工程学科（ME、EE、CE、ChE）有时认为他们的领域具有“真实的物理现象”、基于“硬科学”的定律和第一原理，声称系统工程缺乏等效的现象学基础。 在这里，我们提出了相反的观点，以及在 MBSE/PBSE 中重新植入系统工程如何支持新的硬科学和具有深厚历史根源的基于现象的领域学科的出现。 支持这一观点的是系统现象，工程机遇和挑战的源泉。 受汉密尔顿原理支配，它是推导运动方程或力学、电磁学、化学和热力学的所谓“基本”物理现象的物理定律的传统途径。

我们认为，传统学科的定律和现象不如它们产生的系统现象那么基础——这是 200 年前数学物理学的先驱们众所周知且同样引人注目的历史事实。 这是对新兴高等学科的实际提醒，它们有自己的现象、第一原理和物理定律。 当代的例子包括地面车辆、飞机、船舶和生化网络； 领先的是医疗保健、分销网络、市场系统、生态系统和物联网。

话题

作为一个正式的知识和实践体系，系统工程比土木、机械、化学和电气工程等更成熟的工程学科要年轻得多。 将他们的基础科学基础与系统工程中的某些等价物进行比较有时会引起争论，关于谁的职业是基于（或至少后来由）硬科学解释的“真正的”工程，具有有形的物理现象，并伴随着物理定律和首先原则。 本文总结了完全不同观点的论点（图 1），并警告阅读本文的读者避免在解析消息时看似熟悉的陷阱。 (Schindel 2016) 和 (Schindel 2019) 中提供了更完整的讨论。

图 1：系统工程的两种不同观点。（SEBoK 原创）

除了这个论点之外，本文还提出了一个更实用的目标——识别和表示新系统领域中出现的有形物理现象的方法，以及它们各自的物理定律和第一原理。 这不仅仅是哲学或专业意义。 受到新兴系统中众多问题的挑战，社会有兴趣组织成功的方法来科学理解有关相关现象的法律和第一原理以及工程利用。 进入或导航技术专业的个人同样对这个不断发展的路线图有个人兴趣。

尽管认识到系统理论家在系统工程的早期阶段（Ashby 1956；Bertalanffy 1969；Braha 等人 2006；Cowan 等人 1994；Holland 1998；Prigogine 1980；Warfield 2006；Wymore 1967）的艰巨工作，但本文着重于在过去三个世纪中，科学和数学对工程学影响的蓬勃发展做出了更早的贡献。 我们将提取该基础中心的“系统现象”，并考虑其对系统工程实践的影响和意义。 这种观点有助于我们理解系统工程正在经历的相变，因为基于模型的表示支持已经对传统科学/工程配对学科产生深远影响的框架。

相变证据：硬科学的功效、基于现象的、STEM 学科

科学、技术、工程和数学 [STEM] — 300 年的影响

我们务实的论点是基于评估物理科学和数学对工程的影响，通过它们在改善人类状况方面的联合功效。 在 300 年的时间里（从牛顿附近），科学、技术、工程和数学 (STEM) 的加速出现提高了大部分人类生命的可能性、质量和寿命，同时显着增加了人类的未来潜力（Mokyr 2009；Morris 2012；Rogers 2003）。 到 20 世纪末，STEM 的学习和影响以及其他因素（例如，市场资本主义作为繁荣的驱动力，如 (Friedman 1980)）越来越被认为对个人和集体人类繁荣至关重要。 在同一时期，人口稠密的世界变得更加相互联系、更加复杂、 并且具有挑战性。 新的机会和威胁已经出现，部分原因是人类应用 STEM 的积极影响较小。 从物质和生命的最小已知成分到网络、经济、自然环境和生命系统的最大规模复杂性，理解和利用可能性变得比以往更加重要

“相变”：科学与工程作为现象学学科的出现

在这三个世纪中，“硬科学”以及以这些科学为基础的工程学科和技术，在很大程度上促成了这一惊人的社会进步，以及一些相关挑战（Mokyr 2009；Morris 2012；Rogers 2003）。 我们的观点是这些“传统”（至少在短短的 300 多年）学科的巨大影响，因为它们的基础是在理解物理现象和相关的预测和解释模型方面出现的。

