运筹学与系统分析：第二章 系统工程方法论

1、第二章 系统工程方法论第二节 系统分析原理第三节 创新思维与方案创造技术第四节 系统工程方法论的新发展第一节 系统工程的基本工作过程内容要点：3术语回顾：系统系统工程 系统是由两个以上有机联系、相互作用的要素所组成，具有特定功能、结构和环境的整体。或：由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体。 组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学。4方法论的重要性 授人以鱼不如授人以渔 老子系统工程方法论的优势？发挥综合性学科、交叉学科优势! 张钟俊教授1983年系统工程杂志创刊词指出：综合即创造（“综合即创造”是日本学术界的

2、一句名言） 上世纪80年代流行术语：技术集成、技术组装前导中国系统工程创始人1911-2009 5系统工程方法论不仅是反映客观规律的科学理论，具有科学方法论的含义！ 6 系统方法论方法和方法论的区别：方法（Method） ：是用于完成一个既定任务的具体技术和操作；方法论（Methodology） ：是进行研究和探索的一般途径，是对方法如何使用的指导。7系统工程方法论它是分析和解决系统开发、运作及管理实践中的问题所应遵循的工作程序、逻辑步骤和基本方法。8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。 系统工程方法论特点: 研究方法强调整体性 技术应用强调综合性 管理决策强调科学性9

3、霍尔“三维结构”切克兰德的“学习调查”法系统分析综合集成方法物理事理人理（WSR） 螺旋式推进（旋进）原则最具代表性的系统工程学方法论有:10第一节 系统工程的基本工作过程112.1.1 霍尔“三维结构”12一、霍尔的三维结构（1969年提出）20世纪6070年代具有代表性的SE方法论。美国工程师霍尔（A.D.Hall)将系统的整个管理过程分为前后紧密相连的七个阶段和七个步骤，并同时考虑到为完成这些阶段和步骤的工作所需的各种专业管理知识。三维结构由时间维、逻辑维、知识维组成。13环境科学社会科学工程技术计算机科学管理科学经济法律知识维（科学技术）逻辑维（方法步骤）时间维（时间进程）摆明问题系统

4、设计系统综合模型化最优化决策实施计划A B C D E F G76 5 4 3 2 1规划阶段设计阶段分析阶段运筹阶段实施阶段运行阶段二、 霍尔“三维结构”模型知识维：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。更新阶段141、时间维（七个阶段）表示系统从规划到更新，从开始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程。 （1）规划阶段：根据总体方针和发展战略制定规划； （2）设计阶段：提出具体计划方案； （3）分析阶段：分析、

5、制定详细的生产计划；（4）运筹阶段：运筹各类资源需求量，制定详细 实施计划；（5）实施阶段：安装调试系统，制定具体系统运行计划；（6）运行阶段：系统投入运行；（7）更新阶段：维护、改造或更新系统。152、逻辑维（七个步骤）每个阶段内所要进行的工作内容和遵循的思维程序。摆明问题：明确要解决的问题，收集有关该问题的历史、现状和发展趋势的资料；收集资料：考察、测量、调研、需求分析、市场预测等了解系统的环境、目的、系统各组成部分及其联系等。16问题的确定： 直观经验方法：头脑风暴法 预测法：德尔菲法、情景分析法、交叉影响法、时间序列法 结构模型法：解释结构模型法(ISM)、决策实验室法、图论法 多变量

6、统计方法：非结构、半结构问题，因子分析、主成分分析法 其他：一般系统理论和模糊集理论等17系统设计：确定要达到的目标，建立评价标准，设计评价指标体系和评价算法；系统综合：设计系统结构、制定整个系统可行方案；模型化：比较分析各方案建模计算或仿真；模型化主要内容： 系统变量选择：状态变量、决策变量(内生、外生) 建模和仿真：GPSS、SD 可靠性与有效性18最优化：选出待选方案集，交决策部门 最优化：单目标、多目标优化：约束条件，最优解、满意解 线性规划、动态规划、非线性规划、 大系统理论、组合优化等决策：在分析、优化和评价的基础上由决策者作出裁决，选定行动方案。实施计划：制定具体的执行计划并实施

7、。 企业：生产计划 开发项目：CPM、PERT193、 知识维 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，包括科学学、基础科学、工程技术、环境科学、计算机技术、数学、经济学、法律、管理科学和其它相关社会科学等。20运用SE知识，把三维结构中的七个时间阶段和七个逻辑步骤结合起来，便形成所谓霍尔管理矩阵如下： 逻辑维（步骤）时间维（阶段）1摆明问题2系统设计3系统综合4模型化5最优化6决策7实施计划1.规划阶段a11a12a13a14a15a16a172.设计阶段a21a22a23a24a25a26a273.分析阶段a31a32a33a34a35a36a374.运筹阶段a41a4

