系统工程方法论

系统工程方法论第1页，共53页，2023年，2月20日，星期二2主要内容还原论与整体论综合集成工程霍尔“三维结构”模型切克兰德的“调查学习”法并行工程方法学WSR系统方法论第2页，共53页，2023年，2月20日，星期二3系统工程方法论

方法和方法论在认识上是两个不同的范畴。方法是用于完成一个既定任务的具体技术和操作；而方法论是进行研究和探索的一般途径，是对方法如何使用的指导。系统工程方法论是研究和探索（复杂）系统问题的一般规律和途径。

系统工程方法论特点:

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第3页，共53页，2023年，2月20日，星期二4

系统工程方法论

最具代表性的系统工程方法论有:综合集成方法霍尔“三维结构”切克兰德的“学习调查”法并行工程物理—事理—人理（WSR）第4页，共53页，2023年，2月20日，星期二5

系统思想是关于事物的整体性观念、相互联系的观念、演化发展的观念。即全面而不是片面的、联系的而不是孤立的、发展的而不是静止的看问题。

（1）古代的系统思想：“不见树木，只见森林”

（2）近代的分析方法：“只见树木，不见森林”（3）现代的系统思想：“既见树木，又见森林”第一节还原论与整体论第5页，共53页，2023年，2月20日，星期二6

还原论是将物质的高级运动形式（如生命运动）归结为低级运动形式（如机械运动），用低级运动形式的规律代替高级运动形式的规律的形而上学方法。还原论认为，各种现象都可被还原成一组基本的要素，各基本要素彼此独立，不因外在因素而改变其本质。通过对这些基本要素的研究，可推知整体现象的性质。比如，物质是由分子组成的，分子是由原子组成的，原子又是由电子和原子核组成的，等等，研究微观粒子就可以推知整体的规律。还原论是把事物分割开来，进行实验，然后再综合起来。还原论是西方科学的灵魂。第一节还原论与整体论第6页，共53页，2023年，2月20日，星期二7

还原论与分析的方法相辅相成。分析的方法是科研的重要方法，最能体现还原论思想的分析方法是西方的公理化方法。西方科学的源头是古希腊文明。古希腊的还原论思想和公理化方法经过弗兰西斯·培根、笛卡尔和伽利略的继承和发扬，奠定了近代科学的基础。基于还原论的西方科学体系经过几百年的发展已经非常庞大和完整，在它的基础上诞生的工程技术，创造了空前繁荣的人类文明。第一节还原论与整体论第7页，共53页，2023年，2月20日，星期二8

尽管过去几百年以还原论为基础的西方科学取得了巨大成功，但是，２０世纪基础科学的三大成就相对论、量子论和复杂科学的核心思想和结论分别从宇观、微观和宏观尺度下证实了还原论的局限性：相对论认为宇宙是一个无法彻底还原的整体：还原论的宇宙观认为，时间和空间是分离的，宇宙内发生的事件与时空是分离的，宇宙仅仅是事件发生的舞台。但科技的发展证明，宇宙远不是还原论描述的那么简单。时间、空间、物质和能量乃至整个宇宙本身就是一个整体，必须作为一个整体来研究。第一节还原论与整体论第8页，共53页，2023年，2月20日，星期二9

量子论从根本上动摇了还原论：描述微观世界最为成功的理论是量子论。量子论认为，我们的世界是一个非机械的、相互联系的、不可分割（还原）的世界。物质世界的根本元素就不是被分割的机械的原子、质子、中子，而是一个有机联系的整体。量子论问世导致了测不准原理的提出。测不准原理认为无法还原位置和速度两个基本量。这表明，在对待位置和速度这两个基本量上，还原论是失效的。微观层次上的还原论失效，导致了机械的决定论的失效。第一节还原论与整体论第9页，共53页，2023年，2月20日，星期二10

