第三章 系統(tǒng)工程方法論

第3章系統(tǒng)工程方法論系統(tǒng)工程與傳統(tǒng)方法的區(qū)別系統(tǒng)工程與系統(tǒng)分析系統(tǒng)工程方法論系統(tǒng)工程方法論

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(dú)特方法論是系統(tǒng)工程區(qū)別于其它各門科學(xué)的基本特征之一，系統(tǒng)工程處理問題的最基本出發(fā)點(diǎn)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。一、系統(tǒng)工程與傳統(tǒng)方法的區(qū)別

從前面對系統(tǒng)工程的介紹可以看出，系統(tǒng)工程實(shí)質(zhì)上是方法論的科學(xué)，它的目標(biāo)是通過什么樣的方法可使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)，而方法論是把設(shè)想付諸實(shí)現(xiàn)的過程。對于傳統(tǒng)方法，它解決問題的目標(biāo)往往是單一的，比如設(shè)計一個產(chǎn)品或只強(qiáng)調(diào)成本低或只強(qiáng)調(diào)性能高，而系統(tǒng)工程對目標(biāo)的考慮需要從系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)用各種專業(yè)知識即知識方面來綜合考慮。二、系統(tǒng)工程與系統(tǒng)分析

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(zhǔn)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(shí)用性很強(qiáng)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(diǎn)出發(fā)，采用系統(tǒng)分析的方法來分析和解決各種問題1、系統(tǒng)分析簡介系統(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)廣義的解釋認(rèn)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解釋認(rèn)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)用系統(tǒng)分析的基本概念系統(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(jìn)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(biāo)的影響，通過建立系統(tǒng)的分析模型使系統(tǒng)各要素及其與環(huán)境之間的協(xié)調(diào)達(dá)到最佳狀態(tài)，最終為系統(tǒng)決策提供依據(jù)。

2、系統(tǒng)分析的步驟概要

原始情況分析結(jié)果闡明問題階段分析研究階段

評價比較階段

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)階段結(jié)果報告：由來背景；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(biāo)、評價指標(biāo)、約束條件、備選方案的初步描述、建議等問題的目標(biāo)

目標(biāo)的層次性目標(biāo)的沖突目標(biāo)沖突和利害沖突

在目標(biāo)分析過程中，系統(tǒng)分析人員經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)，許多關(guān)鍵情況往往是由于存在著相互沖突的分目標(biāo)造成的。這有兩種情況：一種是純屬專業(yè)性質(zhì)的，即目標(biāo)沖突問題；另一種是社會性質(zhì)的，即利害沖突問題。目標(biāo)沖突例如在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時，所可能強(qiáng)調(diào)的兩個目標(biāo)：一是盡可能低的成本二是盡可能高的質(zhì)量。解決辦法：建立一個沒有矛盾的目標(biāo)集，把引起矛盾的分目標(biāo)剔除掉。

采用所有分目標(biāo)，尋求一個能達(dá)到?jīng)_突目標(biāo)得以并存的方案。

利害沖突例如企業(yè)在減員增效的過程中就至少有如下兩個目標(biāo)：一是提高企業(yè)的效益二是保證工作崗位不減員。

處理的方法：目標(biāo)方之一放棄自己的利益保持其中一個目標(biāo)，用其它方式補(bǔ)償或部分補(bǔ)償受損方的利益通過協(xié)商調(diào)整目標(biāo)系統(tǒng)，使之達(dá)到目標(biāo)相容闡明問題環(huán)境和條件

評價指標(biāo)

合理性層次性收集和分析資料

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(biāo)、評價指標(biāo)、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(fēng)暴法”“缺點(diǎn)、希望點(diǎn)”列舉法

特性窮舉法

方案的篩選

強(qiáng)壯性

適應(yīng)性

可靠性

現(xiàn)實(shí)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(shí)施環(huán)境的特征和條件，如按“樂觀”、“正?！焙汀氨^”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(jìn)行預(yù)測。

