系统工程发展历程

科学研究的最终目的归根到底是为了改造客观世界，服务于人类社会，而工程则是人类改造客观世界意志的集中体现。系统科学的发展历程，主要经历了“一般系统理论”、“自组织系统理论”与“复杂性系统理论”三个阶段的发展历程。而在工程领域也出现了从工程经验向工程方法的跨越，形成了系统工程（System Engineering）方法论，系统工程方法论为人类大型工程的建造提供了科学的方法指导，为人类改造客观世界做出了非常重要的贡献。今天我们主要来探讨系统工程方法论的发展历程。

工程、科学与技术三元论与“无首尾逻辑”

工程（Engineering）最早产生于十八世纪的欧洲，其本义是兵器制造、军事目的的各项劳作，后扩展到许多领域，如制造机器、架桥修路等。我国的工程管理大家殷瑞钰、李伯聪与汪应洛等在《工程演化论》中对工程作了较为全面的定义，即工程是人类有目的、有计划、有组织地运用知识（技术知识、科学知识、工程知识、产业知识、社会-经济知识等）和各种工具与设备（各种手工工具、各种动力设备、工艺装备、管控设备、智能性设备等）有效地配置各类资源（自然资源、经济资源、社会资源、知识资源等），通过优化选择和动态的、有效的集成，构建并运行一个“人工实在”的物质性实践过程。从定义中可以看出，工程是一种对科学与技术的综合运用。

科学、技术与工程相互依存，又相互独立，这是三元论观点。科学重在探索和发现，技术重在创新与发明，而工程则重在集成与构建。科学是技术的理论基础，技术是科学应用的载体，同时技术的创新也推动了科学的更进一步发展。例如显微镜，它是一种光学仪器，是利用了透镜的物理原理而发明的一种技术，而它的出现又大大推进了物理学与生物学的发展。工程是科学与技术的集成应用，同时，一方面工程中将激发技术的革新，一方面工程也为科学发展创造新的条件，如我国贵州建造的世界上最大的射电望远镜（FAST），它本身是一项重大的工程，但它的建成为推动人类天文学的发展正在做出重要的贡献。

贵州天眼，世界上最大的射电天文望远镜，建成后已为人类新确认了44颗脉冲星

科学、技术与工程这种相互依存又相互促进的关系，栾恩杰院士将其称为“无首尾”逻辑。栾院士指出，三者的关系似乎像鸡生蛋、蛋生鸡式的“无首尾逻辑”一样，因为在这个逻辑中找不到何处是始发点。而在分析“工程-技术-科学-技术-工程”的不断循环中可以强烈地感受到“工程”在其中所起的“扳机”作用和基础性载体地位。因此工程既是人类改造客观世界的集中体现，同时也是促进技术和科学发展的重要抓手。而作为工程的指导方法的系统工程方法论的地位就显得尤为重要了。

科学、技术与工程“无首尾逻辑”结构示意图

系统工程的前世今生

(1) 系统工程的诞生

系统工程的出现可以追溯至20世纪初，第一次提出“系统工程”这一名词的是1940年在美国贝尔电话公司试验室工作的E．C·莫利纳（E·C·Molina）和在丹麦哥本哈根电话公司工作的A·K，厄朗（A·K，Erlang）。他们将研制工作分为规划、研究、开发、应用和通用工程等五个阶段，这是系统工程阶段划分的雏形，之后又提出了排队论原理，并应用到电话通信网络系统中，推动了电话事业的飞速发展。

在第二次世界大战时期，从军事领域中诞生了运筹学。一些科学工作者以大规模军事行动为对象，提出了解决战争问题的一些决策和对策的方法和工程手段如当时英国为防御德国的突然空袭，研究了雷达报警系统和飞机降落排队系统，取得了很多战果。在这一时期中，英、美等国在反潜、反空袭、商船护航、布置水雷等项军事行动中，应用了系统工程方法，都取得了良好的效果。

1947年，美国成立了兰德公司，为战后美国空军的发展战略和规划提供咨询服务。兰德公司在多年积累的研究经验的基础上创立了系统分析方法。系统分析的目的是根据系统目标和评价指标来寻求最优方案。系统分析几乎是同系统工程并行地发展起来的，这两个名词之间也常出现混用现象。兰德公司创造的系统分析以及规划计划预算编制法、特尔斐法、社会实验法等方法丰富了系统工程方法论。

