工程的系统性以及新系统工程方法论探析

闫坤如

（华南理工大学 思想政治学院，广东 广州 510640）

工程是现代文明、社会经济运行和社会发展的重要内容和重要组成部分。从古代开凿运河、修筑长城、建造金字塔、兴建房屋等等，到当代建造现代化工厂、高层智能建筑、大型水利工程、高速交通网络、现代化机场、海底隧道、能源工程、航天工程等大型和特大型工程，各种类型和规模的工程在现代经济发展和社会现代化进程中有着越来越重要的地位和作用。

现代汉语词典对“工程”的界定是“土木建筑或其他生产、制造部门用比较大而复杂的设备来进行的工作，如土木工程、机械工程、化学工程、采矿工程、水利工程等。”［1］李伯聪从科学、技术、工程的“三元论”视角来界定工程，他认为：“科学是以发现为核心的人类活动，技术是以发明为核心的人类活动，工程是以建造为核心的人类活动。”［2］

虽然发明不等于建造，技术不同于工程，但它们都是人与自然作用的产物，并同属于改造自然的实践范畴。没有不依托于工程的技术，也没有不运用技术的工程。技术是工程的前提和基础，没有技术就没有工程；而工程又是技术的深化和拓展，并为技术的成熟化和产业化开拓道路。火药的发明，炼铁、炼钢技术的出现，推动了以火药技术为代表的工程革命；化学能与电力的发明，引发了以电力为中心的技术革命；二十世纪中期，随着原子弹、火箭和计算机技术的相继问世，人类的发展进入现代军事工程阶段。因此技术支撑了工程的实施。“大量工程师确实致力于设计活动，而且，正是在技术活动中，从直接的技术意义上说，产生了对许多工程知识的要求。”［3］工程与技术是紧密联系、相互支撑和相互促进的。正如远德玉教授所说：“离开了工程中的技术问题的研究，这样的工程哲学是不完善的。离开技术谈工程，工程就没有了基础；离开工程谈技术，则把技术架空了。”［4］

一、工程活动的系统性

工程作为人类活动的产物，是由多个环节相互作用而建构成的一个系统。所谓系统是由相互作用、相互影响的因素构成的整体，完整地描述一个系统一般需要四个因素：

（一）工程系统的结构

1.工程系统的构成要素：系统一般由两个或者两个以上的要素构成。系统C有n个要素组成，那么C＝｛e1，e2，…en｝（n大于或等于2）。所谓系统工程活动的过程就是将多种相互作用的因素结合在一起，通过对人力、资源、信息和能源的调配与控制，以实现工程主体目标的活动。工程是从主体的特定目的出发，改造世界的活动，通过造物形成人工自然的手段，工程活动中包含众多的要素，技术因素是其中重要组成部分，除此之外还包括经济因素、政治因素、文化因素等，工程是个多因素组成的系统。工程体现不同利益主体的利益。工程主体不是一个人，而是一个集团。这个集团是由工程决策者、工程执行者、工程监控者及工程咨询者等等多个利益主体组成，即包括总指挥、总经理、总工程师、总设计师、总会计师、工人、技师等。工程主体是工程活动的主导者、规划者、操作者和创新者。因此，工程是由技术因素，工程主体和其他众多因素构成的系统。

2.工程系统的结构性：系统诸组成元素之间的相互关系和相互作用的总和，是系统诸组成元素相互结合的方式。所谓工程系统的结构就是系统的构成要素在系统内部恒定的分布和排列，表现为工程系统内部相对稳定的组织形式和结合方式。像建筑物的力学结构等就属于工程系统的空间结构。工程系统的时间结构包括工程从规划、方案阶段、系统开发到生产、安装、运行、更新阶段等过程。

3.工程系统的功能性：系统在与环境的相互联系中所表现出来的系统总体的行为、特征、能力和作用的总称。认识一个工程系统，首要的是认识它的行为、特性、作用；制造一个系统，是要赋予它某种功能。利用工程系统某种功能，达到趋利避害，造福人类的目的，例如，长城为了抵御外辱，运河为了运输货物，房屋为了遮风避雨等等。

