chapter2系统工程方法论

1第二章系统科学与系统工程22.1系统科学体系一、构成系统学的根本理论 系统科学也像自然科学一样有根底科学，构筑这门根底科学的材料一方面来自于工程技术实践中提炼的技术科学，即二战开展起来的运筹学、维纳的控制论和香农的信息论；另一方面来自自然科学和数学科学中的系统理论，如冯.贝塔朗费的一般系统理论和理论生物学、普里高津的耗散结构理论、哈肯的协同学、托姆的突变论、艾肯的生命自组织超循环理论、圣菲研究所的霍兰的复杂适应系统理论、钱学森的开放复杂巨系统理论等。3一般系统论〔generalsystemtheory)1924~1928;奥地利理论生物学家L.VON贝塔朗菲；1945年发表《关于一般系统论》研究复杂系统一般规律的学科根本观点：整体性开放性及目的性〔有效性、适应性、寻的性〕动态相关性〔动态性取决于相关性〕等级层次性有序性〔结构或空间；开展或时间〕1.一般系统论41925年，提出生物学机体理论；1928年，发表《现代开展理论》；1932年，发表《理论生物学》；1937年，在芝加哥大学讲课中口头提出一般系统理论(GeneralSystemsTheory,GST)；1945年，《关于GST》在《德国哲学周刊》第18期发表；1954年，在美国创立“一般系统理论〔GST〕学会”；1968年，发表《GST：根底、开展和应用》；1972年，临终前发表《GST的历史与现状》。补：贝塔朗菲的成就5耗散结构理论〔dissipativestructuretheory)1969；比利时统计物理学家I.普利高津研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的一种理论. 根本观点：耗散结构是系统的客观表现，其产生条件为：〔1〕系统必须是与环境进行能量、物质和信息交换的开放系统，并不断地引入足够大的负熵流；〔2〕系统必须是远离平衡态的非平衡系统；〔3〕系统内各要素之间存在非线性的相互作用。2.耗散结构理论63.协同学协同学〔synergetics〕70年代初，联邦德国理论物理学家H.哈肯研究协同系统从无序到有序的演化规律的新兴综合性学科协同学主要是从物理学角度出发运用现代科学技术的最新成果和现代数学理论提出了多维相空间的理论，研究了系统的组织状态，提出系统必定走向一有序结构，该结构就是系统的客观目标，不管从空间的哪一点开始，终归要走到这个代表有序结构的点，系统只有在此目标上才是稳定的，否那么就不稳定。该理论解决了复杂系统如何由无序走向有序。7复杂系统理论以非线性自组织理论为核心的系统理论〔欧洲学派〕以圣菲研究所〔SFI〕为代表的理论框架，其代表性理论是1994年霍兰提出的CAS〔复杂适应系统〕理论〔美国学派〕以开放的复杂巨系统理论为核心的理论体系〔中国学派〕霍兰认为：系统的复杂性源于主体的适应性；每个主体均有其复杂的内部结构；建立了刺激-反响模型，描述了主体的适应和学习的过程。该理论采用人机结合以机为主的方法复杂系统问题。4.复杂适应系统理论8 钱学森于20世纪80年代末提出了处理开放复杂系统的方法论——从定性到定量的综合集成方法和建立从定性到定量综合集成研讨厅的实践形式。综合集成法是从整体上研究问题的方法，采用人机结合以人为主的思维方法和研究方式，对不同层次、不同领域的信息和知识进行综合集成，到达对整体的定量认识。该方法的实质是把专家系统、数据和信息系统以及计算机系统结合起来，构成一个高度智能化的人机结合系统。该方法精髓在于人机结合、以人为主和知识的综合集成。5.开放复杂巨系统理论9超循环理论〔hypercycletheory〕1971，德国生物物理学家M.艾根研究分子自组织的一种理论突变论〔catastrophetheory〕60年代末，法国数学家R.托姆研究不连续现象的一个新兴数学分支，也是一般形态学的一种理论，能为自然界中形态的发生和演化提供数学模型微分动力系统〔differentialdynamicalsystems〕60年代初，S.斯梅尔、廖山涛〔北大数学教授〕系统科学的一个数学分支。主要研究随时间演变的动力系统的整体性质及其在扰动中的变化补10分岔理论〔bifurcationtheory〕50年代，苏联学者A.A.安德罗诺夫等研究分岔现象的特性和产生机理的数学理论〔早在19世纪，C.雅可比、H.庞加莱等人就已引进“分岔”概念〕卡姆定理〔KAMtheorem〕50年代中至60年代初，A.H柯尔莫戈罗夫、B.И.阿诺德、J.莫泽先后提出和证明关于哈密顿力学系统运动稳定性的一种论断，它反映“弱”不可积〔或接近可积〕系统的运动规律，该定理是牛顿力学在20世纪的重大进展补11泛系理论〔pansystemstheory〕1976，吴学谋〔中科院武汉数理所研究员〕一种研究广义系统、关系的理论和方法，又称泛系方法或泛系方法论灰色系统理论〔graysystemstheory〕1979，邓聚龙〔华中科技大教授〕关于信息不完全或不确定系统的控制理论，应用在系统预测等方面补1220世纪40年代以后出现的局部系统学科分支1944194519481948194919541957195719611962196219651969197019701972197219751977199019941998对策论一般系统论信息论控制论开放系统理论工程控制论系统工程动态规划论一般系统的数学理论自组织系统原理自复制自动机模糊集与系统耗散结构理论超循环理论生命系统理论突变理论建模与仿真理论遗传算法（GA）协同学综合集成工程方法复杂适应系统理论（CAS）非标度网络冯.诺依曼冯.贝塔朗菲C.E.香农N.维纳冯.贝塔朗菲钱学森H.H.哥德R.别尔曼M.D.曼萨诺维克W.R.阿什布R.罗森扎德L.普里高津艾根J.G.米勒汤姆P.齐格勒J.H.荷兰德H.哈肯钱学森J.H.荷兰德巴拉巴斯出现时间（年）分支学科名称创始人

