系统工程的基本方法和方法论PPT演示课件

第二章 系统工程的基本方法和 方法论 1 2 l 方法和方法论在认识上是两个不同的范畴。方法是用于完 成一个既定任务的具体技术和操作；而方法论是进行研究 和探索的一般途径，也就是解决问题的基本程序和逻辑步 骤，是对方法如何使用的指导。 l 系统工程方法论是研究和探索（复杂）系统问题的一般规 律和途径。 l 系统工程方法论的特点： 描述性（自然科学）：内在的因果关系与机理 规范性（工程技术）：一定的逻辑程式 对话性（系统工程）：系统工程人员、决策者、评论者、 公众 3 系统思想是关于事物的整体性观念、相互联系的 观念、演化发展的观念。即全面而不是片面的、联系 的而不是孤立的、发展的而不是静止的看问题。 （1）古代的系统思想：“不见树木，只见森林” （2）近代的分析方法：“只见树木，不见森林” （3）现代的系统思想：“先见森林，后见树木” 4 处理复杂系统问题的基本观点 n整体观点：把系统内部所有要素看成一个整体 n综合观点：综合考虑系统的方方面面，协调系统内各要 素之间的关系。 n层次观点：处理复杂问题时要抓住问题的主要矛盾，抓 住主要矛盾的主要方面。 n价值观点：考虑系统的投入与产出 n发展观点：用动态的、发展的观点去思考、研究、解决 系统问题。 5 系统工程方法论 最具代表性的系统 工程方法论有: 霍尔“三维结构” 并行工程 综合集成方法 切克兰德的“学习调查”法 物理事理人理（WSR） 6 系统工程常常把所研究的系统分为系统工程常常把所研究的系统分为良结构系统良结构系统与与不良结构不良结构 系统系统，由于它们具有不同的特点，故分别采取不同的解决方法，由于它们具有不同的特点，故分别采取不同的解决方法 ，如下表：，如下表： 定 义特 点解决的方法 良结构S 偏重工 程、机理 明显的物 理型的硬S 可用较明显的数学模 型描述，有较现成的 定量方法可以计算出 系统的行为和最佳结 果。 用“硬方法”求出 最佳的定量结果 ，霍尔的三维结 构主要适用于 此。 不良结构S 偏重社 会、机理 尚不清楚 的生物型 的软S 较难用数学模型描述 ，因其加入了人的直 觉和判断，往往只能 用半定量、半定性或 者只能用定性的方法 来处理问题。 用“软方法”求出 可行的满意解， 常用德尔菲法、 情景分析法、冲 突分析法、切克 兰德的“调查学 习” 法等。 7 霍尔三维结构 n霍尔三维结构是由美国学者AD霍尔(ADHall)等人在 大量工程实践的基础上，于1969年提出的。其内容反 映在可以直观展示系统工程各项工作内容的三维结构 图中。 n霍尔三维结构集中体现了系统工程方法的系统化、综 合化、最优化、程序化和标准化等特点，是系统工程 方法论的重要基础内容。 系统工程的基本工作过程 l霍尔三维结构 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。 8 9 知识维（K） 运筹学 控制论 社会科学 工程技术 逻辑维（L） 规划阶段 设计阶段 分析阶段 运筹阶段 实施阶段 运行阶段 更新阶段 时间维(T) 摆 明 问 题 系 统 设 计 方 案 综 合 模 型 化 实 施 计 划 决 策 最 优 化 知识维：指在完成上述各阶 段和各步骤所需要的各种专 业知识和管理知识。 逻辑维：每个阶段需进行的工作 步骤，是运用系统工程方法进行 思考、分析和解决问题应遵循的 一般程序。 时间维：从规划到更新， 按时间顺序排列的SE全过 程。 10 霍尔三维结构方法特征： 强调明确目标，核心内容是最优化，并认为现实问题 基本上都可归纳成系统工程问题，应用定量分析手段 ，求得最优解答。 该方法论具有研究方法上的整体性（三维）、技术应 用上的综合性（知识维）、组织管理上的科学性（时 间维与逻辑维）和系统工程工作的问题导向性（逻辑 维）等突出特点。 11 在这个过程系统中，每一阶段都有自己的管理内容和管在这个过程系统中，每一阶段都有自己的管理内容和管 理目标，每一步骤都有自己的管理手段和管理方法，彼此相理目标，每一步骤都有自己的管理手段和管理方法，彼此相 互联系，再加上具体的管理对象，组成了一个有机整体。