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生于历史 惠及当下 启迪未来 以系统工程思想点亮体系工程之路

来源:光明网2020-09-27 14:04

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  “春种一粒粟,秋收万颗子”。上世纪90年代,系统工程开辟了一个研究的新领域——体系工程。在长期的研究积淀下,众多专家学者的大力推动下,今天,在这里,它开出了一朵思想之花,结出了一颗丰硕之果,收获了一个全新的研究阵地。近年来,无论是在领导人的讲话,还是大政方针中,“系统”与“体系”这样的话语被反复、多次提及。十九大报告指出,全面深化改革要着力增强改革的“系统性、整体性、协同性”。在经济建设上,我们要建设现代化经济体系;在科技创新上,我们要建设国家创新体系;在生态环境上,我们要构筑尊崇自然、绿色发展的生态体系;在军队建设上,我们要构建中国特色现代作战体系。那么,“体系”到底是什么,与“系统”又有什么关系,它将如何向前发展?

  一、“一体化”是人类社会发展的必然趋势

  钱学森指出,经济社会的发展瓶颈,迫使人类产生新的思想文化的革命,进而引发新的科学革命、技术革命、产业革命、社会革命,直到再一次遇到瓶颈,催生新的文艺复兴。沿着这个规律,他总结了人类历史上已经发生的四次产业革命、正在发生的第五次产业革命,预测了即将发生的第六、七次产业革命。实际上,这就是人类现代化的发展过程,也是人类世界从非系统到系统、从分散化向一体化的演进。

  19世纪末20世纪初,以电气为标志的第四次产业革命兴起,世界逐渐走向一体化。二战后至今,以计算机、网络、通信为核心的信息革命,即第五次产业革命,使生产要素在全球范围内自由流动,跨国公司数量迅速增加,规模急剧扩张,全球一体化的生产体系形成,人的体力、脑力劳动差别逐渐缩小。即将到来的以生物科学和大农业革命为基础的第六次产业革命是以消灭城乡差别、迈向社会主义的高级阶段为标志。到本世纪中期将正式开启的,以人体科学和医学革命为基础的第七次产业革命是到时人的体质、功能、智能将大大提高,从而迎来一场科学革命加一场技术革命,先进的科学技术与设备将促成组织管理革命,从而引发新的产业革命,叩响共产主义大门,开创世界大同新纪元。

  人类从孤立走向合作,世界从割裂走向融合,“一体化”成为人类发展不可逆转的大趋势。现代社会是一个“你中有我,我中有你”的大整体,任何改革都是一项“牵一发而动全身”的大工程。

  (一)时空演进:世界一体,命运与共

  当前,我们身处一个动荡不安的大世界,正面对百年不遇的大变局。但是,没有哪个国家能够退回到自我封闭的孤岛中:我们的商品早已在全球生产体系中设计、制造、销售;我们的贸易早就形成了全球贸易体系,中美贸易战带来的蝴蝶效应就是一次残忍地体现。没有哪个国家能够独自应对人类面临的各种挑战:遏制全球变暖,需要世界各国共同控制温室气体的排放,绝非某一个或几个大国能够力挽狂澜;打击国际恐怖主义,需要世界各国共同部署、协同合作,绝非主张和平发展就能够置身事外。没有哪个国家能够在未来躲进小楼成一统:人类开发太空资源,需要建立统一的行动规范与标准;陆、海、空、天、电磁空间的全方位互联互通,需要各种文明的共商、共建、共享。习近平总书记指出:“这个世界,各国相互联系、相互依存的程度空前加深,人类生活在同一个地球村里,生活在历史和实现交织的同一个时空里,越来越成为你中有我、我中有你的命运共同体”。

  (二)科学技术:层次分化,学科融合

  按照钱学森的现代科学技术体系,科学技术分为:基础科学、技术科学、工程技术三个层次。为了不断改进生产方法,我们需要这三个部门同时并进,相互影响,相互提携。在科学发展的早期,科学与技术没有明显界限,科学家和工程师常常合二为一。一位物理学家也是一位工程师,例如物理学家牛顿、数学家欧拉。到了19世纪,科学得到了迅速发展,科学家与工程师分离,科学家建立了科学体系,工程师总结了工程技术。但是,随着实践的不断发展,单一靠科学的研究成果直接应用到工程技术显得不够,二者之间存在一道“鸿沟”,于是在自然科学与工程技术之间,出现了技术科学这一层次。

