第三章系统工程方法论

第三章系统工程方法论系统工程方法论方法和方法论在认识上是两个不同的范畴。方法是用于完成一个既定任务的具体技术和操作；而方法论是进行研究和探索的一般途径，是对方法如何使用的指导。系统工程方法论是研究和探索（复杂）系统问题的一般规律和途径。

系统工程方法论特点:研究方法强调整体性技术应用强调综合性管理决策强调科学性系统工程的任务用系统的思想和方法重新评价、预测、分析和规划现有的系统，使其充分挖掘潜力，具有新的功能，或找出改进完善的方向，一般称之为“系统化”。在开发新的系统过程中，解决系统的最优设计、最优管理、最优控制、最优制造等一系列问题，这些问题多属于工程技术系统。”最优化”系统思想一、总体思想直接要开发的对象系统――内部系统围绕该对象系统的各种环境条件和其他因素――外部系统“内部系统”＋“外部系统”＝总体系统“外部系统”要求＋约束＋干扰→对内部系统的“输入”“内部系统”对“外部系统”也有要求、影响、干扰→内部系统的“输出”内部系统外部系统输入输出系统工程的总体思想：从系统总体出发，充分考虑“输入”和“输出”的各种因素开发内部系统二、最优思想要追求系统的总体最优，不是局部最优。系统工程的主要任务是开发整体（综合）最优系统为达到系统整体最优建立目标体系和评价体系三、组合思想组合思想即：合理选择要素，既能满足系统目标、又没有不必要的要素选择要素的原则：尽可能选已有要素、尽可能选标准化、规格化、通用化的要素四、分解和协调思想复杂的大系统可以分解为结构相对简单的若干子系统，简化处理同一级的子系统相互关联，要求相互之间密切配合，协调完成大系统的任务――是为协调原则：目标分解，功能协调五、反馈思想反馈的信息用来分析、评价、决策支持反馈方法：市场调查、民意测验3.1系统工程方法论的框架阐明问题谋划备选方案建模预计后果评比备选方案预测未来环境约束条件目标评价指标备选方案后果原始情况提供分析结果调整约束重新阐明问题阐明问题分析研究评价比较一、阐明问题阶段几个基本概念：问题和解决问题（提出问题和解决问题）“硬”问题和”软”问题决策者，提出问题者，委托人和系统工程人员提出问题者——提出问题，但并不一定有明确目标决策者——根据提出的问题，明确目标，选择工程人员工程人员——实现决策者的目标委托人——决策者把问题交给委托人来处理阐明问题阶段工作内容：问题剖析报告问题性质报告：结构、过程、态势问题条件报告：环境因素方式：与决策者及有关人员开展对话阶段结果报告目标分析评价指标约束条件问题性质提出问题确定内部系统的构成，确定原则如下：对所研究的问题或系统具有举足轻重的影响具有可控制性对系统行为产生直接影响问题条件，人、财、物，以及外部系统（环境因素）对所研究的系统能产生作用或影响，但不属于系统因素的，划归为环境。环境通常是指存在于系统外的物质的、能量的、信息的相关因素的总称。问题剖析报告阶段结果报告问题的由来和背景，重要性可以选择的工程技术人员提出大致的目标和评价指标备选方案的初步描述目标—系统期望达到的结果目标分类：（多目标/单目标）高层目标：易被更多人接受，但实现困难大低层目标：容易实现，但会出现以偏概全确定原则：长远性总体性可行性单义性如：改善整个地区的医疗保健改善公共交通安全状况具体性标准性一致性有序性评价指标：合理的评价指标能反映达到目标的程度。通过设定权重变多指标为单一指标约束条件：对备选方案、后果和目标的限制。物理定律自然条件资源限制国家政策二、谋划备选方案提出方案：考虑一切可能的方案筛选方案：考虑方案的可行性工程技术人员在这个阶段面临着专业判断的问题忠实于科学还是忠实于所属组织原来推崇的方案在分析过程中发现了许多错误，有没有勇气否定它。

