Systems Engineering and Analysis（系統工程與分析）

引用

Blanchard, B. S., & Fabrycky, W. J. (2010). Systems Engineering and Analysis (5th ed.). Pearson.

章節概要

第五版被作者稱為「三十週年紀念版」，共五個部分19章，另有由八個附錄組成的第六部分，篇幅近800頁。序言說明了本書的兩項關注：一是人造系統的工程，追蹤系統從需求識別直到報廢的整個形成過程；二是系統分析，即對已有系統的改進。分析模型和方法嵌入系統工程過程之中，而這一過程是貫穿全書的主題。每章都以「小結與延伸」（Summary and Extensions）一節和一組問題與習題結束；據序言統計，書中有300多幅插圖、約450道習題和200多條參考文獻。

第一部分 第1–2章：系統科學與工程；使系統得以形成

第1章定義系統及其要素，對系統進行分類，並把系統工程放在科學、系統科學和技術的背景中，最後討論「向系統時代的過渡」。第2章介紹工程系統、系統生命週期工程、系統工程過程、設計考慮因素、綜合、分析與評價，以及系統工程在組織中如何實施。

第二部分 第3–6章：概念系統設計；初步系統設計；詳細設計與開發；系統測試、評價與確認

逐步講解設計過程。四章中篇幅最長的第3章涵蓋問題定義與需求識別、先期系統規劃與架構、可行性分析、使用要求、維修與保障方案、技術性能度量、功能分析與分配、權衡、系統規範和概念設計評審。第4章藉助規範、設計準則、設計工具和權衡研究，把這些內容向下延伸到子系統。第5章討論詳細設計：系統要素的整合、設計資料、工程模型、樣機、設計評審和設計更改。第6章討論系統測試與評價的類別、規劃和準備、資料收集與反饋。

第三部分 第7–9章：決策中的備選方案與模型；經濟評價模型；設計與運作中的最佳化

分析工具從這裡開始。第7章討論決策評價理論、多準則、決策評價展示，以及風險和不確定性下的決策。第8章是一份簡明的工程經濟學：利息公式、等值、單一和多個備選方案的評價，以及盈虧平衡分析（包括風險下的分析）。第9章討論經典最佳化（無約束和有約束）、多準則最佳化和線性規劃。

第三部分 第10–11章：排隊論與分析；控制概念與方法

第10章介紹排隊系統、排隊的蒙特卡羅分析，以及單通道、多通道、非指數服務和有限總體模型。第11章討論控制概念：統計製程管制與控制圖、最適策略控制、用 CPM 和 PERT 進行專案控制，以及全面品質管制。

第四部分 第12–14章：可靠性設計；維修性設計；可用性設計（人因工程）

第四部分轉向序言所說的對系統成功運作和使用者滿意最為重要的設計特性。各章大體遵循同一模式：定義、度量、該特性在系統生命週期中的位置、分析方法，以及測試、評價或驗證。第13章增加了可用度和效能度量；第14章增加了人員與培訓要求。

第四部分 第15–17章：後勤與保障性設計；可生產性、可處置性與可持續性設計；經濟可承受性設計（壽命週期費用）

第15章討論後勤與系統保障，包括體系（system-of-systems）環境和保障性分析。第16章介紹可生產性、可處置性和可持續性及其度量，以及壽命週期價值—費用圖。全書最長的第17章介紹壽命週期費用分析：整個生命週期中的費用、通用的費用估算過程、資金流建模和經濟最佳化，以及該方法的應用與益處。

第五部分 第18–19章：系統工程的規劃與組織；專案管理、控制與評價

篇幅較短的管理部分。第18章討論專案規劃、系統工程管理計畫（SEMP）以及系統工程的組織。第19章討論組織目標、外包與供應商選擇、專案領導、評價與反饋，以及風險管理。

第六部分：附錄A–H

帶有示例的功能流程框圖、設計評審與管理評審檢查單、機率論與蒙特卡羅分析、統計表、利息係數表、有限排隊表、按主題編排的參考書目，以及網站清單。

核心概念

第一、二部分：生命週期與設計過程

• 使系統得以形成：從需求識別出發，經過要求、功能分析與分配、設計綜合與評價、確認、使用與保障，直到報廢的整個序列。
• 生命週期工程：從設計伊始就考慮系統的整個壽命，包括保障和退役。
• 功能分析與分配：描述系統必須做什麼，並把這些功能分配給子系統和部件。
• 技術性能度量：用來跟蹤設計是否滿足要求的定量指標。
• 設計評審：在概念、初步和詳細階段進行的正式評審。

