本文介绍了体系和体系工程的含义与特点、体系工程过程、有效的体系结构框架、体系工程的研究热点。从系统科学和系统工程发展历程的角度，阐述了体系和体系工程出现的背景及主要内容，列举了研究工作中存在的不同观点并介绍了当前的研究热点。本文来自：科技导报，原文发表于《科技导报》2018 年第20 期，经授权由《走向智能论坛》公号推荐阅读。

摘要 介绍了体系和体系工程的含义与特点、体系工程过程、有效的体系结构框架、体系工程的研究热点。从系统科学和系统工程发展历程的角度，阐述了体系和体系工程出现的背景及主要内容，列举了研究工作中存在的不同观点并介绍了当前的研究热点。

关键词  体系；体系工程；系统工程；系统科学

“系统工程”最早在20世纪40年代由美国贝尔电话公司提出，50年代在美国制造原子弹的“曼哈顿”计划及以后美国北极星导弹和阿波罗登月计划皆为系统工程取得成果的著名范例。中国自20世纪70年代末到80年代在系统工程的实际应用方面有了很快的发展，最初1979年钱学森提出14门系统工程，后来随着应用的发展很快有了其他各门系统工程。20世纪90年代到21世纪初出现几门新的系统工程：计算机集成制造系统、网络系统工程、服务系统工程（供应链）、金融系统工程、大型工程（三峡、青藏铁路）、大型社会项目（亚运会、奥运会和世博会）、生物系统工程、医学系统工程、智能交通系统、社会预警系统、电子商务、电子政务、可持续发展等。

从20世纪60年代贝塔朗菲提出一般系统理论以来，20世纪70年代起系统科学中出现不少新的学科分支，如耗散结构、协同学、超循环、突变理论、混沌学、分形等，从1986年起钱学森亲自参加系统学讨论班，对各个分支逐一介绍并作出点评。钱学森希望由此形成中国的系统学并给出英文名词（systematology）。这无疑是中国系统科学界一个重要发展动向。20世纪90年代出现了复杂系统，其中一个是钱学森提出的从简单系统到复杂系统、再到开放复杂巨系统（如社会、生物、经济、军事、环境等复杂系统），进而提出了从定性到定量综合集成的方法论及综合集成研讨厅；另一个是圣菲研究所20世纪90年代中提出的复杂自适应系统以及多主体仿真系统的建模、复杂网络分析和遗传算法等方法。复杂自适应系统从以下多个方面表述系统特征：1）从结构方面，它是由非常多的元素、简单子系统、很多组件组成，它们具有不同的标度，相互之间是动态的交互作用的；2）它们具有层次性、自组织性和涌现的现象；3）在时间标度上它是演化的，有可能出现混沌；4）跨学科。

在20世纪末，中国系统工程学会许国志组织专家编写了一本《系统科学》（2000年出版）。该书系统阐述了对各类系统的结构、功能和演化、有普适意义的动力学系统理论（包括分岔、混沌等）、自组织理论、随机性理论，以及简单巨系统、复杂适应系统、开放的复杂巨系统的理论，对信息论、控制论、运筹学、系统工程方法论等系统工程技术也作了简要介绍。近十多年来，除了一般性的系统科学有了发展，一些专门的系统科学也在迅速发展。例如随着全球变化研究的发展出现了地球系统科学，目的是促进地球系统集成研究和变化研究，以及利用这些变化进行全球可持续发展能力研究。在生物界，从系统角度研究生物的系统生物学开始蓬勃发展起来。在物理学界同样有这样一种将物质分解成分子、原子以至夸克以后，反过来对物质世界走向系统和整体研究以及复杂性的研究的趋势，杨振宁、周光召等认为对称性造成各种事物的统一性，而对称破缺造成事物的复杂性和多样化，他们主张整体性的研究，杨振宁等在数学工具方面应用了拓扑学中纤维丛及规范建模（Gauge modeling）等，还有一些从物理和其他系统交叉起来研究的新方向，如金融物理，有人利用规范建模描述简单金融市场。再如社会物理，利用物理现象描述行人动力学，描述社会舆论的动力学，还有利用社会网络分析各种社会关系等，也值得注意。