數(shù)學(xué)模型的方法

確定預(yù)測內(nèi)容

準(zhǔn)備數(shù)據(jù)資料

確定預(yù)測方法，建立數(shù)學(xué)模型

定性預(yù)測法

時間序列預(yù)測法

因果關(guān)系預(yù)測法

計算預(yù)測值，分析預(yù)測誤差

（4）建模和預(yù)計后果

每種方案實(shí)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(biāo)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)所建立的評價指標(biāo)對各方案可能取得的效果進(jìn)行評價，并按其評價結(jié)果進(jìn)行排序。

系統(tǒng)評價的主要方法有關(guān)聯(lián)矩陣法、費(fèi)用效益分析法、層次分析法及模糊評價法等許多種評價方法，這在后面的系統(tǒng)評價中將作專門介紹。

（6）系統(tǒng)工程分析報告簡略報告主題報告技術(shù)報告系統(tǒng)分析的原則在系統(tǒng)分析時應(yīng)遵循以下幾項重要原則：外部條件與內(nèi)部條件相結(jié)合當(dāng)前利益與長遠(yuǎn)利益相結(jié)合局部效益與整體效益相結(jié)合定量分析與定性分析相結(jié)合系統(tǒng)分析的工具因果分析法；通過因果分析圖對系統(tǒng)有影響的重要因素加以分折。排列圖法；作為在系統(tǒng)中選擇關(guān)鍵性問題的一種分析方法。相關(guān)分析法；將相關(guān)變量數(shù)據(jù)在坐標(biāo)圖上標(biāo)示并分析其相互關(guān)系。投入產(chǎn)出分析法；對比生產(chǎn)輸入和消費(fèi)支出，通過分析生產(chǎn)與消費(fèi)兩者間相互平衡，明確經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)內(nèi)各要素的相互依存關(guān)系。

①重視做好初步SA.5W1H(What/Why/Who/Where/When/How)方法是做好這段工作的基本線索。②在規(guī)范分析中一般需（或盡可應(yīng)）建立結(jié)構(gòu)模型、數(shù)學(xué)模型或仿真模型。③每段結(jié)束后系統(tǒng)方案的變化軌跡是：可行方案→非劣方案→經(jīng)排序的非劣方案（或稱選擇性方案）。④環(huán)境分析貫穿SA全過程，在SA中是十分重要和必不可少的。⑤在管理應(yīng)用SA過程中，并不一定要（或能）遍歷并完成每一個具體過程。系統(tǒng)分析要注意以下幾點(diǎn)（1）堅持問題導(dǎo)向（2）以整體為目標(biāo)（3）多方案模型分析和選優(yōu)（4）定量分析與定性分析相結(jié)合（5）多次反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)分析特點(diǎn)及原則三系統(tǒng)工程方法論“以系統(tǒng)為中心”的思維方式在方法論上的表現(xiàn)就是“系統(tǒng)工程方法論”——即系統(tǒng)工程思考問題和處理問題的思想方法、理論基礎(chǔ)、基本程序和方法步驟等。方法（method）和方法論（methodology）：方法就是用于完成一個既定目標(biāo)的具體技術(shù)與工具；而方法論是進(jìn)行探索的一般途徑，它高于方法，是對方法使用的指導(dǎo)。

