第二章系统工程方法论

1、第二章系统工程方法论,主要内容：1.系统工程的学科基础 ；2.西方系统工程方法论的发展 ；3.系统分析的原理及其应用 ；4系统工程方法论的新探素 。 学习重点：系统工程的学科基础 ；掌握几种典型的系统工程方法论 ；系统分析的应用 。,第一节系统工程的学科基础,系统工程学科性质： 在科学技术体系结构中，系统工程属于工程技术，是一门新兴的交叉学科。,第一节系统工程的学科基础,系统工程与一般工程比较的特点： 研究的对象广泛，包括人类社会、生态环境、自然现象和组织管理等； 系统工程是一门跨学科的边缘学科； 在处理复杂的大系统时，常采用定性分析和定量计算相结合的方法。,第一节系统工程的学科基础,系统工程

2、的发展 ： “孙子兵法” ;四川都江堰工程 ; 系统工程的萌芽时期可追溯到20世纪初的F.W.泰勒(F.W.Taylor）系统 ; 1940年，丹麦哥本哈根电话公司的厄兰（A.K.Erlang）和美国贝尔电话公司的莫利纳(E.C.Molina)将研制自动交换机的工作划分为规划、研究、开发、应用和通用工程五个阶段，提出排队论。,系统工程的发展,第二次世界大战时期，一些科学工作者以大规模军事行动为对象，提出了解决战争问题的一些决策和对策的方法和工程手段，产生了运筹学 ；战后迅速扩展到一般经营管理方面；如“曼哈顿工程”。 1945年,美国军部建立兰德公司(Rand),总结开发了许多系统数学分析法,奠

3、定了今天系统工程的基础。 1957年,美国学者顾杰(H.Goode)和马可尔(R.Machol)合著系统工程学(Systems Engineering),理论上首次总结。,系统工程的发展,60年代，电子计算机的普及，提供了强有力的运算工具和信息处理手段,系统工程在各领域开始形成独立的解决问题的体系,扩大了理论和实践的影响范围。 历时11年的“阿波罗登月计划”成功,引起了人们对系统工程的广泛关注。 70年代以来,系统工程得到迅速的普及与发展,各大专院校开设系统工程课程,各国成立系统工程研究所。,系统工程在我国的发展,20世纪50年代,中科院钱学森、许志国教授创导下，建立第一个运筹学小组。 60年

4、代著名数学家华罗庚大力推广优选法、统筹法；系统工程在国防武器装备研制方面取得显著成效。 1980年成立中国系统工程学会，系统工程在各个领域广泛应用并取得了许多成果。,第一节系统工程的学科基础,系统论、信息论、控制论（简称三论）、运筹学是系统科学的重要理论基础及工具。三论为系统科学的发展注入了新的思想，运筹学提供了定量分析的工具。,第一节系统工程的学科基础,一、控制论(cybernetics) 1控制论的产生与发展 1947年诺伯特维纳创立的控制论（Cybernetics）是一门研究系统控制的学科。 维纳于1948年出版了控制论一书，他对控制论的定义是“关于在动物和机器中控制和通讯的科学”,第一

5、节系统工程的学科基础,维纳的控制论阐明了两个基本观念：一个是一切有生命、无生命的系统都是信息系统；另一个是一切有生命、无生命的系统都是控制系统。,第一节系统工程的学科基础,2控制论经过了三个时期： (1) 20世纪40年代末至50年代是第一时期，即经典控制理论时期; (2) 20世纪60年代是第二时期，即现代控制理论时期; (3) 20世纪70年代是第三时期，即大系统控制理论时期。,第一节系统工程的学科基础,3.控制论的核心问题是信息的提取、处理、传播、存储和利用等一般问题。,第一节系统工程的学科基础,4.控制论的基本概念 (1)控制系统的构成 控制系统是由施控器、受控器和控制作用的传递者组成

6、 (2)系统的稳定性 第一类稳定性是指当外界变化不致使系统发生显著变化 ；第二类稳定性是指当系统所受到干扰偏离正常的状态时，在干扰消失后自动恢复其正常状态,第一节系统工程的学科基础,二、信息论(information theory) 1信息论的产生与发展 信息论的研究始于1948年申农在贝尔系统技术杂志上发表的著名长篇论文通信的数学理论,及1949年发表的续篇噪声下的通信标志信息论的产生。,第一节系统工程的学科基础,2信息论的定义 信息论是利用数学方法研究信息传输和信息处理一般规律的一门科学，是现代通信科学技术、现代计算机技术的理论基石之一。,第一节系统工程的学科基础,信息的特点 （1）信息源

7、于运动，无运动则无信息； （2）信息可以被感知、处理和利用，其符合人们认识事物的规律； （3）信息具有知识秉性，它能用以消除人们对事物运动状态或存在方式的认识上的不确定性。,第一节系统工程的学科基础,信息的特点 （4）信息依赖于物质而存在并在物质上传递、存储； （5）信息的使用价值具有相对性； （6）信息具有时效性； （7）信息不守恒。,第一节系统工程的学科基础,三、一般系统论 1.一般系统论的产生 美籍奥地利生物学家冯.贝朗菲在1945年关于一般系统论的发表，成为系统论的形成和发展。,第一节系统工程的学科基础,2.一般系统论的特点 (1)系统整体性； (2)系统开放性； (3)系统的动态相关

