系统工程第04讲(1).ppt

08 11 系统工程 C类 上海交通大学宋元斌 第二章系统工程方法论 第一节系统工程方法论遵循的原则第二节霍尔方法论第三节切克兰德方法论第四节系统分析原理及应用 一 系统工程方法论原则 整体性原则 1 把每项工程任务都看成由不同部分构成的有机整体 把全局观点 整体观点贯彻于整个工程的各个方面 各个部分 各个阶段 2 由整体的功能 目标决定局部的功能 目标 按整体优化规定各部分的性能指标 3 从整体出发去组织局部的活动 使用局部的力量 协调局部的关系 4 把工程任务作为一个整体去研究 协调它与更大工程任务之间的关系 有序相关性原则 在系统层次上表现出来的整体特征是由要素或子系统层次上的相互关联 相互制约造成的 由同类要素或子系统组成的系统 由于其内部组织管理方式的不同 即结构方式 有序程度的不同 系统的整体功能表现出极大的差异 凡是系统都是有序的 系统的任何联系都是按一定等级和层次进行 各部分之间的相互关系越有序 系统整体功能就越优良 动态性原则 系统工程往往是大型的 复杂的实践过程 对象内部复杂的相互作用和环境的多变性是过程本身呈现出动态特征 系统工程师应把实施工程任务看作一个动态过程 密切注意系统内外的各种变化 掌握变化的性质 方向 趋势 程度和速度 采取相应的措施 调整工程的方案 计划 改进工作方法 在变化中求得系统优化 目标优化原则 凡工程都追求效益 功利 人类在效益和功利的追求上没有止境 目标优化原则要求在组织和管理一个系统时应具有追求系统最优性能的自觉性 以获得最大收益和付出最小代价为出发点去制定规划 方案 计划 实现系统的组织建立和运行管理 可行性原则 系统工程时工程实践 客观条件总会使系统优化受到一定的约束 搞工程要讲究实际 优化而不可行的方案不是真正的优化方案 应把优化原则与可行性原则结合起来 在可行的方案中寻求最优方案 二 霍尔方法论 总结了系统工程开展工作的基本过程 霍尔于1962 1969年根据在贝尔实验室的经验 对系统工程一般的工作步骤 阶段划分和常用的知识范围进行了概括总结 提出了著名的霍尔三维结构模型 为解决规模大 结构复杂 涉及因素众多的大系统问题提供了科学的思维方法 摆明问题 确定目标 方案综合 模型化 实施计划 决策 最优化 霍尔三维结构包括时间维 逻辑维和知识维 1 时间维 霍尔表明一个具体的工程项目的系统开发过程 按时间上的先后次序可粗略地划分成为 个阶段 分析环境条件 确定所需资源与目标 制订策划大纲 2 逻辑维 是用步骤来表示划分工程中的决策思维活动的部分 表明在上述时间维上每一阶段中一般的逻辑过程 霍尔三维结构的核心 这里的明确问题不只是清楚地说明了问题 而是在说明问题的基础上更进一步地要求探明行动方向 例如 一家亏损企业 亏损 可能有很多背景资料说明这是一个真实存在的问题 明确问题 降低生产成本就是一个行动方向 怎样去明确问题呢 调查 经验 感觉都是十分重要的 创造学的方法 统计学的方法都可在这一步骤中起作用 但必须强调 明确问题不是一个纯粹的技术问题 目标的基本含义是希望得到的结果或希望达到的标准 从逻辑维步骤的关联看 这一步骤是把上一步骤的问题定义进一步具体化 把行动方向转化为行动目标 目标对行动具有导向意义 目标不同往往会导致不同的行为 举例 在第二次世界大战中 英国的战争物资要靠商船运输来供应 而商船很易被敌方飞机炸沉 于是 就计划在商船上安装高射炮 经试装后测试证明 商船在安装后保存率由75 提高到99 但是安装在船上的高射炮的命中率比在陆地上低的多 由于陆军也急需高射炮 