复杂科学彻底动摇了还原论：混沌理论推动了复杂科学的诞生，排除了拉普拉斯决定论的可预见性的思想。因此，复杂科学的问世彻底动摇了还原论——能用还原论近似描述的仅仅是我们世界的很小的一部分。第一节还原论与整体论第10页，共53页，2023年，2月20日，星期二11

整体论把世界宇宙看作是一个统一的整体，各种事物之间相互联系，不可机械地分割。整体论思想是：整体的性质和功能不等同于其各部分（要素）的性质和功能的迭加；整体的运动特征只有在比其部分（要素）所处层次更高的整体层次上才能进行描述；整体与部分（要素）遵从不同描述层次上的规律。简言之整体性也就是非还原性或非加和性。第一节还原论与整体论第11页，共53页，2023年，2月20日，星期二12

钱学森提出将还原论方法和整体论方法结合起来，他提出“从定性到定量综合集成方法”。综合集成方法论的实质是把专家体系、数据和信息体系以及计算机体系有机结合起来，构成一个高度智能化的人、机结合，人、网结合的体系。运用这个方法也需要系统分解，在系统分解后研究的基础上，再综合集成到整体，实现“1+1﹥2”的飞跃，达到从整体上研究和解决问题的目的。综合集成方法既吸收了还原论方法和整体方法的长处，同时也弥补了各自的局限性，既超越了还原论方法，也发展了整体论方法。第一节还原论与整体论第12页，共53页，2023年，2月20日，星期二13第二节综合集成工程

综合集成（Meta-Synthesis）工程是从整体上考虑并解决复杂问题的方法论。钱学森等人在研究解决开放的复杂巨系统问题时，提出了“从定性到定量综合集成方法”，这是系统工程思想的新发展。其实质是将专家群体、数据和各种信息与计算机仿真有机地结合，把各种学科的理论和人的经验与知识结合起来，发挥整体优势。第13页，共53页，2023年，2月20日，星期二14系统运行系统评价决策部门提出问题形成判断建模仿真分析优化结果分析综合集成结论建议统计数据信息资料专家群体钱老的从定性到定量的综合集成方法图第二节综合集成工程第14页，共53页，2023年，2月20日，星期二15综合集成即创造；综合集成是实现大科学、大工程的基本途径；综合集成的关键是解决整体与局部的关系问题,实现1+1>2。第二节综合集成工程第15页，共53页，2023年，2月20日，星期二16“方法论层次”上的综合集成要点：（1）直接诉诸实践经验，特别是专家的经验、感受和判断力，把这些经验，知识和现代科学提供的理论知识结合起来。（2）通过建模、计算把这些定性知识和各种观测数据、统计资料结合起来，使局部性的知识达到整体定量的认识。（3）把人和计算机结合起来，充分利用知识工程、专家系统和计算机的优点，同时发挥人脑的洞察力和形象思维能力，取长补短，产生出更高的智慧。第二节综合集成工程第16页，共53页，2023年，2月20日，星期二17“工程技术层次”上的综合集成的基本步骤和要点：（1）针对提出的实际问题，充分收集有关信息资料，调用有关方面的统计数据，为研究工作做基础性准备；（2）请各方面有关专家对系统进行分析研究，明确问题的症结所在，对系统做定性判断，确定系统建模思想；（3）以经验假设为前提，对系统进行定量表示，建立数学模型；（4）把与数学模型有关的数据、信息输入计算机，对系统做仿真模拟试验，获得系统的定量数据资料；（5）组织专家群体对仿真结果进行分析评价、检验；（6）依据专家们的新见解、新判断，对系统模型做出修改，然后再仿真，再分析评价，如此反复循环，直到结果符合实际系统的理论描述。第二节综合集成工程第17页，共53页，2023年，2月20日，星期二18武器装备综合集成

