系統工程 : 21世紀的系統方法論 Systems Engineering: A 21st Century Systems Methodology

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。
隨後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，以及在英國的兩個最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。他於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諮詢委員會的委員。
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。

第一篇系統：系統科學與系統思維的前沿

第一章系統哲學理念1 
1.1湧現的系統運動1 
1.2系統的本質2 
1.3因果關係和目的論3 
1.4湧現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並行和同態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湧現和層次結構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具有所需湧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系統特徵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守恆定律與傳輸現象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倍週期34 
2.5信息：守恆還是非守恆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複雜性管理42 
2.10.1湧現特性的聚合43 
2.10.2反混沌44 
2.11系統壽命週期與熵循環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首選模式原則47 
2.11.7循環發展（熵循環）原則47 
2.11.8系統壽命週期：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系統思維的範圍、局限和價值53 
3.1.1示意圖53 
3.1 .2因果關係和因果循環模型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追求湧現——所有系統的通用參考模型103 
5.9.1湧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湧現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：一個範式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 

第七章處理複雜的問題和難題149 
7.1問題的解決範式149 
7.2線性、複雜性、非線性和智能係統行為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.3參與式乾預——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戰鬥打響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需求規範227 
12.3表徵不同類型的系統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團隊體係與內／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：內部行為實例化269 
D.5.3系統 方法論第5步／模板4：組裝解決方案系統內部功能：最小化構形熵269 
D.5.4系統方法論第5步／模板5：劃分解決方案系統的相互作用的子系統270
D.5.5系統方法論第5步／模板6：開發解決方案系統內部構架270 
D.5.6系統方法論第5步／模板7：形成解決方案系統概要271 
D.6系統方法論第5步：設計解決方案系統，第2部分——功能／物理設計272 
本案例中途練習272 
D.7系統方法論第5步／模板11：確定可選的選項273 
D.7.1可運輸陸戰單元設計構想274 
D.7.2無人飛行器／遙控飛行器和武器276 
D.7.3集群和陣形控制278 
D.7.4變色龍戰車陸戰單元——內部設計構想278 
D.7.5短程起降運輸機／作戰總指揮部／後勤保障279 
D.8系統方法論第5步／模板12：對可選的解決方案系統內的每個相互作用的子系統重做
第2步至第5步／模板7280 
D.9指揮和控制281 
D.9.1分形的C2282 
D.10設計部分小結282 
D.11系統方法論第6步／模板1：單獨實例化藍方解決方案的有機動態模型283 
D.12系統方法論第6步／模板1和系統方法論第6步／模板2：實例化藍方陸上機動力 2010及其
紅方對手283 
本案例總結285 
本案例結論285 

第三篇系統方法論與系統工程

第十五章系統工程真正的含義287 
15.1從“相似”中辨識系統工程287 
15.2區分系統工程與系統的工程288
15.2.1人是系統的一部分還是人工產品的使用者289 
15.2.2線性與非線性289 
15.2.3自頂向下與自底向上289 
15.3系統工程的應用種類290 
15.3.1全新的首次出現的系統290 
15.3.2演化的系統291 
15.3.3可運行使用的系統292 
15.3.4批量製造／供應系統292 
15.4系統工程“策略”292 
15.4.1瀑布方式293 
15.4.2螺旋方式295 
15.4.3並發方式296 
15.4.4混沌方式296 
15.5功能管理、計劃管理和項目管理297 
15.6關於系統工程的“微型考古學”299 
15.6.1麥克弗森的系統設計框架299 
15.6.2麥克弗森的複雜系統設計層次301 
15.6.3項目管理中的麥克弗森系統工程組織301 
15.7系統工程分析與管理支撐環境302 
15.8系統架構304 
15.8.1系統架構的影響304 
15.8.2系統架構的優缺點304 
15.8.3架構類比307 
15.8.4系統的包含和封裝視角308 
15.9目的性系統架構310 
15.10分層架構312 
15.10.1開放系統互連的國際標準312 
15.10.2指揮控制架構313
15.10.3企業組織架構314 
15.11人類活動系統314 
15.11.1為什麼研究人類活動系統314 
15.11.2人機分離315 
15.11.3自組織人類活動系統316 
15.11.4訓練317 
15.12社會系統318 
本章總結322 
本章練習323 

第十六章系統創建：目標牽引，湧現為先324 
16.1源於人類和機器的目標牽引324 
16.2在功能到物理結構映射中維持跨功能連接326 
16.3對流程視圖的強調328 
16.4設計、集成和測試330 
本章總結331 
本章練習331 

