系统工程与系统定义解读

2019年，国际系统工程协会（INCOSE）发布了《系统工程与系统定义》，对系统与系统工程的定义、系统的分类以及几类特殊的系统进行了说明。该作品是由INCOSE发起的研究倡议小组发布，小组成立于2016年，目的是审查目前关于“系统和系统工程”的定义并使定义更加符合工程实践。因此该作品体现了工程界对系统与系统工程的最新理解，是学习系统工程的第一手资料。本文将结合作者的工程实践经验，对该技术产品进行解读。

一、概念定义的重要性

我们研究某个问题往往是从它的定义开始。定义应该简明扼要，既包括了核心内涵，也划定了涵盖范围。好的想法提出后，往往要经过大量的研究、实践，才能达成共识，从而形成公认的定义。以“系统工程”为例，我们从INCOSE发布的不同版本的《系统工程手册》中就能看出对于这一定义的演变过程，通过《系统工程与系统定义》技术产品来对“系统”“系统工程”等进行了新的阐释，这也体现了定义的演进过程。

西方学者历来对定义非常重视，但在我国却是另一种情况，当人们说 “XXX是一项系统工程，我们应该重视”，往往只是强调此项工作的复杂性，需要花大力气去理清思路，小心应对，而不是工程意义上的“系统工程”，而系统科学的研究人员认为他们所做的研究工作就是在做系统工程，这也是因为对概念定义不够重视。

二、系统工程相关概念定义

在《系统工程与系统定义》中对与系统工程相关的概念进行了重新梳理，包括了“系统”、“工程”、“工程化的系统” 、“系统工程”、“跨学科”等。下面分别介绍各概念定义的理解。

图1 INCOSE系统工程与系统定义技术产品

1）系统（System）

系统是指部分或元素的组合，其共同展现出了单个组成部分不具有的行为或意义。亚里士多德曾说过“整体大于部分之和”的论断，也常被认为是最初始的系统思想。这里的“单个组成部分不具有的行为或意义”是系统之所以成为系统的本质特征，并不是把多个部分或元素组合在一起都能称作系统，而是这些元素之间必须通过交互与协作能形成新的能力，因此系统定义应该包含三个部分，组成元素、交互关系与新的行为或意义，此处的定义未点明元素之间的交互关系，略显简单了。

2）工程（Engineering）

谷歌与维基百科对该词有不同的定义，谷歌上将工程定义为：

1.科学和技术的分支，涉及引擎、机器和结构的设计、建造和使用。

2.巧妙地工作行动。

而维基百科上将工程定义为：

1.工程学是科学、数学方法和经验证据的创造性应用，用于结构、机器、材料、设备、系统、过程和组织的创新、设计、构造、操作和维护。

2.术语“工程学”来自拉丁语ingenium，意思是“聪明”和ingeniare，意思是“设计、发明”。

3）工程化的系统（Engineered System）

“工程化的系统”定义为设计或调整用于与预期操作环境进行交互，以实现一个或多个预期目的，并同时遵守适用约束的系统。该系统包含的元素包括人员、产品、服务、信息和流程，以及可能的自然界元素的组合，负责提供满足指定客户的能力需要或目标。工程化的系统不一定都是技术系统。定义中的人员组件可以是个人、角色、组织、组织单位、治理结构等；产品组件可以是硬件、软件、固件、数据、设施等；服务组件可以是商业服务、信息服务、应用服务等；信息组件可以是个人信息项、信息类别、信息结构、文档、知识元素等。过程组件可以是过程、方法、技术、工作指令、策略、指令等。能力是能够在预期的运营环境中完成某些事情等。

工程化系统有一类特殊的子类，称作组织/企业(Enterprise)。组织是由包含人类的多个组织机构参与的完成大型目标的复杂大系统，影响组织的外部依赖可能包括环境、政治、法律等社会因素，按照钱学森对系统的分类，组织近似于开发复杂巨系统。

4）系统工程（System Engineering）

系统工程定义为一种跨学科和综合的方法，可以使用系统的原理和概念以及科学、技术和管理方法来使能工程系统成功地实现、使用和退出（淘汰）。这里强调了系统工程是跨学科的综合方法。强调了系统工程的实质是一种“使能”的方法，“使能”是一种总体规划和指导，而不是具体的技术本身。与《INCOSE系统工程手册》中对系统工程的定义相比，此定义增加了“使用系统的原理和概念以及科学、技术和管理方法”等内容，体现了系统工程中越来越重视运用系统科学与系统思维来指导工程建造，传统的系统工程与系统科学是彼此独立发展，如今二者逐渐走向融合。

