第三章 系统工程方法论

第3章系统工程方法论系统工程与传统方法的区别系统工程与系统分析系统工程方法论系统工程方法论

系统工程的方法论是系统工程应用的基础和关键所在，系统工程处理问题的独特方法论是系统工程区别于其它各门科学的基本特征之一，系统工程处理问题的最基本出发点是将所分析的对象作为整体系统来考虑，这也是系统工程考虑问题的基本思想和工作方法。一、系统工程与传统方法的区别

从前面对系统工程的介绍可以看出，系统工程实质上是方法论的科学，它的目标是通过什么样的方法可使系统达到最优，而方法论是把设想付诸实现的过程。对于传统方法，它解决问题的目标往往是单一的，比如设计一个产品或只强调成本低或只强调性能高，而系统工程对目标的考虑需要从系统运行的全过程即时间方面以及在每个阶段中处理问题的特殊思维过程即逻辑方面，并综合运用各种专业知识即知识方面来综合考虑。二、系统工程与系统分析

系统工程方法论是指在更高层次上，指导人们正确应用系统工程的思想、方法和各种准则去处理问题，由于系统工程是一类包括许多门工程技术的一大工程技术门类，而且是高度综合的实用性很强的技术，因此，在系统工程的研究中逐渐形成了一套处理问题的基本方法过程（基本框架结构），这就是从系统的观点出发，采用系统分析的方法来分析和解决各种问题1、系统分析简介系统工程方法论的基础是系统分析技术，系统分析是完成系统工程问题的中心环节广义的解释认为系统分析就是系统工程，系统分析是系统工程的同义词狭义的解释认为系统分析是系统工程的一项优化技术，是系统工程在非结构化问题决策中的具体应用系统分析的基本概念系统分析的目的是在于分析系统内部与系统环境之间、系统内部各要素之间的相互依赖、相互制约、相互促进的复杂关系，分析系统要素的层次结构关系及其对系统功能和目标的影响，通过建立系统的分析模型使系统各要素及其与环境之间的协调达到最佳状态，最终为系统决策提供依据。

2、系统分析的步骤概要

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

强壮性

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，因此本阶段的首要工作便是确定应该预计哪些后果？其中哪些最重要？选定后果项目后，便可着手建立一个或多个模型预计行动和后果指标之间的关系。

系统分析的主要模型有图形模型、分析模型、仿真模型、博弈模型和判断模型

（5）评比备选方案各种备选方案在不同情景下的后果估计出来之后，便可着手方案评比，方案评比便是依据所建立的评价指标对各方案可能取得的效果进行评价，并按其评价结果进行排序。

系统评价的主要方法有关联矩阵法、费用效益分析法、层次分析法及模糊评价法等许多种评价方法，这在后面的系统评价中将作专门介绍。

（6）系统工程分析报告简略报告主题报告技术报告系统分析的原则在系统分析时应遵循以下几项重要原则：外部条件与内部条件相结合当前利益与长远利益相结合局部效益与整体效益相结合定量分析与定性分析相结合系统分析的工具因果分析法；通过因果分析图对系统有影响的重要因素加以分折。排列图法；作为在系统中选择关键性问题的一种分析方法。相关分析法；将相关变量数据在坐标图上标示并分析其相互关系。投入产出分析法；对比生产输入和消费支出，通过分析生产与消费两者间相互平衡，明确经济系统内各要素的相互依存关系。

①重视做好初步SA.5W1H(What/Why/Who/Where/When/How)方法是做好这段工作的基本线索。②在规范分析中一般需（或尽可应）建立结构模型、数学模型或仿真模型。③每段结束后系统方案的变化轨迹是：可行方案→非劣方案→经排序的非劣方案（或称选择性方案）。④环境分析贯穿SA全过程，在SA中是十分重要和必不可少的。⑤在管理应用SA过程中，并不一定要（或能）遍历并完成每一个具体过程。系统分析要注意以下几点（1）坚持问题导向（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）多次反复进行系统分析特点及原则三系统工程方法论“以系统为中心”的思维方式在方法论上的表现就是“系统工程方法论”——即系统工程思考问题和处理问题的思想方法、理论基础、基本程序和方法步骤等。方法（method）和方法论（methodology）：方法就是用于完成一个既定目标的具体技术与工具；而方法论是进行探索的一般途径，它高于方法，是对方法使用的指导。