互联系，再加上具体的管理对象，组成了一个有机整体。 霍尔管理矩阵可以提醒人们在哪个阶段该做哪一步工作霍尔管理矩阵可以提醒人们在哪个阶段该做哪一步工作 ，同时明确各项具体工作在全局中的地位和作用，从而使工，同时明确各项具体工作在全局中的地位和作用，从而使工 作得到合理安排。作得到合理安排。 把系统工程过程系统运用于大型工程项目，尤其是探索把系统工程过程系统运用于大型工程项目，尤其是探索 性强、技术复杂、投资大、周期长的性强、技术复杂、投资大、周期长的“ “大科学大科学” ”研究项目，可研究项目，可 以减少决策上的失误和计划实施过程中的困难。以减少决策上的失误和计划实施过程中的困难。 基于 “三维结构”模型的 系统工程过程系统系统工程过程系统 12 国内外许多事例表明，运用科学的系统工程过程系统管国内外许多事例表明，运用科学的系统工程过程系统管 理方法，决策的可靠性可提高一倍以上，节约时间和总投资理方法，决策的可靠性可提高一倍以上，节约时间和总投资 平均在平均在15%15%以上，而用于管理的费用一般只占总投资的以上，而用于管理的费用一般只占总投资的3%3%6%6% 。 在规划和方案探索阶段，只花去装备寿命周期费用的极在规划和方案探索阶段，只花去装备寿命周期费用的极 少部分，但确定了装备一生要花费用的少部分，但确定了装备一生要花费用的70%70%； 全面工程研制之前，花费的费用占到寿命周期费用的全面工程研制之前，花费的费用占到寿命周期费用的3%3% ，但固定了寿命周期费用的，但固定了寿命周期费用的85%85%； 研制结束时，装备寿命周期费用已被基本固定。研制结束时，装备寿命周期费用已被基本固定。 基于 “三维结构”模型的 系统工程过程系统系统工程过程系统 13 寿命周期费用 寿命周期费用（LCC，Life Cycle Cost）是指装备 在其寿命周期内，为论证、研制、生产、使用与保障、 退役所付出的一切费用之和，亦即系统在寿命周期内， 为购置以及维持其正常运行所需支付的全部费用。 购置费 使用费保障费处置费 14 切克兰德方法论 n20世纪4060年代期间，系统工程主要用来寻求 各种战术问题的最优策略、组织管理大型工程项 目等。 n20世纪70年代以后，系统工程越来越多地用于研 究社会经济的发展战略和组织管理问题，涉及的 人、信息和社会等因素相当复杂，使得系统工程 的对象系统软化，并导致其中的许多因素又难以 量化。 15 n因此，为了适应系统工程的对象系统的软化趋势 ，从20世纪70年代开始，许多学者在霍尔方法论 的基础上，进一步提出了各种软系统工程方法 论。 n其中，在80年代中前期由英国兰切斯特大学(Lan- caster University) P切克兰德（PCheckland) 教授提出的方法比较系统且具有代表性。 16 切克兰德法的方法步骤切克兰德法的方法步骤 (1) (1) 不良结构系统现状说明。通过调查分析，对现存的不良 结构系统的现状进行说明。 (2) 弄清关联因素。初步弄清、改善与现状有关的各种因素 及其相互关系。 (3) 建立概念模型。在不能建立数学模型的情况下，用结构 模型或语言模型来描述系统的现状。 (4) 改善概念模型。随着分析的不断深入和“学习”的加深， 进一步用更合适的模型或方法改进上述概念模型。 (5) 比较。将概念模型与现状进行比较，找出符合决策者意 图而且可行的改革途径或方案。 (6) 实施。实施提出的改革方案。 17 切克兰德的切克兰德的“ “调调 查学习查学习” ”软方法的核软方法的核 心不是寻求心不是寻求“ “最优化最优化 ” ”，而是，而是“ “调查、比调查、比 较较” ”或者说是或者说是“ “学习学习” ” ，从模型和现状比，从模型和现状比 较中，学习改善现较中，学习改善现 存系统的途径存系统的途径。 概念模型代替 数学模型，思 路更加开阔。 满意解代替最优 解，价值观方面 的重要变化。 18 n切克兰德方法论的核心是“比较”与“探寻”，它强 调从“理想”模式（概念模型）与现实状况的比较 中，探询改善现状的途径，使决策者满意（化 ）。 n通过认识与概念化、比较与学习、实施与再认识 等过程，对社会经济等问题进行分析研究，这是 一般软系统工程方法论的共同特征。 