第 1.5 節：系統工程 (第 2 頁)

功能分析

一旦需求被開發到一定程度（參見第 1 頁），下一步就是 功能分析。一般來說，工程分析就是將一個物件、系統、問題或議題分解成其基本要素，以找出其基本特徵以及它們之間的關係，以及與外部要素的關係。分析包括為系統組成要素開發抽象模型或進行計算，以幫助得出完整和最佳化的設計。功能分析是基於系統做什麼的分解，即它執行的功能或一系列操作。這是在考慮如何執行之前。 “如何”是一個設計解決方案，我們不想過早地選擇它。相反，我們希望考慮所有備選方案和最佳化方案，這些方案將在流程的後續步驟中完成。在選擇最佳設計之前，可能存在多個功能分解，每個系統概念至少一個，並且在單個概念中通常有多個備選版本。這些步驟的細節及其相互作用以圖表和模型的形式記錄，然後可以用於計算和評估。

概念識別

儘管我們不想過早地選擇設計解決方案，但我們確實需要為系統如何執行生成備選方案。在系統整體層面，如果沒有系統如何執行的思路，就很難定義需求和度量。概念識別涉及確定系統執行方式的備選方法，併為每種潛在方法合成一個或多個系統概念。系統級概念提供了設計和功能的一般方法，沒有指定引數的確切值或將使用哪些元件。例如，對於阿波羅計劃，可以選擇“直飛月球”或“月球軌道交會”作為任務概念，後者是最終被採用的方案。系統概念可能包括主要變數，例如推進型別（即化學或核能）、使用壽命（一次或多次任務）和供應概念（即封閉或開放式迴圈生命支援）。至少它涵蓋了系統將執行哪些主要任務，以及如何執行和維護。一旦建立了系統概念，分析、最佳化和選擇過程就可以開始，以找到每個競爭概念的最佳版本，然後在概念之間進行比較和選擇，並將其帶到開發的下一階段。

在設計過程的較低級別，當存在多種可能的方法時，會重複此步驟。例如，再入熱防護。燒蝕熱防護罩每次都會燒掉一些材料，因此檢查厚度和定期更換將是必要的操作的一部分。金屬熱防護罩可能不會燒掉，但會因加熱和冷卻迴圈而出現裂紋，需要不同型別的檢查。因此，在列出設計備選方案時，重要的不僅僅是燒蝕與金屬，還有這種選擇如何影響系統中操作的整體流程。

功能圖

功能圖是在分析過程中編制的，以說明系統執行的元件操作及其輸入和輸出。它們是系統以圖形形式執行的模型。它們從最高級別開始，從跨越系統邊界的外部輸入和輸出開始，然後分解成多個詳細級別。它們通常按時間順序逐步進行，但可以是更復雜的網路操作，包括決策點和迴圈（圖 1.5-4）。例如，對於飛機，主要功能將是裝載乘客和貨物、滑行到跑道、起飛、飛行、著陸、滑行到登機口以及解除安裝乘客和貨物。每個主要功能都被進一步細分為更小的步驟，然後分配給系統元素來執行。例如，起落架可以分配多個功能，例如“吸收著陸載荷”和“為滑行提供轉向”。然後，這些成為對該要素進行詳細設計和測試的要求。

圖表中的單個功能將輸入轉換為輸出（圖 1.5-5）。圖表通常將功能顯示為框，將輸入/輸出流顯示為連線框的箭頭，從左到右執行。流可以包含任何型別的專案，包括資訊、物質、能量、勞動力等，或它們的組合。它們可能在圖表上分開和合並，但分開的流必須與未分開流的內容相加。這來自物理概念的守恆定律，即物質和能量不會憑空產生。類似地，系統內的流不會從無中產生或消失，它們必須從外部進入或透過功能任務進行轉換。透過遵循流守恆邏輯，系統的所有輸入和輸出都將被解釋。

控制輸入調節功能的操作。按照慣例，它們顯示為進入功能框的頂部。機制執行功能，但本身不會被轉換，並且顯示為從底部進入。機制的一個例子是衝壓機，它將扁平的鋼坯轉換為成形的衝壓件。坯料和衝壓件分別是輸入和輸出。對於複雜系統，圖表形成一個層次結構，其中給定級別的一個框被擴充套件為一個完整的圖表，在下一級別向下包含多個框。開發圖表級別是一項持續的任務，逐步完成，而不是一次完成。圖表是一種記錄和傳達系統結構和操作的方式。它們允許進行數值計算，例如，注意每個步驟所需的時間以找到總操作時間，或將每個功能所需的員工相加以獲得作業系統所需的總員工人數。功能圖也可以轉換為系統操作的數學模擬，通常使用為此目的而製作的計算機軟體。透過唯一的函式或流參考號，可以在圖表中的專案中附加任何數量的描述或其他資訊。按照慣例，擴充套件的低級別圖表使用與父框相同的編號（即 9.2），並在句點後新增另一個編號（9.2.1、9.2.2 等）。這不是必需的，但它使得追蹤圖表之間的連線更加容易。

