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第1章 体系介绍1

1.1 概述1

1.2 体系定义1

1.3 体系中的挑战性问题2

1.3.1 理论问题2

1.3.2 实施问题5

1.4 总结14

参考文献14

第2章 实现体系工程的开放式系统方法16

2.1 引言16

2.2 开放式系统的概念17

2.3 开放式系统的原则18

2.3.1 开放接口的原则19

2.3.2 协作的原则19

2.3.3 自治的原则20

2.3.4 突现的原则21

2.3.5 保护的原则21

2.3.6 可重构的原则22

2.3.7 互利的原则22

2.3.8 模块性的原则23

2.4 实现体系工程的开放式系统方法23

2.5 总结29

2.6 讨论问题30

参考文献30

第3章 体系工程32

3.1 引言32

3.2 背景33

3.2.1 角色和职责33

3.2.2 传统系统工程与体系工程33

3.2.3 ISO/IEC/IEEE 15288系统工程——系统生命周期过程34

3.3 定义35

3.3.1 系统（目标系统）35

3.3.2 体系36

3.3.3 系统联邦37

3.3.4 体系工程和目标系统工程38

3.3.5 首席系统整合师（LSI）38

3.3.6 企业系统工程38

3.3.7 复杂系统38

3.3.8 复杂自适应系统39

3.4 体系工程的动机39

3.4.1 政府会计办公室的研究39

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39

3.4.3 太空系统40

3.5 联邦制度的管理原则40

3.5.1 Handy五原则41

3.5.2 Handy五原理42

3.6 结构化方法——为系统工程定义人员角色和职责43

3.6.1 定义关键术语和概念44

3.6.2 为系统工程和管理功能开发框架44

3.6.3 总结与体系工程及管理相关的挑战45

3.6.4 构建体系内各系统工程团体间的信息流模型45

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45

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46

3.6.7 示例46

3.7 涉及体系工程的案例研究49

3.7.1 验证49

3.7.2 案例学习研究的好处53

3.8 总结54

参考文献54

第4章 体系架构57

4.1 复杂系统结构57

4.1.1 复杂系统的属性57

4.1.2 体系58

4.1.3 体系架构对比系统架构：架构挑战59

4.2 可进化的系统架构60

4.2.1 全球信息栅格61

4.2.2 网络中心化运作62

4.2.3 动态变化的元架构62

4.3 体系架构支撑器：人工生命的作用64

4.3.1 群体智能66

4.3.2 多个体模型67

4.3.3 可进化的建模67

4.3.4 架构突现行为分析68

4.4 总结69

参考文献70

第5章 体系工程建模与仿真72

5.1 介绍72

5.1.1 互操作性级别73

5.2 M＆S基础框架回顾74

5.2.1 DEVS建模和仿真76

5.2.2 XML和DEVS76

5.3 基于模型的工程77

5.4 SoS体系结构建模：DoDAF、UML和系统工程法则79

5.5 使用DEVS M＆S进行系统的系统测试和评估81

5.5.1 DEVS测试和评估的技术状态81

5.5.2 把基于模型连贯性的生命周期方法分为两部分82

5.6 试验框架概念83

5.7 SoS测试和评估试验框架84

5.8 DEVS统一处理过程和其面向服务的实现85

5.8.1 DEVSML的协同运作开发87

5.8.2 DEVS/SOA：使用仿真服务的网络中心化实现88

5.8.3 完整的DEVS统一处理过程90

5.9 应用：无线异构传感器网络下的体系工程仿真93

5.9.1 SoS的威胁探测仿真（数据搜集）95

5.9.2 小结98

5.10 应用：代理实现测试仪器系统98

5.10.1 示例：协作会话计时仪器98

5.10.2 分布式测试联盟99

5.10.3 分布式多级测试联盟100

5.10.4 分析能力103

5.10.5 测试仪表系统的校核／验证103