国内外从20世纪50—70年代，用得最多的系统方法论一直是以着重定量模型和讲究优化的系统方法论为主，最著名的为霍尔的系统方法论，还有运筹学、系统动力学和系统分析等，后来被切克兰特称之为硬系统方法论。到80年代，由于处理社会系统以及涉及人因素较多的系统，再加有不确定因素较多的战略问题等而出现一批软的系统方法论。这些软的方法论比较着重定性、概念模型，不再过分追求最优解而是只要能找到可行满意解，甚至使系统有好的改变就可以，而且强调是不断学习的过程。其实中国中央高层领导提出的“摸着石头过河”就是一个改革社会的很好的方法论，它强调学习、试错和试点。钱学森等针对开放复杂巨系统（如社会、生物、经济、军事、环境等复杂系统）提出了从定性到定量综合集成的方法论及为了实现这个方法论的技术和工具——综合集成研讨厅。顾基发和朱志昌提出了物理-事理-人理系统方法论。再加上另一些日本和中国学者提出的方法论由于具有东方哲学和文化特色，我们称之为东方系统方法论。

为什么提出体系？以信息技术为代表的高新技术的快速发展，使得系统间的联系和交互变得愈发频繁和紧密。20世纪90年代末系统工程规模变得更大更复杂，以复杂自适应系统为理论指导的体系（system of systems, SoS）出现，体系及体系工程逐渐成为系统工程、管理科学等诸多领域新的研究领域。下面举几个体系的例子：军事体系、武器体系、企业体系、计算机体系、全球地面观测体系（global earth observation system of systems，GEOSS）、交通体系、社会体系等。例如，全球地面观测体系GEOSS是最近几年提出来的，它是由设置在全球各地的传感器、通信装备、存储系统和各种计算机设备组合而成，用于观测地球、了解地球的动态过程以便对—些现象加以预报，监测各国执行环境公约的实际情况。中国最先关注体系的是军事科研部门，发现现代战争早已不是单个军兵种在作战，而是体系对体系的战争；有的国家被打输了，并不是因为有生力量被大量歼灭，而是整个指挥体系垮了。此外，以下情况促使更多人关注体系的研究：1）新技术引起新产业革命；2）老知识框架只适于稳定的变化较慢的社会；3）老的系统工程和管理方法已不适合于以知识为基础的快速的过渡时期；4）要用复杂系统科学；5）SoS的能力要确保演化、突现和适应。

一、体系和体系工程的含义与特点

“体系”对应的英文词汇（system of systems），最早出现在1964年Berry B. J. L.的一篇论文中，讨论城市系统中的系统。随后，很快用于社会学、生物学和物理学领域。美国系统科学体系工程协会（SoSECE）主席Reckmeyer W. J.认为，体系源于系统科学，是系统科学关于软系统和硬系统研究的综合，对大规模、超复杂系统的研究。体系概念的演化发展经历了系统科学发展过程的分支与融合过程，如图1所示。   

图1  体系概念的演化

1、1 体系的各种定义

体系是目前大多数大规模集成体（包括系统、组织、自然环境、生态体系等）普遍存在的问题，对这一问题的研究从最初Eisner在研究多系统集成时提出SoS的概念、特征到目前这一术语成为众多领域热点问题，其典型的概念与定义不下40种。

体系是由多个系统或复杂系统组合而成的大系统。在不同领域和应用背景中体系的定义也不完全相同。在众多关于体系的描述与定义中，有如下17种较为典型的定义描述了不同领域的问题背景与对体系的不同理解与认识。

定义1：体系是系统的联接，在系统联接的体系中允许系统间进行相互协同与协作，如信息化战场的C4I（command，control，computers，communications and information）与ISR（intelligence，surveillance and reconnaissance）系统。这一定义的应用背景是现代军事系统的集成以获取战场对抗的信息优势与决策优势。

定义2：体系是大规模分布、并发系统的集成体，组成体系的系统本身就是复杂单元。这一定义的应用背景是企业信息系统。

定义3：体系是系统的综合，系统综合以系统的演化发展、协同与优化为目的，最终达到提高整体效能的宗旨。体系不是单纯系统的集成，它具备以下5种特征：1）组成系统独立运作；2）组成系统独立维护管理；3）组成系统的区域分布性；4）具备“涌现”行为；5）体系是不断演化发展的。这一定义的应用背景是未来战场环境信息系统的综合集成，军事领域复杂体系的发展规划。

定义4：体系是分布环境中异构系统组成网络的集成，体系中这些异构系统表现出独立运作、独立管理和区域分布特征，在系统和系统间交互被单独考虑的情况下，体系的“涌现”与演化行为不太明显。这一定义的应用背景是国家交通系统、军事体系和空间探索。

