系统工程论第三章

1、第三章 系统工程方法论第一节 系统工程基本工作过程一、霍尔三维结构AD霍尔(ADHall)三维结构是由学者AD霍尔等人在大量工程实践基础上，于 1969 年，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，具体如图 31 所示。霍尔三维结构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。知识维运筹学 控制论 社会科学工程技术逻辑维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摆明问题系 系 模 最 决 实统 统 型 优 策 施设 综 化 化 计计 述划时间维图 31 霍尔三维结构示意图1、时间维时间维表示系统工程的工作阶段或进

2、程。系统工程工作从规划到更新的整个过程或周期可分为以下七个阶段：(1)规划阶段。根据总体方针和发展制订规划。(2)计划阶段。根据规划提出具体计划方案。(3)分析或研制阶段。实现系统的研制方案，分析、制定出较为详细而具体的生产计划。(4)运筹或生产阶段。运筹各类资源及生产系统所需要的全部“零”，并提出详细而具体的实施和“安装”计划。(5)系统实施或“安装”阶段。把系统“安装”好，制定出具体的运行计划。(6)运行阶段。系统投入运行，为预期用途服务。(7)更新阶段。改进或取消旧系统，建立新系统。其中规划、计划与研制阶段共同系统的开发阶段。2、逻辑维逻辑维是指系统工程每阶段工作所应遵从的逻辑顺序和工作

3、步骤，一般分为以下七步：(1)明确问题。同提出任务的，明确所要解决及其确切要求，全面收集和了解有关问题历史、现状和发展趋势的资料。(2)确定目标并据此设计评价指标体系。确定任务所要达到的目标或各目标分量，拟定评价标准。在此基础上，用系统评价等方法建立评价指标体系，设计评价算法。(3)系统综合。设计能完成预定任务的系统结构，拟定政策、活动、控制方案和整个系统的可行方案。(4)模型化。针对系统的具体结构和方案类型建立分析模型，并初步分析系统各种方案的性能、特点、对预定任务能实现的程度以及在目标和评价指标体系下的优劣次序。(5)最优化。在评价目标体系的基础上生成并选择各项政策、活动、控制方案和整个系

4、统方案，尽可能达到最优、次优或合理，至少能令人满意。(6)决策。在分析、优化和评价的基础上由决策者做出裁决，选定行动方案。(7)实施计划。不断地修改、完善以上六个步骤，制订出具体的执行计划和下一阶段的工作计划。3、知识维或专业维该维的内容表征从事系统工程工作所需要的知识(如运筹学、控制论、管理科学等)，也可反映系统工程的专门应用领域(如企业管理系统工程、社会经济系统工程、工程系统工程等)。霍尔三维结构强调明确目标，内容是最优化，并认为现实问题基本上都可归纳成工程系统问题，应用定量分析，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

5、与逻辑维)和系统工程工作导向性(逻辑维)等突出特点。二、切克方法论随着应用领域不断扩大和系统工程不断发展，系统工程方法论也需要加以发展和创新。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。进入 70 年代以来，系统工程越来越多地用于研究社会经济的发展和组织管理问题，涉及的人、信息和社会等相当复杂，使得系统工程的对象系统软化，并导致其中的许多又难以量化。为适应这种发展，从 70 年代中期开始，许多学者在霍尔方法论基础上，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大学P切克(PCheckland)教授方法(参见图

6、32)比较系统且具有代表性。评估图 32 切克方法论实施设计选择寻求改善途径比较根底定义建立概念模型（目标系统概念化）问题及其环境的识别与表达P切克认为，完全按照解决工程技术问题的思路来解决社会问题或“软科学”问题，会碰到很多问题。他软系统工程方法论的主要内容和工作过32 所示。1、认识问题收集与问题有关的信息，表达问题现状，寻找或影响及其关系，以便明确系统问题结构、现存过程及其相互之间的不适应之处，确定有关的行为主体和利益主体。2、根底定义根底定义是该方法中较具特色的阶段，其目的是弄清系统问题的关键要素，为系统的发展及其研究确立各种基本的看法，并尽可能选择出最合适的基本观点。根底定义所确立的