需求分配

系統工程過程中的第三個主要步驟是需求分配。為了確保滿足所有頂層需求，它們被分配給一個或多個功能以實施。分配可以是整個需求，也可以透過將其分解成部分然後將部分分配給不同的功能。分配的需求記錄在適用於專案部分的較低級別需求文件或規範中。可追溯性是能夠追蹤較低級別和較高級別需求之間的連結以及它們生成方式的邏輯。在最低級別，需求的一個子集被分配給特定硬體或軟體專案、熟練員工、程式、設施、介面、服務或最終系統的其他要素。對於一個複雜的專案，軟體工具對於需求分配和跟蹤過程非常有用。它們可以幫助管理大量細節，並確保專案中的每個人都擁有最新的資訊。

需求分配不是一次性任務，儘管它更偏向於專案的早期階段。隨著設計和測試的進展，它們可以提供反饋並調整分配的需求。這些更改會傳播到更高級別，透過追溯它們的的影響，您可以確定它們如何影響專案的最高級別目標。更改也會在同一級別產生橫向影響。例如，系統某個部分重量的增加可能需要在其他地方進行減重工作，以不影響最高級別效能。

系統建模

下一步是建立系統模型以及設計方案的替代方案。有各種方法用於對系統元素的設計和配置進行建模。傳統方法包括二維圖（藍圖）和物理比例模型。這些方法可以幫助視覺化系統，但不容易修改、推導引數或執行模擬。趨勢是轉向整合軟體建模，其中軟體工具對系統的多個方面進行建模和模擬，或者在一個工具之間進行通訊。在軟體工具中，系統被表示為資料和數學關係，這使得它更容易改變、最佳化和評估。

輸入/輸出模型

輸入-輸出模型 最初是為了定量理解經濟中的總流量而開發的。它們可以應用於任何系統，而不僅僅是經濟系統，用於確定系統的全部輸入和輸出是否加起來。它可以被視覺化為一個電子表格，其中系統元素作為行，系統外部的專案作為額外的行。輸入和輸出型別位於列中。每個元件都需要輸入，例如電源、資料、燃料等。它也會產生某種輸出。模型的目的是檢視您的系統作為一個整體是否閉合和平衡。換句話說，所有輸入是否與輸出相匹配？是否有由缺失輸入識別的缺失元件？系統中特定元素的大小或數量是否為正確的大小/生產力？整個系統是否會產生期望的輸出，如果是，有多少？這些實際上都是關於會計的問題。這種型別的電子表格不是用貨幣來計算所有東西，而是將每種型別的輸入/輸出/資源/供應作為類別進行單獨的會計處理。請注意，人工是其中一種輸入型別。

模型，例如輸入/輸出模型，可以讓您主動看到任何一個元件（例如新設計）的改變如何影響整個系統。透過對模型電子表格（或其他計算機模型）中的元件函式的流量求和，您可以立即找到系統其餘元件的改變以及整個系統的總計。輸入/輸出模型和功能圖都對同一個系統的各個方面進行建模，如果它能夠足夠詳細地表示系統的全部細節，它們可以合併到單個軟體工具或資料庫中。對於繪製系統元件的變化如何影響整個系統而言，這是可取的。

功能圖在基本級別上被維護為靜態繪圖，輸入/輸出模型可以是實際的電子表格。為圖和模型使用相同的編號系統和結構可以保持它們之間的關係。它們都表示同一個系統，只是不同的方面。

最佳化和折衷研究

最佳化和選擇在工程設計的各個層面都進行。在系統工程過程中，它首先在高級別應用於概念，然後才執行詳細設計。最佳化是在單個概念或元素中改變引數，以找到這些引數的最佳值。折衷研究 對不同的概念進行比較，以選擇最佳方案。不同的引數，如重量、成本和風險，不能直接比較。因此，它們透過有效性指標進行評分（見第 1 頁）。產生最高得分的概念或最佳化引數是“最佳選項”。在設計初期，重量和效能等引數將存在更大的不確定性。找出這些引數的變化會產生多少影響稱為敏感性分析。瞭解這些將指導哪些領域需要努力以減少不確定性。

如果兩個概念之間評估得分差異明顯大於其不確定性，則得分較低的方案可以安全地放棄。如果得分在不確定性範圍內，則應對兩者進行更詳細的處理，直到出現明確的贏家。如果判斷減少不確定性的工作量超過了減少不確定性的價值，則可以選擇任意競爭方案之一。請注意，整個系統的最佳化並不一定意味著每個單獨部分的最佳化，因為各個部分可能以複雜的方式相互作用。完成最佳化和選擇後，將記錄結果並用於更新系統概念和當前設計配置。