如何将系统工程的基础与已经被视为基于“硬科学”的工程学科进行比较？ 传统的工程学科（ME、EE、ChE、CE）在后来被理解为物理现象的物理科学中具有其技术基础和定量基础。

从三个世纪前开始发生的转变就可以看出，情况并非总是如此。 通过回忆牛顿之前的物理学史，拉瓦锡和门捷列夫之前的化学史，以及法拉第、赫兹和麦克斯韦之前的电科学史，以及随后发生的事，记住现在被认为是传统学科的“相变”是有益的对于每个。 （Cardwell 1971；Forbes et al 2014；Pauling 1960；Servos 1996；Westfall 1980）所有这些领域都有较早的、不太有效的思想体系，由那些试图回答问题的人产生，并且在某些情况下提供了实际的好处。 与其摒弃炼金术、占星术、前哥白尼宇宙学及其对应物，

系统工程还很年轻

个别工程学科（例如，ME、EE、CE、ChE）的当代专家有时会争辩说，他们的领域是基于“真实的物理现象”，建立在基于“硬科学”和第一原理的物理定律之上。 有时会听到有人声称系统工程缺乏等效的基于现象的理论基础。 在这方面，系统工程被批判性地描述为强调（1）过程和程序，（2）批判性和系统性思维以及良好的写作技巧，以及（3）以特定方式组织和解释信息和风险——有价值，但不基于潜在的“硬科学”。

考虑到系统工程头 50 年的初始轨迹，这种观点是可以理解的。 (Adcock 2015; Checkland 1981; Walden et al 2015) 广义系统的“科学”或“现象”在很大程度上是在直观或定性的基础上进行描述的，对可能被称为“物理现象”的有限参考系统科学和系统工程的基础。 一些系统现象（例如，必要的多样性、结构的出现、复杂性、混沌理论等）已受到关注，但很难说这些见解对人类状况和工程实践产生了同样巨大的影响（至今）正如上面引用的关于最近三个世纪的物理科学和数学的更广泛的 STEM 插图。 然而，

尊重那些早期系统工程思想家的贡献，我们还注意到他们的贡献在某些情况下可以表达为下面描述的建模系统现象的表现，推进系统工程的科学基础。

MBSE、PBSE：实现系统工程的相变

就系统工程而言，故事的一个关键部分是定量系统模型在其最初历史中扮演或未扮演的角色。 最近，基于模型的方法更广泛的 INCOSE 鼓励作用最终加速了科学、数学和其他工程学科的成功早期历史所暗示的“相变”现在正在进行中。

模型对于工程实践的各个部分当然并不陌生。 然而，我们越来越多地代表我们对系统的整体理解，从利益相关者的交易空间，到所需的功能和性能，再到设计，再到风险，使用明确和日益集成的系统模型。 就像在牛顿时代一样，这也对模型表示的方法施加了压力，以便它们有效地表示有关它们打算描述的真实事物的关键思想。 “有效”意味着这些模型描述了可观察到的现象，提供了原因的解释性理论，提供了可验证（或可证伪）的预测，并增加了人类的理解。 在许多情况下，实践工程师利用这种理解来改善人类生活。 物理科学的进步并非源于只能描述系统的单个独特实例的模型，而是代表了后来被理解为在广泛的系统家族中重复出现的更普遍的模式。 同样，系统工程越来越努力认识到这些模型必须经常描述相似性和参数化变化的模式。 在这些表示中越来越多地使用基于模型的显式模式是这一阶段变化的一部分（INCOSE Patterns WG 2015；INCOSE MBSE Initiative 2015）。 基于模式的系统工程 (PBSE) 作为基于模型的系统工程 (MBSE) 的扩展，增加了对表示的重视。 而是代表了后来被理解为在广泛的系统家族中重复出现的更一般的模式。 同样，系统工程越来越努力认识到这些模型必须经常描述相似性和参数化变化的模式。 在这些表示中越来越多地使用基于模型的显式模式是这一阶段变化的一部分（INCOSE Patterns WG 2015；INCOSE MBSE Initiative 2015）。 基于模式的系统工程 (PBSE) 作为基于模型的系统工程 (MBSE) 的扩展，增加了对表示的重视。 而是代表了后来被理解为在广泛的系统家族中重复出现的更一般的模式。 同样，系统工程越来越努力认识到这些模型必须经常描述相似性和参数化变化的模式。 在这些表示中越来越多地使用基于模型的显式模式是这一阶段变化的一部分（INCOSE Patterns WG 2015；INCOSE MBSE Initiative 2015）。 基于模式的系统工程 (PBSE) 作为基于模型的系统工程 (MBSE) 的扩展，增加了对表示的重视。 在这些表示中越来越多地使用基于模型的显式模式是这一阶段变化的一部分（INCOSE Patterns WG 2015；INCOSE MBSE Initiative 2015）。 基于模式的系统工程 (PBSE) 作为基于模型的系统工程 (MBSE) 的扩展，增加了对表示的重视。 在这些表示中越来越多地使用基于模型的显式模式是这一阶段变化的一部分（INCOSE Patterns WG 2015；INCOSE MBSE Initiative 2015）。 基于模式的系统工程 (PBSE) 作为基于模型的系统工程 (MBSE) 的扩展，增加了对表示的重视。

