系統(tǒng)工程第4版 教學PPT 作者 汪應洛 西安交通大學 主編 第2章　系統(tǒng)工程方法論

1第二章

系統(tǒng)工程方法論《系統(tǒng)工程》課程建設團隊2009年11月2主要內(nèi)容還原論與整體論霍爾“三維結構”模型霍爾系統(tǒng)工程方法的時間維并行工程方法學切克蘭德的“調(diào)查學習”法WSR系統(tǒng)方法論綜合集成工程3系統(tǒng)工程方法與方法論

人們將研究、分析和處理問題的思想、程序和基本原則叫做方法論。系統(tǒng)工程方法：

1、方法層次上的方法：研究、分析、處理系統(tǒng)工程問題運用的程序和基本原則

2、技術層次上的方法：處理復雜系統(tǒng)問題常用的一些具體方法系統(tǒng)工程方法論指的是處理復雜系統(tǒng)問題的基本思想和方法論層次上各種方法的總和。5

系統(tǒng)思想是關于事物的整體性觀念、相互聯(lián)系的觀念、演化發(fā)展的觀念。即全面而不是片面的、聯(lián)系的而不是孤立的、發(fā)展的而不是靜止的看問題。

（1）古代的系統(tǒng)思想：“不見樹木，只見森林”

（2）近代的分析方法：“只見樹木，不見森林”（3）現(xiàn)代的系統(tǒng)思想：“既見樹木，又見森林”第一節(jié)還原論與整體論6

還原論是將物質的高級運動形式（如生命運動）歸結為低級運動形式（如機械運動），用低級運動形式的規(guī)律代替高級運動形式的規(guī)律的形而上學方法。還原論認為，各種現(xiàn)象都可被還原成一組基本的要素，各基本要素彼此獨立，不因外在因素而改變其本質。通過對這些基本要素的研究，可推知整體現(xiàn)象的性質。比如，物質是由分子組成的，分子是由原子組成的，原子又是由電子和原子核組成的，等等，研究微觀粒子就可以推知整體的規(guī)律。還原論是把事物分割開來，進行實驗，然后再綜合起來。還原論是西方科學的靈魂。第一節(jié)還原論與整體論7

還原論與分析的方法相輔相成。分析的方法是科研的重要方法，最能體現(xiàn)還原論思想的分析方法是西方的公理化方法。西方科學的源頭是古希臘文明。古希臘的還原論思想和公理化方法經(jīng)過弗蘭西斯·培根、笛卡爾和伽利略的繼承和發(fā)揚，奠定了近代科學的基礎。基于還原論的西方科學體系經(jīng)過幾百年的發(fā)展已經(jīng)非常龐大和完整，在它的基礎上誕生的工程技術，創(chuàng)造了空前繁榮的人類文明。第一節(jié)還原論與整體論9

量子論從根本上動搖了還原論：描述微觀世界最為成功的理論是量子論。量子論認為，我們的世界是一個非機械的、相互聯(lián)系的、不可分割（還原）的世界。物質世界的根本元素就不是被分割的機械的原子、質子、中子，而是一個有機聯(lián)系的整體。量子論問世導致了測不準原理的提出。測不準原理認為無法還原位置和速度兩個基本量。這表明，在對待位置和速度這兩個基本量上，還原論是失效的。微觀層次上的還原論失效，導致了機械的決定論的失效。第一節(jié)還原論與整體論10

復雜科學徹底動搖了還原論：混沌理論推動了復雜科學的誕生，排除了拉普拉斯決定論的可預見性的思想。因此，復雜科學的問世徹底動搖了還原論——能用還原論近似描述的僅僅是我們世界的很小的一部分。第一節(jié)還原論與整體論11

整體論把世界宇宙看作是一個統(tǒng)一的整體，各種事物之間相互聯(lián)系，不可機械地分割。整體論思想是：整體的性質和功能不等同于其各部分（要素）的性質和功能的迭加；整體的運動特征只有在比其部分（要素）所處層次更高的整體層次上才能進行描述；整體與部分（要素）遵從不同描述層次上的規(guī)律。簡言之整體性也就是非還原性或非加和性。第一節(jié)還原論與整體論13

系統(tǒng)工程方法論

最具代表性的系統(tǒng)工程方法論有:

