第三章系統(tǒng)工程方法論

第三章系統(tǒng)工程方法論本章要點(diǎn)：一、處理復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題的基本觀點(diǎn)二、系統(tǒng)工程方法（一）處理復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題的基本觀點(diǎn)整體觀點(diǎn)綜合觀點(diǎn)層次觀點(diǎn)價(jià)值觀點(diǎn)發(fā)展觀點(diǎn)數(shù)學(xué)描述方法＋邏輯推理方法工程技術(shù)的規(guī)范＋社會(huì)科學(xué)的藝術(shù)思想方法理論基礎(chǔ)基本程序方法步驟系統(tǒng)工程方法論基本特點(diǎn)：研究方法強(qiáng)調(diào)整體性技術(shù)應(yīng)用強(qiáng)調(diào)綜合性管理決策強(qiáng)調(diào)科學(xué)性（二）系統(tǒng)工程方法論

系統(tǒng)工程方法論是用于解決復(fù)雜問(wèn)題的一般程序、邏輯步驟和通用方法。一、霍爾結(jié)構(gòu)體系

1969年，美國(guó)工程師霍爾認(rèn)為系統(tǒng)工程整個(gè)活動(dòng)過(guò)程可以分為前后緊密銜接的六個(gè)階段，每個(gè)階段應(yīng)遵循一定的思維程序，需各種專業(yè)知識(shí)和技能的支持。這構(gòu)成了時(shí)間維、邏輯維和知識(shí)維的“三維空間結(jié)構(gòu)”，概括了系統(tǒng)工程的一般過(guò)程。（二）系統(tǒng)工程方法論（二）系統(tǒng)工程方法論1.霍爾三維結(jié)構(gòu)A.D.Hall1969系統(tǒng)工程活動(dòng)矩陣：T-L專業(yè)維（K）運(yùn)籌學(xué)控制論社會(huì)科學(xué)工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)、法律計(jì)算機(jī)技術(shù)……邏輯維（L）規(guī)劃階段計(jì)劃階段研制階段生產(chǎn)階段安裝階段運(yùn)行階段更新階段時(shí)間維(T)明確問(wèn)題確定目標(biāo)系統(tǒng)分析系統(tǒng)優(yōu)化系統(tǒng)實(shí)施決策最優(yōu)化1)時(shí)間維

表示系統(tǒng)從規(guī)劃到更新，從開始→結(jié)束按時(shí)間順序排列的全過(guò)程，反映了系統(tǒng)的生命周期循環(huán)過(guò)程。規(guī)劃階段：調(diào)研、明確目標(biāo)計(jì)劃階段：比較分析方案，擇優(yōu)研制階段：實(shí)現(xiàn)方案，作生產(chǎn)計(jì)劃生產(chǎn)階段：零部件→組裝整個(gè)系統(tǒng)安裝階段：安裝、調(diào)試運(yùn)行階段：運(yùn)行更新階段：評(píng)價(jià)→改進(jìn)和更新8以三峽工程作為案例：第一階段：1919年孫中山《建國(guó)方略》：利用三峽的水利資源發(fā)電1946年《薩凡奇計(jì)劃》50年代初期林一山為首的長(zhǎng)江流域規(guī)劃辦公室9長(zhǎng)江三峽水利樞紐工程簡(jiǎn)稱“三峽工程”，是當(dāng)今世界上最大的水利樞紐工程。三峽工程位于長(zhǎng)江三峽之一的西陵峽的中段，壩址在三峽之珠——湖北省副省域中心城市宜昌市的三斗坪，三峽工程建筑由大壩、水電站廠房和通航建筑物三大部分組成。

大壩為混凝土重力壩，大壩壩頂總長(zhǎng)3035米，壩高185米，設(shè)計(jì)正常蓄水位l75米，總庫(kù)容393億立方米,其中防洪庫(kù)容221.5億立方米。

