【學習課件】第二章系統(tǒng)工程方法論

1、第二章系統(tǒng)工程方法論主要內(nèi)容：1.系統(tǒng)工程的學科基礎(chǔ) ；2.西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 ；3.系統(tǒng)分析的原理及其應(yīng)用 ；4系統(tǒng)工程方法論的新探素 。學習重點：系統(tǒng)工程的學科基礎(chǔ) ；掌握幾種典型的系統(tǒng)工程方法論 ；系統(tǒng)分析的應(yīng)用 。 第一節(jié)系統(tǒng)工程的學科基礎(chǔ) 系統(tǒng)工程學科性質(zhì)： 在科學技術(shù)體系結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)工程屬于工程技術(shù)，是一門新興的交叉學科。第一節(jié)系統(tǒng)工程的學科基礎(chǔ) 系統(tǒng)工程與一般工程比較的特點：研究的對象廣泛，包括人類社會、生態(tài)環(huán)境、自然現(xiàn)象和組織管理等；系統(tǒng)工程是一門跨學科的邊緣學科；在處理復(fù)雜的大系統(tǒng)時，常采用定性分析和定量計算相結(jié)合的方法。第一節(jié)系統(tǒng)工程的學科基礎(chǔ) 系統(tǒng)工程的發(fā)展 ：“孫

2、子兵法” ;四川都江堰工程 ;系統(tǒng)工程的萌芽時期可追溯到20世紀初的F.W.泰勒(F.W.Taylor）系統(tǒng) ;1940年，丹麥哥本哈根電話公司的厄蘭（A.K.Erlang）和美國貝爾電話公司的莫利納(E.C.Molina)將研制自動交換機的工作劃分為規(guī)劃、研究、開發(fā)、應(yīng)用和通用工程五個階段，提出排隊論。系統(tǒng)工程的發(fā)展第二次世界大戰(zhàn)時期，一些科學工作者以大規(guī)模軍事行動為對象，提出了解決戰(zhàn)爭問題的一些決策和對策的方法和工程手段，產(chǎn)生了運籌學 ；戰(zhàn)后迅速擴展到一般經(jīng)營管理方面；如“曼哈頓工程”。1945年,美國軍部建立蘭德公司(Rand),總結(jié)開發(fā)了許多系統(tǒng)數(shù)學分析法,奠定了今天系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)。1

3、957年,美國學者顧杰(H.Goode)和馬可爾(R.Machol)合著系統(tǒng)工程學(Systems Engineering),理論上首次總結(jié)。系統(tǒng)工程的發(fā)展60年代，電子計算機的普及，提供了強有力的運算工具和信息處理手段,系統(tǒng)工程在各領(lǐng)域開始形成獨立的解決問題的體系,擴大了理論和實踐的影響范圍。歷時11年的“阿波羅登月計劃”成功,引起了人們對系統(tǒng)工程的廣泛關(guān)注。70年代以來,系統(tǒng)工程得到迅速的普及與發(fā)展,各大專院校開設(shè)系統(tǒng)工程課程,各國成立系統(tǒng)工程研究所。系統(tǒng)工程在我國的發(fā)展20世紀50年代,中科院錢學森、許志國教授創(chuàng)導(dǎo)下，建立第一個運籌學小組。60年代著名數(shù)學家華羅庚大力推廣優(yōu)選法、統(tǒng)籌法；

4、系統(tǒng)工程在國防武器裝備研制方面取得顯著成效。1980年成立中國系統(tǒng)工程學會，系統(tǒng)工程在各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并取得了許多成果。第一節(jié)系統(tǒng)工程的學科基礎(chǔ) 系統(tǒng)論、信息論、控制論（簡稱三論）、運籌學是系統(tǒng)科學的重要理論基礎(chǔ)及工具。三論為系統(tǒng)科學的發(fā)展注入了新的思想，運籌學提供了定量分析的工具。 第一節(jié)系統(tǒng)工程的學科基礎(chǔ) 一、控制論(cybernetics) 1控制論的產(chǎn)生與發(fā)展1947年諾伯特維納創(chuàng)立的控制論（Cybernetics）是一門研究系統(tǒng)控制的學科。 維納于1948年出版了控制論一書，他對控制論的定義是“關(guān)于在動物和機器中控制和通訊的科學” 第一節(jié)系統(tǒng)工程的學科基礎(chǔ) 維納的控制論闡明了兩個基本

