系統工程：21世紀的系統方法論
體系工程與裝備論證系列叢書 總 序 1990年，我國著名科學家和系統工程創始人錢學森先生發表了《一個科學新領域——開放的復雜巨系統及其方法論》一文。他認為，復雜系統組分數量眾多，使得系統的整體行...
本書譯自英國著名系統工程專家戴瑞克? 希金斯的著作，作者在書中提出一種新的綜合系統方法論，期望這個方法論能夠在原則上處理所有的系統問題和難題，并得到能解決問題的解。本書從對系統的復雜性認識出發，針對從很小的尺度直到非常大的尺度和范圍，研究處理和解決系統問題的理論方法。同時給出大量的案例研究，涉及作戰指揮、裝備體系、企業組織、生產管理、治安維和、氣候能源等涉及自然環境和人類自身多個領域多個層面的系統工程問題，既描述相關系統難題在過去是如何產生的，又描述在未來如何更加有效地解決這些問題。本書可作為系統工程專業和管理科學與工程等相關專業研究生和高年級本科生的課程教材，也可作為航天、航空、船舶、交通運輸、社會經濟和軍事等領域復雜社會系統和技術系統相應管理人員、技術人員綜合分析求解 系統問題的參考書。
戴瑞克?希金斯長期以來一直是系統工程的先驅者，他有著大量的經驗，早在英國皇家空軍服役22年，直到退休。隨后他在公共領域和保密領域獲得了大量各種各樣的職位，包括擔任北約空軍指揮控制系統(ACCS)的英國方面技術負責人，以及在英國的兩個好的系統工程公司中擔任市場部主任、業務開發部主任和技術部主任。他于1988年成為大學老師和學者，開始學術研究。 希金斯先生是國際系統工程學會(INCOSE)英國分會的首任會長，同時也是英國電子工程師學會(IEE)系統工程專業委員會的首任主席，他還曾經擔任英國國防咨詢委員會的委員。他目前的研究涉及系統工程的廣泛領域包括系統思維、系統需求開發、社會心理學和人類學、指揮控制系統設計，以及普適的系統工程。
戴瑞克?希金斯長期以來一直是系統工程的先驅者，他有著大量的經驗，最早在英國皇家空軍服役22年，直到退休。隨后他在公共領域和保密領域獲得了大量各種各樣的職位，包括擔任北約空軍指揮控制系統(ACCS)的英國方面技術負責人，以及在英國的兩個好的系統工程公司中擔任市場部主任、業務開發部主任和技術部主任。他于1988年成為大學老師和學者，開始學術研究。希金斯先生是國際系統工程學會(INCOSE)英國分會的首任會長，同時也是英國電子工程師學會(IEE)系統工程專業委員會的首任主席，他還曾經擔任英國國防咨詢委員會的委員。他目前的研究涉及系統工程的廣泛領域包括系統思維、系統需求開發、社會心理學和人類學、指揮控制系統設計，以及普適的系統工程。
朱一凡，國防科技大學教授，中國軍事科學學會軍事裝備分會副秘書長、中國仿真學會理事、中國仿真學會離散系統仿真專業委員會副主任委員、《系統仿真學報》編委、海軍級人才培養1258工程帶教專家。
目 錄
及時篇 系統：系統科學與系統思維的前沿
及時章 系統哲學理念 1
1.1 涌現的系統運動 1
1.2 系統的本質 2
1.3 因果關系和目的論 3
1.4 涌現 4
1.5 生命與熱力學第二定律 5
1.6 人類組織中的熵與功 5
1.7 熵循環 6
1.8 一般系統論和開放系統 6
1.9 博爾丁的系統分類 7
1.10 并行和同態 7
1.11 開放系統的概念 8
1.12 了解開放系統的行為 9
1.13 格式塔(完形)和整體論 10
1.13.1 不可分割性 11
1.13.2 交互動力學 11
1.14 穩定性和穩定狀態 12
1.15 系統論方法 13
1.16 系統思維 14
1.17 功能主義和有機體類比 15
1.17.1 有機體類比 15
1.17.2 機器的隱喻 15
1.18 機械系統控制概念 16
1.19 有機體控制概念 16
1.20 基本感知、概念和知覺 17
1.20.1 涌現和層次結構 17
1.20.2 由自身是系統且相互作用的組分構成的系統 18
1.20.3 整體系統的多樣性 18
1.20.4 具有所需涌現特性的開放系統的潛在綜合方法：系統工程 19
1.20.5 問題空間與解決方案空間 20
1.20.6 演化的自適應系統 21
1.20.7 自組織的臨界性 22
1.20.8 弱混沌 22
1.20.9 系統特征 23
本章練習 24
第二章 系統科學前沿 25
2.1 系統論與系統科學 25
2.2 守恒定律與傳輸現象 26
2.3 排隊現象 27
2.4 混沌現象 28
2.4.1 鱗翅目形的洛倫茲圖 28
2.4.2 混沌的生成 29
2.4.3 自相似性 31
2.4.4 分形 32
2.4.5 倍周期 34
2.5 信息：守恒還是非守恒 34
