系统工程 系统工程的基本方法和方法论

第2章系统工程的根本方法和方法论2.1西方系统工程的方法论代表2.2东方系统工程的方法论代表2.3系统工程的方法论原那么及其根本方法子曰：“工欲善其事，必先利其器。〞2.1西方系统工程的方法论代表2.1.1霍尔方法论——硬系统方法论2.1.2切克兰德方法论——软系统方法论2.1.3兰德方法论——系统分析方法论3从上世纪50年代起，许多系统工程学者有意识地描述过使方案成功所需要的程序，包括必需的活动以及协调专家工作的方法，即系统工程方法论的有关步骤、工具和方法。西方对现代系统工程的研究开始较早，形成了多个具有代表性的方法论流派。2.1.1霍尔方法论——硬系统方法论1/64A.D.霍尔霍尔方法论是颇具代表性的硬系统方法论，亦称霍尔三维结构，是以创始者命名的。A.D.霍尔〔ArthurDavidHall，1925-2006〕生于美国弗吉尼亚州林奇堡。1949年获普林斯顿大学工程学士学位，后在贝尔公司通信开发训练部学习3年获得结业证书。于1965年、1968年，先后获得硕士学位和博士学位。他在贝尔公司工作了16年。根据在贝尔实验室的丰富经验，霍尔于1962完成了?系统工程方法论?〔AMethodologyforSystemsEngineering〕，对系统工程一般的工作步骤、阶段划分和常用的知识范围进行了概括总结，并于1969年提出了著名的霍尔三维结构模型〔Three-DimensionalMorphologyofSystemsEngineering〕。2.1.1霍尔方法论——硬系统方法论2/6霍尔三维结构将系统工程活动分为时间上前后紧密连接的7个阶段和逻辑上环环相扣的7个步骤，同时考虑到为完成各个阶段和步骤所需要的各种专业知识。5图2-1霍尔三维结构2.1.1霍尔方法论——硬系统方法论3/6〔1〕时间维〔Phases〕1) 规划阶段〔ProgramPlanning〕2) 方案制定阶段〔ProjectPlanning〕3) 开发研究阶段〔SystemDevelopment〕4) 生产制造阶段〔Production)5) 安装实施阶段〔Distribution〕6) 运行阶段〔Operations〕7) 更新改进阶段〔Retirement〕62.1.1霍尔方法论——硬系统方法论4/6〔2〕逻辑维〔Steps〕1〕 明确问题〔ProblemDefinition〕2〕 确定目标〔ValueSystemDesign〕①要有长远观点②要有总体观点③注意全面性④注意明确性⑤注意层次性⑥注意可行性72.1.1霍尔方法论——硬系统方法论5/63〕系统综合〔SystemsSynthesis〕系统综合的过程是一个不断寻求可行方案的过程，可采用以下策略用以寻求可行方案：①决策树方法②“从外向里〞的策略③“从里向外〞的策略④混合策略4)系统分析〔SystemsAnalysis〕5〕系统评价〔方案优化〕〔Optimization〕6〕决策〔DecisionMaking〕7〕实施方案〔PlanningforAction〕82.1.1霍尔方法论——硬系统方法论6/6〔3〕知识维〔Professions〕说明完成各个阶段和各个步骤所需的各种专业知识、技能和技术。例如：艺术、社会科学、管理学。9一般只使用时间维和逻辑维，构成两维活动矩阵2.1.2切克兰德方法论——软系统方法论1/410英国学者P·切克兰德(PeterCheckland)在大量实践的根底上提出了所谓“软〞系统方法论P·切克兰德1930年，切克兰德生于英国伯明翰，1954年从牛津大学圣约翰学院获得化学硕士学位，并在化工领域工作了15年，于在60年代末参加了兰开斯特大学的系统工程系，后担任了系统科学教授。著有?系统论的思想与实践?等著作，他是软系统方法论的创始人。2.1.2切克兰德方法论——软系统方法论2/4(1)根本观点1)根据客体存在于现实世界的问题特性，切克兰德把问题分为两类。2)根据结构的内在特性，切克兰德把系统分为两类：“硬〞系统和“软〞系统。3)根据不同方法所决定的问题类型，切克兰德把霍尔方法论和系统分析方法论归结为“硬〞系统方法论。