第 1.5 节：系统工程 (第 2 页)

功能分析

一旦需求被开发到一定程度（参见第 1 页），下一步就是 功能分析。一般来说，工程分析就是将一个对象、系统、问题或议题分解成其基本要素，以找出其基本特征以及它们之间的关系，以及与外部要素的关系。分析包括为系统组成要素开发抽象模型或进行计算，以帮助得出完整和优化的设计。功能分析是基于系统做什么的分解，即它执行的功能或一系列操作。这是在考虑如何执行之前。 “如何”是一个设计解决方案，我们不想过早地选择它。相反，我们希望考虑所有备选方案和优化方案，这些方案将在流程的后续步骤中完成。在选择最佳设计之前，可能存在多个功能分解，每个系统概念至少一个，并且在单个概念中通常有多个备选版本。这些步骤的细节及其相互作用以图表和模型的形式记录，然后可以用于计算和评估。

概念识别

尽管我们不想过早地选择设计解决方案，但我们确实需要为系统如何运行生成备选方案。在系统整体层面，如果没有系统如何运行的思路，就很难定义需求和度量。概念识别涉及确定系统运行方式的备选方法，并为每种潜在方法合成一个或多个系统概念。系统级概念提供了设计和功能的一般方法，没有指定参数的确切值或将使用哪些组件。例如，对于阿波罗计划，可以选择“直飞月球”或“月球轨道交会”作为任务概念，后者是最终被采用的方案。系统概念可能包括主要变量，例如推进类型（即化学或核能）、使用寿命（一次或多次任务）和供应概念（即封闭或开放式循环生命支持）。至少它涵盖了系统将执行哪些主要任务，以及如何运行和维护。一旦建立了系统概念，分析、优化和选择过程就可以开始，以找到每个竞争概念的最佳版本，然后在概念之间进行比较和选择，并将其带到开发的下一阶段。

在设计过程的较低级别，当存在多种可能的方法时，会重复此步骤。例如，再入热防护。烧蚀热防护罩每次都会烧掉一些材料，因此检查厚度和定期更换将是必要的操作的一部分。金属热防护罩可能不会烧掉，但会因加热和冷却循环而出现裂纹，需要不同类型的检查。因此，在列出设计备选方案时，重要的不仅仅是烧蚀与金属，还有这种选择如何影响系统中操作的整体流程。

功能图

功能图是在分析过程中编制的，以说明系统执行的组件操作及其输入和输出。它们是系统以图形形式运行的模型。它们从最高级别开始，从跨越系统边界的外部输入和输出开始，然后分解成多个详细级别。它们通常按时间顺序逐步进行，但可以是更复杂的网络操作，包括决策点和循环（图 1.5-4）。例如，对于飞机，主要功能将是装载乘客和货物、滑行到跑道、起飞、飞行、着陆、滑行到登机口以及卸载乘客和货物。每个主要功能都被进一步细分为更小的步骤，然后分配给系统元素来执行。例如，起落架可以分配多个功能，例如“吸收着陆载荷”和“为滑行提供转向”。然后，这些成为对该要素进行详细设计和测试的要求。

图表中的单个功能将输入转换为输出（图 1.5-5）。图表通常将功能显示为框，将输入/输出流显示为连接框的箭头，从左到右运行。流可以包含任何类型的项目，包括信息、物质、能量、劳动力等，或它们的组合。它们可能在图表上分开和合并，但分开的流必须与未分开流的内容相加。这来自物理概念的守恒定律，即物质和能量不会凭空产生。类似地，系统内的流不会从无中产生或消失，它们必须从外部进入或通过功能任务进行转换。通过遵循流守恒逻辑，系统的所有输入和输出都将被解释。

控制输入调节功能的操作。按照惯例，它们显示为进入功能框的顶部。机制执行功能，但本身不会被转换，并且显示为从底部进入。机制的一个例子是冲压机，它将扁平的钢坯转换为成形的冲压件。坯料和冲压件分别是输入和输出。对于复杂系统，图表形成一个层次结构，其中给定级别的一个框被扩展为一个完整的图表，在下一级别向下包含多个框。开发图表级别是一项持续的任务，逐步完成，而不是一次完成。图表是一种记录和传达系统结构和操作的方式。它们允许进行数值计算，例如，注意每个步骤所需的时间以找到总操作时间，或将每个功能所需的员工相加以获得操作系统所需的总员工人数。功能图也可以转换为系统操作的数学模拟，通常使用为此目的而制作的计算机软件。通过唯一的函数或流参考号，可以在图表中的项目中附加任何数量的描述或其他信息。按照惯例，扩展的低级别图表使用与父框相同的编号（即 9.2），并在句点后添加另一个编号（9.2.1、9.2.2 等）。这不是必需的，但它使得追踪图表之间的连接更加容易。

