20世紀 90年代，資訊科技的高速發展和廣泛應用使得複雜的技術整合和系統管理問題益發突出，現代戰爭、現代交通等進一步表現為“多個系統或複雜系統組合而成的大規模的系統組合”，體系（system of systems，SoS）和體系工程（system of systems engineering，SoSE）研究應運而生。目前，體系是一個有頗多爭議的研究學科，其中的參考框架、思維過程、定量分析、工具和設計方法都是不完整的。本文主要根據“邁爾特性”，結合工程實踐對系統與體系進行了區分。

體系概述

體系是一個具有資源池、面向特定任務的系統集合或者專門的系統集，它們的能力整合在一起創造一個新的、更復雜的系統，提供比單獨的組份系統的總和還要多的功能和效能。通常把定義、抽象、建模和分析體系問題的方法稱之為體系工程。

目前，體系工程的應用被廣泛地擴充套件到人類幾乎所有層次的生活。國防領域在體系方面的早期工作奠定了體系工程的基礎，包括知識基礎、技術方法和實踐經驗。現在，體系工程的概念和原理適用於更多的政府、民間和商業領域，舉例如下。

交通——空中交通管理、鐵路網路、地面綜合運輸、貨物運輸、公路管理和空間系統。

能源——智慧電網、智慧住宅、綜合生產/消費。

衛生保健——區域設施管理、應急服務和個人健康管理。

自然資源管理——全球環境、區域水資源、森林和可再生資源。

災難響應——災害響應事件，包括森林火災、洪水和恐怖襲擊。

消費產品——綜合娛樂和家庭產品整合。

商業——銀行和金融業、媒體電影、廣播和電視。

體系定義

關於 SoS 的定義超過 40 種。Maier（1998）曾提出SoS的 5項關鍵特性：（1）構件系統執行獨立性；（2）構件系統管理獨立性；（3）地理分佈；（4）湧現行為；（5）進化的發展過程。

上述 SoS 的 5 項關鍵特性被稱之為“邁爾特性”，Maier將執行獨立性與管理獨立性確定為 SoS術語的兩個主要區別特徵。一個系統如果不具有這兩個特徵，無論其複雜性或其組成部分的地理分佈如何都不能被視為SoS。

在國防採辦指南中 SoS被定義為一組或一系列獨立的有用的系統整合到一個更大的系統提供獨特的能力的結果。整合後各個獨立的系統可以相互依存，是一個相互依存和相互受益的綜合系統。

系統和體系都符合公認的系統定義，系統由部件構成，部件之間相互關聯，以及整體大於部分之和；儘管SoS是一個系統，但並不是所有的系統都是SoS。

Jamshidi綜合了幾個 SoS 定義，形成了以下被廣泛關注的SoS定義：SoS是由有限數量的可獨立執行的系統，在一個特定的時間段內，為了達成一個確定的更高目標而聯接在一起的集合。

根據這個定義需要指出的是，一個 SoS的形成不一定是永久性的現象，而是為了特定的目標（如魯棒性、成本、效率等）形成的一個整合和聯接系統集。

上述 SoS的 5個特徵又被增加了幾個特徵，包括跨學科、系統異構性和系統網路。因此，SoS表現出以下8個方面的特徵：（1）組份系統執行獨立性；（2）組份系統管理獨立性；（3）地理分佈；（4）湧現行為；（5）不斷進化的發展過程；（6）跨學科研究；（7）組份系統異構性；（8）組份系統網路。

INCOSESE HandbooK（4th Edition）對 SoS做了進一步的闡述。

SoS是一個 SoI（system of interest），SoS的元素是可獨立管理和/或運作的系統。這些互操作和/或綜合整合組成的系統通常產生由單個系統獨立無法實現的結果。因為一個SoS本身就是一個系統，系統工程師可以選擇是否把它作為一個系統或是一個SoS，取決於哪個角度更適合於特定的問題。對於這句話，我們可以這樣去理解，例如要定義一個作戰系統物件，如果側重於描述戰場上各作戰系統與要素之間的指揮控制與資訊互動這個角度，系統工程師可以將其作為體系來定義；當側重於定義與描述作戰系統的各項功能與指標時，戰場上的各作戰系統與要素作為該作戰系統物件的利益相關方，系統工程師可以將其作為系統來定義。

