系統架構

本書由系統架構領域3位領軍人物親筆撰寫，全書共分四部分。

第一部分（第1~3章）的重點是引出系統架構。第1章通過一些範例來展示架構理念，指出良好的架構，並給出本書的概要；第2章列出進行系統分析必備的思路；第3章給出分析系統架構所用的思維模式。 ^[1] 

第二部分（第4~8章）着重對架構進行分析。第4章討論系統的形式；第5章討論系統的功能；第6章講解形式與功能之間的映射，並以此給出系統架構的定義；第7章研究如何從獨立於解決方案的功能陳述中衍生出系統；第8章演示怎樣把這些概念匯聚成一套架構。 ^[1] 

第三部分（第9~13章）講解如何為複雜的系統定義架構。第9章從任務和可交付成果這兩方面來概述架構師的職責；第10章探討如何把組織機構方面的接口當成在架構中減少歧義的契機；第11章講述如何用系統化的方式來捕獲利益相關者的需求，並把它們轉換成系統目標；第12章提出一些能夠幫助架構師更有創意地構思並選擇概念的手段；第13章講述在開發系統時管理複雜度的一些辦法。 ^[1] 

第四部分（第14~16章）探尋幫助架構師做決策的各種計算方法及工具所具備的潛力。第14章把系統架構的過程當成一種決策制定的過程來進行講解；第15章講解如何對架構權衡空間中的信息進行綜合；第16章演示怎樣把架構決策編碼成一套模型，使計算機可以根據該模型自動生成權衡空間並對其進行探索。 ^[1] 

Edward Crawley是俄羅斯莫斯科斯科爾科沃科學與技術學院的校長，也是麻省理工學院航空航天學及工程系統學教授；美國航天航空學會及英國皇家航空學會的會員，也是瑞典皇家工程科學院、英國皇家工程學院、中國工程院及美國國家工程院的成員。 ^[1] 

Bruce Cameron是諮詢公司Technology Strategy Partners的創始人，也是MIT System Architecture Lab的董事。Cameron博士在麻省理工學院的斯隆管理學院及工程學院講授系統架構與技術策略課程，是多倫多大學董事會的前成員。 ^[1] 

Daniel Selva是康奈爾大學機械與航天工程系的副教授，其研究重點是在設計活動的初期運用系統架構、知識工程與機器學習工具。他的研究成果運用於NASA的地球科學十年調查、Iridium GeoScan Program及NASA的跟蹤與數據中繼衞星系統等項目。 ^[1] 

目錄

系統架構原則

譯者序

推薦序

前言

致謝

作者介紹

第一部分系統思維

第1章　系統架構簡介……2

1.1　複雜系統的架構……2

1.2　良好架構的優勢……2

1.3　學習目標……5

1.4　本書結構……6

1.5　參考資料……7

第2章　系統思維……8

2.1　簡介……8

2.2　系統與湧現……8

2.2.1　系統……8

2.2.2　湧現……10

2.3　任務一：確定系統及其形式與功能……13

2.3.1　形式與功能……13

2.3.2　工具-過程-操作數：這是人類的標準思維模式嗎……16

2.4　任務二：確定系統中的實體及其形式與功能……16

2.4.1　具備形式與功能的實體……17

2.4.2　確定如何將系統初步分解為恰當的實體……18

2.4.3　用整體思維找出系統中的潛在實體……19

2.4.4　集中注意力，找出系統中的重要實體……21

2.4.5　為實體創建抽象或從實體中發現抽象……22

2.4.6　定義系統的邊界，並將其與外圍環境隔開……24

2.5　任務三：確定實體之間的關係……25

2.5.1　關係的形式與功能……25

2.5.2　外部接口……28

2.6　任務四：湧現……28

2.6.1　湧現的重要性……28

2.6.2　系統故障……29

2.6.3　預測湧現物……30

2.6.4　湧現物依賴於實體及其關係……31

2.7　小結……32

2.8　參考資料……33

第3章　思考複雜的系統……34

3.1　簡介……34

3.2　系統中的複雜度……34

3.2.1　複雜度……34

3.2.2　引入TeamXT這一範例系統……35

3.3　系統的分解……38

3.3.1　分解……38

3.3.2　體系……39

3.3.3　層級分解……39

3.3.4　簡單的系統、複雜度適中的系統以及複雜的系統……41

3.3.5　原子部件……42

3.4　特殊的邏輯關係……43

3.4.1　類/實例關係……43

3.4.2　特化關係……43

3.4.3　遞歸……44

3.5　對複雜系統進行思索……44

3.5.1　自頂向下及自底向上式的思考……44

3.5.2　交替思考……45

3.6　架構展示工具：SysML與OPM……45

3.6.1　視圖與投射……45

3.6.2　SysML……46

3.6.3　OPM……46

3.7　小結……49

3.8　參考資料……50 ^[1] 

