系统工程与系统分析的关系.ppt

所谓系统工程 SE 是综合应用系统思想 现代数学方法 电子计算机技术和其他相关的工程技术 对系统特别是大系统的信息流动 组织结构 控制机构等进行分析 设计 评价 制造和管理 以期从总体上实现最优化的组织管理技术和边缘科学 关键词 1新兴的边缘科学 2工程技术 3大系统 4具有系统思想 5目标最优化 6以计算机为工具 7特殊工程技术的总体 汪应洛先生在 系统工程理论 方法与应用 一书中定义1 理论与方法 自然科学 社会科学的某些思想 理论 方法 策略与手段 2 应用对象 人们的生产 科研或经济活动 3 研究内容 以 最优设计 最优控制和最优管理 为目的的系统分析 设计 制造和服务 以及 充分发挥人力 物力的潜力 为目的的各种组织管理活动 4 总目标 综合最优化 代表性的定义 系统工程是一门交叉学科 三大主要学科的交叉 运筹学 OR 现代管理科学系统科学交叉 自然科学 社会科学在思想 理论 方法上按总体协调的需要 有机结合 系统工程的理论基础和工具 一般系统论发展耗散结构理论控制论协同学信息论 理论基础 突变论线性规划动态规划排队论运筹学存储论定量分析工具对策论图论 概率论与数理统计高等代数模糊数学集合论数理逻辑计算机科学模拟技术工程技术管理学经济学心理学哲学社会科学 系统工程的理论基础和工具 运筹学等是为改造世界提供一般的最优化方法 科学的管理工具 是系统工程的基础 系统工程是从宏观的角度为改造世界提供组织管理技术和方法 需要指出 1 系统工程方法论 系统工程方法论 Methodology 就是分析和解决系统开发 运作及管理实践中的问题所遵循的工作程序 逻辑步骤和基本方法 系统工程方法论 Methodology 是系统工程思考和处理问题的一般方法和总体框架 有两种 1 霍尔三维结构 为什么重点介绍 原因 面向工程 2 切克兰德方法 1 HallThreeDimensionsStructure 产生 霍尔三维结构是美国系统工程专家霍尔 A D Hall 于1969年提出的一种系统工程方法论 它的出现 为解决大型复杂系统的规划 组织 管理问题提供了一种统一的思想方法 因而在世界各国得到了广泛应用 基本思想 霍尔三维结构是将系统工程整个活动过程分为前后紧密衔接的七个阶段和七个步骤 同时还考虑了为完成这些阶段和步骤所需要的各种专业知识和技能 这样 就形成了由时间维 逻辑维和知识维所组成的三维空间结构 霍尔三维结构示意图 1 明确问题 即弄清问题的实质 要解决的是什么问题 希望达到什么样的要求 并尽可能地收集和提供解决问题有关的资料印数据 历史的 现状的 发展的 2 系统指标设计 设计出具体的评价系统功能的指标 以利于衡量所有可供选择的系统方案 3 系统方案的综合 技照问题的性质及系统总的功能要求 形成一组可供选择的方案 明确各个方案所对应的系统的结构和相应的参数 4 系统分析 对系统的目的 环境 结构 费用 效益等进行充分的论证与分析 为系统方案的选择提供科学 可靠的依据 5 系统选择 即系统最优化 通过对系统模型的求解 找出最优方案 6 方案决定 由决策者选择一个或多个方案实施试行 7 实施计划 对试行计划不断地修改 完善 并把它们确定下来 以保证顺利地进入系统工程的下一阶段 霍尔方法论基本思想 任何复杂问题都可以归结为工程问题来研究 它强调明确目标 其核心思想是优化 应用定量的手段求得最优解 2 切克兰德方法论 切克兰德方法论的主要内容和工作过程 认识问题收集与问题有关的信息 表达问题的现状 寻找构成或影响因素的及其关系 以便明确系统问题结构 现存过程及其相互之间的不适应之处 确定有关的行为主体和利益主体 根底定义根底定义是该方法中较具特色的阶段 其目的是弄清楚问题的关键要素 为系统的发展及其研究确定各种基本的看法 并尽可能选择出最合适的基本的观点 