SoS適用於系統元素本身也是一個系統的系統，是一個更大的目標系統，因此，系統工程方法同樣適用於SoS的研究。2008年 8月，DoD釋出了體系系統工程指南V1.0。體系系統工程指南的釋出，為應用系統工程過程去處理當今世界由網路化的系統和體系所帶來的變化邁出了重要的一步。2012年，系統工程國際委員會（INCOSE）成立 SoS工作組（SoSWG），SoS工作組的目的就是要在不同型別的 SoS中推動和促進系統工程應用，在系統工程社群內擴大和促進 SoS知識與價值。在工程領域，也有企業應用系統工程方法研究體系工程，如圖 1 所示，美國軍工企業諾斯洛普·格魯曼公司的John Clark（INCOSE CSEP）在 2013年的 INCOSE的研討會上曾經將系統工程雙V模型應用到SoS中。

圖 1  體系的雙 V模型示例（來源：諾格集團有限公司）

雖然 SoS是一個更大的系統，可以使用系統工程方法去研究 SoS，但是，SoS的特性往往會帶來典型的、大規模的跨學科問題，涉及多重的、混合的和分散式系統，面臨多方面的挑戰，因此，SoS在管理上帶來的問題往往會讓SoS本身的價值大打折扣。

體系的分類

在當今的互聯世界，SoS的情況非常普遍。在這些情況下，SoS被視為一個系統，SoS被描述為以下 4種類型。

定向型體系（directed SoS）

體系被建立和管理用於實現特定的目的，組份系統集屬於體系。這些組份系統保持獨立運作的能力，但是，其正常運作模式服從中央管理的目的。例如，一些未來戰爭系統，因為有一個明確的共同目標，從一開始就驅動各組份系統的開發，這類系統集合就構成了定向型體系，如“遼寧號”戰鬥群，在一開始的時候就驅動某一種型號的艦載戰鬥機（如殲 15）的研發，第四代戰機和與其匹配的導彈等，這些都是屬於定向型體系。

公共型體系（acknowledged SoS）

體系有清晰的目標、指定的管理者、以及體系資源；但是，這些組份系統保持其獨立的所有權、目標、資金、開發和維持的途徑。系統集的變化是基於體系和系統之間的互操作協議。由於公共型體系的組份系統保持獨立的目標、管理方式、資源以及開發流程，實際上主要是以協作方式執行。公共型體系的中央管理不能操控公共型體系組份系統的正常執行模式，這是區別於定向型體系的特徵之一。

由於公共型體系沒有操控其組份系統的許可權，通常以適應組份系統發展的方式實現體系的目標，而組份系統往往比體系的執行週期更長、保障資源更充分。因此，公共型體系通常都是利用現有的各種系統構建一個新的體系。最典型的“軍種管建設、軍區管作戰”就是基於這一思想，每一場戰役都是基於現有的多軍兵種的作戰系統形成的公共型體系。同樣，現在很多企業所推行的“IPD（整合產品開發）”是在研發領域的一種典型的公共型體系。

協作型體系（collaborative SoS）

組份系統集通過或多或少的互動，自願達成一致的中心目的。中央參與者集體決定如何提供或拒絕服務，形成一些執行和維護的標準。系統的使用者與業主在充分地理解了彼此之間的依存關係後，為了共同利益而結成協作型體系，這種協作型體系數量在現實中越來越多。各種利益共同體（COI）就是典型的協作型體系的例子，團體中的參與者共同制定共同利益的實現方式，參與者在共同遵守的框架下協同工作，目前大量出現的各種聯盟（例如工業技術軟體化聯盟、智慧軍工產業聯盟等）都是屬於協作型體系。

虛擬型體系（virtual SoS）

體系缺乏一箇中央管理機構和一個一致的 SoS中心目標。具有符合需要的大規模的行為湧現，但這種體系必須依靠一種無形的機制來維護它。隨著網路的出現以及戰場資訊共享資料鏈系統的不斷髮展，大多數系統都是虛擬型體系的一部分。