第二部分　系統架構的分析

第4章　形式……53

4.1　簡介……53

4.2　架構中的形式……53

4.2.1　形式……53

4.2.2　用解析表示法來表現形式：對象……56

4.2.3　形式的分解……57

4.3　對架構中的形式進行分析……58

4.3.1　定義系統……58

4.3.2　確定形式實體……59

4.3.3　把泵作為複雜度適中的系統來分析……61

4.4　對架構中的形式關係進行分析……63

4.4.1　形式關係……63

4.4.2　空間/拓撲形式關係……65

4.4.3　用圖和圖表來展現形式關係：OPM……67

4.4.4　用表格及類似矩陣的視圖來展現形式關係：DSM……70

4.4.5　連接性的形式關係……71

4.4.6　其他的形式關係……74

4.5　形式環境……75

4.5.1　伴生系統、整個產品系統及系統邊界……75

4.5.2　使用情境……77

4.6　軟件系統中的形式……77

4.6.1　軟件系統：信息形式及其二元性……77

4.6.2　軟件中的形式實體與形式關係……79

4.6.3　軟件系統所在的整個產品系統、軟件系統的邊界及使用情境……81

4.7　小結……82

4.8　參考資料……82

第5章　功能……83

5.1　簡介……83

5.2　架構中的功能……84

5.2.1　功能……84

5.2.2　把功能視為過程加操作數……84

5.2.3　用解析表示法來展現功能……85

5.3　分析對外展現的功能和價值……89

5.3.1　對外界展現的主要功能……89

5.3.2　與價值有關的操作數……90

5.4　對內部功能進行分析……93

5.4.1　內部功能……93

5.4.2　確定內部功能……94

5.5　分析功能交互及功能架構……97

5.5.1　功能交互與功能架構……97

5.5.2　確定功能交互……98

5.5.3　價值通路……100

5.5.4　湧現與細分……101

5.5.5　軟件系統中的功能架構……102

5.6　與價值相關的次要外部功能及內部功能……105

5.7　小結……106

5.8　參考資料……107

第6章　系統架構……108

6.1　簡介……108

6.2　系統架構：形式與功能……109

6.2.1　形式與功能之間的映射……109

6.2.2　確定形式與過程之間的映射……114

6.2.3　形式結構承載並展現功能交互……116

6.2.4　確定形式結構是如何承載功能和性能的……118

6.3　系統架構中的非理想因素、支持層及接口……119

6.3.1　系統架構中的非理想因素……119

6.3.2　系統架構中的支持功能及支持層……120

6.3.3　形式與功能中的系統接口……121

6.4　操作行為……123

6.4.1　操作者……124

6.4.2　行為……124

6.4.3　操作成本……126

6.5　用各種表示法來推究系統架構……127

6.5.1　能夠對系統架構進行簡化的幾種方式……127

6.5.2　用投射法來表示系統的架構……128

6.5.3　把過程投射到對象……129

6.5.4　把過程和操作數投射到形式……130

6.6　小結……133

6.7　參考資料……134

第7章　與特定解決方案無關的功能和概念……135

7.1　簡介……135

7.1.1　正向工程與更加複雜的系統……135

7.1.2　對與特定解決方案無關的功能和概念所做的介紹……136

7.2　確定與特定解決方案無關的功能……138

7.3　概念……140

7.3.1　作為一種觀念的概念……140

7.3.2　對概念構想有所幫助的框架……142

7.3.3　構想概念時所應依循的步驟……144

7.3.4　為概念命名……145

7.3.5　對候選的概念進行整理……146

7.3.6　由更為廣闊的概念所形成的體系……150

7.4　整體概念……152

7.5　操作概念與服務概念……156

7.6　小結……158

7.7　參考資料……159

第8章　從概念到架構……160

8.1　簡介……160

8.2　研發系統之下第1級的架構……161

8.2.1　把概念擴展為功能架構……161

8.2.2　定義形式……162

8.2.3　把功能映射為形式……164

8.3　研發系統之下第2級的架構……166

8.3.1　第2級的功能意圖以及對第2級所做的遞歸思考……166

8.3.2　研發第2級中的架構……166

8.4　家庭數據網絡系統的第2級架構……170

8.5　為系統之下的第1級架構做模塊化處理……173

8.6　小結……176

8.7　參考資料……177

第三部分　創建系統架構

第9章　架構師的角色……180

9.1　簡介……180

9.2　歧義與架構師的角色……180

9.2.1　架構師的角色……180

9.2.2　減少歧義……182

9.2.3　架構師可以交付的成果……185

9.3　產品開發過程……186

9.3.1　各企業所使用的PDP之間的異同……187

9.3.2　通用的產品開發過程……191

9.4　小結……195

9.5　參考資料……199

第10章　上游和下游對系統架構的影響……200

10.1　簡介……200

10.2　上游的影響因素：公司策略……201

10.3　上游的影響因素：營銷……204

10.3.1　內向營銷……205

10.4　上游的影響因素：法規及類似法規的因素……207

10.4.1　法規的來源……208

10.4.2　與法規類似的因素：可能出台的法規、標準和法律責任……209

10.5　上游的影響因素：技術融合……210

10.6　下游的影響因素：實現—編碼、製造及供應鏈管理……212

10.7　下游的影響因素：操作……214

10.7.1　系統的登場與退場……215

10.7.2　偶發操作、應急操作與獨立操作……216