7、观点要能经得起实际问题的检验。3、建立概念模型概念模型是来自于根底定义、通过系统化语言对问题抽象描述的结果，其结构及要素必须符合根底定义的，并能实现其要求。4、比较及探寻将第一步所明确的现实问题(主要是归纳的结果)和第三步所建立的概念模型(主要是演绎的结果)进行对比。有时通过比较，也需要对根底定义的结果进行适当修正。5、选择针对比较的结果，考虑有关的态度及其它社会、行为等，选择出现实可行的改善方案。6、设计与实施通过详尽和有针对性的设计，形成具有可操作性的方案，并使得有关乐于接受和愿意为方案的实现竭尽全力。7、评估与反馈根据在实施过程中获得的新的认识，修正问题描述、根底定义及概念模型等。切克方

8、法化的是“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，探寻改善现状的途径，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。三、两种方法论的比较霍尔三维结构与切克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，而切克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。(2)前者的内容是优化分析，而后者的内容是比较学习。(3)前者关注定量分析方法，而后者比较强调定性或定性与定量有机结合

9、的基本方法。第二节系统分析原理及应用一、系统分析的概念及其要素系统分析一词最早是第二次后由公司开发的研究大型工程项目等大规模复杂系统问题的法论而出现的。1972 年欧、美 12 国的有关部门联合组成国际应用系统分析(IIASA)，从而使得系统分析的应用扩大到社会、经济、生态等领域，并有了新的意义。从狭义上理解，系统分析的重要基础是霍尔三维结构中逻辑维的基本内容，并与切克方法论等有相通之处；从广义上理解，有时把系统分析作为系统工程的同义语使用。1、系统分析的定义及内容系统分析是应用建模及、优化、仿真、评价等技术对系统的各个方面进行定性与定量相结合的分析，为选择最优或满意的系统方案提供决策依据的分

10、析研究过程。在进行系统分析时，系统分析对与问题有关的要素进行探索和展开，对系统的目的与功能、环境、费用与效果等进行充分的研究，并分析处理有关的资料和数据，据此对若干备选的系统方案建立必要的模型，进行优化计算或仿真实验，把计算、实验、分析的结果同预定的任务或目标进行比较和评价，最后把少数较好的可行方案整理成完整的综合资料，作为决策者选择最优或满意的系统方案的主要依据。2、系统分析的要素系统分析有六个基本要素，它们是：(1)问题。在系统分析中，问题一方面代表研究的对象，或称对象系统。需要系统分析和决策者共同探讨与问题有关的要素及其关联状况，恰当地定义问题；另一方面，问题表示现实状况(现实系统)与希

11、望状况(目标系统)的偏差，这为系统改进方案的探寻提供了线索。(2)目的及目标。目的是对系统的总要求，目标是系统目的的具体化。目的具有总体性和唯一性，目标具有从属性和多样性。目标分析是系统分析的基本工作之一，其任务是确定和分析系统的目的及其目标，分析和确定为达到系统目标所必须具备的系统功能和技术条件。目标分析可采用目标树等结构分析的方法，并要注意对目标的协调和处理。(3)方案。方案即达到目标的途径。为了达到预定的系统目的，可以制定若干备选方案。例如，改造一条生产线可以有重新设计、从国外引进和在原有设备的基础上改造等三种方案。通过对备选方案的分析和比较，才能从中选择出最优系统方案，这是系统分析中必

12、不可少的一环。(4)模型。模型是由说明系统本质的主要及其相互关系的。模型是研究与解决问题的基本框架，可以起到帮助认识系统、模拟系统和优化与改造系统的作用，是对实际系统问题的描述、模仿或抽象。在系统分析中常常通过建立相应的结构模型、数学模型或仿真模型等来规范分析各种备选方案。(5)评价。评价即评定不同方案对系统目的的达到程度。它是在考虑实现方案的综合投入(费用)和方案实现后的综合产出(效果)后，按照一定的评价标准，确定各种待选方案优先顺序的过程。进行系统评价时，不仅要考虑投资、收益这样的经济指标，还必须综合评价系统的功能、费用、时间、可靠性、环境、社会等方面的。(6)决策者。决策者作为系统问题中