根底定义所确立的观点要经得起实际问题的检验 建立概念模型概念模型是来自根底定义 通过系统化语言对问题抽象描述的结果 其构成要素必须符合根底定义的思想 并能实现其要求 比较及探寻将所明确的现实问题 归纳的结果 和所建立的概念模型 演绎的结果 进行对比 有时需要对根底定义进行修正 选择针对比较的结果 考虑有关人员的态度及其他社会 行为等因素 选择出现实可行的改善方案 设计与实施通过详尽和有针对性的设计 形成具有可操作性的方案 并使得有关人员乐于接受和愿意为方案的实现竭尽全力 评估与反馈根据在实施过程中获得的新的认识 修正问题描述 根底定义及概念模型等 切克兰德方法论的核心是 比较 和 探寻 切克兰德方法论强调从 理想 模式 概念模型 与现实状况的比较中 探寻改善现状的途径 使决策者满意 两种方法论的比较 相同点 两者均为系统工程方法论 以问题为导向 注重程序及阶段 具有相应的逻辑过程 不同点 研究对象或应用领域 基本方法 核心内容或关键点 反馈机制 1 研究对象 前者以工程系统为研究对象 硬系统 后者适合于对社会和经营管理等 软 系统问题的研究 2 核心内容 前者的核心内容是优化分析 后者的核心内容是比较分析 3 基本方法 前者更关注定量分析方法 后者强调定性或定性与定量有机结合的基本方法 系统分析 Systemanalysis 是指从系统的角度出发 对系统 需要改进的已有系统或准备建立的新系统 进行定性和定量的理论分析或实验研究 从而完成系统目的的重审 系统结构的分析 系统性能的估计 系统效益的评价 系统和环境相互影响的分析以及系统的发展预测 为系统综合 系统规划设计 系统协调 系统优化控制和系统管理提供理论和实验依据 定义要点 1 出发点 2 内容 3 目的SA是SE的核心内容 分析过程和基本方法 2 系统分析 系统分析与运筹学的关系 在50年代是将系统分析与运筹学作对比 认为系统分析是运筹学应用的扩展 系统分析与运筹学的根本区别在于 运筹学是以专业技术为导向的 而系统分析则是以问题状况为导向的 重点考虑系统整体结构和动态过程 从系统的层次关系来说 运筹学的分析程序是由下而上 而系统分析则是由上而下 故而系统分析与运筹学的关系从某种意义上来说就如战略与战术的关系 SA目的 通过系统分析 认识各种替代方案的目的 比较各种替代方案的费用 效益 功能 可靠性以及与环境之间的关系等 得出决策者所需要的资料和信息 为最优决策提供科学可靠的依据 系统问题 系统分析 系统优化 系统决策 系统分析与系统优化 系统决策的关系图 实际上系统分析应包括优化 对现有系统的分析对新开发系统的分析 系统分析的内容 1 对现有系统的分析 系统外部分析根据国内外政治经济形式 研究本系统在国民经济中的地位 当前国家对本系统的政策以及与本系统经营活动的各方面的现状 如运输市场和货源的情况 同行业的生产情况 技术水平等 系统内部分析计划安排 生产组织 设备利用 原材料供应 劳动力状况 成本核算及财务收支等 案例分析 运输企业经营管理系统 目的 使新开发设计的系统达到整体最优内容 新系统的投资方向 工程的规模 厂址的选择 生产环节的布局 工程系统的设计 工艺方案的确定 设备配置 生产过程的组织和设计注意 运用逻辑推理 2 对新开发系统的分析 由于系统分析的范畴十分广泛 问题的差异很大 所采用的方法也各有不同 但一般来说 可以归纳成对要分析的系统提出 5w1H What 研究什么问题 对象系统的要素是什么 即要干什么 Why 为什么要研究这个问题 目的或希望的状态是什么 即为什么这样干 Who 决策者 行动者 所有者等关键主体是谁 即谁来干 Where 系统的边界和环境如何 即在哪里干 When 分析的是什么时候的情况 即何时干 How 如何实现系统的目标状态 即如何干 系统分析提问 首先回答是什么 然后再回答为什么 还要进一步分析有无替代方案 