第四讲：系统方法论初步探讨

系统科学前沿理论与应用 主讲 侯光明教授刘平青副教授2004年秋季 第四讲 系统方法论初步探讨 一 导言二 硬 系统方法三 系统方法论反思四 软 系统方法五 物理 事理 人理系统方法论六 社会经济系统与中国文化七 本讲小结 一 导言 把世界看作一个由 自然系统 人工物质系统 人工抽象系统 人类活动系统 构成的复合体 每种类型的系统将以不同的方式存在和运行 首先 人类有许多东西要向自然系统学习 对生物圈中能量流或者人体维持其恒温的控制机制的研究将告诉我们许多系统动力学及这些系统维持其整体性的方法 其次 问题解决者可自由使用人工系统 物质的或抽象的 表达到他的目的 再次 由于人类是有目的性的 可以预期人们将企图 操纵 人类活动系统 这后一种想法为目的在于解决现实世界问题的系统实践提出了一种可能的方式 无论是从卡斯特和罗伯茨韦克的由五个子系统构成的组织模型 即目标和价值子系统 技术子系统 社会心理子系统 组织结构子系统和管理子系统 还是从圣吉的五项修炼 即自我超越 改善心智模式 建立共同愿景 团体学习与系统思考 都可看出 社会文化环境无不影响着系统思维 二 硬 系统方法 一 系统工程 二 系统分析 三 系统工程与系统分析的本质 四 硬 系统思想在 软 问题中的应用 一 系统工程 亨利 福特16岁成为一个学徒机械师 18岁接受爱迪生照明公司的工程师职位的邀请 40岁那年也就是1903年创立福特公司 1909年T型车问世 在它19年的历史中 共计1500万辆 1916年每辆车360美元 以后买断了合伙人的股份 建立了世界最大的工业体系 2000年5月 其曾孙威廉 克雷 福特执撑公司 20世纪30 40年代工程技术有了巨大进步 加上第二次世界大战的因素 更有了飞速的发展 随着生产规模越来越多 生产技术越来越复杂 科学研究涉及的专业和部门越来越多 这些大规模的生产系统 技术系统和科学系统由许多部分组成 关系错综复杂 需要人们从整体和相互联系的角度去考虑问题 需要制定一套处理复杂系统和组织工作的科学方法及程序 40年代 美国贝尔电话公司首先使用了 系统工程 命名设计新系统的科学方法 随后的20年 有关 系统工程 的论述稳步上升 1957年 美国密执安大学的古德 Good 和麦切尔 Machel 合作出版了第一本以 系统工程 命名的书 他们把不断增长的人类需要的复杂性以及相应的工程师任务的复杂性当作发展 系统工程 作为一套工程师必须考虑的新规章 的主要理由 总的看来 他们所强调的是一种系统性的方法 通过构造模型和模型优化来设计方案 系统工程 从50年代起 系统工程作为构思 设计 评价和建造一个系统以满足明确需要的总体作业 许多大机构里的工程师和计划管理者就曾有意识地表述过使计划成功所需要的程序 包括必须的活动系统及协调无数专家工作的方法 领导者大概还是贝尔实验室 霍尔对系统工程方法论的经典解释来自贝尔实验室的经验 霍尔三维结构 时间维 表示从规划到更新 按时间顺序排列的系统工程全过程 逻辑维 每个阶段所要进行的步骤 是运用系统工程方法进行思考 分析和解决问题时应遵循的一般程序 知识维 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 霍尔三维结构 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 在些基础上 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 以计划为行为指南 把人 财 物组成一个有机的整体 使各个环节 各个部门围绕总目标 实现系统的研制方案 并做出生产计划 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 完成系统的运行设计 使系统按预定目标运行服务 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 使系统更有效地工作 同时为系统进入下一研究周期准备条件 霍尔三维结构 