第三章系統(tǒng)工程方法論

第三章系統(tǒng)工程方法論本章要點：一、處理復(fù)雜系統(tǒng)問題的基本觀點二、系統(tǒng)工程方法（一）處理復(fù)雜系統(tǒng)問題的基本觀點整體觀點綜合觀點層次觀點價值觀點發(fā)展觀點數(shù)學(xué)描述方法＋邏輯推理方法工程技術(shù)的規(guī)范＋社會科學(xué)的藝術(shù)思想方法理論基礎(chǔ)基本程序方法步驟系統(tǒng)工程方法論基本特點：研究方法強調(diào)整體性技術(shù)應(yīng)用強調(diào)綜合性管理決策強調(diào)科學(xué)性（二）系統(tǒng)工程方法論

系統(tǒng)工程方法論是用于解決復(fù)雜問題的一般程序、邏輯步驟和通用方法。一、霍爾結(jié)構(gòu)體系

1969年，美國工程師霍爾認(rèn)為系統(tǒng)工程整個活動過程可以分為前后緊密銜接的六個階段，每個階段應(yīng)遵循一定的思維程序，需各種專業(yè)知識和技能的支持。這構(gòu)成了時間維、邏輯維和知識維的“三維空間結(jié)構(gòu)”，概括了系統(tǒng)工程的一般過程。（二）系統(tǒng)工程方法論（二）系統(tǒng)工程方法論1.霍爾三維結(jié)構(gòu)A.D.Hall1969系統(tǒng)工程活動矩陣：T-L專業(yè)維（K）運籌學(xué)控制論社會科學(xué)工程技術(shù)經(jīng)濟、法律計算機技術(shù)……邏輯維（L）規(guī)劃階段計劃階段研制階段生產(chǎn)階段安裝階段運行階段更新階段時間維(T)明確問題確定目標(biāo)系統(tǒng)分析系統(tǒng)優(yōu)化系統(tǒng)實施決策最優(yōu)化1)時間維

表示系統(tǒng)從規(guī)劃到更新，從開始→結(jié)束按時間順序排列的全過程，反映了系統(tǒng)的生命周期循環(huán)過程。規(guī)劃階段：調(diào)研、明確目標(biāo)計劃階段：比較分析方案，擇優(yōu)研制階段：實現(xiàn)方案，作生產(chǎn)計劃生產(chǎn)階段：零部件→組裝整個系統(tǒng)安裝階段：安裝、調(diào)試運行階段：運行更新階段：評價→改進和更新8以三峽工程作為案例：第一階段：1919年孫中山《建國方略》：利用三峽的水利資源發(fā)電1946年《薩凡奇計劃》50年代初期林一山為首的長江流域規(guī)劃辦公室9長江三峽水利樞紐工程簡稱“三峽工程”，是當(dāng)今世界上最大的水利樞紐工程。三峽工程位于長江三峽之一的西陵峽的中段，壩址在三峽之珠——湖北省副省域中心城市宜昌市的三斗坪，三峽工程建筑由大壩、水電站廠房和通航建筑物三大部分組成。

大壩為混凝土重力壩，大壩壩頂總長3035米，壩高185米，設(shè)計正常蓄水位l75米，總庫容393億立方米,其中防洪庫容221.5億立方米。

水電站左岸設(shè)14臺，右岸12臺，共26臺水輪發(fā)電機組。水輪機為混流式，單機容量均為70萬千瓦，總裝機容量為1820萬千瓦，年平均發(fā)電量847億千瓦時。后又在右岸大壩“白石尖”山體內(nèi)建設(shè)地下電站，設(shè)6臺70萬千瓦的水輪發(fā)電機。2009年三峽工程完工后，屆時的年發(fā)電量可達1000億千瓦時。