4.工程系统的环境：与系统发生相互作用又不属于这个系统的所有事物的总和。环境为系统提供生存条件，控制系统的发展变化；环境会诱发或迫使系统的结构发生变化，从而改变系统的功能。工程活动中必须强调系统协调，除了内部的系统协调，还要求与环境中的其他系统相协调。工程系统的环境包括自然环境和社会环境。自然环境包括地理位置、地形地貌、气候环境、生态环境、自然资源。社会环境包括经济结构、产业结构、基础设施、政治生态、社会组织结构、文化习俗、宗教关系。系统的功能是系统本身所固有的，但要在与环境的相互作用中才表现出来。比如，青藏铁路的修建，不仅要考虑冻土问题，还需要考虑施工材料、自然环境保护等诸多问题；在野生动物保护区内，铁路工程遵循“能避绕就避绕”的原则，施工场地、砂石料场的选址都经反复勘测确定，尽量避免破坏植被。工程的结构和功能要与自然环境和社会环境等系统的结构与功能相协调。以系统协调的项目管理方式进行工程管理，才能保证工程实施的成功和使用的安全。

以农业水利工程为例，这个工程包括众多的要素，比如：蓄水工程（包括水库、堰塘）、引水工程（包括有坝引水、无坝引水）、提水工程（即泵站工程）和机井等，这几个要素组合成一个系统，呈现出内部协调性。不同的水利工程通常与特定环境相联系，如南方水量丰富，则南方的农业水利多蓄水工程，北方水量不丰富，北方的农业水利多引水工程；山区多蓄水工程，平原多提水工程，南方多堰塘，北方多机井，等等，具体的农业工程中包括各种特定的类型与系统的环境相协调。虽然不同地区的水利工程类型不同，但在同一区域中，不同的水利工程实际上是相互关联的，因此，农田水利的系统性并不仅仅是指单个水利工程构成的灌溉系统，任何一个要素的缺失都将导致整个灌溉系统的崩溃。

（二）工程系统的层次性

工程系统是分层次的。若干个由组成元素经相干关系构成的系统，再经过新的相干关系而构成新的系统的逐级构成结构关系。

工程系统的第一个层次是技术要素层次。任何一个工程活动都要依靠自然科学的原理，特别是需要核心技术和技术群应用的复杂工程更是要依靠各方面自然界规律的支撑。工程不是技术和装备的简单堆砌和拼凑，工程实践的过程有其自身的理论、原则和规律。工程中的技术具有集成性。工程中的技术主要是指工程形态中的技术、工艺、方法和技巧，它不是技术的简单堆砌，而是技术的综合应用，例如建造桥梁的技术就包括高性能混凝土、钢结构焊接工艺、预应力施工技术、大跨径桥梁悬臂浇铸技术、防渗堵漏技术等负责的技术群。

工程系统的第二层次是技术要素与生产要素、经济要素、管理要素等其他要素的关系。因此，工程不是简单的建造过程，要将工程的技术要素与信息、目标、物资、资金、方法、人员等有机结合起来。生产要素和资源在土木工程中包括：人力资源、材料、机械设备、资金、土地、信息、技术、管理等。例如，美国政府于1941年12月6日拨款实施制造原子武器的计划，到1945年7月16日第一颗铀原子弹试爆成功，这一工程共动员50多万人，其中科研人员15万，耗资22亿美元，占用全国近三分之一的电力。

（三）工程系统需要最优化

工程的系统化使其包含了诸多的因素：工程管理、工程技术、工程协调、施工人员等。并且，一个工程往往有多种技术、多种方案、多种路径可被选择。在工程活动过程中，有成本、工期、质量、安全等目标，需要考虑经济因素、政治因素、环境因素、技术因素、管理因素、设计因素等等多种因素，需要权衡利弊实现整体最优化，使工程在对技术、方案、路径的选择时能够努力实现工程整体上的最优化，实现经济效益和社会效益的双赢。

工程的目标可以是单一的，也可以是多目标的。对于多目标系统，往往要求功能、资金、时间和可靠性等同时达到目标。当目标较多而又相互矛盾时，往往需要在一定准则下找出一个合理的折中方案 。工程的最优化就是实现工程活动各组成部分以及各进行阶段的有效运转，并且不能为了追求经济效益而忽视社会效益。

