图2  体系的综合定义（S. Sheard）

1、4 体系工程

在种种体系问题背景下，体系工程（SoSE，system of systems engineering）应运而生。与传统的系统工程理论相比，体系工程在分析和解决不同种类的、独立的、大型的复杂系统之间的相互协调与相互操作问题更具有针对性。   

体系工程是对系统工程的延伸和拓展，它更加关注于将能力需求转化为体系解决方案，最终转化为现实系统。一般地，系统工程在系统开发前，明确并建立一个严格的系统边界，针对这个边界规范一系列的子需求，并根据这些需求完成一个系统的设计和开发。体系工程则主要通过平衡和优化多个系统之间的相互关系，实现可互操作的灵活性和应变能力，并最终构造一个可以满足用户需求的体系。多个方面对系统工程和体系工程的比较见表1。   

表1  体系工程与系统工程的对比

从体系开发过程角度来看，体系工程包含体系需求（获取与分析）、体系设计、体系集成、体系管理、体系优化和体系评估等过程。   

体系工程发展过程经历了3个阶段。   

第一阶段是20世纪90年代中期，体系的现象与问题的产生、技术迅猛发展使得复杂的技术集成与管理问题越来越突出，在各个领域都出现了大规模系统集成与更新换代的需求，如国防系统、城市交通、航空管制及航天技术集成等。   

第二阶段始于20世纪末，广大学者开始探索解决体系问题的思路与方法，首先认识到传统系统工程在解决体系问题上的不足，然后开始新的途径与方法的探索。   

第三阶段是21世纪初，体系工程概念被普遍接受，进行了系列的理论研究与工程实践活动，成立体系工程研究机构（如IEEE SoSE，International Council on System Engineering），举行体系工程的年度专题会议，并创办了《International Journal of System of Systems Engineerzing》杂志，这些工程实践活动包括美军未来作战系统（future combat systems）的全新设计与实现、美海岸警卫队深海作战系统的一体化改进及战区导弹防御体系的构建等。   

2005年，美国建立了2个体系研究中心，一个是体系工程研究中心（SoSECE，SoS Engineering Center of excellence），另一个是美国老道名大学（Old Dominate University）的国家体系研究中心（NCOSE，National Centers of SoS Engineering）。国际上还有其他大学和研究机构分别在工程系统领域和智能交通系统方面，能源开发、电力网络传输等方面开展了体系结构设计相关的研究，在软件体系结构整合度评估、体系结构风险评估和体系结构设计方面取得了大批研究成果。   

尽管如此，到目前为止，还没有成熟的理论、方法和技术来支撑体系的研究或在体系问题的解决上实施系统工程的框架，但这一思想没有得到普遍的认可，在Eisner工作基础上Ronald提出了体系工程的构想，在其构想中强调体系问题的定量分析，在该方法中体系被看作一个整体，对体系的优化是基于费用代价和技术约束，其研究方法包括运筹分析、效用建模、非线性最优化和随机建模与模拟。应该说Ronald的工作是体系工程研究上迈出的第一步。   

国际上对体系工程开展的研究刚刚起步，与体系的定义一样，不同领域的学者和工程实践人员都有不同的理解和认识，体系工程也并未形成一个权威定义。   

下面是一些体系工程典型的定义。   

定义1：体系工程是确保体系内在其组成单元的独立自主运作条件下能够提供满足体系功能与需求的能力，或者说执行体系使命与任务的能力。   

定义2：体系工程是这样一个过程，它确定体系对能力的需求；把这些能力分配至一组松散耦合的系统；并协调其研发、生产、维护及其他整个生命周期的活动。   

定义3：体系工程是指解决体系问题的方法、过程的统称。体系工程是国防技术领域的一个新概念，这一概念同时也被广泛应用于国家交管系统、医疗卫生、万维网及空间探索领域。体系工程不仅局限于复杂系统的系统工程，由于体系所涵盖问题的广泛性，它还包括解决涉及多层次、多领域的宏观交叉问题的方法与过程。   

定义4：体系工程是学科交叉、系统交互的过程，这种过程确保其能力的发展演化满足多用户在不同阶段不断变化的需求，这些需求是单一系统所不能满足的，而且演化的周期可能超越单一系统的生命周期。体系工程提供体系的分析支持，包括系统交叉的某一时间阶段内在资源、性能和风险上的最佳平衡，以及体系的灵活性与健壮性分析。   

定义5：体系工程源于系统，但它不同于系统工程，是不同领域问题的研究。系统工程旨在解决产品的开发与使用，而体系工程重在项目的规划与实施，换句话说，传统系统工程是追求单一系统的最优化（例如某一产品），而体系工程是追求不同系统网络集成的最优化，集成这些系统以满足某一项目（即体系问题）的目标。体系工程方法与过程使得决策者能够理解选择不同方案的结果，并提供给决策者关于体系问题有效的体系结构框架。   

定义6：体系工程解决体系中的系统的集成，最终为社会基础设施的发展做出贡献。   

定义7：美国国防采办手册定义体系工程是对一个由现有或新开发系统组成的混合系统的能力进行计划、分析、组织和集成的过程，这个过程比简单的对成员系统进行能力叠加要复杂得多，它强调通过发展和实现某种标准来推动成员系统间的互操作。   