10第二階段：解決四個方面問題：目標(biāo)進行分解和量化；協(xié)調(diào)目標(biāo)，提出實現(xiàn)目標(biāo)的具體的方案；為實現(xiàn)方案在技術(shù)上、經(jīng)濟和社會方面、環(huán)境方面的保障；根據(jù)具體方案，對工程成本費用和效益提出更加詳細的計算?？偰繕?biāo)：發(fā)電、防洪、供水、航運正常蓄水位：230米、235米；壩址設(shè)在南津關(guān)11第三階段：1958年到1993年10月實施系統(tǒng)工程（生產(chǎn)安裝）之前技術(shù)性很強，工作量最大的階段。需要結(jié)合大批的相關(guān)的工程技術(shù)人員，合作完成。提出實施該系統(tǒng)的詳細的研制方案；提出詳細的實施（生產(chǎn)或施工，包括往后各階段）計劃。提出可供施工的藍圖，包括大壩、船閘、廠房、機電設(shè)備、輸變電工程等方面的各項研究工作以及最終拿出可供施工和生產(chǎn)的圖紙；按照預(yù)想的進程和可能性，提出包括庫區(qū)移民以及工廠的搬遷安置、施工進度、水輪發(fā)電機組、輔助設(shè)備、輸變電設(shè)備的研究等，進而提出何時完成第一期工程和第二期工程、何時全面投產(chǎn)等詳細的系統(tǒng)的實施計劃。12第四階段：根據(jù)系統(tǒng)研制階段所提出的方案和生產(chǎn)計劃，生產(chǎn)出系統(tǒng)的零部件和所有的設(shè)備和裝置；提出系統(tǒng)的安裝計劃。完成大壩以及全部水工結(jié)構(gòu)的建筑，船閘、廠房的建設(shè)，水輪發(fā)電機組、輸變電設(shè)備、中央控制臺、配電室以及其他各種機電設(shè)備的制造；提出未來的安裝計劃；安置庫區(qū)移民。第五、六、七階段：安裝、運行、更新。13時間上可以交叉。研制階段可部分進行生產(chǎn)，生產(chǎn)階段就可部分安裝，安裝階段可部分進行運行。需尋求最佳方案，用計劃協(xié)調(diào)技術(shù)（PERT）、圖解評審技術(shù)（GERT）。主要有泥沙問題、水庫引發(fā)地震問題、四川將面臨更加頻繁和嚴(yán)重的洪水問題、環(huán)境問題和資金問題。綜合治理長江，對上游實行水利開發(fā)和水土保持。2)邏輯維明確問題：收集資料(考察、測量、調(diào)研、需求分析、市場預(yù)測)了解系統(tǒng)的環(huán)境、目的、系統(tǒng)的各組成部分及其聯(lián)系等。

問題的設(shè)定：直觀經(jīng)驗方法：頭腦風(fēng)暴法預(yù)測法：德爾菲法、情景分析法、時間序列法結(jié)構(gòu)模型法：解釋結(jié)構(gòu)模型法(ISM)、決策實驗室法、圖論法多變量統(tǒng)計方法：因子分析、主成分分析法其他：一般系統(tǒng)理論和模糊集理論等確定目標(biāo)（系統(tǒng)指標(biāo)設(shè)計）：提出目標(biāo)，制定準(zhǔn)則(標(biāo)準(zhǔn))選擇目標(biāo)過程一般使用價值體系方法：效用理論費用—效益分析：經(jīng)濟系統(tǒng)風(fēng)險估計價值工程系統(tǒng)綜合：方案策略，對每種方案進行說明系統(tǒng)分析：系統(tǒng)分比較分析各方案→建?！嬎慊蚍抡嫦到y(tǒng)優(yōu)化：尋找滿足約束條件的最優(yōu)方案。系統(tǒng)決策：由決策者從多個優(yōu)選方案中選擇一個方案進行實施。由于多方面的考慮，決策者做出的方案不一定是最優(yōu)方案。系統(tǒng)實施：對已選方案進行實施、修改，完善以上六個步驟，轉(zhuǎn)入下一階段。3）知識維知識維是指在完成上述各種步驟所需要的各種專業(yè)知識和管理知識，包括科學(xué)學(xué)、基礎(chǔ)科學(xué)、工程技術(shù)、環(huán)境科學(xué)、計算機技術(shù)、數(shù)學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、法律、管理科學(xué)和其它相關(guān)社會科學(xué)等。表3.1霍爾管理矩陣邏輯維(步驟)時間維(階段)1234567明確問題確定目標(biāo)系統(tǒng)綜合系統(tǒng)分析系統(tǒng)優(yōu)化做出決策付諸實施1規(guī)劃階段a11a12a13a14a15a16a172計劃階段a21a22a23a24a25a26a273研制階段a31a32a33a34a35a36a374生產(chǎn)階段a41a42a43a44a45a46a475運行階段a51a52a53a54a55a56a576更新階段a61a62a63a64a65a66a672、切克蘭德的系統(tǒng)工程方法