霍爾“三維結構”并行工程綜合集成方法

切克蘭德的“學習調(diào)查”法物理—事理—人理（WSR）141、霍爾的三維結構（1969年提出）20世紀60～70年代具有代表性的SE方法論。將系統(tǒng)的整個管理過程分為前后緊密相連的六個階段和七個步驟，并同時考慮到為完成這些階段和步驟的工作所需的各種專業(yè)管理知識。三維結構由時間維、邏輯維、知識維組成，如圖示：第二節(jié)霍爾“三維結構”模型15環(huán)境科學社會科學工程技術計算機科學管理科學經(jīng)濟法律知識維（科學技術）邏輯維（方法步驟）時間維（時間進程）明確問題選擇目標系統(tǒng)綜合系統(tǒng)分析方案優(yōu)化作出決策付諸實施ABCDEFG654321規(guī)劃階段方案階段研制階段生產(chǎn)階段運行階段更新階段知識維：指在完成上述各階段和各步驟所需要的各種專業(yè)知識和管理知識。邏輯維：每個階段需進行的工作步驟，是運用系統(tǒng)工程方法進行思考、分析和解決問題應遵循的一般程序。時間維：從規(guī)劃到更新，按時間順序排列的SE全過程。第二節(jié)霍爾“三維結構”模型17

（4）系統(tǒng)分析——系統(tǒng)分析是應用系統(tǒng)工程技術，對每一個系統(tǒng)方案進行比較、分析、計算。（5）系統(tǒng)優(yōu)化——尋找滿足約束條件的最優(yōu)方案，或者說是挑選出最好的滿足系統(tǒng)目標的方案。（6）系統(tǒng)決策——由決策者從多個優(yōu)選方案中選擇一個方案進行實施，當然，選擇的方案不一定是最優(yōu)方案。（7）系統(tǒng)實施——對已選方案進行實施、修改，完善以上6個步驟，轉入下一個階段。第三節(jié)霍爾系統(tǒng)工程方法的時間維18

系統(tǒng)綜合系統(tǒng)分析系統(tǒng)優(yōu)化注意

在實踐工作中，系統(tǒng)綜合、系統(tǒng)分析和系統(tǒng)優(yōu)化存在循環(huán)、不斷遞進的過程，即在系統(tǒng)分析和系統(tǒng)優(yōu)化的過程中可能產(chǎn)生系統(tǒng)方案，或者對模型進行修正。

第三節(jié)霍爾系統(tǒng)工程方法的時間維19

霍爾系統(tǒng)工程方法的專業(yè)維指解決一個系統(tǒng)工程問題，需要有相應專業(yè)知識。一般來講，進行某項系統(tǒng)工程研究，研究工作者應具備法律、經(jīng)濟、管理科學、社會科學、環(huán)境科學、信息技術和相應的工程技術，才能有效地進行系統(tǒng)工程的研究，解決相應的問題。第三節(jié)霍爾系統(tǒng)工程方法的時間維21運用SE知識，把三維結構中的六個時間階段和七個邏輯步驟結合起來，便形成所謂霍爾管理矩陣如下：

邏輯維（步驟）時間維（階段）1明確問題2選擇目標3系統(tǒng)綜合4系統(tǒng)分析5方案優(yōu)化6作出決策7付諸實施1.規(guī)劃階段a11a12a13a14a15a16a172.方案階段a21a22a23a24a25a26a273.研制階段a31a32a33a34a35a36a374.生產(chǎn)階段a41a42a43a44a45a46a475.運行階段a51a52a53a54a55a56a576.更新階段a61a62a63a64a65a66a67

霍爾管理矩陣代表一項具體的管理活動22在這個過程系統(tǒng)中，每一階段都有自己的管理內(nèi)容和管理目標，每一步驟都有自己的管理手段和管理方法，彼此相互聯(lián)系，再加上具體的管理對象，組成了一個有機整體?；魻柟芾砭仃嚳梢蕴嵝讶藗冊谀膫€階段該做哪一步工作，同時明確各項具體工作在全局中的地位和作用，從而使工作得到合理安排。把系統(tǒng)工程過程系統(tǒng)運用于大型工程項目，尤其是探索性強、技術復雜、投資大、周期長的“大科學”研究項目，可以減少決策上的失誤和計劃實施過程中的困難?；凇叭S結構”模型的系統(tǒng)工程過程系統(tǒng)23

國內(nèi)外許多事例表明，運用科學的系統(tǒng)工程過程系統(tǒng)管理方法，決策的可靠性可提高一倍以上，節(jié)約時間和總投資平均在15%以上，而用于管理的費用一般只占總投資的3%～6%。在規(guī)劃和方案探索階段，只花去裝備壽命周期費用的極少部分，但確定了裝備一生要花費用的70%；全面工程研制之前，花費的費用占到壽命周期費用的3%，但固定了壽命周期費用的85%；研制結束時，裝備壽命周期費用已被基本固定?；凇叭S結構”模型的系統(tǒng)工程過程系統(tǒng)25第四節(jié)并行工程方法學

