第2章 系统工程基础

NASA将“系统工程”定义为一种用于系统设计、实现、技术管理、运行使用和退役处置的有条理的、多学科的方法。“系统”是由元素组成的，这些元素共同工作，从而形成必要的能力，满足系统需求。元素包括为达到这个目的而需要的所有硬件、软件、设备、设施、人员、流程和规程，也就是产生系统结果所需的全部事物。系统结果包括系统的品质、性质、特性、功能、行为和实效。系统作为整体所产生的价值主要来自各组成部分的相互联系和相互作用关系，而且远远超过各组成部分的单独贡献的和。系统工程是进行技术决策时查看系统“全貌”的途径，是在确定的运行使用环境下和规划的系统寿命周期中，在费用、进度和其他约束条件下，达到利益相关者所提出的在功能、物理和使用方面性能需求的途径。它还是能够支持对系统寿命周期费用进行控制的方法论。简而言之，系统工程是一种有逻辑的思维方法。

系统工程是一门科学和艺术，在通常具有相反作用的约束条件下，开发能够满足系统需求的可行系统。系统工程是一门综合的、整体的学科，通过相互比较来评价和权衡结构设计师、电子工程师、机械工程师、电力工程师、人因工程师及其他相关学科学者的贡献，形成一致的、不会被单一学科观点左右的系统整体。

系统工程方法面对相互对立的利益和多样的甚至冲突的约束，寻求安全和平衡的设计方案。系统工程师必须提高自身技能，在设法使得可行系统方案需要满足的目标不断清晰的同时，为了优化系统整体而非单一子系统的设计方案，明确并关注所需要开展的评估工作。了解何时何地对方案进行审查是一门艺术。有此技能的人员通常称为“系统工程师”，他们还可能拥有其他头衔，如责任工程师、技术负责人、首席工程师等，本手册使用“系统工程师”这个术语。

系统工程师的具体角色和职责会随着项目的不同发生相应变化，这些差异体现在项目的规模和复杂度，以及寿命周期的阶段划分上。针对大型项目，可能需要一个或多个系统工程师；而针对小型项目，则有可能由项目负责人亲自担任此项工作。但是，无论安排谁承担这些职责，系统工程师需要做的工作都应当得到履行。能被称为系统工程师是因为他们的实际角色和职责是多样的，角色和职责不同的系统工程师有不同的头衔。系统工程师的职责是确保系统开发遵循合适的系统工程方法，系统在技术上能够实现规定的需求。系统工程师负责监督项目的技术团队开展系统工程活动，对各项任务进行指导、交流、监督和协调。系统工程师还负责审查和评价项目的技术进展状况，确保系统及各个子系统的系统工程流程能够正常发挥作用，推进系统从概念到产品的转化。技术团队应整体参与到系统工程流程之中。

系统工程师的关键作用通常体现在引导系统运行使用构想（ConOps）的开发，据此形成系统架构，确定系统边界，定义和分配系统需求，评价与权衡系统设计方案，平衡系统之间的技术风险，定义和评估系统接口，对系统的验证和确认活动进行全面监督，还有许多其他任务。通常，系统工程师牵头系统的技术规划工作，并且在编制项目的各类技术规划文档、需求/技术规格文档、系统验证和确认文档、证明材料及其他技术文档等任务中负主要责任。

总的来说，系统工程师所擅长的是，使复杂系统在组织、费用和技术方面的相互作用保持平衡的科学和艺术。如果能够准确而及时地获取技术活动的费用和进度信息，在工程保障和项目规划与控制（PP&C）方面，系统工程师与后勤保障部门有相同的关键程度。系统工程注重于折中和权衡，采纳广泛的跨学科的系统观点，而不是单一学科的观点。系统工程注重于观察“系统全貌”，不仅要确保设计正确的系统（满足需求），还要确保正确的系统设计（使达到运行使用目标和满足利益相关者期望成为可能）。

系统工程在项目的组织管理中发挥着重要作用。项目管理包含三个主要目标：管理项目的技术开发工作、管理项目的技术团队、管理项目的费用和进度，如图2.0-1所示，这三个目标相互关联。如同在NPR 7120.5《NASA空间飞行工程项目管理要求》中所讨论的那样，项目管理的职责是在特定的费用、质量和进度条件约束下，规划、监督和指导为满足客户和其他利益相关者的需要、目的和目标所需开展的诸多活动。同样地，NPR 7120.8《NASA科学研究与技术开发类工程和项目管理要求》中指出，工程或项目的领导者（如管理人员）负责科学研究与技术开发类工程或项目的规划和论证、实施和应用两个宏观阶段的工作；NPR 7120.7《NASA信息技术与NASA内部基础设施工程和项目管理要求》中指出，针对系统工程需求方面的工作，项目管理者应参考NPR 7123.1《NASA系统工程流程和要求》。图2.0-1中的系统工程区域关注的焦点是在技术、费用、进度三个方面做出决策需要体现的技术性特征；系统工程同时关注如何向项目管理者报告这些特征。项目管理者负责确保项目在费用和进度的限度范围内，最终能够交付系统。这些职责中存在重叠是自然的，其中，系统工程师重点关注系统在工程开发方面的成功（满足技术、费用、进度约束），而项目负责人则根据费用和进度的约束明确对工程开发可选方案的限制，确保系统能够成功交付。这些就是图2.0-1中系统工程和项目规划与控制重叠的领域。图2.0-1是解释这一构想的概念性示意图。注意图中作为项目管理两个基石的系统工程和项目规划与控制相互重叠的区域。在该区域中，系统工程为其输入技术性内容，而项目规划与控制为其输入工程、费用和进度方面的内容。

图2.0-1 在项目全局管理背景下的系统工程

本手册关注的是图2.0-1中的系统工程部分，其中的实践活动/流程来源于NPR 7123.1《NASA系统工程流程和要求》。本手册的后续各章将对各个流程做更为详细的介绍，而本章的后续各节只做总体介绍[1]。