系统工程手册（Systems Engineering Handbook）是国际系统工程协会（INCOSE）编著的一本权威性指导书籍，旨在为系统工程的全生命周期过程和活动提供详细的指南，其内容基本涵盖ISO/IEC/IEEE 15288（系统生命周期过程）和ISO/IEC/IEEE 26771（系统工程管理计划）。这些标准为系统工程的全生命周期提供了清晰的指导，涵盖了需求分析、设计、开发、测试和维护等环节，帮助工程师高效管理复杂项目，确保系统从概念到退役的全过程都能科学运作。
为了方便感兴趣的人士参考，reddish(@srs.pub)基于系统工程手册第四版（2015），借助通义完成翻译，并做校稿，个别地方有做必要的修正和裁剪。
本文是的中文译本的第十章专业工程活动(Specialty Enginerring Activities)的第一小节：可负担性-成本效益-生命周期成本分析(Affordability/Cost‐Effectiveness/Life Cycle Cost Analysis)。
1 可负担性 / 成本效益 / 生命周期成本分析
正如布兰查德和法布里奇（2011）所述，许多系统在规划、设计、生产和运营时，最初很少考虑其可负担性和整个生命周期的总成本……技术方面通常首先被考虑，而经济方面则被推迟到后来。本节讨论了经济和成本因素，包括可负担性和成本效益等一般主题。还讨论了生命周期成本（LCC）的概念。
1.1 负担能力概念
提高设计方法的可负担性（Bobinis 等人，2013 年；Tuttle 和 Bobinis，2013 年）对所有应用领域都至关重要。INCOSE 和国家国防工业协会（NDIA）（军事行动研究学会（MORS）也采用了这些定义）通过 2009 年底开始的持续可负担性工作组来解决“可负担性”问题，并通过这些持续的工作组定义了系统的可负担性。这两个组织将系统可负担性定义如下：
- INCOSE 可负担性工作组定义（2011 年 6 月）：
- 可负担性是在满足任务需求的同时，系统性能、成本和进度约束在系统生命周期内的平衡，同时符合战略投资和组织需求。
- 设计经济性是系统工程实践，旨在平衡系统性能和风险与成本和进度约束，以满足系统操作需求，同时考虑战略投资和不断变化的利益相关者价值。
- NDIA 可负担性工作组定义（2011 年 6 月）：
- 可负担性是通过平衡系统性能（KPP）、总拥有成本和进度约束，同时满足任务需求与国防部的长期投资和部队结构计划相结合，确保项目成功的实践。
可负担性的概念似乎很简单。困难在于试图具体说明和量化一个系统的可负担性时。这在编写规范或比较两个可负担的解决方案以进行可负担性权衡研究时非常重要。尽管 INCOSE、NDIA 和 MORS 已经定义了可负担性，但在 MORS 关于可负担性分析的特别会议上，讨论中指出所有行业团体都发现可负担性分析是上下文敏感的，经常导致对“可负担系统”的误解和不兼容的观点。各个行业工作组建议开发和正式化可负担性分析过程，包括认识到成本和……之间的区别。
关键的可负担性要点包括： - 可负担性背景、系统（或系统能力组合）需要被一致地定义，并包含在对可负担系统的任何理解中。 - 需要建立并记录一个可负担性流程 / 框架。 - 负担能力的问责制（系统治理）需要在整个生命周期中分配，其中包括来自不同上下文领域的利益相关者。
1.1.1 “成本效益能力”是一个情境属性