并行工程(ConcurrentEngineering，簡稱CE)是美國在80年代末提出的，在計算機集成制造系統(tǒng)CIMS和系統(tǒng)工程中發(fā)展起來的工程技術，也是美國國防部在90年代乃至21世紀發(fā)展武器裝備系統(tǒng)的基本管理模式。Winner等人對并行工程的定義：并行工程是對產(chǎn)品及相關過程，包括制造過程和支持過程，進行并行、一體化設計的一種系統(tǒng)化方法。這種方法力圖使產(chǎn)品開發(fā)者從一開始就考慮到產(chǎn)品全壽命周期即從概念形成到產(chǎn)品報廢的所有因素，包括質量、成本、進度和用戶需求。26

也就是把以往的那種序列化的設計→生產(chǎn)→保障研制過程變?yōu)椴⑿械摹⒔换プ饔玫木C合研制過程，達到縮短研制周期的目的。

并行工程同時工程第四節(jié)并行工程方法學29并行組織管理模式

1、向扁平化組織結構演化并行工程過程要求的信息集成化，將使系統(tǒng)內(nèi)各組織單位之間的相互關系更加緊密，以至會打亂和沖破傳統(tǒng)部門之間的界限劃分。因此，與并行工程過程相應的組織結構應該是一種協(xié)作組織結構。因此，并行工程對組織結構的影響表現(xiàn)為向扁平化組織結構演化的趨勢。

2、并行工程的小組化組織結構多功能小組是并行工程實施過程中普遍采用的組織結構形式。小組成員來自產(chǎn)品壽命周期相關的主要技術領域，他們共同負責產(chǎn)品從需求分析直到交付使用過程中的所有工作，是一種群體工作模式。第四節(jié)并行工程方法學30系統(tǒng)工程常常把所研究的系統(tǒng)分為良結構系統(tǒng)與不良結構系統(tǒng)，由于它們具有不同的特點，故分別采取不同的解決方法，如下表：定義特點解決的方法良結構S偏重工程、機理明顯的物理型的硬S可用較明顯的數(shù)學模型描述，有較現(xiàn)成的定量方法可以計算出系統(tǒng)的行為和最佳結果。用“硬方法”求出最佳的定量結果，霍爾的三維結構主要適用于此。不良結構S偏重社會、機理尚不清楚的生物型的軟S較難用數(shù)學模型描述，因其加入了人的直覺和判斷，往往只能用半定量、半定性或者只能用定性的方法來處理問題。用“軟方法”求出可行的滿意解，常用德爾菲法、情景分析法、沖突分析法、切克蘭德的“調(diào)查學習”法等。第五節(jié)切克蘭德的“調(diào)查學習”法31

系統(tǒng)可以分為硬系統(tǒng)和軟系統(tǒng)。硬系統(tǒng)偏重工程系統(tǒng)、機理明顯的物理系統(tǒng)。硬系統(tǒng)便于觀察，便于用數(shù)學模型描述，可以用現(xiàn)成的定量方法計算出系統(tǒng)的行為和最佳結果。軟系統(tǒng)偏重社會、機理，尚不清楚的生物型的軟系統(tǒng)，難以用數(shù)學模型描述，只能半定量、半定性或者只能用定性的方法來處理。用霍爾系統(tǒng)工程方法處理軟系統(tǒng)問題，存在局限性：（1）大部分管理問題目標不清楚，需要研究、定義；（2）霍爾系統(tǒng)工程方法針對硬系統(tǒng)，沒考慮人的作用，忽視人的主觀認識；（3）實際中很多問題無法建立模型。第五節(jié)切克蘭德的“調(diào)查學習”法32

處理軟系統(tǒng)的方法有很多，如專家調(diào)查法（德爾菲法）、情景分析法、沖突分析法等。但從系統(tǒng)工程方法論角度看，80年代中前期英國學者切克蘭德（P.B.Checkland）提出的“調(diào)查學習”方法（軟方法）具有更高的概況性。切克蘭德的“調(diào)查學習”軟系統(tǒng)方法的核心是“調(diào)查、比較”或者說是“學習”，從現(xiàn)狀調(diào)查和模型比較中，學習改善現(xiàn)存系統(tǒng)的途徑。第五節(jié)切克蘭德的“調(diào)查學習”法33

