第3章_系统工程方法论

1、1系统工程概论系统工程概论2第3章 系统工程方法论3.1 系统分析方法论系统分析方法论 -兰德公司为代表兰德公司为代表 3.2 霍尔霍尔(Hall)的的硬系统工程方法论硬系统工程方法论3.3 Chekland软系统工程方法论软系统工程方法论3.4 综合集成方法论综合集成方法论 -以钱学森为代表的从定性到定量的综合集成方法论3.5 3.5 WSR系统方法论系统方法论3系统工程方法论：以系统工程方法论：以“系统系统”为中心为中心是系统工程研究和解决问题的一般规律或模式。是系统工程研究和解决问题的一般规律或模式。43.1 系统分析方法论系统分析方法论一、系统分析一、系统分析SASystem Anal

2、ysisSASystem Analysis1. 1. 产生产生:20:20世纪世纪4040年代末期（第二次世界大战）年代末期（第二次世界大战） 由美国兰德由美国兰德RANDRAND公司的研究总结的解决复公司的研究总结的解决复杂问题的方法和步骤。早期用于武器系统的成杂问题的方法和步骤。早期用于武器系统的成本和效益分析。本和效益分析。-兰德公司为代表兰德公司为代表52. 定义广义：系统分析广义：系统分析 系统工程系统工程狭义：狭义： 1）系统分析作为系统工程的一个逻辑）系统分析作为系统工程的一个逻辑步骤，系统工程的中心部分。步骤，系统工程的中心部分。 2） 系统分析为系统工程实现优化提供系统分析为

3、系统工程实现优化提供了一个途径，它贯穿于系统工程的全过程。了一个途径，它贯穿于系统工程的全过程。6系统分析的定义（综述）系统分析的定义（综述） 是在对系统是在对系统问题问题现状及现状及目标目标充分挖掘充分挖掘的基础上，运用的基础上，运用建模建模及预测、优化、仿真、及预测、优化、仿真、评价评价等方法，对系统的有关方面进行定性等方法，对系统的有关方面进行定性与定量相结合的分析，为与定量相结合的分析，为决策者决策者选择满意选择满意的系统的系统方案方案提供决策依据的分析研究过程。提供决策依据的分析研究过程。 SASA是是SESE的核心内容、分析过程和基本的核心内容、分析过程和基本方法。方法。系统分析系

4、统分析(SA)(SA)：7二、系统分析基本要素二、系统分析基本要素目标目标可行方案（替代方案）可行方案（替代方案）模型模型(结构、数学、仿真结构、数学、仿真)费用费用效益（效果）效益（效果）评价基准评价基准8三、系统分析的步骤三、系统分析的步骤是是否否提出问题提出问题建议的可行方案建议的可行方案分析与评价分析与评价（综合评价）（综合评价）建立模型建立模型构成问题构成问题目标确定目标确定收集资料收集资料探索可行方案探索可行方案是否满意是否满意图图3.1 系统分析的步骤系统分析的步骤9四、系统分析的基本原理四、系统分析的基本原理()费用费用效果效果()探索探索评价评价模模型型A4A3A5A1A2目

5、标目标A1A2A4A3A5可行方案可行方案评价标准评价标准方案排序方案排序图图3.2 系统分析概念结构图系统分析概念结构图10兰德公司也怕了：兰德公司也怕了：中美钓鱼岛空战将成美军噩梦！中美钓鱼岛空战将成美军噩梦！亚太防务亚太防务称，美国空军于称，美国空军于2012年年7月底再次将兰月底再次将兰利空军基地第利空军基地第1战斗机联队的战斗机联队的F-22隐身战机轮驻到冲绳，隐身战机轮驻到冲绳，而有关而有关“空海一体战空海一体战”（ASB）与）与“隐身空战隐身空战”（SAB）的概念也炒得震天响，外界解读这些都是冲着解放军的概念也炒得震天响，外界解读这些都是冲着解放军“反介入反介入/区域拒止区域拒止

