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第一部分系统思维

第1章　系统架构简介 …… 2

1.1　复杂系统的架构 …… 2

1.2　良好架构的优势 …… 2

1.3　学习目标 …… 5

1.4　本书结构 …… 6

1.5　参考资料 …… 7

第2章　系统思维 …… 8

2.1　简介 …… 8

2.2　系统与涌现 …… 8

2.2.1　系统 …… 8

2.2.2　涌现 …… 10

2.3　任务一：确定系统及其形式与功能 …… 13

2.3.1　形式与功能 …… 13

2.3.2　工具-过程-操作数：这是人类的标准思维模式吗 …… 16

2.4　任务二：确定系统中的实体及其形式与功能 …… 16

2.4.1　具备形式与功能的实体 …… 17

2.4.2　确定如何将系统初步分解为恰当的实体 …… 18

2.4.3　用整体思维找出系统中的潜在实体 …… 19

2.4.4　集中注意力，找出系统中的重要实体 …… 21

2.4.5　为实体创建抽象或从实体中发现抽象 …… 22

2.4.6　定义系统的边界，并将其与外围环境隔开 …… 24

2.5　任务三：确定实体之间的关系 …… 25

2.5.1　关系的形式与功能 …… 25

2.5.2　外部接口 …… 28

2.6　任务四：涌现 …… 28

2.6.1　涌现的重要性 …… 28

2.6.2　系统故障 …… 29

2.6.3　预测涌现物 …… 30

2.6.4　涌现物依赖于实体及其关系 …… 31

2.7　小结 …… 32

2.8　参考资料 …… 33

第3章　思考复杂的系统 …… 34

3.1　简介 …… 34

3.2　系统中的复杂度 …… 34

3.2.1　复杂度 …… 34

3.2.2　引入Team XT这一范例系统 …… 35

3.3　系统的分解 …… 38

3.3.1　分解 …… 38

3.3.2　体系 …… 39

3.3.3　层级分解 …… 39

3.3.4　简单的系统、复杂度适中的系统以及复杂的系统 …… 41

3.3.5　原子部件 …… 42

3.4　特殊的逻辑关系 …… 43

3.4.1　类/实例关系 …… 43

3.4.2　特化关系 …… 43

3.4.3　递归 …… 44

3.5　对复杂系统进行思索 …… 44

3.5.1　自顶向下及自底向上式的思考 …… 44

3.5.2　交替思考 …… 45

3.6　架构展示工具：SysML与OPM …… 45

3.6.1　视图与投射 …… 45

3.6.2　SysML …… 46

3.6.3　OPM …… 46

3.7　小结 …… 49

3.8　参考资料 …… 50 [1]

