体系工程——基础理论与应用

第1章 体系介绍

1.1 概述

1.2 体系定义

1.3 体系中的挑战性问题

1.3.1 理论问题

1.3.2 实施问题

1.4 总结

参考文献

第2章 实现体系工程的开放式系统方法

2.1 引言

2.2 开放式系统的概念

2.3 开放式系统的原则

2.3.1 开放接口的原则

2.3.2 协作的原则

2.3.3 自治的原则

2.3.4 突现的原则

2.3.5 保护的原则

2.3.6 可重构的原则

2.3.7 互利的原则

2.3.8 模块性的原则

2.4 实现体系工程的开放式系统方法

2.5 总结

2.6 讨论问题

参考文献

第3章 体系工程

3.1 引言

3.2 背景

3.2.1 角色和职责

3.2.2 传统系统工程与体系工程

3.2.3 ISO/IEC/IEEE 15288系统工程——系统生命周期过程

3.3 定义

3.3.1 系统（目标系统）

3.3.2 体系

3.3.3 系统联邦

3.3.4 体系工程和目标系统工程

3.3.5 首席系统整合师（LSI）

3.3.6 企业系统工程

3.3.7 复杂系统

3.3.8 复杂自适应系统

3.4 体系工程的动机

3.4.1 政府会计办公室的研究

3.4.2 国防科学委员会/空军科学顾问委员会关于国家太空安全计划采购的研究

3.4.3 太空系统

3.5 联邦制度的管理原则

3.5.1 Handy五原则

3.5.2 Handy五原理

3.6 结构化方法——为系统工程定义人员角色和职责

3.6.1 定义关键术语和概念

3.6.2 为系统工程和管理功能开发框架

3.6.3 总结与体系工程及管理相关的挑战

3.6.4 构建体系内各系统工程团体间的信息流模型

3.6.5 评估Handy（1992）的联邦制度原则和原理应被实行至何种程度

3.6.6 通过调整ISO/IEC/IEEE 15288中的协议流程把角色和职责用文件记录下来

3.6.7 示例

3.7 涉及体系工程的案例研究

3.7.1 验证

3.7.2 案例学习研究的好处

3.8 总结

参考文献

第4章 体系架构

4.1 复杂系统结构

4.1.1 复杂系统的属性

4.1.2 体系

4.1.3 体系架构对比系统架构：架构挑战

4.2 可进化的系统架构

4.2.1 全球信息栅格

4.2.2 网络中心化运作

4.2.3 动态变化的元架构

4.3 体系架构支撑器：人工生命的作用

4.3.1 群体智能

4.3.2 多个体模型

4.3.3 可进化的建模

4.3.4 架构突现行为分析

4.4 总结

参考文献

第5章 体系工程建模与仿真

5.1 介绍

5.1.1 互操作性级别

5.2 M&S基础框架回顾

5.2.1 DEVS建模和仿真

5.2.2 XML和DEVS

5.3 基于模型的工程

5.4 SoS 体系结构建模：DoDAF、UML和系统工程法则

5.5 使用DEVS M&S进行系统的系统测试和评估

5.5.1 DEVS测试和评估的技术状态

5.5.2 把基于模型连贯性的生命周期方法分为两部分

5.6 试验框架概念

5.7 SoS 测试和评估试验框架

5.8 DEVS统一处理过程和其面向服务的实现

5.8.1 DEVSML的协同运作开发

5.8.2 DEVS/SOA：使用仿真服务的网络中心化实现

5.8.3 完整的DEVS统一处理过程

5.9 应用：无线异构传感器网络下的体系工程仿真

5.9.1 SoS的威胁探测仿真（数据搜集）

5.9.2 小结

5.10 应用：代理实现测试仪器系统

5.10.1 示例：协作会话计时仪器

5.10.2 分布式测试联盟

5.10.3 分布式多级测试联盟

5.10.4 分析能力

5.10.5 测试仪表系统的校核/验证

5.10.6 潜在的问题和缺点

5.11 总结

参考文献

第6章 网络中心化和体系

6.1 网络中心化综述

6.2 网络支撑的系统交互

6.2.1 按需提供信息

6.2.2 按需提供服务

6.2.3 普遍性和连通性程度

6.2.4 语法和语义协同能力

