第3章：典型系统工程方法论

1第3章：典型系统工程方法论3.1.霍尔三维结构体系3.2.切克兰德模式3.3.综合集成工程方法学（综合集成研讨厅体系）3.4.系统分析原理及其应用3.5.物流系统优化分析3.6创新思维与方案创造技术2问题：如果给你一个具体的任务，你会怎么做？如：1、建设一个物流配送中心

2、新建一个连锁超市门店33.1.霍尔三维结构体系1969年，美国工程师霍尔认为系统工程整个活动过程可以分为前后紧密衔接的7个阶段，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。这构成了时间维、逻辑维和知识维的“三维空间结构”，概括了系统工程的一般过程。4（一）SE基本工作过程——霍尔三维结构

霍尔三维结构A.D.Hall1969

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

决策最优化系统工程活动矩阵：T-L5(一)时间维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。规划阶段：调研、明确目标设计阶段：初步确定系统结构及各部分联系分析阶段：如何实现方案，作生产计划运筹阶段：比较分析方案，对系统进行优化实施阶段：建造系统运行阶段：运行更新阶段：评价→改进和更新6(二)逻辑维每个阶段内所要进行的工作内容和遵循的思维程序。1、明确问题：收集资料(考察、测量、调研、需求分析、市场预测)

了解系统的环境、目的、系统的各组成部分及其联系等7问题的设定：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8德尔菲法德尔菲法也称专家调查法，是一种采用通讯方式分别将所需解决的问题单独发送到各个专家手中，征询意见，然后回收汇总全部专家的意见，并整理出综合意见。随后将该综合意见和预测问题再分别反馈给专家，再次征询意见，各专家依据综合意见修改自己原有的意见，然后再汇总。这样多次反复，逐步取得比较一致的预测结果的决策方法。德尔菲法依据系统的程序，采用匿名发表意见的方式，即专家之间不得互相讨论，不发生横向联系，只能与调查人员发生关系，通过多轮次调查专家对问卷所提问题的看法，经过反复征询、归纳、修改，最后汇总成专家基本一致的看法，作为预测的结果。这种方法具有广泛的代表性，较为可靠。9情景分析法情景分析法又称脚本法或者前景描述法，是假定某种现象或某种趋势将持续到未来的前提下，对预测对象可能出现的情况或引起的后果作出预测的方法。通常用来对预测对象的未来发展作出种种设想或预计，是一种直观的定性预测方法。10交叉影响法交叉影响法,也即交叉概率法，是美国于上世纪60年代，在德尔菲法和主观概率法基础上发展起来的一种新的预测方法。这种方法是主观估计每种新事物在未来出现的概率，以及新事物之间相互影响的概率，对事物发展前景进行预测的方法。时间序列预测法时间序列预测法是一种历史资料延伸预测，也称历史引伸预测法。是以时间数列所能反映的社会经济现象的发展过程和规律性，进行引伸外推，预测其发展趋势的方法。11结构化、非结构化、半结构化决策1)．结构化决策问题相对比较简单、直接，其决策过程和决策方法有固定的规律可以遵循，能用明确的语言和模型加以描述，并可依据一定的通用模型和决策规则实现其决策过程的基本自动化。早期的多数管理信息系统，能够求解这类问题，例如，应用运筹学方法等求解资源优化问题。如：饲料配方、生产计划、调度等2)．非结构化决策问题是指那些决策过程复杂，其决策过程和决策方法没有固定的规律可以遵循，没有固定的决策规则和通用模型可依，决策者的主观行为(学识、经验、直觉、判断力、洞察力、个人偏好和决策风格等)对各阶段的决策效果有相当影响。往往是决策者根据掌握的情况和数据临时做出决定。如：聘用人员，为杂志选封面3)．半结构化决策问题介于上述两者之间，其决策过程和决策方法有一定规律可以遵循，但又不能完全确定，即有所了解但不全面，有所分析但不确切，有所估计但不确定。这样的决策问题一般可适当建立模型，但无法确定最优方案。如：开发市场，经费预算；122、选择目标：提出目标，制定准则(标准)选择目标过程一般使用价值体系方法：效用理论费用—效益分析：经济系统风险估计价值工程3、系统综合：方案策略，对每种方案进行说明4、系统分析：系统地比较分析各方案→建模→计算或仿真13系统分析主要内容：系统变量的选择：状态变量、决策变量(内生、外生)