第二部分　系统架构的分析

第4章　形式 …… 53

4.1　简介 …… 53

4.2　架构中的形式 …… 53

4.2.1　形式 …… 53

4.2.2　用解析表示法来表现形式：对象 …… 56

4.2.3　形式的分解 …… 57

4.3　对架构中的形式进行分析 …… 58

4.3.1　定义系统 …… 58

4.3.2　确定形式实体 …… 59

4.3.3　把泵作为复杂度适中的系统来分析 …… 61

4.4　对架构中的形式关系进行分析 …… 63

4.4.1　形式关系 …… 63

4.4.2　空间/拓扑形式关系 …… 65

4.4.3　用图和图表来展现形式关系：OPM …… 67

4.4.4　用表格及类似矩阵的视图来展现形式关系：DSM …… 70

4.4.5　连接性的形式关系 …… 71

4.4.6　其他的形式关系 …… 74

4.5　形式环境 …… 75

4.5.1　伴生系统、整个产品系统及系统边界 …… 75

4.5.2　使用情境 …… 77

4.6　软件系统中的形式 …… 77

4.6.1　软件系统：信息形式及其二元性 …… 77

4.6.2　软件中的形式实体与形式关系 …… 79

4.6.3　软件系统所在的整个产品系统、软件系统的边界及使用情境 …… 81

4.7　小结 …… 82

4.8　参考资料 …… 82

第5章　功能 …… 83

5.1　简介 …… 83

5.2　架构中的功能 …… 84

5.2.1　功能 …… 84

5.2.2　把功能视为过程加操作数 …… 84

5.2.3　用解析表示法来展现功能 …… 85

5.3　分析对外展现的功能和价值 …… 89

5.3.1　对外界展现的主要功能 …… 89

5.3.2　与价值有关的操作数 …… 90

5.4　对内部功能进行分析 …… 93

5.4.1　内部功能 …… 93

5.4.2　确定内部功能 …… 94

5.5　分析功能交互及功能架构 …… 97

5.5.1　功能交互与功能架构 …… 97

5.5.2　确定功能交互 …… 98

5.5.3　价值通路 …… 100

5.5.4　涌现与细分 …… 101

5.5.5　软件系统中的功能架构 …… 102

5.6　与价值相关的次要外部功能及内部功能 …… 105

5.7　小结 …… 106

5.8　参考资料 …… 107

第6章　系统架构 …… 108

6.1　简介 …… 108

6.2　系统架构：形式与功能 …… 109

6.2.1　形式与功能之间的映射 …… 109

6.2.2　确定形式与过程之间的映射 …… 114

6.2.3　形式结构承载并展现功能交互 …… 116

6.2.4　确定形式结构是如何承载功能和性能的 …… 118

6.3　系统架构中的非理想因素、支持层及接口 …… 119

6.3.1　系统架构中的非理想因素 …… 119

6.3.2　系统架构中的支持功能及支持层 …… 120

6.3.3　形式与功能中的系统接口 …… 121

6.4　操作行为 …… 123

6.4.1　操作者 …… 124

6.4.2　行为 …… 124

6.4.3　操作成本 …… 126

6.5　用各种表示法来推究系统架构 …… 127

6.5.1　能够对系统架构进行简化的几种方式 …… 127

6.5.2　用投射法来表示系统的架构 …… 128

6.5.3　把过程投射到对象 …… 129

6.5.4　把过程和操作数投射到形式 …… 130

6.6　小结 …… 133

6.7　参考资料 …… 134 [1]

第7章　与特定解决方案无关的功能和概念 …… 135

7.1　简介 …… 135

7.1.1　正向工程与更加复杂的系统 …… 135

7.1.2　对与特定解决方案无关的功能和概念所做的介绍 …… 136

7.2　确定与特定解决方案无关的功能 …… 138

7.3　概念 …… 140

7.3.1　作为一种观念的概念 …… 140

7.3.2　对概念构想有所帮助的框架 …… 142

7.3.3　构想概念时所应依循的步骤 …… 144

7.3.4　为概念命名 …… 145

7.3.5　对候选的概念进行整理 …… 146

7.3.6　由更为广阔的概念所形成的体系 …… 150

7.4　整体概念 …… 152

7.5　操作概念与服务概念 …… 156

7.6　小结 …… 158

7.7　参考资料 …… 159

第8章　从概念到架构 …… 160

8.1　简介 …… 160

8.2　研发系统之下第1级的架构 …… 161

8.2.1　把概念扩展为功能架构 …… 161

8.2.2　定义形式 …… 162

8.2.3　把功能映射为形式 …… 164

8.3　研发系统之下第2级的架构 …… 166

8.3.1　第2级的功能意图以及对第2级所做的递归思考 …… 166

8.3.2　研发第2级中的架构 …… 166

8.4　家庭数据网络系统的第2级架构 …… 170

8.5　为系统之下的第1级架构做模块化处理 …… 173

8.6　小结 …… 176

8.7　参考资料 …… 177

第三部分　创建系统架构

第9章　架构师的角色 …… 180

9.1　简介 …… 180

9.2　歧义与架构师的角色 …… 180

9.2.1　架构师的角色 …… 180

9.2.2　减少歧义 …… 182

9.2.3　架构师可以交付的成果 …… 185

9.3　产品开发过程 …… 186

9.3.1　各企业所使用的PDP之间的异同 …… 187

9.3.2　通用的产品开发过程 …… 191

9.4　小结 …… 195

9.5　参考资料 …… 199

第10章　上游和下游对系统架构的影响 …… 200

10.1　简介 …… 200

10.2　上游的影响因素：公司策略 …… 201

10.3　上游的影响因素：营销 …… 204

10.3.1　内向营销 …… 205

10.4　上游的影响因素：法规及类似法规的因素 …… 207

10.4.1　法规的来源 …… 208

10.4.2　与法规类似的因素：可能出台的法规、标准和法律责任 …… 209

10.5　上游的影响因素：技术融合 …… 210

10.6　下游的影响因素：实现—编码、制造及供应链管理 …… 212

10.7　下游的影响因素：操作 …… 214

10.7.1　系统的登场与退场 …… 215

10.7.2　偶发操作、应急操作与独立操作 …… 216

10.8　下游的影响因素：Design for X …… 216

10.9　下游的影响因素：产品与系统的演化、产品系列 …… 218

10.9.1　复用与遗留元素 …… 219

10.9.2　产品系列 …… 220

10.9.3　平台与架构 …… 221

10.10　产品论证：架构商业论证决策框架（ABCD） …… 224

10.11　小结 …… 226

10.12　参考资料 …… 229 [1]