工程活动的整体最优就是要有统观全局的观点，并从工程的整体效果出发来分析、考察与解决问题，根据工程中的各要素有效地分配资源。在解决工程问题时，选择一个最优方案，以便对工程活动进行最优设计、最优控制和最优管理与使用。涧峪水库为陕西省九五重点项目，整个工程包括水库枢纽、灌区、供水管道、电站等项目。目前，供水管道已列入城市应急供水项目中，并已实施。整个工程从项目建议书、可行性研究到初步设计阶段作了大量的预研工作，共制定了三个方案。方案1工程投资大，水量利用率高，单方水成本高；方案3工程投资小，单方水成本低，效益分析指标好；方案2介于方案1和方案3之间。从工程资金投入、经济效益、工程建设的必要性以及便于分期实施等方面分析，最终推荐方案3作为涧峪水库工程的首选方案，它不仅有投资省、水利用率高等特点，同时也不影响将来条件成熟时在东涧峪建库的可能性。这样，就使得涧峪水库工程达到了整体最优的目标。工程最优化就是要通过要素整合，形成综合优势，使工程系统总体上达到最优的程度。

二、系统工程方法论

美国系统工程学家霍尔（A.D.Hall）于1969年提出的一种系统工程方法论。它的出现，为解决大型复杂系统的规划、组织、管理问题提供了一种统一的思想方法，因而在管理学、社会学、系统科学界被广泛应用。系统分析方法是指把要解决的问题作为一个系统，对系统要素进行综合分析，找出解决问题的可行方案的方法。它能在不确定的情况下，确定问题的本质和起因，明确目标，找出各种可行方案，并通过一定标准对这些方案进行比较，帮助决策者在复杂的问题和环境中做出科学抉择。

系统分析是咨询研究的最基本的方法，我们可以把一个复杂的工程看成一个系统，通过系统目标分析、系统要素分析、系统资源分析和系统管理分析，可以准确地诊断问题，深刻地揭示问题起因，有效地提出解决方案和满足工程的需求。

系统方法论主要是在处理大型的工程系统问题中发展起来的。1930年美国无线电公司在发展与研究电视广播网时，采用了系统方法。三十年代，美国贝尔电话公司在设计巨大工程时，提出和使用了系统概念、系统思想、系统方法这类术语。后来，贝尔电话实验室工程师霍尔将系统工程定义为研究、设计、开发大系统的工程方法论体系。霍尔提出了系统工程三维结构，作为系统方法论的经典，得到广泛应用。霍尔三维结构是将系统工程整个活动过程分为前后紧密衔接的七个阶段和七个步骤，同时还考虑了为完成这些阶段和步骤所需要的各种专业知识和技能。这样，就形成了由时间维、逻辑维和知识维所组成的三维空间结构。这为解决大型的工程问题提供了方法论。

逻辑维是指时间维的每一个阶段内所要进行的工作内容和应该遵循的思维程序。某一系统工程，在使用系统思想方法来分析和解决问题时，从逻辑顺序上可分为七个步骤：（1）问题的确定；（2）选择目标；（3）系统综合；（4）系统分析；（5）优化；（6）决策；（7）规划行动。

时间维。工程系统的时间维表示工程系统从规划到更新，从开始到结束按时间顺序排列的全过程，反映了系统的生命周期循环过程。一项工程的工作过程可分为七个阶段：（1）规划阶段（调研、工作程序设计阶段）；（2）方案阶段（具体计划阶段）；（3）研制阶段（系统开发）；（4）生产阶段；（5）安装阶段；（6）运行阶段；（7）更新阶段。

知识维。它是完成上述工作阶段和步骤所需的各种知识和工程专业技术，包括相关的社会科学、自然科学和相关的工程技术。如科学学、基础科学、工程技术、环境科学、计算机技术、数学、经济学、法律、管理科学和其它相关社会科学等。

三维结构体系形象地描述了系统工程研究的框架，对其中任一阶段和步骤，又可进一步展开，形成了分层次的树状体系。按照霍尔的三维模型，我们可以把工程系统方法论归结为下图（图1）：

图1 霍尔的工程系统三维模型

霍尔的系统分析方法作为解决系统性工程的方法，有效避免了简单性科学中还原论的局限性，避免了追求单一的因果性和确定性的困扰，但因为缺少对工程系统外环境的分析，所以在解决系统性工程的时候难以避免遭遇困境。

现代工程已与环境息息相关，重视与环境的协调发展，工程与环境就会实现双赢。大型工程的实施必须充分考虑到工程活动可能引起的环境问题，忽视环境因素，工程的预期目标就会受损，社会整体发展也会受到负面影响，可持续发展的社会目标就很难实现。在霍尔的模型中没有体现出环境的重要作用。环境包括两种：一种是自然环境，它包括地理位置、地形地貌、气候环境、生态环境、自然资源等。一种是社会环境，它包括经济结构、经营管理环境、产业结构、技术环境、科技的发展状况、基础设施、政治生态、社会组织结构、文化习俗、宗教关系等。