19 霍尔三维结构与切克兰德方法论的比较 n相同点：问题导向；注重程序及阶段； n不同点： 霍尔方法论主要以工程系统为研究对象，而切克兰德 方法更适合于对社会经济和经营管理等“软”系统问题 的研究。 前者的核心内容是优化分析，而后者的核心内容是比 较学习。 前者更多关注定量分析方法，而后者比较强调定性或 定性与定量有机结合的基本方法。 20 应用：企业管理系统工程活动矩阵（框架H；内容C） 活动项目 问题 现状 说明 关联 要素 分析 方向目 标及指 标设计 对象 系统 的再认识 变革 途径 探索 比较、 分析、 权衡、 评价 组织 行为 分析 实施 与 改进 1.企业诊断与 环境分析 2.企业发展战 略与规划 3.产品研究与 开发管理 4.企业经营决 策与计划 5.生产要素的 准备及投入管 理 6.生产过程的 组织与控制 7.销售服务与 资金回收管理 8.企业管理系 统更新和企业 经营环境改善 逻辑 步骤 工作过程 21 第3节 物理事理人理系统方法 n物理事理人理系统方法（简称WSR）是顾基发 和朱志昌在1995年提出的。 n他们总结了国内很多系统工程的研究与实践，分 析它们成功与失败的原因，从众多案例分析中悟 出“关系协调”的重要性，从方法论的角度提出了 物理事理人理系统方法。 22 物理主要涉及物质运动的机理，通常要用到自然科学的知 识，主要回答这个“物”是什么，它需要的是真实性。 事理是做事的道理，主要解决如何去安排这些物，通常用 到管理科学方面的知识，主要回答怎样去做。 人理是做人的道理，处理任何事都离不开人去做，以及由 人来判断这些事和物是否得当，通常要用到人文科学的知 识，主要回答应当如何。 WSR系统方法论是把这三者结合起来，它是具有东方文化 传统的系统方法论，得到国际同行的认同。 23 表21 物理、事理、人理系统方法论内容 要素物理事理人理 道理物质世界，法 则、规则的理论 管理和做事的 理论 人、纪律、规 范的理论 对象客观物质世界组织、系统人、群体、人 间关系、智慧 着重点是什么？ 功能分析 怎样做？ 逻辑分析 应当怎样做？ 怎样分析 原则诚实，真理，尽 可能正确 协调，有效， 尽可能平滑 人性，有效果 尽可能灵活 需要的知识自然科学管理科学 系统科学 人文知识 行为科学 24 1.理解领导意图 6.实施方案 5.提出建议 2.调查分析 3.形成目标 4.建立模型 协调关系 图23 WSR的工作程序 25 WSR方法论的主要原则： 参与 综合集成 人机结合，以人为主 迭代和学习 26 表22 WSR常用的方法 物理事理人理方法 理解 意图 了解顾客最初意 图，通过谈话和 收集有关领导讲 话 了解顾客对目标 的偏好，喜欢什 么模型和评价结 果的标准 了解有哪些领导 会参与决策，谁 会来用这个结果 智暴，讨论 会，认知图 调查 分析 主要调查现在已 有资源和制约条 件，主要通过现 场调查和文件检 索 了解用户的经验 和知识背景 了解谁是真正的 决策者，哪些知 识是必须用的， 弄清用户上下各 种关系是必要的 Delphi法， 各种调查表 ，文献调查 ，历史对比 ，KJ法 形成 目标 将所有可行的和 实用的目标准则 ，以及约束都列 举出来 要在目标中弄清 它们的优先次序 和权重 最好弄清各种目 标的涉及人物 智暴，目标 树，统一计 划规划，ISM ，AHP 27 建立 模型 将各种有关目 标和约束数据 化或规格化 要选择合适的模 型、程序和知识 尽量把领导的意图 放入模型中 各种建模 方法和工 具 协调 关系 要使所有模型 ，软件，硬件 ，算法和数据 之间加以协调 或称之为技术 协调 要对模型和知识 的合理性加以协 调或称知识协调 在工作过程中各方 面的利益，观点、 关系都会由于不同 而引起冲突，这就 需要利益协调 和谐理 论、亚对 策、超对 策 提出 建议 要对各种物理 设备和程序加 以安装调试， 验证 要将各种专门术 语改成用户能懂 的或喜欢的语言 要尽量让各方面易 于接受、易于执行 ，并考虑到今后能 否合法运用该建议 各种统计 图表，统 筹图 28 第4节 综合集成系统方法 n1987 年，钱学森提出了定性和定量相结合的系统研 究方法，并把处理复杂巨系统的方法命名为定性定量 相结合的综合集成方法，把它表述为从定性到定量的 综合集成技术。 