根据“更好的购买力：恢复国防支出的可负担性和生产力的任务”（Carter，2011）中的定义，“可负担性意味着在国防部可以为该能力分配的最大资源限制下进行项目。”可负担性包括采购成本和平均年度运营和支持成本。它被扩展以涵盖系统生命周期成本（LCC）所需的其他要素，作为任何系统嵌入的各种层次上下文的结果。因此，在 SE 领域，作为属性的可负担性必须在关注的系统（SOI）边界内和边界外确定（见图 10.1）。
图 10.1 可负担性交易空间的上下文性质。源自 Bobinis 等人（2013 年）图 1。经 Joseph Bobinis 许可转载。保留所有其他权利。
在术语上，系统能力、成本和我们称之为“可负担性”之间的联系。因此，可负担性的概念必须涵盖从一个组合（例如，汽车家族）到一个单独的项目（特定的汽车型号）。作为系统、项目或领域设计属性的可负担性仍然取决于利益相关者的背景和正在审查的 SOI 的生命周期。
1.1.2 可负担性设计模型
如前所述，可负担性设计模型必须能够提供有效管理和演化系统的能力，以适应长期生命周期。本节我们将重点关注以下衍生需求：
- 设计视角，假设系统将根据环境影响、新用途和导致性能恶化的禁用系统而改变。
- 系统和系统元素生命周期差异的原因（技术管理）。
- 反馈功能和系统行为的测量，以及处理涌现的过程（生命周期控制系统）。
- 一种将系统行为归纳转化为可操作的工程过程（自适应工程）的方法。
衡量竞争系统可负担性的主要假设之一是，给定两个产生相似输出能力的系统，它将是这些系统对利益相关者具有区分系统价值的非功能性属性。可负担性模型关注的是系统的操作属性，这些属性决定了其随时间的价值和有效性，通常在本手册中被称为系统的“特性”或专业工程。
这些属性是整个系统的特性，因此代表了系统的显著特征，并且是衡量系统随时间推移提供其设计能力的能力的指标。“系统集成及其在整个生命周期中的衍生品需要在 SE 和设计阶段进行额外的纪律和长期视角。这种方法包括明确考虑诸如系统可靠性、可维护性和支持性等问题，以解决与系统操作、维护和后勤有关的活动。还需要解决与不断变化的需求和客户期望、不断变化的技术以及不断发展的标准和法规相关的现实问题”（Gallios 和 Verma，未注明日期）（见图 10.2）。
图 10.2 系统运行效率。源自 Bobinis 等人（2013）的图 4。经 Joseph Bobinis 许可转载。保留所有其他权利。
1.1.3 对可负担性的影响
在可负担性交易空间内管理一个系统意味着我们关注的是实际部署系统的性能，该性能在一个或多个适当的指标中定义，并受时间成本的限制。（“系统性能”可以以任何对所研究系统有意义的方式表达。）时间维度将特定的“点分析”（静态）扩展到连续的生命周期视角（动态）。量化成本、性能和时间之间的关系定义了一个功能空间。
这些数据可以被绘制成图表并进行数学分析。然后，就可以研究输出（性能、可用性、能力等）如何因输入（成本限制或预算可用性）的变化而变化。因此，利用成本和结果之间的这种功能关系定义了一个可负担性交易空间。如果正确执行，就有可能具体分析花费的钱与系统性能之间的关系，并可能确定收益递减的点。
然而，当其他变量的值已知或指定时，通常需要估计一个变量的值。这些类型的点解（在这种意义上是空间内的“坐标”）在检查特定关系时非常有用，包括预测“平均”行为。回答关于某些参数相对于其他参数的“期望值”的问题，通常针对特定时间点，经常属于此类别。然后，可以将整个交易空间视为所有此类点解的总和。
1.1.4 系统生命周期中的可负担性交易空间