  随着现代科学技术发展,不同科学技术之间的相互交叉、相互融合的领域越来越多,很多学科呈现出典型的交叉性、综合性、整体性。例如,系统科学的理论包括运筹学、控制论、信息论,工程技术包括系统工程、自动化技术、通信技术等,是最具代表性和基础性的科学领域。再如,人工智能是以计算机视觉、自然语言理解与交流、机器人学、博弈学、机器学习等多学科为基础发展而来。

  (三)工程实践:体系复杂,综合集成

  20世纪,人类实施了包括“曼哈顿计划”“阿波罗登月计划”“两弹一星计划”“人类基因组计划”等在内的几十项重大科技工程,其复杂程度之高、科技水平之深、规模之大、影响之远是前所未有的。20世纪40年代,美国的“曼哈顿计划”参与者有1.5万人;60年代,美国“阿波罗登月计划”的参与者达到42万人;我国“两弹一星”事业在一穷二白的艰难背景下,先后组织了29个部委、20多个省市区、1000多个研究院所参与其中。1990年启动的“人类基因组计划”,是人类历史上首次由世界各国不分大小、不分强弱,所有科学家一起执行的科研项目。由6国合作,16个实验室及1100名生物科学家、计算机专家和技术人员参与,历时10余年,耗资30亿美元完成。这些创举正是在世界一体化的背景下,集中发生在科学发现最活跃、尖端技术最集中、工程实践最复杂的大规模科学技术工程上。

  (四)产业业态:推陈出新,跨界涌现

  系统工程思想的灵魂就是“涌现”。在复杂系统的共性中,“涌现”是最引人注目的普遍现象。系统的个体遵循简单的规则,但这些个体通过相互作用构成一个整体的时候,一些新的属性或规律,会突然间地、迸发式地在更高层面诞生。“个体”虽决定了“整体”的组成,但是通过“涌现”,“整体”会反作用,并控制个体;通过多级的“涌现”,不断演化出更高级的生命体。当前,随着各种技术的快速发展,“涌现”将变得更加普遍。“大数据”在互联网与传统企业间建立了一个交集。它推动互联网企业融合进传统企业的供应链,并在传统企业种下互联网基因。传统企业与互联网企业的结合,网民和消费者的融合,必将引发消费模式、制造模式、管理模式的巨大变革,实现一次更高层次的“涌现”。再如,计算机技术与神经网络技术的交叉融合涌现出“人工智能”,“人工智能”的强化将使多种行业面临重新洗牌,部分人类的工作将被取代,部分行业将被颠覆,也必将会带来全新的业态。

  二、系统工程是解决人类发展问题的“命根子”

  “时代是思想之母,实践是理论之源”。系统科学的产生与世界“一体化”的时代背景密不可分,它起源于工程,升华于理论,再次回归实践;它始于航天系统工程,发展于社会系统工程,扩展至人体系统工程;系统科学在时代的淬炼下逐渐形成了一套理论科学、方法有效、层次清晰的思想理论体系,并在迭代中不断发展、优化、突破。

  钱学森是系统工程“中国学派”当之无愧的领路人与创建者。1991年,国务院、中央军委授予钱学森“国家杰出贡献科学家”荣誉称号。这是共和国历史上授予中国科学家的最高荣誉,而钱学森是这一荣誉迄今为止唯一一位获得者。在颁奖仪式后,钱学森说过这样一句话:“‘两弹一星’工程所依据的都是成熟理论,我只是把别人和我经过实践证明可行的成熟技术拿过来用,这个没有什么了不起,只要国家需要我就应该这样做,系统工程与总体部思想才是我一生追求的”。钱老十分自豪地将系统工程称之为“中国人的发明”、“前无古人的方法”、“是我们的命根子”。