需求分配

系统工程过程中的第三个主要步骤是需求分配。为了确保满足所有顶层需求，它们被分配给一个或多个功能以实施。分配可以是整个需求，也可以通过将其分解成部分然后将部分分配给不同的功能。分配的需求记录在适用于项目部分的较低级别需求文档或规范中。可追溯性是能够追踪较低级别和较高级别需求之间的链接以及它们生成方式的逻辑。在最低级别，需求的一个子集被分配给特定硬件或软件项目、熟练员工、程序、设施、接口、服务或最终系统的其他要素。对于一个复杂的项目，软件工具对于需求分配和跟踪过程非常有用。它们可以帮助管理大量细节，并确保项目中的每个人都拥有最新的信息。

需求分配不是一次性任务，尽管它更偏向于项目的早期阶段。随着设计和测试的进展，它们可以提供反馈并调整分配的需求。这些更改会传播到更高级别，通过追溯它们的的影响，您可以确定它们如何影响项目的最高级别目标。更改也会在同一级别产生横向影响。例如，系统某个部分重量的增加可能需要在其他地方进行减重工作，以不影响最高级别性能。

系统建模

下一步是建立系统模型以及设计方案的替代方案。有各种方法用于对系统元素的设计和配置进行建模。传统方法包括二维图（蓝图）和物理比例模型。这些方法可以帮助可视化系统，但不容易修改、推导参数或执行模拟。趋势是转向集成软件建模，其中软件工具对系统的多个方面进行建模和模拟，或者在一个工具之间进行通信。在软件工具中，系统被表示为数据和数学关系，这使得它更容易改变、优化和评估。

输入/输出模型

输入-输出模型 最初是为了定量理解经济中的总流量而开发的。它们可以应用于任何系统，而不仅仅是经济系统，用于确定系统的全部输入和输出是否加起来。它可以被可视化为一个电子表格，其中系统元素作为行，系统外部的项目作为额外的行。输入和输出类型位于列中。每个组件都需要输入，例如电源、数据、燃料等。它也会产生某种输出。模型的目的是查看您的系统作为一个整体是否闭合和平衡。换句话说，所有输入是否与输出相匹配？是否有由缺失输入识别的缺失组件？系统中特定元素的大小或数量是否为正确的大小/生产力？整个系统是否会产生期望的输出，如果是，有多少？这些实际上都是关于会计的问题。这种类型的电子表格不是用货币来计算所有东西，而是将每种类型的输入/输出/资源/供应作为类别进行单独的会计处理。请注意，人工是其中一种输入类型。

模型，例如输入/输出模型，可以让您主动看到任何一个组件（例如新设计）的改变如何影响整个系统。通过对模型电子表格（或其他计算机模型）中的组件函数的流量求和，您可以立即找到系统其余组件的改变以及整个系统的总计。输入/输出模型和功能图都对同一个系统的各个方面进行建模，如果它能够足够详细地表示系统的全部细节，它们可以合并到单个软件工具或数据库中。对于绘制系统组件的变化如何影响整个系统而言，这是可取的。

功能图在基本级别上被维护为静态绘图，输入/输出模型可以是实际的电子表格。为图和模型使用相同的编号系统和结构可以保持它们之间的关系。它们都表示同一个系统，只是不同的方面。

优化和折衷研究

优化和选择在工程设计的各个层面都进行。在系统工程过程中，它首先在高级别应用于概念，然后才执行详细设计。优化是在单个概念或元素中改变参数，以找到这些参数的最佳值。折衷研究 对不同的概念进行比较，以选择最佳方案。不同的参数，如重量、成本和风险，不能直接比较。因此，它们通过有效性指标进行评分（见第 1 页）。产生最高得分的概念或优化参数是“最佳选项”。在设计初期，重量和性能等参数将存在更大的不确定性。找出这些参数的变化会产生多少影响称为敏感性分析。了解这些将指导哪些领域需要努力以减少不确定性。

如果两个概念之间评估得分差异明显大于其不确定性，则得分较低的方案可以安全地放弃。如果得分在不确定性范围内，则应对两者进行更详细的处理，直到出现明确的赢家。如果判断减少不确定性的工作量超过了减少不确定性的价值，则可以选择任意竞争方案之一。请注意，整个系统的优化并不一定意味着每个单独部分的优化，因为各个部分可能以复杂的方式相互作用。完成优化和选择后，将记录结果并用于更新系统概念和当前设计配置。

