民機(jī)研制系統(tǒng)工程若干基本概念的哲學(xué)思考

陳 泳 田 彬 劉澤林 謝友柏 /

(1. 上海交通大學(xué)，上海200240；2. 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

民機(jī)研制系統(tǒng)工程若干基本概念的哲學(xué)思考

陳 泳1田 彬2劉澤林2謝友柏1/

(1. 上海交通大學(xué)，上海200240；2. 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

出于自主創(chuàng)新的需要，國(guó)內(nèi)航空工業(yè)界已逐漸認(rèn)識(shí)到系統(tǒng)工程方法在民機(jī)研制中的重要性。因此，越來(lái)越多的民機(jī)企業(yè)開(kāi)始采用國(guó)際權(quán)威的《民用飛機(jī)與系統(tǒng)研制指南(SAE ARP 4754A)》來(lái)進(jìn)行民機(jī)型號(hào)的研制，以確保民機(jī)型號(hào)研制過(guò)程能滿(mǎn)足適航審查的要求。然而，由于這一指南中的一些基本概念不夠清晰、邏輯也不嚴(yán)密，使得國(guó)內(nèi)民機(jī)工程師難以準(zhǔn)確把握系統(tǒng)工程的本質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)致他們實(shí)施系統(tǒng)工程方法時(shí)面臨著很大的困難。從科學(xué)哲學(xué)、設(shè)計(jì)哲學(xué)等與民機(jī)研制緊密相關(guān)的學(xué)科出發(fā)，對(duì)民機(jī)研制系統(tǒng)工程中的若干基本概念進(jìn)行了剖析，并在此基礎(chǔ)上提出了一組更加清晰的系統(tǒng)工程概念(即行為、作用、功能、需求、要求等)，以方便民機(jī)工程師能更好地理解系統(tǒng)工程方法的本質(zhì)，并能在民機(jī)型號(hào)研制過(guò)程中進(jìn)行應(yīng)用。

系統(tǒng)工程；科學(xué)哲學(xué)；設(shè)計(jì)科學(xué)；4754A；功能；行為；需求；要求

0 引言

民用飛機(jī)是一種典型的巨型復(fù)雜產(chǎn)品，具有系統(tǒng)集成度高、專(zhuān)業(yè)交叉度大、功能關(guān)系復(fù)雜、安全性要求高等特點(diǎn)。因此，民機(jī)型號(hào)研制是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，通常具有周期長(zhǎng)、投入資金大、項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)高、管理難度大等特點(diǎn)。為了確保民機(jī)研制過(guò)程的順利進(jìn)行，國(guó)內(nèi)外航空工業(yè)界普遍認(rèn)為：民機(jī)研制必須采用系統(tǒng)工程方法，以確保民機(jī)型號(hào)的安全性、經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。為此，國(guó)際民航當(dāng)局聯(lián)合了波音、空客等多家民機(jī)企業(yè)編制了《民用飛機(jī)與系統(tǒng)研制指南》(英文名：Guidelines for the Development of Civil Aircraft and Systems，以下簡(jiǎn)稱(chēng)SAE ARP 4754A)[1]，并建議主制造商在民機(jī)型號(hào)研制時(shí)進(jìn)行應(yīng)用，以便于開(kāi)展民機(jī)型號(hào)的適航審查工作。

然而，SAE ARP 4754A中的不少基本概念隱含了國(guó)外民機(jī)工程師過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)成分，缺乏嚴(yán)密的哲學(xué)和邏輯思考，因而在概念的清晰性和邏輯嚴(yán)密性上不可避免地存在著一些問(wèn)題。例如，在SAE ARP 4754A中，功能(Function)的定義和要求(Requirement)的定義存在著邏輯上的相互嵌套問(wèn)題。一方面，功能的定義依賴(lài)于需求，即功能(Function)被定義為“an intended behavior of a product based on a defined set of requirements ......”；而另一方面，要求的定義又反過(guò)來(lái)依賴(lài)于功能，即要求(Requirement)被定義為“an identifiable element of a function specification that can be validated ......”。這些問(wèn)題常常使得國(guó)內(nèi)民機(jī)工程師難以準(zhǔn)確地理解和把握這些概念，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致工程師在型號(hào)研制過(guò)程中難以有效地實(shí)施系統(tǒng)工程方法。