方案的特性：鲁棒性（强壮性）：在受到干扰的情况下，继续维持正常后果的程度适应性（弹性）：目标经过修正甚至变动的情况下，原方案仍能适用可靠性：系统在任何时候正常工作的可能性可操作性：方案实施的可能性三、建模和预估后果模型的定义系统的模型就是对系统特征的概括和描述模型是对系统这一实体的抽象系统模型帮助人们对系统加深理解，进行评价、决策建模技术结构模型：描述系统结构分析模型：理想模型仿真模型：模仿真实对象博弈模型：加入人的因素的模型判断模型：讨论结果（情景分析法）三、建模和预估后果建模过程选择合适的模型和筛选数据确定模型结构、选定参数、编制计算机程序等应用和改进模型四、预测未来环境环境：决策人无法控制的自然，经济，社会和技术的未来状况预测未来环境要求有备选方案系统工程人员要针对不同的环境，提出相应的决策环境的不确定性导致系统工程的“不确定性”“情景分析”是解决环境问题的最佳方法五、评比备选方案一、评价方案的困难方案的后果依不同环境情况而定，在不同的情景中方案后果不同不同情景下的结果（指标）如何统一（如短期与长期）在统一的过程中，指标的权重如何确定二、已有的方法：1、成本-效益分析2、综合评价方法3、多目标决策方法效用值理论六、系统工程分析报告简略报告——决策者主体报告——较低的决策人员技术报告——专家审批和技术交流

系统分析（SA）是从运筹学OR（OperationResearch）派生出来的，20世纪40年代末期成名于美国兰德(RAND)公司的工作。早期是一种定量分析方法。早期主要应用于武器S，现已扩展到社会经济S，并由此产生了政策科学PS。如Krone：《SystemAnalysisandPolicySciences》一书，已有中译本。3.2系统分析概述系统分析是对一个系统的基本问题，采用系统方法进行分析研究，包括研究领导者意图，明确主要问题，确定系统目标，开发可行方案，建立系统模型，进行定性与定量相结合的分析，全面评价和优化可行方案，为领导者的科学决策提供科学、可靠的依据。因此，系统分析是一种辅助领导决策的系统方法。

对于SA的解释有广义与狭义之分。广义解释：SA＝SE狭义解释：SASE，它是SE的一个逻辑步骤。美国学者奎德（E.S.Quade）认为，系统分析是通过一系列的步骤，帮助领导者选择最优方案的一种系统方法。3.2系统分析概述一、系统分析(SystemAnalysisSA)的定义目标：即对S的要求，它是SA的基础；可行方案：能实现S目标的各种可能途径、措施和方法；费用：用货币形式表示的每一方案所需消耗的全部资源；模型：对S的本质描述，是方案的表达形式；效果：S达到目标后所得到的结果，它既可用货币形式表示，也可用其它指标来评价；准则：目标的具体化、S价值的量度，以评价方案优劣；结论：SA得到的结果，具体形式有报告、建议或意见等。3.2系统分析概述二、系统分析的要素七个要素组成的SA要素结构图A1A3A2A4A5目标研究模型效果（＋）费用（－）准则A1A3A2A4A5评价可行方案结论二、系统分析的要素五、系统分析的步骤认识问题探寻目标综合方案模型化优化或仿真分析系统评价决策YN初步分析规范分析综合分析3.3系统工程方法论