可负担性交易空间必须反映 SE 对满足操作和性能特征以及开发高度可靠系统的关注。支持性分析，应该与设计一起进行，关注于开发高度可维护的系统。这些学科有一个共同的目标：部署稳健、有能力的系统，以便在需要时可供最终用户使用。操作可用性（Ao）只是另一个性能参数，可以在该空间内作为成本的函数进行检查。可以合理地得出结论，改进设计，在这种情况下由严格的 Ao 要求驱动，可以降低已部署系统的操作和支持成本。事实上，Ao 是一个隐含的性能度量，用于计算预期的系统有效性。这必须与使用 / 市场规模和操作要求一起应用，以确定所研究系统的整体成本效益能力。
在整个生命周期中支持一个系统需要系统工程师考虑到随着时间的推移，系统设计的变化，例如威胁环境的变化、材料短缺问题的减少、技术的改进、系统间的关系以及系统外部变量的影响。
鉴于设计师无法控制环境中的变量，可负担性优化问题在生命周期的任何阶段都可能有所不同。这个问题可以通过功能关键性、激增和适应性要求或一组预定的技术更新周期来管理。它可以针对成本或性能进行优化，以实现最大价值。目的是能够根据操作性能效率来衡量两者。可负担性模型必须通过测量所有对操作性能的功能贡献来增强价值工程（VE）分析。设计师必须具备选择调整功能范围的能力，以实现最佳影响和成本。
在所有情况下，可负担性交易空间必须能够适应变化，但始终由相同的关键概念驱动：实施这种变化的成本是多少，我们从中得到什么。因此，在系统生命周期内，识别“成本效益能力”仍然是可负担性交易空间分析的关键。
例如，考虑一个在库存中独一无二但 Ao 值过低的系统。那么问题就出现了，我们能否升级这个系统以提高现场性能，并且以一种成本效益的方式进行？是否有可能改善这个系统的现有可靠性和可维护性特征并提高 Ao，考虑到该系统本身还有多年的使用寿命？因此，交易空间分析必须表明，随着时间的推移，通过降低运营和支持成本、增加能力或两者兼而有之，这些升级将自行支付费用。
一般来说，必须在整个系统生命周期的贸易空间内考虑的因素包括： - 不同设计方案的成本与效益对比 - 不同支持策略的成本与效益对比 - 用于开发这些比较的方法和理由 - 能够识别和获取分析变化所需的数据
从程序的角度来看，对这些替代方案的分析还必须与相关风险的识别、分类和分析以及制定实施成本计划相结合。
1.2 可负担性实施
当考虑整个 SOI 时，主要系统和使能系统都应该被视为一个 SoS。在图 10.3 的例子中，任务有效性可负担性权衡空间将主要系统和使能系统整合到一个 SoS 中。请注意，SoS 被视为一个闭环系统，随着任务需求的演变，要求会进行修改。这些迭代允许在设计更新时插入技术。为确保在整个系统生命周期内都考虑到可负担性，即使系统在发展，也会为主系统和使能系统设定设计成本（DTC）目标。反馈到系统评估中的可负担性测量是关键性能参数（KPP）和操作可用性，这确保了任务可以随着时间的推移完成（例如，这些 KPP 在整个系统生命周期中得到满足；见图 10.4）。
为了定义特定项目或系统的可负担性（见图 10.3 作为可负担性范围的一个例子），我们必须定义选定的可负担性组件。因此，可以指定以下内容：
- 必要能力
- 确定所需能力及纳入这些能力的时间安排。
- 必要能力表现
- 识别并指定每种能力所需的 MOE。
- 定义实现 MOE 的时间阶段。
- 预算
- 确定要纳入可负担性评估的预算要素。