13钱学森对系统工程的定义：系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法。简言之“系统工程是一门组织管理的技术”。2.2系统工程14技术与管理两个过程系统工程既是一个技术过程，又是一个管理过程。为了成功地完成系统的研制，在整个系统寿命周期内，技术和管理两方面都很重要。因此，美国防务系统管理学院把系统工程定义为“是为了到达所有系统要素的优化平衡，控制整个系统研制工作的管理功能，把作战需求转变为一组系统参数的描述，并综合这些参数以优化整个系统效能的过程。”军方强调管理过程一、系统工程的定义15续有人认为：系统工程是一门新兴的工程技术学科，是应用科学，它不仅定性，而且定量地为系统的规划与设计、试验与研究、制造与使用和管理于决策提供科学方法的方法论科学，它的最终目的是使系统运行在最优状态。美国科学技术辞典解释为：“系统工程是研究复杂系统的科学，该系统由许多密切联系的元素所组成。设计该复杂系统时，应有明确的预定功能及目标，并协调各元素之间及元素与总体之间的有机联系，以使系统能从总体上到达最优目标。在设计系统时，要同时考虑到参与活动的人的因素及其作用。”日本控制学家三浦武雄认为：系统工程是一种横向技术。16装备系统工程需求约束条件武器装备系统系统工程过程综合权衡效能进度费用保障及时地部署、使用和保障一个有效的系统，并在可承受的费用条件下满足用户的需求。装备系统工程既是一个复杂的管理过程，又是一个复杂的技术过程17系统工程不同于一般的工程技术学科，国外称为：“软”科学。系统工程涉及各种学科、各个领域的各种内容。是跨越不同学科的综合性科学。系统工程在研究问题时，概念、原那么、方法是主要的、本质的。任何系统都是人、设备和过程的有机组合，其中人是最主要的因素。采用问题导向。二、系统工程的研究内容具有以下特点18三、系统工程的根本观点整体性观点。以整体为出发点、以整体为归宿的观点。综合性的观点。科学性的观点。关联性的观点。实践性的观点。即深刻的社会性的观点。19四、系统工程的产生、形成与开展中的里程碑阶段年代（份）重大工程实践或事件重要理论与方法贡献I1930美国发展与研究广播电视正式提出系统方法（Systemsapproach）的概念1940美国实施彩电开发计划采用系统方法，并取得巨大成功美国Bell电话公司开发微波通讯系统正式使用系统工程（SystemsEngineering）一词II第二次世界大战期间英、美等国的反空袭等军事行动产生军事运筹学（MilitaryOperationsResearch）,也即军事系统工程本世纪40年代美国研制原子弹的“曼哈顿计划”运用SE，并推动了其发展1945美国空军建立兰德（RAND）公司曾经提出系统分析（Systemsanalysis）概念，强调了其重要性20续III40年代后期到50年代初期运筹学的广泛运用与发展、控制论的创立与应用、电子计算机的出现，为SE奠定了重要的学科基础IV1957H.Good和R.E.Machol发表第一部名为《系统工程》的著作系统工程学科形成的标志1958美国研制北极星导弹潜艇提出PERT（网络优化技术），这是最早的系统工程技术之一。1965R.E.Machol编著《系统工程手册》表明系统工程的实用化和规范化美国自动控制学家L.A.Zedeh提出“模糊集合”概念为现代SE奠定了重要的数学基础1961-1972美国实施“阿波罗”登月计划使用了多种SE方法，其成功极大地提高了SE的地位21续V1972国际应用系统分析研究所（IIASA）在维也纳成立SE的应用开始从工程领域进入到社会经济领域，并发展到了一个重要的新阶段。70年代SE的广泛应用在国际上达到高潮VI80年代SE在国际上稳定发展、在中国的研究与应用达到高潮22