武器装备综合集成就是根据武器装备体系涉及到的学科专业，组成一个知识结构合理的专家群体，通过信息体系、模型方法体系以及支持这些体系的硬件体系的集成，实现系统的建模、仿真、分析与优化。这实际上是包含了系统集成、信息集成、方法集成、专家集成的四个综合集成。武器装备如何进行综合集成？美军的做法是，首先要建立武器装备的系统体系结构框架（例如信息系统体系结构框架，C4ISR体系结构），它是由包括作战视图、武器装备系统视图、技术标准视图以及视图产品工具构成的。第18页，共53页，2023年，2月20日，星期二19

现代武器装备系统是由主战武器装备、保障装备和综合电子信息系统等要素所构成，其要素之间、要素与环境之间存在着极为复杂的联系和相互影响，是一类典型的功能复合、技术融合、学科综合、人机结合的复杂系统，系统结构具有层次性、非线性、网络化、不确定性和突现性等突出特征。未来信息化战争是一体化军事体系之间的对抗，突出表现在武器装备系统之间的较量。综合集成可以利用先进的科学技术对武器装备系统进行一体化描述设计、仿真试验及优化评估，是武器装备系统建设中必须坚持的方法论。

武器装备综合集成第19页，共53页，2023年，2月20日，星期二20

信息技术是实现武器装备综合集成的重要手段。利用信息技术的联通性、融合性和整合性，如多维信息的集成和融合、集成型模式识别和智能控制等，是武器装备系统综合集成的基本途径。武器装备综合集成第20页，共53页，2023年，2月20日，星期二21

武器装备的综合集成主要包括三个层次：一是武器单元层，即通过技术手段融合以及提高系列化、通用化和模块化水平，实现武器单元层次的综合集成。二是武器系统层，即通过提高新研武器装备的信息化程度和现有武器装备的信息化改造，通过加强电子信息装备的研制、网络和数据链的建设、武器装备的成系统建设，实现武器系统层次的综合集成；三是装备体系层，即主要通过综合电子信息系统的建设和武器装备体系的协调优化，实现武器装备体系层次的综合集成。武器装备综合集成第21页，共53页，2023年，2月20日，星期二221、霍尔的三维结构（1969年提出）20世纪60～70年代具有代表性的SE方法论。将系统的整个管理过程分为前后紧密相连的六个阶段和七个步骤，并同时考虑到为完成这些阶段和步骤的工作所需的各种专业管理知识。三维结构由时间维、逻辑维、知识维组成，如图示：第三节霍尔“三维结构”模型第22页，共53页，2023年，2月20日，星期二23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（科学技术）逻辑维（方法步骤）时间维（时间进程）明确问题选择目标系统综合系统分析方案优化作出决策付诸实施ABCDEFG654321规划阶段方案阶段研制阶段生产阶段运行阶段更新阶段知识维：指在完成上述各阶段和各步骤所需要的各种专业知识和管理知识。逻辑维：每个阶段需进行的工作步骤，是运用系统工程方法进行思考、分析和解决问题应遵循的一般程序。时间维：从规划到更新，按时间顺序排列的SE全过程。第三节霍尔“三维结构”模型第23页，共53页，2023年，2月20日，星期二24霍尔系统工程方法

霍尔系统工程方法的时间维表示任何系统工程活动最先从规划开始，从系统规划开始到系统更新共分为七个阶段，任何研究工作都在其中的某一阶段，且每一阶段有对应的研究任务。（1）规划阶段——调查研究、明确研究目标，提出自己的设想和初步方案，制定系统工程活动的方针、政策或规划。（2）计划阶段——根据规划阶段所提出的设计思想和初步方案，提出具体的计划方案和选择一个最优方案。（3）研制阶段——以计划为指南，实现系统的试制方案，并制定生产计划。……P13第24页，共53页，2023年，2月20日，星期二25