6.3 服务交互的机构范围和上下关联表示

6.4 信息保证

6.5 网络中心化体系架构

6.5.1 面向服务的架构

6.5.2 一个简单的网络中心化体系架构的例子

6.5.3 网络中心化SOA的诞生

6.5.4 人在SOA中的角色

6.5.5 形成网络中心化架构文档资料

6.5.6 网络中心化SOA的公共部分

6.5.7 NCE架构考虑

6.5.8 网络中心化系统架构师的角色

6.6 结论

参考文献

第7章 体系的突现性

7.1 体系问题域

7.1.1 体系问题域的特性

7.1.2 体系工程

7.2 突现性的性质

7.2.1 突现性的哲学看法

7.2.2 突现性的方法论观点

7.2.3 突现性的公理基础

7.3 应对突现性

7.3.1 体系中应对突现性的设计考虑

7.3.2 运作并维护突现性考虑

7.4 对认识和挑战的总结

参考文献

第8章 体系管理

8.1 引言

8.2 构筑基础：体系哲学

8.3 体系管理中的悖论

8.3.1 边界悖论

8.3.2 控制悖论

8.3.3 团队悖论

8.4 构建背景：体系特征

8.4.1 自治性

8.4.2 从属性

8.4.3 连通性

8.4.4 多样性

8.4.5 突现性

8.4.6 这些特征的悖论

8.5 描述一个体系——纽约黄色出租车系统案例研究

8.5.1 自治性

8.5.2 从属性

8.5.3 连通性

8.5.4 多样性

8.5.5 突现性

8.6 总结

参考文献

第9章 国防部体系工程

9.1 背景

9.2 体系工程的国防部考虑

9.3 目前国防部的体系

9.4 系统地比较系统和体系

9.5 体系工程的核心元素

9.5.1 将体系能力目标转换成随时间变化的高级需求

9.5.2 理解体系的组成部分及其随时间变化的关系

9.5.3 评估体系随时间变化满足能力目标的范围

9.5.4 开发、演进并维护体系的设计

9.5.5 监控并评估体系性能变化产生的潜在影响

9.5.6 在体系和解决方案可选项上应对新需求

9.5.7 精心策划的体系升级

9.6 体系工程的突现法则

9.7 未来方向

感谢

参考文献

第10章 波音公司电子支持商用航线的体系工程方法

10.1 波音电子支持介绍

10.2 波音的电子支持航线项目规划

10.2.1 捆绑思路

10.3 波音电子支持技术体系结构

10.3.1 机载必需体系结构

10.3.2 机载必需体系结构要素

10.3.3 映射到实现

10.3.4 基础设施实现

10.4 电子支持应用

10.4.1 电子飞行包

10.4.2 飞机健康管理

10.4.3 维护性能工具箱

10.5 电子支持的波音787

10.6 波音787的波音Gold Care

10.7 总结

第11章 关于基础设施的体系观点

11.1 概念

11.2 通用概念和模型

11.2.1 关于参考模型：基础设施层次模型

11.2.2 行业比较

11.3 可持续的居住型能源基础设施

11.4 灵活的合成燃气基础设施

11.5 研究概述

11.5.1 基础设施系统中的可靠性和危险性

11.5.2 基础设施系统设计中的不确定性

11.5.3 如何捍卫公共目标

11.5.4 如何应对转变

11.5.5 跨行业的通用问题

11.6 总结和讨论

参考文献

第12章 无线传感器网络进展：体系视角下的案例研究

12.1 体系综述

12.2 作为体系的传感器网络

12.3 容错设计

12.4 决策制定

12.4.1 交互指标

12.4.2 Choquet积分

12.4.3 激励的例子

12.5 总结

参考文献

第13章 服务体系

13.1 服务系统

13.1.1 突现的电子服务

13.1.2 与制造的关系

13.1.3 走向大规模定制

13.2 系统组成部分

13.2.1 人

13.2.2 流程

13.2.3 产品

13.3 系统集成

13.3.1 组成部分集成

13.3.2 决策集成

13.3.3 组织集成

13.4 总结

感谢

参考文献

第14章 空间探测体系工程

