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null第二章 系统工程理论与方法论第二章 系统工程理论与方法论第一节：系统工程理论基础 第二节：系统工程方法论及发展 第三节：系统原理及应用null第二节 系统工程方法论及发展“想泡壶茶喝。当时的情况是：开水没有，开水壶要洗，茶壶茶杯要洗，火已升了，茶叶也有了，怎么办?”引例：泡茶问题null一、问题描述1.目标：喝到一碗清新的热茶。 2.条件：已有一个茶壶、一包好茶叶、一个燃着的火炉和可用的凉水水源。 3.其它要求：以最节约资源的方式实现目标。 4.系统工程研究任务：为解决喝茶问题一个行动计划系统(设计一个解决泡茶问题的行动计划)。 null二、问题分析1 资源需求 根据我们的日常经验，现代人类的活动通常需要人、财、物等类资源。在这个泡茶问题上，不涉及资金，所需的资源包括：凉水、茶壶、茶叶、茶碗、火炉。这些资源目前都已齐备，且假设除人外没有限制。null2 目标要求 以最节约资源的方式泡一壶好茶。 这个问题中，前面提到的各项资源除了人力资源外，都是没有限制的。但实际上，茶壶的大小是确定的，因而所用水是确定的。 再假定炉火的发热量及热效率是确定的，那么，一旦装满水的茶壶放到火上，其消耗的能源也是确定的。 茶叶使用量是有定额的。null所以，在泡茶问题上，前述各项资源除随机干扰外，不存在节约问题。这个问题，唯一涉及的节约问题是关于一种既无限又有限的资源—时间的节约。3 系统工程研究任务界定 设计一个解决泡茶问题的行动计划，要求合理安排各道工序，最大限度节约时间。null三、定性策划几个备选根据日常经验，对以上泡茶问题可以有以下三种解法： 甲：⑴洗净水壶；⑵灌上凉水；⑶壶放在火上；⑷等水开；⑸水开后，以最快的速度洗茶杯，找茶叶；⑹泡茶，待茶泡好；⑺喝茶。 乙：⑴洗净水壶；⑵洗茶杯；⑶找好茶叶；⑷灌凉水；⑸壶放火上；⑹等水开；⑺水开后，用准备好的茶杯、茶叶泡茶；⑻等待茶泡好；⑼喝茶。 丙：⑴洗净水壶；⑵灌凉水；⑶壶放火上；⑷洗茶杯；⑸拿茶叶；⑹水开之前，可干一些其它事；⑺水开，泡茶；⑻喝茶。null四、方案分析与比较 (系统分析)1.列出泡茶所需的全部工序 2.确定每道工序所需的时间 3.确定各道工序之间的时间连接关系 4.分析计算每种方案所需的总时间 5.做出比较结论null工序列表null图1 泡茶系统工程备选方案工序图null方案分析甲方案总时间=1+0.5+0.3+15+2+2.2=21 乙方案总时间=1+1+1+0.5+0.3+15+2.2=21 丙方案总时间=1+0.5+(0.3+15)+2.2=19 分析结果：丙方案最节约时间。 方案建议：丙null泡茶工程经验总结几大步骤： 确定问题 目标分析 需求分析 方案策划 系统分析（统计、计算、比较） 决策建议 方案实施 系统原理：最优化、并行统筹、工序图法一：方法论一：方法论方法和方法论在认识上是两个不同的范畴。方法是用于完成一个既定任务的具体技术和操作；方法论是进行研究和探索的一般途径，是对方法如何使用的指导。 系统工程方法论是用于解决复杂问题的一般程序、逻辑步骤和通用方法。 系统工程方法论特点: 研究方法强调整体性 技术应用强调综合性 管理决策强调科学性主要的系统工程方法论主要的系统工程方法论霍尔结构体系(霍尔三维结构) 切克兰德模式 综合集成工程方法学(综合集成研讨厅体系 )物理—事理—人理（WSR）二：SE基本工作过程二：SE基本工作过程20世纪60～70年代具有代表性的SE方法论。1、霍尔的三维结构（1969年提出）将系统的整个管理过程分为前后紧密相连的六个阶段和七个步骤，并同时考虑到为完成这些阶段和步骤的工作所需的各种专业管理知识。三维结构由时间维、逻辑维、知识维组成，如图示：1.霍尔三维结构1.霍尔三维结构系统工程活动 矩阵：T-L-K 霍尔三位结构集 中体现了系统工 程方法的系统化 、综合化、最优 化、程序化和标 准化等特点，是 系统工程方法论 的重要基础内容。