13、的利益主体和行为主体，在系统分析中自始至终具有重要作用，是一个不容忽视的重要。实践证明，决策者与系统分析人员的有机配合是保证系统分析工作成功的关键。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如图 33 所示的几个步骤。Y认识问题探寻目标综合方案系统评价N图 33系统分析的基本过程认识问题、探寻目标及综合方案了初步的系统分析。在初步系统分析阶段，为了尽快明确问题的总体框架，通常需要采用创造性技术，至少围绕以下六个方面来展开：What.研究什么问题?对象系统(问题)的要素是什么(问题与哪些有关)?Why.为什么要研究该问题?目的或希望

14、的状态是什么?Where.系统边界和环境如何?When.分析的是什么时候的情况?Who.决策者、行动者、所有者等关键主体是谁(问题与谁有直接关系)?How.如何实现系统的目标状态?这些既是使系统分析走上正轨的过程，又是使系统分析与决策者一起进入“角色”的过程。环境分析几乎贯穿于系统分析的全过程，具有重要的作用。首先，在认识问题阶段，只有正确区分出各种环境要素，才能划定系统边界；第二，在探寻目标阶段，要根据环境对系统的要求建立系统的目标结构，以求得系统对环境的最优和最大输出；第三，在综合方案阶段，要考虑到环境条件及其变化对方案可行性的影响，选择出能适应环境变化的切实可行的行动方案；第四，在模型化

15、及其分析阶段，要充分而正确地考虑到各主要环境条件(如人、财、物、政策等)对系统优化的约束；第五，在评价与决策阶段，要通过灵敏度分析和风险分析等途径，“减少”环境变化对最佳决策方案的影响，提高政策与策略的相对稳定性和环境适应性。还需要的是，并非对所有问题进行系统分析的过程都要完全履行图 33所示的几个环节，而往往是根据实际问题的需要有所侧重或只涉及其中的一部分决策优化或仿真分析模型化环节。但认识问题、综合方案、系统评价等过程通常是必不少的。三、应用系统分析的原则系统分析适应实际问题的需要，坚持问题导向、着眼整体、权衡优化、方法集成等基本原则，其主要特点及相应的要求如下：1、坚持问题导向系统分析是

16、一种处理问题的方法，有很强的针对性，其目的在于寻求解决特定问题的最优或满意方案。系统分析要适应实际问题的需要，制定方案，选择方法，并通过适时调整使分析过程及结果对问题的不确定性变化具有较好的适应性。帮助决策者解决实际问题，这是系统分析的目的。2、以整体为目标系统分析是把问题作为一个整体来处理，全面考虑各主要及其相互影响，强调以最少的综合投入和最良好的总体效果来完成预定任务。系统中的各组成部分，都具有各自特定的功能和目标，只有相互分工协作，才能发挥出系统的总体效能。系统分析既要从系统整体出发，考虑系统中所要解决的各种问题及其多重，防止顾此失彼；又要注意不拘泥于细节，抓住主要及其方面，致力于提出解

17、决主要的方法和措施，避免因小失大。以整体最优为的系统观点是系统分析的前提条件。3、方案模型分析和选优根据实际问题的需要和系统目标的要求收集各种信息，寻找多个方案，并对其进行模型化及优化或仿真计算，尽可能求得定量化的分析结果，这是系统分析的内容。在系统方案综合(设计)中应注意的几个问题是：要搞多方案，但不要过多，通常以 34 个为宜；方案要有基本的同目的性(可替代性)、能实现性(方案详细可分)、可识别性(能评价系统目的、功能的达成度或优劣)等要求；方案产生过程中要注意采用各种创造性技术。4、量分析与定性分析相结合系统分析采用定量分析与定性分析相结合的基本方法。分析中既要利用各种定量资料和模型化及