8、性； (4)系统的层次等级性; (5)系统的有序性.,第二节 西方系统工程方法论的发展,系统工程方法论： 系统工程的方法论是系统工程应用的基础和关键所在，系统工程处理问题的独特方法论是系统工程区别于其它各门科学的基本特征之一，系统工程处理问题的最基本出发点是将所分析的对象作为整体系统来考虑，这也是系统工程考虑问题的基本思想和工作方法,第二节 西方系统工程方法论的发展,系统工程与传统方法的区别： 系统工程实质上是方法论的科学，它的目标是通过什么样的方法可使系统达到最优，而方法论是把设想付诸实现的过程。传统方法解决问题的目标往往是单一的，比如设计一个产品或只强调成本低或只强调性能高，而系统工程对目

9、标的考虑需要从系统运行的全过程即时间方面以及在每个阶段中处理问题的特殊思维过程即逻辑方面，并综合运用各种专业知识即知识方面来综合考虑。,第二节 西方系统工程方法论的发展,系统工程方法论是指在更高层次上，指导人们正确应用系统工程的思想、方法和各种准则去处理问题，由于系统工程是一类包括许多门工程技术的一大工程技术门类，而且是高度综合的实用性很强的技术，因此，在系统工程的研究中逐渐形成了一套处理问题的基本方法过程（基本框架结构），这就是从系统的观点出发，采用系统分析的方法来分析和解决各种问题。,第二节 西方系统工程方法论的发展,一、1969 年，Hall 率先提出了基于时间维、逻辑维、知识维的三维结

10、构,第二节 西方系统工程方法论的发展,第二节 西方系统工程方法论的发展,1、时间维 (1)规划阶段 ：主要是按照设计要求提出系统目标，制定规划和政策。 (2)拟定阶段：完成的任务是提出具体的方案，进行系统的初步设计。 (3)分析阶段：对所设计的方案进行分析、比较。 (4)运筹阶段：方案的综合选优，确定最优实施方案。,第二节 西方系统工程方法论的发展,(5)实施阶段：系统的设计、安装及调试等。 (6)运行阶段：按照系统预定的用途工作。 (7)更新阶段：按系统要求实施，取消旧系统，代之以新系统，对系统改进。,第二节 西方系统工程方法论的发展,以三峡工程作为案例： 第一阶段： 1919年孙中山的建国

11、方略； 1944年5月的萨凡奇计划；,第二节 西方系统工程方法论的发展,以三峡工程作为案例： 第二阶段解决四个方面问题： 目标进行分解和量化； 提出实现目标的具体的方案； 实现技术、经济和社会方面、环境方面的保障； 根据具体方案，对工程成本费用和效益提出更加详细的计算。,第二节 西方系统工程方法论的发展,第三阶段：1958年到1993年10月 提出实施该系统的详细的研制方案； 提出详细的实施（生产或施工，包括往后各阶段）计划； 提出可供施工的蓝图。,第二节 西方系统工程方法论的发展,第四阶段： 根据系统研制阶段所提出的方案和生产计划，生产出系统的零部件和所有的设备和装置； 提出系统的安装计划；

12、 完成大坝以及全部水工结构的建筑； 提出未来的安装计划； 安置库区移民。,第二节 西方系统工程方法论的发展,第五、六、七阶段：安装、运行、更新。,第二节 西方系统工程方法论的发展,2.逻辑维 （1）明确问题：了解问题所处的环境，收集有关的数据和资料，主要目的是弄清问题。 （2）系统指标设计：确定所要解决问题的目标和相应的评价准则。,第二节 西方系统工程方法论的发展,（3）系统方案综合：为实现预期目标，拟定所需采取的策略和应选择的方案。 （4）系统分析：深入了解所提出的政策措施和解决方法，分析这些措施方法在实施中的预期效果。,第二节 西方系统工程方法论的发展,（5）系统方案的优化与选择：用数学规

13、划等定量的优化方法去判别各种方案的优劣，以进行方案选择。 （6）决策：以指标体系为评价准则，在考虑决策者的偏好等基础上，选择最优方案。 （7）实施计划：按决策结果制定实施方案和计划。,第二节 西方系统工程方法论的发展,3.知识维 知识维是指各工作步骤所需的各门专业知识，由于系统工程是个综合性的交叉学科，在上述各阶段中，执行任何一步都会涉及多种专业技术，如社会科学、工程技术、法律、商业、医药、艺术等等。,第二节 西方系统工程方法论的发展,二、1972 年，Hill 和 Warfeild 为克服约束条件复杂的多目标大系统组织方面的困难，在Hall 三维结构的基础上提出了统一规划法。其实质是对 Ha

