1.3.1 復雜性

每個系統都具有復雜性，這種復雜性可以被認為是兩種類型其中之一，如圖1.10所示。

圖1.10展示了系統會表現出復雜性。復雜性主要有兩種類型：

?固有復雜性是指系統固有的自然復雜性。這里使用術語“固有”是因為它指的是在系統本質中表現出來的復雜性。系統的固有復雜性是不可能被降低的，但是可以進行管理和控制，當然前提是它在一開始就被識別出來了。

?偶發復雜性不是系統自然而然具有的，它是由低效的系統工程實施人員、流程和工具引起的，本章稍后將對此進行討論。偶發復雜性可以被降低，這也是系統工程的一個環節。

復雜性表現在事物之間的關系中，無論是構成系統的系統元素之間還是系統之間。下面會更詳細地討論復雜性的微妙之處。

1.舉個例子

為了說明復雜性在過去幾十年中是如何演變的，這里將介紹一個簡單的系統示例。該示例貫穿全書，用于解釋各種概念和技術——這些概念和技術是系統工程總方法的一部分。

在本例中，我們將考慮汽車系統。試想一下這樣兩輛汽車：一輛是在50年前研發和制造的，大約在1970年；另一輛是近些年研發和制造的，大約在2020年。

考慮系統的需求。汽車的目的是將許多人從A點運送到B點。汽車與人交互的元素基本上是轉向盤、變速桿和三個踏板（加速踏板、制動踏板和離合器踏板）。

在過去的50年中，汽車的這種基本需求或目的并沒有發生改變。這里討論的重點是汽車的復雜性以四種不同的方式發生了變化，這將在下文中依次討論。

2.系統元素的復雜性

為了說明系統元素的復雜性在過去50年中是如何變化的，我們會對上述兩輛汽車進行單獨的討論，然后再對它們進行比較。汽車的基本組成如圖1.11所示。

圖1.11顯示了一個簡單的汽車系統示例。汽車由以下四個系統元素構成：

?車身，包括較低級別的系統元素，例如車門、后視鏡等。

?底盤，包括較低級別的系統元素，例如制動器、車輪、懸架等。

?內飾，包括較低級別的系統元素，例如座椅、儀表板、控制臺等。

?傳動系統，包括較低級別的系統元素，例如發動機和傳動裝置。

這輛擁有50年歷史的汽車由機械和電氣類系統元素構成。其中幾乎所有的系統元素都屬于機械類，只有極少數屬于電氣類。

電氣類系統元素僅限于車燈、風扇、刮水器和起動發動機，這就是電氣類系統元素的范圍。機械類系統元素指與車身、底盤、傳動系統和內飾相關的其他所有系統元素。因此，系統的絕大多數元素都是機械的，只有少數是電氣的。這意味著幾乎所有系統元素之間的接口本質上都是機械的，只有少數是電氣或機電的。

對于制造這輛汽車，主要是將具有良好定義接口的獨立系統元素集成起來。此外，所有電氣連接都需要非常簡單的點對點布線。

現在再來看看近些年的汽車。這類汽車出現了兩種新的系統元素，而這在50年前的汽車上根本不存在。它們是電子類和基于軟件的系統元素。現代化汽車上絕大多數系統元素都屬于這兩類。電子類系統元素包括：

?控制器，如燈光控制器、指示燈控制器等。

?傳感器，如溫度傳感器、壓力傳感器、旋轉傳感器等。

?制動器，如杠桿、小齒輪等。

?顯示元素，如儀表板燈、音頻警報等。

所有現代化汽車都具備大量的軟件，這些軟件會被拆分到整輛汽車的多個節點上。對于軟件本身，必須連接到相關的電子組件上。它反過來會產生對通信總線的需求，例如控制器區域網絡（Controller Area Network，CAN），它本身也會使用通信協議。

制造現代化汽車不再是一個將系統元素集成在一起的簡單問題，因為現在元素之間的接口要復雜得多，并且會涉及電壓和電流、數據傳輸、通信協議與復雜布線的細微變化。

因此，構成汽車的系統元素的復雜性拉大了兩輛車之間的差距。事實上，它不僅增加了系統元素的數量，還改變了這些系統元素的性質。

3.約束的復雜性

在過去的50年中，人們對汽車的基本需求并未發生巨大變化，即仍然是將人們從A點運送到B點。在過去，汽車的重點需求是盡可能快地行駛，除此之外幾乎沒有其他的要求。而過去50年中發生的主要變化并不是針對這樣的基本需求的，而是針對基本需求的約束的，如圖1.12所示。