2.6 作為自然科學和社會科學的系統科學 35
2.6.1 行為 35
2.6.2 識別與分類 36
2.6.3 公理知識 36
2.6.4 世界模型與世界觀 36
2.6.5 解讀 36
2.6.6 信念系統 36
2.6.7 本能與意象 38
2.7 社會人類學和文化人類學 40
2.8 社會資本 41
2.9 社會基因型態 42
2.10 復雜性管理 42
2.10.1 涌現特性的聚合 43
2.10.2 反混沌 44
2.11 系統壽命周期與熵循環 45
2.11.1 系統響應原則 45
2.11.2 系統內聚原則 46
2.11.3 適應性原則 46
2.11.4 關聯多樣性原則 46
2.11.5 多樣性受限原則 47
2.11.6 模式原則 47
2.11.7 循環發展(熵循環)原則 47
2.11.8 系統壽命周期：統一系統假設 48
2.11.9 系統耐久性：系統衰退 50
本章總結 50
本章練習 51
第三章 系統思維前沿 53
3.1 系統思維的范圍、局限和價值 53
3.1.1 示意圖 53
3.1.2 因果關系和因果循環模型 55
3.1.3 系統表面現象動態仿真 56
3.1.4 動態交互系統仿真 59
3.1.5 行為建模 61
3.2 系統思維和科學方法 61
3.3 系統表述和系統建模 62
3.4 非線性系統思維 65
本章總結 67
本章練習 68
第四章 系統工程的哲學理念 69
4.1 系統工程為何重要 69
4.2 系統工程的早期例子 70
4.2.1 不列顛之戰 70
4.2.2 美國航空航天局(NASA)的“阿波羅”登月計劃 70
4.3 “系統”的研究對象 71
4.4 “工程”的研究對象 72
4.5 問題的求解、定解和消解 73
4.6 系統工程：定義和描述 74
4.7 系統工程的實際目標 76
4.8 定解、求解或消解問題的策略 77
4.9 自組織系統 78
4.10 系統的系統：體系 79
4.11 自底向上的集成 81
4.12 完成系統工程“整體” 81
本章總結 83
本章練習 85
第五章 系統模型 86
5.1 開放系統 86
5.2 簡單的嵌套和遞歸模型 88
5.3 社會基因型態——一個概念模型 88
5.4 控制論模型 89
5.5 系統架構模型 90
5.6 比爾的適存系統模型 92
5.7 開環控制模型 94
5.8 五層系統模型 95
5.8.1 第1層：產品/子系統工程 95
5.8.2 第2層：項目系統工程 97
5.8.3 系統工程的本質 100
5.8.4 第4層：工業系統工程 100
5.8.5 第5層：社會經濟系統工程 102
5.9 追求涌現——所有系統的通用參考模型 103
5.9.1 涌現的根源及其能否有目的地“設計” 103
5.9.2 通用參考模型的概念 104
5.9.3 功能管理 106
5.9.4 行為管理 107
5.9.5 通用參考模型的形式模型 109
5.10 列表形式的通用參考模型 111
5.11 通用參考模型和系統論方法 112
5.11.1 實例化分層通用參考模型 114
5.11.2 通用參考模型是否能捕獲到涌現 116
5.11.3 通用參考模型比較 117
本章總結 117
本章練習 118
案例A 日本的精益量化供應系統 119
A.1 引言 119
A.2 調查研究 122
A.2.1 開放系統的觀點 122
A.2.2 市場拉動與生產推動 125
A.2.3 持續改善和流水線 127
A.2.4 企業聯盟 129
本案例總結 130
第二篇 系統方法論
第六章 系統方法論綜述 132
6.1 系統方法論的定義 132
6.2 系統方法論的社會潛力和經濟潛力 133
6.3 系統方法論：一個范式 133
6.4 系統方法論的各個方面 134
6.4.1 科學維度 134
6.4.2 邏輯和認識論維度 135
6.4.3 時間維度 135
6.4.4 文化/政治/行為維度 136
6.4.5 道德和倫理維度 136
6.4.6 社會維度 137
6.4.7 組織維度 137
6.4.8 經濟維度 138
6.4.9 技術維度 139
6.5 系統方法論：概念模型 140
6.6 能否找到一個(更好的)系統方法論 145
6.7 能否構建智能、自適應、演化的解決方案系統 145
本章總結 146
本章練習 148
第七章 處理復雜的問題和難題 149
7.1 問題的解決范式 149
7.2 線性、復雜性、非線性和智能系統行為 149
7.3 系統功能異常：領域影響因素 150
7.4 軟系統方法 151