8、2a43a44a45a46a475.实施阶段a51a52a53a54a55a56a576.运行阶段7.更新阶段a61a71a62a72a63a73a64a74a65a75a66a76a67a77 霍尔管理矩阵代表一项具体的管理活动21霍尔“三维结构”模型特点：（1）强调明确目标；（2）核心内容是最优化；（3）认为现实问题基本上都可归纳为工程系统问题；（4）应用定量分析手段，求最优解；（5）研究方法的整体性（三维结构）、技术应用的综合性（知识维）、组织管理的科学性（时间维、逻辑维）、工作的问题导向性（逻辑维）。22系统工程方法论的四维体系结构 232.1.2切克兰德方法论24系统工程常常把所研究

9、的系统分为良结构系统与不良结构系统，由于它们具有不同的特点，故分别采取不同的解决方法，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。一、切克兰德的“调查学习” 法25切克兰德1981年提出“调查

10、学习”模式,从系统工程方法论角度看，切克兰德的“调查学习”方法具有更高的概括性。切克兰德的“调查学习”软方法的核心不是寻求“最优化”，而是“调查、比较”或者说是“学习”，从模型和现状比较中，学习改善现存系统的途径。 切克兰德的“调查学习” 法26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)根定义比较寻求改善途径选择设计实施评估.切克兰德的“调查学习” 法（思路）271.非结构化问题3.有关系统的定义2.问题的表示7. 采取行动改善实际问题4b. 其他系统思考4.建立概念模型5. 模型与问题的比较4a.公式化系统概念6.可行满意解现实世界系统思考 二、切克兰德方法论基本流程：28方法步

11、骤如下：(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。 切克兰德的“调查学习” 法三、两种方法论的比较霍尔三维结构与切克兰德方法论均为系统工程方法论，均以问题为起点，具有相应的逻辑过程。在

12、此基础上，两种方法论主要存在以下不同点：（1）霍尔方法论主要以工程系统为研究对象（硬系统工程方法），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（软系统工程方法）。（2）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。（3）前者更多地关注定量分析方法，而后者比较强调定性与定量有机结合的基本方法。第二节 系统分析原理31一、 系统分析概念系统分析（System Analysis, 简称SA)系统分析是系统工程的基本处理方法之一！广义解释：系统工程兰德公司：RAND (Research and Development) 被称为“思想库”或“智囊团”，从事系统分析的著名机构

13、。32美国兰德公司曾对系统分析的方法论作过如下论述1确定期望达到的目标；2分析达到期望目标所需的技术与设备；3分析达到期望目标的各种方案所需要的资源和费用；4根据分析，找出目标、技术设备、环境资源等因素间的相互关系，建立各方案的数学模型；5根据方案的费用多少和效果优劣为准则，依次排队，寻找最优方案。33系统分析是在对系统问题现状及目标充分挖掘的基础上，运用建模及预测、优化、仿真、评价等方法，对系统的有关方面进行定性与定量相结合的分析，为决策者选择最优或满意的系统方案提供决策依据的分析研究过程。换句话说：系统分析就是从系统的观点出发，用科学的分析方法和工具，对事物进行分析综合，找出各种可行方案以

14、供决策者进行选择。 系统分析的含义：34二、系统分析的要素 问题 目的及目标 方案 模型（结构、数学、仿真） 评价 决策者二、系统分析的程序按照系统分析的定义、内容及要素，参照系统工程的基本工作过程，可将系统分析的基本过程归结为下图所示的几个步骤。系统分析程序图是系统分析的一般过程，也为全课程提供了基本的逻辑框架，因而十分重要。在对其理解和应用上应注意以下各点： 重视做好初步系统分析。 5W1H(What/Why/Who/Where/When/How)方法是做好这段工作的基本线索。在规范分析中一般需建立结构模型、数学模型或仿真模型。每段结束后系统方案的变化轨迹是：可行方案非劣方案经排序的非劣方

15、案（或称选择性方案）。环境分析贯穿SA全过程，在SA中是十分重要和必不可少的。在管理应用SA过程中，并不一定要遍历并完成每一个具体过程。三、系统分析的特点及原则系统分析的特点： （1）问题导向 （2）以整体为目标 （3）多方案模型分析和选优 （4）定量分析与定性分析相结合 （5）多次反复进行39系统分析的原则：（1） 内部因素与外部因素相结合（2） 微观效果与宏观效果相结合（3） 当前效果与长远效果相结合（4） 定量分析与定性分析相结合401.内部因素与外部因素相结合内部条件与外部条件相结合如：建设一个工厂内部因素：技术、资金、设备、人员。外部因素：政策、市场、原材料供应、运输、环保。412.