上述实践与方法奠定了系统工程的主要思想，为我们今天研究和发展系统工程的理论体系，提供了宝贵的借鉴和重要启示。

(2) 工程的推动作用

系统工程方法论的发展是在人类大型工程实践中不断推进的。其中包括著名的“曼哈顿计划（Manhattan Project）”和阿波罗计划（Apollo program）。

曼哈顿计划集中了当时西方国家（除纳粹德国外）最优秀的核科学家，动员了10万多人，历时3年，耗资20亿美元，于1945年7月16日成功地进行了世界上第一次核爆炸，并按计划制造出两颗实用的原子弹，整个工程取得圆满成功。该工程负责人L.R.格罗夫斯和R.奥本海默应用了系统工程的思路和方法，大大缩短了工程所耗时间，成功地促进了第二次世界大战后系统工程的发展。曼哈顿计划不仅造出了原子弹，还为世人留下了巨大的系统工程经验财富。

阿波罗计划从1961年启动到1972年完成第六次登月成功，共历时11年。在工程高峰时期，参加工程的有2万家企业、200多所大学和80多个科研机构，总人数超过30万人。为了保证这样一个复杂的、工程质量要求高的工程能够顺利实施，NASA大力发展了系统工程方法，这也是阿波罗计划成功的关键。它的整个组织管理过程采用了系统工程的方法和基本原理，包括：1、建立组织管理机构，明确职责分工。美国国家宇航局设立了阿波罗计划办公室主管全部工作，负责工程进度、成本费用和技术性能等；2、制定和选择方案。针对登月飞行的三个备选方案，分别在技术因素、工作进度、成本费用和研制难易度等方面进行衡量；3、采用系统仿真技术对航天系统进行系统分析和评价等。

阿波罗登月计划

正如钱学森在《组织管理的技术——系统工程》中提到的，“导弹武器系统是现代最复杂的工程系统之一，要靠成千上万人的大力协同工作才能研制成功。研制这样一种复杂工程系统所面临的基本问题是：怎样把比较笼统的初始研制要求逐步地变成成千上万个研制任务参加者的具体工作，以及怎样把这些工作最终综合成一个技术上合理，经济上合算、研制周期短、能协调运转的实际系统，并使这个系统成为它所属的更大系统的有效组成部分”。大量复杂工程中对系统工程方法论的探索和实践极大地促进了系统工程方法论的发展。

(3) 理论的提炼

1957年，美国的H.H.古德和R.E.麦克霍尔合作出版了第一本完整的系统工程教科书《系统工程》。

1965年，麦克霍尔又出版了《系统工程手册》一书。这两本书以丰富的军事素材论述了系统工程的原理和方法。

1962年，A.D.霍尔出版了《系统工程方法论》一书，其内容涉及系统环境、系统要素、系统理论、系统技术、系统数学等方面。A.D.霍尔还于1969年提出著名的霍尔三维结构，又称霍尔的系统工程，是一种系统工程方法论。

A.D.霍尔的三维结构模式的出现，为解决大型复杂系统的规划、组织、管理问题提供了一种统一的思想方法，因而在世界各国得到了广泛应用。霍尔三维结构是将系统工程整个活动过程分为前后紧密衔接的六个阶段和六个步骤，同时还考虑了为完成这些阶段和步骤所需要的各种专业知识和技能，从而实现了由“时间维”、“逻辑维”和“知识维”所组成的三维空间结构。

霍尔三维结构和相关书籍的出现，标志着系统工程方法论的成型，为工程过程提供了更为规范化的指导。

霍尔系统工程三维结构

(4) 系统工程的成熟与发展

1990年系统工程国际委员会（INCOSE）成立，该组织是一个非营利性的会员组织，致力于发展系统工程和提高系统工程师的专业地位。越来越多的企业代表和学校研究者加入到系统工程的研究中来，并出版了《INCOSE系统工程手册》，目前已更新到第四版。

在系统工程领域还有一个研究代表，就是美国的NASA，一脉相承于阿波罗登月计划，NASA不断更新它的系统工程手册，目前《NASA系统工程手册》也是系统工程标准领域重要的代表。

INCOSE系统工程手册与NASA系统工程手册

系统工程在中国

随着一大批爱国科学家从美国回到中国，把先进的系统工程方法论也带回了中国，结合中国社会主义建设的工程实践，系统工程方法在中国开出了灿烂的理论之花。

1956年，中国科学院在钱学森、许国志教授的倡导下，建立了第一个运筹学小组。

60年代初，著名数学家华罗庚大力推广了统筹法和优选法。与此同时，钱学森将系统工程应用在导弹等现代化武器的总体设计和组织方面，取得了丰富的经验。

1980年成立了中国系统工程学会，与国际系统工程界进行了广泛的学术交流。近年来，系统工程在各个领域都取得了许多成果。

20世纪80年代，钱学森将他的系统工程思想进行了总结，提出了一系列科技创新的理念。在方法技术层面，钱学森提出了“从定性到定量的综合集成方法”，“从定性到定量综合集成研讨厅体系”、“大成智慧学与大成智慧工程”以及总体设计部思想，创立了系统工程中国学派。