霍尔系统工程方法的专业维指解决一个系统工程问题，需要有相应专业知识。一般来讲，进行某项系统工程研究，研究工作者应具备法律、经济、管理科学、社会科学、环境科学、信息技术和相应的工程技术，才能有效地进行系统工程的研究，解决相应的问题。霍尔系统工程方法第25页，共53页，2023年，2月20日，星期二26运用SE知识，把三维结构中的六个时间阶段和七个逻辑步骤结合起来，便形成所谓霍尔管理矩阵如下：

逻辑维（步骤）时间维（阶段）1明确问题2选择目标3系统综合4系统分析5方案优化6作出决策7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

霍尔管理矩阵代表一项具体的管理活动第26页，共53页，2023年，2月20日，星期二（二）装修三维图中的逻辑维：

4．系统分析：这个主要将个部分预算与整体装修预算协调起来

如：购买玻化砖预计投资多少money。占总装修费用的百分之几。（A44）

5．方案选择：根据上面4的资金情况，初步确定选择2到3个方案。

如：颜色差不多的玻化砖价格比较高的有：诺贝尔、东鹏、西班牙等。如果这些购买不超出你的预算。可以作为备选方案。如果资金有限，可以选购中档的砖。（A45）

6．决策阶段：从备选方案里最后选定一种方案。作决策的时候，最好能有多人参与。

如：上述三种备选砖诺贝尔、东鹏、西班牙。最后只能选一种的时候，要大家对三款作出最后的比较。这时候的决策不是在众多砖中选择。（A46）装修系统霍尔三维结构第27页，共53页，2023年，2月20日，星期二（二）装修三维图中的逻辑维：

7．设计设施：具体到装修施工的实践中

如：买回来砖以后，就可以铺砖了。（A47）

上述只是以瓷砖为例来说明逻辑维的各个阶段。其他装修主材料的购置过程也是如此。不管我们有意识还是无意识，都要经历这个过程。

装修系统霍尔三维结构第28页，共53页，2023年，2月20日，星期二（三）装修三维图中的知识维：装修系统霍尔三维结构图的第三维坐标知识维主要涉及到装修整个过程中用到的知识面。如：合同管理、装修知识、法律法规等。

1．合同管理：主要指签订装修合同。

用合同来约束各自的承诺，最后的风险相当比较小。

2．装修知识：主要是指对施工工艺和流程的了解，当然也包括验收标准等等。

这些知识了解的越多，相对业主来讲，在装修的过程中占有的主动权利就越大。

3．法律法规：国家对消费者的权益保障法等等

因为在装修的整个过程中，可能要与上千人因装修而擦肩。与商家过招的时候，更是信息不对等。碰撞是难免的。当你作为消费者的权益受到侵害的时候，寻求相应的法律法规的帮助是必要的。

装修系统霍尔三维结构第29页，共53页，2023年，2月20日，星期二30【案例分析】（1）时间维：从道路“规划研究”开始……（2）专业维：要求参加问题研究人员要有“经济学、社会学、工程学、心理学、法学、环境科学”等方面的知识…….（3）逻辑维：按照逻辑维要求开展研究工作，具体为“明确问题系统指标分析系统综合系统分析系统优化系统决策系统实施”霍尔系统工程方法第30页，共53页，2023年，2月20日，星期二31在这个过程系统中，每一阶段都有自己的管理内容和管理目标，每一步骤都有自己的管理手段和管理方法，彼此相互联系，再加上具体的管理对象，组成了一个有机整体。霍尔管理矩阵可以提醒人们在哪个阶段该做哪一步工作，同时明确各项具体工作在全局中的地位和作用，从而使工作得到合理安排。把系统工程过程系统运用于大型工程项目，尤其是探索性强、技术复杂、投资大、周期长的“大科学”研究项目，可以减少决策上的失误和计划实施过程中的困难。基于“三维结构”模型的系统工程过程系统第31页，共53页，2023年，2月20日，星期二32

