Systems Engineering Principles and Practice（系统工程原理与实践）

引用

Kossiakoff, A., Seymour, S. J., Flanigan, D. A., & Biemer, S. M. (2020). Systems Engineering Principles and Practice (3rd ed.). John Wiley & Sons (Wiley Series in Systems Engineering and Management).

章节概要

第三版分五个部分共23章，正文约640页（Wiley 标注全书688页），并保留了三个版本的全部序言。几位作者现为或曾为约翰斯·霍普金斯大学怀廷工程学院系统工程项目的教师；该项目的主任正是约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室前主任兼首席科学家 Alexander Kossiakoff。Wiley 将本书介绍为面向高年级本科生和研究生、讲授复杂技术系统开发与采办的入门教材，其编排旨在教读者“像系统工程师一样思考”，并列出了更新的内容：风险、原型开发、建模与仿真，以及软件系统工程。每章以小结一节结束；免费公开的第1章节选显示，小结之后还有习题和延伸阅读书目。

第一部分 第1章：系统工程与现代系统的世界

开篇一章可作为免费节选阅读。它把系统工程的职能定义为引导复杂系统的工程开发，并把“系统”限定为要素多样、关系错综的工程系统（洗衣机不在此列）。本章说明系统工程与传统工程学科的不同（着眼于整个系统、主导概念开发、在各专业之间架桥）以及它与项目管理的关系，随后概述系统工程的全景、“系统工程视角”、需要系统工程的系统实例、典型活动与文档、作为职业的系统工程，以及一个以经验、导师指导和兼具广度与深度的“T 型”结构为基础的职业发展模型。

第一部分 第2–4章：复杂系统的结构；系统开发过程；系统工程管理

第2章把系统分解为要素、层级、构建模块、环境和接口，并讨论复杂性。第3章介绍贯穿全书的系统生命周期、开发过程的演进特征、“系统工程方法”以及贯穿开发全程的测试。第4章讨论开发管理：工作分解结构、系统工程管理计划以及系统工程的组织。

第二部分 第5–8章：需求分析；要求分析；功能分析；评价与选择

概念开发阶段。第5章讨论新系统的提出、系统思维、作战（运行）分析、可行性和需求确认。第6章展开系统要求：其来源、属性、层级、度量、验证与确认，并比较传统方式与敏捷方式的要求开发。第7章讨论概念选择、功能分析与分配、功能分析产物和可追溯性。第8章讨论备选方案分析、运筹学技术、经济性与可承受性、概念选择与确认，同样比较了传统方式与敏捷方式。

第二部分 第9–12章：系统架构设计；基于模型的系统工程（MBSE）；决策分析与支持；风险管理

第9章介绍架构的类型、架构框架与视图，以及架构的开发、追溯和确认。第10章介绍 MBSE 及其语言、工具和在整个生命周期中的应用，并附有实例。篇幅最长的章节之一第11章讨论决策、建模、仿真、权衡分析和评价方法。第12章把风险管理放在生命周期之中，讨论风险的追溯与分析技术。

第三部分 第13–17章：先期开发；软件系统工程；工程设计；系统集成；测试与评价

工程开发阶段。第13章讨论如何降低不确定性，包括把原型开发作为降低风险的手段以及开发测试。全书最长的第14章讨论软件：其组成、复杂性与抽象、生命周期模型、分析与设计、编码、集成与测试以及管理。第15章讨论部件设计、设计确认和构型管理。第16章讨论集成层级、集成类型、规划和设施。第17章讨论研制测试与使用测试评价、人因测试、测试规划与测试追溯，以及体系的测试。

第四部分 第18–20章：生产；使用与保障；体系工程

开发后阶段：工厂中的系统工程以及从开发到生产的过渡（第18章）；安装、在役保障和重大升级，以及应当影响开发的使用因素（第19章）；体系工程（system of systems engineering）与传统系统工程的差异、体系的类型、属性和挑战（第20章）。

第五部分 第21–23章：企业系统工程；系统安全工程；系统工程的未来

三个讨论更广泛领域的短章：企业系统工程的定义、过程和挑战；安全的类型及其在系统工程中的应用；系统方法可以应用的领域以及未来系统工程师的教育。

核心概念

第一部分：基础

• 系统工程：以整个系统的成功为中心目标，引导复杂系统的工程与开发。
• 系统工程视角：让各个部分的目标服从于整个系统的目标。
• 系统生命周期：从概念开发经工程开发到开发后的各个阶段，也是全书的组织框架。
• 工作分解结构与 SEMP：规划和管理系统工程的主要工具。

