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1. 系统工程的内涵
“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”都具有普遍意义的科学方法。系统工程被认为最具应用价值的系统研究的一个分支，便是二战时期及战后以系统论、控制论、信息论、运筹学为基础，在重大国防与航天项目驱动下迅速崛起的系统工程。系统工程技术逐步由军事转向民用、由技术层面扩大至管理层面。随着信息技术的飞速发展，系统工程已经独立门户，而且至今“财势两旺”。
系统工程是技术开发和管理的方法，系统开发涉及多专业综合、跨学科协调，要考虑到生命周期所有活动的平衡。系统理论强调所有系统组份及其相互作用对系统功能的作用。系统工程方法对工程专业综合的要求保证科学合理地集成各种必需的专业技术，除了光、机、热、电等基本专业以外，还必须特别重视那些对最终整体性能涌现具有至关重要作用的工程专业，诸如可靠性、安全性、可维护性、可生产性、人体工程、电磁兼容性、后勤保障等。
系统工程过程是系统工程的核心，是一个自顶层开始，依次应用于开发的全过程，反复应用的规范化问题解决过程。系统工程过程如图1所示。
图1 系统工程过程
（1）要求分析
分析输入的使用要求和限制条件，这些要求必须是全面完整的，表达准确和没有歧义的。
（2）功能分析
把要求分析得到的高层次功能分解成为低层次功能，高层性能指标也要分配到低层次功能上。
（3）设计综合
设计综合是使用物理的硬件、软件、人员、设施、服务等资源实现系统的各种功能，从而定义系统、分系统或部件的过程。
（4）验证评价
每一应用所得设计结论都要与输入的要求验证，常用的验证方法有测试、演示、分析和试验。研制过程中的研制试验和使用试验与评价是重要的系统验证手段。
2. NASA系统工程的经验教训
NASA和美国国防部在航天系统工程中有很多成功的先例。然而，他们却一再为了克服重力而提高技术极限，在恶劣环境下生存以达到预定目标。在这个过程中，他们必须承担相应的风险，而在承担风险的同时，自然也会出现问题和事故。
以见解、集成及个体作为三个坐标轴，将各经验教训分别放到不同轴上，得到准则和经验教训三元图如图2所示。其中，见解包含了准则、问题的实质、批判性思考、创新能力及发现；集成中包含系统及分系统，及其不确定性、敏感性和各自的平衡；而个体这条轴上包含了领导能力、人们的技能、交流等。这里只有代表性的东西才被包含在内。见解是我们通过教训得到的基本准则和所发现的事物。个体包含了个体的技能和组织特征。集成覆盖了各种复杂的交互作用，这些都发生在繁杂的空间系统和让全部系统成功运作的过程中。
图2 准则和经验教训概念三元图
准则一：系统的成功取决于人们的创造力、判断力、决策能力
教训1：人是工程成功的主要资源
工程人员的判断力、创造力是确保工程质量的关键。所有其他资源都是对人类智慧的支撑和辅助。一些定理、规则，虽然具有指导性，而且也是必须要有的，但它们不能取代人的判断力和创造力，人才是获取成功的王牌和法宝。航天系统所面临的复杂技术和管理问题的解决依赖于人类的判断力、创造力和创新力。需要对团队成员所表现出来的各种创新形式进行奖励，同时要寻找出一种途径消除可能抑制人们创造力的消极因素。
经验1：奖励判断力和创新力，教条、规则和经验秘诀会扼杀一些关键的判断思考。
教训2：人的技能是取得产品成功的必要条件
虽然工程技能是基本的，但人的技能是获取成功产品的必备条件。人的技能可以提供一种途径，实现个人与组织的成长。选择一位具有决策力的强力领导者，使团队形成一个整体；组织是完成工作项目的工具，它必须提供领导力和激励；鼓励工程人员，提高他们的相互协作能力和技术能力；培养系统关键技术专家，具备对总体系统形成一个全局视野的能力；提供一个开放性环境，鼓励创新和交流。
经验2：培养互动技能；平衡员工角色、需求和交流。
准则二：航天系统是具有挑战性的高性能系统
教训3：高性能需求是导致高能密度和高度敏感性
为了能把有效载荷送入到特定轨道，需要高性能的火箭。为达此目的必须克服地球引力，且获得足够的速度来进入到一个稳定轨道。工程研制中必须设计出高能密度系统、高效推进系统和结构系统，同时要高效的管理所有的损失。这必须在成本和包括可操作性等在内的项目需求之间进行平衡，这就导致了高风险系统。任务的成功是最重要的，这一点对于载人飞行更为突出，这意味着要采取有效方式来管理和降低风险。当风险和成本关联时，如何平衡系统就会变得非常困难和复杂。对系统性能的要求越高，系统对于设计和性能参数不确定性的敏感度就越高。