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 提出应达到的目标 并制定出衡量是否达标的准则 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 4 系统分析 应用系统工程方法技术 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 霍尔三维结构 知识维 运用系统工程知识 把6个时间阶段和7个逻辑步骤结合起来 便形成所谓霍尔管理矩阵 矩阵中各项活动相互影响 紧密相关 要从整体上达到最优效果 必须使各阶段步骤的活动反复进行 反复性是霍尔管理矩阵的一个重要特点 它反映了从规划到更新的过程需要控制 调节和决策 因此 系统工程过程系统充分体现了计划 组织和控制的职能 管理矩阵中不同的管理活动对知识的需求和侧重也不同 在逻辑维的7个步骤中 体现了系统工程解决问题的研究方法 定性与定量相结合 理论与实践相结合 具体问题具体分析 二 系统分析 背景 二战中 运筹学关心的通常是战术 早期的应用包括反潜战术 雷达与防空炮火及拦截飞机的协同作战 在战后的短短几年内 基于科学的咨询工作转移到了更宽的领域 并在那里出现了一位兰德公司的历史学家所描述的 一个更广泛和更精炼的学科 系统分析 事实上 有力的事例说明系统分析并不比运筹学精炼 但我们也承认它 在方法上较少定量化而更多地着重于策略和政策问题的分析 二 系统分析 要点 希契 1955 给出了一个与同时出现的系统工程及运筹学有许多相似之处的描述 其基本的要点如下 1 一个或一组我们希望达到的目标 2 为达到目标所需的一系列供选择的技术或手段 或 系统 3 每个系统所需的 成本 或资源 4 一个或一组数学模型 即表达目标 技术或手段 环境以及资源之间相互依赖的数学或逻辑框架或方程组 5 与目标和成本或资源相关的 选择最佳方案的标准 有三类研究是必须的 其中任何一种都可作为工作收益修正其余两种 首先需要的是系统地研究决策者的目标和在达到目标的候选方案中作出选择的有关标准 第二是需要鉴定候选方案 检查其可行性 根据其效益和成本对之加以比较 并把时间和风险考虑进去 最后必须作出设计更好方案和选择其它目标的尝试 如果前面检查过的那些目标和方案是有欠缺的话 三 系统工程与系统分析的本质 SE 系统工程SystemEngineering的缩写 是一个工程方案的总体 在工程一词的最广泛意义上 SA 系统分析SystemAnalysis的缩写 是一既与在提出方案之前的决策又与该方案实施的初期阶段有关的评价 措词稍有不同 但思想总是同一个 在研究的初始必须知道并陈述我们要达到的目的 我们要去到的地方 给出了这种定义后 才用系统思想指导我们选择一种有效的方法来达到目的 如果经济上能胜任的话 毫不奇怪 这种观点构成了 硬 系统思想的基础 既然系统工程和系统分析源于工程学和工程经济的领域 那么这也是不可避免的 硬 系统思想使用了这种对设计工程师来说是自然的观点 他们的任务是为满足一个特定需要提供一种有效的方法 设计工程师在这种情景中练就了他的职业风格 需要的是什么是明了的 他必须考虑的是怎样才能满足需要 四 硬 系统思想在 软 问题中的应用 60年代 在加利福尼亚做了一次把从国防和航空航天工业中发展起来的系统方法应用于公共政策问题的试验 戈凡诺 布朗把系统分析作为一种工具应用于设计刑事审判系统 州务信息处理系统 废物管理系统和密集运输系统的决定提供了一个极好的机会 检验系统性的分析方法当应用于比它所藉以产生的问题软得多的问题时的局限 这是个官僚机构考虑提高管理效率的方法的例子 并且是在政治家的热情支持下进行的 塞纳特 休伯特 汉弗莱建议把航天航空工业作为一个典型 你们有如此多的系统方法和管理方法能够用来解决运输问题 空气与水的污染问题 交通问题 通讯问题 教育问题 街区问题和控制犯罪问题 一句话 你们能够使这里的环境成为地球上更好适于居住的地方 对 硬 系统思想在 软 问题中应用的看法大致可表述如下 1 工程师的传统思想是设想他的行动随着他接受一个要求被完成的任务的说明开始的 