（一）霍爾（Hall）系統(tǒng)工程方法論1962年貝爾公司工程師Hall總結(jié)公司開展SE經(jīng)驗(yàn)，寫成《系統(tǒng)工程方法論》一書。所謂方法論，就是把設(shè)想變?yōu)閷?shí)體的具體過程與步驟。Hall三維結(jié)構(gòu)分析邏輯維專業(yè)維時間維Hall的SE方法論：是“三維結(jié)構(gòu)方法體系”即把系統(tǒng)工程活動從時間上分成前后銜接的“幾個階段”；從邏輯上把每個階段分成幾個環(huán)環(huán)緊扣的幾個步驟；同時也要考慮完成上面所說的這些階段和步驟所需要的各種專業(yè)和技術(shù)素養(yǎng)。主要靠廣泛吸引各類專業(yè)人員參加到SE活動來實(shí)現(xiàn)，或者把他們的知識和建議儲存到計算機(jī)中隨時備用。①時間維（粗結(jié)構(gòu)）a)規(guī)劃階段：主要是按照設(shè)計要求提出系統(tǒng)目標(biāo)，制定規(guī)劃和政策。b)設(shè)計階段：完成的任務(wù)是提出具體的方案，進(jìn)行系統(tǒng)的初步設(shè)計。c)研制階段：提出系統(tǒng)的研制方案，并制訂生產(chǎn)計劃。d)生產(chǎn)階段：生產(chǎn)出系統(tǒng)的構(gòu)件和整個系統(tǒng)，提出安裝計劃。e)安裝階段：對系統(tǒng)進(jìn)行安裝及調(diào)試，提出系統(tǒng)的運(yùn)行計劃。f)

運(yùn)行階段：按照系統(tǒng)預(yù)定的用途工作。g)更新階段：按系統(tǒng)要求實(shí)施，取消舊系統(tǒng)，代之以新系統(tǒng)，對系統(tǒng)改進(jìn)。②邏輯維（細(xì)結(jié)構(gòu)）a)

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。b)確定目標(biāo)（系統(tǒng)指標(biāo)設(shè)計）：確定所要解決問題的目標(biāo)和相應(yīng)的評價準(zhǔn)則。c)系統(tǒng)方案綜合：為實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，擬定所需采取的策略和應(yīng)選擇的方案。d)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(shí)施中的預(yù)期效果。e)

系統(tǒng)方案的優(yōu)化與選擇：用數(shù)學(xué)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(jìn)行方案選擇。

f)

決策：以指標(biāo)體系為評價準(zhǔn)則，在考慮決策者的偏好等基礎(chǔ)上，選擇最優(yōu)方案。

g)

實(shí)施計劃：按決策結(jié)果制定實(shí)施方案和計劃。活動矩陣把時間維和邏輯維結(jié)合起來形成一個二維結(jié)構(gòu)A={aij}7*7系統(tǒng)工程的活動矩陣，如下頁表所示?；顒泳仃嚨脑豠ij可以清楚地顯示人們是在哪一個階段做哪一步工作。例如a12表示在規(guī)劃階段確定目標(biāo)；a21表示在設(shè)計階段明確問題；a36表示在研制階段作出決策等。這樣就可以明確各項具體工作在全局中的地位和作用，做到眼明心亮，總攬全局。活動矩陣表神羊角模型系統(tǒng)方案的產(chǎn)生過程具有迭代性和收斂性兩大特點(diǎn)。上表所示的系統(tǒng)工程借用希臘神話中的豐收女神Almathea之神羊角來比喻是十分形象的。豐收女神的神羊角原來的意義是：羊角號一吹，各種財富就源源不斷地涌現(xiàn)出來。現(xiàn)在以各種信息，物質(zhì)，能量從左邊輸入，通過神羊角螺旋式地加工收縮，最后產(chǎn)生出一個理想的系統(tǒng)來。超細(xì)結(jié)構(gòu)從神羊角的大頭往里看，得到霍爾稱之為系統(tǒng)工程活動的超細(xì)結(jié)構(gòu)。它顯示出開展系統(tǒng)工程活動的全過程，它以邏輯維的7個步驟為一個循環(huán)周期（一個階段），經(jīng)過多次循環(huán)而匯聚為一個理想的系統(tǒng)。③專業(yè)維專業(yè)維（Hall在專業(yè)維中用的名稱是Professions，Disiplines，Technology，而不是Knowledge，故此處不稱知識維）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(xué)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(xué)、工程技術(shù)、法律、商業(yè)、醫(yī)藥、藝術(shù)等等。SE的每一個階段都有自己的管理內(nèi)容和目標(biāo)，每一步都有自己管理的手段和方法，彼此相互聯(lián)系，形成一個有機(jī)整體。把SE方法用于大型工程項目，尤其是探索性強(qiáng)、技術(shù)復(fù)雜、投資大、周期長的大科研項目，可以減少決策上的失誤和計劃實(shí)施過程過程中的困難。案例：貝爾公司TD-2無線電接力系統(tǒng)研制