经验3：深入掌握和理解；精确地寻求系统的平衡点。
准则三：任何事情都是一个系统
教训4:系统工程和技术集成式项目成功的关键
系统工程和技术集成关心的是分析、测试和试验的有效性。软件和硬件集成、接口协调、相互作用、试验验证等，都是产品成功所必需的。在设计中所遇到的问题大多是由故障系统设计或技术集成中的一个缺陷所导致的。即问题往往并非是未发现或缺乏理论，而是忽视了基本原理。有专家认为：系统工程是95%的沟通和5%的设计。但必须持续提高专业技能，否则就没有进行交流或整合的基础。
技术集成对设计过程是至关重要的；沟通是关键，是技术集成的重要部分；对于集成来说，理解交互之间的物理含义是关键。
经验4：技术集成是航天系统成功的关键，对敏感性和不确定性的认知活动是航天系统设计与开展的基本活动。
教训5：风险管理
风险管理是一个识别、分析、规划、跟踪和控制风险的过程。成功的关键之一是评估、理解和管理系统的各种风险。这些风险既有技术层面也有计划层面的，技术风险影响计划风险。风险评估和缓解是主要的设计行为，必须对项目寿命周期的所有阶段进行评估。风险的组成及相互关系如图3所示。
图3 风险组成及相互关系
经验5：风险评估和控制必须连续不断地在整个项目生命周期中开展。
教训6：所有的设计过程都充满矛盾，是一项平衡的艺术
所有的设计过程都充满着矛盾，需要平衡的艺术。因为相互矛盾的需求，为了得到你想要的一些东西，你必须接受一些你不想要的。平衡行为需要开发的沟通和关键的决策判断。好的飞行器设计在收益、成本、风险和鲁棒性之间取得最佳平衡。在如下这些约束中，必须加以平衡：在设计和专业学科中；在项目需求、设计、制造、操作计划中；设计过程中没有得到解决的问题，就必须用操作约束来限制何补偿；在成本、进度、性能以及与之相关的风险中。
经验6：在子系统、设计功能、专业学科、成本/性能/各种属性等方面都需要平衡。
准则四：系统遵循着物理规律
教训7：问题的物理本质为最高主宰
问题的物理本质主宰一切，要么你屈服她，要么你将失败。为了尽可能理解产品的基本物理特性，必须拓展增强关键认知的方法。理解物理本质是至关重要的；设计中采用不切实际的假设必导致项目失败；在使用之前，技术必须经充分验证。通过飞行试验来进行技术验证，风险和成本大大增加；对于风险识别与风险控制，独立分析是一个很好的途径；项目的成功，取决于技术特性品质。
经验7：航天系统遵循物理学定律，不能希望它不存在，分析不能离开它，不能忽视它。
教训8：工程是一个逻辑思维过程
工程是一个逻辑思维过程，而不是计算机代码组合。学会思考，用计算机提高你的思维过程。工程是基于物理学定律和原理的，工程和工程设计是一个逻辑过程，考虑了各种可用选项的约束之内的适用原则。基本的技能要求是按照合乎逻辑的原则进行思考的能力。计算机、测试、分析是工具，为人的思考辅以必要信息，继而完成设计。
经验8：工程是一个逻辑思维过程，而不是盲目地应用流程、规范、代码；批判性的思考；理解；解释。
准则五：鲁棒设计基于对系统敏感度、不确定度和裕度的理解
教训9：鲁棒性（稳健性）
设计的目标是为了在考虑所有需求和约束等因素的条件下，达成最佳平衡的设计。与此同时，设计需要稳健，鲁棒性可以定义为：一个稳健的设计是系统响应本质上对波动不敏感；一个稳健的设计是系统响应可以对波动敏感，但是处于完全可控。实现鲁棒性的策略：合理设计系统的简易性、部件数目、连接件及接口等；解决问题时不要将复杂因素叠加，而是将复杂问题与简单问题统一分析。
经验9：让系统对波动不敏感或响应可控；设计中强调简化。
准则六：项目的成功取决于整个寿命周期考虑
教训10：设计概念选择和设计过程
正确的概念选择很关键，再好的细节设计都不可能弥补一个存在缺陷的概念设计。在工程前期就需要投入大量的精力。在概念发展和选择中必须保证对每一个选项进行充分的剖析，对概念和需求进行相关的提炼。在选择概念前使选项保持足够的准确；避免采用过多不成熟技术的概念。在系统的整个寿命周期中，概念选择非常重要，需要在设计初期就保持正确。取消不切实际的或是目光短浅的需求是每一位工程师的职责。在这些问题被清晰地描绘后，就有工程工作在剩余限制下达到最佳系统。
经验10：挑战需求和限制；要足够精确地比较和分析各个选项。
教训11：成本和属性的协调设计