第11章　将需求转换为目标 …… 231

11.1　简介 …… 231

11.2　确定受益者和利益相关者 …… 232

11.2.1　受益者和利益相关者 …… 232

11.2.2　确定受益者和利益相关者的需求 …… 235

11.2.3　从交换中确定利益相关者及其需求 …… 238

11.2.4　对利益相关者进行分组 …… 240

11.3　描述需求的特征 …… 242

11.3.1　从各种维度来描述利益相关者的需求 …… 242

11.3.2　将利益相关者作为系统：间接的价值交付及利益相关者关系图 …… 244

11.3.3　在各个利益相关者的需求之间排定优先次序 …… 247

11.3.4　对排列各需求的优先次序所做的小结 …… 251

11.4　把需求转换为目标 …… 252

11.4.1　设定目标时所依据的标准 …… 253

11.4.2　人类可以解决的目标：系统问题陈述 …… 255

11.5　排列目标之间的优先次序 …… 259

11.5.1　具备一致性与可达成性的目标 …… 262

11.6　小结 …… 263

11.7　参考资料 …… 270

附：对利益相关者提出的系统需求所进行的特征分析 …… 271

第12章　用创造力生成概念 …… 272

12.1　简介 …… 272

12.2　对概念进行创新 …… 273

12.2.1　创新 …… 273

12.2.2　无结构的创新 …… 274

12.2.3　结构化的创新 …… 274

12.2.4　确定概念 …… 277

12.3　提出概念 …… 278

12.4　扩充概念并提出概念片段 …… 279

12.4.1　对推进功能进行扩充 …… 279

12.4.2　混合动力车的另外7个内部功能所对应的概念片段 …… 282

12.5　演化并完善整体概念 …… 285

12.6　选出几个整体概念，做进一步的发展 …… 288

12.7　小结 …… 291

12.8　参考资料 …… 295

第13章　把分解作为复杂度管理工具来使用 …… 296

13.1　简介 …… 296

13.2　理解复杂度 …… 296

13.2.1　复杂度 …… 296

13.2.2　复杂与难懂 …… 299

13.2.3　必要的复杂度 …… 301

13.3　管理复杂度 …… 305

13.3.1　选定分解方式 …… 305

13.3.2　模块化程度与分解 …… 308

13.4　小结 …… 312

13.5　参考资料 …… 317

第四部分　作为决策的架构

第14章　作为决策制定过程的系统架构 …… 321

14.1　简介 …… 321

14.2　对阿波罗计划的架构决策问题进行公式化处理 …… 322

14.2.1　做决策时可以考虑的经验法则 …… 322

14.2.2　阿波罗计划的决策 …… 323

14.2.3　约束及衡量指标 …… 325

14.2.4　计算各种阿波罗架构的得分 …… 327

14.3　决策与决策支持 …… 328

14.4　决策支持系统的四项主要任务 …… 330 [1]

14.5　基本的决策支持工具 …… 331

14.5.1　形态矩阵 …… 332

14.5.2　设计结构矩阵 …… 332

14.5.3　决策树 …… 334

14.6　为系统架构提供决策支持 …… 338

14.7　小结 …… 339

14.8　参考资料 …… 340

第15章　探求架构的权衡空间 …… 343

15.1　简介 …… 343

15.2　权衡空间的基本知识 …… 344

15.3　帕累托前沿 …… 347

15.3.1　帕累托前沿与占优 …… 347

15.3.2　GNC范例系统的帕累托前沿 …… 348

15.3.3　模糊的帕累托前沿及其好处 …… 351

15.3.4　在模糊的帕累托前沿上挖掘数据 …… 352

15.3.5　帕累托前沿的运用机理 …… 354

15.4　权衡空间的结构 …… 355

15.5　敏感度分析 …… 359

15.6　整理架构决策 …… 364

15.6.1　对其他决策的影响 …… 364

15.6.2　对衡量指标的影响 …… 366

15.6.3　决策空间视图 …… 367

15.6.4　对决策进行排序 …… 368

15.6.5　对决策及其顺序的总结 …… 370

15.7　小结 …… 371

15.8　参考资料 …… 372

第16章　系统架构优化问题的表述与求解 …… 374

16.1　简介 …… 374

16.2　对系统架构优化问题进行表述 …… 375

16.3　NEOSS范例：NASA的地球观测卫星系统 …… 379

16.4　系统架构决策中的模式 …… 381

16.4.1　从程序化的决策到模式 …… 382

16.4.2　DECISION-OPTION模式 …… 383

16.4.3　DOWN-SELECTING模式 …… 386

16.4.4　ASSIGNING模式 …… 389

16.4.5　PARTITIONING模式 …… 395

16.4.6　PERMUTING模式 …… 399

16.4.7　CONNECTING模式 …… 402

16.5　对大规模的系统架构问题进行表述 …… 406

16.5.1　模式之间的重合 …… 407

16.5.2　把问题分解为子问题 …… 409

16.6　解决系统架构优化问题 …… 410

16.6.1　介绍 …… 410

16.6.2　全因子排列 …… 411

16.6.3　启发式的架构优化算法 …… 412

16.6.4　基于种群的通用启发式优化 …… 413

16.6.5　生成初始种群 …… 414

16.6.6　把某些固定的架构包含在初始种群中 …… 415

16.6.7　通用的启发式和元启发式高效搜索 …… 416

16.6.8　遗传算法中的启发式策略 …… 416

16.6.9　用更多的启发式技术来强化遗传算法 …… 418

16.7　小结 …… 419

16.8　参考资料 …… 420

附录A根据所选的架构集来计算衡量指标对决策的敏感度 …… 423

附录B聚类算法及其在系统架构中的运用 …… 425

附录C基于规则的系统及其在系统架构中的应用 …… 430

附录D经典的组合优化问题 …… 436

各章问题 …… 441 [1]