7.5 達成共識的方法 152
7.5.1 頭腦風暴法 153
7.5.2 名義群體法 153
7.5.3 創意記錄法 153
7.5.4 沃菲爾德的解釋結構模型 154
7.6 面向干預的切克蘭德軟系統方法論 155
7.7 面向干預的希金斯嚴格軟方法 157
本章總結 161
本章練習 161
案例B 成功經驗的干預 162
B.1 背景情況 162
B.2 使用嚴格軟方法做離線非正式調查 162
B.3 參與式干預——使用名義群體法和解釋結構模型 168
B.4 無人參與的嚴格軟方法調查和人工干預兩者比較 175
本案例總結 176
第八章 探索解決方案空間 177
8.1 引言 177
8.2 探索途徑 177
8.2.1 邊界和有限狀態 177
8.2.2 環境、影響和相互作用 178
8.2.3 結構和動力學 179
8.2.4 資源需求 179
本章總結 181
本章練習 181
第九章 聚焦解決方案系統的目的 182
9.1 系統方法論第3步：解決方案系統的目的 182
9.2 系統方法論第4步：開發運行使用構想 184
本章練習 186
案例C 武器系統總體構想 187
案例C之1：不列顛之戰的指揮控制系統 187
C.1.1 引言 187
C.1.2 相互作用的系統 188
C.1.3 讓系統工作起來——作戰系統工程 189
C.1.4 戰斗打響 190
C.1.5 不列顛之戰的仿真 193
案例C之2 “閃電”——實現武器系統總體構想 198
C.2.1 引言 198
C.2.2 閃電式飛機 198
C.2.3 優化設計 200
C.2.4 干擾問題 201
C.2.5 解決問題的數字數據鏈路 202
C.2.6 試驗 203
本案例總結 203
第十章 系統解決方案的架構/設計 205
10.1 系統設計方法 205
10.2 功能設計流程 207
10.3 物理設計流程 209
10.4 輸出/結果 212
本章總結 212
本章練習 213
第十一章 優化解決方案系統設計 214
11.1 系統設計途徑 214
11.2 方法、工具和技術 215
11.2.1 成本與能力 215
11.2.2 整體優化 215
11.2.3 災難救援示例 217
11.2.4 海軍驅逐艦示例 218
11.2.5 供應與物流系統的設計優化 220
11.3 在特定背景下理解設計方案 221
11.4 線性或非線性：這是問題所在 222
11.5 驗證與確認 223
本章總結 224
本章練習 225
第十二章 解決方案系統的創建及檢驗 226
12.1 引言 226
12.2 需求規范 227
12.3 表征不同類型的系統 228
12.3.1 組織方面的考慮 229
12.3.2 集成方面的考慮 230
12.3.3 運行使用的系統工程——在運行中不斷優化 231
12.4 解決方案系統的組成部分 232
本章總結 233
本章練習 234
第十三章 系統方法論——詳細說明 235
13.1 理想世界與現實世界 235
13.2 系統方法論的產品 235
13.3 系統方法論整體 237
13.4 系統方法論是流程嗎 237
13.4.1 外循環與內循環設計 237
13.4.2 外循環、內循環和系統工程 239
13.5 系統方法論：分階段描述各個步驟 239
本章總結 243
本章練習 244
第十四章 系統方法論的實踐應用 246
14.1 按階段劃分的系統方法論 246
14.2 面向人類活動系統的系統方法論 247
14.3 作為工具的系統方法論 248
14.4 系統方法論應用的組織管理和系統工程應用的組織管理 249
14.4.1 系統方法論的甘特圖 250
14.4.2 團隊體系 251
14.4.3 團隊體系與內/外循環 252
14.4.4 團隊體系和系統體系 252
本章總結 255
本章練習 255
案例D 構建國防能力架構 257
D.1 系統方法論第1步：探索問題空間 257
D.2 系統方法論第2步：探索解空間 263
D.3 系統方法論第3步：聚焦解決方案系統目的 263
D.3.1 根本宗旨和語義分析 263
D.3.2 效能指標 264
D.3.3 實現目標、克服威脅的策略 264
D.3.4 非殺傷性武器 265
D.3.5 將策略轉換為功能 266
D.4 系統方法論第4步：開發解決方案系統的高層作戰行動構想 266
D.5 系統方法論第5步：設計解決方案系統， 第1部分——功能設計 268
D.5.1 系統方法論第5步/模板3：內部功能實例化 268
D.5.2 系統方法論第5步/模板2：內部行為實例