航天系统的成功与否不只是通过诸如运载能力等物理性能参数来评判，还需要考虑其可靠性、维修性以及成本等其它属性。一个成功的系统必须是从设计的一开始就结合物理性能参数考虑这些因素。为此，设计者必须给出其可得的设计参数与它们对航天系统未来实现的属性和成本之间的函数关系。要想取得成功，必须把属性和成本考虑在设计方案中；挑战需求和制约；贯彻实事求是的竞争理念；选择正确的概念。
经验11：为了把属性和成本“设计为”性能而努力。
准则七：试验和验证在产品研发中至关重要
教训12：试验数据可以告诉你答案
真实的系统是硬件和软件，不是分析模型或我们想象中的系统模型。我们必须求助于实际的硬件和软件以找到对系统实际表现的答案。产品检测和测试及飞行中获得的数据是了解实际系统的关键。通常事物的表象下蕴含了更多的信息。输入挖掘数据，并解读信息。如果数据不符合预期，人们第一反应常常是假设数据有误。抑制住这种想法——数据通常是有效的，并且包含着关于真实系统的信息。要寻找潜藏的信息，不要为你看到的情况找辩解而轻易放过它。
经验12：没有其他方法可以代替从实际产品中获得的经验；近距离观察它所告诉你的信息。
教训13：现在试验或稍后试验
试验是设计过程中的关键要素，研制试验和验证试验是设计的核心。试验应采取一个模块化搭建的方法，即缩比和全尺寸、组件和系统。需要开展不同类型的试验，如研制试验（Development）、鉴定试验（Qualification）、验证试验（Certification）和验收试验（Acceptance）。试验是所有高性能系统必须进行的环节，要么现在试验，要么稍后试验。如果尚未进行充分的试验，那么在产品运行的最初阶段首先就是一次试验。试验无法完全覆盖产品实际工作综合环境，对于大多数系统而言，其最初几次使用都属于研制试验阶段。
经验13：试验需要飞行的产品，飞行试验过的产品。
教训14：独立分析、试验和设计是成功的关键
复杂系统需要独立分析、试验和设计。航天系统作为复杂系统，没有任何人的分析和试验能够提供所有的答案；人们的创造力是解决问题的根本途径，我们需要假设和评估不同的解决办法；我们必须对其他观点持开放态度（集思广益）。在设计过程中，设计者必须直面所有的观点和所有参与者的疑问。这是众人联合力量去解决难题的过程（集智攻关）。
经验14：历史告诉我们，在关键领域需要开展独立并行分析、试验和设计工作；同样也需要分析人员和设计人员的创造力和创新力。
教训15：所有的分析和试验都是有局限性的
所有的分析和试验都是有局限性的。他们都是在一系列的假设基础之上进行的。不要在假设条件之外进行外插和延伸。分析是有局限性的：边界条件和初始条件，物理参数，模型，数值算法等；分析工作应先于试验之前开展。试验也是有局限性的：相似准则参数，边界条件，试验模型，数据处理等；基准分析和试验需要用来外推至飞行条件下；确定相对于关键变量的敏感性；分析和试验结果应与识别出的不确定度结合。
经验15：要注意了解分析模型或试验中所做的假设和约束条件，不要生搬硬套。
准则八：必须鼓励勇于预想和揭示问题的行为
教训16：批判性思考
有少数意见是必须的，帮助我们拓展视野：我们所获得的所有答案都是不完备的，都是基于我们所选择的假设条件；为了得到一个更加完备的结果，需要不同的假设条件和方法；航天系统是非常复杂，且高度耦合，相互作用，为了确保成功，我们必须尽其所能的去提高我们的洞察力；应用批判的思想，避免异常正常化；识别和谨慎对待模型/试验假设和数据趋势上的偏离。
经验16：我们必须倾听所有技术上、管理上的意见。
教训17：改变无小事
所有的改变都是发生在系统内，因此会对整个系统产生影响。
经验17：不要做没必要的变化，如果必须改变，需要谨慎，要了解系统的相互作用关系，在参加飞行之前，要验证有变化的系统。
教训18：预期会遇到那些没有预料的事情
模糊性在航天系统一直存在的，由于系统的复杂性，很多事情基本上都是不可预测的，也有很多意外的事情发生，必须关注意外事件的迹象和特征。
猎鹰9号运载火箭爆炸
经验18：持之以恒地处理模糊性和意料之外的事，始终如一关注寻找模糊和意外事情。
准则九：领导是基础
教训19：心怀全局诚实正直长远规划超越自己
决策的全局性对于领导而言很重要，它本身也含有诸多的方面或者维度。其中很关键的一个就是在所涉及问题里，你的言和行的一致性。
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