国内外许多事例表明，运用科学的系统工程过程系统管理方法，决策的可靠性可提高一倍以上，节约时间和总投资平均在15%以上，而用于管理的费用一般只占总投资的3%～6%。在规划和方案探索阶段，只花去装备寿命周期费用的极少部分，但确定了装备一生要花费用的70%；全面工程研制之前，花费的费用占到寿命周期费用的3%，但固定了寿命周期费用的85%；研制结束时，装备寿命周期费用已被基本固定。基于“三维结构”模型的系统工程过程系统第32页，共53页，2023年，2月20日，星期二33寿命周期费用

寿命周期费用（LCC，LifeCycleCost）是指装备在其寿命周期内，为论证、研制、生产、使用与保障、退役所付出的一切费用之和，亦即系统在寿命周期内，为购置以及维持其正常运行所需支付的全部费用。购置费使用费保障费处置费第33页，共53页，2023年，2月20日，星期二34系统工程常常把所研究的系统分为良结构系统与不良结构系统，由于它们具有不同的特点，故分别采取不同的解决方法，如下表：定义特点解决的方法良结构S偏重工程、机理明显的物理型的硬S可用较明显的数学模型描述，有较现成的定量方法可以计算出系统的行为和最佳结果。用“硬方法”求出最佳的定量结果，霍尔的三维结构主要适用于此。不良结构S偏重社会、机理尚不清楚的生物型的软S较难用数学模型描述，因其加入了人的直觉和判断，往往只能用半定量、半定性或者只能用定性的方法来处理问题。用“软方法”求出可行的满意解，常用德尔菲法、情景分析法、冲突分析法、切克兰德的“调查学习”法等。第四节切克兰德的“调查学习”法第34页，共53页，2023年，2月20日，星期二35

系统可以分为硬系统和软系统。硬系统偏重工程系统、机理明显的物理系统。硬系统便于观察，便于用数学模型描述，可以用现成的定量方法计算出系统的行为和最佳结果。软系统偏重社会、机理，尚不清楚的生物型的软系统，难以用数学模型描述，只能半定量、半定性或者只能用定性的方法来处理。用霍尔系统工程方法处理软系统问题，存在局限性：（1）大部分管理问题目标不清楚，需要研究、定义；（2）霍尔系统工程方法针对硬系统，没考虑人的作用，忽视人的主观认识；（3）实际中很多问题无法建立模型。第四节切克兰德的“调查学习”法第35页，共53页，2023年，2月20日，星期二36

处理软系统的方法有很多，如专家调查法（德尔菲法）、情景分析法、冲突分析法等。但从系统工程方法论角度看，80年代中前期英国学者切克兰德（P.B.Checkland）提出的“调查学习”方法（软方法）具有更高的概况性。切克兰德的“调查学习”软系统方法的核心是“调查、比较”或者说是“学习”，从现状调查和模型比较中，学习改善现存系统的途径。第四节切克兰德的“调查学习”法第36页，共53页，2023年，2月20日，星期二37

切克兰德1981年提出“调查学习”模式，从系统工程方法论角度看，切克兰德的“调查学习”方法具有更高的概括性。切克兰德的“调查学习”软方法的核心不是寻求“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。第四节切克兰德的“调查学习”法第37页，共53页，2023年，2月20日，星期二38方法步骤如下：(1)不良结构系统现状说明。通过调查分析，对现存的不良结构系统的现状进行说明。(2)弄清关联因素。初步弄清、改善与现状有关的各种因素及其相互关系。(3)建立概念模型。在不能建立数学模型的情况下，用结构模型或语言模型来描述系统的现状。(4)改善概念模型。随着分析的不断深入和“学习”的加深，进一步用更合适的模型或方法改进上述概念模型。(5)比较。将概念模型与现状进行比较，找出符合决策者意图而且可行的改革途径或方案。(6)实施。实施提出的改革方案。第四节切克兰德的“调查学习”法第38页，共53页，2023年，2月20日，星期二39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切克兰德方法论的主要内容和工作过程第39页，共53页，2023年，2月20日，星期二40切克兰德的“调查学习”软方法的核心不是寻求“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。概念模型代替数学模型，思路更加开阔。满意解代替最优解，价值观方面的重要变化。第四节切克兰德的“调查学习”法第40页，共53页，2023年，2月20日，星期二41霍尔三维结构模型与切克兰德工程方法比较：

