系统工程的基本方法

在第一章中，我们比较详尽地介绍了系统的概念、 系统工程的基本知识 、系统工程发展简史和农业系统工程等内容，这对于建立系统的观点，进而正确地进行思维和工作是十分重要的。但是，只有系统观点、整体优化的目标还只是空中楼阁，要想解决具体的实际问题，还必须有相适应的方法，这就是本章所要介绍的中心内容。第二章 系统工程的基本方法首先说明，由于系统工程学科的综合性，在解决实际问题中所采用的方式和方法是很多的，但概括起来主要有五个基本方法：一、逻辑思维过程总体设计方法；二、开展综合研究的方法；三、模型化的研究方法；四、系统工程中的价值评定方法；五、系统控制的方法显然，这五个基本方法作为一个有机整体，都是为实现系统整体优化目标服务的，下面就分别加以介绍。一、霍尔三维结构模型年，美国学者霍尔（ . .）发表了系统工程的工作步骤、程序和基本知识的三维结构模型（见图）。其中时间维是按时间顺序划分七个阶段，即规划、拟定方案、系统研究、生产、安装、运转、更新；逻辑维是按科学思维程序分为七个步骤，即明确问题、设计系统目标、系统综合、系统分析、系统优化、决策、实施，知识维则说明在完成系统工程的各个阶段、步骤所需要的有关专业知识。第一节 逻辑思维过程总体设计方法霍尔三维结构模型生产工程技术社会科学规划拟定方案系统研究安装运转更新设计系统指标系统综合 系统分析 系统优化明确问题 决策 实施时间维知识维逻辑维 明确问题明确问题是做好各项工作的前提条件，一般而言，主要包括如下几个方面内容：第一，要明确问题的性质。即指是什么样的系统问题（是硬件开发？还是软件设计等）；提出的主要指标（如工期，可靠性、先进性等）；问题的复杂程度评估等。第二，要明确系统开发的目的和意义。为此要较全面地了解生产急需情况及国内外研究现状，进而为设计系统目标提供依据。第三，要明确系统的边界，即建立系统与环境的概念，从而为确定系统的输入与输出关系提供依据。第四，要明确为完成该项开发活动可能提供的人、财、物等方面的条件。总之，明确问题就是要做到心中有数，是从多侧面、多层次对问题进行了解的过程，进而为最终解决问题奠定基础。 设计系统目标系统目标是系统有序运动的目的指向，也是优化系统结构的基本依据。因此，一般认为，目标研究比实现目标还困难。设计系统目标是件关系全局的大事，必须慎而又慎。设计系统目标时，一般可分为两个阶段：首先进行目标体系设计。包括总目标、分目标和具体目标三个层次，如图所示。目标体系层次结构23总目标分目标具体目标1总目标是系统开发的目的指向，既是核心，也是灵魂；分目标和具体目标是为系统评价而设置的评价体系。其中第 3层目标大都是可量化的。从而为下一步指标研究提供了依据。根据经验，目标体系设计应注意以下三条原则：第一，突出主要目标原则。在选择目标时不能面面俱到，致使目标数量过度膨涨。这样不仅大大增加总体工作，更主要的还容易冲淡对主要目标的注意力，影响集中主要精力解决主要矛盾。第二，目标独立性原则。若在同层次不同目标之间存在着明显的相关关系，如农林牧付渔各业产值自然隐含着农业内部结构关系，此时应采取保留主要目标原则，以体现目标的独立性。这样不仅可减少目标数量，而且不丢失必要的信息。第三，有利决策原则。这在制定复杂大系统发展战略规划时意义更为明显。为使决策者快速而准确地了解不同方案的基本情况，有必要把决策者关心的一些综合性目标列出来，我们把它定义成决策支持信息目标。这样决策者可很快得到决策支持信息，从而增强了战略目标的实用性。在完成指标体系设计后，一般来讲就应进行量化指标研究。由于具体指标很多，加之相关因素也很多。这部分工作的难度也是很大的。从研究方法看，也依研究对象不同而异。概括起来大体分三种情况：一是借助各种预测技术，通过建立不同预测模型给出不同时刻的量化指标；二是建立总体协调优化模型，通过计算机求解给出不同时刻的量化指标；三是首先进行子系统优化，然后通过系统组装和总体协调给出不同时刻的量化指标。不管采用什么方法，在最后给出量化指标时，都应满足下面三条原则：第一，与上级大系统指标要求相一致原则；第二，指标的先进性与可行性相统一原则；第三、留出置信区间原则。农业系统目标设计实例某农业系统目标设计实例，供参考。