16、微观效果与宏观效果相结合局部效果与整体效果相结合11 2局部最优 整体最优原则：局部服从整体三个臭皮匠一个诸葛亮三个诸葛亮？423.当前效果与长远效果相结合当前有利，将来有利当前有利，将来不利当前不利，将来有利理想的过渡性的可取的例：方案效果434.定量分析与定性分析相结合系统工程的一大特点是能够实现定量化但要注意：现实中定性分析不可避免44第三节 创新思维与方案创造技术一、创新思维江泽民同志指出:“创新是一个民族的灵魂, 是一个国家兴旺发达的不竭动力。”胡锦涛同志在党的十七大报告中指出:“提高自主创新能力, 建设创新型国家, 是国家发展战略的核心, 是提高综合国力的关键。”“要坚持走中国特色

17、自主创新道路, 把增强自主创新能力贯彻到现代化建设各个方面。”党的十八大以来，习近平同志把创新摆在国家发展全局的核心位置。习近平同志强调：创新是引领发展的第一动力。创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力，也是中华民族最深沉的民族禀赋。在激烈的国际竞争中，惟创新者进，惟创新者强，惟创新者胜。李克强总理号召：大众创业，万众创新。“科学的本质就是创新”。必须大力培育国民的创新意识、创新兴趣和创新能力。进行创新活动需要有正确、有效的创新思维方法。创新、创造与发明是以创新思维为前提的。有了创意, 经过创新活动过程才能搞出创新成果。创新思维的价值在于其新颖性、创造性、实践可能性。创新可分原

18、始性创新、继承性创新、否定性创新 3大类。只有创新思维的价值较高, 才可能取得较高价值的创新成果。要产生较高价值的创新思维, 就需要科学的思维方式。二、创新方案的产生技术提问法（5W1H）头脑风暴法 自由联想、各抒己见、畅所欲言、互相启发。德尔菲法 拟定调研提纲、专家背靠背（以通信方式征询意见、避免权威影响）、多次反复（三、四次）、综合、收敛、集中。群体决策支持系统：分散群体+信息技术-集中情景分析法：在调查基础上专家集体推测未来情景、引入突发事件检验。三、系统创新思维辅助工具Mindmanager (见P27-32)学习可视化知识的迅猛增长，要求提高学习的效率。所以，大学里“如何学”比“学什

19、么”显得更重要。现代社会已进入一个读图时代：。用图解方式来直观地呈现、再现知识，能增强记忆、提高学习质量；把思维过程可视化，能促进创造性思维。思维导图是怎样来的? 科学研究已经充分证明：人类的思维特征是呈放射性的，进入大脑的每一条信息、每一种感觉、记忆或思想（包括每一个词汇、数字、代码、食物、香味、线条、色彩、图像、节拍、音符和纹路），都可作为一个思维分支表现出来，它呈现出来的就是放射性立体结构。 英国著名心理学家东尼博赞（本教材托尼巴赞）在研究大脑的力量和潜能过程中，发现伟大的艺术家达芬奇在他的笔记中使用了许多图画、代号和连线。他意识到，这正是达芬奇拥有超级头脑的秘密所在。在此基础上，博赞于

20、19世纪60年代发明了思维导图这一风靡世界的思维工具。东尼博赞 Tony Buzan以大脑先生闻名；英国头脑基金会总裁；国际奥运教练、运动员顾问；英国奥运划船队顾问；西洋棋队的顾问；“心智文化”概念的创作人；“世界记忆冠军协会”创办人。 思维导图的创始人 英国东尼博赞什么是思维导图？思维导图是通过带顺序标号的树状的结构来呈现一个思维过程，将放射性思考（Radiant Thinking）具体化的过程。思维导图主要是借助可视化手段促进灵感的产生和创造性思维的形成。 思维导图是放射性思维的的表达，因此也是人类思维的自然功能。思维导图以一种与众不同和独特有效的方法驾驭整个范围的脑皮层技巧词汇、图形、数