霍尔三维结构和切克兰德方法论均为系统工程方法论，均以问题为起点，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：

（1）霍尔方法论主要以硬系统为研究对象，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。

（2）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。

（3）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。第41页，共53页，2023年，2月20日，星期二42第五节并行工程方法学

并行工程(ConcurrentEngineering，简称CE)是美国在80年代末提出的，在计算机集成制造系统CIMS和系统工程中发展起来的工程技术，也是美国国防部在90年代乃至21世纪发展武器装备系统的基本管理模式。Winner等人对并行工程的定义：并行工程是对产品及相关过程，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化方法。这种方法力图使产品开发者从一开始就考虑到产品全寿命周期即从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度和用户需求。第42页，共53页，2023年，2月20日，星期二43

也就是把以往的那种序列化的设计→生产→保障研制过程变为并行的、交互作用的综合研制过程，达到缩短研制周期的目的。

并行工程同时工程第五节并行工程方法学第43页，共53页，2023年，2月20日，星期二44

并行工程的主要思想：

(1)约束信息的并行性：即设计时同时考虑产品生命周期的所有因素，同时产生产品设计规格(或CAD文件)和相应的制造和支持过程计划。

(2)功能的并行性：即产品寿命周期所涉及的各功能领域工程活动并行交叉进行。

(3)集成性：要求实现产品及其过程的一体化并行设计，根本在于研究开发、产品设计、过设计、制造装配和市场的全面集成。

(4)协同性：指多学科并行工程小组协同工作，即产品全生命周期中各阶段不同领域技术人员(包括顾客和供应商)的全面参与和协同工作。

(5)科学性：并行工程采用了迄今最为先进的开发工具、方法和技术，如全面质量管理、系统工程方法、质量工程方法、计算机辅助系统等。第五节并行工程方法学第44页，共53页，2023年，2月20日，星期二45并行组织管理模式

1、向扁平化组织结构演化并行工程过程要求的信息集成化，将使系统内各组织单位之间的相互关系更加紧密，以至会打乱和冲破传统部门之间的界限划分。因此，与并行工程过程相应的组织结构应该是一种协作组织结构。因此，并行工程对组织结构的影响表现为向扁平化组织结构演化的趋势。

2、并行工程的小组化组织结构多功能小组是并行工程实施过程中普遍采用的组织结构形式。小组成员来自产品寿命周期相关的主要技术领域，他们共同负责产品从需求分析直到交付使用过程中的所有工作，是一种群体工作模式。第五节并行工程方法学第45页，共53页，2023年，2月20日，星期二46第六节物理—事理—人理（WSR）系统方法论

自然科学是关于物理的科学；运筹学是关于事理的科学（许国志），实际还包括管理科学、系统科学，事理就是做事的道理；处理好人的关系这是人理学，就是人文科学、行为科学，人理就是做人的道理。把这三者结合起来“WSR系统方法论”。

WSR系统方法论是具有东方文化传统的系统方法论，得到国际同行的认同。第46页，共53页，2023年，2月20日，星期二47第六节WSR系统方法论

“物理”内涵：（1）象征本体论的客观存在，包括物质及其组织结构；（2）阐述自然客观想象和客观存在的定律、规则；（3）物质运动和技术作用的一般规律，是一种客观存在，不以人的意志为转移；（4）管理过程和管理对象中可以并应该由自然科学、工程技术描述和处理的层面。第47页，共53页，2023年，2月20日，星期二48“事理”内涵：（1）人们办成办好事情应