與技術(shù)科學(xué)中的一些相關(guān)概念(如力、電流等)已有清晰的物理定義不同，SAE ARP 4754A中的一些概念本質(zhì)上不屬于自然科學(xué)領(lǐng)域，它們有的來(lái)源于科學(xué)哲學(xué)領(lǐng)域(如行為Behavior)[2]，有的來(lái)源于與技術(shù)科學(xué)緊密相關(guān)的設(shè)計(jì)科學(xué)領(lǐng)域(如功能Function)[3-5]，還有的則甚至來(lái)源于心理學(xué)領(lǐng)域(如需要Need)[6-7]。因此，有必要從哲學(xué)的高度來(lái)對(duì)民機(jī)系統(tǒng)工程中的基本概念進(jìn)行研究，以形成更加清晰、合理的基本概念體系，為建立科學(xué)的民機(jī)系統(tǒng)工程理論服務(wù)。在本研究中，將借助設(shè)計(jì)科學(xué)以及哲學(xué)中的科學(xué)本體論(Scientific Ontology)、主客體關(guān)系、以及意向性理論(Intentionality Theory)等來(lái)對(duì)民機(jī)系統(tǒng)工程所涉及的幾個(gè)基本概念(即Behavior，F(xiàn)unction，Need，Requirement)進(jìn)行分析，并提出一組清晰、合理的民機(jī)系統(tǒng)工程基本概念。

1 行為與作用

系統(tǒng)工程中的一個(gè)基本概念是“行為(Behavior)”，這可以從4754A中關(guān)于功能的定義可以看出來(lái)。但是，4754A中并沒(méi)有對(duì)行為的概念進(jìn)行定義。由于很多工程師和研究人員對(duì)行為概念的認(rèn)識(shí)比較模糊，因此這里借助科學(xué)本體論(Scientific Ontology)來(lái)對(duì)行為概念進(jìn)行澄清?？茖W(xué)本體論由著名唯物主義哲學(xué)家Mario Bunge所建立，從形式本體的角度對(duì)自然物理世界中的概念體系進(jìn)行了定義[2]。另外，4754A中還忽視了“作用(Action)”這個(gè)概念，很多工程師也經(jīng)常把作用誤解成行為。由于作用(Action)概念也是科學(xué)本體論中的一個(gè)基本概念，且在產(chǎn)品研制過(guò)程中經(jīng)常涉及，因此這里也將對(duì)科學(xué)本體論中的作用概念進(jìn)行介紹。

1.1 行為(Behavior)

根據(jù)科學(xué)本體論，行為(Behavior)是指一個(gè)客觀對(duì)象(事物)的狀態(tài)在一段時(shí)間內(nèi)的變化過(guò)程[2,4]。一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子是：汽車(chē)從A地運(yùn)動(dòng)到B地。一種特殊的行為是靜態(tài)行為，也就是對(duì)象的狀態(tài)在一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有變化。根據(jù)科學(xué)本體論，行為有如下基本特征：

首先，從主客體關(guān)系來(lái)說(shuō)，行為具有一個(gè)主體(Subject)，但沒(méi)有客體(Object)。例如，在上述汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)行為例子中，汽車(chē)是主體，但沒(méi)有客體。

其次，行為的描述通常由不及物動(dòng)詞(或短語(yǔ))來(lái)完成，這與行為不涉及客體一致。在上述汽車(chē)的例子中，運(yùn)動(dòng)就是一個(gè)不及物動(dòng)詞。

再次，由于行為描述了對(duì)象在客觀物理世界中的狀態(tài)變化，因此它可以用客觀物理變量(狀態(tài)變量)從輸入到輸出的變化來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的表示。例如，汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)可以被表示成：{Input: location(Car) = “A”; Output: location(Car) = “B”}。

最后，行為通常與一些副詞短語(yǔ)組合在一起以描述其具體的狀態(tài)變化情況。例如，汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)是從A地到B地。

另外，需要說(shuō)明的是：行為一般還可以被分為自發(fā)行為和受激行為。自發(fā)行為是指事物在無(wú)外部作用(或外部作用不可知)情況下的自然狀態(tài)變化，如地球的自轉(zhuǎn)行為。受激行為是指事物在外部作用下展現(xiàn)出的狀態(tài)變化，如當(dāng)彈簧被施加拉力時(shí)，彈簧自身的伸長(zhǎng)行為(長(zhǎng)度變長(zhǎng))。在描述受激行為的時(shí)候，認(rèn)知的主體并不關(guān)心(或忽略)行為的激勵(lì)方。

1.2 作用(Action)

作用在自然界中廣泛存在。根據(jù)科學(xué)本體論，作用(Action)可以被簡(jiǎn)單地認(rèn)為是一個(gè)客觀對(duì)象對(duì)于另一個(gè)客觀對(duì)象所施加的直接影響而導(dǎo)致后者發(fā)生的狀態(tài)變化。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是：電熱水壺加熱水。根據(jù)科學(xué)本體論，作用的概念有如下幾個(gè)基本特征：