然后他应用技艺回答这个问题 怎样做 做什么 这个问题被认为已在别处回答 2 类似地 早期系统分析 采用麦基恩 1958 的叫法为 需求方法 的传统思想是定义一种需要并对满足该需要的各种方式进行经济的或其它成本与效益的系统性分析 这里所面对的问题仍是 怎样做 而不是 做什么 3 两种传统都意识到需要问题假定 霍尔 1962 为此着重研究了在一个给定目标选择背后的价值观 奎德 1975 则强调系统分析的各个阶段并非严格分可 也不会逐步导致某种 最佳 解答 特别是当它应用于公共政策时 然而这两种传统中的 工艺 都包含必须定义目标和找到并比较达到目标的有效方法 4 这个假定在系统工程和系统分析藉以发展起来的工程和国防领域中得到了证实 但却很难应用于更为广泛的管理问题 选择一种方法达到某一明确目标仅仅是管理决策的很小一部分 大多数管理问题 特别是那些公共事务部分的问题 都不能以这种方法表达为 硬 问题 如果为这个意义上的 硬 问题所设计的方法论能完整地移植到以下不能精确定义目标为特征的 软 问题中 那才是一件奇怪的事呢 5 到70年代 系统分析所面临的这个困难已被认识到 但未被解决 在凯莱赫 Keller 主编的讨论 公共政策和社会变化对系统分析的挑战 的文章中 鲁特 Boot 的一篇坦率的文章提出了 分析者的初始任务是为管理决策提供了一个定量的基础 在没有有意无意地蚕食掉判断功能的情况下 鲁特和其他作者都承认系统分析处理社会问题将在某种程度上剥夺掉判断功能 有的作者提议一种严格的科学方法 如恩格尔 Engel 提出应 观察包括人和机器在内的 重复的可量化的操作 甚至还提出 应促使我们所有的社会科学家 社会科学家 心理学家 所有面向人的人们一起来处理这些问题 写下这5点讨论是为了理智地陈述一个至今仍然是许多情绪性讨论的主题的问题 这涉及到反技术的思潮 当系统工程师 系统分析家和就此而言的运筹学家们终于认识到他们那种系统性的理性在现实世界问题中的局限时 西方已存在着强烈反对整个技术观念的思潮 它的核心思想是体现在发达国家的技术中的科学思想的专制促进了人性的泯灭并使我们的个性服从于技术 如果我们打算改进系统分析并防止它的滥用 无疑能够从这种把运用科学思想于人类事务的整个观念攻击为反人性的思潮中学到某些东西 Checkland 1970 Mingors 1980 埃勒尔 Ellul 1965 的 技术社会 罗斯扎克 Roszak 把这本书描述为关于专家政治的 最好的理论陈述 埃勒尔的悲观论点是 我们的文明逐渐地和不可逆地把人类活动领域让位给技术 生活在一个被技术支配的世界上 一个人类自由逐渐丢失的世界上并不幸福 用默顿 Merton 在这本书的导言里的话来说 埃勒尔的意思是 不断扩张的和不可逆的技术统治延伸到了生活的所有领域 文明被托付给为达到未经仔细考查的目标寻求改进的手段 技术把手段变成了目的 三 系统方法论的反思 20世纪70年代 在美国一些管理学院纷纷增设定量分析的课程 然而实际结果却并不令人十分振奋 加州四项报告没有被采用实施 联邦政府推进PPBS 规划计划预算系统 计划半途而废 哈佛大学在80年代又重新强调增加人文科学方面定性理论的课程 总之过分的定量化 过分的数学模型化难以解决一些社会实际问题 于是有人开始对一些定量学科表示悲观 如 运筹学死了 等等 更多的人开始反思 1984年国际应用系统分析所 IIASA 专门组织了一次讨论会 名为 运筹学和系统分析过程的反思 与会者中有人认为这些学科之所以在某些问题不能很好应用 主要是他们的方法论不对 处理一些问题太硬 定性考虑不够 人的因素考虑不够 英国是运筹学发源地之一 系统方法论反思之风同样刮回至故乡 1953年 在160年大机构中已经有45个设有运筹小组 20年后到1972年 类似的运筹小组已发展到181个 由于对运筹工作者的需求急剧增加 不少大学开设运筹学系 大量有实践经验的运筹工作者转到大学进行学术和教学活动 80年代 情况开始变化 到90年代变得相当严峻 至1994年 一共关闭了15个享有声誉的运筹小组 小组成员不得不另谋出路 大学里面的运筹学系基本上全部消失 