定义5：体系的组成不同于一般系统的内部结构（紧耦合），它是一种系统间的交互，而不是重叠。它具备如下特性：1）能够提供单一系统简单集成所不具备的更多或更强的功能能力；2）其组成系统是能够独立运作的单元，能够在体系所生存的环境发挥其自身的职能。这一定义的军事背景包括地面防空体系、战区导弹防御体系、作战群的编成体系等，其非军事背景如航天飞机。

定义6：体系是复杂的、有目的的整体，这一整体具备如下特征：1）其组成成员是复杂的、独立的，并且具备较高的协同能力，这种协同使得体系组成不同的配置，进而形成不同的体系；2）其复杂特征在很大程度上影响其行为，使得体系问题难于理解和解决；3）边界模糊或者不确定；4）具备涌现行为。

定义7：体系是一种“元系统”，其自身由多个自主的、嵌入的系统构成，这些自主的、嵌入的系统在技术、环境、地理区域、运作方式以及概念框架等方面是不同的。

定义8：体系是相互协作的系统的集成，这些组成系统具备两种附加特性，即运作的自主性与管理的自主性。

定义9：Kilicay N. H.关于体系的概念框架是从网络中心战的需求出发给出了对体系的理解与定义。

定义10：国防大学陆军工业学院Kaplan J. 认为，体系是巨大的、复杂的、持久的独立系统的集成，这些是随着时间的发展通过各自的权威提供各自的能力以支持总的使命从而形成体系。

定义11：美国国防部认为，“互相依赖的系统组合链接，提供的能力远大于这些系统的能力之和”。与体系的定义相对应，美国国防部同时定义了系统联邦，所谓系统联邦是指具备下列特性的一组系统：1）能力为所有组成成员的能力之和；2）具有所有成员共有的特征；3）系统的组合并不产生新的能力和属性。

定义12：体系是由复杂、独立系统组成的“超系统”，这些独立的系统通过交互实现其共同的目标。体系特征包括：1）体系是巨型复杂系统；2）它由相互独立的系统组成；3）具有动态的开放环境。其实例包括天气、海洋以及应付天气海况变化的应急体系等。

定义13：2005 年，美国参谋长联席会议主席在《Joint Capabilities Integration and Development System，JCIDS》（《联合能力集成与系统演化》）中给出了体系的定义：“体系是相互依赖的系统的集成，这些系统的关联与链接以提供一个既定的能力需求。去掉组成体系的任何一个系统将会在很大程度上影响体系整体的效能或能力。体系的演化需要在单一系统性能范围内权衡集成系统整体。战斗飞行器是体系研究典型案例，战斗飞行器既可以作为单一系统研究，也可以作为体系的子系统研究，作为体系研究时，其组成系统包括机身、引擎、雷达、电子设备等”。

定义14：美国陆军部在关于陆军软件模块化法规（版本11.4E，2001.09）中对体系的定义：“体系是系统的集合，这些系统在协同交互过程中实现信息的交换与共享”。

定义15：Maier在1996年提出体系是为实现共同目标聚合在一起的大型系统集合或网络；常见的SoS包括国际航空系统（飞机、机场、航空公司、航空交通控制系统）、海军水面舰艇火力支援SoS（侦察、定位、武器系统和C4I）、战区弹道导弹防御SoS（监视、跟踪、拦截系统和C4I）等。

定义16：Cook在2001年提出体系是包含人类活动的社会—技术复杂系统，通过组成系统之间的通信和控制实现整体涌现行为。

定义17：美国国防部定义体系是相互关联起来实现指定能力的独立系统集合或阵列，其中任一组成部分缺失都会使得整体能力严重退化，能够以不同方式进行关联实现多种能力的独立系统集合或阵列。

除以上关于体系的定义外，还有大量的文献对体系这一概念进行了研讨，粗略归纳一下，体系区别于一般系统的主要特点如下。

1）规模大，结构复杂，由组分系统协作集成。

2）组分系统在地理上分布广泛，可独立运行、独立管理，具有独立的功能。

3）目的性强，但目标不固定，可动态配置资源以适应不同任务的需要。

4）组分系统完成共同目标时相互依赖，可同时执行和互操作。

5）开发过程实行集中管理和规划，不断演化发展，涌现新的行为和功能。

6）重视协调和开发来自不同组织或不同利益相关者完成共同目标的能力。

现在低碳经济、能源、交通、环境保护、社会保障、信息网络、武器装备体系等问题都涉及多个复杂系统，这就是前面所说的“体系”问题。