只有圆满地回答了以上的提问 才能对系统的开发目的 系统的开发地点 系统的开发时间 系统开发人员 系统开发方法有一个完整 清晰 圆满的答案 1 系统开发对象 原油运输系统 2 系统开发目标 每天由阿拉斯加的油田向美国本土运送200万桶原油 3 系统开发环境 油田处于北极圈内 海湾长年处于冰封状态 陆地更是常年冰冻 最低气温达零下50摄适度 4 提出的问题 如何设计原油运输系统 才能达到系统的目标 5 系统方案设计 方案1 由海路用油船运输 方案2 用带加温系统的输油管运输 6 系统分析 方案1的优缺点 方案2的优缺点 7 系统进一步分析 提出第一个竞争方案 是否有其他更好的方案 8 系统再进一步分析 提出第二个竞争方案 那么 是否还有其他更好的方案 9 方案的选择 最后选定的是第四个方案 由于采用这一方案 仅铺设管道费就节省了近60亿美元 比方案3省了一半的费用 案例分析 阿拉斯加原油管道运输系统分析 启示 对于方案1 其优点是 每天仅需要四至五艘超级油轮即可满足运量的要求 比铺设油管省钱 存在的可题是 第一 要用破冰船引航 这样既不安全又增加费用 第二 起点和终点都要建造大型油库 这又是一笔巨额花费 而且 考虑到海运可能受到海上风暴的影响 油库的储量应在油田日产量的10倍以上 以保证需求量的供应 归纳起来 方案1的主要问题是 不安全 费用大 无保证 返回 对于方案2 其优点是 可以利用成熟的管道输油技术 存在的问题是 第一 要在沿途设加温站 这样一来 管理复杂 而且要供给燃料 然而 运送燃料本身又是 件相当闲难的事情 第二 加温后的输油管不能简单地铺在冻土里 因为冻土层受热后会引起管道变形 甚至造成断裂 为避免这种危险 有 半的管道需要用底架支撑 这样 架设管道的成本费用要比铺设地下油管高出3倍 返回 方案3 有人提出将含有10 一20 氯化钠的海水加到原油中去 使在低温下的原油成为乳液状 且能畅流 这样 就可以用普通的输油管道运输了 这个方案获得了很高的评价 而且取得了专利 其实 达 原理早就用于制作汽车的防冻液了 而将这一原理运用到这个工程中来 是一个有价值的创造 返回 方案4 将天然气转换为甲醇以后再加到原油中去 以降低原油的溶点 增加流动性 从而用普通的管道就可以同时输送原油和天然气了 返回 启示 从这个例子中 我们可以看到系统分析工作的重要性以及系统工程的价值 假如不进行系统方案的分析 仅在方案1 方案2上搞优化 不迫寻一系列的为什么 不去寻求更好的系统方案 就不可能得到方案4 即使确定了最好的管道直径 管道壁厚 加压泵站的压力和距离等 也得不到方案4所带来的好处的 Nextpage 系统分析方法 系统分析方法 在对系统对象进行规划 设计 制造 运行管理等过程中所采取的具体技术 方法 理论 如预测技术 模拟仿真技术 计算分析技术 优化 评价 决策方法等本课程讲述的系统分析方法除了包括应用系统学科体系中通用的技术与方法 还要讨论环境科学和地理学的理论和方法在系统分析中的应用 系统分析的内容 1 环境分析 2 目标分析 3 结构分析 4 模型构造与仿真分析 模型化是系统分析过程中的重要组成部分 5 系统优化 系统评价 6 决策 初步SA 规范分析 系统分析 SA 程序图 综合分析 系统分析原理 系统分析过程 具体的讲 系统分析的要素如图所示 美国兰德公司曾对系统分析的方法作过如下论述 1 确定期望达到的目标 2 调查研究 收集资料 3 分析达到期望目标所需的技术与设备 4 分析达到期望目标的各种方案所需要的资源和费用 5 根据分析 找出目标 技术装备 环境资源等因素间的相互关系 建立方案的模型 6 根据方案费用多少和效果优劣 找出费用最少 效果最大的最优方案 系统目的 确定边界 调查收集资料 替代方案 替代方案 替代方案 替代方案 效益费用 效益费用 效益费用 效益费用 系统模型与模拟 系统评价与推荐方案