首先，從主客體關(guān)系來(lái)說(shuō)，作用同時(shí)具有主體(Subject)和客體(Object)。在上述電熱水壺加熱水的作用中，主體是電熱水壺(即其中的電熱絲)，客體是水。

其次，作用的描述通常需要用及物動(dòng)詞(或短語(yǔ))來(lái)完成，如前面作用例子中的動(dòng)詞“加熱(heat)”。這與作用需要涉及客體(即賓語(yǔ))的特征保持一致，而與行為的描述需要用不及物動(dòng)詞完全不同。

再次，作用一般關(guān)注的客體的狀態(tài)變化，這與行為概念關(guān)注主體的狀態(tài)變化有著明顯的區(qū)別。在“電熱水壺加熱水”的例子中，我們更多關(guān)注客體水的變化(溫度升高)，而不是電熱水壺的狀態(tài)變化。

最后，作用通?？梢詫?duì)應(yīng)一定的客觀物理法則，這種法則其實(shí)隱含了特定的作用方式。例如，在“電熱水壺加熱水”的例子中，被隱含的作用方式應(yīng)該是“熱傳遞”。因此，一種更完整(顯性)的作用描述應(yīng)該是：電熱絲通過(guò)熱傳遞方式加熱水。

從上面的分析可以看出，作用與行為存在著根本的區(qū)別。對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言，行為與作用常常都會(huì)出現(xiàn)在一個(gè)產(chǎn)品中，因此在系統(tǒng)工程中必須關(guān)注這兩個(gè)概念。

2 功能

2.1 定義

在SAE ARP 4754A中，給出了一個(gè)初步的功能定義，具體如下：

A function refers to an intended behavior of a product based on a defined set of requirements regardless of implementation.

根據(jù)這個(gè)定義，功能是指一種被想要的產(chǎn)品行為(Behavior)，該行為以一組已定義過(guò)的要求(Requirements)為基礎(chǔ)，且不考慮如何實(shí)施/實(shí)現(xiàn)(regardless of implementation)。該定義的合理性在于：它認(rèn)為功能不應(yīng)該考慮具體的實(shí)施方案或?qū)崿F(xiàn)。這和設(shè)計(jì)科學(xué)中功能應(yīng)該保持解中立/獨(dú)立(Solution-neutral)一致的理念相符合[3-4]。

但是，4754A中關(guān)于功能的定義存在著兩大缺陷。一個(gè)缺陷是功能定義與要求(Requirement)的定義存在著邏輯上的相互引用，這在本文的引言中已經(jīng)進(jìn)行了分析。另一個(gè)缺陷是它把功能看成是一種行為(Behavior)，但是卻沒(méi)有給行為一個(gè)明確的定義。根據(jù)前面的分析，行為是指一個(gè)客觀對(duì)象的狀態(tài)在一段時(shí)間內(nèi)的變化情況。因此，功能也應(yīng)該是指某個(gè)對(duì)象自身的狀態(tài)變化，所以只能用不及物動(dòng)詞來(lái)表述。這與設(shè)計(jì)科學(xué)中的常識(shí)相違背，因?yàn)橐话阏J(rèn)為產(chǎn)品的功能應(yīng)該用“動(dòng)詞+賓語(yǔ)”形式來(lái)描述(如電水壺的功能可以被描述成“加熱水”)。

根據(jù)功能一般用“動(dòng)詞+賓語(yǔ)”語(yǔ)法來(lái)描述的特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)功能應(yīng)該更接近于科學(xué)本體論中的作用(Action)概念，這更符合實(shí)際的邏輯。例如，通常可以說(shuō)電水壺有加熱水的作用，也可以說(shuō)微波爐有加熱食物的功能。

設(shè)計(jì)科學(xué)研究認(rèn)為：產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)從主觀意向性世界(需求)向客觀物理世界(物質(zhì)產(chǎn)品)不斷演化的過(guò)程[4, 8]。其中，功能(Function)應(yīng)該是一個(gè)處于這兩個(gè)世界間的中間世界概念。結(jié)合工程設(shè)計(jì)學(xué)[3]研究對(duì)于功能的理解，本研究對(duì)功能做如下定義：

一個(gè)(待設(shè)計(jì))系統(tǒng)的功能是指工程師在大腦中形成的關(guān)于系統(tǒng)對(duì)其外部環(huán)境(對(duì)象)作用的抽象，以期望對(duì)不滿(mǎn)意的外部環(huán)境(對(duì)象)進(jìn)行改變以達(dá)到滿(mǎn)意的狀態(tài)。

