系统工程的昨天、今天和明天

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系统工程的昨天、今天和明天

陈红涛 中国航天系统科学与工程研究院 袁建华 中国航天系统科学与工程研究院 赵 滟 中国航天系统科学与工程研究院



首先明确，本文讨论的系统工程是用于研制航空航天等大型复杂工程系统的，也就是钱学森所说的工程系统工程。这门系统工程已产生60多年，它的本质、它所遇到的问题、它的未来发展方向，是本文讨论的重点。我们希望从系统工程的过去、现在，来推知它的将来，即基于模型的系统工程。

1、昨天：系统工程的产生和发展

二战期间，在短时间内研制出打赢战争所需的武器装备，对系统工程方法形成强烈的需求和苛刻的要求，加之运筹学等定量化工具的出现，系统工程，就在这样的背景下应运而生了。



2012年国际系统工程学会（INCOSE）最新版的《系统工程手册》认为：系统工程是实现一个成功的系统的跨学科的方法和手段。系统工程既考虑客户的技术需求也考虑商业需求，并且通过提供高质量的产品来满足这两种需求。

从方法论的角度看系统工程的内核，包括顶层设计Top-down Design、分而治之Divide-and-conquer、综合集成Bottom-up integration。

从实施的角度看系统工程的四大难题，包括：分工协作、总体设计、团队思维、沟


通交流。团队思维的基础是沟通交流。沟通交流需要相应的语言和手段，也就是建模语言和建模工具。

从建模的角度看系统工程的本质。人通过观察现实世界，在头脑中形成图像，对图像进行抽象，形成概念，然后对概念进行加工处理、分析组合，就在头脑中把系统“建造”出来了。模型的本质是对人的思维的固化和外显，所以人借助模型来帮助思维、分析、设计、综合。

系统理论和系统工程的基础是建模。系统工程工作的本质是对复杂工程系统建模。所谓工程系统模型就是以各种符号、线条、文字组成的、可以依据该模型把工程系统建造出来的模型。工程系统模型是工程设计工作的成果和中心。

2、今天：系统工程的挑战和机遇

系统建模与仿真的一系列步骤，把系统工程过程具体化、可操作化了，但是，如何建模、用什么样的建模语言和建模工具建模，却有着两种殊途同归、但适用范围不同的一整套方法，这就是面向过程的系统建模和面向对象的系统建模。

目前的系统工程是面向过程的系统工程，TSE的建模思路是面向过程，即状态序列分解方法。系统工程从诞生之日起，就一直在采用面向过程的、功能导向的设计方法，和软件工程的结构化编程及功能分解的方法是一样的。

软件工程采用面向对象的方法取得了很大的成功。目前大型复杂软件系统的开发都采用面向对象的方法，统一建模语言已经成为事实上的标准建模语言，各种开发方法论也在争相涌现。

系统工程的机遇是从面向对象的软件工程到面向对象的系统工程。在面向对象的软件工程中，人们采用面向对象的思路对问题域中的客体进行抽象。而软件、计算机只负责处理这些对象、对象的属性信息，不负责改变它们的属性。而一个型号系统的设计，最重要的就是要搞清楚系统的零部件之间是如何相互作用的，如何通过零部件的相互作用实现系统的功能，所以就产生一个思路：能不能把系统的零部件也当作对象，在计算机建模环境中模拟出零部件的所有的动作（即属性变化），并且让这些动作的组合能够实现系统功能。最后，再把这些我们已经知道了其属性变化的零部件实现出来（车间加工、市场上直接采购等）。这就是面向对象的系统工程的思路。

3、明天：系统工程的方向与路径

系统工程已经产生60多年了，未来将向何处发展？INCOSE在2007年提出了


MBSE，并且预测在2020年左右，会在学术界和工业界得到广泛的认同和使用。

基于模型的系统工程是系统工程未来的方向，MBSE的本质即面向对象的系统工程。MBSE相对于TSE的优势即面向对象相对于面向过程的优势。

MBSE充分吸收和借鉴了面向对象的软件工程中的思想、方法和建模语言。面向对象分析和面向对象设计是软件系统开发中最近发展起来的方法，被很多人认为在管理复杂性方面有天生的优势，而复杂性在所有大型的、信息富集的系统中是关键的难题。使用面向对象方法开发硬件和软件硬件结合的系统，已经变得非常地平常，通常叫作面向对象的系统工程。

MBSE采用统一的系统建模语言来建立系统模型。系统建模语言主要包括9种图形，分别描述系统的要求、系统的行为功能、系统的结构，图形之间存在着语义上的关联。系统建模语言具有对象化、可视化、形式化和关联化的特点。对象化：系统建模语言是能够支持按照面向对象的思路进行工程系统建模的语言。其中块定义图用来定义对象（系统、分系统、单机、部件等）的属性；内部块图定义了对象之间的各种关联。系统的功能由对象的相互作用而体现，用活动图、顺序图和状态机图来分析。可视化：通过框图、线条把那些通过文字或其它表达方法很难表达清楚的、隐晦的潜台词用简单直观的图形表达和暴露出来，准确而直观地描述复杂的含义，把“隐晦”的变成“可视”的，便于读者理解模型所表达的意思，从而提高了沟通的效率。形式化：克服了自然语言在表示工程系统和科学规律方面随意性的缺点，而且便于计算机处理。关联化：用户端用线条、箭头、块的名字等实现了关联，在计算机底层，通过形式化的实现了关联，可以保证对系统模型进行修改时的联动、同步、一致性。

MBSE不是对TSE的完全替代和淘汰（replace），更不是TSE的替补（substitute）。工欲善其事，必先利其器。新问题需要新方法，人们在研制导弹时，创造出了TSE；而在研制由导弹、卫星、航空母舰组成的复杂的“系统的系统”、C4ISR时，我们需要新的更好的工具，即MBSE。MBSE是系统工程的2.0版，将是人们面对复杂问题时的必然选择。

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