6、”（A2/AD）作战而来。）作战而来。兰德公司基于数学模型推演出的一份报告却明确指出，兰德公司基于数学模型推演出的一份报告却明确指出，在解放军针对指钓鱼岛实施的任何作战行动中，美军无在解放军针对指钓鱼岛实施的任何作战行动中，美军无法有效实施法有效实施“空中瘫痪作战空中瘫痪作战”。 11如果美国确定对台海或钓鱼岛事态进行军事干预，如果美国确定对台海或钓鱼岛事态进行军事干预，那么解放军可能对位于西太平洋的美军设施进行打那么解放军可能对位于西太平洋的美军设施进行打击。美军已难以确保距离冲突区域最近的击。美军已难以确保距离冲突区域最近的“第一岛第一岛链链”内的基地（集中在内的基地（集中在冲绳冲绳）的安

7、全，无形中迫使）的安全，无形中迫使美军（特别是空军）依靠更加遥远的美军（特别是空军）依靠更加遥远的关岛安德森基关岛安德森基地地实施作战，它距离实施作战，它距离“台湾海峡中线台湾海峡中线”和钓鱼岛分和钓鱼岛分别达别达2,8002,800公里和公里和2,5802,580公里。公里。美国空军若想在台湾海峡（或钓鱼岛）上美国空军若想在台湾海峡（或钓鱼岛）上空维持空维持24小时不间断空中巡逻，其所能提供小时不间断空中巡逻，其所能提供的的F-22最大滞空数量为最大滞空数量为6架。架。由于中国大陆到台湾和钓鱼岛的距离均小由于中国大陆到台湾和钓鱼岛的距离均小于关岛，因此解放军战机无需组织复杂的空于关岛，因此解

8、放军战机无需组织复杂的空中加油行动，每天出动架次也远超过美军部中加油行动，每天出动架次也远超过美军部署在关岛的署在关岛的F-22。12解放军空军机群可及时集结，且不用担心美国空军战斗机能够作出解放军空军机群可及时集结，且不用担心美国空军战斗机能够作出有效反应。由于关岛与战区相距遥远，因此严重限制了美国空军针对解放有效反应。由于关岛与战区相距遥远，因此严重限制了美国空军针对解放军空军集结行动及时作出反应。其次，美国空军为了保护重要设施，有必军空军集结行动及时作出反应。其次，美国空军为了保护重要设施，有必要连续实施战斗空中巡逻。要连续实施战斗空中巡逻。13日本目前已陷入同中国、韩国争夺领土的两线作

9、战，决不能日本目前已陷入同中国、韩国争夺领土的两线作战，决不能正面同俄罗斯冲突，以致三面作战，但日本如何对待同中韩正面同俄罗斯冲突，以致三面作战，但日本如何对待同中韩的争端，将直接决定俄日在北方领土上的较量，外交没有对的争端，将直接决定俄日在北方领土上的较量，外交没有对错，只有强弱。错，只有强弱。有俄专家建议，俄罗斯应公开表示支持中韩，共同施压日本。有俄专家建议，俄罗斯应公开表示支持中韩，共同施压日本。14 加拿大主流媒体加拿大主流媒体CBCCBC电视台电视台1111日引述专家的评论日引述专家的评论说，中国公布钓鱼岛领海基线是为下一步维护主权说，中国公布钓鱼岛领海基线是为下一步维护主权行动铺平

10、道路。行动铺平道路。中国公布领海基点基线，意味着不再承认钓鱼岛中国公布领海基点基线，意味着不再承认钓鱼岛存在主权争议，是重大立场调整，预料中方将有系存在主权争议，是重大立场调整，预料中方将有系列措施宣示主权。列措施宣示主权。 这意味着一旦有中国不欢迎的船只等进入中国领这意味着一旦有中国不欢迎的船只等进入中国领海基线声明的海域，中国可能会采取逐离等强硬措海基线声明的海域，中国可能会采取逐离等强硬措施，甚至不排除会有动用武力的可能性。施，甚至不排除会有动用武力的可能性。三家华文日报均引述复旦大学教授冯玮的话指出，三家华文日报均引述复旦大学教授冯玮的话指出，现在中国划定领海基线，未来东海划界中日之间