null同时，形成了所谓的霍尔管理矩阵null一) 时间维表示系统从规划到更新，从开始→结束按时间顺序排列的全过程，反映了系统的生命周期循环过程。规划阶段：调研、明确目标 方案阶段：比较分析方案，择优 研制阶段：实现方案，作生产计划 生产阶段：零部件→组装整个系统 运行阶段：运行 更新阶段：评价→改进和更新null二) 逻辑维每个阶段内所要进行的工作内容和遵循的思维程序。明确问题：收集资料(考察、测量、调研、需求分析、市场预测) 了解系统的环境、目的、系统的各组成部分及其联系等。系统边界: 问题：社会经济系统的边界如何确定？ 如“企业生产经营”系统 : 对该系统有作用的要素包括： —— 哪些归于系统要素？ 哪些归于环境要素？ 根据什么来确定?null直观经验方法：头脑风暴法 预测法：德尔菲法、情景分析法、时间序列法 结构模型法：解释结构模型法(ISM) 多变量统计方法：因子分析、主成分分析法问题的设定方法：null选择目标：提出目标，制定准则() 选择目标过程一般使用价值体系方法： 效用理论 费用—效益分析：经济系统 价值工程 系统综合：方案策略，对每种方案进行说明 系统分析：比较分析各方案→建模→计算或仿真目标确定：  确定目标的原则  确定目标的方法  目标实现标准 ---指标→量化! 目标的量化 目标的归一化 目标的有序化 目标的一致化null系统分析主要内容： 系统变量的选择：状态变量、决策变量(内生、外生) 建模和仿真：ISM、SD 可靠性工程方案优化：选出待选方案集，交决策部门 最优化：单目标、多目标 优化：约束条件，最优解、满意解 线性规划、动态规划、非线性规划、 大系统理论、组合优化等null作出决策：不能十全十美，要考虑人、社会各种因素 付诸实施： 企业：生产计划 开发项目：CPM、PERT三) 知识维知识维是指在完成上述各种步骤所需要的各种专业知识和管理知识，包括科学学、基础科学、工程技术、环境科学、计算机技术、数学、经济学、法律、管理科学和其它相关社会科学等 。null在这个过程系统中，每一阶段都有自己的管理内容和管理目标，每一步骤都有自己的管理手段和管理方法，彼此相互联系，再加上具体的管理对象，组成了一个有机整体。 霍尔管理矩阵可以提醒人们在哪个阶段该做哪一步工作，同时明确各项具体工作在全局中的地位和作用，从而使工作得到合理安排。 把系统工程过程系统运用于大型工程项目，尤其是探索性强、技术复杂、投资大、周期长的“大科学”研究项目，可以减少决策上的失误和计划实施过程中的困难。基于 “三维结构”模型的系统工程过程系统null （1）硬系统方法论认为在问题研究开始定义目标是很容易 的，因此没有为目标定义提供有效的方法。但对大多数系统管 理问题来说，目标定义本身就是需要解决的首要问题； （2）硬系统方法论没有考虑系统中人的主观因素，将系统 中的人与其他物质因素等同起来，忽视人对现实的主观认识， 认为系统的发展是由系统外的人为控制因素决定的； （3）硬系统方法论认为只有建立数学模型才能科学地解决 问题，但是对于复杂的社会系统来说，建立精确的数学模型往 往是不现实的，即使建立了数学模型，也会因为建模者对问题 认识上的不足而不能很好地反映其特性，因此通过模型求解得 到的方案往往并不能解决实际问题。硬系统方法的局限性2. 切克兰德方法论2. 切克兰德方法论霍尔三维结构不适用于以建立和管理“软系统”为目的的社会科学、管理科学等科学领域；而适用于以研制“硬件系统”为目标的自然科学、工程技术等“硬科学”领域，故有人称霍尔三维结构为“硬科学”的系统工程方法论。 英国的切克兰德把OR、SE、SA和SD所使用的方法论叫硬系统方法论，并在1981年自己提出一种软系统方法(SSM)——“调查学习”法。 null同时，Checkland认为，完全按照解决工程技术问题的思路来解决社会问题或“软科学”问题，会碰到许多问题。