系统工程

历史

  企业产品开发流程的QFD 质量房间 （ 英语 ： House of Quality ）

系统工程 一词，可以追溯到1940年代的贝尔实验室。 为了去识别和操控一个系统的整体特性(对于复杂的工程专案而言，可能大于这些零件组成特性的总合)的需求，激发了美国国防部、美国国家航空航天局(NASA)、和其他工业采用这门学科的应用。

当仅仅依赖设计革新来改善一个系统已经不再可能，而且现有的工具，也无法满足日益增长的需求时，开始发展出许多可直接处理复杂度的新方法。 系统工程的连续进化包括新方法和模型技术的发展与确认，一直持续到今天。由于工程系统更趋于复杂，这些方法可帮助提升理解系统工程设计的能力。许多系统工程背景下所广泛使用的工具，大多于这个时期开发出来，包括en:Universal Systems Language，统一塑模语言（UML），品质机能展开（QFD）, 和en:IDEF0。

专业教育与协会

许多国家的学校提供系统工程的研究生课程，也提供工程师专业进修教育课程。

“美国系统工程协会”(NCOSE)创立于1990年，成员来自许多美国的公司和组织，其创立宗旨是处理改善系统工程实践和教育的需求。由于美国境外的系统工程师大幅成长，该组织于1995年改名为“国际系统工程协会”(INCOSE)。

概念

系统工程同时意味着工程上的一种方法，和一门学科(最近的说法)。系统工程教育的目标，乃将此方法简单地正式化，并借此寻找新方法和研发机会，与发生于其他工程领域的情况类似。系统工程是一个跨学科、整体性的方法。

起源、和传统范围

工程的传统范围：包括实体系统的设计、开发、生产、和操作。原始构想的系统工程，也隶属于此范围内。系统工程的名词意义，与为了因应史无前例、复杂的功能、实体系统的工程挑战，而发展出来的一套独特的观念、方法论、组织架构 … 等等相关联。阿波罗计划是系统工程专案最为重要的范例。

系统工程一词的使用，随着时间的推移，逐渐纳入更宽广、更为整体性观念的系统和工程流程。定义的演变，也成为争论的主题， 这个名词持续地应用于较为狭窄、和较为广泛的范围。

整体观点

系统工程专注于：在开发周期的早期阶段，分析引出客户的需要与必需的功能性，将需求文件化，然后在考虑完整问题也就是系统生命周期期间，进行设计综合和系统验证。奥立佛 … 等人主张系统工程流程可以分解成：

系统工程技术流程

系统工程管理流程

在奥立佛的模型内，管理流程的目标在于筹备生命周期中有组织的技术活动；而技术流程则包括 估算可利用的信息 、 定义有效对策 、 创建行为模型 、 创建结构模型 、 执行折衷分析 、 创建顺序构建与测试计划 。

根据它们的应用，虽然在工业界有许多的模型可以使用，它们均旨在鉴定前述各个阶段之间的关系，并将回馈包括在内。此类模型的范例包括瀑布模型和V模型。

跨学科领域

系统开发经常需要来自多种技术学科的贡献。 系统工程借由提供开发阶段的系统(整体)观点，帮助结合所有技术贡献者组成一体的团队，建立结构化开发流程，进行从概念、生产、操作，到(部分例子)终止和销毁的处里。

此观点经常在教育学程中被复制，系统工程的课程乃由许多工程系所的教师来讲授，可以有效地协助创建一个跨学科的学习环境。

复杂性管理

随着系统和专案的复杂度增加，系统工程的需求也大幅提升。本文所谓的复杂度，不只是针对工程系统，也包括逻辑性人事组织的资料；同时，由于规模增大，系统变得更复杂，资料数量、变因、或涉及设计的领域数目 … 等也随之增加。国际太空站就是此类系统的范例。