2.2 概念比較分析

由于功能與作用這兩個(gè)概念很相近，因此這里將先對(duì)它們進(jìn)行分析比較，以明確它們之間的差異。首先，(客觀物理)作用一般包含了特定的作用方式，以明確作用如何發(fā)生；功能是對(duì)作用的抽象，不包含特定的作用方式，以保持功能描述的解無(wú)關(guān)性(即獨(dú)立于具體的技術(shù)原理實(shí)施)。其次，作用存在于客觀物理世界中，而功能則因?yàn)榻?jīng)過(guò)了人的抽象化，所以只存在于人的思維活動(dòng)中，是人腦對(duì)于客觀作用的抽象化概括，這也和設(shè)計(jì)科學(xué)中的No function in structure(即物理結(jié)構(gòu)本身不存在功能)理論一致。最后，功能所體現(xiàn)的都是對(duì)于人類(lèi)有價(jià)值的作用的概括，因此不包含那些對(duì)人類(lèi)無(wú)價(jià)值、甚至有害的副作用；而作用則是客觀存在，它不僅包含了有利作用，還包含了那些副作用。因此，可以認(rèn)為功能是一種抽象的、有價(jià)值的作用(與解無(wú)關(guān))，其描述了應(yīng)該對(duì)外部對(duì)象或環(huán)境(客體)進(jìn)行何種狀態(tài)改變以滿(mǎn)足人類(lèi)的需要。

另外，一個(gè)值得討論的問(wèn)題是：是否有行為可以被看作功能？在缺乏對(duì)功能的哲學(xué)基礎(chǔ)深刻認(rèn)識(shí)的情況下，民機(jī)工程實(shí)踐中確實(shí)存在這種情況。例如，不少人認(rèn)為：飛機(jī)的一個(gè)基本功能是“飛行”。從科學(xué)本體論的角度來(lái)看，飛行應(yīng)該是飛機(jī)的一個(gè)行為，因?yàn)轱w行(fly)是一個(gè)不及物動(dòng)詞，它代表了飛機(jī)在大氣中的移動(dòng)行為。因此，從嚴(yán)格的科學(xué)本體論的角度來(lái)看，飛行不能被認(rèn)為是飛機(jī)的功能。由于飛機(jī)在飛行的過(guò)程中在不斷地推動(dòng)空氣，所以飛機(jī)在飛行時(shí)的本體功能應(yīng)該是推動(dòng)空氣。在實(shí)際定義飛機(jī)的功能時(shí)，究竟是沿用工程習(xí)慣(如選擇“飛行”)，還是追求理論完美(如選擇“推動(dòng)空氣”)，是一個(gè)開(kāi)放的問(wèn)題，可以根據(jù)企業(yè)的實(shí)際情況來(lái)決定。作者的建議是：如果選擇沿用工程習(xí)慣，那么在定義飛機(jī)功能時(shí)，應(yīng)該區(qū)分作用類(lèi)功能(Action-based Function，簡(jiǎn)稱(chēng)FA)和行為類(lèi)功能(Behavior-based Function，簡(jiǎn)稱(chēng)FB)。并且，應(yīng)該有意識(shí)地把行為類(lèi)功能繼續(xù)澄清為作用類(lèi)功能。例如，當(dāng)工程師給出了行為類(lèi)功能“飛行”時(shí)，應(yīng)該要求他們做嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋倔w分析，繼續(xù)定義出基于本體的作用類(lèi)功能“推動(dòng)空氣”。只有這樣，才便于工程師在功能定義時(shí)判斷功能之間的獨(dú)立性。

3 需求

3.1 定義

嚴(yán)格地說(shuō)，需求這個(gè)詞在中文里是一個(gè)模糊的概念?！靶枨蟆敝械摹靶琛笨梢岳斫鉃椤靶枰?Need)”，而“求”則可以有兩種解釋?zhuān)骸白非蟆被颉耙蟆?。在英文中，“追求”的本質(zhì)是want或desire，而“要求”則來(lái)源于require。因此，如果“需求”是“需要”和“追求”的組合，則本質(zhì)上它是兩個(gè)同義詞的重疊，更適合于理解為“需要(Need)”；另一方面，如果“需求”是“需要(Need)”和“要求(Requirement)”的組合，則它是一個(gè)涉及兩個(gè)概念的復(fù)合詞。在民機(jī)研制系統(tǒng)工程中究竟用哪一種需求概念的理解，取決于大家的約定。從哲學(xué)的角度來(lái)看，筆者認(rèn)為把需求理解為Need(需要)更好，原因在于：一方面，基于這樣的理解，需求的概念比較簡(jiǎn)單、清晰，不容易混淆；另一方面，在設(shè)計(jì)科學(xué)研究和工程實(shí)踐中，不需要每次都反復(fù)地說(shuō)明需求究竟是指需要還是指要求，因而更加方便應(yīng)用。另外，簡(jiǎn)單、清晰的概念也會(huì)方便對(duì)需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)化建模和表示，這對(duì)于研制下一代需求管理平臺(tái)具有重要意義。因此，下面從Need(需要)的角度來(lái)分析需求概念的內(nèi)涵和特征。需要說(shuō)明，4754A中基本不涉及需求(Need),這也是4754A作為民機(jī)系統(tǒng)工程指南的一個(gè)缺陷。

