航空航天工业中的系统工程“，

作者:

克莱尔·米勒(Claire Miller)正在攻读航空航天工程学位，目前正在为她的论文与MATLAB进行斗争。零食是受欢迎的。

系统工程是工程行业中任何项目的关键部分;无论是制造一个简单的部件，还是设计一种复杂的产品，如汽车或飞机。美国国家航空航天局和英国宇航系统公司等成熟的组织强调系统工程的重要性，以满足需求和成功的任务和项目。但究竟什么是系统工程，它在航空航天工业中扮演什么角色?

为了回答这个问题，请考虑什么是系统。根据MIL-HBK-338B电子可靠性设计手册，系统为:

“能够执行或支持一项行动任务，或两者兼有的设备、技能和技术的组合。(国防部，1998年)

一个系统并不一定要像车辆或计算机那样复杂，它可以是更大更复杂系统的一部分。它甚至不需要是人造的;太阳系是一个系统的自然例子，而汽车上的刹车是一个系统，作为一个更大的系统的一部分。系统是一组组件的集合，它们一起工作，处理输入以产生输出。

系统可以被拆分为许多更小的系统和子系统，它们专门用于不同的领域，以确保整个系统符合其需求和规范。可以制定这些系统的层次结构，将主要系统的需求分成更小、更易于管理的组件，这些组件可以分布在这些专门的子系统中。

为了确保所有组件在整个系统中一起工作，子系统之间需要大量的通信和集成。这就是系统工程的用武之地。国际系统工程理事会(INCOSE)将系统工程描述为:

“一种跨学科的方法和手段，使成功的系统得以实现。它着重于在开发周期的早期定义客户需求和所需的功能，记录需求，然后在考虑完整问题的同时进行设计综合和系统验证。”(INCOSE)

系统工程是“整体的和综合的”，并在不同子系统之间的通信中架起桥梁，“以产生一个连贯的整体”(NASA, 2009)。子系统是专门的，专注于主要系统的一个领域，而系统工程则是更一般化的，采用更以目标为中心的方法，着眼于更大的图景，以确保子系统有效地聚集在一起，在截止日期和预算内产生最终的主要系统。

航空航天系统工程

汽车和航空航天等行业的组织发现，系统工程在确定替代解决方案、防止任何不可预见的问题、并确保客户对成品质量满意方面特别有用。此外，INCOSE指出“有效使用系统工程可以节省超过20%的项目预算”(INCOSE, 2009)。现在，系统工程软件允许公司通过虚拟模拟来测试概念模型，以满足客户的要求，并产生文件化的安全证据，供民用航空局(CAA)等认证机构进行评估(3dsCATIA, 2011)。这有助于减少从测试原型、修改和可能的报废过程中的材料浪费，并使从概念到产品的过程更快、更有效。

系统工程师的目标是帮助客户正确地理解手头的问题，并准备问题的解决方案供客户选择。然后，系统工程师可以领导和指导项目团队的不同部门实现这个解决方案的目标，从期望的输出开始，确定所需的输入，然后不断地回顾客户需求，以确保最终的系统符合其规范。为此，系统工程师需要具备许多不同的技能和特征，包括:

广泛的技术能力:系统工程师需要对大多数(如果不是全部的话)不同子系统有基本的理解，并渴望对这些领域有更多的了解;
对过程和达到最终目标需要满足的总体目标的价值的评价，以及向子系统团队处理这些目标的能力;
一个自信的领导，但也是一个坚强和自信的团队成员。来自NASA总部的哈罗德·贝尔认为“一个伟大的系统工程师完全理解并运用领导艺术，有从他或她的团队中努力获得领导徽章的经验和疤痕组织”(NASA, 2009);
解决问题和批判性思维能力;
出色的沟通和积极的倾听技巧，以及建立全系统连接的能力;
采取以目标为中心的方法的能力，而不是技术或时间洞察力:系统工程师查看输出，以确定项目所需的输入，需要能够看到更大的图景，在需要时只关注较小的细节;
适应变化和不确定性:根据NASA，系统工程师需要理解和鼓励团队中的不确定性量化，以便设计一个容纳这些不确定性的系统(NASA, 2009);
创造力和工程本能，以找到解决问题的最佳方法，同时认识到风险和影响;
适当的偏执狂:期待最好的，但考虑和计划最坏的情况作为预防措施。

