武汉大学选修课系统工程概论chap 2 系统工程及其方法论.ppt

1 第二章系统工程及其方法论本章内容一 系统工程的发展与应用二 系统工程理论基础三 系统工程的主要特征四 系统工程方法论 2 一 系统工程的发展和应用系统科学与系统工程 系统科学是一门从总体上研究各类系统共同规律的科学 系统工程则是从总体上改造客观世界的工程技术实践 是组织管理系统的技术 是系统科学体系中的工程应用层次系统工程研究领域 自然科学 社会科学与工程技术相互交叉与综合的研究和应用领域 其核心问题是组织管理与决策 3 社会实践与工程实践都需要系统工程 1 社会实践的特点是有明确的目的性和组织性 随着科技的发展 实践内容更加丰富 空间尺度越来越大 时间尺度变化更快 层次结构更复杂 效果和影响更深远 还有自然属性和社会属性 使其具有高度的综合性 系统性 动态性和复杂性实践是一个过程 涉及到决策的科学化和实践的有效性工程实际涉及全局 南水北调 西部开发 4 社会实践与工程实践都需要系统工程 2 可持续发展要求高新技术的应用与发展要求系统工程定义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 是从系统整体出发 根据总体协调的需要 综合运用有关科学理论与方法 以计算机为工具 进行系统结构与功能分析 包括系统建模 仿真 分析 优化 评价和决策 以求得到最好的或满意的系统方案并付诸实施 是一门综合性的整体技术和定性定量相结合的技术 是从整体上研究和解决问题的科学方法 5 系统工程的发展与应用公元前500年 孙武 孙子兵法 1940年 美国贝尔电话公司试验室E C Molina丹麦哥本哈根电话公司A K Erlang第一次提出系统工程1940年至1945年 美国制造原子弹的 曼哈顿 计划1945年 美国建立了兰德公司 RANDCorp 50年代后期和60年代中期 北极星导弹核潜艇计划和阿波罗登月计划创造了 计划评审技术 PERT 和 随机网络技术 70年代以来 环境污染 人口增长 交通事故 军备竞赛等 6 在我国的应用 始于60年代初期 由著名科学家钱学森教授的倡导和支持在国防尖端技术方面应用系统工程方法取得了显著成效 自70年代后期以来 系统工程作为重点学科列入了全国科学技术发展规划 在高等学校设置了系统工程专业 培养本科生 硕士和博土研究生 中国自动化学会系统工程专业委员会相中国系统工程学会相继宣告成立 7 初期的传播系统工程的理论 方法 独立开展系统工程的理论方法研究 能源系统工程军事系统工程社会系统工程人口系统工程农业系统工程大型工程系统工程 成就 8 系统工程的发展与应用社会系统工程 它的研究对象是整个社会 是一个开放的复杂巨系统 有多层次 多区域 多阶段的特点经济系统工程 研究宏观经济问题 如经济发展战略 综合发展计划 经济指标体系 产业结构分析等区域规划系统工程生态环境系统工程能源系统工程水资源系统工程交通运输系统工程 军事系统工程 工程项目管理农业系统工程 人口系统工程 教育系统工程等 9 系统工程的特点强调系统分解和在分解研究基础上的综合集成强调人机结合 根据研究问题涉及到的学科和专业范围 组成一个知识结构合理的专家体系 通过机器体系 信息体系 模型体系 指标体系 评价体系 方法体系及支持这些体系的软件工具的集成 实现系统的建模 仿真 分析和优化系统工程是边缘学科 理论 方法及计算工具都有待发展 10 二 系统工程理论基础一般系统论大系统理论经济控制论运筹学信息论耗散结构论协同学突变论 11 一般系统论 通过把各种不同系统进行科学理论研究而形成的关于适用于一切种类系统的学说 创始人 贝塔朗菲 12 大系统理论 大系统复杂系统一般是规模庞大 结构复杂 环节数量大或层次较多 其间关系错综复杂 影响因素众多 并常带有随机性质的系统 经济计划管理系统 信息分级处理系统 区域经济开发系统大系统理论 研究大系统的结构方案 稳定性 最优化 监理模型与简化 13 1 大系统结构方案 递阶控制方案分散控制方案 2 大系统的稳定性 3 大系统优化 静态优化 动态优化 4 大系统的模型简化 大系统理论 14 递阶控制 多层控制系统 15 递阶控制 总任务 多级控制示意图 16 分散控制 分散控制示意图 17 三 系统工程的主要特征 1 突出系统 两个优化突出系统 突出地把系统作为研究对象 要求系统地 综合地考虑问题 两个优化 研究系统的目的是实现系统总体效果优化 同时 实现对这一目标的方法或途径达到优化 18 三 系统工程的主要特征 2 以软技术为主 硬技术为辅系统工程是一大类新兴的工程技术大的总称 以对事物进行合理筹划为主 划归广义事理学的范畴 即以软技术为主 硬技术为辅的工程技术 传统的工程技术 如电子工程 机械工程 土木建筑工程 是以硬件技术为主的工程技术 归属于广义物理学的范畴 系统工程的研究侧重于事理 同时还需要对硬件 人件进行辅助研究 19 三 系统工程的主要特征 3 学科跨度大 综合性强学科跨度大 一是用到的知识是分属于多个学科 如通常使用到系统科学 自然科学 数学 社会科学等多方面的知识 二是参与系统工程项目研究的专家学者是来自多个学科 并分别从各个学科的专业角度对系统进行综合研究 系统工程的综合性体现在各个不同学科 不同部门的专家学者必须相互配合 