定义8：美国体系工程研究中心指出体系工程是设计、开发、部署、操作和更新体系的系统工程科学。它所关心的是：确保单个系统在体系中能够作为一个独立的成员运作并为体系贡献适当的能力；体系能够适应不确定的环境和条件；体系的组分系统能够根据条件变化来重组形成新的体系；体系工程整合了多种技术与非技术因素来满足体系能力的需求。

从上面的定义可以看出，体系工程在不同领域的理解存在5个方面的共性：

1）体系工程是能力集成工程。   

2）体系工程是复杂需求获取工程。   

3）体系工程是综合集成体的演化工程。   

4）体系工程是学科交叉、系统交互过程。   

5）体系工程是权衡与平衡工程。   

二、体系工程过程

体系工程以解决体系的构建与演化问题为目标，其研究对象是体系，区别于系统工程所针对的简单系统对象，在过程原理上两者间存在本质的差异。   

体系工程过程存在需求分析循环、设计分析循环与设计验证循环，除此之外，还存在对体系环境与边界的分析。体系环境与边界分析同需求分析循环、设计分析循环和设计验证循环并行进行，体系工程4个方面的过程分析通过体系分析与控制活动进行平衡，通过平衡找到体系设计的合适的方案，如图3所示。

图3  体系工程过程

三、体系问题有效的体系结构框架

体系工程源于系统工程，但高于系统工程，是解决系统工程解决不了的体系问题。体系工程是实现系统最优化的科学，是一门高度综合性的管理工程技术，涉及应用数学（如最优化方法、概率论、网络理论等）、基础理论（如信息论、控制论、可靠性理论等）、系统技术（如系统模拟、通信系统等），以及经济学、管理学、社会学、心理学等各种学科。体系工程重在项目的规划与实施，追求不同系统网络集成的最优化，集成这些系统以满足某一项目（即体系问题）的目标。体系工程方法与过程使得决策者能够理解选择不同方案的结果，并提供给决策者关于体系问题有效的体系结构框架，如图4所示。   

图4  体系结构框架

四、体系工程的研究热点

体系工程作为近年来国际上一个新兴的热点研究领域，国外众多科研机构对其进行了深入研究。在《International Journal of System of Systems Engineering》2008年第1期文章中，总结了体系方面的13位权威专家在一次高层研讨会中得出的体系工程领域急迫需要开展研究的10个热点问题。这10个方面的热点问题将在未来引领体系与体系工程的发展，他们分别如下。   

1）弹性、适应能力、快速恢复能力。

2）成功的案例。

3）系统与体系属性的差别与比较。

4）模型驱动的体系结构。

5）体系结构多视图产品。

6）处理复杂性中人类的局限性。

7）网络中心的弱点（net-centric vulnerability）。

8）演化、进化（evolution）。

9）导向性涌现行为（guided emergence）。

10）无单个所有者的体系（no single owner SoS）。   

五、结 论

人类正在面临知识经济和全球化，社会发生了很多新的变化，表现在以下3个方面。   

1）社会在变：以数据为中心转为以信息、概念、知识、智慧为中心。   

2）系统在变：从过去处理相对比较简单的系统变为要处理复杂系统，并进而到开放复杂巨系统、复杂自适应系统、系统的系统（体系）。   

3）技术在变：高新技术大量出现，特别是计算机和网络系统、虚拟现实、大数据、云计算、人工智能、机器人、无人机等。   

为了应对以上变化，建议如下。   

1）要采用新思路、新概念和新技术。   

2）应用综合集成，要注意软、硬结合，注意东西方结合。   

3）要多学科交叉，特别要注意与系统科学、知识科学、思维科学、信息科学、心理科学等学科的交叉，知识面要宽。   

4）要人机结合，但要以人为主。   

5）要群体智慧，发挥集体和组织的智慧。   

6）要物理、事理、人理结合。   

7）还是要抓两头，发展和完善系统科学的理论，注意体系和体系系统工程的新的应用。   

8）要领会用户的需求，更要学会创造新需求。   

9）要学会新的管理方式和注意协调。   

笔者最近有幸接触两起中国有关体系的实际案例，仅就其中一些值得提出的思想与大家分享。一个是中国航天工业领域中在提到他们应用体系思想解决战略规划时，说我们正从航天大国走向航天强国，也就是说过去我们习惯去参照其他航天强国提出的规划指标作为我们的参照，或者说个别地方达到高峰；那么如果到航天强国，就要整个达到高原的地步，有不少新的规划指标和标准要我们自己提出来，也就是作为战略武器制造者，自己怎样帮助领导一起去产生新的需求，这正是系统工程与体系的一个重要区别——学会创造新的需求。另一个案例是中国船舶工业领域在讨论航母这个体系时，提出很多在航天武器领域不太考虑的“生存性”“可修复性”“进化性”等，还有体系中各个分系统之间的协调性和贡献率，特别是谁都希望1+1>2，但是谁来贡献出这多于2的部分，他们具体是多少？如何去定量的评价？这些实际问题既是设计和管理人员应该具体地去回答，更是我们系统科学工作者应该去回答和研究的问题。   

参考文献（略）

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作者简介：

顾基发——中国科学院数学与系统科学研究院，研究员，研究方向为系统工程。