霍爾三維結(jié)構(gòu)不適用于以建立和管理“軟系統(tǒng)”為目的的社會科學(xué)、管理科學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域；而適用于以研制“硬件系統(tǒng)”為目標(biāo)的自然科學(xué)、工程技術(shù)等“硬科學(xué)”領(lǐng)域，故有人稱霍爾三維結(jié)構(gòu)為“硬科學(xué)”的系統(tǒng)工程方法論。英國的切克蘭德把OR、SE、SA和SD所使用的方法論叫硬系統(tǒng)方法論，并在1981年自己提出一種軟系統(tǒng)方法(SSM)——“調(diào)查學(xué)習(xí)”法。切克蘭德的調(diào)查學(xué)習(xí)法用概念模型代替數(shù)學(xué)模型，使思路更為開闊；用可行滿意解代替最優(yōu)解是價值觀方面的重要變化。良結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：指偏重工程問題、機理明顯的物理型的硬系統(tǒng)

不良結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：指偏重社會問題、機理尚不清楚的心理和事理型的軟系統(tǒng)核心不是尋求“最優(yōu)化”，而是“調(diào)查、比較”或者說是“學(xué)習(xí)”，從模型和現(xiàn)狀比較中，學(xué)習(xí)改善現(xiàn)存系統(tǒng)的途徑，是有很明顯的反饋調(diào)節(jié)思想。切克蘭德軟系統(tǒng)方法論的思路和步驟弄清關(guān)聯(lián)因素問題現(xiàn)狀說明建立概念模型改善概念模型比較實施圖3.2切克蘭德的“調(diào)查學(xué)習(xí)”方法流程圖切克蘭德方法模型問題及其環(huán)境的識別與表達建立概念模型(目標(biāo)系統(tǒng)概念化)根底定義比較尋求改善途徑選擇設(shè)計實施評估.兩種方法輪的比較(?)

相同點：問題導(dǎo)向；注重程序及階段；…

不同點：(研究對象或應(yīng)用領(lǐng)域、基本方法、

核心內(nèi)容或關(guān)鍵點、反饋機制、…)兩種方法論的比較

霍爾三維結(jié)構(gòu)與切克蘭德方法論均為系統(tǒng)工程方法論，均以問題為起點，均具有相應(yīng)的邏輯過程。在此基礎(chǔ)上，兩種方法論主要存在以下不同點：霍爾三維結(jié)構(gòu)主要以工程系統(tǒng)為研究對象，而切克蘭德方法更適合于對社會經(jīng)濟和經(jīng)營管理等“軟”系統(tǒng)問題的研究。前者的核心內(nèi)容是優(yōu)化分析，而后者的核心內(nèi)容是比較學(xué)習(xí)。前者更多關(guān)注定量分析方法，而后者比較強調(diào)定性或定性與定量有機結(jié)合的基本方法。3、物理－事理－人理系統(tǒng)方法

物理－事理－人理系統(tǒng)方法（簡稱WSR)是中國系統(tǒng)工程學(xué)會前理事長、中國科學(xué)院系統(tǒng)科學(xué)研究所研究員顧基發(fā)和華裔學(xué)者朱志昌博士在1995年提出的，他們總結(jié)了國內(nèi)很多系統(tǒng)工程的研究與實踐，分析它們成功與失敗的原因，從眾多的案例分析中悟出了“關(guān)系協(xié)調(diào)”的重要性，從方法論角度提出了物理－事理－人理系統(tǒng)方法。

物理是象征本體論的客觀存在，包括物質(zhì)及其組織結(jié)構(gòu)；闡述自然客觀現(xiàn)象和客觀存在的定律、規(guī)則，是一種客觀存在，不以人的意志為轉(zhuǎn)移。

事理是人們辦成辦好事情應(yīng)遵循的道理、規(guī)律，幫助人們基于客觀存在有效處理事務(wù)的方法。

人理是關(guān)注、協(xié)調(diào)系統(tǒng)中所有團體相互之間的主觀關(guān)系，包括顧客、權(quán)力當(dāng)局、組織者、專家、潛在業(yè)主、使用者、操作者、受益和受損者；