所以 在高射炮有限的情况下 如何合理使用 如以击落飞机为目标 应该给陆军 如以保护商船物资为目标 则安装在船上合理 所以目标的明确是保证所作计划结果是否有效的前提 例子 房地产开发与经营企业 说明上述两个步骤 明确问题提出 开发市场能接受的住宅新品种 没有明确问题 从行动的要求来看还没有任何指向 因此这一种提法尚未达到对目标的支撑 提出 体现装饰效果的住宅的开发 明确问题 所要开发产品的概念已经形成 确定目标比如可以从价格 样式 景观等方面来确定目标 实际上在这一步骤中方案的数量比方案的质量更重要 尽管最终我们希望获得高质量的方案 但高质量的方案可能要以方案的数量为基础 系统工程中的提出方案强调在创新意义下的创造性 如何才能有效地提出方案 有几类方法是很有用的 1 把其他事物中的原理借鉴过来 在类比中引申 2 把一个整体功能分解成小的功能子块 小功能再分解 形成功能树 直到最小层的功能可用己有零件来实现 然后把零件再组装回去形成结构树 3 对一个简单的方案进行改造 提出方案通常可能是在一个小组或组织的讨论中完成的 因此提出方案的有关人员之间要互相启发 以形成一种便于发挥创造性思维的宽松环境 头脑风暴法就是一种组织讨论的有效方法 传统的系统工程 一般先在小范围进行试验 成功后再推向大范围 用于真实系统 现代系统工程 规模庞大 一般不可能进行试验或者试验的代价过大而而不可行 合理的办法是使用模型方法 模型是对真实系统的抽象和简化 构成模型的要素 1 模型的成分 是对组成系统的各部分的模拟 2 模型的变量 外部变量 状态变量和内部变量 3 模型的参量 表示系统特性的变量系数 模型确定以后 参量一般为常量 4 模型的函数关系 是对模型间的相互关系的一种描述 一般可分为 恒等式和函数方程两种 在系统的数学模型和目标函数已经建立的情况下 可用最优化方法选择便目标值最优的控制变量值或系统参数 所谓优化 就是在约束条件规定的可行域内 从多种可行方案或替代方案中得出最优解或满意解 实践中要根据问题的特点选用适当的最优化方法 多目标优化问题的最优解处于目标空间的非劣解集上 可采用人机交互的方法处理所得的解 最终得到满意解 当然 多目标问题也可用加权的方法转换成单目标来求解 主管部门或领导者在分析与评价的基础上作出选择 选定行动方案 有时出于各方面的考虑 领导选择的方案不一定是理论上最优的 此外应注意 决策步骤并非系统工程师的工作 把选定的方案加以贯彻与实施 由于分析的局限性与环境的变化 在实施过程中对方案的修正与完善 甚至放弃都是正常的 逻辑步骤的灵活性 以上各个逻辑步骤的进行在时间先后上要求并不一定严格 上述几个步骤的划分也不是绝对的 有时也可以把某一个步骤分成几步来完成 有时也可以把几个步骤归并为一个根据具体问题的需要处理 3 知识维 这是从工程活动中需要各种知识投入的视角对工程整体的观察 把知识摆在一维坐标上 这一维是离散的 无先后的 表明完成各个阶段和各个步骤所需的各种专业知识 技能和技术 系统方法强调的是以目标为中心 体现该用什么知识就用什么知识的原则 因此知识维与时间维 逻辑维平面的关系是知识对时间 逻辑平面的支撑作用 系统工程的活动矩阵 为具体方法 一般只使用时间 T 维和逻辑 L 维 构成活动矩阵 矩阵要素可表示处在该阶段和该步骤的唯一行为 经验表明 霍尔三维结构更适用于创建一个硬系统 所谓 硬 系统 或称良结构系统 是指机理清楚 完全能够用明确的数学模型来描述系统要素及其相互关系的系统 如物理系统和工程系统 霍尔三维结构模式形象地概括了系统工程的一般步骤和方法