5、觀念：一個是一切有生命、無生命的系統(tǒng)都是信息系統(tǒng)；另一個是一切有生命、無生命的系統(tǒng)都是控制系統(tǒng)。 第一節(jié)系統(tǒng)工程的學科基礎(chǔ) 2控制論經(jīng)過了三個時期：(1) 20世紀40年代末至50年代是第一時期，即經(jīng)典控制理論時期;(2) 20世紀60年代是第二時期，即現(xiàn)代控制理論時期;(3) 20世紀70年代是第三時期，即大系統(tǒng)控制理論時期。 第一節(jié)系統(tǒng)工程的學科基礎(chǔ) 3.控制論的核心問題是信息的提取、處理、傳播、存儲和利用等一般問題。第一節(jié)系統(tǒng)工程的學科基礎(chǔ) 4.控制論的基本概念 (1)控制系統(tǒng)的構(gòu)成 控制系統(tǒng)是由施控器、受控器和控制作用的傳遞者組成 (2)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 第一類穩(wěn)定性是指當外界變化不致使系

6、統(tǒng)發(fā)生顯著變化 ；第二類穩(wěn)定性是指當系統(tǒng)所受到干擾偏離正常的狀態(tài)時，在干擾消失后自動恢復(fù)其正常狀態(tài) 第一節(jié)系統(tǒng)工程的學科基礎(chǔ) 二、信息論(information theory) 1信息論的產(chǎn)生與發(fā)展 信息論的研究始于1948年申農(nóng)在貝爾系統(tǒng)技術(shù)雜志上發(fā)表的著名長篇論文通信的數(shù)學理論,及1949年發(fā)表的續(xù)篇噪聲下的通信標志信息論的產(chǎn)生。 第一節(jié)系統(tǒng)工程的學科基礎(chǔ) 2信息論的定義 信息論是利用數(shù)學方法研究信息傳輸和信息處理一般規(guī)律的一門科學，是現(xiàn)代通信科學技術(shù)、現(xiàn)代計算機技術(shù)的理論基石之一。第一節(jié)系統(tǒng)工程的學科基礎(chǔ) 信息的特點（1）信息源于運動，無運動則無信息；（2）信息可以被感知、處理和利用，其

7、符合人們認識事物的規(guī)律；（3）信息具有知識秉性，它能用以消除人們對事物運動狀態(tài)或存在方式的認識上的不確定性。第一節(jié)系統(tǒng)工程的學科基礎(chǔ) 信息的特點（4）信息依賴于物質(zhì)而存在并在物質(zhì)上傳遞、存儲；（5）信息的使用價值具有相對性；（6）信息具有時效性；（7）信息不守恒。第一節(jié)系統(tǒng)工程的學科基礎(chǔ)三、一般系統(tǒng)論1.一般系統(tǒng)論的產(chǎn)生美籍奧地利生物學家馮.貝朗菲在1945年關(guān)于一般系統(tǒng)論的發(fā)表，成為系統(tǒng)論的形成和發(fā)展。 第一節(jié)系統(tǒng)工程的學科基礎(chǔ)2.一般系統(tǒng)論的特點 (1)系統(tǒng)整體性；(2)系統(tǒng)開放性；(3)系統(tǒng)的動態(tài)相關(guān)性；(4)系統(tǒng)的層次等級性;(5)系統(tǒng)的有序性.第二節(jié) 西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 系統(tǒng)工

8、程方法論：系統(tǒng)工程的方法論是系統(tǒng)工程應(yīng)用的基礎(chǔ)和關(guān)鍵所在，系統(tǒng)工程處理問題的獨特方法論是系統(tǒng)工程區(qū)別于其它各門科學的基本特征之一，系統(tǒng)工程處理問題的最基本出發(fā)點是將所分析的對象作為整體系統(tǒng)來考慮，這也是系統(tǒng)工程考慮問題的基本思想和工作方法 第二節(jié) 西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 系統(tǒng)工程與傳統(tǒng)方法的區(qū)別：系統(tǒng)工程實質(zhì)上是方法論的科學，它的目標是通過什么樣的方法可使系統(tǒng)達到最優(yōu)，而方法論是把設(shè)想付諸實現(xiàn)的過程。傳統(tǒng)方法解決問題的目標往往是單一的，比如設(shè)計一個產(chǎn)品或只強調(diào)成本低或只強調(diào)性能高，而系統(tǒng)工程對目標的考慮需要從系統(tǒng)運行的全過程即時間方面以及在每個階段中處理問題的特殊思維過程即邏輯方面，并綜合運