最具代表性的系统工程方法论有:霍尔“三维结构”并行工程综合集成方法切克兰德的“学习调查”法物理—事理—人理（WSR）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：定义特点解决的方法良结构S偏重工程、机理明显的物理型的硬S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。用“硬方法”求出最佳的定量结果，霍尔的三维结构主要适用于此。不良结构S偏重社会、机理尚不清楚的生物型的软S较难用数学模型描述，因其加入了人的直觉和判断，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。用“软方法”求出可行的满意解，常用德尔菲法、情景分析法、冲突分析法、切克兰德的“调查学习”法等。1、霍尔的三维结构（1969年提出）20世纪60～70年代具有代表性的SE方法论。将系统的整个管理过程分为前后紧密相连的六个阶段和七个步骤，并同时考虑到为完成这些阶段和步骤的工作所需的各种专业管理知识。三维结构由时间维、逻辑维、知识维组成，如图示：一、霍尔“三维结构”模型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知识维（科学技术）逻辑维（方法步骤）时间维（时间进程）明确问题选择目标方案综合系统分析方案优化作出决策付诸实施ABCDEFG654321规划阶段方案阶段研制阶段生产阶段运行阶段更新阶段一、霍尔“三维结构”模型知识维：指在完成上述各阶段和各步骤所需要的各种专业知识和管理知识。逻辑维：每个阶段需进行的工作步骤，是运用系统工程方法进行思考、分析和解决问题应遵循的一般程序。时间维：从规划到更新，按时间顺序排列的SE全过程。运用SE知识，把三维结构中的六个时间阶段和七个逻辑步骤结合起来，便形成所谓霍尔管理矩阵如下：逻辑维（步骤）时间维（阶段）1明确问题2选择目标3系统综合4系统分析5方案优化6作出决策7付诸实施1.规划阶段a11a12a13a14a15a16a172.方案阶段a21a22a23a24a25a26a273.研制阶段a31a32a33a34a35a36a374.生产阶段a41a42a43a44a45a46a475.运行阶段a51a52a53a54a55a56a576.更新阶段a61a62a63a64a65a66a67一、霍尔管理矩阵代表一项具体的管理活动在这个过程系统中，每一阶段都有自己的管理内容和管理目标，每一步骤都有自己的管理手段和管理方法，彼此相互联系，再加上具体的管理对象，组成了一个有机整体。霍尔管理矩阵可以提醒人们在哪个阶段该做哪一步工作，同时明确各项具体工作在全局中的地位和作用，从而使工作得到合理安排。把系统工程过程系统运用于大型工程项目，尤其是探索性强、技术复杂、投资大、周期长的“大科学”研究项目，可以减少决策上的失误和计划实施过程中的困难。一、基于“三维结构”模型的系统工程过程系统国内外许多事例表明，运用科学的系统工程过程系统管理方法，决策的可靠性可提高一倍以上，节约时间和总投资平均在15%以上，而用于管理的费用一般只占总投资的3%～6%。在规划和方案探索阶段，只花去装备寿命周期费用的极少部分，但确定了装备一生要花费用的70%；全面工程研制之前，花费的费用占到寿命周期费用的3%，但固定了寿命周期费用的85%；研制结束时，装备寿命周期费用已被基本固定。基于“三维结构”模型的系统工程过程系统

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。二、切克兰德的“调查学习”法——针对不良结构S二、切克兰德的“调查学习”法概念模型代替数学模型，思路更加开阔。满意解代替最优解，价值观方面的重要变化。问题及环境的识别与表达建立概念模型（目标系统概念化）根底定义比较寻求改善途径选择设计实施评估方法步骤如下：

(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。切克兰德的“调查学习”法三、霍尔三维结构和切克兰德方法论比较霍尔三维结构和切克兰德方法论均为系统工程方法论，均以问题为起点，具有相应的逻辑过程。在此基础上，两种方法论主要存在以下不同点：

（1）霍尔方法论主要以工程系统为研究对象，而切克兰德方法更适合于对社会经济和经营管理等“软”系统问题的研究。

（2）前者的核心内容是优化分析，而后者的核心内容是比较学习。

（3）前者更多关注定量分析方法，而后者比较强调定性或定性与定量有机结合的基本方法。方法定量分析法——定量方法适用于S结构清楚，收集到的信息准确，能建立数模的对象。可采用投入产出分析法、成本效益分析法等方法。定性分析法——当S结构不清、收集到的信息不太准确，或是由于评价者的偏好不一，对于所提方案评价不一致，难以形成常规的数学模型时，可采用目标-手段分析法、因果分析法、KJ法等方法。3.4系统初步分析方法一、系统初步分析的要点3.4系统初步分析概述当我们接受了某个系统的开发任务时，我们必须首先设定问题，然后才能对问题进行分析研究，找到解决问题的对策。如果拟出下列疑问句自问自答，就很容易抓住问题的要点，找到解决问题的关键。（5W1H）1任务的对象是什么?即要干什么?(What)2这个任务何以需要?即为什么这样干?(Why)3它在什么时候和什么样的情况下使用?即何时干?(When)4使用的场所在哪里?即在何处干?(Where)5是以谁为对象的系统?即谁来干?(Who)6怎样才能解决问题?即如何干?(How)项目为什么应该如何采用什么对策目的对象为什么提出这个问题？为什么从此入手？应提什么？应找哪个？删去工作中不必要部分时间地点人为什么在这时做？为什么在这里做？为什么由此人做？应何时做？应在何处做？应由谁做？合并重复的工作内容方法为什么这样做？如何去做？使工作尽量简化一、系统分析的要点3.4系统分析概述“5W1H”方法

