系問題。體系工程是實現系統最優化的科學，是一門高度綜合性的管理工程技術，涉及應用數學（如最優化方法、概率論、網路理論等）、基礎理論（如資訊理論、控制論、可靠性理論等）、系統技術（如系統模擬、通訊系統等），以及經濟學、管理學、社會學、心理學等各種學科。體系工程重在專案的規劃與實施，追求不同系統網路整合的最優化，整合這些系統以滿足某一專案（即體系問題）的目標。體系工程方法與過程使得決策者能夠理解選擇不同方案的結果，並提供給決策者關於體系問題有效的體系結構框架，如圖4所示。

   

圖4  體系結構框架

 

 體系工程的研究熱點 

 

體系工程作為近年來國際上一個新興的熱點研究領域，國外眾多科研機構對其進行了深入研究。在《International Journal of System of Systems Engineering》2008年第1期文章中，總結了體系方面的13位權威專家在一次高層研討會中得出的體系工程領域急迫需要開展研究的10個熱點問題。這10個方面的熱點問題將在未來引領體系與體系工程的發展，他們分別如下。

   

1）彈性、適應能力、快速恢復能力。

   

2）成功的案例。

   

3）系統與體系屬性的差別與比較。

   

4）模型驅動的體系結構。

   

5）體系結構多檢視產品。

   

6）處理複雜性中人類的侷限性。

   

7）網路中心的弱點（net-centric vulnerability）。

   

8）演化、進化（evolution）。

   

9）導向性湧現行為（guided emergence）。

   

10）無單個所有者的體系（no single owner SoS）。

   

 結 論 

 

人類正在面臨知識經濟和全球化，社會發生了很多新的變化，表現在以下3個方面。

   

1）社會在變：以資料為中心轉為以資訊、概念、知識、智慧為中心。

   

2）系統在變：從過去處理相對比較簡單的系統變為要處理複雜系統，並進而到開放複雜巨系統、複雜自適應系統、系統的系統（體系）。

   

3）技術在變：高新技術大量出現，特別是計算機和網路系統、虛擬現實、大資料、雲端計算、人工智慧、機器人、無人機等。

   

為了應對以上變化，建議如下。

   

1）要採用新思路、新概念和新技術。

   

2）應用綜合整合，要注意軟、硬結合，注意東西方結合。

   

3）要多學科交叉，特別要注意與系統科學、知識科學、思維科學、資訊科學、心理科學等學科的交叉，知識面要寬。

   

4）要人機結合，但要以人為主。

   

5）要群體智慧，發揮集體和組織的智慧。

   

6）要物理、事理、人理結合。

   

7）還是要抓兩頭，發展和完善系統科學的理論，注意體系和體系系統工程的新的應用。

   

8）要領會使用者的需求，更要學會創造新需求。

   

9）要學會新的管理方式和注意協調。

   

筆者最近有幸接觸兩起中國有關體系的實際案例，僅就其中一些值得提出的思想與大家分享。一個是中國航天工業領域中在提到他們應用體系思想解決戰略規劃時，說我們正從航天大國走向航天強國，也就是說過去我們習慣去參照其他航天強國提出的規劃指標作為我們的參照，或者說個別地方達到高峰；那麼如果到航天強國，就要整個達到高原的地步，有不少新的規劃指標和標準要我們自己提出來，也就是作為戰略武器製造者，自己怎樣幫助領導一起去產生新的需求，這正是系統工程與體系的一個重要區別——學會創造新的需求。另一個案例是中國船舶工業領域在討論航母這個體系時，提出很多在航天武器領域不太考慮的“生存性”“可修復性”“進化性”等，還有體系中各個分系統之間的協調性和貢獻率，特別是誰都希望1+1>2，但是誰來貢獻出這多於2的部分，他們具體是多少？如何去定量的評價？這些實際問題既是設計和管理人員應該具體地去回答，更是我們系統科學工作者應該去回答和研究的問題。

   

參考文獻（略） 

 

 

 

作者簡介：顧基發，中國科學院數學與系統科學研究院，研究員，研究方向為系統工程。

 

注：本文發表於《科技導報》2018 年第20 期，敬請關注。

 

（責任編輯   王志敏）