9、用各種專業(yè)知識即知識方面來綜合考慮。第二節(jié) 西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 系統(tǒng)工程方法論是指在更高層次上，指導(dǎo)人們正確應(yīng)用系統(tǒng)工程的思想、方法和各種準則去處理問題，由于系統(tǒng)工程是一類包括許多門工程技術(shù)的一大工程技術(shù)門類，而且是高度綜合的實用性很強的技術(shù)，因此，在系統(tǒng)工程的研究中逐漸形成了一套處理問題的基本方法過程（基本框架結(jié)構(gòu)），這就是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，采用系統(tǒng)分析的方法來分析和解決各種問題。第二節(jié) 西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 一、1969 年，Hall 率先提出了基于時間維、邏輯維、知識維的三維結(jié)構(gòu) 第二節(jié) 西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 邏輯維知識維時間維第二節(jié) 西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 1、時間維

10、(1)規(guī)劃階段 ：主要是按照設(shè)計要求提出系統(tǒng)目標，制定規(guī)劃和政策。(2)擬定階段：完成的任務(wù)是提出具體的方案，進行系統(tǒng)的初步設(shè)計。(3)分析階段：對所設(shè)計的方案進行分析、比較。(4)運籌階段：方案的綜合選優(yōu)，確定最優(yōu)實施方案。第二節(jié) 西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 (5)實施階段：系統(tǒng)的設(shè)計、安裝及調(diào)試等。(6)運行階段：按照系統(tǒng)預(yù)定的用途工作。(7)更新階段：按系統(tǒng)要求實施，取消舊系統(tǒng)，代之以新系統(tǒng)，對系統(tǒng)改進。第二節(jié) 西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 以三峽工程作為案例： 第一階段： 1919年孫中山的建國方略；1944年5月的薩凡奇計劃； 第二節(jié) 西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 以三峽工程作為案例： 第二階

11、段解決四個方面問題：目標進行分解和量化；提出實現(xiàn)目標的具體的方案；實現(xiàn)技術(shù)、經(jīng)濟和社會方面、環(huán)境方面的保障；根據(jù)具體方案，對工程成本費用和效益提出更加詳細的計算。第二節(jié) 西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 第三階段：1958年到1993年10月 提出實施該系統(tǒng)的詳細的研制方案；提出詳細的實施（生產(chǎn)或施工，包括往后各階段）計劃；提出可供施工的藍圖。 第二節(jié) 西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 第四階段：根據(jù)系統(tǒng)研制階段所提出的方案和生產(chǎn)計劃，生產(chǎn)出系統(tǒng)的零部件和所有的設(shè)備和裝置；提出系統(tǒng)的安裝計劃；完成大壩以及全部水工結(jié)構(gòu)的建筑；提出未來的安裝計劃；安置庫區(qū)移民。 第二節(jié) 西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 第五、六、七階段

12、：安裝、運行、更新。 第二節(jié) 西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 2.邏輯維（1）明確問題：了解問題所處的環(huán)境，收集有關(guān)的數(shù)據(jù)和資料，主要目的是弄清問題。（2）系統(tǒng)指標設(shè)計：確定所要解決問題的目標和相應(yīng)的評價準則。第二節(jié) 西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 （3）系統(tǒng)方案綜合：為實現(xiàn)預(yù)期目標，擬定所需采取的策略和應(yīng)選擇的方案。（4）系統(tǒng)分析：深入了解所提出的政策措施和解決方法，分析這些措施方法在實施中的預(yù)期效果。第二節(jié) 西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 （5）系統(tǒng)方案的優(yōu)化與選擇：用數(shù)學規(guī)劃等定量的優(yōu)化方法去判別各種方案的優(yōu)劣，以進行方案選擇。（6）決策：以指標體系為評價準則，在考慮決策者的偏好等基礎(chǔ)上，選擇最優(yōu)方案。（