某省拟建一座核电厂，能源部、财政部和发展计划委员会等有关部门就要针对核电厂的建设问题，拟定一份问题要点进行分析研究，并提出解决问题的答案。1、要干什么?在研究该省核电厂的建立问题时，就是用系统分析方法探讨在该省建设核电厂的可行性如何。2、为什么在该省建立核电厂?因为该省自产能源很少，历来靠从外省调进原油和煤炭发电，调进能源受经济、交通运输等影响太大，同时也为了减少环境污染和在经济上求得更廉价的电力。3、何时建立为宜?电力是工业的先行官，要发展经济首先要发展电力工业。当前世界屡发能源危机，因此，为保证经济的稳定与发展，建设核电厂是刻不容缓的事情。例：台湾省核电建设的SA“5W1H”方法

4、何处建厂为宜?从避开地震、断裂、海啸、流沙区而又有足够冷却水，远离人口密集的中心城市而又比较接近用电地区等方面来看，选址该省南部沿海为宜。5、由何单位承建?由核工业部门及电力公司负责建设，并请工程顾问公司提供各种技术方面的咨询服务工作。6、如何进行?工程进度应服从十年发电规划，具体技术细节还须由工程顾问公司作进一步研后再提出。运用“5W1H”式的疑问句对开发任务提问，除上述问题外还能想出其它一些问题。在系统开发的各个阶段，所要解决的问题应从宏观逐渐转移到微观，因此，对这些疑问的回答也要按照不同阶段而改变。1、目标—手段分析法将要达到的目标和所需手段按照系统展开，一级手段等于二级目标，二级手段等于三级目标，依次类推，便产生了层次分明、相互联系又逐渐具体化的分层目标系统。在目标分解过程中，要注意使分解的分目标与总目标保持一致，分目标的集合一定要保证总目标的实现。此法的实质是运用效能原理不断进行分析的过程。

目标手段目标手段目标发展能源发展能源生产开发新能源节能资源勘探基地建设运输太阳能生物能潮汐能综合利用节能设备二、系统初步分析方法

1、目标—手段分析法2、因果分析法

利用因果分析图（鱼刺图）来分析影响系统的因素，并从中找出产生某种结果的主要原因的一种定性分析方法。此法形象简单，一目了然，问题越复杂越能发挥其长处，适宜于集体讨论，统一意见和向领导机关汇报工作。因果分析图（鱼刺图）x2xix1x3xnyx21x23x12x14x13x11x32x31x33x34xn1xn3xn2xn4x22x24xij例：某工厂用于分析产品质量不稳定的因果分析图3、KJ法日本东京工业大学的川喜田二郎(KauakidaJir)教授提出的一种直观的定性分析方法。它的基本原理是：把一个个信息做成卡片，将这些卡片摊在桌子上观察其全部，把有“亲近性”的卡片集中起来合并，依次做下去，依据信息的相关性（“亲近性”）逐渐合并成小组→中组→大组，然后画出问题的整体结构图，分析其含义，取得对问题的明确认识，最后求得问题整体的构成。3、KJ法它是从很多具体信息中归纳出问题整体含义的一种分析方法，故又称信息卡片归类法。这种方法把人们对图形的思考功能与直觉的综合能力很好地结合起来，不需要特别的手段和知识，不论是个人或者团体都能简便地实行，因此，是分析复杂问题的一种有效的方法。例：我国社会的老龄化问题分析。1、劳动力不足16、年轻人提拔难31、社会需求改变2、家庭不和睦17、管理制度不适应32、生活环境变化3、出生率下降18、教育设施不适应33、食物结构改变4、需照顾的老人增多19、社会福利开支大34、服务行业增加5、平均寿命增加20、要求退休年龄增大35、服务人员不足6、生活水平下降21、青少年感到孤独36、教育设施不适应7、老年人孤独22、老年人不受尊敬37、娱乐设施不适应8、思想僵化23、社会创造力下降38、青年人受压抑9、社会缺乏活力24、衣着式样不适应39、不易产生新思想10、“代沟”加深