  (一)哲学基石:还原论与整体论的辩证统一

  现代科学的建立,是以西方“还原论”思想为基础,即:将复杂对象不断分解为简单对象,将全局问题不断分解为局部问题去解决。学科越分越细,研究越来越细微。毫无疑问,这是现代科学技术发展取得的巨大成就。但是,20世纪以来,现代科学技术活动的规模有了很大的扩展,工程技术装置复杂程度不断提高,“还原论”思想已经不足以全面地解释客观世界。用生物学家贝塔朗菲的话说,就是“对生物在分子层次上了解得越多,对生物整体反而认识得越模糊”。

  为了避免“还原论”在科学发展上带来的局限,钱学森创造性地引入了东方“整体论”思想,并将其与还原论相结合,形成了“系统论”。系统论强调从系统整体、动态等观点出发,如实地把研究对象视为完整的有机体和复杂系统,把定性和定量结合起来分析和处理问题,从而为现代科学技术的研究提供了一套崭新的方法论原则和程序。系统论既避免了“还原论”思想中“只见树木,不见森林”的矛盾,即将复杂对象不断分解为简单对象,将全局问题不断分解为局部问题去解决;也避免了“整体论”思想中“只见森林,不见树木”的弊端,即缺少逻辑思维的严密论证,仅通过人的“主观推测”或“臆想”作判断、下结论。曾有人评价,系统科学的发展,是一次科学革命,其重要性不亚于相对论或量子力学。

  (二)理论基石:工程控制论与物理力学的融合

  钱学森认为,辩证唯物主义要指导自然科学和社会科学的研究,也要从自然科学和社会科学研究的成果中汲取营养,不断丰富和深化。而且这样的关系“存在于马克思主义和一切其他科学技术学问之间(这里科学技术包括社会科学)”。钱学森在美国的20年期间,正是充分掌握并运用了理论联系实际、又从实际中提炼新理论的方法,开展了一系列远远超前于时代的科学研究与工程实践,由此完成了系统工程思想的奠基。

  钱学森提出了工程控制论,成为了系统工程思想的理论基石。钱学森在诺伯特·维纳开创的控制论的基础上,用三年时间写出了轰动世界的《工程控制论》,他独创性的观点“用不完全可靠的元件组成高可靠的系统”,被视为系统工程的圭臬。该书在学术界引起了强烈反响,先后被翻译成俄文、德文、中文等多种语言。1955年,钱学森离开美国前,将自己新出版的《工程控制论》一书奉献给最敬爱的老师冯·卡门,冯·卡门感慨到:“我为你骄傲,你现在在学术上已经超过我了!”在1960年召开的国际自动控制联合会代表大会上,与会代表齐声朗诵《工程控制论》序言中的名句,以表达对钱学森的敬意。这本书成为了他开创系统工程思想的开山之作。

  钱学森还首创了另一前沿学科——物理力学,这也是其系统工程思想的另一重要理论基础。1953年,他发表论文,正式提出这一概念。传统的物理学在一些极端条件下,例如温度达到几百万开,压力达到几百万大气压时,一些研究工作难以通过实验的方式来实现,还原式的研究方式遇到了瓶颈,而物理力学恰恰可以帮助解决这一问题。以往的科学技术和绝大多数的基础科学,都是从宏观到宏观,或从微观到微观,而物理力学建立在近代物理和近代化学成就之上,建立起物质宏观性质的微观理论,这就是物理力学建立的核心思想。之后,他在加州理工学院开设了“物理力学”课程,形成了时至今日仍然是加州理工学院重要参考资料的《物理力学讲义》。

  (三)方法基石:从定性到定量的综合集成方法

  钱学森认为,“所谓科学理论就是要把规律用数学的形式表达出来,最后要能上电子计算机去算”。20世纪80年代末到90年代初,结合现代信息技术的发展,钱学森提出“从定性到定量综合集成方法”(Meta-synthesis)及其实践形式——“从定性到定量综合集成研讨厅体系”,并将运用这套方法的集体称为总体设计部。这就将系统方法论具体化了,形成了一套可以操作且行之有效的方法体系和实践方式,即:“人机结合、人网结合、以人为主”的信息、知识和智慧的综合集成技术。其实质是把机器的逻辑思维优势、人类的形象思维与创造思维优势有机结合在一起,把数据、信息、知识、计算机体系有机结合起来,构成一个高度智能化的“新人类”,它的智慧处在有史以来的最高端。