综合和文档

系统工程设计周期的最后一个主要步骤是综合和文档。在系统工程中，“系统综合”是指将已完成的分析和研究的结果组装成一个连贯的设计。复杂系统的设计通常包括多个硬件、软件、设施等项目。每个单独的项目被称为配置项，并且该项目在任何给定时间的设计当前状态称为配置。配置管理的任务是记录当前的设计和分析工作状态。这是协调涉及许多人的复杂设计工作所必需的。否则，某些工作将基于过时的数据或错误的假设。记录工作中包含的其他文档包括需求、规范、研究报告、模拟代码和结果、3D 模型以及在工作过程中创建的任何其他数据和注释。所有这些都将作为进一步工作的基础保留下来，如果以后需要更改，或者如果出现问题或问题。设计数据也需要用于以后的项目阶段，如生产。

工作分解结构 (WBS)

对系统进行文档记录的一种常用方法是根据一个称为工作分解结构的编号系统对所有需求、计划、图纸、分析、报告、预算、工作日志和其他数据进行索引，该系统涵盖系统生命周期中的所有元素。在现代项目中，实际数据主要以电子方式存储，但 WBS 帮助组织和查找特定项目，就像用于组织图书馆的书籍分类系统一样。

WBS 是一个分层表格或绘图，显示了复杂系统的各个部分及其逐级细分为更小的部分，直到达到专业工程师可以进行详细设计的级别。它为原本混乱的设计工作提供了结构。WBS 作为一种跟踪方法和索引，以便在项目不同部分工作的人员能够确认他们讨论的是相同的项目。它还作为一种收集和归档工程数据的方法，以便在数据积累时分配任务给个人和团队，并跟踪进度和成本。WBS 通常源自系统的功能分析。

从理论上讲，WBS 可以以您选择的任何方式构建，但通常结构中的每个划分级别都有一个共同的基础。例如

按地球或太空中的位置
按功能类型，例如生产、运营和运输
按元素类型，例如数据、软件、硬件、设施和人员。
按最终产品，例如运载火箭或月球基地
按子系统，例如结构、机械或电气
按时间顺序，例如第一阶段或第二版升级
按数据类型，例如图纸、分析或报告

使用 WBS 的基础取决于项目的需求，但一致的结构，例如所有二级划分都以最终产品为单位，可以使整体结构更容易理解和使用。项目中所有人员使用相同的结构比结构本身如何划分更重要。维护结构通常由系统工程专家负责，因为它与他们执行的其他任务相关。结构的每个部分都分配一个数字或标识键，通常使用小数点来区分级别，例如 1、2、3、... 代表顶层，然后 1.1、1.2、1.3、... 代表项目 1 下一级的组成部分，以此类推。这不是唯一的方法，但它是一种常用且易于理解的方法。以下部分说明了一些安排给定 WBS 层级的方式。这不是一个详尽的列表。

按项目类型划分 WBS

此示例适用于一个自动化工厂，包括运行数据、软件和硬件、设施以及人员。

1.0 运行数据组件

1.1 设计标准
1.2 手册和程序

2.0 软件组件

2.1 设计软件 - 现有的设计软件很多。高级制造的具体需求是设计零件，使它们能够适应给定机器的生产能力，并为单个零件和零件集合提供加工和装配说明。这可能需要修改或添加现有软件。
2.2 工单软件 - 以 CAD 文件的形式接收传入的产品设计，将其与工厂能力和库存进行比较，并生成每个机器的工单列表，包括要订购的零件和材料等。然后在各个组件之间安排工单。
2.3 机器驱动软件 - 每种类型的自动化机器都需要特定的驱动软件来控制其运行方式，并收集数据以跟踪进度和其他目的。

3.0 硬件组件

3.1 存储 - 材料、零件和组件在没有积极工作时需要存储。
3.2 物料搬运 - 将物品从一个地点运送到另一个地点。
3.3 生产机器 - 将原材料加工成库存或成品零件，可能使用多台机器执行不同的步骤。
3.4 装配机器 - 将一组零件组装成成品。这通常需要一个或多个机器人。
3.5 检测和观测硬件 - 用于测试物品和监督操作。

4.0 设施组件 - 这包括对周围环境的改造，使用建筑物控制工厂环境，以及供应公用事业，但不具体生产任何物品。

5.0 人员组件 - 人类不是要设计的组件，而是要为所需技能进行筛选和培训，然后根据需要提供相应数量的人员。

按子系统类型划分 WBS

此示例是航天硬件的典型子系统集，也与设计专业领域相一致。

结构

机械

电力和电子

推进

热力

数据

通信

传感器

显示和控制

内部环境

外部环境

人员支持

维护和修理