21世纪初，顾基发于朱志昌共同提出了WSR方法论，即“物理-事理-人理方法论”。该方法论强调思考方法、工作过程和人的参与，是东方智慧与系统工程方法论的结合应用。

钱学森系统工程中国学派

钱老的系统工程思想来源于西方，但结合我国型号任务中的工程实践，演化成为具有中国特色的自成一派的系统工程理论体系。

1978年，钱老与许国志、王寿云在《文汇报》上发表《组织管理的技术——系统工程》，指出“系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的方法。”钱老最初将系统工程定位为组织管理技术，这与西方的系统工程内涵是一致的。而对应于系统工程的技术过程和技术管理过程，钱老在航天形成了由技术线总师和管理线总师组成的型号两总制度。

钱老结合中国的工程实践经验，对西方的系统工程思想进行了扩展，形成了具有中国特色的系统工程方法体系，该体系博大精深，在此作者主要摘取其中的三点内容，简要说明钱老方法体系的特点。主要体现在以下三点。

一是提出了总体设计部思想。钱老指出“总体设计部由熟悉系统各方面专业知识的技术人员组成，……总体设计部一般不承担具体部件的设计,……总体设计部把系统作为它从属的更大系统的组成部分进行研制，对它的所有技术要求都首先从实现这个更大系统技术协调的观点来考虑，……对每个分系统的技术要求都首先从实现整个系统技术协调的观点来考虑”。西方的系统工程是一个分解以后再集成的过程，这是一种典型的还原论思想，还原论是西方学者科研的文化基因。而钱老的总体设计部思想强调要构建的系统需要放到它从属的更大系统层面去协调，这体现了整体论与系统论思想，强调各分系统需要放到整个系统层面去协调，这强调了还原论与系统论的结合，因此钱老的系统工程思想体现的是还原论与整体论的辩证统一。系统不够复杂时，分解后再集成能够将系统的整体还原出来，而对于复杂非线性系统来说，系统分解后再集成未必能完整地还原出来，这时就体现出设立总体设计部来组织分解的协调和验证的重要意义了。总体设计部思想是社会主义制度优越性的体现，能够集中力量办大事，钱老指出，这是社会主义战胜资本主义的重要法宝。

二是钱老提出的从定性到定量综合集成方法。该方法很具有前瞻性，可算是当前流行的基于模型的系统工程（MBSE）思想的萌芽。该方法主要是针对非线性的复杂大系统而提出的系统工程方法，当定量分解已无法描述系统时，需要借助专家的定性经验判断与建模仿真的定量评估相结合来开展系统研究。该方法强调借助计算机技术的建模仿真实验来辅助专家的判断，因此可算作基于模型的系统工程思想的萌芽，只是当时的计算机技术水平和建模方法尚未发展到能够支持完整的基于模型系统工程的地步。

钱学森综合集成方法示意图

三是钱老认为，系统工程思想不仅仅只能用在人造系统的工程构建上，还是一种适合于各个行业的普适性的理论。提出了包含工程系统工程、信息系统工程、军事系统工程、经济系统工程、环境系统工程、社会系统工程等在内的14个系统工程方向。而其中的工程系统工程就对应于西方的系统工程理论。因此钱老的系统工程思想的内涵要比西方丰富的多。

钱学森系统工程门类与学科基础

总 结

系统工程方法是直接指导人们改造客观世界的方法指导，它来源于工程实践，在更大规模的工程实践中又得到了应用和发展，它经历了理论来源于实践、高于实践并指导实践的循环过程，并最终发展成熟。系统工程方法与中国的社会主义建设实践充分结合，开出了属于中国特色的理论之花。

系统工程方法论为什么在指导工程实践中就能够发挥它的作用，其核心要点是什么？系统工程方法最新的发展方向是什么？而随着人造工程系统变得越来越复杂，出现了复杂大系统和体系，以降维解析为主要手段的传统系统工程方法在处理系统复杂性和不确定性问题时又将面临哪些问题和挑战？我们后续将继续开展分析。

(本文已发表在《舰船知识》2019年5月刊)

作者：张宏军   黄百乔   鞠鸿彬

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