建模和仿真：GPSS（General-purposeSystemsSimulator）、SD

可靠性工程5.方案优化：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6.作出决策：不能十全十美，要考虑人、社会各种因素7.付诸实施：企业：生产计划开发项目：CPM、PERT14(三)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。15表3.1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方案优化做出决策付诸实施1规划阶段a11a12a13a14a15a16a172设计阶段a21a22a23a24a25a26a273分析阶段a31a32a33a34a35a36a374运筹阶段a41a42a43a44a45a46a475实施阶段a51a52a53a54a55a56a576运行阶段a61a62a63a64a65a66a677更新阶段a71a72a73a74a75a76a7716霍尔三维结构适用于以研制“硬件系统”为目标的自然科学、工程技术等“硬科学”领域，故有人称霍尔三维结构为“硬科学”的系统工程方法论。不适用于以建立和管理“软系统”为目的的社会科学、管理科学等科学领域。问题：

如果你的老板对公司运行不是很满意，要你提出提高运行效益的方案，你怎么做？173.2.切克兰德模式

英国学者切克兰德把OR、SE、SA和SD所使用的方法论叫硬系统方法论，并在1981年自己提出一种软系统方法(SSM)——“调查学习”法。18切克兰德的调查学习法用概念模型代替数学模型，使思路更为开阔；用可行满意解代替最优解是价值观方面的重要变化。良结构系统：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：指偏重社会问题、机理尚不清楚的心理和事理型的软系统核心不是寻求“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，是有很明显的反馈调节思想。（不知道什么是最优，而是要做到“更好”）19弄清关联因素问题现状说明建立概念模型改善概念模型比较实施图3.2切克兰德的“调查学习”方法流程图20应用——企业管理系统工程活动矩阵（框架——H；内容——C）

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

工作过程活动项目逻辑步骤213.3.综合集成工程方法学（综合集成研讨厅体系）1.综合集成方法论的产生

80年代初，钱学森提出处理复杂行为系统的定量方法学。80年代末，钱学森提出处理开放的复杂巨系统的方法论是“从定性到定量综合集成方法”。1992年，钱学森提出从定性到定量综合集成研讨厅体系。222.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。命题专家体系社会认识客观世界知识体系社会实践机器体系结果改造世界认识世界图3.3研讨厅框图23分析作战训练中心演习研制与试验分布交互仿真次研讨厅低层次研讨厅高层次研讨厅分析图3.4研讨厅体系一例24这套方法论是从整体上研究和解决复杂巨系统问题的方法，采取人机结合以人为主的思维方法和研究方式，对不同层次、不同领域的信息和知识进行综合集成，达到对整体的定性定量认识。按照我国传统说法，把一个复杂事物的各个方面综合起来，达到对整体的认识，称之为“集大成”的智慧，所以钱学森把这个方法称为“大成智慧工程”。25在综合集成研讨厅体系这个概念中，综合集成是方法特征，研讨厅体系是组织形式。综合集成方法指出了解决复杂开放巨系统和复杂性问题的过程性以及过程的方向性和反复性。综合集成研讨厅体系本身是个开放的、动态的体系，也是个不断发展和进化的体系。26应用综合集成方法(包括综合集成研讨厅体系)必须有总体设计部这样的实体机构。“我们把处理开放的复杂巨系统的方法定名为从定性到定量综合集成方法，把应用这个方法的集体称为总体设计部。”综合集成研讨厅是研究开放的复杂巨系统的方法论，那么总体设计部是实现这个方法论所必须的体制和机制。

3.总体设计部思想273.4.系统分析原理及其应用

1、系统分析概念

定义：系统分析（SA）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，为决策者选择满意的系统方案提供决策依据的分析研究过程。

SA是SE的核心内容、分析过程和基本方法。28物流系统分析将系统分析的方法运用于物流系统，即物流系统分析。定义：物流系统分析即：综合运用科学的分析方法和工具，对物流系统的目的、功能、环境、费用和效益进行充分的调研、收集、比较、分析和数据处理，建立若干替代方案和模型，对各种方案和模型进行比较和分析，寻求使物流系统整体效益最佳和有限资源配备最佳的方案，为决策者最后决策提供科学依据和信息。物流系统分析的基本思路与系统分析的思路类似，只是其分析的对象做了限制，只针对物流系统。29

