体系工程 基础理论与应用PDF电子书下载

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DEVS 76

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787 181

10.6 波音787的波音Gold Care 181

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