14.1 空间探测体系的关键问题

14.1.1 软件变成了什么

14.1.2 需求的复杂性及增长

14.1.3 接口复杂性及增长

14.1.4 技术性能测量和技术裕量管理

14.1.5 电子、电气和电动机械（EEE）零部件和常见故障

14.1.6 一体化的风险管理

14.1.7 关键路线执行和失败的后果

14.1.8 跨巨大团体的ITAR和所有权问题

14.1.9 地理分布

14.1.10 体系工程师的关键品质、训练和实践

14.2 空间探测体系工程的发展

14.2.1 国际空间站（ISS）

14.2.2 火星科学实验室（Mars Science Laboratory，MSL）

14.2.3 星座计划

14.3 空间探测体系工程未来的挑战

14.3.1 编队飞行

14.3.2 火星样本回送

14.3.3 人类探测火星

14.4 总结

感谢

参考文献

第15章 航天体系中的通信与导航网络

15.1 历史概况

15.1.1 早期的通信卫星

15.1.2 第一颗地球同步通信卫星

15.1.3 早期的商用通信卫星

15.1.4 美国国防部（DoD）通信卫星

15.1.5 航迹和数据中继卫星体系（TDRSS）

15.1.6 深空网络系统

15.1.7 阿波罗中早期体系的通信和导航

15.2 航天体系

15.2.1 通信与导航网系

15.3 通信和导航网络体系结构

15.3.1 太空通信体系结构类型

15.4 通信与导航基于基础设施的实现方法

15.4.1 体系结构分解过程

15.4.2 定义空间探索任务系统及其接口

15.5 构建点对点的通信体系结构的过程

15.5.1 IP中心的网络体系结构

15.5.2 拓展太空导航体系结构

15.6 国防部体系结构框架（DoDAF）的应用

15.6.1 示例图表

15.7 通信和导航网络的建模、仿真与系统工程

15.8 总结

15.8.1 系统工程的挑战

15.8.2 发展和运营的挑战

15.8.3 技术挑战

参考文献

第16章 电力系统的运营与控制

16.1 背景

16.2 电力系统运营与控制的现行方法

16.3 电力系统正在变化的性质

16.4 广域监测与控制

16.5 灵活的交流输电系统

16.6 电力系统控制的趋势

16.7 新方法和新机遇

16.7.1 实例

16.7.2 频率稳定性评估

16.7.3 传输通路中的电压稳定性评估

16.7.4 功率震荡评估

16.7.5 热监测

16.8 总结

16.9 未来电力系统运营与控制的挑战

参考文献

第17章 未来交通燃料体系

17.1 简介

17.1.1 第一步：联邦目标

17.1.2 目的和范围

17.2 体系概述

17.3 交通燃料系统的体系

17.3.1 能力

17.3.2 背景

17.4 未来交通燃料体系愿景

17.4.1 近期和中期愿景（2007—2030年）：基于生物燃料的能源的经济

17.4.2 长期愿景（2030年以后）：基于氢能源的经济

17.5 挑战

17.6 体系的短期演进：向生物交通燃料体系转型

17.6.1 当前的乙醇产业

17.6.2 向生物燃料体系转型

17.7 体系的长期演进：向氢能源交通燃料体系转型

17.7.1 氢能源经济现状

17.7.2 未来实现氢能源转型

17.8 利用体系工程工具管理转型

17.8.1 利用系统动力学掌握/加速生物燃料转型过程

17.8.2 使用基于模型的体系工程方法研究氢能源经济

17.9 总结

参考文献

第18章 体系视角下的可持续环境管理

18.1 环境体系

18.1.1 系统和体系

18.1.2 体系种类

18.2 环境问题

18.2.1 自然、社会、环境体系

18.2.2 能源系统和环境

18.3 体系决策方法

18.3.1 政策发展和政府资源的体系思维

18.3.2 自适应一体化管理的体系决策工具

18.4 体系方法应用实例

18.4.1 引言

18.4.2 咸海对抗的战略研究

18.4.3 加拿大南萨斯喀彻温河流域的公平资源分布

18.4.4 管理北美劳伦森大湖的水位