协同一致 20 三 系统工程的主要特征 4 定性分析与定量分析的综合集成定性特性决定定量特性 定量特性表述定性特性只有定性 难以深入准确地把握系统的行为特性定性认识不深入 甚至认识上的错误 无论定量多么精确 详尽 都是无用的 21 三 系统工程的主要特征 5 突出宏观研究 兼顾微观研究宏观问题 系统的全局 总体和长远的战略发展问题微观问题 系统内部低层次的问题系统工程一般以宏观研究为主 肩负微观研究 22 三 系统工程的主要特征 6 注重科学实践 发挥咨询作用应用研究针对实际问题 强调注重科学实践系统工程研究人员 领导 决策者或用户系统工程研究机构属于咨询性的学术机构 23 四 系统工程方法论系统工程研究对象是复杂大系统 包括 硬件 单元 软件 要素 还有人的行为 需要独特的思考问题和处理问题的方法 要用多种技术方案进行求解描述性 逻辑性 规范性 艺术性综合一起 构成了系统工程独特的思想方法 理论基础 基本程序和方法步骤基本特点 研究方法强调整体性 技术应用强调科学性 1 系统工程方法论框架 24 系统分析过程的逻辑结构 1 阐明问题阶段的工作内容 25 需分析研究目标结构 价值观念 约束条件 备选方案以及人们对后果的反应问题剖析报告阶段结果报告目标评价指标约束条件 2 分析问题阶段的工作内容 26 谋划备选方案预测未来环境建模和预计后果 3 方案评价阶段的工作内容 4 撰写系统分析报告 27 简略报告主体报告技术报告 28 2 霍耳的系统工程方法论三维结构时间维 规划 方案 研制 生产 运行 更新逻辑维 明确问题 选择目标 系统综合 系统分析 方案优化 作出决策 付诸实施知识维 环境科学 社会科学 工程技术 计算机科学 管理科学 经济 法律该方法主要适用于良结构的硬系统问题良结构系统 指偏重工程 机理明显的物理型的硬系统 它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 29 时间维 逻辑维 知识维 规划 方案 研制 生产 运行 更新 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 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 30 一 时间维 1 规划阶段 对将要开展研究的系统进行调查研究 明确研究目标 在此基础上 提出自己的设计思想和初步方案 制定出系统工程活动的方针 政策和规划 2 方案阶段 根据规划阶段所提出的若干设计思想和初步方案 从社会 经济 技术可行性等方面进行综合分析 提出具体计划方案并选择一个最优方案 3 研制阶段 以计划为行动指南 把人 财 物组成一个有机的整体 使各个环节个部门围绕总目标 实现系统的研制方案 并作出生产计划 31 4 生产阶段 生产或研制开发出系统的零部件 硬软件 及整个系统 5 运行阶段 把系统安装好 完成系统的运行计划 使系统按预走目标运行服务 6 更新阶段 完成系统的评价 在现系统运行的基础上 改进和更新系统 使系统更省效地工作 同时为系统进入下一个研制周期准备条件 32 二 逻辑维 1 明确问题 尽可能全面地收集资料 了解问题 包括实地考察和测量 调研 需求分析和市场预测等 2 选择目标 对所解决的问题 提出应达到的日标 并制定出衡量是否达标酌准则 3 系统综合 搜集并综合达到预期目标的方案 对每一种方案进行必要的说明 33 4 系统分析 应用系统工程方法拉术 将综合得到的各种方案 系统地进行比较 分析 必要时 建立数学模型进行仿真实验或理论计算 5 方案优化 对数学模型给出的结果加以评价 筛选出满足目标要求的最佳方案 6 作出决策 确定最佳方案 7 付诸实施 方案的执行 完成各个阶段的管理工作 34 三 知识维 专业维 三维结构中的知识维是指在完成上述各种步骤所需要的各种专业知识和管理知识包括科学学 工程技术 经济学 法律 数学 管理科学 环境科学 计算机技术等方面的知识 35 36 钱学森 戴汝为 于景元 一个科学新领域 开放的复杂的巨系统及其研究方法 1990年 37 局限性 1 认为在问题研究开始时定义目标是容易的 因此没有为目标定义提供有效的方法 2 没有考虑系统中人的主观因素 把系统中的人与其他物质因素等同 忽略人对现实的主管认识 3 认为只有建立数学模型才能科学的解决问题 38 3 切克兰德的系统工程方法论 软系统方法论 问题从问题的形成过程和认识问题的主观与客观关系来看 问题是一种待消除的状态差异 一种令人担心的事物 从心理学的观点来看 问题是为达到预定目标所要排除的障碍问题具有时间性 空间性 层次性工程系统工程要解决的问题 问题社会系统工程要解决的问题 议题 39 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 40 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 41 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 42 43 1 问题情景描述区分问题与问题情景问题 已能明确确定下来的某些事件问题情景 人们感觉到其他有问题却不能确切地定义的某种环境 