上世纪50至60年代，我国的一些研究机构和著名学者为SE的研究与应用作了理论上的探讨、应用上的偿试和技术方法上的准备。其主要标志和集中代表是钱学森的《工程控制论》、华罗庚的《统筹法》和许国志的《运筹学》。

我国大规模地研究与应用SE是从70年代末、80年代初开始的。

四、系统工程在我国的开展231978年9月27日，钱学森、许国志、王寿云在《文汇报》发表题为“组织管理的技术——系统工程”的长篇文章；从1978年起，西安交大、天津大学、清华大学、华中理工大学、大连理工大学等国内著名大学开始招收了第一批SE专业硕士研究生；1980年11月，中国系统工程学会在北京成立；1980年10月至1981年1月，中国科协、中央电视台会同中国系统工程学会、中国自动化学会联合举办“系统工程电视普及讲座〔45讲〕”，取得了良好的社会效果。2470年代末以来，应用SE理论和方法来研究与解决我国的重大现实问题，在许多领域和方面取得了较好的效果，如：人口问题的定量研究及应用〔始于1978年〕、2000年中国的研究(1983至1985年〕、全国和地区能源规划〔始于1980年〕、全国人才和教育规划〔始于1983年〕、农业系统工程〔始于1980年〕、区域开展战略〔始于1982年〕、投入产出表的应用〔始于60年代和1976年〕、军事系统工程〔始于1978年〕、水资源的开发利用〔始于1978年〕等。90年代以来，系统工程在与企业开展结合、与现代信息技术结合、与实施可持续开展战略结合、与思维科学结合等方面已具有初步结果和强劲势头。军工产品工程定型管理25管子农事管理李冰父子工程管理孙子军事管理系统工程的形成与开展中的典型事例古代朴素的系统思想26续都江堰水利工程示意图

战国时期川西太守李冰父子主持修建。目标：利用岷江水资源灌溉川西平原、防洪与航运。包括三大工程及120多项配套工程。其总体构思是系统思想的杰出运用。两千多年来，都江堰一直发挥着巨大的效益，是我国最成功的水利工程。27系统工程的形成与开展:阿波罗登月方案阿波罗登月中的创立性工作:方案的开发和选择详尽而明确的研制规划制定总体性能指标的控制解决系统内部接口问题系统分析与管理的新方法28