5.10.6 潜在的问题和缺点104

5.11 总结105

参考文献106

第6章 网络中心化和体系109

6.1 网络中心化综述109

6.2 网络支撑的系统交互111

6.2.1 按需提供信息111

6.2.2 按需提供服务112

6.2.3 普遍性和连通性程度112

6.2.4 语法和语义协同能力113

6.3 服务交互的机构范围和上下关联表示113

6.4 信息保证114

6.5 网络中心化体系架构115

6.5.1 面向服务的架构115

6.5.2 一个简单的网络中心化体系架构的例子116

6.5.3 网络中心化SOA的诞生116

6.5.4 人在SOA中的角色117

6.5.5 形成网络中心化架构文档资料117

6.5.6 网络中心化SOA的公共部分117

6.5.7 NCE架构考虑118

6.5.8 网络中心化系统架构师的角色119

6.6 结论120

参考文献121

第7章 体系的突现性122

7.1 体系问题域122

7.1.1 体系问题域的特性123

7.1.2 体系工程124

7.2 突现性的性质125

7.2.1 突现性的哲学看法126

7.2.2 突现性的方法论观点127

7.2.3 突现性的公理基础129

7.3 应对突现性131

7.3.1 体系中应对突现性的设计考虑131

7.3.2 运作并维护突现性考虑134

7.4 对认识和挑战的总结134

参考文献135

第8章 体系管理137

8.1 引言137

8.2 构筑基础：体系哲学138

8.3 体系管理中的悖论139

8.3.1 边界悖论140

8.3.2 控制悖论140

8.3.3 团队悖论141

8.4 构建背景：体系特征143

8.4.1 自治性143

8.4.2 从属性144

8.4.3 连通性144

8.4.4 多样性145

8.4.5 突现性145

8.4.6 这些特征的悖论146

8.5 描述一个体系——纽约黄色出租车系统案例研究148

8.5.1 自治性149

8.5.2 从属性149

8.5.3 连通性149

8.5.4 多样性150

8.5.5 突现性151

8.6 总结152

参考文献153

第9章 国防部体系工程157

9.1 背景157

9.2 体系工程的国防部考虑158

9.3 目前国防部的体系159

9.4 系统地比较系统和体系160

9.5 体系工程的核心元素161

9.5.1 将体系能力目标转换成随时间变化的高级需求161

9.5.2 理解体系的组成部分及其随时间变化的关系162

9.5.3 评估体系随时间变化满足能力目标的范围162

9.5.4 开发、演进并维护体系的设计162

9.5.5 监控并评估体系性能变化产生的潜在影响162

9.5.6 在体系和解决方案可选项上应对新需求162

9.5.7 精心策划的体系升级163

9.6 体系工程的突现法则163

9.7 未来方向164

感谢165

参考文献165

第10章 波音公司电子支持商用航线的体系工程方法167

10.1 波音电子支持介绍167

10.2 波音的电子支持航线项目规划168

10.2.1 捆绑思路169

10.3 波音电子支持技术体系结构170

10.3.1 机载必需体系结构171

10.3.2 机载必需体系结构要素172

10.3.3 映射到实现176

10.3.4 基础设施实现176

10.4 电子支持应用178

10.4.1 电子飞行包179

10.4.2 飞机健康管理179

10.4.3 维护性能工具箱179

10.5 电子支持的波音787181

10.6 波音787的波音Gold Care181

10.7 总结183

第11章 关于基础设施的体系观点184

11.1 概念184

11.2 通用概念和模型185

11.2.1 关于参考模型：基础设施层次模型185

11.2.2 行业比较186

11.3 可持续的居住型能源基础设施188

11.4 灵活的合成燃气基础设施190

11.5 研究概述193

11.5.1 基础设施系统中的可靠性和危险性193

11.5.2 基础设施系统设计中的不确定性194

11.5.3 如何捍卫公共目标194

11.5.4 如何应对转变194

11.5.5 跨行业的通用问题194

11.6 总结和讨论194

参考文献195

第12章 无线传感器网络进展：体系视角下的案例研究197