WSR系統(tǒng)方法論內(nèi)容

物理事理人理道理物質(zhì)世界法則、規(guī)則的理論管理和做事的理論人、紀(jì)律、規(guī)范的理論

對象客觀物質(zhì)世界組織、系統(tǒng)人、群體、關(guān)系、智慧著重點是什么?(功能分析)怎樣做?(邏輯分析)應(yīng)當(dāng)怎樣做?(人文分析)原則誠實、追求真理，盡可能正確協(xié)調(diào)、有效率，盡可能平滑人性、有效果，盡可能靈活需要的知識自然科學(xué)管理科學(xué)系統(tǒng)科學(xué)人文知識行為科學(xué)WSR工作順序圖1．理解意圖6.實施方案5.提出建議2.調(diào)查分析3.形成目標(biāo)4.建立模型協(xié)調(diào)關(guān)系理解意圖：這與霍爾系統(tǒng)工程方法論中邏輯維中的明確問題含義相近。在進行任何工作之前，都需要明確要解決的問題、理解決策者的意圖。調(diào)查分析：調(diào)查是系統(tǒng)工程活動的重要組成部分，調(diào)查分析深入程度直接影響到后續(xù)過程的開展。形成目標(biāo)：作為一個復(fù)雜的問題，一開始對于問題能解決到什么稱度，決策者和系統(tǒng)工程工作者往往都不是很清楚，在領(lǐng)會和理解決策者的意圖以及進行深入的調(diào)查分析、取得相關(guān)信息后，進行系統(tǒng)目標(biāo)的確定，形成目標(biāo)。建立模型：這里的模型是比較廣義的，除數(shù)學(xué)模型外，還可以是物理模型、概念模型、運作程序、運行規(guī)則等。提出建議：運用模型，分析、比較、計算各種條件、環(huán)境、方案之后，可以得到解決問題的初步建議。實施方案：將上述建議付諸實施，在實施過程中也需要與相關(guān)主體進行溝通，以取得滿意的效果。協(xié)調(diào)關(guān)系：協(xié)調(diào)關(guān)系是整個系統(tǒng)工程活動的核心，在整個活動中發(fā)揮作用。4、綜合集成工程方法學(xué)(綜合集成研討廳體系)

1.綜合集成方法論的產(chǎn)生80年代初，錢學(xué)森提出處理復(fù)雜行為系統(tǒng)的定量方法學(xué)。80年代末，錢學(xué)森提出處理開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)的方法論是“從定性到定量綜合集成方法”。1992年，錢學(xué)森提出從定性到定量綜合集成研討廳體系。錢學(xué)森的綜合集成工程方法論方法論層次：(1)經(jīng)驗知識＋理論知識；(2)通過建模將定性知識與觀測數(shù)據(jù)、統(tǒng)計資料結(jié)合；(3)人(知識工程＋專家系統(tǒng))與計算機(電腦)結(jié)合工程技術(shù)層次：(1)根據(jù)實際問題收集信息資料和統(tǒng)計數(shù)據(jù)；(2)約請相關(guān)專家分析研究，明確系統(tǒng)四大變量(狀態(tài)、環(huán)境、控制、輸出)，確定系統(tǒng)建模思想；(3)建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型(定量表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、行為、特性、輸入輸出關(guān)系)；(4)對系統(tǒng)行為做仿真模擬試驗，獲得定量數(shù)據(jù)資料；(5)組織專家群體檢驗系統(tǒng)模型的有效性；(6)修改、調(diào)整參數(shù)，仿真試驗，專家分析評價，修改。。。數(shù)學(xué)模型(符合實際系統(tǒng)的理論描述)----可信的結(jié)論2.綜合集成研討廳體系的框架與特點由三部分組成：機器體系、專家體系和知識體系。命題專家體系社會認(rèn)識客觀世界知識體系社會實踐機器體系結(jié)果改造世界認(rèn)識世界圖3.3研討廳框圖案例作戰(zhàn)訓(xùn)練中心演習(xí)分析研制與試驗分布交互仿真次研討廳低層次研討廳高層次研討廳分析圖3.4研討廳體系一例5、螺旋式推進系統(tǒng)方法螺旋式推進系統(tǒng)方法（或稱螺旋式系統(tǒng)方法）是上海交通大學(xué)王浣塵教授提出的，螺旋式系統(tǒng)是一種系統(tǒng)科學(xué)方法論，從哲學(xué)角度講，它綜合了還原論、混沌理論、構(gòu)成論和生成論，認(rèn)為事物是由本原在構(gòu)成的約束下經(jīng)螺旋式推進生成的，事物的發(fā)展、對事物的認(rèn)識、對事物的分析、解決問題等都是遵循螺旋式推進這一規(guī)律的，屬于一種螺旋式推進過程。螺旋式推進系統(tǒng)方法包括了以下幾個方面得內(nèi)容：理論－技術(shù)－應(yīng)用，然后是更高層次的理論－技術(shù)－應(yīng)用┈┈螺旋式