切克兰德把他提出德方法论称为“软〞系统方法论，主要针对问题本身就难以定义的“软〞系统问题。112.1.2切克兰德方法论——软系统方法论3/4(2)根本思路1)阶段1和阶段2：表达问题并理清关联因素2)阶段3：相关系统的根本定义3)阶段4：建立概念模型4)阶段5：概念模型与现实的比较5)阶段6和阶段7：实施及系统更新12现实世界系统思维图2-2切克兰德方法论工作流程2.1.2切克兰德方法论——软系统方法论4/4(3)特点1)根据不同的世界观定义不同的系统，建立不同的概念模型，从而研究这些世界观的含义；2)认为研究是一个不断深入的、开放的学习过程，以学习、调查和认识为中心；3)在寻找改善问题情景行为的过程中遵循着两个准那么：一是系统满意性，另一是文化可行性。；4)在“硬〞系统方法论中可以将问题或要求看成是给定的，而在“软〞系统方法论中必须通过研究问题情景并将其与概念模型进行比较后才能明确问题以及问题情景的可能改变。132.1.3兰德方法论——系统分析方法论1/5美国兰德公司〔RANDCorporation〕自1948年成立以后，主要为战后美国空军的开展战略提供咨询效劳。后来逐渐扩大了工作范围，在长期经验积累的根底上，创立了系统分析方法论，在人口、自动化技术、新式14武器系统等问题分析方面得到了很好的应用。到了1972年，在美国、前苏联等12个国家的科学家倡导下，在奥地利拉克森堡成立了“国际应用系统分析研究所〔IIASA，InternationalInstituteforAppliedSystemsAnalysis〕〞，其应用范围也随之扩展到社会、经济、科技、生态、环境等领域。2.1.3兰德方法论——系统分析方法论2/51.系统分析的概念与特点系统分析就是一个有目的、有步骤的探索和思考问题的过程。系统分析的特点就是把问题作为一个整体来处理，全面考虑个主要因素及其影响，强调以最少的投资和最高的效益完成预定的任务，从而获得满意的结果。152.1.3兰德方法论——系统分析方法论3/52.系统分析的要素根据Rand型代表性人物之一希奇的思想，系统分析方法论的要素可归结为：希望到达的目的和目标、为到达目标所必须的技术和手段〔方案〕、系统方案所需要的费用和可能获得的经济效益、建立各种被选系统方案及其相应的模型以及根据有关技术经济指标确定评价标准。〔1〕目的和目标。〔2〕方案。〔3〕费用和效益。〔4〕模型。〔5〕评价标准。162.1.3兰德方法论——系统分析方法论4/53.系统分析程序〔1〕分析问题和确定目标。〔2〕收集资料和调查研究。〔3〕建立系统模型。应能正确而且明确地记述事实及其状况；即使主要参量发生变化时，所分析的结果仍然具有说服力；应该能探究明白结果的原因；应该能够分析不确定性带来的影响；应该能够明确地表示出时间的推移；应该能够进行多方面充分的预测。17〔4〕系统最优化。〔5〕系统评价。〔6〕实施方案。〔7〕总结提高。2.1.3兰德方法论——系统分析方法论5/54.系统分析原那么系统分析所解决的问题通常是复杂而又困难的。在分析时往往有许多前提条件需要作出假设，并且有一些因素是动态变化的，因此在进行系统分析实际中应当遵循一些原那么：〔1〕坚持以系统的目的和目标为中心。〔2〕局部与总体相结合。在进行系统分析时，必须把要解决的问题看作一个整体。〔3〕定性与定量相结合。〔4〕把握主要矛盾。182.2东方系统工程的方法论代表2.2.1综合集成方法论2.2.2物理—事理—人理系统方法论19东方的系统思想可追溯到3000多年前，“天人相应〞“天人合一〞是东方所推崇的思想。很多出自东方的方法论正在不断涌现。如钱学森的综合集成方法论，顾基发和朱志昌提出“物理—事理—人理〞系统方法论，王浣尘提出的“旋进原那么方法论〞，日本研究柔和系统方法论的椹木义一的学生中森义辉提出的知识构成系统论等等一批东方系统方法论。2.2.1综合集成方法论1/220钱学森〔1911-2021〕，作为享誉海内外的杰出科学家和中国航天事业的奠基人。