n1992年，他又提出从定性到定量的综合集成研讨厅体 系，进而把处理开放复杂巨系统的方法与使用这种方 法的组织形式有机结合起来，将其提升到了方法论的 高度。 29 开放复杂巨系统 系统与子系统分别与外界有各种各样的能量、信息或 物质的交换，而且通过学习互相取得知识。 系统内部结构复杂，不仅要用定量模型，而且要用定 性模型，各个子系统的知识表达不同，获取知识方式 也各有不同，系统中的结构随着情况变化会不断演 变。 子系统数量巨大。 30 调整模型与 参数 系统运行 系统评价 决策 部门 系统机制 分析，优 化要求判 断 建模、仿 真、优化 结果分析 与综合 结论与 建议 专家的理论 与经验知识 数据与各种 信息资料 图2-4 综合集成方法 31 综合集成系统方法的特点: 直接诉诸实践经验，特别是专家的经验、感受和判断力，把 这些经验，知识和现代科学提供的理论知识结合起来。 专家的经验是局部的，多半是定性的，要通过建模、计算把 这些定性知识和各种观测数据、统计资料结合起来，使局部 定性的知识达到整体定量的知识。 把人与计算机结合起来，充分利用知识工程，专家系统和计 算机的优点，同时发挥人脑的洞察力和形象思维能力，取长 补短，产生出更高的智慧。 32 F 系统工程的软科学性 系统工程的软科学性是从系统工程的应用成果方面分 析的，由于系统工程处理的对象主要是信息，目的主 要是对问题的分析，以便获得解决问题的最优方案， 供决策者决策使用。 系统工程的软科学性也可由其定义看出，它是一种方 法论的科学，寻求的是系统目标综合最优的实施方案 ，然而这一方案需要有决策者的支持，否则将失去意 义，这也是系统工程与传统方法的最根本区别。 33 F 软科学性所表现出的特点： 所要研究的问题没有限制，但以人和社会问题为主，且将问题 作为系统对待的意识较强； 所要处理的问题多数是带有政策性的，同时多半带有探讨未来 的性质，所以十分关心未来的不确定因素； 所要处理的问题包括了大量事实上不明确的东西；因此在分析 中，不仅要重视客观上可定量化的问题，同时还要了解直观性 和含糊不清之处； 从发现问题到最后实施解决方案的这一期间，多数情况下要充 分利用模型。但是，所关心的不是“是否精确”，而是该模型是 否与目标相符，是否有用； 软科学所处理的问题跨学科的性质很强。为了能解决问题，应 积极利用现有社会科学与自然科学的成果，而且要求有关专家 在广泛的领域内进行合作。 34 思考题题： 1、处理复杂问题时，研究人员应具备哪些观点？并叙 述这些观点的主要内容。 2、什么是霍尔三维结构?它有何特点? 3、霍尔三维结构与切克兰德方法论有何异同点? 4、W、S、R的含义分别是什么？为什么要把“协调关系” 作为WSR方法解决问题的核心？ 5、如何理解并行工程思想在管理中的应用？ 6、从定性到定量的综合集成方法论的实质是什么？ 7、举例说明系统工程方法论的应用。 创新思维与方案创造技术创新思维与方案创造技术 一、创新方案的价值 引例美国阿拉斯加原油运输问题 问题：美国阿拉斯加盛产石油，向美国本土运送。地 处北极圈内，最低温度达-50C。 35 优点： 每天仅需4-5艘超级油 轮省钱。 问题： 要用破冰船引航 增加费用，同时有安 全问题； 起点和终点都要建造 大型油库，且油库储 量应在油田日产量的 十倍以上巨大开 支。 优点： 管道输油技术成熟。 问题： 要在沿途设加热站管 理复杂，又要供给燃料； 一半管道需用底架支撑 成本比地下油管高三 倍。 方案一 由海路通过油轮运送 方案二 用带加温设施的油管运送 方案一、二都是成熟的原油运输方法。人们初步决定用方案二。 36 优点： 解决方案二的问题。 优点： 解决方案二的问题； 用普通管道可以同时输 送原油和天然气； 不需要运送无用的浓缩 海水 方案三 把海水浓缩到含盐量 为10-20%后加入到原油中 方案四 将天然气转换为甲醇 后加入到原油中 系统工程需要高度的创造性。 “综合即创造”已成为现代创造活动的基本 特征之一。 37 二、创新方案的产生技术二、创新方案的产生技术 1. 