至少需要将一个可负担性要素指定为决策标准，该标准将在交易研究中使用或作为合同授予的基础。未被指定为决策标准的可负担性要素将成为约束条件，与正在规定的约束条件一起。这通过图 10.3 中的例子来说明。在这里，能力和时间表已经固定，成本或性能成为评估标准，而另一个则成为约束条件。这导致了性能和成本之间相对简单的关系。最大预算和最低性能被确定。在最大预算线以下的解决方案符合“……以最大资源限制的成本进行项目……”的定义。在最低性能线右侧的解决方案满足阈值要求。因此，在阴影矩形中的解决方案是需要考虑的，因为它们满足最低性能且低于最大预算。在曲线上的是“最佳价值”的解决方案，从某种意义上说，对于给定的成本，曲线上的相应点是最大的。可以实现的性能。（注意：在现实世界中，曲线很少是平滑或连续的。）同样地，对于给定的性能，曲线上相应的点就是实现该性能所需的最低成本。选择成本作为决策标准将导致达到阈值性能。同样，如果决策标准是性能，所有的预算都将被消耗。因此，要为系统或程序指定可负担性，需要确定哪个可负担性元素是决策标准的基础，哪些元素被指定为约束条件。
可负担性是纪律严明的决策过程的结果——需要系统的方法来支持选择最经济实惠的技术和系统。
2 成本效益分析
如前一节所述，系统工程师不能再忽视成本作为 SE 的责任领域或主要架构。本质上，系统工程师必须熟悉商业和经济学以及工程学。成本效益分析（CEA）是一种商业分析形式，用于比较两种或更多行动方案的相对成本和性能特征。在系统层面，CEA 有助于推导出关键的系统性能和设计要求，并支持基于数据的决策。
成本效益分析始于明确的目标和一套实现这些目标的替代方案。比较应该只在具有相似目标的替代方案之间进行。一个直接的成本效益分析无法比较具有不同目标和目的的选项。实验或准实验设计可以用来确定有效性，并且应该具有能够合理地得出有效结论的质量。如果不是这样，成本效益分析方法中没有任何东西可以挽救结果。成本效益分析增加的是考虑不同替代方案相对于实现这些结果的成本的能力。它不会改变什么是好的有效性研究的标准。正在评估的替代方案应该针对一个共同的具体目标。例如，可以测量每加仑英里数、杀伤半径或服务人数等目标的实现情况。
成本效益分析（CEA）与成本效益分析（CBA）不同，后者为效果的衡量赋予了货币价值。这两种技术在衡量成本的方法上是相似的，但与 CEA 不同的是，CBA 使用货币来衡量结果。这种方法的优势在于能够以货币价值比较每个替代方案的成本和收益，以查看收益是否超过成本。它还能够在项目具有非常不同的目标时进行比较，只要成本和收益都可以用货币表示。
其他密切相关的，但略有不同的正式技术包括成本效益分析、经济影响分析、财政影响分析和社会投资回报（SROI）分析。
在成本效益分析（CEA）和成本效益分析（CBA）中，风险的成本和成本的风险都需要被纳入研究。风险通常使用概率论来处理。这可以被纳入到贴现率中（以使不确定性随时间增加），但通常会单独考虑。特别需要注意的是风险规避——即避免损失的非理性偏好超过实现收益。参数的不确定性（相对于项目失败的风险）可以通过敏感性分析进行评估，该分析显示结果和成本如何对参数变化做出反应。或者，可以使用蒙特卡罗模拟进行更正式的风险分析。应咨询风险和成本方面的专家。
成本效益的概念被应用于许多类型有组织活动的规划和管理。它在生活的许多方面被广泛使用。一些例子是：
- 研究商业飞机的理想性能特征，以最低的总成本增加航空公司在其航线结构中的市场份额（例如，更多的乘客，更好的燃油消耗）。
- 城市研究中最具成本效益的城市交通基础设施改进（例如，公交车、火车、高速公路以及公共交通路线和发车时间表）。
- 在卫生服务中，将健康影响货币化可能不合适（例如，寿命年数、避免早产、视力年数增加）。
- 在采购军事装备时，不仅比较购买价格，还要考虑其操作半径、最高速度、射速、装甲防护以及火炮的口径和穿甲能力等因素。
3 LCC 分析
