第三章系统工程方法论

第三章系统工程方法论本章要点：一、处理复杂系统问题的基本观点二、系统工程方法（一）处理复杂系统问题的基本观点整体观点综合观点层次观点价值观点发展观点数学描述方法＋逻辑推理方法工程技术的规范＋社会科学的艺术思想方法理论基础基本程序方法步骤系统工程方法论基本特点：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（二）系统工程方法论

系统工程方法论是用于解决复杂问题的一般程序、逻辑步骤和通用方法。一、霍尔结构体系

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六个阶段，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。（二）系统工程方法论（二）系统工程方法论1.霍尔三维结构A.D.Hall1969系统工程活动矩阵：T-L专业维（K）运筹学控制论社会科学工程技术经济、法律计算机技术……逻辑维（L）规划阶段计划阶段研制阶段生产阶段安装阶段运行阶段更新阶段时间维(T)明确问题确定目标系统分析系统优化系统实施决策最优化1)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、明确目标计划阶段：比较分析方案，择优研制阶段：实现方案，作生产计划生产阶段：零部件→组装整个系统安装阶段：安装、调试运行阶段：运行更新阶段：评价→改进和更新8以三峡工程作为案例：第一阶段：1919年孙中山《建国方略》：利用三峡的水利资源发电1946年《萨凡奇计划》50年代初期林一山为首的长江流域规划办公室9长江三峡水利枢纽工程简称“三峡工程”，是当今世界上最大的水利枢纽工程。三峡工程位于长江三峡之一的西陵峡的中段，坝址在三峡之珠——湖北省副省域中心城市宜昌市的三斗坪，三峡工程建筑由大坝、水电站厂房和通航建筑物三大部分组成。

大坝为混凝土重力坝，大坝坝顶总长3035米，坝高185米，设计正常蓄水位l75米，总库容393亿立方米,其中防洪库容221.5亿立方米。

水电站左岸设14台，右岸12台，共26台水轮发电机组。水轮机为混流式，单机容量均为70万千瓦，总装机容量为1820万千瓦，年平均发电量847亿千瓦时。后又在右岸大坝“白石尖”山体内建设地下电站，设6台70万千瓦的水轮发电机。2009年三峡工程完工后，届时的年发电量可达1000亿千瓦时。

10第二阶段：解决四个方面问题：目标进行分解和量化；协调目标，提出实现目标的具体的方案；为实现方案在技术上、经济和社会方面、环境方面的保障；根据具体方案，对工程成本费用和效益提出更加详细的计算。总目标：发电、防洪、供水、航运正常蓄水位：230米、235米；坝址设在南津关11第三阶段：1958年到1993年10月实施系统工程（生产安装）之前技术性很强，工作量最大的阶段。需要结合大批的相关的工程技术人员，合作完成。提出实施该系统的详细的研制方案；提出详细的实施（生产或施工，包括往后各阶段）计划。提出可供施工的蓝图，包括大坝、船闸、厂房、机电设备、输变电工程等方面的各项研究工作以及最终拿出可供施工和生产的图纸；按照预想的进程和可能性，提出包括库区移民以及工厂的搬迁安置、施工进度、水轮发电机组、辅助设备、输变电设备的研究等，进而提出何时完成第一期工程和第二期工程、何时全面投产等详细的系统的实施计划。12第四阶段：根据系统研制阶段所提出的方案和生产计划，生产出系统的零部件和所有的设备和装置；提出系统的安装计划。完成大坝以及全部水工结构的建筑，船闸、厂房的建设，水轮发电机组、输变电设备、中央控制台、配电室以及其他各种机电设备的制造；提出未来的安装计划；安置库区移民。第五、六、七阶段：安装、运行、更新。13时间上可以交叉。研制阶段可部分进行生产，生产阶段就可部分安装，安装阶段可部分进行运行。需寻求最佳方案，用计划协调技术（PERT）、图解评审技术（GERT）。主要有泥沙问题、水库引发地震问题、四川将面临更加频繁和严重的洪水问题、环境问题和资金问题。综合治理长江，对上游实行水利开发和水土保持。2)逻辑维明确问题：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。