水電站左岸設(shè)14臺(tái)，右岸12臺(tái)，共26臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組。水輪機(jī)為混流式，單機(jī)容量均為70萬(wàn)千瓦，總裝機(jī)容量為1820萬(wàn)千瓦，年平均發(fā)電量847億千瓦時(shí)。后又在右岸大壩“白石尖”山體內(nèi)建設(shè)地下電站，設(shè)6臺(tái)70萬(wàn)千瓦的水輪發(fā)電機(jī)。2009年三峽工程完工后，屆時(shí)的年發(fā)電量可達(dá)1000億千瓦時(shí)。

10第二階段：解決四個(gè)方面問(wèn)題：目標(biāo)進(jìn)行分解和量化；協(xié)調(diào)目標(biāo)，提出實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的具體的方案；為實(shí)現(xiàn)方案在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)方面、環(huán)境方面的保障；根據(jù)具體方案，對(duì)工程成本費(fèi)用和效益提出更加詳細(xì)的計(jì)算。總目標(biāo)：發(fā)電、防洪、供水、航運(yùn)正常蓄水位：230米、235米；壩址設(shè)在南津關(guān)11第三階段：1958年到1993年10月實(shí)施系統(tǒng)工程（生產(chǎn)安裝）之前技術(shù)性很強(qiáng)，工作量最大的階段。需要結(jié)合大批的相關(guān)的工程技術(shù)人員，合作完成。提出實(shí)施該系統(tǒng)的詳細(xì)的研制方案；提出詳細(xì)的實(shí)施（生產(chǎn)或施工，包括往后各階段）計(jì)劃。提出可供施工的藍(lán)圖，包括大壩、船閘、廠房、機(jī)電設(shè)備、輸變電工程等方面的各項(xiàng)研究工作以及最終拿出可供施工和生產(chǎn)的圖紙；按照預(yù)想的進(jìn)程和可能性，提出包括庫(kù)區(qū)移民以及工廠的搬遷安置、施工進(jìn)度、水輪發(fā)電機(jī)組、輔助設(shè)備、輸變電設(shè)備的研究等，進(jìn)而提出何時(shí)完成第一期工程和第二期工程、何時(shí)全面投產(chǎn)等詳細(xì)的系統(tǒng)的實(shí)施計(jì)劃。12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(jì)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(jì)劃。完成大壩以及全部水工結(jié)構(gòu)的建筑，船閘、廠房的建設(shè)，水輪發(fā)電機(jī)組、輸變電設(shè)備、中央控制臺(tái)、配電室以及其他各種機(jī)電設(shè)備的制造；提出未來(lái)的安裝計(jì)劃；安置庫(kù)區(qū)移民。第五、六、七階段：安裝、運(yùn)行、更新。13時(shí)間上可以交叉。研制階段可部分進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)階段就可部分安裝，安裝階段可部分進(jìn)行運(yùn)行。需尋求最佳方案，用計(jì)劃協(xié)調(diào)技術(shù)（PERT）、圖解評(píng)審技術(shù)（GERT）。主要有泥沙問(wèn)題、水庫(kù)引發(fā)地震問(wèn)題、四川將面臨更加頻繁和嚴(yán)重的洪水問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題和資金問(wèn)題。綜合治理長(zhǎng)江，對(duì)上游實(shí)行水利開發(fā)和水土保持。2)邏輯維明確問(wèn)題：收集資料(考察、測(cè)量、調(diào)研、需求分析、市場(chǎng)預(yù)測(cè))了解系統(tǒng)的環(huán)境、目的、系統(tǒng)的各組成部分及其聯(lián)系等。