与系统建模语言和 IT 工具集标准的出现相比，这是一个更重大的变化，尽管这些都是有价值的步骤。 我们需要足够强大的基础模型结构——记住牛顿和莱布尼茨微积分之前的物理学。 作为“足够强大”的测试，我们建议能够对第 2 节中总结的人类产生各种影响——首先更清楚地关注所代表的现象。

尽管这听起来很有挑战性，但新兴系统模型在寻找新的系统现象时没有必要“从头开始”，并进一步认为，从第 2 节的早期阶段变化中已知的内容有助于建议我们系统的哪些方面在系统工程的阶段变化期间需要加强模型。 PBSE 进一步提醒我们从 STEM 革命中吸取的实际教训。 一旦经过验证的模式出现，我们（主要）需要学习和应用这些模式（法律、原则），而不是如何从早期知识中重新推导出它们。 例子包括元素周期表和气体定律。 尽管可能存在争议，但“学习模型，而不是建模”是值得考虑的建议，在这个从头开始建模似乎更令人兴奋的时代。

系统现象

本文使用的观点将系统定义为交互组件的集合，其中交互涉及能量、力、质量或信息的交换，一个组件通过这些交换影响另一个组件的状态，并且其中一个组件的状态影响其在未来交互中的行为（Schindel 2011）。

在这个框架中，所有行为都通过物理交互来表达（图 2）。 这种观点强调物理相互作用是表达所有硬科学定律的背景。 （辛德尔 2013）

图 2：系统视角。（SEBoK 原创）

硬科学的传统“现象”都是以下系统现象的案例：

1. 每个组件在给定的交互类型期间都有特定的行为，由组件的状态决定。 （有关该组件行为特征的来源，请参见下面的 (4)。）
2. 这组交互组件的组合行为确定了组合的系统状态空间轨迹。
3. 该轨迹是系统组件和交互的集体属性，因此不仅仅是对单个组件可能行为的描述。 对于本文讨论的系统，根据 Hamilton 原理 (Levi 2014; Sussman et al 2001; Hankins 2004)，较大系统的基于交互的紧急行为是动作积分的“静止”轨迹 X = X(t) ，基于组合系统的拉格朗日 L：

1. 上述 (1) 中的每个交互组件的行为特征依次由其内部（“子系统”）组件决定，这些组件本身是交互的。

简化为最简单的形式，由此产生的运动方程（或者如果不知道或可解，经验观察的路径）提供了需要验证的“物理定律”（或重复的可观察行为）。

因此，我们断言，系统工程不缺乏“硬科学”为其他工程学科带来的那种理论基础，而是：

• 事实证明，所有其他工程学科的基础本身都依赖于系统现象，并从中产生。
• 相关的基础数学和系统科学（至少可以追溯到汉密尔顿）提供了所有硬科学及其各自的工程学科已经使用的理论基础。
• 不是系统工程缺乏自己的基础——相反，它一直在为其他学科提供基础！ （请参阅图 6。）
• 这种洞察力在 200 年前就为科学界所熟知和引人注目，并且从那以后一直因其令人惊讶的报道而受到主要科学家的评论：“它 [科学] 的最高原则和最令人垂涎​​的目标是解决将所有已经观察到和仍将被观察到的自然现象浓缩为一个简单的原理，该原理允许计算过去的过程，尤其是从现在的过程计算未来的过程。 ......在过去几个世纪中标志着物理科学成就的或多或少的一般规律中，最小作用原则可能是就形式和内容而言可能声称最接近那个理想结局的原则理论研究的目的。” （克莱恩，1981）