11、的现在中国划定领海基线，未来东海划界中日之间的谈判空间基本已经被封死。谈判空间基本已经被封死。15中国军官：解放军有能力击落中国军官：解放军有能力击落F-22 空军武汉指挥所所辖部队，担负着保卫三峡大坝、武汉空军武汉指挥所所辖部队，担负着保卫三峡大坝、武汉市等重要战略目标的重任。中国军队有能力歼灭一切空中来市等重要战略目标的重任。中国军队有能力歼灭一切空中来犯之敌。犯之敌。 打隐形飞机、打巡航导弹、打武装直升机打隐形飞机、打巡航导弹、打武装直升机 16一、霍尔结构体系一、霍尔结构体系3.2 Hall的硬系统工程方法论的硬系统工程方法论 1969年，美国工程师霍尔认为系统工程整年，美国工程师霍尔

12、认为系统工程整个活动过程可以分为前后紧密衔接的个活动过程可以分为前后紧密衔接的7个阶段，个阶段，每个阶段应遵循一定的思维程序，需各种专业每个阶段应遵循一定的思维程序，需各种专业知识和技能的支持。这构成了知识和技能的支持。这构成了时间维、逻辑维时间维、逻辑维和知识维和知识维的的“三维空间结构三维空间结构”，概括了系统工，概括了系统工程的一般过程。程的一般过程。17知识维（知识维（K）运筹学运筹学控制论控制论社会科学社会科学工程技术工程技术医药卫生医药卫生逻辑维（逻辑维（L）规划阶段规划阶段 拟定方案阶段拟定方案阶段 研制阶段研制阶段生产阶段生产阶段 安装阶段安装阶段 运行阶段运行阶段 更新阶段更

13、新阶段时间维时间维(T) 明明 确确 问问 题题 确确 定定 目目 标标方方案案综综合合系系统统分分析析实实施施 决决 策策系系统统选选择择知识维：指在完成上述各知识维：指在完成上述各阶段和各步骤所需要的知阶段和各步骤所需要的知识和专业技术。识和专业技术。逻辑维：每个阶段需进行的工逻辑维：每个阶段需进行的工作步骤，是运用系统工程方法作步骤，是运用系统工程方法进行思考、分析和解决问题应进行思考、分析和解决问题应遵循的一般程序。遵循的一般程序。时间维：从规划到更新，时间维：从规划到更新，按时间顺序排列的按时间顺序排列的SE全过全过程。程。18一一) 时间维时间维 表示系统从规划到更新，从开始表示系

14、统从规划到更新，从开始结束按时间结束按时间顺序排列的全过程，反映了系统的生命周期循环过顺序排列的全过程，反映了系统的生命周期循环过程。程。规划阶段：调研、明确目标规划阶段：调研、明确目标拟定方案阶段：比较分析方案，择优拟定方案阶段：比较分析方案，择优研制阶段：实现方案，作生产计划研制阶段：实现方案，作生产计划生产阶段：零部件生产阶段：零部件组装整个系统组装整个系统安装阶段：安装系统、试验运行安装阶段：安装系统、试验运行运行阶段：运行运行阶段：运行更新阶段：评价更新阶段：评价改进和更新改进和更新3.2 Hall的硬系统工程方法论的硬系统工程方法论 19二二) 逻辑维逻辑维每个阶段内所要进行的工作