（一）霍尔（Hall）系统工程方法论1962年贝尔公司工程师Hall总结公司开展SE经验，写成《系统工程方法论》一书。所谓方法论，就是把设想变为实体的具体过程与步骤。Hall三维结构分析逻辑维专业维时间维Hall的SE方法论：是“三维结构方法体系”即把系统工程活动从时间上分成前后衔接的“几个阶段”；从逻辑上把每个阶段分成几个环环紧扣的几个步骤；同时也要考虑完成上面所说的这些阶段和步骤所需要的各种专业和技术素养。主要靠广泛吸引各类专业人员参加到SE活动来实现，或者把他们的知识和建议储存到计算机中随时备用。①时间维（粗结构）a)规划阶段：主要是按照设计要求提出系统目标，制定规划和政策。b)设计阶段：完成的任务是提出具体的方案，进行系统的初步设计。c)研制阶段：提出系统的研制方案，并制订生产计划。d)生产阶段：生产出系统的构件和整个系统，提出安装计划。e)安装阶段：对系统进行安装及调试，提出系统的运行计划。f)

运行阶段：按照系统预定的用途工作。g)更新阶段：按系统要求实施，取消旧系统，代之以新系统，对系统改进。②逻辑维（细结构）a)

明确问题：了解问题所处的环境，收集有关的数据和资料，主要目的是弄清问题。b)确定目标（系统指标设计）：确定所要解决问题的目标和相应的评价准则。c)系统方案综合：为实现预期目标，拟定所需采取的策略和应选择的方案。d)系统分析：深入了解所提出的政策措施和解决方法，分析这些措施方法在实施中的预期效果。e)

系统方案的优化与选择：用数学规划等定量的优化方法去判别各种方案的优劣，以进行方案选择。

f)

决策：以指标体系为评价准则，在考虑决策者的偏好等基础上，选择最优方案。

g)

实施计划：按决策结果制定实施方案和计划。活动矩阵把时间维和逻辑维结合起来形成一个二维结构A={aij}7*7系统工程的活动矩阵，如下页表所示。活动矩阵的元素aij可以清楚地显示人们是在哪一个阶段做哪一步工作。例如a12表示在规划阶段确定目标；a21表示在设计阶段明确问题；a36表示在研制阶段作出决策等。这样就可以明确各项具体工作在全局中的地位和作用，做到眼明心亮，总揽全局。活动矩阵表神羊角模型系统方案的产生过程具有迭代性和收敛性两大特点。上表所示的系统工程借用希腊神话中的丰收女神Almathea之神羊角来比喻是十分形象的。丰收女神的神羊角原来的意义是：羊角号一吹，各种财富就源源不断地涌现出来。现在以各种信息，物质，能量从左边输入，通过神羊角螺旋式地加工收缩，最后产生出一个理想的系统来。超细结构从神羊角的大头往里看，得到霍尔称之为系统工程活动的超细结构。它显示出开展系统工程活动的全过程，它以逻辑维的7个步骤为一个循环周期（一个阶段），经过多次循环而汇聚为一个理想的系统。③专业维专业维（Hall在专业维中用的名称是Professions，Disiplines，Technology，而不是Knowledge，故此处不称知识维）是指各工作步骤所需的各门专业知识，由于系统工程是个综合性的交叉学科，在上述各阶段中，执行任何一步都会涉及多种专业技术，如社会科学、工程技术、法律、商业、医药、艺术等等。SE的每一个阶段都有自己的管理内容和目标，每一步都有自己管理的手段和方法，彼此相互联系，形成一个有机整体。把SE方法用于大型工程项目，尤其是探索性强、技术复杂、投资大、周期长的大科研项目，可以减少决策上的失误和计划实施过程过程中的困难。案例：贝尔公司TD-2无线电接力系统研制