圖1.12顯示了“研發汽車”的簡單需求，與此相關的主要約束有兩個，即安全與快速。圖1.2大致代表了一輛有50年歷史的車的基本需求和約束。

相較于現代化汽車，與老式汽車相關的約束數量實在是太少了，現代化汽車的復雜約束如圖1.13所示。

圖1.13展示了與現代化汽車相關的約束。

比較這兩組約束時，首先注意到的是約束數量急劇增加。有一些新的約束在老式汽車中根本不存在，例如，保護性（be sure）現在是一個受關注的點，而以前并不是主要考慮的因素。同樣，有一整套與提供良好的駕駛體驗相關的新約束。這種約束數量的增加會導致基本需求和約束之間的關系數量增加，這自然會導致需求和約束的復雜性增加。

不僅僅是約束數量的增加導致了復雜性的增加，單個約束的復雜性也增加了。現在有許多與最佳實踐模型相關的約束，例如符合標準和遵守法律。從復雜性的角度來看，這很有趣，因為這些約束也將直接與其他約束相關。例如，安全（be safe）以前被視為一個獨立的約束。在現代化汽車中，這一約束還包括與之相關的合規性約束。由于現在出現了很多在50年前還不存在的汽車相關標準和法律，并且隨著約束之間相關性的增加，單個約束的復雜性也隨之增加。

4.系統體系的復雜性

在過去50年中，汽車復雜性增加也發生在更高層次的由系統組成的系統中。由系統組成的系統不僅僅是系統的集合，當很多系統組合在一起時，能夠展現出單一系統無法體現的行為。因此，我們可以認為一個車隊不是由系統組成的系統，因為它只是系統的集合，只會使整個系統稍微復雜一些。真正的更高層次的由系統組成的系統可以是交通網絡，汽車只是其中的一部分。整個交通系統表現出了一系列行為，例如確保從一個目的地到另一個目的地的高效旅程，在發生事故時保持交通暢通，以及提供與智能城市和其他交通系統（如鐵路）的無縫連接。

隨著汽車自身與其他系統的交互，現代化汽車已經真正成為由系統（例如智能城市、智能道路、云、衛星等）組成的系統的一部分，而這些都是老式汽車沒有的?，F代化汽車還接管了一些以前屬于司機的技能，例如停車、定速巡航、識別潛在危險等。

因此，由于汽車現在是更廣泛的系統的一部分，汽車系統的復雜性增加了。

5.復雜性轉變

復雜性增加不一定表現為相同類型復雜性的增加，也可能表現為由于復雜性其他方面的增加而導致的復雜性的轉變。

再次考慮那輛老式汽車和它的發動機。這款已有50年歷史的汽車的發動機是一種內燃機，主要由機械類系統元素和少量電氣類系統元素組成。內燃機自然而然地可以被認為具有很高的機械復雜性。

現在考慮現代化電動汽車?，F代化電動汽車上的發動機是具有單個運動部件的電動機。與老式汽車相比，現代化汽車的機械復雜性幾乎不存在?，F代化汽車的復雜性主要在于監控汽車其他部分和控制電動機的軟件，而老式汽車沒有任何軟件。

因此，老式汽車的機械復雜性很高，而軟件復雜性為零。現代化汽車機械復雜性很低，軟件復雜性很高。

現代化汽車的復雜性在本質上已經發生了變化，從機械復雜性轉變成了軟件復雜性。

6.全盤考量

在過去的幾十年中，典型系統的復雜性急劇增加。在我們的示例中，汽車復雜性的增加有四個方面的原因，我們已經就這些原因進行了討論。

這種復雜性的增加不僅適用于汽車系統，還適用于所有其他類型的系統。實際上，這四種復雜性增加會相互依賴，進而會增加整體的復雜性。例如，系統元素復雜性的增加也將導致復雜性的轉移，并且可能導致系統體系復雜性的增加，這反過來又會導致約束數量的增加。

7.識別復雜性

管理復雜性的關鍵是識別復雜性在系統中的位置。這是一個貫穿全書的主題，尤其是在討論工件和模型時。接下來討論與溝通相關的問題，它與復雜性和理解一起形成了系統工程的三大弊端。