案例E警務指揮控制系統332 
E.1問題空間332 
E.1.1社會工程——不負責任的自由化？332 
E.1.2政治正確：新的世俗宗教334 
E.1.3治安中的政治——嚴厲打擊犯罪，嚴厲打擊犯罪根源336 
E.2解決方案空間337 
E.2.1民主下的治安337 
E.2.2治安的變化338 
E.2.3鷹派、鴿派、自由主義者和恐怖分子338 
E.2.4社會分裂，對犯罪的恐懼及被動式螺旋339 
E.2.5逐步下降的穩定性水平340 
E.2.6恐怖主義問題341 
E .3可行解決方案的構想342
E.3.1主動式治安：傳動和響應需求342 
E.3.2恐怖主義使局面發生改變343 
E.3.3阻止與預防犯罪型治安的成本效益343 
E.3.4招募積極主動的警察344 
E.3.5締造和平、維護和平和建設和平：治安的1、2、3級344 
E.4治安行動構想345 
E.4.1治安模式345 
E.4.2情報主導的主動式治安346 
E.5設計解決方案系統347 
本案例總結和結論348 

案例F戰鬥機航空電子系統設計350 
F.1問題空間350 
F.2既定的解決方案350 
F.3設計解決方案系統351 
F.3.1美中不足351 
F.3.2戰鬥機空中交戰——迷失的作戰構想352 
F.3.3政府的不情願354 
F.3.4系統構想——三角測量的鬼影354 
F.3.5系統構想——標槍式導引355 
本案例結論355 

第十七章體系：工程原理和實踐經驗357 
17.1體系的創建、開發和演化357 
17.2系統工程解決體系問題的局限性358 
17.3體系工程的策略359 
17.3.1“竿頂旋盤”359 
17.3.2持續再設計359 
17.4體系的架構360 
17.4.1體系的流水 線架構360 
17.4.2體系的互補型架構362
17.5體系——統一的整體，還是分離的集合363 
17.6管理體系中的變化365 
17.7體系工程367 
本章總結367 
本章練習368 

案例G21世紀的國防採購370 
G.1問題空間370 
G.1.1在預測需求方面存在的困難370 
G.1.2技術前沿——過去靠國防，現在靠商業371 
G.1.3官僚主義正在削弱國防技術前沿372 
G.1.4安全保密373 
G.2概念化的可行解決方案374 
G.3作戰運用構想376 
G.4系統設計378 
本案例總結379 

第十八章系統工程：智能係統380 
18.1引言380 
18.2什麼是智能係統381 
18.3智能的定義381 
18.3.1智能的類型381 
18.3.2智能和生存382 
18.3.3預測未來383 
18.4關於決策384 
18.5學習型組織／智能型企業的特徵385 
18.6智能型企業面臨的狀況條件386 
18.6.1做出智能的選擇——智能型企業模型388 
18.6.2創新決策模型389 
18.7學習行為和智能行為390 
18.8讓企業保持智能化391 
本章總結392 
本章練習393

案例H全球變暖、氣候變化和能源394 
H.1能源、需求、資源和儲備394 
H.2全球變暖和氣候變化394 
H.3可能的選項395 
H.3.1控制溫室氣體水平的增長395 
H. 3.2改善氣候變化影響的措施396 
H.4合理的和不合理的可替代能源397 
H.4.1水力發電397 
H.4.2風力發電397 
H.4.3潮汐發電397 
H.4.4海浪發電398 
H.4.5月球引力發電398 
H.4.6生物燃料和太陽能發電398 
H.4.7可替代能源的總結399 
H.5核能399 
H.6未來的不妙前景399 
H.6.1戴森球400 
H.6.2核冬天400 
H.6.3火山活動對氣候的影響401 
H.6.4工業污染401 
H.7主動控制氣候的案例401 
H.7.1“做得太少太遲”的風險402 
H.8可行解決方案構想403 
H.8.1充分認識問題403 
H .8.2太陽常數的調節403 
H.8.3L1點粒子云的構想404 
H.8.4L1點粒子云的運用構想405 
H.8.5L1點遮陽板的構想405 
H.8.6遮陽板的建造405 
H.8.7L1點遮陽板的使用構想407
H.8.8相對的時間尺度407 
H.8.9風險408 
H.9本案例評論408 

參考文獻410