切克蘭德1981年提出“調(diào)查學習”模式，從系統(tǒng)工程方法論角度看，切克蘭德的“調(diào)查學習”方法具有更高的概括性。切克蘭德的“調(diào)查學習”軟方法的核心不是尋求“最優(yōu)化”，而是“調(diào)查、比較”或者說是“學習”，從模型和現(xiàn)狀比較中，學習改善現(xiàn)存系統(tǒng)的途徑。第五節(jié)切克蘭德的“調(diào)查學習”法34方法步驟如下：(1)不良結構系統(tǒng)現(xiàn)狀說明。通過調(diào)查分析，對現(xiàn)存的不良結構系統(tǒng)的現(xiàn)狀進行說明。(2)弄清關聯(lián)因素。初步弄清、改善與現(xiàn)狀有關的各種因素及其相互關系。(3)建立概念模型。在不能建立數(shù)學模型的情況下，用結構模型或語言模型來描述系統(tǒng)的現(xiàn)狀。(4)改善概念模型。隨著分析的不斷深入和“學習”的加深，進一步用更合適的模型或方法改進上述概念模型。(5)比較。將概念模型與現(xiàn)狀進行比較，找出符合決策者意圖而且可行的改革途徑或方案。(6)實施。實施提出的改革方案。第五節(jié)切克蘭德的“調(diào)查學習”法35問題及其環(huán)境的識別與表達建立概念模型(目標系統(tǒng)概念化)根底定義比較尋求改善途徑選擇設計實施評估切克蘭德方法論的主要內(nèi)容和工作過程36切克蘭德的“調(diào)查學習”軟方法的核心不是尋求“最優(yōu)化”，而是“調(diào)查、比較”或者說是“學習”，從模型和現(xiàn)狀比較中，學習改善現(xiàn)存系統(tǒng)的途徑。概念模型代替數(shù)學模型，思路更加開闊。滿意解代替最優(yōu)解，價值觀方面的重要變化。第五節(jié)切克蘭德的“調(diào)查學習”法37霍爾三維結構模型與切克蘭德工程方法比較：

霍爾三維結構和切克蘭德方法論均為系統(tǒng)工程方法論，均以問題為起點，具有相應的邏輯過程。在此基礎上，兩種方法論主要存在以下不同點：

（1）霍爾方法論主要以硬系統(tǒng)為研究對象，而切克蘭德方法更適合于對社會經(jīng)濟和經(jīng)營管理等“軟”系統(tǒng)問題的研究。

（2）前者的核心內(nèi)容是優(yōu)化分析，而后者的核心內(nèi)容是比較學習。

（3）前者更多關注定量分析方法，而后者比較強調(diào)定性或定性與定量有機結合的基本方法。38第六節(jié)物理—事理—人理（WSR）系統(tǒng)方法論

自然科學是關于物理的科學；運籌學是關于事理的科學（許國志），實際還包括管理科學、系統(tǒng)科學，事理就是做事的道理；處理好人的關系這是人理學，就是人文科學、行為科學，人理就是做人的道理。把這三者結合起來“WSR系統(tǒng)方法論”。

WSR系統(tǒng)方法論是具有東方文化傳統(tǒng)的系統(tǒng)方法論，得到國際同行的認同。39要素物理事理人理道理對象著重點原則需要的知識物質世界、法則、規(guī)則的理論客觀物質世界是什么？功能分析誠實，真理，盡可能正確自然科學管理和做事的理論組織、系統(tǒng)怎樣做？邏輯分析協(xié)調(diào)，有效，盡可能平滑管理科學，系統(tǒng)科學人、紀律、規(guī)范的理論人、群體、人際關系、智慧應當怎樣做？人文分析人性，有效果，盡可能靈活人文知識，行為科學WSR系統(tǒng)方法論的內(nèi)容第六節(jié)物理—事理—人理（WSR）系統(tǒng)方法論40第七節(jié)WSR系統(tǒng)方法論

“物理”內(nèi)涵：（1）象征本體論的客觀存在，包括物質及其組織結構；（2）闡述自然客觀想象和客觀存在的定律、規(guī)則；（3）物質運動和技術作用的一般規(guī)律，是一種客觀存在，不以人的意志為轉移；（4）管理過程和管理對象中可以并應該由自然科學、工程技術描述和處理的層面。41“事理”內(nèi)涵：（1）人們辦成辦好事情應該遵循的道理、規(guī)律；（2）指方法，幫助人們給予客觀存在有效處理事務的方法；（3）管理者介入和執(zhí)行管理事務的方式和規(guī)律。“人理”內(nèi)涵：（1）關注、協(xié)調(diào)系統(tǒng)中所有團體相互之間的主觀關系；（2）把組織在一起有效開展工作的方法；（3）管理主體之間相互溝通、學習、調(diào)整、談判等技巧第七節(jié)WSR系統(tǒng)方法論42