阶段的目的 明确问题情景的结构变量 过程变量以及两者之间的关系 44 2 确定相关系统的根定义第 阶段 回答相关系统的名称是哪类问题 也就是确切定义相关系统是什么 而不是做什么这个定义是根据分析者的观点形成相关关系的概念 称作相关系统的根定义同一问题情景 不同的人可能给出不同的根定义不同的根定义的交集将形成该问题情景的内在核心 45 3 建立概念模型第 阶段 根据定义建立相关的概念模型 a 是根据系统理论建立的标准体系 用来检验概念模型是否完备 若不完备 要说明原因 b 涉及其他一些思想 也许这些思想更适合于描述当前系统 提醒分析者全面分析问题 46 4 概念模型与现实系统对比分析第 阶段 发现两者之间的不同及其原因 以便改进 分析比较之前 要选出一个为多数人所接受的模型 一般来说 几个概念模型的交集是一个比较理想的模型 47 5 更新系统第 阶段 确定可行的变革 更新系统变革方案应同时满足以下条件 在给定占优势的态度和权力结构 并考虑到所考察的情景历史的前提下 它们应是合乎需要的和可行的阶段 把 阶段的决定付诸行动以改善问题的情景 48 有助于系统理论方面的研究与应用有助于决策理论的研究与应用有助于推动其他软系统问题的研究工作 软系统方法论应用评价 49 4 并行工程 ConcurrentEngineering 方法论80年代美国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90年代乃至21世纪发展武器装备系统的基本管理模式核心内容 强调用户需求 并把用户需求转化为完整的产品要求 交互作用 相互协调的并行研制过程 将产品的设计与制造过程 保障过程用系统工程方法综合在一起 保证产品性能 可靠性 维修性 保障性和生产性 建立多学科的综合产品研制机制及计算和辅助工程环境可应用于以计算机和网络系统为支持环境的组织管理乃至整个社会系统 50 并行工程哲理并行工程是对产品及相关过程 包括制造和支持过程 进行并行 一体化设计的一种系统化方法 温纳 优点 使开发者一开始就考虑到产品全生命周期从概念形成到产品报废的所有因素 包括质量 成本 进度 用户需求主要思想 约束信息的并行性 功能的并行性 集成性 协同性 科学性它强调的因素 加速产品开发周期 提高质量 降低成本 提供优质服务 51 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 52 传统专业综合 工程专业综合 综合 硬件软件人员设施数据 系统 并行地进行产品传统性能 可生产性和RMS等特性的研制 多专业综合产品研制 其核心内容是 强调用户需求 把用户需求转化为产品要求 并建立交互作用 互相协调的并行研制过程 以便将产品的设计 产品的制造过程和保障过程用系统工程方法综合在一起 53 并行组织管理模式传统的组织管理模式 将工作分成各专业化任务 再根据专业化任务组织不同部门 专业分工方法是按组织的等级结构垂直分工 或以部门为代表的水平方向分工并行工程 要求通过企业组织结构调整 或利用先进的计算机通信技术 使信息集成化 建立协作组织结构 缩短垂向信息传递途径 加强水平方向不同领域间的融合与协作 54 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生命周期从概念形成到产品报废的所材因素 包括质量 成本 进度和用户需求 55 并行工程所体现的主要思想有 1 约束信息的并行性 即设计时同时考虑产品生命周期酌所有因素 作为设计结果 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 即产品生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 过程设计 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 56 并行工程实施步骤并行工程的实施可根据自动化程度分三类 小组化方法 计算机辅助方法 计算机支持的协同工作方法小组化方法 以人为中心 根据工作过程决定操作过程 通过人的交互工作实现功能和信息的集成计算机支持的协同工作方法 提供一个全面集成的企业环境 同时强调人和技术的作用实施步骤 制定实施计划 确定开发目标 工程培训和基础设施准备 分析现有过程 按照重组原则改进现有的过程模型 实施新过程 评价结果并改进 57 5 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 58 WSR系统方法论的内容 59 WSR系统方法论的基本内容和主要步骤 1 理解领导意图 2 调查分析 3 形成目标 4 建立模型 5 协调关系 6 提出建议 60 WSR系统方法论中常用的方法 61 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 62 钱老的从定性到定量的综合集成方法图 63 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 64 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 实际上是包含了系统