問(wèn)題的設(shè)定：直觀經(jīng)驗(yàn)方法：頭腦風(fēng)暴法預(yù)測(cè)法：德爾菲法、情景分析法、時(shí)間序列法結(jié)構(gòu)模型法：解釋結(jié)構(gòu)模型法(ISM)、決策實(shí)驗(yàn)室法、圖論法多變量統(tǒng)計(jì)方法：因子分析、主成分分析法其他：一般系統(tǒng)理論和模糊集理論等確定目標(biāo)（系統(tǒng)指標(biāo)設(shè)計(jì)）：提出目標(biāo)，制定準(zhǔn)則(標(biāo)準(zhǔn))選擇目標(biāo)過(guò)程一般使用價(jià)值體系方法：效用理論費(fèi)用—效益分析：經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)價(jià)值工程系統(tǒng)綜合：方案策略，對(duì)每種方案進(jìn)行說(shuō)明系統(tǒng)分析：系統(tǒng)分比較分析各方案→建?！?jì)算或仿真系統(tǒng)優(yōu)化：尋找滿足約束條件的最優(yōu)方案。系統(tǒng)決策：由決策者從多個(gè)優(yōu)選方案中選擇一個(gè)方案進(jìn)行實(shí)施。由于多方面的考慮，決策者做出的方案不一定是最優(yōu)方案。系統(tǒng)實(shí)施：對(duì)已選方案進(jìn)行實(shí)施、修改，完善以上六個(gè)步驟，轉(zhuǎn)入下一階段。3）知識(shí)維知識(shí)維是指在完成上述各種步驟所需要的各種專業(yè)知識(shí)和管理知識(shí)，包括科學(xué)學(xué)、基礎(chǔ)科學(xué)、工程技術(shù)、環(huán)境科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、法律、管理科學(xué)和其它相關(guān)社會(huì)科學(xué)等。表3.1霍爾管理矩陣邏輯維(步驟)時(shí)間維(階段)1234567明確問(wèn)題確定目標(biāo)系統(tǒng)綜合系統(tǒng)分析系統(tǒng)優(yōu)化做出決策付諸實(shí)施1規(guī)劃階段a11a12a13a14a15a16a172計(jì)劃階段a21a22a23a24a25a26a273研制階段a31a32a33a34a35a36a374生產(chǎn)階段a41a42a43a44a45a46a475運(yùn)行階段a51a52a53a54a55a56a576更新階段a61a62a63a64a65a66a672、切克蘭德的系統(tǒng)工程方法

霍爾三維結(jié)構(gòu)不適用于以建立和管理“軟系統(tǒng)”為目的的社會(huì)科學(xué)、管理科學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域；而適用于以研制“硬件系統(tǒng)”為目標(biāo)的自然科學(xué)、工程技術(shù)等“硬科學(xué)”領(lǐng)域，故有人稱霍爾三維結(jié)構(gòu)為“硬科學(xué)”的系統(tǒng)工程方法論。英國(guó)的切克蘭德把OR、SE、SA和SD所使用的方法論叫硬系統(tǒng)方法論，并在1981年自己提出一種軟系統(tǒng)方法(SSM)——“調(diào)查學(xué)習(xí)”法。切克蘭德的調(diào)查學(xué)習(xí)法用概念模型代替數(shù)學(xué)模型，使思路更為開闊；用可行滿意解代替最優(yōu)解是價(jià)值觀方面的重要變化。良結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：指偏重工程問(wèn)題、機(jī)理明顯的物理型的硬系統(tǒng)

不良結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：指偏重社會(huì)問(wèn)題、機(jī)理尚不清楚的心理和事理型的軟系統(tǒng)核心不是尋求“最優(yōu)化”，而是“調(diào)查、比較”或者說(shuō)是“學(xué)習(xí)”，從模型和現(xiàn)狀比較中，學(xué)習(xí)改善現(xiàn)存系統(tǒng)的途徑，是有很明顯的反饋調(diào)節(jié)思想。切克蘭德軟系統(tǒng)方法論的思路和步驟弄清關(guān)聯(lián)因素問(wèn)題現(xiàn)狀說(shuō)明建立概念模型改善概念模型比較實(shí)施圖3.2切克蘭德的“調(diào)查學(xué)習(xí)”方法流程圖切克蘭德方法模型問(wèn)題及其環(huán)境的識(shí)別與表達(dá)建立概念模型(目標(biāo)系統(tǒng)概念化)根底定義比較尋求改善途徑選擇設(shè)計(jì)實(shí)施評(píng)估.兩種方法輪的比較(?)