物流系统分析的适用范围制定经济发展计划。（规划理论，方案优化）重大物流工程项目的组织管理。（网络分析理论，保质保量如期完成）厂址选择和建厂规划。（从技术上先进、经济上合理、建设上可行几个方面，选择最佳建设方案。新产品开发。（价值分析，确定该产品最适宜的性能、结构、用料和价格）资金成果管理。（预算控制，成本盈亏分析，采用经济合理的措施或方案）组织企业的生产布局和生产线。（对人员和各种生产设施进行最佳的分配和安排）编制生产作业计划。（投入产出分析法，库存控制等，实现准时生产和均衡生产）物流系统分析在解决上述问题时是非常有效的，一般而论，越是重大而复杂的问题，运用物流系统分析，效果就越明显。30系统分析中的逻辑5W1H(What/Why/Who/Where/When/How)项目提问决定对象目的为什么确定这个？应是什么？删除工作中不必要的部分对象为什么要找这个？应找哪个？地点为什么在这里做？应在何处做？合并重复的工作内容，考虑重新组合时间为什么在这时做？应何时做？人为什么由此人做？应由谁做？方法怎样做？怎样去做？使工作简化让你负责开发一套物流（仓库、配送中心）管理软件你应该怎么做？312、系统分析的准则

外部环境与内部条件相结合当前利益与长远利益相结合整体效益与局部效益相结合定性分析与定量分析相统一让你负责开发一套物流（仓库、配送中心）管理软件你应该怎么做？323、系统分析基本要素①目标②可行方案③模型(结构、数学、仿真)④费用⑤效果⑥评价33否问题的形成1确定问题的范围2明确构成因素之间的相互依存关系3了解环境状况和约束条件明确目标1明确目标2采用手段能否实施继续进行分析工作是图3.5确定目标工作图34模型的分类分类模型名称按总体分类实物模型、符号模型、实体模型、概念模型按构造要素类型分类数学模型、逻辑模型、图形模型、模拟模型按变量取值的确定性分类确定型模型、不确定型模型按分析对象分类过程模型、状态变量模型、可靠性模型、时间模型、费用模型、经济模型、组织模型、计算机模型35(－)费用效果(＋)探索评价模型A4A3A5A1A2目标A1A2A4A3A5可行方案评价标准方案排序图3.6系统分析概念结构图364、系统分析的步骤（方案1）是否提出问题建议的可行方案分析与评价建立模型构成问题收集资料是否满意图3.7系统分析的步骤37系统分析的步骤（方案2）认识问题探寻目标综合方案模型化优化或仿真分析系统评价决策（分析）NY初步SA规范分析综合分析385、SA的特点及原则（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393.5.物流系统优化分析物流系统分析没有固定的分析方法,主要根据物流系统运作过程中出现的不同问题而采用相应的分析方法优化分析的实质是通过建立物流系统模型，求解使物流系统达到最优的方案物流系统常用的优化指标一般有效率、费用、效益、利润等40一.物流系统生产效益优化分析1.相关概念生产函数描述生产系统中投入与产出的关系，即生产要素的某一种组合同它可能产生的最大产量之间的关系。设Q代表产量，A、B……代表各种生产要素的投入量，则生产函数可以表示为：Q=f(A,B,…)在一定的技术水平下，如果投入的生产要素A、B、…的投入量已知，则可以计算产品的产量Q。如果产品产量Q已知，可以推算需要投入的生产要素A、B、…41柯布-道格拉斯生产函数该函数是柯布-道格拉斯根据历史统计资料，研究1899~1922年美国的资本和劳动这两种主要的生产要素对产量的影响，而得出的一个生产函数。研究发现，β=3/4时比较符合美国当时的情况，这表明劳动投入每增加1%所引起的产量增长，是资本增加1%所引起的产量增长的3倍。42成本、收益和利润成本通常指生产商品或提供服务所发生的各种费用。收益通常指提供商品或服务所获得的各种收入。利润指收益和成本的差值。函数关系假设以年为单位，物流系统1年的运行总成本为C,物流系统1年向社会提供的商品和服务的数量为Q,商品和服务的平均价格为P,则成本、收益和利润之间的关系可表示为：E=P•Q-C432.生产效益优化分析优化分析目标：最小的投入获得最大的产出在技术条件一定的情况下，每一个企业的生产活动都可以用一定的生产函数描述，因此生产效益优化分析的实质是求极值的问题，因此物流系统优化分析就可以近似简化为求利润最大化的极值问题。利润产量QQ*物流系统利润与产量的关系图44二.物流系统成本—效益分析单纯考虑利润最大并不能选出物流系统最优方案应将效益与成本综合来考虑运用成本-效益分析进行最优化时，有以下几种情况：451、效益水平一定时，选择成本最小的方案不同可行方案的成本效益对照图当效益为E*时，两方案效益、成本都相同。当效益低于E*时，C1A<C1B,A方案成本低，为最优方案。当效益高于E*时，C2B<C2A,B方案成本低，为最优方案。成本效益B方案A方案E*C*E2E1C1AC2BC2AC1B462、在成本确定的情况下，选择效益大的可行方案不同可行方案的成本效益对照图当成本低于C*，为C1时，A方案的效益为E1A，B方案的效益为E1B,E1A>E1B,因此A方案为最优方案。当成本高于C*，为C2时，B方案的效益为E2B，A方案的效益为E2A，E2B>E2A,因此B方案为最优方案。效益成本B方案A方案E*C*E2BE1AC1C2E1BE2A473、当成本和效益都不限定时，按效益和成本的比值确定，即比较：效益/成本静态比较（不考虑资金的时间价值）动态比较（考虑资金的时间价值，如贷款利率，存款利息、物价等）3.6创新思维与方案创造技术一、什么是创新？创新是指：以现有的思维模式提出有别于常规或常人思路的见解为导向，利用现有的知识和物质，在特定的环境中，本着理想化需要或为满足社会需求，而改进或创造新的事物、方法、元素、路径、环境，并能获得一定有益效果的行为。创新的内涵