需求(Need)在本質(zhì)上來(lái)源人的心理反應(yīng)，因此需求屬于心靈哲學(xué)(Philosophy of Mind)的研究范疇。注意：這里的需求不同于(市場(chǎng))需求，后者是指市場(chǎng)上需要某種產(chǎn)品的數(shù)量。在設(shè)計(jì)科學(xué)中，需求被認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新的源動(dòng)力[4-5]。設(shè)計(jì)科學(xué)研究認(rèn)為：需求是指人類(lèi)對(duì)于環(huán)境(或其中的對(duì)象)的不滿(mǎn)而產(chǎn)生的改善環(huán)境(或其中的對(duì)象)的渴望[3-5]。因此，這種需求也可以被稱(chēng)為設(shè)計(jì)需求，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致新設(shè)計(jì)的出現(xiàn)。顯然，設(shè)計(jì)需求的滿(mǎn)足必須依靠設(shè)計(jì)出新的產(chǎn)品、系統(tǒng)或服務(wù)來(lái)滿(mǎn)足。

由于設(shè)計(jì)需求源于心靈哲學(xué)，在本質(zhì)上是意向性(Intentionality)的體現(xiàn)，因此可以用心靈哲學(xué)中的意向性理論來(lái)對(duì)其進(jìn)一步分析。意向性理論中的一個(gè)概念是Inexistence，這是一個(gè)具有雙重內(nèi)涵的詞[6]。一方面，它可以指需求的內(nèi)化存在性(In-existence)，即需求存在于人的思維活動(dòng)中。另一方面，它又可以指需求的不存在性(Non-existence)，即需求可能并不存在于現(xiàn)實(shí)的物理世界。根據(jù)我們對(duì)于設(shè)計(jì)過(guò)程的研究[4]，需求的non-existence現(xiàn)象常常源于人類(lèi)在最開(kāi)始表達(dá)需求時(shí)對(duì)于客觀物理世界的主觀(扭曲的)概念化。例如，當(dāng)用戶(hù)在洗頭后覺(jué)得頭發(fā)濕而產(chǎn)生了干燥(濕)頭發(fā)的需求時(shí)，他/她已經(jīng)對(duì)客觀物理世界進(jìn)行了主觀概念化。借用輸入-輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)化表達(dá)，這一需求其實(shí)已經(jīng)被主觀的概念化為如下形式：{Input: 狀態(tài)(頭發(fā))= “濕”; Output: 狀態(tài)(頭發(fā))= “干”)}。由于在客觀物理世界中，頭發(fā)并不存在所謂的“濕”狀態(tài)和“干”狀態(tài)，頭發(fā)就是頭發(fā)，濕頭發(fā)的本質(zhì)是頭發(fā)和水混合在一起，因此上述輸入-輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)化已經(jīng)是對(duì)頭發(fā)的一種主觀概念化，更客觀的輸入輸出狀態(tài)變化表示應(yīng)該是：{Input:(location(Hair) == location (Water) ; Output: (location(Hair) <>location(Water)}[4]。這一客觀的表示實(shí)際上是指在輸入(開(kāi)始)時(shí)頭發(fā)(Hair)與水(Water)的位置是一樣的(表明頭發(fā)是濕的)，而在輸出(結(jié)束)時(shí)頭發(fā)與水處在不一樣的位置(表明頭發(fā)已經(jīng)干了)。需求的主觀性這一特征是由人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的過(guò)程性所決定的，因?yàn)槿祟?lèi)通常不是一開(kāi)始就能抓住客觀世界的本質(zhì)，因此在發(fā)現(xiàn)需求時(shí)，總習(xí)慣于用主觀的語(yǔ)言來(lái)描述需求。