1．規(guī)劃階段是1940年時系統(tǒng)調(diào)研開始的，內(nèi)容包括了解技術(shù)可能性和市場需要情況；2．進(jìn)入初步設(shè)計擬定方案階段；3．對系統(tǒng)進(jìn)一步分析，用簡單模型初步探討系統(tǒng)應(yīng)具有的一些功能和指標(biāo)，但還有很多因素不清楚；4．1945年建立TD-2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，1946年開始試制階段，試制前先建立評價系統(tǒng)的指標(biāo)，并討論其可行性，對成本進(jìn)行估計，并在試制中收集新數(shù)據(jù)，為改進(jìn)系統(tǒng)之用，同時進(jìn)行生產(chǎn)；5．1949年進(jìn)行實(shí)施階段，向制造商提供詳細(xì)生產(chǎn)圖紙，用戶的實(shí)際操作和維護(hù)說明書等；6．1950年TD-2系統(tǒng)正式運(yùn)行；7．在運(yùn)行數(shù)年后，使用專門設(shè)備檢查系統(tǒng)運(yùn)行情況，尋找系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，提出改進(jìn)意見。整個工作從1940~1958年花費(fèi)1500萬＄。

把研究的系統(tǒng)分良結(jié)構(gòu)與不良結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

-良結(jié)構(gòu)（硬）系統(tǒng)：偏工程，機(jī)理明顯的物理型系統(tǒng)，可用較明顯的數(shù)學(xué)模型表示，能計算出系統(tǒng)的行為和最佳結(jié)果。不良結(jié)構(gòu)（軟）系統(tǒng)：偏社會，機(jī)理尚不清的生物型系統(tǒng)，常用半定量半定性方法處理問題。軟的主要標(biāo)志是吸取了人們的判斷和直覺，求得的結(jié)果是可行、滿意，可重復(fù)，且因人而異。目前，已有解決這類系統(tǒng)的一些方法如特爾菲法，結(jié)構(gòu)模型法等，以切克蘭特的“調(diào)查學(xué)習(xí)”法為例。（二）切克蘭特系統(tǒng)方法論不良結(jié)構(gòu)系統(tǒng)現(xiàn)狀的表述；弄清、改善與現(xiàn)狀有關(guān)的各種因素及其相互關(guān)系；建立概念模型（結(jié)構(gòu)或語言描述）；改善概念模型；將模型與問題的表述作比較；找出可行而滿意的途徑和方案；采取行動改善實(shí)際問題。該方法的核心不是尋求最優(yōu)化，而是調(diào)查比較，從中尋找改善現(xiàn)存系統(tǒng)的途徑。調(diào)查學(xué)習(xí)的基本步驟

并行工程是80年代美國提出的。它是對產(chǎn)品及其相關(guān)過程，包括制造過程和支持過程，進(jìn)行并行、一體化設(shè)計的一種系統(tǒng)優(yōu)化方法。其核心內(nèi)容是：強(qiáng)調(diào)用戶需求，并轉(zhuǎn)化為完整的產(chǎn)品要求；交互作用、互相協(xié)調(diào)的并行研制過程，以便將產(chǎn)品的設(shè)計與制造及保障過程用系統(tǒng)工程方法綜合在一起，從而在產(chǎn)品的整個研制過程中綜合考慮可靠性、維修性、生產(chǎn)性和保障性；建立多學(xué)科的綜合研制機(jī)制及計算和輔助工程環(huán)境。（三）并行工程方法論約束信息的并行性：即設(shè)計時同時考慮產(chǎn)品周期的所有因素。功能的并行性：即產(chǎn)品生命周期所涉及的各功能領(lǐng)域工程并行交叉進(jìn)行。集成性：研究開發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計、過程設(shè)計、制造裝配和市場的全面集成。協(xié)同性：多學(xué)科并行小組協(xié)同工作?？茖W(xué)性：采用了先進(jìn)的開發(fā)工具、方法和技術(shù)如TQM、SE、CAD/CAM等。