12.1 体系综述197

12.2 作为体系的传感器网络198

12.3 容错设计199

12.4 决策制定202

12.4.1 交互指标203

12.4.2 Choquet积分203

12.4.3 激励的例子204

12.5 总结207

参考文献207

第13章 服务体系209

13.1 服务系统209

13.1.1 突现的电子服务211

13.1.2 与制造的关系212

13.1.3 走向大规模定制213

13.2 系统组成部分214

13.2.1 人215

13.2.2 流程215

13.2.3 产品217

13.3 系统集成218

13.3.1 组成部分集成218

13.3.2 决策集成219

13.3.3 组织集成221

13.4 总结223

感谢224

参考文献225

第14章 空间探测体系工程227

14.1 空间探测体系的关键问题227

14.1.1 软件变成了什么227

14.1.2 需求的复杂性及增长229

14.1.3 接口复杂性及增长231

14.1.4 技术性能测量和技术裕量管理233

14.1.5 电子、电气和电动机械（EEE）零部件和常见故障234

14.1.6 一体化的风险管理235

14.1.7 关键路线执行和失败的后果236

14.1.8 跨巨大团体的ITAR和所有权问题237

14.1.9 地理分布237

14.1.10 体系工程师的关键品质、训练和实践239

14.2 空间探测体系工程的发展240

14.2.1 国际空间站（ISS）240

14.2.2 火星科学实验室（Mars Science Laboratory，MSL）241

14.2.3 星座计划242

14.3 空间探测体系工程未来的挑战243

14.3.1 编队飞行244

14.3.2 火星样本回送244

14.3.3 人类探测火星245

14.4 总结247

感谢248

参考文献248

第15章 航天体系中的通信与导航网络250

15.1 历史概况250

15.1.1 早期的通信卫星250

15.1.2 第一颗地球同步通信卫星251

15.1.3 早期的商用通信卫星252

15.1.4 美国国防部（DoD）通信卫星253

15.1.5 航迹和数据中继卫星体系（TDRSS）254

15.1.6 深空网络系统255

15.1.7 阿波罗中早期体系的通信和导航255

15.2 航天体系256

15.2.1 通信与导航网系257

15.3 通信和导航网络体系结构259

15.3.1 太空通信体系结构类型259

15.4 通信与导航基于基础设施的实现方法262

15.4.1 体系结构分解过程262

15.4.2 定义空间探索任务系统及其接口263

15.5 构建点对点的通信体系结构的过程264

15.5.1 IP中心的网络体系结构264

15.5.2 拓展太空导航体系结构266

15.6 国防部体系结构框架（DoDAF）的应用266

15.6.1 示例图表267

15.7 通信和导航网络的建模、仿真与系统工程274

15.8 总结274

15.8.1 系统工程的挑战274

15.8.2 发展和运营的挑战275

15.8.3 技术挑战275

参考文献275

第16章 电力系统的运营与控制277

16.1 背景277

16.2 电力系统运营与控制的现行方法277

16.3 电力系统正在变化的性质279

16.4 广域监测与控制280

16.5 灵活的交流输电系统281

16.6 电力系统控制的趋势282

16.7 新方法和新机遇283

16.7.1 实例283

16.7.2 频率稳定性评估285

16.7.3 传输通路中的电压稳定性评估286

16.7.4 功率震荡评估288

16.7.5 热监测291

16.8 总结291

16.9 未来电力系统运营与控制的挑战291

参考文献292

第17章 未来交通燃料体系295

17.1 简介295

17.1.1 第一步：联邦目标295

17.1.2 目的和范围296

17.2 体系概述296

17.3 交通燃料系统的体系297

17.3.1 能力297

17.3.2 背景298

17.4 未来交通燃料体系愿景300

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300