18、优化或仿真计算的结果，使方案的优劣以定量分析为基础；又要在其同时充分利用分析者、决策者和其他有关的直观判断和经验，进行综合分析与判定。这是系统分析的基本。唯经验判断和唯定量分析，都是与系统分析的要求相违背的。5、多次反复进行对复杂系统问题的分析，往往不是一次可以完成的。它需要根据对象系统及其所处环境的可能变化，通过反复与决策者，适时、不断地修正分析的过程及其结果，形成分析过程中的多次及多重反馈，逐步得到与系统目标要求最接近、令决策者较为满意的系统方案。这是系统分析成功的重要保障。四、应用实例1、某厂外购玻壳进厂入库搬运路线的系统分析某厂是一个生产彩色显像管的总厂，下设若干分厂。该厂建厂初期年产

19、 96万只 37cm 彩色显像管，现已能生产五种彩色显像管和 37cmCDT(彩色显示器)等六类产品，年产量约 720 万只。物流管理是现场管理的主要内容，物流合理化被广泛地认为是企业利润的重要源泉。对本企业来说，分析与优化分厂与分厂间的物流，效益应比较可观。但总厂对一期工程之后改造或扩建过程中物流系统分析研究不多。进一步深入研究会发现，现在物流不合理的根源多在于此。该厂所有生产用料不下千种，本着抓主要的原则，进行 ABC 分类，把需要量大、价值高的六类零列为A 类物料，它们是：玻壳(屏和锥)；荫罩；偏转线圈；防爆带；电子枪零件；荧光粉。其中玻壳的搬运量最大，占总搬运量的一半以上。此外，仅对其

20、外购玻壳进厂入库搬运路线进行分析。(1)外购玻壳进厂入库搬运路线现状分析。该厂一期工程设计的设施布置和物流基本上是合理的。目前物流方面存在，总的看来均是由于二期工程以后的扩建和改造所致。扩建和改造打破了原有一期工程时各之间的协调关系，造成物流和仓储供应方面的许多问题和，这些问题突出表现在各分厂(各作业)之间和供应上。二期扩建后，原有零供应不能满足多品种的需要，使有的同类型而不同规格的零出现不同供应的情况，玻壳方面的表现尤为突出。同时由于管理等方面的原因，各分厂所需的原料，有的由物资公司供应，有的由公司供应，也有的从总厂其他供应，或由分厂直接从外厂，这样就造成全厂物流来源复杂，路线交叉迂回，分析

21、起来也较为。根据该厂的具体情况，对供应物流的研究可主要放在外购物料从进厂到完成检验后前的装卸、等过程。通过现场和对生产物流的分析，发现外购物料中存在多、搬运量大的物料主要是外购玻壳(屏和锥)。目前外购玻壳量非常大，主要(90%以上)靠火车运进总厂。玻壳从火车站运至玻壳库的流34 所示，从中可以看出该物流存在如下问题：搬运路线长，曲折迂回，汽车要绕过 528 房和 526 工段；装卸次数多，从生产厂家到本厂库房共有八次装卸，而其中在本厂就有三次装卸；经过厂内铁道线一次。汽车过206 库左(西)边的铁道线时振动剧烈，对玻壳十分不利。外购玻壳原流程：用火车运至南站台；用吊车将集装箱卸至南站台；打开集

22、装箱；用叉车托起玻壳箱；运至卡车；用叉车装至卡车；卡车运至玻壳库约 500 米；叉车卸货；叉车；堆垛。玻壳库化工库206 库528 房油库图 34 玻壳供应物流流程图由于玻壳需要量大，易损坏，多次装卸和振动导致破损率增大。根据，锥的平均破损率已达到 3%，最高时竟为 5%。当前成品外销主要是靠汽车运出，火车运出量很小，这与批量小且铁路欠简便有关。在成品方面，除使用总厂内的库房外，还在厂外租借库房。单从销售物流自身考虑其物流基本合理。(2)改进方案的建立。企业的发展是一个不断完善的过程。总厂物流方面所存在，也需要通过不断改善来加以解决。在众多改进的可行方案中，本着投南站台526 工段成品库 52