以英国Hull大学为例 80年代有运筹学系 80年代中改名为管理系统与科学系 90年代改为管理学院 1999年再改名为商业学院 除了剩下一二名讲授 商业数学方法 的讲师外 有实际运筹背景的教员全部消失 面对这种状况 英国运筹学会于1994年拨专款进行18个月的专题调研 研究报告和专辑主要分析了影响运筹小组兴衰和存亡的主要因素 这些因素分为三大类 一是社会大环境的变化 首先是社会经济政策的变化 80年代开始 英国政府把大量的公共部门实施私有化 公司对 非核心业务 人员大量裁减 运筹就在其列 其次 由于行业和企业不断追求灵活性小批量生产 例如 柔性系统 大批量大规模的生产和经营运作剧减 运筹的作用不再显著 再次 由于管理人员素质普遍提高 加上信息技术广泛普及 管理人员借助成熟方便的专用软件就可以解决基本的运筹问题 80年代开始 整个管理文化和取向从强调理性科学决策和长期规划转到重视企业文化 企业家素质 企业核心能力等 软 因素 50 60年代对运筹学和管理科学的尊崇已经不再 二是企业管理文化的转向 首先 由于企业趋向精简和扁平 再加上追求短期利润的压力 企业内各部门都不愿意安置运筹人员 宁愿有需要时再临时到社会上去请顾问专家 运筹工作者在企业内就很难生存 其次 从历史上看 运筹学在和平时期的兴起是在资金密集型大工业工程和企业增长分不开的 到了90年代 发达国家中这类企业的比重已明显减少 而劳动密集型 高技术密集的中小企业大量增加 这些中小型企业的管理人员在市场快速变化的情况下 倾向依靠捕捉市场信息和灵活的决策机制 与运筹 正规化长期化 思维有较大的距离 现在企业的生存更依赖于新产品开发和快速占领市场 在这方面 信息部门和产品开发部门显得更重要 从企业文化看 现在更强调团队精神 民主化管理和企业及员工的学习能力 与运筹的 科学性思维 有较大出入 三是运筹工作者自身素质和取向问题 系统工程工作者普遍缺乏推销公关能力和管理层的良好关系 以学术成果为导向而不是以解决企业急需为向导 缺乏对企业业务的了解和热情 对 意料之外 的需求缺乏灵活性 缺乏 项目后 的操作评估和后续支持 以自己熟悉的模型为导向而不是以实际问题为导向 应用面狭窄 太依赖于个别企业和部门 运筹队伍人员来源单一 缺乏跨部门综合分析问题的能力 只重视数量性生产计划安排 没有企业战略性决策提供有价值的支持 等等 调查报告花了大量篇幅分析了运筹学会本身工作和运筹学教学中的问题 报告指出 尽管运筹学的初创者们强调运筹的多学科性质 目前运筹已经退化成为一门应用少量数学模型解决技术性问题的技术 运筹学研究太偏重于数理化技术 而对数量化技术的追求又以学术部门的奖励制度为依归 与实践应用的需求严重脱节 运筹学期刊的论文基本上出自学术界之手 运筹学会中工业界人士大减 成了学者的一统天下 学术掌门人 对新兴的管理理论麻木不仁甚至排斥抵制 使运筹对新的管理理论和发展趋势丧失了沟通和吸收的能力 四 软 系统方法 由于80年代国际性的反思 在英 美已出现一批新的系统方法论 他们的共同特点是偏软 大多没有数学模型 而强调思考方法 工作过程和人的参与等 硬 与 软 两种方法的主要差别 前者能够通过问这样的问题而开始 必须设计什么系统来解决这个问题 或 什么系统将满足这个需要 并且能把问题和需要当作是 给定的 而后者却不得不允许在后面的阶段出现完全不可预料的回答 这一差别使得 软 方法论包含了比较阶段 而在 硬 方法中没有对应物 因此 软 方法论可被看作是一般情形 硬 方法论是它的特殊情形 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两类 所谓良结构系统是指偏重工程 机理明显的物理型的硬系统 它可以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 解决这类工程系统工程问题所用的方法通常称 硬 方法 霍尔三维结构主要适用于解决良结构的硬系统 所谓不良结构系统是指偏重社会 机理尚不清楚的软系统 它较难用数学模型描述 往往只能用半定量 半定性或者只能用定性的方法来处理问题 