相同點(diǎn)：?jiǎn)栴}導(dǎo)向；注重程序及階段；…

不同點(diǎn)：(研究對(duì)象或應(yīng)用領(lǐng)域、基本方法、

核心內(nèi)容或關(guān)鍵點(diǎn)、反饋機(jī)制、…)兩種方法論的比較

霍爾三維結(jié)構(gòu)與切克蘭德方法論均為系統(tǒng)工程方法論，均以問(wèn)題為起點(diǎn)，均具有相應(yīng)的邏輯過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，兩種方法論主要存在以下不同點(diǎn)：霍爾三維結(jié)構(gòu)主要以工程系統(tǒng)為研究對(duì)象，而切克蘭德方法更適合于對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和經(jīng)營(yíng)管理等“軟”系統(tǒng)問(wèn)題的研究。前者的核心內(nèi)容是優(yōu)化分析，而后者的核心內(nèi)容是比較學(xué)習(xí)。前者更多關(guān)注定量分析方法，而后者比較強(qiáng)調(diào)定性或定性與定量有機(jī)結(jié)合的基本方法。3、物理－事理－人理系統(tǒng)方法

物理－事理－人理系統(tǒng)方法（簡(jiǎn)稱WSR)是中國(guó)系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)前理事長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院系統(tǒng)科學(xué)研究所研究員顧基發(fā)和華裔學(xué)者朱志昌博士在1995年提出的，他們總結(jié)了國(guó)內(nèi)很多系統(tǒng)工程的研究與實(shí)踐，分析它們成功與失敗的原因，從眾多的案例分析中悟出了“關(guān)系協(xié)調(diào)”的重要性，從方法論角度提出了物理－事理－人理系統(tǒng)方法。

物理是象征本體論的客觀存在，包括物質(zhì)及其組織結(jié)構(gòu)；闡述自然客觀現(xiàn)象和客觀存在的定律、規(guī)則，是一種客觀存在，不以人的意志為轉(zhuǎn)移。

事理是人們辦成辦好事情應(yīng)遵循的道理、規(guī)律，幫助人們基于客觀存在有效處理事務(wù)的方法。

人理是關(guān)注、協(xié)調(diào)系統(tǒng)中所有團(tuán)體相互之間的主觀關(guān)系，包括顧客、權(quán)力當(dāng)局、組織者、專家、潛在業(yè)主、使用者、操作者、受益和受損者；

WSR系統(tǒng)方法論內(nèi)容

物理事理人理道理物質(zhì)世界法則、規(guī)則的理論管理和做事的理論人、紀(jì)律、規(guī)范的理論

對(duì)象客觀物質(zhì)世界組織、系統(tǒng)人、群體、關(guān)系、智慧著重點(diǎn)是什么?(功能分析)怎樣做?(邏輯分析)應(yīng)當(dāng)怎樣做?(人文分析)原則誠(chéng)實(shí)、追求真理，盡可能正確協(xié)調(diào)、有效率，盡可能平滑人性、有效果，盡可能靈活需要的知識(shí)自然科學(xué)管理科學(xué)系統(tǒng)科學(xué)人文知識(shí)行為科學(xué)WSR工作順序圖1．理解意圖6.實(shí)施方案5.提出建議2.調(diào)查分析3.形成目標(biāo)4.建立模型協(xié)調(diào)關(guān)系理解意圖：這與霍爾系統(tǒng)工程方法論中邏輯維中的明確問(wèn)題含義相近。在進(jìn)行任何工作之前，都需要明確要解決的問(wèn)題、理解決策者的意圖。調(diào)查分析：調(diào)查是系統(tǒng)工程活動(dòng)的重要組成部分，調(diào)查分析深入程度直接影響到后續(xù)過(guò)程的開展。形成目標(biāo)：作為一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，一開始對(duì)于問(wèn)題能解決到什么稱度，決策者和系統(tǒng)工程工作者往往都不是很清楚，在領(lǐng)會(huì)和理解決策者的意圖以及進(jìn)行深入的調(diào)查分析、取得相關(guān)信息后，進(jìn)行系統(tǒng)目標(biāo)的確定，形成目標(biāo)。建立模型：這里的模型是比較廣義的，除數(shù)學(xué)模型外，還可以是物理模型、概念模型、運(yùn)作程序、運(yùn)行規(guī)則等。提出建議：運(yùn)用模型，分析、比較、計(jì)算各種條件、環(huán)境、方案之后，可以得到解決問(wèn)題的初步建議。實(shí)施方案：將上述建議付諸實(shí)施，在實(shí)施過(guò)程中也需要與相關(guān)主體進(jìn)行溝通，以取得滿意的效果。協(xié)調(diào)關(guān)系：協(xié)調(diào)關(guān)系是整個(gè)系統(tǒng)工程活動(dòng)的核心，在整個(gè)活動(dòng)中發(fā)揮作用。4、綜合集成工程方法學(xué)(綜合集成研討廳體系)