10.8　下游的影響因素：DesignforX……216

10.9　下游的影響因素：產品與系統的演化、產品系列……218

10.9.1　複用與遺留元素……219

10.9.2　產品系列……220

10.9.3　平台與架構……221

10.10　產品論證：架構商業論證決策框架（ABCD）……224

10.11　小結……226

10.12　參考資料……229

第11章　將需求轉換為目標……231

11.1　簡介……231

11.2　確定受益者和利益相關者……232

11.2.1　受益者和利益相關者……232

11.2.2　確定受益者和利益相關者的需求……235

11.2.3　從交換中確定利益相關者及其需求……238

11.2.4　對利益相關者進行分組……240

11.3　描述需求的特徵……242

11.3.1　從各種維度來描述利益相關者的需求……242

11.3.2　將利益相關者作為系統：間接的價值交付及利益相關者關係圖……244

11.3.3　在各個利益相關者的需求之間排定優先次序……247

11.3.4　對排列各需求的優先次序所做的小結……251

11.4　把需求轉換為目標……252

11.4.1　設定目標時所依據的標準……253

11.4.2　人類可以解決的目標：系統問題陳述……255

11.5　排列目標之間的優先次序……259

11.5.1　具備一致性與可達成性的目標……262

11.6　小結……263

11.7　參考資料……270

附：對利益相關者提出的系統需求所進行的特徵分析……271

第12章　用創造力生成概念……272

12.1　簡介……272

12.2　對概念進行創新……273

12.2.1　創新……273

12.2.2　無結構的創新……274

12.2.3　結構化的創新……274

12.2.4　確定概念……277

12.3　提出概念……278

12.4　擴充概念並提出概念片段……279

12.4.1　對推進功能進行擴充……279

12.4.2　混合動力車的另外7個內部功能所對應的概念片段……282

12.5　演化並完善整體概念……285

12.6　選出幾個整體概念，做進一步的發展……288

12.7　小結……291

12.8　參考資料……295

第13章　把分解作為複雜度管理工具來使用……296

13.1　簡介……296

13.2　理解複雜度……296

13.2.1　複雜度……296

13.2.2　複雜與難懂……299

13.2.3　必要的複雜度……301

13.3　管理複雜度……305

13.3.1　選定分解方式……305

13.3.2　模塊化程度與分解……308

13.4　小結……312

13.5　參考資料……317

第四部分　作為決策的架構

第14章　作為決策制定過程的系統架構……321

14.1　簡介……321

14.2　對阿波羅計劃的架構決策問題進行公式化處理……322

14.2.1　做決策時可以考慮的經驗法則……322

14.2.2　阿波羅計劃的決策……323

14.2.3　約束及衡量指標……325

14.2.4　計算各種阿波羅架構的得分……327

14.3　決策與決策支持……328

14.4　決策支持系統的四項主要任務……330

14.5　基本的決策支持工具……331

14.5.1　形態矩陣……332

14.5.2　設計結構矩陣……332

14.5.3　決策樹……334

14.6　為系統架構提供決策支持……338

14.7　小結……339

14.8　參考資料……340

第15章　探求架構的權衡空間……343

15.1　簡介……343

15.2　權衡空間的基本知識……344

15.3　帕累託前沿……347

15.3.1　帕累託前沿與佔優……347

15.3.2　GNC範例系統的帕累託前沿……348

15.3.3　模糊的帕累託前沿及其好處……351

15.3.4　在模糊的帕累託前沿上挖掘數據……352

15.3.5　帕累託前沿的運用機理……354

15.4　權衡空間的結構……355

15.5　敏感度分析……359

15.6　整理架構決策……364

15.6.1　對其他決策的影響……364

15.6.2　對衡量指標的影響……366

15.6.3　決策空間視圖……367

15.6.4　對決策進行排序……368

15.6.5　對決策及其順序的總結……370

15.7　小結……371

15.8　參考資料……372

第16章　系統架構優化問題的表述與求解……374

16.1　簡介……374

16.2　對系統架構優化問題進行表述……375

16.3　NEOSS範例：NASA的地球觀測衞星系統……379

16.4　系統架構決策中的模式……381

16.4.1　從程序化的決策到模式……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　對大規模的系統架構問題進行表述……406

16.5.1　模式之間的重合……407

16.5.2　把問題分解為子問題……409

16.6　解決系統架構優化問題……410

16.6.1　介紹……410

16.6.2　全因子排列……411

16.6.3　啓發式的架構優化算法……412

16.6.4　基於種羣的通用啓發式優化……413

16.6.5　生成初始種羣……414

16.6.6　把某些固定的架構包含在初始種羣中……415

16.6.7　通用的啓發式和元啓發式高效搜索……416

16.6.8　遺傳算法中的啓發式策略……416

16.6.9　用更多的啓發式技術來強化遺傳算法……418

16.7　小結……419

16.8　參考資料……420

附錄A根據所選的架構集來計算衡量指標對決策的敏感度……423

附錄B聚類算法及其在系統架構中的運用……425

附錄C基於規則的系統及其在系統架構中的應用……430

附錄D經典的組合優化問題……436

各章問題……441 ^[1]