這種分類是基於成分的獨立性程度，它提供了一個基於體系的目標源頭和體系及其組份系統的利益相關方之間的關係來理解體系的框架。在大多數實際情況下，體系通常都是幾種體系型別的組合。定向型體系、公共型體系，有公共型權威機構和體系層級的資源。然而，由於公共型體系包含了獨立維護、管理、資源以及獨立發展過程的多個系統，這些體系在很大程度上又都是協作型體系。

體系與系統的區別

體系是一個具有資源池、面向特定任務系統集合或者專門的系統集，它們的能力整合在一起創造一個新的、更復雜的系統，提供比簡單的組份系統的總和還要多的功能和效能。體系與獨立的或者有組織的系統之間存在一些差異（表 1）。但是這些差異並不是如表1中所描述的那樣非黑即白。在每一種情況下，不同的實踐、系統的複雜性以及系統開發環境的變化——某些SoS的特徵也可能適用於某些特定情況下的系統。

表1  系統與體系的區別（兩者都適用於系統工程（SEBOK）

實踐中如何界定體系與系統

一些複雜的系統，其系統元素本身可能也是一個系統，這樣一來，就很容易跟 SoS產生混淆。在邁爾特性中提到了5個特性：組份系統執行獨立性；組份系統管理獨立性；地理分佈；湧現行為；以及進化的發展過程。其中最關鍵的就是兩個獨立性。如何判斷系統的獨立性就成為實踐中界定體系與系統的關鍵。

但是，獨立執行與獨立管理這兩個特性，往往由於人們所處的不同視角而不容易明確界定。為了準確地描述系統的獨立性，還是從系統的定義來分析。

INCOSE 定義：互動的元素組織起來，以實現一個或多個特定目的的組合。

一組整合的、以完成一個確定的目標的元素、子系統或元件，這些元素包括產品（硬體、軟體和緊韌體）、過程、人員、資訊、技術、設施、服務和其他支援元素。

INCOSE給出的上述系統定義，給我們判斷系統的獨立性提供了啟示——是否具有獨立的系統目的/目標，有了這一認識基礎，就可以清楚地給出體系與系統的如下界定準則：SoI的每一個組份系統，1）是否具有獨立的系統目的/目標；2）具有獨立系統目的/目標的組份系統能否不借助SoI中的其他組份系統獨立執行，獨立管理。

以行動電話系統為例來說明系統與體系的界定問題。中國行動通訊網路與大量的手機終端一起構成了中國移動通訊系統，這是一個系統不是SoS。這個系統中的系統元素——手機終端與行動通訊網路——都是一個系統，但手機終端與行動通訊網路並不是獨立的系統，因為不管是手機終端還是行動網路，它們的系統目的/目標是共同的——語音通訊，並且手機終端離開行動網路是不能獨立執行實現系統目標的。因此，中國移動通訊系統只能是系統而不是SoS，手機終端與行動通訊網路是這個系統的系統元素，移動SIM與手機卡槽是這2個系統元素之間的介面。

同理，中國聯通通訊系統與中國移動通訊系統一樣也只是一個複雜的系統。但是，當中國移動通訊系統與中國聯通通訊系統為了實現手機終端跨網通訊這一更高目標，相互開放資料與通訊介面，這就構成了一個協同型SoS。

有人可能會說，有的手機插上不同的卡就可以進入不同網路進行語音通訊，甚至現在有更多的手機雙網雙卡。但這仍然改變不了每一個單一的網路（卡）與手機構成一個系統的結果，這裡手機僅僅以 COTS（商用貨架產品）的形式出現。

同樣是手機終端，在WiFi環境下，利用微信的語音通訊功能實現手機終端之間的語音通訊。在這種情況下，手機終端、WiFi與微信平臺構成一個虛擬SoS。因為這個虛擬SoS中的每一個組份系統都有各自的獨立系統目標，而且可以脫離開其他組份系統獨立執行與管理。

體系與系統的兩個界定準則必須同時成立才能形成完整的判定準則。因為“定向型體系”就是在共同的目標驅動下開發的，但是“定向型體系”中的組份系統可以脫離“定向型體系”中的其他組份系統獨立執行。例如前面所提到的“遼寧號”與“殲 15”，他們相互之間是可以脫離對方獨立執行。