  中国航天系统科学与工程研究院及其前身在“专家体系、知识体系、机器体系”这“三大体系”的基础上,完善形成了“六大体系、两个平台”,即“思想库体系、数据情报体系、网络和信息化体系、模型体系、专家体系、决策支持体系,以及机器平台、指挥控制平台。”这套体系在国民经济和社会发展的重大问题决策中,发挥了重要作用,提供了有力支持。无论是“载人航天飞船方案”的提出,还是“国家民用空间基础设施发展规划”的研究论证;无论是《中国的航天白皮书》,还是多个航天发展五年规划,中国航天系统科学与工程研究院及其前身都发挥了重要支撑作用。

  (四)实践基石:从航天到社会系统工程的发展

  上世纪50年代末,钱学森便开始从系统的角度考虑导弹研制方向问题的思路,提出要建立“导弹作战使用研究处”,这是他在航天科技工业实践系统工程的最初尝试。“导弹作战使用研究处”用于研究导弹的关键技术与配合协调问题,就是建成导弹武器研制和使用的最高参谋机构。他在长期指导中国航天事业的发展过程中,丰富和发展了他在美国奠基的系统工程思想,开创了一套既有中国特色,又有普遍科学意义的系统工程管理方法与技术,包括“总体协调、系统优化”的最佳原则,也包括“一个总体部、两条指挥线、科学技术委员会制”的管理模式。后来逐渐发展完备。这使得中国航天能够在经济一穷二白、工业基础薄弱、科研条件落后,甚至没有第二个人搞过航天的情况下,将成千上万的人有效组织起来,完成一系列重大航天工程。孙家栋院士曾说:“在工作中,我从钱学森那里学到了科学思维方式和科学工作方法,……注重抓系统性、目标性、整体协调性和最佳性的原则,一切从总体目标出发。”

  周恩来总理在调研航天时,曾经对钱学森说:“学森同志,你们那套方法能否介绍到全国其他行业去,让他们也学学?”在钱学森的带领下,系统工程被推广到社会实践的各个领域,取得了经世致用的效果。20世纪70年代后期到80年代,钱学森将总体设计部经验推广到军队装备建设工作中,在中国人民解放军总部、海军、陆军、空军等建制中陆续地建立起名为“系统所”“综合所”“运筹所”和“总体论证所”等新型研究机构,对我军武器装备与部队建设发挥了重要作用。1983年至1985年间,航天710所在钱老的指导下,最早运用系统仿真的方法,在当时的大型数字计算机B6810上进行了105种政策模拟,完成了财政补贴、价格、工资综合研究以及国民经济发展预测工作,为中央宏观经济决策提供了不可替代的关键性支撑。在沙产业中,钱学森提出了“多采光、少用水、新技术、高效益”的一整套指导思想,并将其应用在甘肃张掖地区。一位长期在内蒙古赤峰地区防沙治沙的世界级治沙专家远山正瑛说:“你们打败了我!我从事治沙几十年了,虽然不敢说自己是世界第一,当个世界第三、第四的资格还是有的。但是今天看了你们的成果展示,发现你们的方法思路比我高明得多”。同样,以色列的农业专家到中国参观后,面对治沙成果也是阵阵惊叹:“像钱学森这样的大科学家,世界上百年一遇的大科学家,就是真主阿拉送给你们中国人的最宝贵的礼物。”

  三、系统工程是引领体系工程发展的“压舱石”

  体系工程是系统工程的延伸和拓展,是系统工程的新领域,是系统工程的新实践。

  体系工程经历了三个发展阶段:第一阶段是20世纪90年代中期,技术迅猛发展使得复杂的技术集成与管理问题越来越突出,在各个领域都出现了大规模系统集成与更新换代的需求,如国防系统、城市交通、航空管制及航天技术集成等;第二阶段始于20世纪末期,广大学者认识到传统系统工程在解决体系问题上的不足,然后开始新的途径与方法的探索; 第三阶段是21世纪初,体系工程概念被普遍接受,进行了系列的理论研究与工程实践活动,包括成立体系工程研究机构、举行体系工程的年度专题会议等。