历史领域示例 1：化学

化学家和化学工程师有理由认为他们的学科是基于化学的“硬现象”（Pauling 1960；Servos 1996）：

• 这一观点源于对化学现象和规律的科学发现和验证。
• 其中最突出的是个别化学元素及其化学性质的发现，这些元素是由元素周期表的发现模式组织起来的。
• 对相关现象和行为的新兴理解包括化学键、化学反应、反应速率、化学能以及质量和能量守恒。
• 在这种结构上，人们对化合物及其性质有了进一步的了解：

图 3：化学相互作用、现象、原理。（SEBoK 原创)

尽管这些化学现象和规律看起来非常基本：

• 所有这些化学性质和行为都是原子的轨道电子（或它们的量子等效物）之间发生的相互作用的紧急结果，以及它们轨道的其余原子的有限性质（例如原子量）。
• 这些较低的相互作用产生了可见的更高层次的化学行为模式，它们自己的更高层次的性质和关系，表达了化学的“硬科学”定律。

这说明：

• 化学的“基本现象”，连同经过科学发现/验证的“基本定律/第一原理”，其实都是。 . .
• 更高级别的紧急系统模式和 . . .
• 化学和化学工程研究和应用这些系统模式。

历史领域示例 2：气体定律和流体流动

如图 4 所示，Boyle、Avogadro、Charles、Gay-Lussac、Bernoulli 等人发现并验证的气体和可压缩和不可压缩流体流动定律被正确地视为科学和工程学科的基础。 (Cardwell 1971) 然而，所有这些流体和气体特性和行为都是原子或分子之间发生的相互作用、它们所占据的容器以及它们的外部热环境之间的相互作用的紧急结果。 这些较低层次的相互作用产生了具有自己的较高层次属性和关系的模式，表示为“硬科学”定律。 所以，气体的“基本现象”，连同经过科学发现和验证的“基本规律和第一性原理”，实际上是更高层次的涌现系统模式。 所以，机械工程师，

[[文件：|拇指|中心|750px| 图 4：气体、流体相互作用、现象、原理。(SEBoK原创)]]

最近历史的例子

本文的实际意义在于强调新的科学和工程学科在更高层次的系统交互产生的领域中不断出现。 这些领域包括对社会很重要的领域，尽管它们的出现晚于它们产生的更基本的领域。 对这些更高层次的现象、原理和规律的发现和利用，对于未来的进步和创新，包括企业、个人的事业和社会都具有重要意义。 图 8 的示例说明了这些较新的新兴领域，其中正式系统模式被认为描述了更高层次的现象和规律：

1. 地面车辆：如实现车辆稳定性控制的车辆稳定性动力学定律（Guiggiani 2014）
2. 飞机：包括飞机级别的动力学定律，使先进的飞机设计能够实现动态性能和顶级飞行控制（Pratt 2000）
3. 船舶：促进设计更高效的船体和特殊用途的船只，以及散装运输（Perez et al 2007）
4. 生物监管网络：促进我们对与病理学和疗法相关的免疫反应和其他监管途径的理解（戴维森和莱文，2005 年）。

例如，在地面车辆的情况下，车辆稳定性的动力学定律来自于通过控制算法调制的车辆与驾驶表面运动的分布质量的相互作用，通过制动、加速或转向的牵引力传递，进一步受到路面和轮胎状况以及其他因素的影响。 正是所有这些领域元素的整体系统相互作用导致了紧急的车辆运动定律。

研究复杂性的学生 (Cowan et al 1994) 会注意到，非线性、混沌的开始和极端的相互依赖并不是避免表示表现出这种行为的相互作用的理由。 事实上，它们提供了进一步的理由来理解这些相互作用。