系统工程师的一些行为特征可以概括为一个属性:系统思维。1956年，麻省理工学院教授杰伊·福里斯特(Jay Forrester)首次提出了系统思维，他认识到需要更好的方法来测试关于社会系统的新想法，就像测试工程中的想法一样(Aronson)。系统思维是一套使人们能够理解和管理社会制度并加以改进的普遍原则。

系统思维方法与传统形式分析有本质区别。一方面，传统分析侧重于简化——将主要系统的部分(也称为holons)简化为不断减少的组件(Kasser & Mackley, 2008)。相比之下，系统思维着眼于更大的图景，以及系统或部分如何与其他holons相互作用，并识别holons之间的循环和关系。这通常会产生与使用传统分析方法产生的显著不同的结论，但它也可以帮助确定holons的紧急行为和意外结果的可能性——期待意外的结果。通过采取这些步骤，我们可以更容易地找到针对复杂和反复出现的问题的新的和更有效的解决方案，同时也可以改善组织内部的协调。

在工业中，系统工程师需要与许多不同的涉众一起工作，每个涉众对所需产品的设计和开发都有自己的观点。例如，如果一个航空组织要研究一种新型民用飞机的概念发展，那么涉及的利益攸关方将非常广泛，包括材料和服务供应商、乘客和机组人员、认证机构，以及直接参与项目的工程团队。图2显示了民航系统中的典型涉众，将他们划分为四个主要系统接口:社会经济、监管、工程和人力。通过识别这些接口，系统工程师能够计划何时需要与特定系统进行交互，并简化开发和操作，记录整个过程。

图2 -民航系统中的典型利益相关者。(Moir & Seabridge, 2013)

在同一接口中，每个涉众都与其他涉众相互依赖。例如，在申请型号证书时，必须生产一些原型机进行不同的测试，并必须制定一个维护方案，以支持设计获得批准后的持续适航。该测试连同原型机的测试结果一起提交给监管机构，监管机构如果对原型机的安全、健康和环境方面感到满意，则批准原型机，适航当局授予型号证书(MAWA, 2014年)。为了使飞机保持型号证书和适航证书，必须遵守进一步的规定，否则将被视为不安全飞行。因此，系统工程师必须了解飞机在整个生命周期中必须遵守的规则，并计划方法使其保持在适航标准。

一旦概念成为产品，系统工程师的工作就不会结束。然后，他们必须与维护团队合作，以确保产品的安全，并能够使用，直到它退出服务。图3从民航局(CAA)的角度展示了飞机的生命周期，以及航空系统工程师和产品经理在整个生命周期内必须与民航局合作的方式。

把一切都包起来

系统工程是航天工业成功的“关键核心能力”。它首先是关于管理复杂性以获得正确的设计，然后维护和增强其技术完整性(NASA, 2009)。根据NASA局长Michael D. Griffin在他2007年的演讲中所说，系统工程与工程的“两种文化”在美国，系统工程帮助提供所有子系统的平衡，并将其组合成一个系统，该系统将经过初步设计阶段，从而完成明确设计的客户需求(Griffin, 2007)。

通过研究一架民用飞机的概念开发，并考虑飞机生命周期中涉及的不同利益相关者和系统接口，无论是直接还是间接，很明显，系统工程师在工程系统之外有大量的责任和视角需要管理，即使在初步设计阶段已经完成之后，这些责任和视角仍然需要继续处理和管理。通过确保他们完全理解最终产品的最终目标的范围，并了解它对不同涉众的影响，系统工程师能够确定在截止日期和预算范围内达到这些目标所需的投入。

尽管系统工程可能根据行业和组织的偏好采取不同的形式，但所使用的基本方法是一致的，目标是相同的:找到满足需求的最佳设计。在任何工程项目中，都会有许多专门的子系统需要组合在一起，以确保项目的最终结果最大限度地满足其规范。