18.5 总结和讨论

参考文献

第19章 机器人群体系

19.1 简介

19.1.1 群智能

19.1.2 群机器人和机器人群

19.2 体系

19.3 机器人群的体系方法

19.3.1 互操作性

19.3.2 一体化

19.4 机器人系统实现实例：地面侦察兵

19.5 硬件模块性

19.5.1 运动

19.5.2 控制

19.5.3 传感

19.5.4 通信

19.5.5 驱动

19.6 软件模块性

19.6.1 操作系统

19.6.2 动态任务上载（DLE）

19.7 通信：适应性和稳定性

19.7.1 物理层

19.7.2 媒介访问控制层

19.7.3 数据链路层

19.7.4 实现结果

19.8 应用：地雷探测和基于蚁群的群智能

19.8.1 蚁群中蚂蚁的行为

19.8.2 地雷探测问题

19.8.3 状态转换事件

19.8.4 地雷的实现原理

19.8.5 气味的实现

19.8.6 主程序

19.8.7 实验结果

19.9 总结

致谢

参考文献

第20章 对运输作为一个体系问题的理解

20.1 引言

20.1.1 挑战概述

20.1.2 综合多个领域

20.1.3 本章简介

20.2 一般性问题描述

20.2.1 体系特性区分

20.2.2 体系描述

20.2.3 进化和突发行为

20.3 作为体系的航空运输

20.3.1 简介——运输是一个体系问题

20.3.2 框架

20.3.3 定义阶段

20.3.4 抽象阶段

20.3.5 实施阶段

20.4 总结

20.5 未来挑战

参考文献

第21章 医疗体系

21.1 概述

21.2 文献调查

21.3 医疗体系

21.3.1 Sage和Cuppan给出的医疗体系定义

21.3.2 将体系的其他定义应用于医疗系统

21.4 以网络为中心的医疗

21.5 全球健康信息栅格

21.6 总结

参考文献

第22章 全球观测体系（GEOSS）工程

22.1 全球观测体系:背景和目标

22.2 建立全球观测体系的组织结构

22.3 体系工程及其在全球观测体系中的应用

22.3.1 体系工程方法

22.3.2 从体系工程角度看全球观测体系面临的挑战

22.3.3 建造全球观测体系的参与者

22.4 观测体系的体系工程活动

22.4.1 实现可用系统和技术资源可视化

22.4.2 实施奖励和降低成本

22.4.3 推动工作计划任务协调和演进

22.5 总结及未来展望

参考文献2100433B

本书是Wiley系统工程与管理丛书的一部分，聚焦“体系工程”这一新兴方法，旨在解决大型复杂系统所面临的问题。本书汇集了多个国家工业界和学术界专家的智慧，详尽阐述了开放性、工程、架构、建模、仿真、网络中心化、突现性和管理等基本问题，以及体系工程在国防、服务、航空、交通运输、医疗、能源、机器人、基础设施和环境等多个领域中的应用。这些不同专家的视角不仅定义了体系工程中将要面临的挑战，也提供了一些相应的解决方法，是理论和实践相结合的典范。本书是能源、医疗、交通及军事等相关领域系统工程师不可或缺的参考材料。

《公路工程建设执行控制体系理论与应用(第1册)》可作为公路工程建设管理中的工作指南和实用工具，也可作为从事建设项目管理的研究人员、管理人员与工程技术人员的参考用书。

热量传递是工程技术领域常见现象，传热学因此成为许多工程类学科专业的重要技术基础课程。本书是在大学本科传热学基础上的深入与拓展，除介绍高等传热学的主要内容外，重点对某些代表性的传热学的工程应用进行分析讨论。全书共分为8章，前3章为基础理论部分，内容涉及导热问题分析求解的基本方法，对流换热过程的特点与规律性，以及辐射传热原理与计算方法。第4～8章为传热学的专题应用部分，包括建筑环境传热与建筑节能技术，相变传热与蓄热，航天器热控制基础知识，多孔介质中的传热与传质，以及微/纳米尺度下的传热问题等内容。整体编排上既考虑在本科基础上专业知识面的拓宽，同时也尽量兼顾到对学科前沿技术理论的认知。

本书可作为能源动力、化工、冶金等相关专业的硕士生教材，也可作为相关领域工程技术人员的参考书。