系统工程的基本方法和方法论课件

1、第二章 系统工程的基本方法和方法论2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。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

2、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整体观点：把系统内部所有要素看成一个整体综合观点：综合考虑系统的方方面面，协调系统内各要素之间的关系。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。价值观点：考虑系统的投入与产出发展观点：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良结构系统与不良结构系统，由于它们具有不同

3、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。7霍尔三维结构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

4、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。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。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

5、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理目标，每一步骤都有自己的管理手段和管理方法，彼

6、此相互联系，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，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。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“大科学”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。基于 “三维结构”模型的系统工程过程系统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15%以上，而用于管理的费用一般只占总投资的3%6%。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

7、的70%；全面工程研制之前，花费的费用占到寿命周期费用的3%，但固定了寿命周期费用的85%；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20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。20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

8、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。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(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

9、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“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。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

10、改善现状的途径，使决策者满意（化）。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

11、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。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

12、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

13、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241.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25WSR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

14、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，AHP27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

15、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。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

16、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

17、，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 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 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

18、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：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

19、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。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

20、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。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。二、创新方案的产生技术1. 5W1H法用于初步的系统分析。2. 头脑风暴法（Brainstorming）原则：推迟判断；数量提供质量。3. 德尔菲法 为了避免集体讨论存在的屈从于权威或盲目

21、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。关于统计汇总例: 4个方案，6个专家专家1专家2专家3专家4专家5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3Vj=Sj/MjSjj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5. 情景分析法 对未来情景，既要考

22、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。三、系统创新思维辅助工具Mindmanager 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。 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） 工作拆分结构Level 1 Program 2 Project 3 Task 4 Subtask 5 Work

23、 Package 工作拆分结构（Work Breakdown Structure）是项目管理的核心。一家餐馆的工作拆分结构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。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、计划评审技术一、网络计划的发展 1917年，亨利甘特发明了著名的甘特图(横道图)，使项目经理按日历制作任务图表，用于日常工作安排. 1957年，杜邦公司将关键路径法（CPM）应用于设备维修，使维修停工时间由125小时锐减为7小时； 1958年，美国海军特种计划局在北极星导弹设计中