O1-经济效益分目标P1-农业总产值 (万元 )P2-人均收入 (元 )P3-上交粮食(吨 )P4-工业上交利税 (元 )P5-森林覆被率 (%)P6-亩施有机肥 (公斤 )O-系统发展总目标O2-社会效益分目标O3-生态效益分目标时序指标集1990 1995 2000103.5-115.4500-6003007.7-9.015-18750-1000/ / / 20012-15650-800目标体系350207.1-225120018-2112.0-15.0 系统综合综合就是组装，也是创造。 系统综合是根据系统目标要求，综合加工信息，形成系统概念，并使目标达成的创造性劳动过程。系统综合的核心是概念开发，而不是具体设计。如阿波罗登月系统，在工程进入具体设计之前，首先应构思不同的登月系统方案 即概念开发活动。然后通过比较分析确定最佳行动方案。系统综合可细分为技术综合与环境综合。 .系统分析对系统分析的理解，国内外有不同的解释，在日本世界大百科年鉴一书中解释成：系统分析可作为系统工程的同义词来理解。而美国麦氏科学技术大百科全书则解释成：用数学方法研究系统问题叫系统分析。系统分析是系统工程人员使用科学的工具和方法，对系统的目的、功能、环境、费用、效益等进行充分的调查研究，通过数据处理和模型化方法，得出评价系统功能、费用等量化指标，来作为决策者确定最优方案的依据。具体讲系统分析主要包括如下几方面内容： 系统环境分析。包括自然环境和社会环境。如资源潜力、市场情况、投资能力、人口发展等。 方案可行性分析。重点分析方案的先进性、实用性和可操作性。 经济活动分析。主要包括投入产业分析，投资效益分析等。 .系统优化在满足一组约束条件情况下，使目标函数取得极大值或极小值的求解过程。显然，这种解释必须首先建立相应的数学优化模型，然后借助计算实现优化的目的。但是，从系统工程的角度来看，光有上面数学优化还是不够的，这是因为现实系统都是复杂的开放大系统，不仅涉及因素众多，而且要求兼顾多目标。因此，借助数学模型来模拟现实系统，并达到最优是因难的，甚至是不可能的。另外，评定方案的优劣是由决策者裁定的，这就要求系统工程工作者提供多个可供选择的方案。并为决策者提供明确的决策支持信息 即方案的综合评定意见。所以系统优化应该包括模型优化和多方案综合评定两部分内容，最后以推荐方案形式供决策者参考。综上所述，系统优化可概括成如图的形式。系统综合 现实系统模型化 系统分析计算机求解 方案可行 ?可行方案集评价指标 多目标综合评定系统优化过程框图方案设计推荐方案输出 .决策这是领导者的主要工作，也是体现整体性原则不可缺少的环节。系统工程工作者向决策者推出提荐方案意见，但不等于决策，决策者有权选中，也有权不选中。这里要强调说明一点，决策是一项独立性很强的活动，决策者可能在推荐方案中选择一个方案，也可能全部否定。此时任何人都无权干涉。当然，决策结果也会有多种可能，其中两个极端情况是：一是取得极大成功，这说明决策者非常胜任工作，水平很高；二是以失败而告终，此时应由决策者承担全部责任。 .实施把决策意见（选中的方案）落实到行动上叫实施。这是系统开发最为壮观的时刻，也是检验优化方案的唯一尺度。由于在实施过程中，涉及到资源的配置，人、财、物的调配等重大问题的决策，很明显，在实施阶段决策者就是直接指挥者，而系统工程人员则退居从属地位。二、逻辑思维过程总体设计逻辑思维过程总体设计是系统综合的具体化。它是根据具体任务和目标要求，崐全面构思行动方案，使目标达成的创造性劳动过程。逻辑思维过程总体设计一般表述成框图形式，也就是把开展系统研究的步骤、方法及有关科学知识的运用有机地综合在一张图上。这个框图从开题论证，一直到最优方案的确定与评价，反映了整个系统设计的全部思想和准备采用的研究方法。在实际工作中，一般由负责总体设计的系统工程人员先提出一个初步设计，然后经过有关领导和专门家进行讨论修改而成。最后说明一点，总体设计程序框图没有规范模式，步骤和内容可粗可细，主要根据具体问题、具体执行人而定。但从实用角度出发，还是比较详细一点为好。为帮助读者更直接地了解逻辑思维过程总体设计的内容和实用价值，我们给出一个简单实例如图所示。关于开发朝阳沟镇蔬菜生产的可行性研究总体设计程序框图关于开发朝阳沟镇蔬菜生产的可行性研究综合考察朝阳沟镇系统现状分析 环境条件分析农业生产概况描述 交通、人口、自然情况分析蔬菜生产情况描述 各种蔬菜总需求预测开发蔬菜生产的优势和问题 可能提供的资金支持综合分析停止 内外条件具备 ?确定蔬菜生产单元全集 确定蔬菜生产方式：棚、室、大地 模型化研究模型参数研究计算机优化、多方案输出综合评审、推荐开发方案撰写研究报