飛機雖然是一個高度複雜的系統，其系統構成元素，如發動機、航電系統等，都是非常複雜的系統。但是，飛機只能是系統，而不是 SoS。因為不管是發動機還是航電系統，它們都沒有獨立的系統目標，它們的系統目標都只是飛機系統目標的全包含子集。同樣是電子裝置，飛機和干擾吊艙構成了 SoS，這是 2個具有獨立系統目標，可以獨立執行和管理的 2個系統。飛機與導彈（再加上其他系統，如導航衛星等）也構成一個體系，但是，如果在同樣的掛架下，掛的不是導彈而是副油箱來增加飛機的航程，那麼，副油箱與飛機就不是構成體系，而是飛機這個系統的構成部分。

關於飛機與導彈構成體系這個問題，有人提出了不同的看法，認為不符合 SoS 的 5 個關鍵特性，不構成體系，並從 8方面進行了分析：1）組份系統執行獨立性不符合，飛機能獨立執行，導彈必須依靠載機才能工作。2）組份系統管理獨立性不符合，導彈必須按照飛機的指控要求工作。3）地理分佈不符合，二者是一體的。4）湧現行為不符合，作戰是裝備的整體功能，沒有單獨功能。5）不斷進化的發展過程基本符合。6）跨學科研究（基本是一個學科）。7）組份系統基本算異構。8）組份系統網路符合。

為了說清楚這個問題，對此進行詳細分析。首先，一架飛機在前方發現目標，給後方導彈部隊座標發射導彈完成攻擊。這個估計沒人反對它們是體系了。那麼，導彈掛載到飛機上是一個什麼情況呢？他們是否符合前面所提到的體系的基本特徵？

第一，導彈的執行絕不是掛在飛機上帶著滿天飛，這就跟艦載機的執行不是讓航母載著在海面上航行一樣，導彈的執行是從它離開載具、點火、調姿、自主飛行、尋的、攻擊這一過程，這一執行過程並不依靠載機，而是獨立完成的。第二，導彈與飛機的採辦獨立（經費獨立）、生命週期獨立、系統工程管理計劃獨立，飛機的指控系統只是給導彈輸入了相關資訊和指令，並不管理導彈。第三，飛機與導彈的地理分佈也是獨立的，雖然都在同一個作戰空域，但是導彈執行過程中的地理位置與飛機的位置是完全獨立的。當然，地理分佈特性其實並沒有這麼絕對，尤其是隨著裝備的賽博化推進，地理分佈特性這一特徵要素越來越被弱化，前文提到的雙卡雙待手機反而組成體系了，獨立執行與獨立管理才是核心的。第四，說到湧現性，實時攻擊（考慮時間與射程）就是這個體系湧現的功能。第五，不斷進化是指體系中的各個組份系統各自獨立地不斷進化，所以我們看到有舊飛機掛新彈，新飛機掛舊彈等情況，他們各自獨立進化。

這裡面所存在的主要問題就在於人們對系統的執行存在理解上的偏差，另外，對系統的管理並不是說給了系統什麼樣的輸入/指令，這是體系各組份系統之間的正常互動，對系統的管理主要看其經費、生命週期、系統工程管理計劃等要素。

此外，在定義系統的時候必須將系統納入體系（SoS）背景下去考慮，將跟系統有互動的其他系統作為利益相關方進行考慮。

結 論

SoS是一個有頗多爭議的研究學科，其中的參考框架、思維過程、定量分析、工具和設計方法都是不完整的。基於邁爾特性結合工程實踐對體系與系統進行了區分，而對體系所涉及到的大量社會技術管理要素沒有深入探討。而社會技術管理要素的增加以及體系邊界的不確定性，給體系研究帶來了很多困難，這種不確定性以及由此帶來的湧現性，也給體系研究提供了更多更廣闊的空間，值得更多人蔘與其中深入研究。

參考文獻（略）  

作者簡介：何強，北京索為系統技術有限公司，研究員，研究方向為需求工程、系統工程；汪瀅（通訊作者），江南機電設計研究所，高階工程師，研究方向為工程資訊化。

注：本文發表於《科技導報》2018 年第20 期，敬請關注。

（責任編輯   王志敏）