23、3资少、技术上可行和可操作的原则，经初选，留下三套较理想的方案，具体如下：方案 1：将玻壳的卸货站台放在北站台。改用北站台后，玻壳供应物流流程为：用火车运至北站台；用吊车将集装箱堆放在站台；将集装箱拆开；用叉车取货；运至玻壳库(距离约 100m)；堆垛。与现行操作相比，本方案减少四次作业，包括二次和二次装卸，缩短运输距离 400m，仅减少玻壳中锥破损一项每年可节约数百万元。本方案之处是要改建站台，投资较大。方案 2：同方案 1 将玻壳卸在北站台，将原有 523 成品库全部换成为外购玻壳库。方案 2 的流程同方案 1，但叉车路线进一步缩短至 20m，甚至更短。但由于牵扯到不同部门，实现起来比较。

24、但从长远来看，外购玻壳的做法不会发生大的变化。因此，对其物流供应路线和仓库进行改造是有价值的。方案 3：外购玻壳与成品同用一个 523 库，当成品量增加时，可提示减少外购玻壳的量，防止库存量过大，反之亦然。然而，本方案要求销售公司和供应公司共用一个库，管理中难度较大。(3)方案的评价。按照系统分析的多目标要求，采用系统评价的基本方法关联矩阵及其和法，对上述三套方案(方案 1、方案 2、方案 3)进行评价比较的过程及结果如表 31 所示。表 31 方案评价表/指标权重评定及评定方案 1方案 2方案 31、物流及搬运经济性0.253542、投资少0.203443、便利服务0.103234、灵活性0

25、.153325、易于管理0.154326、可操作性0.15433合计1.003.303.603.15评价结果表明，方案的优先序为：方案 2 优于方案 1 和方案 3。系统工程在企业现实中的应用基础是调研和分析。只有深入地调研和分析，才有可能发现其潜在，并针对问题列出可行解(方案)，而列出可行方案需要创造性思维。其后，在初选的基础上，运用系统分析及其评价的方法排出方案的优先序，从而为管理者提供决策依据。2、实行以优化控制为主线的系统分析与科学决策前几年南方某酒厂在原材料、能源涨价及市场疲软的冲击下，濒临停产的困境。为此，企业的提出向决策要效益。他们从传统的决策思维模式中解脱出来，综合运用现代科学

26、的管理技术，对企业生产经营过程实施以分析优化控制为主线的系统分析与科学决策，并经历了四个主要的阶段：(1)问题结构分析。根据企业年计划利润 70 万元、产值 585 万元的原有目标，按生产、经营、财务、管理划成四大块分解展开。用统计分析和分析等方法发现原有计划生产的三大系列八个品种中，亏损产品元红、善酿和汗烧三个品种，占全部产品数的 37%，亏损总额为 50 万元，占产品额的 46.4%，影响了利润计划的如期完成。初步分析表明，调整产品结构、优化生产计划乃是企业管理中的主要问题。(2)要素与目标分析。通过对产品市场需求、原材料和能源等资源的供给、国家政策、竞争者状况等环境的分析，和运用边际收益

27、法对企业生产能力的分析，该企业决策者们将产品方向调整为：以发展黄酒为主体，增加瓶酒产量，控制白酒生产，并将提高黄酒产品结构效益作为优化的基本要求。(3)优化分析。为了达到产品利润最大目标，采用线性规划方法，根据加饭、元红、香雪、善酿四个品种的利润、原料、销售和产值等相应的约束条件，运用电子计算机，迭代解出达到产品利润最大的最优方案为：加饭 700t、元红7600t、香雪 140t、善酿 40t。(4)方案调整。为了完成下半年预定的增益指标 40 万元，并考虑到实际的企业能力、市场需求及其变化，对上一阶段建立在优化分析基础上的计划方案进行调整，增加了瓶酒的产量。对生产计划的科学调整，使企业开始取