1.綜合集成方法論的產(chǎn)生80年代初，錢學(xué)森提出處理復(fù)雜行為系統(tǒng)的定量方法學(xué)。80年代末，錢學(xué)森提出處理開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)的方法論是“從定性到定量綜合集成方法”。1992年，錢學(xué)森提出從定性到定量綜合集成研討廳體系。錢學(xué)森的綜合集成工程方法論方法論層次：(1)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)＋理論知識(shí)；(2)通過(guò)建模將定性知識(shí)與觀測(cè)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)資料結(jié)合；(3)人(知識(shí)工程＋專家系統(tǒng))與計(jì)算機(jī)(電腦)結(jié)合工程技術(shù)層次：(1)根據(jù)實(shí)際問(wèn)題收集信息資料和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；(2)約請(qǐng)相關(guān)專家分析研究，明確系統(tǒng)四大變量(狀態(tài)、環(huán)境、控制、輸出)，確定系統(tǒng)建模思想；(3)建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型(定量表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、行為、特性、輸入輸出關(guān)系)；(4)對(duì)系統(tǒng)行為做仿真模擬試驗(yàn)，獲得定量數(shù)據(jù)資料；(5)組織專家群體檢驗(yàn)系統(tǒng)模型的有效性；(6)修改、調(diào)整參數(shù)，仿真試驗(yàn)，專家分析評(píng)價(jià)，修改。。。數(shù)學(xué)模型(符合實(shí)際系統(tǒng)的理論描述)----可信的結(jié)論2.綜合集成研討廳體系的框架與特點(diǎn)由三部分組成：機(jī)器體系、專家體系和知識(shí)體系。命題專家體系社會(huì)認(rèn)識(shí)客觀世界知識(shí)體系社會(huì)實(shí)踐機(jī)器體系結(jié)果改造世界認(rèn)識(shí)世界圖3.3研討廳框圖案例作戰(zhàn)訓(xùn)練中心演習(xí)分析研制與試驗(yàn)分布交互仿真次研討廳低層次研討廳高層次研討廳分析圖3.4研討廳體系一例5、螺旋式推進(jìn)系統(tǒng)方法螺旋式推進(jìn)系統(tǒng)方法（或稱螺旋式系統(tǒng)方法）是上海交通大學(xué)王浣塵教授提出的，螺旋式系統(tǒng)是一種系統(tǒng)科學(xué)方法論，從哲學(xué)角度講，它綜合了還原論、混沌理論、構(gòu)成論和生成論，認(rèn)為事物是由本原在構(gòu)成的約束下經(jīng)螺旋式推進(jìn)生成的，事物的發(fā)展、對(duì)事物的認(rèn)識(shí)、對(duì)事物的分析、解決問(wèn)題等都是遵循螺旋式推進(jìn)這一規(guī)律的，屬于一種螺旋式推進(jìn)過(guò)程。螺旋式推進(jìn)系統(tǒng)方法包括了以下幾個(gè)方面得內(nèi)容：理論－技術(shù)－應(yīng)用，然后是更高層次的理論－技術(shù)－應(yīng)用┈┈螺旋式