綜合和文件

系統工程設計週期的最後一個主要步驟是綜合和文件。在系統工程中，“系統綜合”是指將已完成的分析和研究的結果組裝成一個連貫的設計。複雜系統的設計通常包括多個硬體、軟體、設施等專案。每個單獨的專案被稱為配置項，並且該專案在任何給定時間的設計當前狀態稱為配置。配置管理的任務是記錄當前的設計和分析工作狀態。這是協調涉及許多人的複雜設計工作所必需的。否則，某些工作將基於過時的資料或錯誤的假設。記錄工作中包含的其他文件包括需求、規範、研究報告、模擬程式碼和結果、3D 模型以及在工作過程中建立的任何其他資料和註釋。所有這些都將作為進一步工作的基礎保留下來，如果以後需要更改，或者如果出現問題或問題。設計資料也需要用於以後的專案階段，如生產。

工作分解結構 (WBS)

對系統進行文件記錄的一種常用方法是根據一個稱為工作分解結構的編號系統對所有需求、計劃、圖紙、分析、報告、預算、工作日誌和其他資料進行索引，該系統涵蓋系統生命週期中的所有元素。在現代專案中，實際資料主要以電子方式儲存，但 WBS 幫助組織和查詢特定專案，就像用於組織圖書館的書籍分類系統一樣。

WBS 是一個分層表格或繪圖，顯示了複雜系統的各個部分及其逐級細分為更小的部分，直到達到專業工程師可以進行詳細設計的級別。它為原本混亂的設計工作提供了結構。WBS 作為一種跟蹤方法和索引，以便在專案不同部分工作的人員能夠確認他們討論的是相同的專案。它還作為一種收集和歸檔工程資料的方法，以便在資料積累時分配任務給個人和團隊，並跟蹤進度和成本。WBS 通常源自系統的功能分析。

從理論上講，WBS 可以以您選擇的任何方式構建，但通常結構中的每個劃分級別都有一個共同的基礎。例如

按地球或太空中的位置
按功能型別，例如生產、運營和運輸
按元素型別，例如資料、軟體、硬體、設施和人員。
按最終產品，例如運載火箭或月球基地
按子系統，例如結構、機械或電氣
按時間順序，例如第一階段或第二版升級
按資料型別，例如圖紙、分析或報告

使用 WBS 的基礎取決於專案的需求，但一致的結構，例如所有二級劃分都以最終產品為單位，可以使整體結構更容易理解和使用。專案中所有人員使用相同的結構比結構本身如何劃分更重要。維護結構通常由系統工程專家負責，因為它與他們執行的其他任務相關。結構的每個部分都分配一個數字或標識鍵，通常使用小數點來區分級別，例如 1、2、3、... 代表頂層，然後 1.1、1.2、1.3、... 代表專案 1 下一級的組成部分，以此類推。這不是唯一的方法，但它是一種常用且易於理解的方法。以下部分說明了一些安排給定 WBS 層級的方式。這不是一個詳盡的列表。

按專案型別劃分 WBS

此示例適用於一個自動化工廠，包括執行資料、軟體和硬體、設施以及人員。

1.0 執行資料元件

1.1 設計標準
1.2 手冊和程式

2.0 軟體元件

2.1 設計軟體 - 現有的設計軟體很多。高階製造的具體需求是設計零件，使它們能夠適應給定機器的生產能力，併為單個零件和零件集合提供加工和裝配說明。這可能需要修改或新增現有軟體。
2.2 工單軟體 - 以 CAD 檔案的形式接收傳入的產品設計，將其與工廠能力和庫存進行比較，並生成每個機器的工單列表，包括要訂購的零件和材料等。然後在各個元件之間安排工單。
2.3 機器驅動軟體 - 每種型別的自動化機器都需要特定的驅動軟體來控制其執行方式，並收集資料以跟蹤進度和其他目的。

3.0 硬體元件

3.1 儲存 - 材料、零件和元件在沒有積極工作時需要儲存。
3.2 物料搬運 - 將物品從一個地點運送到另一個地點。
3.3 生產機器 - 將原材料加工成庫存或成品零件，可能使用多臺機器執行不同的步驟。
3.4 裝配機器 - 將一組零件組裝成成品。這通常需要一個或多個機器人。
3.5 檢測和觀測硬體 - 用於測試物品和監督操作。

4.0 設施元件 - 這包括對周圍環境的改造，使用建築物控制工廠環境，以及供應公用事業，但不具體生產任何物品。

5.0 人員元件 - 人類不是要設計的元件，而是要為所需技能進行篩選和培訓，然後根據需要提供相應數量的人員。

按子系統型別劃分 WBS

此示例是航天硬體的典型子系統集，也與設計專業領域相一致。

結構

機械

電力和電子

推進

熱力

資料

通訊

感測器

顯示和控制

內部環境

外部環境

人員支援

維護和修理