14、ll 活动矩阵中规划阶段的具体展开，利用它可以较好实现对大型复杂系统的全面规划和总体安排。,第二节 西方系统工程方法论的发展,三、20 世纪 70 年代，系统工程开始逐步应用于社会、经济系统问题的研究，由于涉及的因素相当复杂且很多难以进行定量分析，Hall 三维结构此时已不再适用。为了适应发展的需要，Checkland 提出了软系统工程方法论。与 Hall 三维结构不同，Checkland 方法论的核心不是最优化而是比较或学习，即从模型和现状的比较中来学习改善现状的途径。Checkland 方法论是 Hall方法论的扩展。,Checkland 方法论流程,第二节 西方系统工程方法论的发展,良结

15、构系统：偏重工程、机理明显的物理型的硬系统，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。 不良结构系统：偏重社会、机理尚不清楚的生物型的软系统，较难用数学模型描述，往往只能用半定量、半定性的方法来处理。(专家调查法Delphi、情景分析法scenario、冲突分析法conflict analysis),第二节 西方系统工程方法论的发展,系统工程的软科学性是从系统工程的应用成果方 面分析的，由于系统工程处理的对象主要是信息 ，目的主要是对问题的分析，以便获得解决问题 的最优方案，供决策者决策使用。系统工程的软 科学性也可由其定义看出，它是一种方法论的科 学，寻求

16、的是系统目标综合最优的实施方案，然 而这一方案需要有决策者的支持，否则将失去意 义，这也是系统工程与传统方法的最根本区别。,第二节 西方系统工程方法论的发展,软科学性所表现出的特点： 所要研究的问题没有限制，但以人和社会问题为主，且将问题作为系统对待的意识较强； 所要处理的问题多数是带有政策性的，同时多半带有探讨未来的性质，所以十分关心未来的不定因素；,软科学性所表现出的特点,所要处理的问题包括了大量事实上不明确的东西；因此在分析中，不仅要重视客观上可定量化的问题，同时还要了解直观性和含糊不清之处； 从发现问题到最后实施解决方案的这一期间，多数情况下要充分利用模型。但是，所关心的不是“是否精确

17、”，而是该模型是否与目标相符，是否有用；,软科学性所表现出的特点,软科学所处理的问题跨学科的性质很强。为了能解决问题，应积极利用现有社会科学与自然科学的成果，而且要求有关专家在广泛的领域 内进行合作。,第三节系统分析原理及应用,一、系统分析的概念及其要素 1.系统分析的定义 系统工程方法论的基础是系统分析技术，系统分析是完成系统工程问题的中心环节。 广义的概念认为系统分析就是系统工程，系统分析是系统工程的同义词。 狭义的概念认为系统分析是系统工程的一项优化技术，是系统工程在非结构化问题决策中的具体应用。,一.系统分析的概念及其要素,系统分析的目的是在于分析系统内部与系统环境之间、系统内部各要素

18、之间的相互依赖、相互制约、相互促进的复杂关系，分析系统要素的层次结构关系及其对系统功能和目标的影响，通过建立系统的分析模型使系统各要素及其与环境之间的协调达到最佳状态，最终为系统决策提供依据。,一.系统分析的概念及其要素,2、系统分析的要素 系统分析有六个基本要素： （1）问题。一方面，问题代表研究的对象，另一方面，问题表示现实状况（现实系统）与希望状况（目标系统）的偏差。 （2）目的及目标。目的是对系统的总要求，目标是系统目的的具体化。 （3）方案。方案即达到目的及目标的途径。,一.系统分析的概念及其要素,（4）模型。模型是由说明系统本质的主要因素及其相互关系构成的。 （5）评价。评价即评定

19、不同方案对系统目的达到程度。 （6）决策者。决策者作为系统问题中的利益主体和行为主体，在系统分析中是一个不容忽视的重要因素。,二、 系统分析流程,（1）阐明问题,问题的性质和范围： 问题剖析报告：问题的结构、过程和势态 问题的目标： 目标的层次性； 目标的冲突性,（1）阐明问题,环境和条件 评价指标 合理性 层次性 收集和分析资料,（1）阐明问题,阶段结果报告：问题的由来与背景；重要性；可能采取行动的组织和个人；利益相关的组织和个人；目标、评价指标、约束条件、备选方案的初步描述、建议等。 阐明问题阶段约占系统分析全过程的时间的20%-25%。,（2）谋划备选方案,方案的提出 “集体创造”法 或

20、“头脑风暴法” “缺点、希望点”列举法 特性穷举法 方案的筛选 强状性（稳定性） 适应性 可靠性 现实性 （可操作性）,（3）预测未来环境,情景分析法 ：情景分析法对于每种备选方案都确定几组未来实施环境的特征和条件，如按“乐观”、“正常”和“悲观”的环境；也可按出现可能性大、正常和特殊的环境等进行预测。,（4）建模和预计后果,每种方案实施后都相应有一系列后果，因此本阶段的首要工作便是确定应该预计哪些后果？其中哪些最重要？选定后果项目后，便可着手建立一个或多个模型预计行动和后果指标之间的关系。 系统分析的主要模型有图形模型、分析模型、仿真模型、博弈模型和判断模型。,（5）评比备选方案,各种备选方案在不同情景下的后果估计出来之后，便可着手方案评比，方案评比便是依据所建立的评价指标对各方