第二部分：概念开发

• 需求分析与运行分析：确认新系统是必要且可行的。
• 要求层级与可追溯性：组织要求，并通过功能和设计对其进行追溯。
• 功能分析与分配：确定系统必须做什么，并把功能分配给各要素。
• 架构框架与 MBSE：通过架构视图和形式化模型来描述系统。
• 权衡分析与风险管理：在备选方案中作出选择并控制不确定性。

第三至五部分：开发、部署与领域

• 以原型降低风险：在全面开发之前构建原型以减少不确定性。
• 集成与测试评价：组装系统，并在研制测试和使用测试中加以验证。
• 体系：必须协同工作的独立系统的集合。
• 企业与安全系统工程：把系统方法扩展到组织和安全领域。

评析

优点

• 清晰的生命周期结构。 各部分从基础和概念开发，经工程开发，一直追踪到生产、使用与保障，因此本书可以当作整个学科的地图来用。
• 深入讨论概念开发。 第二部分用八章讨论需求、要求、功能、评价、架构、MBSE、决策分析和风险——正如第1章所说，这是系统工程师主导设计的阶段。
• 按当前实践更新。 本版新增了 MBSE 一章、在要求和概念评价中对传统与敏捷方式的比较，以及关于体系、企业和安全工程的章节。
• 对职业的论述充分。 第1章讨论了系统工程与其他学科及项目管理的区别，以及系统工程师如何成长，有助于学生理解这一角色意味着什么。

局限

• 新话题重广度轻深度。 MBSE、企业系统工程、安全和体系各只有一章，篇幅13–21页，足以入门但不足以实践；例如，SysML 建模需要专门的教材。
• 数学较少。 定量方法集中在第8章和第11章，目录中没有关于可靠性、维修性或寿命周期费用模型的章节；需要这些内容的学生必须另找资料。
• 大型项目取向。 作者在应用物理实验室的背景，以及对复杂系统开发与采办的强调，使本书带有大型项目取向；小型产品团队的读者需要对其中的流程加以裁剪。
• 篇幅长。 约640页，一门课难以讲完，必须有所取舍。

在课程中的定位

在这门系统工程课程中，Kossiakoff 等人的书是以过程为导向的主教材。Blanchard 与 Fabrycky 的 Systems Engineering and Analysis 覆盖同样的生命周期，但包含多得多的定量分析（决策模型、经济性、优化、可靠性和寿命周期费用）；Kossiakoff 的第1章也把它列为延伸阅读，两者可以很好地互补。Jon Holt 的 Systems Engineering Demystified 是围绕 MBSE 和 SysML 的入门书，是第10章的良好配套读物。

Buede 与 Miller 的 The Engineering Design of Systems 以基于模型的方式讨论要求和架构，延伸了第6–10章的内容；Crawley、Cameron 与 Selva 的 System Architecture 是一本研究生教材，把本书第9章所讲的架构设计发展为一门完整的决策学科。Dym 等人的 Engineering Design: A Project-Based Introduction 是工程设计的入门课程用书，可以在本书之前阅读。

如何使用本书

本书适合工程或理科的高年级本科生和研究生，以及正在转向系统岗位的工程师；熟悉至少一个工程学科有助于理解书中的例子。Wiley 网站上免费公开的第1章节选，是在决定使用前判断本书风格的好办法。

一个学期的实用安排：

• 核心： 先读第一部分（第1–4章）掌握术语和生命周期模型，再读概念开发的核心第5–8章。
• 按重点选择： 架构与 MBSE 看第9–10章，决策与风险分析看第11–12章；以项目为基础的课程四章都会用到。
• 开发与部署： 工程开发、集成与测试看第13章和第15–17章；从事软件密集型系统的学生看第14章；生产与保障看第18–19章。
• 选读： 第五部分和第20章，适合研讨课或学期论文。

完成章末习题（例如第1章的习题要求的是解释和讨论，而不是计算），并利用延伸阅读书目深入学习。第10章可搭配一本建模教材或工具使用；如果课程要求计算，可把第8章和第11章与 Blanchard 和 Fabrycky 的定量章节结合起来。