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、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：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确定目标（系统指标设计）：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系统综合：方案策略，对每种方案进行说明系统分析：系统分比较分析各方案→建模→计算或仿真系统优化：寻找满足约束条件的最优方案。系统决策：由决策者从多个优选方案中选择一个方案进行实施。由于多方面的考虑，决策者做出的方案不一定是最优方案。系统实施：对已选方案进行实施、修改，完善以上六个步骤，转入下一阶段。3）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。表3.1霍尔管理矩阵逻辑维(步骤)时间维(阶段)1234567明确问题确定目标系统综合系统分析系统优化做出决策付诸实施1规划阶段a11a12a13a14a15a16a172计划阶段a21a22a23a24a25a26a273研制阶段a31a32a33a34a35a36a374生产阶段a41a42a43a44a45a46a475运行阶段a51a52a53a54a55a56a576更新阶段a61a62a63a64a65a66a672、切克兰德的系统工程方法

霍尔三维结构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；而适用于以研制“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。英国的切克兰德把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。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。切克兰德软系统方法论的思路和步骤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”方法流程图切克兰德方法模型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)根底定义比较寻求改善途径选择设计实施评估.两种方法轮的比较(?)

相同点：问题导向；注重程序及阶段；…

不同点：(研究对象或应用领域、基本方法、

核心内容或关键点、反馈机制、…)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，均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：霍尔三维结构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。3、物理－事理－人理系统方法

物理－事理－人理系统方法（简称WSR)是中国系统工程学会前理事长、中国科学院系统科学研究所研究员顾基发和华裔学者朱志昌博士在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，从众多的案例分析中悟出了“关系协调”的重要性，从方法论角度提出了物理－事理－人理系统方法。

物理是象征本体论的客观存在，包括物质及其组织结构；阐述自然客观现象和客观存在的定律、规则，是一种客观存在，不以人的意志为转移。

事理是人们办成办好事情应遵循的道理、规律，帮助人们基于客观存在有效处理事务的方法。

人理是关注、协调系统中所有团体相互之间的主观关系，包括顾客、权力当局、组织者、专家、潜在业主、使用者、操作者、受益和受损者；

WSR系统方法论内容

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、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?(人文分析)原则诚实、追求真理，尽可能正确协调、有效率，尽可能平滑人性、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WSR工作顺序图1．理解意图6.实施方案5.提出建议2.调查分析3.形成目标4.建立模型协调关系理解意图：这与霍尔系统工程方法论中逻辑维中的明确问题含义相近。在进行任何工作之前，都需要明确要解决的问题、理解决策者的意图。调查分析：调查是系统工程活动的重要组成部分，调查分析深入程度直接影响到后续过程的开展。形成目标：作为一个复杂的问题，一开始对于问题能解决到什么称度，决策者和系统工程工作者往往都不是很清楚，在领会和理解决策者的意图以及进行深入的调查分析、取得相关信息后，进行系统目标的确定，形成目标。建立模型：这里的模型是比较广义的，除数学模型外，还可以是物理模型、概念模型、运作程序、运行规则等。提出建议：运用模型，分析、比较、计算各种条件、环境、方案之后，可以得到解决问题的初步建议。实施方案：将上述建议付诸实施，在实施过程中也需要与相关主体进行沟通，以取得满意的效果。协调关系：协调关系是整个系统工程活动的核心，在整个活动中发挥作用。4、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。钱学森的综合集成工程方法论方法论层次：(1)经验知识＋理论知识；(2)通过建模将定性知识与观测数据、统计资料结合；(3)人(知识工程＋专家系统)与计算机(电脑)结合工程技术层次：(1)根据实际问题收集信息资料和统计数据；(2)约请相关专家分析研究，明确系统四大变量(状态、环境、控制、输出)，确定系统建模思想；(3)建立系统数学模型(定量表示系统结构、功能、行为、特性、输入输出关系)；(4)对系统行为做仿真模拟试验，获得定量数据资料；(5)组织专家群体检验系统模型的有效性；(6)修改、调整参数，仿真试验，专家分析评价，修改。。。数学模型(符合实际系统的理论描述)----可信的结论2.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研讨厅框图案例作战训练中心演习分析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5、螺旋式推进系统方法螺旋式推进系统方法（或称螺旋式系统方法）是上海交通大学王浣尘教授提出的，螺旋式系统是一种系统科学方法论，从哲学角度讲，它综合了还原论、混沌理论、构成论和生成论，认为事物是由本原在构成的约束下经螺旋式推进生成的，事物的发展、对事物的认识、对事物的分析、解决问题等都是遵循螺旋式推进这一规律的，属于一种螺旋式推进过程。螺旋式推进系统方法包括了以下几个方面得内容：理论－技术－应用，然后是更高层次的理论－技术－应用┈┈螺旋式