【MBSE】系统工程的本质

发布日期:2019-05-22

引言

本篇博文是基于模型的系统工程(MBSE)的开篇,主要对系统工程进行简要的介绍,并随着后续文章的深入,逐步揭开MBSE的神秘面纱。

文中的部分内容其实也是作者的一些读书笔记。

2. 系统的本质

我们基于这样一个论点:

系统思想是系统理论的基石

在认识系统理论之前我们有必要先了解 “系统思想” 的含义。基于辩证唯物主义的哲学观点,系统是客观存在的,系统思想也是客观存在的。系统思想的产生远在科学的系统理论诞生之前,系统思想的出现从古代先贤的思想中便端倪可见。我们从两个维度去剖析系统思想:朴素系统思想和科学系统思想。

2.1 朴素的系统思想

朴素系统思想主要来源于人类与自然地长期融合,而自发的形成冲一种关于系统的思想。这些思想可能是随机的、灵感式的出现,并未以科学化的方式形成统一的系统理论。体现朴素的系统思想的例子很多,例如,古希腊哲学家德谟克利特提出的 “宇宙大系统” 的概念,赫拉克利特认为 “世界是包括一切的整体”。又如,中国古代东汉时期张衡的 “浑天说”,春秋时期的思想家老子关于自然界统一性的阐述,西周时期的“五行说”等等。以上这些都是早期的系统思想的提现。同时,古人同样会基于系统的思想应用于实践。例如中国古代的“都江堰”、长城等都是典型的系统思想的实践案例。至此,我们将朴素的系统思想总结为:

朴素的系统思想主要是人们对世界的整体性和统一性的认识。

朴素的系统思想是片段式的、灵感式的,在当时的自然科学发展的条件限制下,无法也不可能对系统思想建立一套专门的科学方法体系。

2.2 科学的系统思想

科学系统思想比朴素的系统思想产生的要晚,主要伴随着19世纪自然科学的发展,科学系统思想才应运而生。科学的系统思想的本质是:

世界是由无数相互关联、相互依赖、相互操作的过程所形成的的统一整体。这种普遍联系和整体性思想就是科学系统思想的实质。

3. 系统理论的出现

系统理论的出现以贝塔朗菲的“一般系统论”为典型代表。一般系统论包括了系统的科学、系统的技术以及系统的工程三个方面,从其组成可见一般系统论涵盖范围非常广泛。

4. 系统工程的研究对象

系统工程研究的对象是“系统”,那么,什么才是“系统”呢?一架飞机是系统,一辆汽车是系统,一个水杯也可以称之为系统。下面我们将从更为普遍的定义去阐述系统的定义。

4.1 什么是系统?

如下定义

系统是由两个以上有机联系、相互作用的要素所组成,具有特定功能、结构和环境的整体。

    系统及其要素

    系统并不是独立的,其由两个以上要素组成。要素可以是单个事务,也可以是一组事务。我们也可以这样描述,系统又可以开分为子系统,而子系统又可以继续拆分。系统和子系统是一个相对概念,这和我们描述系统的大小和范围相关。我们说,系统具有“统则唯一,分则无限”的特点。

    系统和环境

    任何一个系统又归属于更大的一个系统,并与其相互作用和联系。

    系统的结构

    构成系统的多要素间相互联系,在系统内部构成一定的结构和秩序。

    系统的功能

    系统的功能是系统的价值和目的所在

4.2 系统的一般属性

    整体性

    系统的整体性是系统最核心的属性之一。系统各要素基于系统的整体功能和逻辑性要求协调于系统中,要素间的相互关系也是服从于系统的整体性功能要求。系统所表现出来的功能特性是各个要素间的相互作用和联系产生的。

    关联性

    构成系统的要素不是相互独立的,而是相互联系、相互作用的。正是基于要素间的相互作用才构成了整体系统的功能特性。要素间的关联性构成了系统结构的基础。

    环境适应性

    任何一个系统都不是孤立存在的,它必然是存在于一个更大的系统中,并与这个外部系统存在物质、能量或信息的交流。

5. 系统工程

我们聊到了系统思想和系统,那么,到底什么是“系统工程”呢?

5.1 什么是系统工程

关于“系统工程”的定义不同的专家或组织有着不同的阐述,例如:著名科学家钱学森指出:

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,是一种对所有系统具有普遍意义的科学方法。系统工程是一种组织管理的技术。

日本工业标准JIS界定:

系统工程是为了更好的达到系统目标,而对系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机制等进行分析和设计的技术。

总之,系统工程是一项工程学科:

系统工程是用定性和定量相结合的系统思想和方法处理大型复杂系统问题的一类工程实践。系统工程是一门交叉科学,系统工程的对象不限于某一特定的工程领域,任一种物质系统都可以作为系统工程的研究对象。它可以适用于自然系统、社会经济系统、经营管理系统、军事指挥等等工程领域。

人们更为普遍的认识是:

系统工程以大规模复杂问题为研究对象,在运筹学、系统理论、管理科学等学科的基础上发展起来的一门交叉学科。系统工程的理论基础是由一般系统论以及大系统理论、经济控制论、运筹学等学科相互渗透、交叉发展而形成的。

5. 总结

系统工程的核心思想是“系统思想”,系统工程研究的对象是“系统”,系统“可大可小”,具有整体性、关联性和环境适应性一般属性。系统工程是一门工程科学,也是一门多学科交叉科学。系统工程的理论基础由一般系统论、大系统理论、经济控制论、运筹学等诸多学科交叉发展而成。

补充:关于 “什么是系统”:

关于“什么是系统 ” 是一个相对的认识。系统既可以是复杂大系统,例如导弹、卫星、航天飞机、登月工程,也可以是简单系统,如水杯、手机壳等。

关于“整体性”:

系统的“整体性”是关键特性。我们可以这样说,虽然系统由多要素组成,但“系统”更为关注的是系统整体所呈现出来的特性。这写系统整体特性并不是简单的构成要素功能特性的并集。而多数情况下,是这些要素相互作用而形成的 “新”的特性。

后续将对系统工程方法论、系统模型与系统工程进行介绍。

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