LCC 指的是一个系统或产品在其整个生命周期中产生的总成本。这个“总”成本因情况、利益相关者的观点和产品而异。例如，当你购买一辆汽车时，主要的成本因素是购置成本、运营成本、维护成本和处置（或折旧价值）成本。一辆更昂贵的车（购置成本）可能因为较低的运营和维护成本以及更高的折旧价值而具有更低的 LCC。然而，如果你是制造商，其他成本如开发和生产成本，包括建立生产线的成本，也需要考虑。系统工程师需要从多个方面看待成本，并了解利益相关者的观点。在一些文献中，LCC 等同于总拥有成本（TCO）或总所有权成本（TOC），但很多时候，这些度量只包括系统购买或获取后的成本。
有时，有人认为生命周期成本（LCC）估计值仅用于支持内部项目权衡决策，因此只需要足够准确以支持这些权衡（相对准确性），而不必一定是现实的。这本身通常是一种不良做法，如果这样做，应该跟踪风险元素以解决真实性问题。分析师应始终尝试准备尽可能准确的成本估算，并根据需要分配风险。这些估算通常由高层管理人员和潜在利益相关者进行审查。如果审查者根据他们的过去经验感觉成本“大致正确”，结果的可信度将大大提高。虽然未来的成本是未知的，但可以根据假设和分配的风险进行预测。在进行 LCC 分析时，所有假设都应记录下来。
LCC 分析可用于可负担性和系统成本效益评估。由于 LCC“估计”（基于未来假设）通常在项目生命周期的早期准备，此时缺乏足够的详细设计信息，因此 LCC 并不是项目的最终成本提案。之后，应使用早期项目阶段的实际成本更新 LCC 估计值。并且由于对系统的实际经验，将更加明确和准确。LCC 研究的主要目的是帮助识别成本驱动因素和在后续子阶段可以强调的领域，以获得最大的成本降低。随着系统的发展和计算中使用的数据不确定性降低，估计的准确性将得到提高。
LCC 分析帮助项目团队理解决策的总成本影响，比较不同方案，并支持整个系统生命周期中做出决策的权衡研究。LCC 通常包括以下成本，如图 10.5 所示：
- 概念成本：初始概念开发工作的成本。通常可以根据平均人力和时间跨度进行估算，并包括必要的间接费用、一般和行政（G&A）成本以及费用。
- 开发成本：系统开发工作的成本。与概念成本类似，通常可以根据平均人力和时间跨度进行估算，并根据需要包括间接费用、一般管理费用和费用。
- 生产成本：通常由大批量系统的工具和材料成本驱动。劳动力成本估计是通过估算第一个生产单位的成本，然后应用学习曲线公式来确定减少的成本。对于一个以 90% 学习曲线生产的项目，每次生产批次的规模翻倍（2、4、8、16、32 等），该批次中单位的平均成本是前一批次中单位平均成本的 90%。通常需要一位生产成本专家来估算适当的学习曲线系数。
- 利用和支持成本：通常基于对未来系统持续运行和维护的假设，例如燃料成本、人员配置水平和备件。
- 退役成本：系统停止运行的成本，包括对折旧或残值成本的估计。可能是正数或负数，并应考虑处置时对环境的影响。
进行 LCC 分析的常用方法 / 技术如下：
- 专家判断：与一个或多个专家进行咨询。对于合理性检查很有用，但可能不够充分。
- 类比：通过将拟议项目与一个或多个被认为相似的已完成项目进行比较来进行推理，同时对已知差异进行修正。可能适用于早期估算。
- 帕金森定律：定义工作以适应可用资源。
- 赢得价格：专注于提供一个估计值和相关的解决方案，该估计值和解决方案等于或低于赢得合同所需的价格。
- 重点：基于从架构的顶层开始，根据项目的整体特性来开发成本。
- 自下而上：分别识别和估算每个元素的成本，并汇总贡献。
- 算法（参数化）：使用数学算法根据成本驱动变量的历史数据来生成成本估算。这种技术由商业工具和模型支持。
- DTC：致力于设计一种符合预先确定的生产成本的解决方案。
- 德尔菲技术：从多个技术和领域专家那里构建估算。估算的质量取决于专家的水平。
- 分类法：架构的层次结构或分类方案。