钱老在在系统工程和系统科学领域同样有着杰出的奉献:80年代初期便提出了国民经济建设总体设计部的概念，并坚持致力于将航天系统工程概念推广应用到整个国家和国民经济建设中，还从社会形态和开放复杂巨系统的高度，论述了社会系统。开展了系统学和开放的复杂巨系统理论，于1989年提出了从定性到定量的综合集成方法，简称综合集成〔meta-sythesis〕。钱学森2.2.1综合集成方法论2/2这套方法是钱老在研究复杂巨系统的问题时提出的。该方法从整体的角度研究解决问题的方法，采用人机结合、以人为主的思维方法和研究方式，对各个层次、不同领域的信息和知识进行综合集成，通过将专家经验、统计数据和信息资料、计算机技术三者的有机结合，来完成从对整体的定性认识到定量认识转变，构成一个以人为主的高度智能的人机结合系统，并发挥这个系统的整体优势，去解决更多的复杂决策问题。21图2-3综合集成的实施流程示意图2.2.2物理—事理—人理系统方法论1/22280年代中期概念提出“物理〞、“事理〞和“人理〞这三个概念在70年代就引起了专家学者的关注1978年钱学森、许国志和王寿云在国内?文汇报?发表的?组织管理的技术－系统工程?，指出“相当于处理物质运动的物理，运筹学也可以叫作“事理〞。顾基发教授和华裔学者朱志昌在1995年提出了“物理〔Wuli〕—事理〔Shili〕—人理〔Renli〕〞系统方法论〔简称WRS〕顾基发2.2.2物理—事理—人理系统方法论2/2WSR方法论一般工作过程可理解为7步：理解意图。调查分析。制定目标。建立模型。提出建议。协调关系。23图2-4WSR方法论一般工作过程示意图2.3系统工程的方法论原那么及其根本方法

系统工程方法论原那么1.整体性原那么2.有序相关性原那么3.动态性原那么4.目标优化原那么5.可行性原那么系统工程应用的根本方法1.模型方法2.定量化方法3.最优化方法24思考与练习题1.系统工程方法论的含义是什么？它对处理系统问题起着什么样的作用？2.霍尔方法论的特点是什么？它主要用来处理那些类型的系统问题？3.切克兰德方法论特点是什么？它主要用来处理那些类型的系统问题？4.系统分析主要有哪些要素？在系统分析过程中必须要遵循哪些重要原那么？5.在系统分析过程中，为什么要建立数学模型和计算机模型？25参考答案1.系统工程方法论是指用于解决复杂系统问题的一套工作步骤、方法、工具和技术。系统工程方法论是在综合应用运筹学、控制理论、信息理论、管理科学、心理学、经济学以及计算机科学的有关理论和方法的根底上形成的科学思想和方法。2.霍尔三维结构将系统工程活动分为前后紧密连接的7个阶段和7个步骤，同时考虑到为完成各个阶段和步骤所需要的各种专业知识。霍尔三维结构包括时间维、逻辑维和知识维，为解决规模大、结构复杂、涉及因素众多的大系统问题提供了科学的思维方法，它在处理大多数工程工程和一些硬问题时是卓有成效的，霍尔三维结构模式形象地概括了系统工程的一般步骤和方法，从而为解决规模较大、因素众多的工程。系统问题提供了一个解决问题的大体上的思路。263.切克兰德方法论有以下几个重要特点：〔1〕认为在相关系统的定义以及概念模型的建立过程中都隐含着某种世界观，必须同时研究对系统的改进有着影响的各种世界观，根据不同的世界观定义不同的系统，建立不同的概念模型，从而研究这些世界观的含义；〔2〕认为研究是一个不断深入的、开放的学习过程，以学习、调查和认识为中心，而不应该看成是一个封闭的解决问题过程或以系统优化为中心；〔3〕在寻找改善问题情景行为的过程中遵循着两个准那么：一是系统满意性，另一是文化可行性。所谓系统满意性是指由概念模型和问题情景的描述进行的比较所得到的一些被认为是满意的、能够改善问题情景的可能变化；文化可行性是指关于现实世界潜在的变化一旦实施，其变化的范围必须为特定问题情景的文化〔包括其特殊的标准、准那么、价值观等〕所能接受；

27〔4〕在“硬〞系统方法论中可以将问题或要求看成是给定的，而在“软〞系统方法论中必须通过研究问题情景并将其与概念模型进行比较后才能明确问题以及问题情景的可能改变。综上所述，切克兰德提出的“软〞系统方法论的核心不是在于优化，而是在于“比较〞或者说是在于“学习〞，从模型和现实世界的比较中采取学习、改善现状的途径