1．规划阶段是1940年时系统调研开始的，内容包括了解技术可能性和市场需要情况；2．进入初步设计拟定方案阶段；3．对系统进一步分析，用简单模型初步探讨系统应具有的一些功能和指标，但还有很多因素不清楚；4．1945年建立TD-2实验系统，1946年开始试制阶段，试制前先建立评价系统的指标，并讨论其可行性，对成本进行估计，并在试制中收集新数据，为改进系统之用，同时进行生产；5．1949年进行实施阶段，向制造商提供详细生产图纸，用户的实际操作和维护说明书等；6．1950年TD-2系统正式运行；7．在运行数年后，使用专门设备检查系统运行情况，寻找系统薄弱环节，提出改进意见。整个工作从1940~1958年花费1500万＄。

把研究的系统分良结构与不良结构系统

-良结构（硬）系统：偏工程，机理明显的物理型系统，可用较明显的数学模型表示，能计算出系统的行为和最佳结果。不良结构（软）系统：偏社会，机理尚不清的生物型系统，常用半定量半定性方法处理问题。软的主要标志是吸取了人们的判断和直觉，求得的结果是可行、满意，可重复，且因人而异。目前，已有解决这类系统的一些方法如特尔菲法，结构模型法等，以切克兰特的“调查学习”法为例。（二）切克兰特系统方法论不良结构系统现状的表述；弄清、改善与现状有关的各种因素及其相互关系；建立概念模型（结构或语言描述）；改善概念模型；将模型与问题的表述作比较；找出可行而满意的途径和方案；采取行动改善实际问题。该方法的核心不是寻求最优化，而是调查比较，从中寻找改善现存系统的途径。调查学习的基本步骤

并行工程是80年代美国提出的。它是对产品及其相关过程，包括制造过程和支持过程，进行并行、一体化设计的一种系统优化方法。其核心内容是：强调用户需求，并转化为完整的产品要求；交互作用、互相协调的并行研制过程，以便将产品的设计与制造及保障过程用系统工程方法综合在一起，从而在产品的整个研制过程中综合考虑可靠性、维修性、生产性和保障性；建立多学科的综合研制机制及计算和辅助工程环境。（三）并行工程方法论约束信息的并行性：即设计时同时考虑产品周期的所有因素。功能的并行性：即产品生命周期所涉及的各功能领域工程并行交叉进行。集成性：研究开发、产品设计、过程设计、制造装配和市场的全面集成。协同性：多学科并行小组协同工作。科学性：采用了先进的开发工具、方法和技术如TQM、SE、CAD/CAM等。

T、Q、C、S是并行工程强调的四大要素。即加速产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本、提供优质服务。并行工程主要思想

品质计划顾客需求数据管理装配制造工艺材料控制原料处理市场与销售成本会计采购并行计划工程

并行工程的小组化组织结构市场营销工程制造行业支持概念设计详细设计试生产生产领会交叉目标商业策略部门策略职能策略验证技术的比萨饼箱开发项目阶段继续改进产品开发策略

惠普公司基于团队平行运作的

（四）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、切克兰德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。

中国科学家钱学森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、人体系统、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，该方法论在社会经济系统工程等领域已得到了成功应用。综合集成方法论(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，将专家群体(各种有关专家)、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，把人对客观事物的各种知识综合、集成起来，力求问题的有效解决；(4)根据系统思想，把多种学科结合起来进行研究；(5)根据复杂巨系统的层次结构，把宏观研究与微观等研究统一起来；(6)强调对知识工程及数据挖掘技术等的应用。综合集成方法论主要特点：在中国科学家钱学森、许国志及美国华裔专家李耀滋等人的工作基础上，中国系统工程专家顾基发和英国华裔专家朱志昌于90年代中期提出了物理—事理—人理(WSR)系统方法论。WSR方法论物理主要涉及物质运动的机理，通常要用到自然科学知识，主要回答这个“物”是什么，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事物，通