创新是以新思维、新发明和新描述为特征的一种概念化过程起源于拉丁语，它原意有三层含义：第一，更新；第二，创造新的东西；第三，改变。

创新是人类特有的认识能力和实践能力，是人类主观能动性的高级表现形式，是推动民族进步和社会发展的不竭动力。创新方案的产生技术1、提问法：针对需要研究的对象，列出有关问题，形成检核表，然后一个个来讨论，从而发掘出解决问题的大量设想。如5W1H2、头脑风暴法：无拘无束、自由奔放的联想。3、德尔菲法：4、全体决策支持系统：任务共享，环境共享，时间与地点共享。5、情景分析法：在专家集体推测的基础上，对可能的未来前景描述。案例：美国阿拉斯加原油运输问题创新方案价值研究案例案例导入：美国阿拉斯加原油运输方案美国阿拉斯加盛产石油，所生产的石油需要向美国本土运送。阿拉斯加普拉德霍湾油田与美国本土中间有加拿大相隔，原油运输可以经由普拉德霍湾通过油轮向美国本土运送，也可以通过加拿大陆地借助管道运输。

这两个方案均为可行方案，油轮运输和管道运输均为成熟的原油运输方法。然而在这个案例中，由于阿拉斯加地处北极圈内，问题变得复杂化。

本项目的任务和环境：要求每天运送原油200万桶。油田处于北极圈内，海湾常年处于冰封状态，陆地也是常年冰冻，最低温度达-50℃。为了解决由于气候带来的问题，来分析如上所述的两个方案：方案一：由海路用运油船运输；方案二：用带加温设施的油管运输原油。案例背景研究PPT模板下载：/moban/

两方案优缺点比较方案一方案二方案一的优点是每天仅需4~5艘超级油轮就可以满足运送量的需要，比铺设油管省钱。问题是：①要用破冰船引航，需要增加费用，同时还有安全问题。因为油轮触及冰山或被冰块撞击可能导致沉船，或原油泄漏造成环境污染。②起点和终点都要建造大型油库，这又额外增加一笔巨大开支，而且为了保证供应，考虑到海运容易受海上风暴的影响，油库的储量应在油田日产量的十倍以上。方案二的优点是可以利用成熟的管道技术。管道输油已广泛应用与世界的其他地区。然而由于北极圈内常年低温，存在的问题是：①要在沿途设加热站，这样一来管理复杂，又要供给燃料；②加热后的输油管不能简单地铺在冻土里，因为冻土受热溶化后会引起管道变形，甚至造成断裂。为了避免这种危险，有一半管道需要用底架支撑，