需要說(shuō)明：設(shè)計(jì)需求通?？梢苑譃閮深?lèi)：工程技術(shù)需求和社會(huì)精神需求。顯然，社會(huì)精神需求通常是主觀的、模糊的。例如，“娛樂(lè)乘客”需求就是一個(gè)社會(huì)精神層次的需求，它是含糊的，因?yàn)闆](méi)有點(diǎn)明客觀、清晰的娛樂(lè)方法(如收聽(tīng)音樂(lè))。另外，即便是很多工程技術(shù)需求，也并不都是清晰的、客觀的，例如干燥頭發(fā)的需求，飛機(jī)的導(dǎo)航需求等。注意：導(dǎo)航本身包含了一系列復(fù)雜的人、機(jī)、環(huán)交互，因此并不清晰，所以仍屬于一個(gè)主觀的概念。

3.2 比較分析

雖然需求與功能存在著比較大的相似性，但根據(jù)設(shè)計(jì)科學(xué)研究，這兩個(gè)概念之間還是存在著比較大的差別。

首先，兩個(gè)概念的主體不一樣。因?yàn)樾枨笫侨祟?lèi)的心理活動(dòng)反應(yīng)的體現(xiàn)，所以需求的主體是人類(lèi)。因此，嚴(yán)格意義上，只有說(shuō)人有需求(例如，小王需要干燥頭發(fā))。相比較而言，功能的主體是物體(產(chǎn)品)，因此只能說(shuō)產(chǎn)品有功能(例如，吹風(fēng)機(jī)的功能是分離頭發(fā)和水)。

其次，需求描述通常是模糊的、主觀的，而功能描述則應(yīng)該是清晰、客觀的。例如，可以說(shuō)“吹干頭發(fā)”是一種需求，但在嚴(yán)格意義上不能說(shuō)“吹干頭發(fā)”是一種功能(盡管在生活習(xí)慣中會(huì)這么說(shuō))，因?yàn)榇蹈深^發(fā)這樣的描述并不是客觀的(原因如前所述)[4]。為了保證邏輯的連貫性、以及與生活習(xí)慣相符合，一些研究人員建議采用目的功能(Purpose Function)這個(gè)概念來(lái)描述吹風(fēng)機(jī)所具有的“吹干頭發(fā)”這類(lèi)表述不清晰的功能。在筆者看來(lái)，為了與Function這一概念劃分清晰，一種更合理的解決方法是用目的/目標(biāo)(Purpose)來(lái)指代目的功能這樣的概念。但是，這可能使工程師不習(xí)慣。具體采用Purpose Function還是Purpose可以由民機(jī)工業(yè)界自行約定。一個(gè)建議是：假定希望采用目的功能這樣的概念，在使用時(shí)不要省略“目的”這個(gè)詞，以與前面的功能概念相區(qū)分。

最后，需求很多時(shí)候可以不用“動(dòng)詞+名詞”的組合來(lái)表述，而功能則必須這樣。例如，飛機(jī)有安全性需求，安全性被看做是飛機(jī)的一個(gè)屬性，而非一項(xiàng)功能。當(dāng)然，在工程實(shí)踐中為了確保安全性，可以用多種功能模塊來(lái)確保安全性。因此，安全性是一個(gè)相對(duì)比較模糊的概念。

4 要求

4.1 定義

在4754A中，關(guān)于要求的定義如下：

A requirement refers to an identifiable element of afunction specification that can be validated and against which an implementation can be verified.

上述定義的字面意義是：一條要求是功能規(guī)約(Function specification)中的一條可識(shí)別元素，該功能規(guī)約應(yīng)該具有明確的可確認(rèn)性和可驗(yàn)證性。在上述定義中，一個(gè)缺點(diǎn)是不應(yīng)該把function放在specification前，因?yàn)閟pecification中可以不限于function，還可以包含行為、作用、結(jié)構(gòu)等方面的、乃至邏輯關(guān)系方面的要求。從4754A中關(guān)于要求(Requirement)和規(guī)約(Specification)的定義來(lái)看，它是與設(shè)計(jì)科學(xué)中關(guān)于要求(Requirement)的定義是一致的。需要說(shuō)明：4754A的要求(Requirement)概念與起源于軟件需求工程中的需求(Requirement)概念存在著較大的差異，盡管它們?cè)谟⒄Z(yǔ)中都是Requirement。軟件需求工程中的需求涉及范圍很廣，包含了“用戶(hù)為解決某個(gè)問(wèn)題或達(dá)到某個(gè)目標(biāo)所需要的條件或能力”或者“一個(gè)系統(tǒng)或系統(tǒng)組件為實(shí)現(xiàn)某個(gè)契約、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)約或其它需要遵循的文件而必須滿(mǎn)足的條件或擁有的能力”[9]。因此，這是一個(gè)被大大泛化的概念，它涵蓋了設(shè)計(jì)科學(xué)中的多種概念(如Need,Purpose，F(xiàn)unction, Solution等)，與4754A中的概念存在著比較大的差異。因此，這里仍以4754A中的要求概念為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行討論。