WSR系統(tǒng)方法論的基本內(nèi)容和主要步驟：

1、理解領導意圖；

2、調(diào)查分析；

3、形成目標；

4、建立模型；

5、協(xié)調(diào)關系；

6、提出建議。第七節(jié)WSR系統(tǒng)方法論43要素物理事理人理方法理解意圖了解領導最初想法，收集有關領導講話了解領導對目標的偏好，喜歡什么模型和評價標準了解哪些領導會參加決策，誰來使用這個結果頭腦風暴法，討論分析會，認知圖等調(diào)查分析通過現(xiàn)場調(diào)查和文件檢索，分析現(xiàn)有資源和約束條件了解問題背景和有關經(jīng)驗、知識弄清各種關系和必要的知識Delphi法，各種調(diào)查表，交叉影響分析，Kj法等形成目標列出所有可行的目標和約束在目標中弄清它們的優(yōu)先次序和權重弄清各種目標涉及到的人物頭腦風暴法，目標樹法等建立模型將各種目標和約束數(shù)據(jù)化和規(guī)范化選擇適當?shù)哪Ｐ统绦蚝椭R盡量把領導的意圖放入模型中各種建模方法和工具協(xié)調(diào)關系協(xié)調(diào)所有模型、軟硬件、數(shù)據(jù)的關系，即技術協(xié)調(diào)協(xié)調(diào)模型和知識的合理性，即知識協(xié)調(diào)協(xié)調(diào)各方面的利益、觀點、關系，即利益協(xié)調(diào)沖突分析、和諧理論、亞對策等提出建議對各種物理設備和程序進行安裝、調(diào)式、驗證將各種術語變?yōu)橛脩裟芏拖矚g的語言盡量讓各方面易于接受、易于執(zhí)行各種統(tǒng)計圖表等WSR系統(tǒng)方法論中常用的方法第七節(jié)WSR系統(tǒng)方法論44第八節(jié)綜合集成工程

綜合集成（Meta-Synthesis）工程是從整體上考慮并解決復雜問題的方法論。錢學森等人在研究解決開放的復雜巨系統(tǒng)問題時，提出了“從定性到定量綜合集成方法”，這是系統(tǒng)工程思想的新發(fā)展。其實質是將專家群體、數(shù)據(jù)和各種信息與計算機仿真有機地結合，把各種學科的理論和人的經(jīng)驗與知識結合起來，發(fā)揮整體優(yōu)勢。45系統(tǒng)運行系統(tǒng)評價決策部門提出問題形成判斷建模仿真分析優(yōu)化結果分析綜合集成結論建議統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息資料專家群體錢老的從定性到定量的綜合集成方法圖第八節(jié)綜合集成工程46綜合集成即創(chuàng)造；綜合集成是實現(xiàn)大科學、大工程的基本途徑；綜合集成的關鍵是解決整體與局部的關系問題,實現(xiàn)1+1>2。第八節(jié)綜合集成工程47“方法論層次”上的綜合集成要點：（1）直接訴諸實踐經(jīng)驗，特別是專家的經(jīng)驗、感受和判斷力，把這些經(jīng)驗，知識和現(xiàn)代科學提供的理論知識結合起來。（2）通過建模、計算把這些定性知識和各種觀測數(shù)據(jù)、統(tǒng)計資料結合起來，使局部性的知識達到整體定量的認識。（3）把人和計算機結合起來，充分利用知識工程、專家系統(tǒng)和計算機的優(yōu)點，同時發(fā)揮人腦的洞察力和形象思維能力，取長補短，產(chǎn)生出更高的智慧。第八節(jié)綜合集成工程48“工程技術層次”上的綜合集成的基本步驟和要點：（1）針對提出的實際問題，充分收集有關信息資料，調(diào)用有關方面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，為研究工作做基礎性準備；（2）請各方面有關專家對系統(tǒng)進行分析研究，明確問題的癥結所在，對系統(tǒng)做定性判斷，確定系統(tǒng)建模思想；（3）以經(jīng)驗假設為前提，對系統(tǒng)進行定量表示，建立數(shù)學模型；（4）把與數(shù)學模型有關的數(shù)據(jù)、信息輸入計算機，對系統(tǒng)做仿真模擬試驗，獲得系統(tǒng)的定量數(shù)據(jù)資料；（5）組織專家群體對仿真結果進行分析評價、檢驗；（6）依據(jù)專家們的新見解、新判斷，對系統(tǒng)模型做出修改，然后再仿真，再分析評價，如此反復循環(huán)，直到結果符合實際系統(tǒng)的理論描述。第八節(jié)綜合集成工程49武器裝備綜合集成

武器裝備綜合