13、7）實施計劃：按決策結(jié)果制定實施方案和計劃。第二節(jié) 西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 3.知識維知識維是指各工作步驟所需的各門專業(yè)知識，由于系統(tǒng)工程是個綜合性的交叉學科，在上述各階段中，執(zhí)行任何一步都會涉及多種專業(yè)技術(shù)，如社會科學、工程技術(shù)、法律、商業(yè)、醫(yī)藥、藝術(shù)等等。第二節(jié) 西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 二、1972 年，Hill 和 Warfeild 為克服約束條件復(fù)雜的多目標大系統(tǒng)組織方面的困難，在Hall 三維結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了統(tǒng)一規(guī)劃法。其實質(zhì)是對 Hall 活動矩陣中規(guī)劃階段的具體展開，利用它可以較好實現(xiàn)對大型復(fù)雜系統(tǒng)的全面規(guī)劃和總體安排。 第二節(jié) 西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 三、20 世紀 7

14、0 年代，系統(tǒng)工程開始逐步應(yīng)用于社會、經(jīng)濟系統(tǒng)問題的研究，由于涉及的因素相當復(fù)雜且很多難以進行定量分析，Hall 三維結(jié)構(gòu)此時已不再適用。為了適應(yīng)發(fā)展的需要，Checkland 提出了軟系統(tǒng)工程方法論。與 Hall 三維結(jié)構(gòu)不同，Checkland 方法論的核心不是最優(yōu)化而是比較或?qū)W習，即從模型和現(xiàn)狀的比較中來學習改善現(xiàn)狀的途徑。Checkland 方法論是 Hall方法論的擴展。 Checkland 方法論流程 闡明問題謀劃備選方案建模和預(yù)計后果評比備選方案預(yù)測未來環(huán)境第二節(jié) 西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 良結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：偏重工程、機理明顯的物理型的硬系統(tǒng)，可以用較明顯的數(shù)學模型描述，有較現(xiàn)成的定量

15、方法可以計算出系統(tǒng)的行為和最佳結(jié)果。 不良結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：偏重社會、機理尚不清楚的生物型的軟系統(tǒng)，較難用數(shù)學模型描述，往往只能用半定量、半定性的方法來處理。(專家調(diào)查法Delphi、情景分析法scenario、沖突分析法conflict analysis)第二節(jié) 西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 系統(tǒng)工程的軟科學性是從系統(tǒng)工程的應(yīng)用成果方面分析的，由于系統(tǒng)工程處理的對象主要是信息，目的主要是對問題的分析，以便獲得解決問題的最優(yōu)方案，供決策者決策使用。系統(tǒng)工程的軟科學性也可由其定義看出，它是一種方法論的科學，尋求的是系統(tǒng)目標綜合最優(yōu)的實施方案，然而這一方案需要有決策者的支持，否則將失去意義，這也是系統(tǒng)工程與傳

16、統(tǒng)方法的最根本區(qū)別。第二節(jié) 西方系統(tǒng)工程方法論的發(fā)展 軟科學性所表現(xiàn)出的特點：所要研究的問題沒有限制，但以人和社會問題為主，且將問題作為系統(tǒng)對待的意識較強；所要處理的問題多數(shù)是帶有政策性的，同時多半帶有探討未來的性質(zhì)，所以十分關(guān)心未來的不定因素； 軟科學性所表現(xiàn)出的特點所要處理的問題包括了大量事實上不明確的東西；因此在分析中，不僅要重視客觀上可定量化的問題，同時還要了解直觀性和含糊不清之處； 從發(fā)現(xiàn)問題到最后實施解決方案的這一期間，多數(shù)情況下要充分利用模型。但是，所關(guān)心的不是“是否精確”，而是該模型是否與目標相符，是否有用； 軟科學性所表現(xiàn)出的特點軟科學所處理的問題跨學科的性質(zhì)很強。為了能解決