5W1H法 用于初步的系统分析。 38 2. 2. 头脑风暴法（头脑风暴法（BRAINSTORMINGBRAINSTORMING） 原则：推迟判断；数量提供质量。 3. 3. 德尔菲法德尔菲法 为了避免集体讨论存在的屈从于权威或盲目服从 多数的缺陷，采取背靠背的方式。 特点：专家匿名表示意见、多次反馈、统计汇 总。 39 关于统计汇总 例: 4个方案，6个专家 专专家 1 专专家 2 专专家 3 专专家 4 专专家 5 专专家 6 方案11002070309080 方案2505050507090 方案3201001007010060 方案4100100401008050 （1）专家的集中意见 M1=65，M2=60，M3=75，M4=48.3。 方案3 Vj=Sj/Mj Sjj方案标准差， Mjj方案算术平均值。 V1=0.50.V2=0.29,V3=0.43,V4=0.76。 方案3 （2）所有专家对某一方案的协调程度 （3）所有专家对全部方案的协调程度 40 5. 5. 情景分析法情景分析法 对未来情景，既要考虑正常的、非突变的情景 ，又要考虑各种受干扰的、极端的情景。情景分析 法帮助制定灵活且富有弹性的战略规划、计划。可 以更迅速有效的适应和处理各种突发性事件。 通往未来的路线，可用一个漏斗形的图来表示。 至少分析一种“无突变”情景和两种备用情景。 41 三、系统创新思维辅助工具三、系统创新思维辅助工具 MINDMANAGERMINDMANAGER 对一个问题深入细致的分解展示，可以辅助、 支持头脑风暴等方法，建立起相应的图景，提供必 要的信息。 42 系统分析中的几种常用方法 工作拆分结构（WBS） 甘特图（Gantt） 关键路径法（CPM） 计划评审技术（PERT） 43 工作拆分结构 Level 1 Program 2 Project 3 Task 4 Subtask 5 Work Package 工作拆分结构（Work Breakdown Structure）是项目管理的核心。 44 一家餐馆的工作拆分结构 45 1.0.0新款洗衣机研制 1.1.0市 场调研 1.1.2用 户需求调 研 1.1.1行 业调研 1.1.3现 有专利技 术调研 1.2.0方 案设计 1.2.2功 能框架 设计 1.2.1外 观设计 1.3.0研究 试验 1.3.1电 动机 1.3.2电 脑控制 1.4.0技术 设计 1.4.1 给排水 1.4.2 电气控 制 1.4.3 洗衣驱 动 1.4.4 筒体结 构 1.5.0制 作组装 1.5.3 组装 1.5.1 采购 1.5.2 单体制 作 1.6.0 测试 1.6.1 噪音 1.6.2 动平 衡 1.7.0项 目管理 46 工作结构分解的要点 允许每个活动独立工作 监控和评价绩效 提供需要的资源 47 甘特图（Gantt Chart） 美国学者甘特1917年发明的一种使用条形图编 制项目工期计划方法，比较简便，是项目管理中编 制项目进度计划的主要工具。 48 49 50 网络计划技术 一、网络计划的发展 二、网络计划与甘特图的比较 三、网络的基本表达方式 四、关键路径法 五、计划评审技术 51 一、网络计划的发展 yy 19171917年，亨利年，亨利 甘特发明了著名的甘特图甘特发明了著名的甘特图( ( 横道图横道图) )，使项目经理按日历制作任务图表，使项目经理按日历制作任务图表， 用于日常工作安排用于日常工作安排. . yy 19571957年，杜邦公司将关键路径法（年，杜邦公司将关键路径法（CPMCPM）应）应 用于设备维修，使维修停工时间由用于设备维修，使维修停工时间由125125小时锐小时锐 减为减为7 7小时；小时； 52 yy 19581958年，美国海军特种计划局在北极星导年，美国海军特种计划局在北极星导 弹设计中，应用计划评审技术（弹设计中，应用计划评审技术（PERTPERT），将），将 项目任务之间的关系模型化，使设计完成时项目任务之间的关系模型化，使设计完成时 间缩短了间缩短了2 2年。年。 yy 19621962年美国国防部规定：以后承包有关工年美国国防部规定：以后承包有关工 程的单位