21、字、逻辑、节奏、色彩和空间感。(见下页图)思维导图是基于对人脑的模拟，它的整个画面正像一个人大脑的结构图 ，能发挥人脑整体功能。 左右脑的特质 右 左节奏 rhythm空间感 spatial awareness 整体概念whole picture想像imagination白日梦daydreaming颜色colour大小dimension文字 words逻辑 logic 数字numbers顺序sequence线性linearity分析analysis清单lists子题 6子题 7子题 5子题 4子题 3子题 2子题 1主題思考的主题 思维导图用于放射性思考例：读书笔记经济学58第四节 系统工程方

22、法论的新发展59 一、物理事理人理（WSR）系统方法论中国系统工程专家顾基发和英国华裔专家朱志昌博士提出了物理事理人理(WSR)系统方法论。顾基发，朱志昌 1995年论文.见：高飞.物理事理人理系统方法及其应用：博士论文（英文）D.北京：中国社会科学院，2000自然科学是关于物理的科学；运筹学是关于事理的科学（许国志），实际还包括管理科学、系统科学，事理就是做事的道理；处理好人的关系这是人理学，就是人文科学、行为科学，人理就是做人的道理。把这三者结合起来“WSR系统方法论”。 WSR系统方法论是具有东方文化传统的系统方法论，得到国际同行的认同。60 物理事理人理（WSR）系统方法论要素物理事理

23、人理道理对象着重点原则需要的知识物质世界、法则、规则的理论客观物质世界是什么？功能分析诚实，真理，尽可能正确自然科学管理和做事的理论组织、系统怎样做？逻辑分析协调，有效，尽可能平滑管理科学，系统科学人、纪律、规范的理论人、群体、人际关系、智慧应当怎样做？人文分析人性，有效果，尽可能灵活人文知识，行为科学WSR系统方法论的内容61物理知识库数据库人理AIKE价值观事理模型库方法库物理事理人理（WSR）系统方法论示意图62 WSR系统方法论 WSR系统方法论的基本内容和主要步骤： 1、理解领导意图； 2、调查分析； 3、形成目标； 4、建立模型； 5、协调关系； 6、提出建议。在应用WSR方法论时

24、通常还需要遵循参与、综合集成、人机结合且以人为主、迭代和学习等主要原则。 63 WSR系统方法论要素物理事理人理方法理解意图了解领导最初想法，收集有关领导讲话了解领导对目标的偏好，喜欢什么模型和评价标准了解哪些领导会参加决策，谁来使用这个结果头脑风暴法，讨论分析会，认知图等调查分析通过现场调查和文件检索，分析现有资源和约束条件了解问题背景和有关经验、知识弄清各种关系和必要的知识Delphi法，各种调查表，交叉影响分析，Kj法等形成目标列出所有可行的目标和约束在目标中弄清它们的优先次序和权重弄清各种目标涉及到的人物头脑风暴法，目标树法等建立模型将各种目标和约束数据化和规范化选择适当的模型程序和知

25、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协调所有模型、软硬件、数据的关系，即技术协调协调模型和知识的合理性，即知识协调协调各方面的利益、观点、关系，即利益协调冲突分析、和谐理论、亚对策等提出建议对各种物理设备和程序进行安装、调式、验证将各种术语变为用户能懂和喜欢的语言尽量让各方面易于接受、易于执行各种统计图表等WSR系统方法论中常用的方法64一个好的管理者应该：“懂物理，明事理，通人理。”65二、综合集成方法（自学） 综合集成（ Meta-Synthesis ）方法是从整体上考虑并解决复杂问题的方法论。钱学森等人在研究解决开放的复杂巨系统问题时，提出了“从定性到定量综合集成方法”

26、，这是系统工程思想的新发展。其实质是将专家群体、数据和各种信息与计算机仿真有机地结合，把各种学科的理论和人的经验与知识结合起来，发挥整体优势。 66数据与各种信息资料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综合集成方法思想从定性到定量的综合集成法67综合集成方法的实质是把专家体系、信息与知识体系以及计算机体系有机结合起来，构成一个高度智能化的人机结合与融合体系，这个体系具有综合优势、整体优势和智能优势。它能把人的思维、思维的成果、人的经验、知识、智慧以及各种情报、资料和信息统统集成起来，从多方面的定性认识上升到定量认识。综合集成思想68钱老提出的人机结合思维体系是综合集成方法的理论基础。从思维科学角度来看，人脑和计算机都能有效处理信息，但两者有极大差别。