以4754A中的要求(Requirement)概念為基礎(chǔ)，可以把要求定義成關(guān)于待設(shè)計(jì)產(chǎn)品的特征或?qū)傩?Attribute)的量化約束，這與設(shè)計(jì)科學(xué)中的概念基本保持一致[3]。例如，一個(gè)要求的例子是：飛機(jī)的載客量必須達(dá)到160座。從設(shè)計(jì)科學(xué)的角度來(lái)看，要求主要是指技術(shù)和經(jīng)濟(jì)要求，因?yàn)橹挥羞@些要求才具有足夠的可量化性。

4.2 分類(lèi)

根據(jù)設(shè)計(jì)科學(xué)，從技術(shù)上描述一個(gè)產(chǎn)品主要有四個(gè)方面，功能、作用、行為和結(jié)構(gòu)。因此，要求從技術(shù)上主要可以分為功能要求、作用要求、行為要求和結(jié)構(gòu)要求。另外，還有一些與飛機(jī)全生命周期運(yùn)營(yíng)相關(guān)的要求，如維修性要求(如保養(yǎng)周期)、可靠性要求(如事故率)等。當(dāng)然，還有一些非技術(shù)要求，如經(jīng)濟(jì)性要求，這里不做探討。

功能要求是指對(duì)于產(chǎn)品功能特性方面的量化技術(shù)要求。由于功能要求是對(duì)功能的量化，因此必須和功能緊密關(guān)聯(lián)。由于產(chǎn)品的功能主要有三方面的因素，即輸入、輸出和過(guò)程，因此產(chǎn)品功能要求一般有三個(gè)方面的要求：對(duì)于輸入的量化要求對(duì)于輸出的量化要求以及對(duì)于功能完成過(guò)程的性能的要求。例如，飛機(jī)有一個(gè)功能是推動(dòng)空氣，那么飛機(jī)應(yīng)該有一些關(guān)于推動(dòng)空氣的具體要求：如對(duì)于輸入空氣的流量/壓力要求對(duì)于輸出空氣的流量/壓力要求以及對(duì)空氣的作用力大小的要求。這些與推動(dòng)空氣相關(guān)的要求后續(xù)將被傳遞到飛機(jī)的相關(guān)系統(tǒng)和組件(如發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)翼等)上面。

作用要求是指對(duì)產(chǎn)品或系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)某個(gè)功能時(shí)所采用的物理作用的量化技術(shù)要求。顯然，作用要求與功能要求具有一定的重合度。但是，作用要求又會(huì)與功能要求存在一定的差異。如前所述，功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程中不僅涉及正面作用(直接貢獻(xiàn)于功能的有利作用)，還經(jīng)常有副作用(其中可能有負(fù)面作用)。顯然，嚴(yán)格意義上的功能不會(huì)涉及這些副作用，因此功能要求也就不應(yīng)該包含那些副作用要求。例如，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)副作用是輸出噪聲，顯然對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲要求不應(yīng)該被看成是對(duì)于飛機(jī)功能要求的一部分。需要說(shuō)明的是：有些工程師會(huì)把對(duì)于這類(lèi)副作用的要求放在性能要求中，但會(huì)帶來(lái)如何區(qū)分功能要求、性能要求等問(wèn)題。

行為要求是指對(duì)于產(chǎn)品行為特性方面的量化技術(shù)要求。例如，飛機(jī)有一個(gè)行為是飛行，那么與這個(gè)行為相關(guān)的量化技術(shù)要求就包含了：最大飛行距離(航程)、最大飛行速度、最大飛行高度(升限)等。需要說(shuō)明的是：在一些民機(jī)工程實(shí)踐中，由于缺乏對(duì)功能和行為之間的嚴(yán)格區(qū)分，行為要求也常常被歸納進(jìn)功能要求中。但是，由于行為要求不涉及輸入、輸出，它與功能要求在表達(dá)的形式上會(huì)存在著較大的差異。這種差異對(duì)于研制下一代的結(jié)構(gòu)化需求管理平臺(tái)具有重要意義，原因在于不同的需求類(lèi)型會(huì)需要不同的結(jié)構(gòu)化表達(dá)形式。