解决这类社会系统工程问题所用的方法 通常称为 软方法 软 的主要原因是它加入了人的判断和直觉 因此 解决问题时不像硬方法可以求出最佳的定量结果 而是所求出的结果一般是可行的满意解 切克兰德的 调查学习 模式属于这类 软方法 到目前为止 解决不良结构的软系统方法已提出一些 如专家调查法 情景分析法 冲突分析法等等 但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 它的方法步骤如下 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 由于80年代国际性的反思 在英 美已出现一批新的系统方法论 他们的共同点是偏软 大多没有数学模型 而强调思考方法 工作过程和人的参与等 切克兰德 调查学习 模式的特点 加入了人的判断和直觉 因此 解决问题时不像 硬 方法可以求出最佳的定量结果 而是所求出的结果一般是可行的满意解 即不是寻求 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 五 物理 事理 人理系统方法论 背景 90年代 日本椹木义一等 1987 提出了 西那雅卡那系统方法论 吸取了切克兰德等思想 但针对日本自己文化特点形成了一种又软又硬 刚柔相济的系统方法论 中国钱学森等则针对开放复杂巨系统提出了 综合集成系统方法论 王淙尘 1994 提出了 旋进原则方法论 顾基发和朱志昌提出 物理 事理 人理系统方法论 等一批东方系统方法论 物理 事理和人理的主要内容 物理主要涉及物质运动的机理 通常是要用到自然科学知识 主要回答这些 物 是什么 它需要的是真实性 事理是做事的道理 主要解决如何去安排这些物 通常用到管理科学方面的知识 主要回答怎样去做 人理是做人的道理 处理任何事和物都离不开人去做 以及由人来判断这些事和物是否得当 通常要用人文社会科学的知识 主要回答应当如何 物理 事理 人理系统方法论的过程 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 提出建议以上这些步骤有时需要反复进行 也可以将有些步骤提前进行 1 理解领导意图 我们从这儿开始也是考虑了东方特色 在中国 日本集中 集体 主要比西方远为强 在西方往往强调个性 民主 因此 他们喜欢从个人出发 不受任何领导意图左右而自由发表自己看法 美国的RAND公司工作的一个重要原则也是强调独立性 但是在中国搞任何一个项目 如果上来就摆开一种对着干的架势 那么你无从获取项目资金以及有关数据和信息 当然 我们提倡物理 事理和人理一体考虑 那就是后面我们还有调查物理情况 用科学方法分析预测可能的利弊 一个明事的领导他会改变原来不切实际的看法 同时只有对事物仔细分析后下的结论才会令人信服 这里领导也是广义的 可以是管理人员和技术决策人员 也可以是一般用户 其实 在西方也是把顾客看成上帝 提出种种方法去了解顾客的意图 特别现在新的信息系统方法论已经把用户参与 用户满意作为设计好信息系统的重要原则 2 调查分析这是一个物理分析过程 任何结论只能在仔细的情况调查之后 而不应在先 深入实际和邀请有实践经验的专家提出意见和看法是至关重要的 这儿主要需要 物理 3 形成目标作为一个复杂问题 往往一开始问题拟解决到什么程度 领导和系统分析工作者都不是很清楚 开始时领导的笼统的意图 经过调查后 问题到底能解决到什么程度 应有一初步共识 这就是形成目标的过程 这些目标会有与当初领导意图不完全一致的地方 同时在以后大量分析和进一步考虑后 可能还会有所改变 4 建立模型这里的模型是比较广义的 数学模型是其中一种 还可以是概念模型 甚至是一套可以运作的步骤 如程序 行动顺序 但它们是经过人们的抽象 理智 包括合乎情理的思考后形成的 这个过程主要是运用 事理 5 协调关系在处理问题时 由于不同人所拥有的知识不同 立场不同 利益不同 对同一问题 同一个目标 同一个方案往往会有不同的看法和感受 因此往往需要协调 这里 人理 是主要的 有时一个方案只是由于告诉人的次序 时间和地点有所不同 会造成