工程的系统方法仅仅分析工程系统内部的因素还不够，应该包括环境因素，应该把工程内部的结构和工程外部环境结合起来，分析复杂性的系统工程。这样工程系统方法论就有四个维度（图2）：

图2 工程系统四维模型

这种工程系统分析的思维结构增加了环境维。环境维是工程系统所处的环境，包括自然环境和经济环境、科技环境、政治环境等社会环境，任何一个工程从规划开始就要考虑到是否会造成污染，是否会破坏生态环境，是否会导致资源枯竭等，还要考虑到是否会导致社会差距过大，是否有工程风险，是否会导致社会不稳定等社会环境。这种关涉环境的工程四维结构体系才能准确描述系统工程研究的框架，对其中任一阶段和每一个步骤，又可进一步展开，形成了分层次的树状体系。这样，工程就形成了一种分层次、成系统的结构。

三、新系统工程方法论的启示

一个具体的工程就是一个过程，我们可以在时间的维度上确定项目的起点和终点。例如，为了实现人类居有定所的目标，人类建造房屋。但工程并不会因为项目的结束而结束，而是因为项目的结束才开始发挥作用，因为建造工程的目的不在于工程本身，而在于工程的作用。例如，建设三峡工程的目的不在于建设项目本身，而是在于三峡工程在防洪、发电、航运等方面发挥的巨大作用。

工程系统本身也是一个非常复杂的动态过程，从方案评估、工程选址、项目决策、可行性研究、地质勘测、初步设计、施工图设计，到建筑施工、设备安装、试运行、工程竣工、交付使用、项目后评价等全过程，工程都处于变化和发展的状态。工程实施过程中，由于受工程内部因素的变化和工程外部原因（如社会因素、经济因素、政治因素、法律因素、环境因素等）的影响和制约，工程可能不会始终按当初设想的方式按部就班进行，因此就必然要对工程目标、计划、方案进行相应的调整和优化，最终使工程实现质量优、安全好、费用省、工期短等工程目标。而要实现这一目标，就需要工程主体对进度、费用、质量、安全、风险等进行控制和调整。

首先，对工程系统进行环境影响评估。对拟建造的工程提供建前即可行性研究阶段，对其选址、设计、施工等过程，特别是运营和生产阶段可能带来的环境影响进行预测和分析，提出相应的防治措施，为工程选址、设计及建成投产后的环境管理提供科学依据。做到在达到工程建设目标的同时，也要努力实现工程系统与环境的双赢。

其次，对工程系统进行社会稳定评估。对重大工程在实施过程中是否会引发影响社会稳定的重大事件或危及公共安全的情况进行先期预测、先期研判，为先期介入、先期化解提供科学依据，以便更好地服务经济社会发展，确保社会稳定和公共安全。使工程系统与社会环境协调发展，达到工程系统和社会环境的双赢。

最后，提倡工程主体的职业道德和环境伦理责任。通常“工程师是唯一具备潜在的环境危害知识并能唤醒公众注意的职业权威，这点赋予了他们更多的环境责任”［5］，因此工程师在研发过程中，就提倡职业道德和环境伦理责任。投资者、管理者和工人都以公众利益为最高目标，多方利益集团通力协作，这样才能把系统内部的知识因素、逻辑因素和时间维度和工程系统所处的环境紧密结合，这样才能发挥工程系统的持续作用，才能实现工程的经济效益、社会效益和环境效益的和谐统一。

［1］中国社会科学院语言研究所.现代汉语词典［M］.北京：商务印书馆，2002：289.

［2］杜澄，李伯聪.跨学科视野中的工程（第1卷）［M］.北京：北京理工大学出版社，2004：3.

［3］W G Vincenti.What Engineers Know and How They Know it：Analytical Studies from Aeronautical History［M］.Baltimore：Johns Hopkins University Press，1993：5.

［4］远德玉.工程哲学与工程的技术哲学［J］.自然辩证法通讯，2002（6）：81－82.

［5］［美］维西林德，岗恩.工程、伦理与环境［M］.吴晓东，等，译.北京：清华大学出版社，2003：148.