  体系工程具有以下四个显著特征:一是复杂性,由组分系统协作集成; 二是开放性,与外界进行能量、物资、信息交换;三是分系统具有相对独立性,具有独立的功能,可独立运行、独立管理;四是涌现性或突现性,体系在自组织的过程中出现新的、清晰的结构、样式和性质。

  当前,体系工程面临着一些挑战:一是国内的研究以跟踪国外发展为主;二是缺乏被普遍认可的理论、方法和技术;三是国内的研究领域大都集中在武器装备体系领域,较少涉及其他体系工程领域。正如美国体系工程专家Mo Jamshidi所言:“没有哪一个工程领域比系统工程更加亟需解决体系问题。如果将体系面临的工程问题列成一份清单,那么居于首位的一定是体系工程。”

  正所谓“解铃还须系铃人”,体系工程源于系统工程,它的进一步发展还需回归系统工程,从系统工程中寻找出路。在此,提出体系工程发展的“三个坚持”。

  (一)哲学方法论,坚持以系统论为指导

  钱学森早就指出,一个系统可以由众多子系统组成,而这个系统又是更大系统的组成部分。这也就是体系工程中所指的“体系”。钱学森提出,无论是自然科学,还是社会科学,只是人类从不同的角度去认识和改造客观世界。系统科学就是从“系统”的角度去认识客观世界,以“系统”为研究对象。体系工程与系统工程同宗同源,二者的研究角度和研究对象是一致的,就必然都要运用“系统论”思想。

  (二)工具方法上,坚持从定性到定量的综合集成

  钱学森指出,“开放的复杂巨系统还没有形成从微观到宏观的理论,没有从子系统相互作用出发,构建出来的统计力学理论。”但是,“实践已经证明,现在能用的、唯一能有效处理开放的复杂巨系统(包括社会系统)的方法,就是定性定量相结合的综合集成方法”,即将社会系统、人体系统和地理系统中的专家群体、数据和各种信息与计算机技术相结合,把各种学科的科学理论与人的经验相结合,从而发挥系统的整体优势。这一方法也可以而且应该在“体系工程”中加以运用并推广。

  (三)工程实践上,坚持以总体设计部为方针

  “体系工程”与“系统工程”最大的不同在于各自组成要素/子系统的关联程度上。换句话说,“体系工程”中的各子系统具有“相对”独立性,而“系统工程”中的各要素具有“相对”依赖型。例如,我们通常会将人作为一个“系统”来研究,但不会作为一个“体系”来研究。人的每一个组成部分都是在整体的状态下才能发挥其作用,缺少任意部分,整体功能便有明显缺损。相比之下,在武器装备体系建设中,曾经的海、陆、空军皆自成体系,各自为政,如今,提出从“任务能力型”向“体系效能型”转变,正是要追求武器装备体系整体效能的最大化。再如,我国船舶行业各系统间独立性相对较强,要想发挥行业的整体优势,更加需要聚集系统之间协调性、整体性、系统性。总之,“体系工程”比“系统工程”要更加注重总体设计部的建设,否则体系中的子系统可能会因其具有相对独立性,导致体系解体的巨大风险。

  “回头看过去,是为抬头向未来”。对体系工程追本溯源,是希望当前的研究与实践要跳出“以体系论体系”的窠臼,“为研究而研究”的藩篱,真正回归初心。“体系工程”强化了系统工程学科,助推了总体设计部思想,让我们从更高视角、更广范围、更深层次去挖掘总体设计部在协调相对独立的系统、并使之构成更大系统时的作用与意义。如果说,体系工程是系统工程发展的“前沿阵地”,那么总体设计部就是这个体系工程研究的“主战场”,为体系工程的未来研究提供了一个方向上的指引。努力将体系工程转化为生产力,将总体设计部转化为战斗力!

  作者:薛惠锋,系国际宇航科学院院士、中国航天系统科学与工程研究院院长

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