T、Q、C、S是并行工程強(qiáng)調(diào)的四大要素。即加速產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本、提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。并行工程主要思想

品質(zhì)計劃顧客需求數(shù)據(jù)管理裝配制造工藝材料控制原料處理市場與銷售成本會計采購并行計劃工程

并行工程的小組化組織結(jié)構(gòu)市場營銷工程制造行業(yè)支持概念設(shè)計詳細(xì)設(shè)計試生產(chǎn)生產(chǎn)領(lǐng)會交叉目標(biāo)商業(yè)策略部門策略職能策略驗(yàn)證技術(shù)的比薩餅箱開發(fā)項目階段繼續(xù)改進(jìn)產(chǎn)品開發(fā)策略

惠普公司基于團(tuán)隊平行運(yùn)作的

（四）系統(tǒng)工程方法論的新探索

系統(tǒng)工程方法論一直是系統(tǒng)工程研究開發(fā)及應(yīng)用的重要內(nèi)容，近10余年來不斷有所創(chuàng)新和發(fā)展，并日益引起大家的高度重視。以霍爾、切克蘭德等方法論及系統(tǒng)分析方法為基礎(chǔ)，以東方文化與西方文明等多方面的結(jié)合為重要特征，對系統(tǒng)工程方法論的研究與應(yīng)用在國內(nèi)外取得了不少新的成果，值得關(guān)注。

中國科學(xué)家錢學(xué)森等針對開放復(fù)雜巨系統(tǒng)問題，于20世紀(jì)90年代初提出了從定性到定量的綜合集成系統(tǒng)方法論。該方法論以對社會系統(tǒng)、人體系統(tǒng)、地理系統(tǒng)等三類復(fù)雜巨系統(tǒng)的研究實(shí)踐為基礎(chǔ)，形成一個整體，該方法論在社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)工程等領(lǐng)域已得到了成功應(yīng)用。綜合集成方法論(1)根據(jù)開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)的復(fù)雜機(jī)制和變量眾多的特點(diǎn)，把定性研究與定量研究有機(jī)地結(jié)合起來，從多方面的定性認(rèn)識上升到定量認(rèn)識；(2)按照人—機(jī)結(jié)合的特點(diǎn)，將專家群體(各種有關(guān)專家)、數(shù)據(jù)和各種信息與計算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來；(3)由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，把科學(xué)理論與經(jīng)驗(yàn)知識結(jié)合起來，把人對客觀事物的各種知識綜合、集成起來，力求問題的有效解決；(4)根據(jù)系統(tǒng)思想，把多種學(xué)科結(jié)合起來進(jìn)行研究；(5)根據(jù)復(fù)雜巨系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，把宏觀研究與微觀等研究統(tǒng)一起來；(6)強(qiáng)調(diào)對知識工程及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等的應(yīng)用。綜合集成方法論主要特點(diǎn)：在中國科學(xué)家錢學(xué)森、許國志及美國華裔專家李耀滋等人的工作基礎(chǔ)上，中國系統(tǒng)工程專家顧基發(fā)和英國華裔專家朱志昌于90年代中期提出了物理—事理—人理(WSR)系統(tǒng)方法論。WSR方法論物理主要涉及物質(zhì)運(yùn)動的機(jī)理，通常要用到自然科學(xué)知識，主要回答這個“物”是什么，它需要的是真實(shí)性；事理是做事的道理，主要解決如何去安排這些事物，通