17.4.2 长期愿景（2030年以后）：基于氢能源的经济301

17.5 挑战302

17.6 体系的短期演进：向生物交通燃料体系转型304

17.6.1 当前的乙醇产业304

17.6.2 向生物燃料体系转型306

17.7 体系的长期演进：向氢能源交通燃料体系转型308

17.7.1 氢能源经济现状308

17.7.2 未来实现氢能源转型309

17.8 利用体系工程工具管理转型310

17.8.1 利用系统动力学掌握／加速生物燃料转型过程310

17.8.2 使用基于模型的体系工程方法研究氢能源经济313

17.9 总结315

参考文献315

第18章 体系视角下的可持续环境管理318

18.1 环境体系318

18.1.1 系统和体系318

18.1.2 体系种类320

18.2 环境问题322

18.2.1 自然、社会、环境体系322

18.2.2 能源系统和环境324

18.3 体系决策方法326

18.3.1 政策发展和政府资源的体系思维326

18.3.2 自适应一体化管理的体系决策工具327

18.4 体系方法应用实例330

18.4.1 引言330

18.4.2 咸海对抗的战略研究331

18.4.3 加拿大南萨斯喀彻温河流域的公平资源分布335

18.4.4 管理北美劳伦森大湖的水位338

18.5 总结和讨论340

参考文献341

第19章 机器人群体系347

19.1 简介347

19.1.1 群智能347

19.1.2 群机器人和机器人群348

19.2 体系349

19.3 机器人群的体系方法351

19.3.1 互操作性351

19.3.2 一体化351

19.4 机器人系统实现实例：地面侦察兵352

19.5 硬件模块性353

19.5.1 运动353

19.5.2 控制354

19.5.3 传感355

19.5.4 通信356

19.5.5 驱动356

19.6 软件模块性358

19.6.1 操作系统358

19.6.2 动态任务上载（DLE）358

19.7 通信：适应性和稳定性359

19.7.1 物理层359

19.7.2 媒介访问控制层360

19.7.3 数据链路层362

19.7.4 实现结果363

19.8 应用：地雷探测和基于蚁群的群智能364

19.8.1 蚁群中蚂蚁的行为364

19.8.2 地雷探测问题365

19.8.3 状态转换事件365

19.8.4 地雷的实现原理365

19.8.5 气味的实现366

19.8.6 主程序366

19.8.7 实验结果369

19.9 总结371

致谢371

参考文献371

第20章 对运输作为一个体系问题的理解376

20.1 引言376

20.1.1 挑战概述376

20.1.2 综合多个领域377

20.1.3 本章简介379

20.2 一般性问题描述379

20.2.1 体系特性区分379

20.2.2 体系描述379

20.2.3 进化和突发行为381

20.3 作为体系的航空运输383

20.3.1 简介——运输是一个体系问题383

20.3.2 框架383

20.3.3 定义阶段384

20.3.4 抽象阶段384

20.3.5 实施阶段387

20.4 总结390

20.5 未来挑战390

参考文献390

第21章 医疗体系393

21.1 概述393

21.2 文献调查394

21.3 医疗体系394

21.3.1 Sage和Cuppan给出的医疗体系定义395

21.3.2 将体系的其他定义应用于医疗系统395

21.4 以网络为中心的医疗396

21.5 全球健康信息栅格396

21.6 总结398

参考文献398

第22章 全球观测体系（GEOSS）工程400

22.1 全球观测体系：背景和目标400

22.2 建立全球观测体系的组织结构401

22.3 体系工程及其在全球观测体系中的应用403

22.3.1 体系工程方法403

22.3.2 从体系工程角度看全球观测体系面临的挑战406

22.3.3 建造全球观测体系的参与者408

22.4 观测体系的体系工程活动409

22.4.1 实现可用系统和技术资源可视化409

22.4.2 实施奖励和降低成本413

22.4.3 推动工作计划任务协调和演进413

22.5 总结及未来展望415

参考文献415