28、得明显的经营效果和经济效益。该厂成功之处，在于根据情况的变化，不断用系统和系统分析方法调整和优化经营决策。该案例注意以实际问题，综合使用多种分析方法。整个分析过程从大到小，先粗后细，分析与决策程序具有科学性和普遍适用性。3、运用系统分析原理控制污染物排放位于某著名旅游城市市郊的某火力发电厂曾一个棘手，即如何减少烟囱排放的烟尘与SO2 量，使风景胜地的环境得到综合治理。为此，运用系统分析原理，找到了投资少、见效快的最佳治理方案，取得了明显的经济、社会效益。其具体做法可归纳为如下主要步骤：(1)系统与初步设计。首先是获取城市的基本情况和气象数据，以及电厂的机组、锅炉等设备的主要技术参数等资料。分析

29、污染物在电厂内的迁移过程(燃料锅炉除尘器烟囱排放)及所用燃煤的化学成分等。其次是建立计算机模拟模型，模拟发电厂烟尘排放的烟尘与 SO2 量。模拟结果表明，烟尘模拟值 823.1kg/h，是170kg/h 的 4.84 倍；SO2 模拟值 1844kg/h，是的 10.85 倍。(2)方案综合及评估。根据系统与分析，提出有针对性的四个方案，并进行模拟分析与评估。方案A：修建一座高烟囱。把原来 45m 高的烟囱改为 120m 高。模拟分析显示，可使污染物排放控制在之内。该方案需要投资 22 万元。另外，该高度的烟囱对附近的机场营运有一定影响。方案 B：改用电除尘器。将原来的多管旋风除尘器改为新型的

30、电除尘器。模拟分析结果表明，可使烟囱排放量从 823.1kg/h 降至 132.8kg/h，再用预洗等方法可降低 SO2 排放量。电尘器的投资约需 70 万元以上。方案 C：改换锅炉。投资 200 万元2 台 75t 的锅炉，这样可以减少污染物的排放，但由于燃烧效率降低，会带来每年 11.76 万元的经济损失。方案 D：改用优质煤。将原用煤改为新煤种。模拟分析表明，可使烟尘排放量降至 85.53kg/h，SO2 排放量降至 129.7kg/h，均低于。如若政策有利，基本上可不增加太多的费用。(3)系统决定。经过模拟研究、经济分析和综合评价(过程略)，选择近期防治对策中的最佳方案为方案 D，即改

31、用优质煤。从远期考虑，可在方案 D 的基础上逐步采用烧油的方案，以进一步减少水污染。本案例利用计算机模拟，以对系统方案的技术分析为基础，并把技术分析与经济评价紧密地结合起来。第三节、对系统工程方法论的新探索系统工程方法论一直是系统工程研究开发及应用的重要内容，近 10 余年来不断有所创新和发展，并日益引起大家的高度重视。以霍尔、切克等方法论及系统分析方法为基础，以东方文化与西方文明等多方面的结合为重要特征，对系统工程方法论的研究与应用在国内外取得了不少新的成果，值得关注。中国科学家等针对开放复杂巨系统问题，于 20 世纪 90 年代初提出了从定性到定量的综合集成系统方法论。该方法论以对社会系统、系统、地理系统等三类复杂巨系统的研究实践为基础，形成一个整体，其主要特点是：(1)根据开放的复杂巨系统的复杂机制和变量众多的特点，把定性研究与定量研究有机地结合起来，从多方面的定性认识上升到定量认识；(2)按照人机结合的特点，将群体(各种有关)、数据和各种信息与计算机技术有机结合起来；(3)由于系统的复杂性，把科学理论与经验知识结合起来，把人对客观事物星星点点的知识综合集中起来，力求问题的有效解