图 5：地面和海上车辆、飞机、生物体监管。（SEBoK 原创）

要求提高系统工程未来效率的示例包括：

1. 公用事业和其他分销网络：社会依赖于以材料、能源、通信和信息服务的形式快速发展的、通常是全球性的商品和服务分销网络。 这些网络的网络级现象、规律和原则是什么，影响其有效性和弹性？ （Perez-Arriaaga 等人，2013 年）
2. 市场体系、经济和人为的监管框架：这些体系显然对社会和个人有直接影响。 强加给他们的“设计”自上而下的监管体系包括对银行、证券市场、医疗器械和化合物的开发以及医疗保健的监管等突出例子。 这些系统的系统级现象、规律和原则是什么，影响其有效性和弹性？ （弗里德曼 1980）
3. 生命生态：生物的新兴栖息地包括雨林、珊瑚礁、人类微生物群和整个生物圈。 这些表现出的特征包括限制内的监管稳定性以及病理。 这些系统的系统级现象、规律和原理是什么？ （麦克阿瑟和威尔逊 2001 年）
4. 医疗保健服务：这些系统，包括一些重要的挑战，都在公众的视野中。 由于医学科学的前沿不断发展，有效医疗保健的定义必然是动态的。 有效提供护理、为其成本融资和（希波克拉底式）保护患者免受伤害的方法都是系统级现象和原则的研究主题。 （霍尔德伦等人 2014）
5. 产品开发、通用创新和相关的敏捷性：这个系统领域是 INCOSE 和我们系统工程专业的“主场”。 虽然有大量相关系统的描述，但将这些系统作为建模技术系统的研究大多是新的或未来的。 INCOSE 敏捷系统工程生命周期模型项目就是这样一个项目。 （Braha 等人 2007；Schindel 和 Dove 2016；Hoffman 2015）

加强 MBSE 的基础

与牛顿之前的力学一样，MBSE 模型需要一个基础框架来有效地描述实践领域中的系统现象。 MBSE 需要足够强大的底层元模型来支持基于现象的系统科学。 正如 (Schindel 2013) 中所讨论的，交互在此类框架中发挥着核心作用，其灵感来自于汉密尔顿和三百年来科学和工程出现的先驱者。 交互被一些当前的系统建模框架承认并且可以在其中建模，但是典型的实践和底层结构需要相关的改进。 图 9 展示了从 S*Metamodel (Schindel 2011) 中提取的以交互为中心的相关内容。

图 6：S*Metamodel 的摘要视图。（SEBoK 原创）

这不仅仅是模型语义或本体。 这意味着要认识到我们所追求的模型是它们所涉及的真实物理系统的模型，而不仅仅是与这些系统相关的业务流程的信息模型。 虽然这对物理科学家来说似乎很明显，但在 40 年的企业信息系统实践中嵌入了与此不同的观点。 在那段历史中，传统的（并且相对成功的）范式是构建描述信息交易或文件（例如，购买机票）的信息模型。 该范式的症状是，今天我们仍然遇到 MBSE 模型和人类对它们的解释，包括数据库、“调用”、“方法”的概念，以及其他与建模物理系统不同的成功软件概念。

结论和对未来行动的启示

1. 与其他工程学科一样，系统工程可以被视为建立在“真实”物理现象——系统现象——的基础上，经过实验验证、数学建模的硬科学、定律和第一原理已经存在了 150 多年，可追溯到汉密尔顿，或更早，到牛顿。
2. 系统工程不仅有自己的现象，而且传统工程学科（ME、CE、ChE、EE）所依据的现象本身都可以看作是从系统现象推导出来的。 具有更基础基础的是 SE，而其他学科则是现象和数学的特例。
3. 系统现象支持对人类至关重要的更高层次现象的硬科学、定律和第一原理的出现。
4. 系统工程及其相关的科学基础是一门年轻且仍在新兴的学科。 在基于模型的框架中重新植入系统工程是加强学科的重要一步，但需要一个更强大的模型框架才能实现，而系统现象为该框架的关键部分指明了道路。
5. 对实践系统工程师及其教育者的实际启示：所有行为模型都应基于交互。 大自然不提供互动之外的“裸露”行为，但目前的实践和培训似乎常常忽视这一点。
6. 系统研究的重点将受益于更多地关注特定的新兴领域，每个领域都有自己的现象，而不是过分强调抽象的通用系统。 正如 (Anderson 1972) 中所指出的，这是一个很好描述但经常被忽视的观察结果
7. 在这个空间中还有其他现象。 有关值选择现象和小组学习和模型信任现象的讨论，请参阅（Schindel 2020）。