第三讲系统工程方法论

系统工程第三讲系统工程方法论

人们关于世界是什么，怎么样的根本观点是世界观，用这种观点作指导去认识世界和改造世界，就成了方法论.世界观主要解决世界“是什么”的问题，方法论主要解决“怎么办”的问题。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。方法论§3.1典型系统工程方法论霍尔结构体系(硬系统方法论)—A.D.Hall切克兰德模式（软系统方法论)-P.B.checkland综合集成法(综合集成研讨厅体系)-钱学森物理、事理、人理系统方法论-顾基发、朱志昌一、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。一、霍尔结构体系明确问题时间维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·知识维逻辑维规划阶段方案阶段研制阶段生产阶段更新阶段运行阶段选择目标系统综合系统分析方案优化付诸实施做出决策图3.1霍尔“三维结构”图一)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。1.规划阶段：调研、明确目标2.方案阶段：比较分析方案，择优3.研制阶段：实现方案，作生产计划4.生产阶段：零部件→组装整个系统5.运行阶段：运行6.更新阶段：评价→改进和更新一、霍尔结构体系

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2.选择目标系统分析3.系统综合4.系统分析5.方案优化模型建立6.做出决策7.付诸实施二)逻辑维一、霍尔结构体系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。把握住问题的要害和实质，使有关人员做到心中有数。一、霍尔结构体系2.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：

目标制定的正确与否，关系到组织的兴衰成败。目标正确，即使遇到暂时困难也会向好的方向转化；目标错误，组织就会处于被动地位，遭到失败。一、霍尔结构体系例子二次世界大战期间，英美商船通过英吉利海峡时经常遭到德国飞机的袭击，为了解决这个问题，研究要不要把高射炮装在船上?有人研究这个问题时，把击落敌机率作为战略目标，实践统计该目标价值只有4％，大大低于陆地高射炮的击落敌机率。认为效率太低，得不偿失。但是有人提出商船装高射炮的主要目的不是要它一定要打下多少飞机，而是为了保护商船，应当把减少商船被击沉率做为目标。由于商船上的高射炮使敌机不敢低飞，商船击沉率由25％下降到10％以下，这样装高射炮就是值得的了。当英美商船装上高射炮后，果然减少了损失，为盟军的胜利作出了贡献。3系统综合：方案策略，对每种方案进行说明4系统分析：比较分析各方案→建模→计算或仿真一、霍尔结构体系系统分析主要内容：系统变量的选择：状态变量、决策变量建模和仿真可靠性工程方案优化：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、组合优化等一、霍尔结构体系作出决策：不能十全十美，要考虑人、社会各种因素付诸实施：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方案阶段a21a22a23a24a25a26a273研制阶段a31a32a33a34a35a36a374生产阶段a41a42a43a44a45a46a475运行阶段a51a52a53a54a55a56a576更新阶段a61a62a63a64a65a66a67一、霍尔结构体系三)专业维(知识维）

专业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。一、霍尔结构体系

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。二、切克兰德模式

切克兰德软系统方法论认为，人类活动系统中的问题不像人造系统中的问题那样是“公众的知识”，“什么是问题”本身成了一个问题。因此，硬系统方法论的第一个阶段——摆明问题，变成了有关的人对问题情境进行感知；第二个阶段——确定目标，变成了定义相关系统；运用系统方法论的过程也由寻优过程变成了学习过程，结果是有关的人感到问题情境有所改进，而不是问题的解决。切克兰德认为软系统方法论的这些特点是由于人的世界观，价值观的普遍存在且不相统一造成的。因此在人的活动系统中存在的问题大多是边界模糊，难于定义，结构不良的软问题，这些问题更应该用软系统方法论来处理，而不能应用传统的起源于工程问题解决的思想。二、切克兰德模式

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。

二、切克兰德模式

不良结构问题情景①其他系统思想④（b）问题情景描述②相关系统的定义③可行的改革方案⑥概念模型④实施可行改革方案⑦②和④比较⑤形成系统概念④（a）现实世界系统思维软系统方法论的思路和步骤二、切克兰德模式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”方法流程图二、切克兰德模式三、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。三、综合集成法

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”。三、综合集成法

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。三、综合集成法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研讨厅框图三、综合集成法

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.总体设计部思想三、综合集成法四、物理、事理、人理系统方法论

物理—事理—人理（WSR）系统方法论从物、事、人三个角度分析问题。物：独立于人的意志而存在的物质客体。事：指人们变革自然和社会的各种有目的的活动。“物理”物质运动的规律。回答物是什么，能够做什么。事理：做事的道理。回答可以怎样去做。人理：做人的道理，回答应当如何做。四、物理、事理、人理系统方法论

四、物理、事理、人理系统方法论主要步骤：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.提出建议五、系统论方法的若干要点1.哲学基础2.还原论与整体论相结合3.定性描述和定量表述相结合4.局部描述和整体描述相结合5.确定性描述和不确定型描述相结合6.系统分析与系统综合相结合六、系统工程方法论基本环节1.阐明问题2.谋划备选方案3.预测未来环境4.建模和估计结果5.比较备选方案原始情况分析结果阐明问题阶段分析研究阶段

评价比较阶段

阐明问题谋划备选方案建模和预计后果评比备选方案预测未来环境（1）阐明问题问题的性质和范围

问题剖析报告：问题的结构、过程和势态阶段结果报告：由来背景；重要性；可能采取行动的组织和个人；利益相关的组织和个人；目标、评价指标、约束条件、备选方案的初步描述、建议等问题的目标

目标的层次性目标的冲突目标树

XX1X2X3目标冲突和利害冲突

在目标分析过程中，系统分析人员经常会发现，许多关键情况往往是由于存在着相互冲突的分目标造成的。这有两种情况：一种是纯属专业性质的，即目标冲突问题；另一种是社会性质的，即利害冲突问题。目标冲突例如在进行产品设计时，所可能强调的两个目标：一是尽可能低的成本二是尽可能高的质量。解决办法：建立一个没有矛盾的目标集，把引起矛盾的分目标剔除掉。

采用所有分目标，寻求一个能达到冲突目标得以并存的方案。

利害冲突例如企业在减员增效的过程中就至少有如下两个目标：一是提高企业的效益二是保证工作岗位不减员。

处理的方法：目标方之一放弃自己的利益保持其中一个目标，用其它方式补偿或部分补偿受损方的利益通过协商调整目标系统，使之达到目标相容阐明问题环境和条件

评价指标

合理性层次性收集和分析资料

阐明问题阶段结果报告：问题的由来与背景；重要性；可能采取行动的组织和个人；利益相关的组织和个人；目标、评价指标、约束条件、备选方案的初步描述、建议等阐明问题阶段约占系统分析全过程的时间的20%-25%（2）谋划备选方案

方案的提出

“集体创造”法或“头脑风暴法”“缺点、希望点”列举法

特性穷举法

方案的筛选

强状性

适应性

可靠性

现实性（可操作性）（3）预测未来环境

情景分析法：情景分析法对于每种备选方案都确定几组未来实施环境的特征和条件，如按“乐观”、“正常”和“悲观”的环境；也可按出现可能性大、正常和特殊的环境等进行预测。

数学模型的方法

确定预测内容

准备数据资料

确定预测方法，建立数学模型

定性预测法

时间序列预测法

因果关系预测法

计算预测值，分析预测误差

（4）建模和预计后果

每种方案实施后都相应有一系列后果，因