另外，需要强调的是系统工程专注于：

a）建立、平衡和整合利益相关者的目标，并在开发之初就开始定义实际的或预期的客户需求、操作概念和所需功能；

b）建立适当的生命周期模型、过程方法和管理结构，考虑复杂性、不确定性、可能的更改和多样性的水平；

c）生成和评估替代解决方案的概念和架构；

d）每个阶段的基线和建模要求以及选定的解决方案架构；

e）执行设计综合和系统验证和确认；

f）整体考虑问题和解决方案，考虑必要的支持系统和服务，识别部件和部件间的关系在系统的整体行为和性能方面发挥的作用，并确定如何平衡所有因素以达到满意的效果。

这里还提出了一种审视系统工程的新视角，即风险管理视角。所有系统工程活动的目标都是管控风险，包括不能交付客户需求的风险、延迟交付的风险、超额成本的风险以及产生负面意外后果的风险。系统工程活动效用的一个衡量标准是降低风险的程度。

5）跨学科方法（Transdisciplinarity）

在维基百科中被描述为一种“跨越许多学科界限以创建整体方法”的方法。主要侧重于跨多学科的工作，同时允许每门学科应用各自的方法和手段。跨学科方法起源于社会科学，它“超越”所涉及的所有学科，分享共同的理解和“共同学习”，将所有的努力集中于共同的目标上。跨学科也是基于目前学科不断细分的现实，同一工程中的不同专家可能专注于某一学科领域，而系统组成的多元异构性决定了系统工程一定需要跨学科的方法，在一个复杂的工程系统中电力、机械、生物、声学、光学等多种学科都可能涉及，需要运用各个学科的理论和方法来确保整个工程系统的成功实现。

6）系统的分类

《系统工程与系统定义》中按照不同的划分维度对系统分类进行了探讨，包括了物理系统、概念系统、开发系统、封闭系统、自然系统、人工系统和混合系统等等，下面分别介绍。

a）物理系统

系统可以是物理的，也可以是概念的，或是两者的组合。物理系统由物质和能量组成。信息嵌入在物理系统中，并在物质/能量载体中存储和传输。该系统的行为表现为物质、能量和信息的流动和交换，以及通过力场的相互作用。物理系统的涌现属性可以是它们的执行过程，以各部分不能的方式转换物质、能量和信息。物理系统包括了生物系统和生命系统，因为它们都存在于物理世界中。物理系统可以是单个复杂对象，例如生物体；或者是“对象聚合”，一种相互关联的对象集合。

b）概念系统

由信息或知识组成。概念系统中的信息可通过对物理系统的物质或能量状态进行编码而在物理系统中存储或传输。概念系统是由信息和知识元素组成，其元素彼此相关但不相互交互。概念系统可以帮助我们解释宇宙的状态（过去、现在或未来）。概念系统只有在物质/能量载体中存在时才存在，无论是计算机存储器、书籍手稿、石碑，还是存储在DNA中的信息。一旦最后的记录、意识或概念的保留模式消失，这个概念也就消失了。

工程系统包括产品、服务和企业。服务和企业通常依赖于技术产品，但基本上是社会技术系统的形式。“工程系统”可以包括硬件、软件、固件、过程、人员、组织、治理结构、信息、知识、技术、设施、服务、其他支持元素和（通常修改的）自然元素。工程系统可以被视为物理系统和概念系统的组合。传统的系统工程过程是将设计者的逻辑设计转化为物理实体系统的过程，即将概念系统转化为物理系统的过程。而随着CPS技术框架的引入，信息空间中的虚拟体系的构建也将成为体系构建的重要内容，从而形成物理实体系统与信息空间虚拟系统之间的映射关系，出现了一种系统工程过程新范式。

 图2 概念系统与物理系统以及虚拟系统的关系

c）开放系统与封闭系统

封闭系统是与其环境完全隔离的系统。这是系统文献中常用的定义。与热力学定义不同，后者区分“闭合”（无材料流动）和“隔离”（无材料或能量流动）的系统。开放系统是在系统与其环境之间具有信息、能量或物质流并且适应交换的系统。这是一个基本的系统科学定义。它不同于IT和相关领域中“开放系统”的含义，其中该术语用于“开放系统架构”。在谈到熵时我们常常会提到封闭系统和开放系统，热力学第二定律指出，封闭系统的熵是不断增加，这就是所谓的熵增原理，也是“宇宙热寂说”的根源，但我们的世界是一个开放系统，开放系统通过不断与环境进行物质与能量的交换来形成耗散结构，从而使系统从远离平衡态走向稳定的耗散结构。