17、問題，應(yīng)積極利用現(xiàn)有社會科學與自然科學的成果，而且要求有關(guān)專家在廣泛的領(lǐng)域內(nèi)進行合作。 第三節(jié)系統(tǒng)分析原理及應(yīng)用 一、系統(tǒng)分析的概念及其要素1.系統(tǒng)分析的定義 系統(tǒng)工程方法論的基礎(chǔ)是系統(tǒng)分析技術(shù)，系統(tǒng)分析是完成系統(tǒng)工程問題的中心環(huán)節(jié)。廣義的概念認為系統(tǒng)分析就是系統(tǒng)工程，系統(tǒng)分析是系統(tǒng)工程的同義詞。狹義的概念認為系統(tǒng)分析是系統(tǒng)工程的一項優(yōu)化技術(shù)，是系統(tǒng)工程在非結(jié)構(gòu)化問題決策中的具體應(yīng)用。 一.系統(tǒng)分析的概念及其要素 系統(tǒng)分析的目的是在于分析系統(tǒng)內(nèi)部與系統(tǒng)環(huán)境之間、系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間的相互依賴、相互制約、相互促進的復(fù)雜關(guān)系，分析系統(tǒng)要素的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系及其對系統(tǒng)功能和目標的影響，通過建立系統(tǒng)的分析模

18、型使系統(tǒng)各要素及其與環(huán)境之間的協(xié)調(diào)達到最佳狀態(tài)，最終為系統(tǒng)決策提供依據(jù)。 一.系統(tǒng)分析的概念及其要素 2、系統(tǒng)分析的要素系統(tǒng)分析有六個基本要素：（1）問題。一方面，問題代表研究的對象，另一方面，問題表示現(xiàn)實狀況（現(xiàn)實系統(tǒng)）與希望狀況（目標系統(tǒng)）的偏差。（2）目的及目標。目的是對系統(tǒng)的總要求，目標是系統(tǒng)目的的具體化。（3）方案。方案即達到目的及目標的途徑。 一.系統(tǒng)分析的概念及其要素（4）模型。模型是由說明系統(tǒng)本質(zhì)的主要因素及其相互關(guān)系構(gòu)成的。（5）評價。評價即評定不同方案對系統(tǒng)目的達到程度。（6）決策者。決策者作為系統(tǒng)問題中的利益主體和行為主體，在系統(tǒng)分析中是一個不容忽視的重要因素。 二、 系

19、統(tǒng)分析流程 闡明問題謀劃備選方案建模和預(yù)計后果評比備選方案預(yù)測未來環(huán)境（1）闡明問題問題的性質(zhì)和范圍： 問題剖析報告：問題的結(jié)構(gòu)、過程和勢態(tài) 問題的目標： 目標的層次性； 目標的沖突性（1）闡明問題環(huán)境和條件 評價指標 合理性 層次性收集和分析資料（1）闡明問題階段結(jié)果報告：問題的由來與背景；重要性；可能采取行動的組織和個人；利益相關(guān)的組織和個人；目標、評價指標、約束條件、備選方案的初步描述、建議等。 闡明問題階段約占系統(tǒng)分析全過程的時間的20%-25%。（2）謀劃備選方案方案的提出 “集體創(chuàng)造”法 或“頭腦風暴法” “缺點、希望點”列舉法 特性窮舉法 方案的篩選 強狀性（穩(wěn)定性） 適應(yīng)性 可靠性 現(xiàn)實性 （可操作性）（3）預(yù)測未來環(huán)境情景分析法 ：情景分析法對于每種備選方案都確定幾組未來實施環(huán)境的特征和條件，如按“樂觀”、“正常”和“悲觀”的環(huán)境；也可按出現(xiàn)可能性大、正常和特殊的環(huán)境等進行預(yù)測。（4）建模和預(yù)計后果每種方案實施后都相應(yīng)有一系列后果，因此本階段的首要工作便是確定應(yīng)該預(yù)計哪些后果？其中哪些最重要？選定后果項目后，便可著手建立一個或多個模型預(yù)計行動和后果指標之間的關(guān)系。 系統(tǒng)分析的主要模型有圖形模型、分析模型、仿真模型、博弈模型和判斷模型。（5）評比備選方案各種備選方案在不同情景下的后果估計出來之后，便可著手方案評比，方案評比便是依據(jù)所建立