結(jié)構(gòu)要求是指對(duì)于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征方面的量化技術(shù)要求。例如，對(duì)于飛機(jī)的結(jié)構(gòu)要求可以有長(zhǎng)度要求、寬度(翼展)要求、高度要求等幾何尺寸要求。另外，重量要求也可以看成是結(jié)構(gòu)要求。但是，載重量(如最大起飛重量)不可以被看成結(jié)構(gòu)要求，因?yàn)樗惋w機(jī)的載客/載貨功能直接相關(guān)，而應(yīng)該看成是飛機(jī)的功能要求。

另外，還有一種技術(shù)要求是邏輯要求，主要描述了各種功能之間的邏輯關(guān)系，如時(shí)序先后關(guān)系，AND/OR/關(guān)系等[3]。限于篇幅，這里不做贅述。

從上面的分析可以看出，產(chǎn)品的要求往往很具體，與產(chǎn)品的功能、行為、作用、結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)，必須具有可驗(yàn)證的特征。因此，關(guān)于產(chǎn)品的要求一般應(yīng)該在形成產(chǎn)品的初步概念以后再進(jìn)行定義、細(xì)化，而不能在產(chǎn)品概念尚未形成時(shí)就盲目定義。

5 結(jié)論

本文對(duì)民機(jī)與系統(tǒng)研制的系統(tǒng)工程指南(SAE ARP 4754A)中的若干基本概念進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：目前的系統(tǒng)工程指南存在著概念不夠清晰、邏輯性不強(qiáng)以及體系不完整等問(wèn)題。因此，本文借助科學(xué)哲學(xué)和設(shè)計(jì)科學(xué)等與民機(jī)研制系統(tǒng)工程緊密相關(guān)的學(xué)科理論對(duì)這些概念的內(nèi)涵進(jìn)行了分析，以期望為民機(jī)系統(tǒng)工程澄清行為、功能、要求等概念，并從科學(xué)哲學(xué)和設(shè)計(jì)科學(xué)中引入了需求、作用等概念，以期望彌補(bǔ)現(xiàn)有民機(jī)系統(tǒng)工程理論中的概念不完整問(wèn)題。需要說(shuō)明，民機(jī)研制系統(tǒng)工程是一個(gè)非常復(fù)雜的交叉學(xué)科，本文的研究結(jié)果僅對(duì)民機(jī)研制系統(tǒng)工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義，民機(jī)工程師在實(shí)踐時(shí)仍需要根據(jù)具體情況進(jìn)行靈活調(diào)整和應(yīng)用。

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The Basic Concepts of the Systems Engineering Approaches for Civil Aircraft Development

CHEN Yong1TIAN Bin2LIU Zelin2XIE Youbai1

(1. Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

To achieve the goal of independent innovation, the aircraft industry in China has increasingly realized that it is significant to implement the systems engineering approaches in the civil aircraft development process. Therefore, more and more companies are trying to adopt theGuidelinesfortheDevelopmentofCivilAircraftandSystems(i.e., SAE ARP 4754A), which is recommended by international civil aircraft organizations (e.g., FAA, EASA) as a convincible approach for developing civil aircraft types that can meet airworthiness requirements. Since some basic concepts in the guidelines are still inexplicit, it is difficult for system engineers to explicitly understand the guidelines and to implement them in the aircraft development practice. Therefore, this paper has employed Scientific Philosophy and Design Science to analyze the shortcomings of some fundamental concepts in SAE ARP 4754A, and then proposes a new set of explicit concepts for systems engineering, includingbehavior,action,function,needand requirement. It is expected that it is easier for domestic engineers in the civil aircraft industry to understand the essence of the systems engineering approaches with such more explicit concepts, and to implement the approaches in the development of civil aircraft.

systems engineering; scientific philosophy;design science; 4754A; function; behavior; need; requirement

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.03.007

陳泳男，博士，副教授，博士生導(dǎo)師。本文通訊作者，主要研究方向：設(shè)計(jì)科學(xué)，系統(tǒng)工程，創(chuàng)新設(shè)計(jì)，知識(shí)工程等。Tel: 021-34206247,E-mail: mechenyong@sjtu.edu.cn

項(xiàng)目受工信部民機(jī)專(zhuān)項(xiàng)MIZ-2015-J-108資助。

V37

：A

田彬女，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：系統(tǒng)工程，需求管理，總體設(shè)計(jì)等。Tel：021-20865665,E-mail: tianbin_1978@sina.com

劉澤林男，博士，高級(jí)工程師。主要研究方向：系統(tǒng)工程，民機(jī)適航等。Tel: 021-20880458,E-mail: liuzelin@comac.cc謝友柏男，教授，院士，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：設(shè)計(jì)科學(xué)，系統(tǒng)工程，創(chuàng)新設(shè)計(jì)，摩擦學(xué)等。Tel: 021-34208037,E-mail: ybxie@sjtu.edu.cn