15、内容和遵循的思维程序。每个阶段内所要进行的工作内容和遵循的思维程序。明确问题：明确问题：收集资料收集资料(考察、测量、调研、需求分析、考察、测量、调研、需求分析、市场预测市场预测)了解系统的环境、目的、系统的各组成部分了解系统的环境、目的、系统的各组成部分及其联系等。及其联系等。3.2 Hall的硬系统工程方法论的硬系统工程方法论 20确定择目标：提出目标，制定准则确定择目标：提出目标，制定准则(标准标准) 选择目标过程一般使用价值体系方法：选择目标过程一般使用价值体系方法：v 效用理论效用理论v 费用费用效益分析：经济系统效益分析：经济系统 v 风险估计风险估计v 价值工程价值工程系统方案综

16、合：系统方案综合：方案策略，对每种方案进行说明方案策略，对每种方案进行说明系统分析：系统分析：系统分比较分析各方案系统分比较分析各方案建模建模计算或仿真计算或仿真3.2 Hall的硬系统工程方法论的硬系统工程方法论 21系统分析主要内容：系统分析主要内容：v 系统变量的选择：状态变量、决策变量系统变量的选择：状态变量、决策变量(内生、外生内生、外生)v 建模和仿真：建模和仿真：GPSS、SD v 可靠性工程可靠性工程系统选择：系统选择：选出待选方案集，交决策部门选出待选方案集，交决策部门决策：决策：不能十全十美，要考虑人、社会各种因素不能十全十美，要考虑人、社会各种因素实施：实施： 企业：生产

17、计划企业：生产计划 开发项目：开发项目：CPM、PERT3.2 Hall的硬系统工程方法论的硬系统工程方法论 22三三) 知识维知识维 知识维是指在完成上述各种步骤所需要的各种知识维是指在完成上述各种步骤所需要的各种专业知识和管理知识，包括工程、医药、建筑、商专业知识和管理知识，包括工程、医药、建筑、商业、法律、管理、社会科学及艺术等各种专业知识业、法律、管理、社会科学及艺术等各种专业知识和技术。和技术。3.2 Hall的硬系统工程方法论的硬系统工程方法论 23 霍尔管理矩阵 逻辑维(步骤)时间维(阶段)1234567明确问题选择目标系统综合系统分析系统选择作出决策付诸实施1 规划阶段a11a

18、12a13a14a15a16a172 拟定方案阶段a21a22a23a24a25a26a273 研制阶段a31a32a33a34a35a36a374 生产阶段a41a42a43a44a45a46a475 （安装）运行阶段a51a52a53a54a55a56a576 更新阶段a61a62a63a64a65a66a6724小结小结: 霍尔三维结构方法论霍尔三维结构方法论认为现实问题基认为现实问题基本上都可归纳成本上都可归纳成工程系统工程系统问题，因此问题，因此强调强调明确目标明确目标; ;核心内容是核心内容是模型化模型化和和最优化最优化, ,应应用定量分析手段，求得最优解答。霍尔三用定量分析手段，

19、求得最优解答。霍尔三维结构集中体现了系统工程方法的维结构集中体现了系统工程方法的系统化、系统化、综合化、最优化、程序化和标准化综合化、最优化、程序化和标准化等特点。等特点。 25硬系统工程方法论的局限性1、没有进行系统的目标定义、没有进行系统的目标定义2、没有考虑系统中人的主观因素、没有考虑系统中人的主观因素3、往往依靠建立数学模型来解决，、往往依靠建立数学模型来解决，对复杂的社会系统不适宜对复杂的社会系统不适宜26 3.3 软系统方法论软系统方法论良结构系统良结构系统：指偏重工程问题、机理明显的物理型的硬系统：指偏重工程问题、机理明显的物理型的硬系统 不良结构系统不良结构系统：指偏重社会问题

20、、机理尚不清楚的心理和事：指偏重社会问题、机理尚不清楚的心理和事理型的软系统理型的软系统。软系统：软系统：以社会、经济系统等管理领域（人类活动为主），以社会、经济系统等管理领域（人类活动为主），针对不良结构问题而提出、问题不明确。难以用数学模型针对不良结构问题而提出、问题不明确。难以用数学模型表示，一般是概念模型。表示，一般是概念模型。 通常用半定量、半定性甚至只能用定性的方法来处理，吸通常用半定量、半定性甚至只能用定性的方法来处理，吸取人们的判断和直觉。取人们的判断和直觉。核心：核心：不是寻求不是寻求“最优化最优化”，而是，而是“调查、比较调查、比较”或者说或者说是是“学习学习”，从模型和现