d）自然系统、人工系统与混合系统

自然系统是在自然界中运转而没有人类干预的系统。自然系统具有活力、弹性和自组织等特性，可为工程系统提供样本。仿生学就是从自然系统中借鉴，作为人工系统参考模式的一种实践。人造系统是由人类代理构建的系统，或由其产生的系统。人类代理可以是人类，也可是由人类创造的过程、方法或工具，其间接地影响变化以创建人造系统。混合系统是指同时具有自然和人工元素的系统，或受刻意影响（例如通过选择性育种）或修饰（例如通过基因工程）的天然系统。通过上面对系统的分类，我们可以重新来审视工程系统。工程系统--可以是人工的或混合的，可以使概念上的和/或物理上的。

e）几类特殊系统

“生命系统”。生物和生命系统是一大类重要的动态开放系统的例子，这些系统通过与环境进行能量和废物的交换以维持自身的生存，同时也以增加环境中的熵为代价。生命系统利用了物质和能量以及信息和知识元素。系统行为通过物质、能量和信息的流动表现出来，并通过代代相传地累积知识。生命系统既有概念上的，也有物理上的，但其独特之处在于他们的涌现性行为与学习与适应性有关。人类系统是生命系统中的特例，他有复杂的语言表达能力意义，并通过驱使其他的物理、概念和生命系统来达成其目标。

“活系统”。活系统是指开放系统，在某些环境限制内，可以通过与环境交换物质、能源和信息来维持自身；检测并承受外部威胁，面对中断，维护和修复其内部组织，并适应不断变化的环境（例如，通过发展其能力）；同时保持其内部平衡（动态平衡）。活系统模型用于组织与企业的管理中。

活系统模型是由英国的管理大师斯坦福德·比尔在1960-1970年代创立的，将对组织的管理过程类比为人类大脑对身体的控制过程，运用控制论的法则来维持组织的稳定，以及使组织能够应对外部环境的变化而保持活力。活系统模型由环境系统、执行系统和管理系统三部分组成，而执行系统与管理系统又细分为6个分系统，分别是负责操作的系统S1、负责协调的系统S2、负责内部总体优化控制的系统S3、负责监视审计的系统S3*、负责外部信息与未来环境状况情报获取和开发的系统S4和负责顶层政策的系统S5。S1-S3*构成了组织的自主管理机构，以保证系统内部能够稳定运行。S4分析环境，预测未来可能到来的挑战，来保证组织能够在变化的环境中继续保持活力，并将结果传给S3以便采取对策。S5则根据S4的分析，制定相应的政策和战略规划。活系统模型体现了对当前系统的优化和对未来变化的适应，以时刻保持组织的活力，与我们对工程系统的要求是一致的，它构建的理论框架可以为我们实现工程系统生命有机性提供参考。

图3 活系统模型

“复杂系统”。有人说，如果“湍流”是理论研究的坟墓，那么“复杂性”则是定义的墓碑。虽然，人们越来越认识到复杂性才是当今世界的本质，但对于复杂性的定义却非常难以给出。圣塔菲研究所认为：“复杂性产生于任何多个主体交互、相互适应以及主体适应环境的系统。这些交互和适应在宏观层面产生系统演化过程和常见的令人惊奇的涌现行为。霍兰德也给出了适应性造就复杂性的著名论断。同时，复杂性也对于人们研究的不同层次来说也有相对性，眼前这块石头，它的组成，它的演变过程是非常复杂的，但如果人们只是踢他一脚，关注它的运动规律，则使用牛顿定律就能胜任。

在本技术产品中，尝试给出了复杂系统的定义，指系统的因果关系之间存在非平凡关系：每种效应可能是由多种原因引起的；每种原因都可能导致多种影响；原因和影响可能与反馈循环有关，包括正面和负面；因果链是循环的和高度纠缠的而不是线性的和可分离的。复杂系统中关系的非平凡性质使得整个系统是不确定的、模糊的或混沌的（在数学意义上，混沌是指初始条件的非常小的变化可能产生非常大的结果变化）。圣塔菲给出的复杂性定义和本技术产品给出的定义侧重点不同，前者侧重于系统内部之间以及系统与外部环境之间的适应与协调，指出了系统从简单到复杂，从低级到高级的演化因素。而后者侧重于强调系统关系的非线性、不确定性和混沌。

现在我们对研究中经常出现几个概念对象的范围大小进行韦恩图范围排序，这些概念包括系统、体系、复杂系统和组织（Enterprise），以便于理解他们之间的联系。

图4 不同系统概念的韦恩图范围关系

三、总结

以上对INCOSE发布的《系统工程与系统定义》的主要内容进行了解读，其对系统工程的相关概念定义以及对系统分类的整理代表了国际工程界对系统工程的最新理解，有助于研究人员在学习和应用系统工程理论方法时达成一致的理解，因此是我们学习和研究系统工程与体系工程理论方法的基础。

作者：张宏军  黄百乔  鞠鸿彬

※ ※ ※

创新体系工程基础理论和方法

推动系统工程理论再发展