 国际空间站是需要系统工程的大型复杂系统的范例

更聪明控制算法开发、微处理器设计、和环境系统分析 … 等，也在系统工程的范围之内。系统工程鼓励使用工具和方法，更能理解和管理系统的复杂度。这些工具举例如下：

系统模型 （ 英语 ： System model ） ，模拟和仿真

系统架构

最佳化

系统动力学

系统分析

统计分析

可靠度分析

决策

采取跨学科方式的工程系统，本身就很复杂；因为系统零组件的运转状态、以及彼此间的相互作用，通常无法立刻被适当地定义、或了解。定义和描述此类系统、次系统、以及其彼此之间相互作用的特点，是系统工程的目的之一，也为来自使用者、操作者、行销机构、和技术规范 … 等的认知差距，成功地搭起了沟通的桥梁。

范围

  系统工程活动的范围

欲一窥系统工程背后所隐藏的动机，可以视其为一种方法、或实践行动，来鉴别和改善现存于各种系统之内的通则。 请牢记，鉴于系统思维能够使用于各个层级， 系统工程的原则(整体论、紧急运转状态、界线 … 等等)可以应用于任何系统、复杂度、或其他情况。除了国防和太空之外，许多资讯科技企业、软件开发公司、和电子通讯产业也需要系统工程师成为他们团队的一员。

由国际系统工程协会(INCOSE)的系统工程精进中心(SECOE)分析指出，投入系统工程的最理想比例，大约占有整个专案的15~20%； （英文） 同时，有研究显示系统工程的优势之一，乃实质上可导致成本的降低。 然而，一直到最近，才开始实施涉及多种产业的大规模定量调查，此类研究正值起步，藉以决定系统工程的效能，并量化其利益。

系统工程鼓励使用建模与仿真，以验证系统的假设或理论，以及他们的的相互作用。

在安全工程中,使用相应方法使可能出现的故障及早发现，已经被集成到设计过程中。同时，在项目开始时作出的决定，对其后果的理解是不明确的，这可能会对随后的生命周期有巨大的影响。现代系统工程师的任务，就是探讨这些问题，并作出关键性的决定。没有一种方法可以保证，今天当系统构想时做出的决定在系统几年或几十年后投入服务时仍然有效，但支持系统工程的过程的技术还是存在的。相关的例子包括：使用软系统方法论，杰伊·赖特·福利斯特的系统动力学方法和统一建模语言（UML）。这些主题目前正在探讨，评估和开发，以支持工程的决策过程。

教育

系统工程的教育往往是作为一个常规的工程课程的延伸， 这反映了行业的态度，也就是工程专业的学生需要在传统的工程学科之一（如汽车工程，机械工程，工业工程，计算机工程，电气工程），加上实际的，现实世界的经验，以成为有效的系统工程师。系统工程在大学本科开设课程是罕见的。通常情况下，系统工程是在研究生阶段提供，并与跨学科研究相结合。INCOSE运作着一个世界范围内不断更新的系统工程学术课程指南。 截至2009年，在美国大约有80个机构提供165个系统工程的本科或研究生项目。系统工程的教育可以 以系统为中心 或 以领域为中心 。

以系统为中心 的项目将系统工程作为一个独立学科看待，大部分课程的授课重点讲授系统工程原理和实践。

以领域为中心 的项目将系统作为以另一个工程为主要领域的选项来处理。

这两种模式都力争将系统工程师教育成为能够处理好跨学科项目的有深度的核心工程师。

系统工程议题

系统工程的工具是策略，程序和技术，这些可以帮助在项目或产品中运用系统工程。这些工具的目的不同，从数据库管理，图形浏览，模拟和推理，到文档生成，导入/输出以及更多。

系统

系统工程领域中的系统是什么有许多定义。下面是一些权威的定义：

ANSI/EIA-632-1999：“聚集为最终产品，并使产品达到某种目的”

IEEEStd 1220-1998：“一整套或一系列相互作用的元素和流程，其行为满足客户/业务的需要，并提供产品全生命周期的支持”

ISO/ IEC15288:2008：“组织，以实现一个或多个指定用途的互动元素的组合。”

美国航空航天局系统工程手册：“（1）共同发挥作用的元素的结合，以产生一定的能力来满足某种需要。这些元素包括所有硬件，软件，设备，设施，人员，流程，以及为此目的所需的程序。（2）最终产品（执行运作功能）以及使能产品（为运作的最终产品的生命周期提供支持服务）构成了一个系统。”