方案开发和选择登月方案几十个筛选比较

直接登月地球轨道交会月球轨道交会月球轨道交会方案论证计算29系统总目标

详尽而明确的研制规划

功能分析工作分解结构月球轨道交会方案具体化技术目标技术活动30

20次飞行试验详细规划四大系统运载火箭系统载人飞船系统跟踪和数据系统发射和飞行指挥系统六项辅助计划水星计划双子星座计划飞马座计划徘徊者计划勘察者计划月球轨道环行器水星号31我国两弹一星与载人航天系统工程实践我国比较系统地、有组织地研究和运用系统工程始于1960年代，在两弹一星和载人飞船有成功的探索。32我国两弹一星与载人航天系统工程实践载人飞船工程〔7个系统〕：航天员系统、飞船应用系统、载人飞船系统、运载火箭系统、发射场系统、测控通信系统、着陆场系统。如载人飞船系统〔13个分系统〕：结构与机构分系统、制导导航与控制分系统、热控分系统、环境控制与生命保障分系统、推进分系统、测控与通信分系统、数据管理分系统、电源分系统、回收着陆分系统、仪表与照明分系统、应急救生分系统、乘员分系统、有效载荷分系统。

332.3系统工程的根底理论和工具 系统工程的根底理论是运筹学、控制论和信息论等组成的一类技术科学，其根本工具是计算机以及为其提供计算方法的计算科学。34一、运筹学简介1.开展历程〔1〕二战以前，萌芽阶段。〔2〕二战期间，产生阶段。〔3〕五六十年代，开展阶段。〔4〕七八十年代，走向成熟阶段。2.开展趋势与系统工程学相结合；寻求新方法；以应用为主，其次是运筹科学和运筹数学。35续3.常用的运筹学方法包括：数学规划〔线性规划、运输、指派、0-1指派等用于企业经营管理、生产方案的安排、人员物资的分配、交通运输方案的编制等等〕、动态规划、库存论、网络分析与网络方案、决策论、对策论、排队论、预测论等。统称最优化理论。36续4.运筹学与系统工程的关系运筹学是从系统工程中提炼出来的根底理论，属于技术科学；系统工程是运筹学的实践内容属工程技术。运筹学在国外被称为狭义系统工程，与国内的运筹学内涵不同，它解决具体的“战术问题”；系统工程侧重于研究战略性的“全局问题”。运筹学只对已有系统进行优化；系统工程从系统规划设计开始就运用优化的思想。运筹学是系统工程的数学理论，是实现系统工程实践的计算手段，是为系统工程效劳的；系统工程是方法论，着重于概念、原那么、方法的研究，只把运筹学作为手段和工具使用。37二、控制论控制论〔Cybernatics〕维纳于1948年出版了《控制论》一书经典控制论——现代控制论——大系统控制理论研究大系统的结构方案、稳定性、最优化、建模及模型简化等。对系统方法的启示：黑箱-灰箱-白箱法功能模拟法形式化、数量化、最优化方法38信息论美国数学家申农〔〕和维纳〔信息科学〕以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以计算机、光导纤维等为主要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要研究目标。类比方法统计方法信息方法〔运用信息的观点，把系统看作是借助于信息的获取、传递、加工、处理而实现其有目的性的运动的一种研究方法〕计算机是系统工程最为得力的工具。

三、信息论392.4系统工程方法论 系统工程的指导思想是系统思想。综合系统方法、控制方法和信息方法就构成了系统工程处理问题的根本方法。一般采用系统分析、评价、综合等步骤来研究系统，以模型化、仿真模拟和系统评价与决策方法为工具进行定量分析。典型的方法有：霍尔三维结构、三阶段法、“调查学习”模式、并行工程等。分析综合评价40

一、霍尔三维结构41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42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工程，尤其是探索性强、技术复杂、投资大、周期长的“大科学”研究工程，可以减少决策上的失误和方案实施过程中的困难。基于“三维结构”模型的系统工程过程系统43国内外许多事例说明，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局部，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根本固定。基于“三维结构”模型的系统工程过程系统44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45

二、三阶段法46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。

三、“调查学习”模式47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.1.工作程序48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。49

四、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和系统工程中开展起来的工程技术，也是美国国防部在90年代乃至21世纪开展武器装备系统的根本管理模式。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