第三部分：系統分析

• 決策評價：在多準則以及風險和不確定性條件下比較備選方案。
• 經濟等值：比較發生在不同時間的費用與收益。
• 最佳化與排隊模型：用於設計和運作決策的數學模型。
• 統計製程管制與專案控制：控制圖、CPM 和 PERT。

第四、五部分：面向使用可行性的設計與管理

• 可靠性、維修性與可用度：衡量系統工作得多可靠、恢復得多容易的指標。
• 保障性與後勤：把系統及其保障一起設計。
• 壽命週期費用：估算擁有系統的總費用，以便就經濟可承受性作出設計決策。
• 系統工程管理計畫（SEMP）：組織專案中系統工程工作的計畫。

評析

優點

• 完整的生命週期視角。 全書結構從需求一直追蹤到報廢，第四部分為可靠性、維修性、人因工程、保障性、可生產性、可處置性、可持續性和壽命週期費用各設專章。
• 定量深度。 第三部分和第17章提供了決策分析、工程經濟、最佳化、排隊、控制圖和壽命週期費用模型等數學模型，並附有使用它們所需的機率表、利息表和排隊表。
• 習題豐富。 約450道習題、各章統一的「小結與延伸」，以及按系統工程過程編排的200多條參考文獻，使本書既可用於自學，也便於課程設計。
• 作者經驗豐富。 序言指出，許多例子來自作者數十年的工業和研究經驗，本書也借鑑了作者在運籌學、工程經濟和後勤方面的其他教材。

局限

• 部分內容過時。 本書出版於2010年，其目錄沒有提及基於模型的系統工程或 SysML；所用的建模工具是功能流程框圖和解析模型。有關設計工具的小節需要用當前實踐加以補充。
• 厚重冗長。 近800頁的篇幅和大量數學內容超出一門課的容量；第三部分的分析章節借鑑了作者關於運籌學和工程經濟的其他著作，本身就相當於一門不小的課程。
• 管理部分較簡略。 包括風險管理在內的系統工程管理只在書末佔兩章，主要關心專案管理的讀者需要另找資料。
• 案例是示意性的。 序言說明，書中的案例應用是對現實應用的假設性或抽象化示例，而不是實際專案的有據可查的歷史。

在課程中的定位

在這門系統工程課程中，Blanchard 與 Fabrycky 提供了生命週期與分析的主幹。Kossiakoff 等人的 Systems Engineering Principles and Practice 覆蓋同樣的生命週期，但更強調系統工程師在管理介面、風險和權衡方面的作用；課程可以以其中一本為主教材，另一本提供另一種視角。Jon Holt 的 Systems Engineering Demystified 是以 SysML 基於模型的系統工程為中心的入門書，補充了 Blanchard 與 Fabrycky 目錄中沒有涉及的基於模型的方法。

Buede 與 Miller 的 The Engineering Design of Systems 以基於模型的方式討論需求以及功能和物理架構，Crawley、Cameron 與 Selva 的 System Architecture 是關於早期架構決策的研究所教材；兩者都對 Blanchard 第3章所述的概念設計階段作了更深入的探討。Dym 等人的 Engineering Design: A Project-Based Introduction 是工程設計方法論的入門課程用書，可以在本書之前閱讀。

如何使用本書

出版社把本書定位於高年級大學部學生和研究所學生一、二年級學生，序言也面向一線專業人員。讀者需要機率統計基礎（附錄C複習了要點），以及能應付最佳化一章的微積分；第8章自己講授了書中用到的工程經濟學。

一個學期的實用安排：

• 核心： 第1–6章，即生命週期與設計過程；結合附錄A練習功能分析。
• 按需選擇分析內容： 關於決策的第7章和關於經濟評價的第8章用途廣泛；如果運籌學課程已經講過，第9–11章（最佳化、排隊、控制）可以略過。
• 面向使用可行性的設計： 根據課程重點從第四部分選兩三章，並納入以第8章為基礎的壽命週期費用一章（第17章）。
• 管理： 第18–19章，最好配合一個編寫簡單 SEMP 的團隊專案。

評審專案設計時可使用附錄B的檢查單，並藉助各章末的「小結與延伸」尋找延伸閱讀。為使書中方法與時俱進，可搭配一本關於基於模型的系統工程的資料一起閱讀。