INCOSE系统工程手册：“一个有组织的相互作用的元素的组合，以实现一个或多个特定的目的。”

INCOSE：“一套完整的元素子系统或组件的集合，以完成一个确定的目标。这些元素包括产品（硬件，软件，固件），流程，人员，信息，技术，设施，服务，以及其他支持元素”。

系统工程流程

根据他们的应用，在系统工程流程的各个阶段使用了不同的工具：

使用模型

模型在系统工程中发挥的重要和形式多样的角色。一个模型可以有多种定义，包括：

对现实的抽象，旨在回答有关现实世界中的具体问题

模仿，模拟，或代表一个真实的世界的过程或结构;或者是

一个概念，数学或物理的工具，用以协助决策者。

总之，这些定义很广泛，足以涵盖验证系统设计中使用的实体工程模型，以及像折衷研究过程中使用的功能流程框图和数学（即定量）模型这样的原理/概要模型。本文侧重于后者。

在折衷研究中使用数学模型和图表的原因主要是提供一些估计，这些估计包括系统的效能估计，性能估计或技术属性估计，和根据已知或预估数量进行的成本估计。通常情况下，需要一个单独的模型集合来提供所有这些结果变量。任何数学模型的核心是一组有意义的输入和输出之间的定量关系。这些关系可以简单到只要加入组成数量以获得总额，或复杂到用一个差分方程的集合描述引力场中的航天器的轨迹。理想的情况下，关系表示了因果性，而不只是相关。

图形表示工具

最初，当系统工程师的主要目的是要理解一个复杂的问题，系统的图形表示被用于交流系统的功能和数据需求。 常见的图形表示包括：

功能流程图（FFBD）

VisSim

数据流图（DFD）

N2（N-平方）图

IDEF0图

UML用例图

UML时序图

USL功能映射和类型映射。

企业架构框架，如TOGAF，MODAF，Zachman框架等。

一种图形表示将各个子系统或部件通过系统功能，数据，或接口联系起来。上述任何方法在每个行业应用时，要基于其不同的需求。例如，N2图可用于当系统之间的接口非常重要之时。设计阶段的部分工作，便是创建系统的结构和行为模型。

一旦需求被理解，系统工程师的责任便是去细化它们，并与其他工程师一起，确定工作所需的最好的技术。从这个角度上，以折衷研究为起点，系统工程鼓励使用加权的选择来确定最佳方案。一个决策矩阵，或Pugh方法，是一种方式（QFD是另一种），能够同时考虑到所有重要的标准并作出这种选择。反之，折衷研究能够影响系统的图形表示的设计（而不改变需求）。在系统工程过程中，这个阶段代表进行迭代步骤，直到找到一个可行的解决方案。决策矩阵是经常使用的方法，它使用的技术诸如统计分析，可靠性分析，系统动态学（反馈控制），以及优化方法。

有时候系统工程师必须评估存在的可行解决方案，而且客户很少会只有一次输入。有些客户的要求，将不会有任何可行的解决方案。约束必须被折衷考虑，以找到一个或多个可行的解决方案。客户的希望是进行折衷考虑的最有价值的输入，且不能被假设。那些希望/愿望只可能在一旦客户发现他已经过约束问题时被发现。最通常的情况是，许多可行的解决方案可以发现，和足够的约束必须被定义，以产生最佳的解决方案。这种情况时常是有利的，因为它可以给出一个机会，以朝着一个或多个方向来改善设计，如成本或进度。不同的建模方法可以用来解决这个问题，包括约束和成本函数。

系统建模语言（SysML），系统工程应用中使用的一种建模语言，支持一个范围广泛的复杂系统的规范表达，分析，设计，核查和验证。

通用系统语言（USL）是一个面向系统的对象建模语言，拥有可执行（不依赖于计算机）语义，可定义包括软件在内的复杂系统。

相关领域和子领域

多相关领域都被认为与系统工程紧密结合。这些领域作为独立的实体，都为系统工程的发展作出了贡献。

参见

整体论

复杂

系统科学

工程学

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