21、状比较中，学习改善现存系统，从模型和现状比较中，学习改善现存系统的途径，是有很明显的反馈调节思想。的途径，是有很明显的反馈调节思想。273.3 Checkland方法论问题及其环境的识别与表达建立概念模型（目标系统概念化）根底定义(C,A,T,W,O,E)比较比较寻求改善途径评估实施设计选择方案28概念模型代替概念模型代替数学模型，思数学模型，思路更加开阔。路更加开阔。满意解代满意解代替最优替最优解，价值观方面解，价值观方面的重要变化。的重要变化。29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。通过认识与概念化

22、、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。30两种方法论的比较 (1)三维结构方法论三维结构方法论ChecklandCheckland方法论方法论A开始开始: :要求解决一个相对明确的要求解决一个相对明确的或认为是或认为是“给定的给定的”问题问题开始开始: :感到有一个难以定义的问题情感到有一个难以定义的问题情景并期望改善之景并期望改善之B确定解决问题的目标及评价标准确定解决问题的目标及评价标准 通过考察通过考察“结构结构”和和“过程过程”元素元素及其相互关系给出与问题情景相关及其相互关系给出与问题情景相关的系统定义的系统定义C拟定达到

23、目标可能采取的方案拟定达到目标可能采取的方案, ,制定模型制定模型, ,进行综合研究进行综合研究提出相关系统的定义并据此构造系提出相关系统的定义并据此构造系统的概念模型统的概念模型D选择能最好满足需要且可行的方选择能最好满足需要且可行的方案案把概念模型与现实进行比较把概念模型与现实进行比较, ,并据此并据此确定现实中合乎需要和可行的变革确定现实中合乎需要和可行的变革E实施设计好的系统实施设计好的系统实施获得同意的变革实施获得同意的变革31两种方法论的比较 (2)相同点：问题导向；注重程序及阶段；问题导向；注重程序及阶段；三维结构方法论三维结构方法论ChecklandCheckland方法论方法

24、论研究对象研究对象工程系统工程系统软软系统系统处理的问题处理的问题明确明确, ,良结构良结构不不明确明确, ,不良结构不良结构基本方法基本方法关注定量分析关注定量分析定量模型、定量方法定量模型、定量方法概念模型概念模型, ,定性方法定性方法核心内容核心内容最最优化优化比较学习比较学习不同点不同点: : 研究对象；基本方法；核心内容；32霍尔三维结构与切克兰德方法论的比较相同点：问题导向；注重程序及阶段；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

25、者比较强调定性或定性与定量有机结合的基本方法。 333.4 3.4 综合集成系统方法综合集成系统方法1987 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。1992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。34综合集成方法论的处理对象：35综合集成研讨厅体系的框架与特点综合集成研讨厅体系的框架与特点 由三部分组成：机器体系、专家体系和知识体系。由三部分组成：机器体系、专家体系和知识体系。 命题命题

26、专家体系专家体系社会认识社会认识客观世界客观世界知识体系知识体系社会实践社会实践机器体系机器体系结果结果 改造世界改造世界认识世界认识世界 图图3.3 研讨厅框图研讨厅框图36开放复杂巨系统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。37调 整 模 型 与调 整 模 型 与参数参数系统运行系统运行评估与反馈评估与反馈决策决策部门部门提出问题、提出问题、形成判断形成判断建模、仿建模、仿真、优化真、优化结果分析结果分析与综合与综合结论与结论与建议建议专家体系专家体系数据与各种数据与各种信息资料信息资料图图3.4 3.4 综合集成方法综合集成方法38综合集成系统方法