提出了 良结构系统：指偏重工程问题、机理明显的物理型的硬系统 不良结构系统：指偏重社会问题、机理尚不清楚的心理和事理型的软系统 他认为：不良结构问题的核心不是寻求“最优化”，而是“调查、比较”或者说是“学习”，从模型和现状比较中，学习改善现存系统的途径，是有很明显的反馈调节思想。 null实施步骤null切克兰德的“调查学习”软方法的核心不是寻求“最优化”，而是“调查、比较”或者说是“学习”，从模型和现状比较中，学习改善现存系统的途径。概念模型代替数学模型，思路更加开阔。满意解代替最优解，价值观方面的重要变化。null他提出的软系统工程方法论的主要内容和工作过程如图所示 null根据分析者的观点形成相关系统的概念，称之为相关系统的根定义。 如：DISCO音乐会可以给出以下两个根定义： （1）它是传统商业活动系统； （2）它是用DISCO作为一种亚文化的象征来表达一种特殊生活方式的系统。 对于同一个问题情景，不同的人可能给出不同的根定义。 不同根定义的交集将形成该问题情景的“内核”。 相关系统的根定义 软系统方法论的不足软系统方法论的不足（1）不大适合处理突发事件，不能寄希望它立竿见影； （2）在解释问题情景中的权利与冲突时缺乏可信度，因 此在考虑社会变革时往往是保守的； （3）缺乏明确的组织变革理论，只能通过有关参与者相 互之间的沟通来激发变革； （4）没有提及行为措施的合理性与合法性的关系；人们 往往忽视问题的合理解决方法与当权者利益之间的冲突。3.两种方法轮的比较 (?)3.两种方法轮的比较 (?) 相同点：问题导向；注重（逻辑）程序及阶段；… 不同点：(研究对象或应用领域、基本方法、 核心内容或关键点、反馈机制、…) （1）霍尔方法论主要以工程系统为研究对象，而切克兰德方法更适合于对社会经济和经营管理等“软”系统问题的研究。     （2）前者的核心内容是优化分析，而后者的核心内容是比较学习。     （3）前者更多关注定量分析方法，而后者比较强调定性或定性与定量有机结合的基本方法。 （4）后者较之前者具有反馈过程。null软系统与硬系统的方法论比较企业管理系统工程活动矩阵（框架——H；内容——C）企业管理系统工程活动矩阵（框架——H；内容——C）逻辑 步骤活动项目工作过程三：系统工程的新方法论三：系统工程的新方法论系统工程的方法论一直是系统工程研究的重要内容。 综合集成系统方法论的产生 80年代初，钱学森提出处理复杂行为系统的定量方法学。 80年代末，钱学森提出处理开放的复杂巨系统的方法论是“从定性到定量综合集成方法”。 1、钱老的从定性到定量的综合集成方法图1、钱老的从定性到定量的综合集成方法图综合集成即创造； 综合集成是实现大科学、大工程的基本途径； 综合集成的关键是解决整体与局部的关系问题,实现1+1>2。null“方法论层次”上的综合集成要点： （1）直接诉诸实践经验，特别是专家的经验、感受和判断力，把这些经验，知识和现代科学提供的理论知识结合起来。 （2）通过建模、计算把这些定性知识和各种观测数据、统计资料结合起来，使局部性的知识达到整体定量的认识。 （3）把人和计算机结合起来，充分利用知识工程、专家系统和计算机的优点，同时发挥人脑的洞察力和形象思维能力，取长补短，产生出更高的智慧。null“工程技术层次”上的综合集成的基本步骤和要点： （1）针对提出的实际问题，充分收集有关信息资料，调用有关方面的统计数据，为研究工作做基础性准备； （2）请各方面有关专家对系统进行分析研究，明确问题的症结所在，对系统做定性判断，确定系统建模思想； （3）以经验假设为前提，对系统进行定量表示，建立数学模型； （4）把与数学模型有关的数据、信息输入计算机，对系统做仿真模拟试验，获得系统的定量数据资料； （5）组织专家群体对仿真结果进行分析评价、检验； （6）依据专家们的新见解、新判断，对系统模型做出修改，然后再仿真，再分析评价，如此反复循环，直到结果符合实际系统的理论描述。null1）、这套方法论是从整体上研究和解决复杂巨系统问题的方法，采取人机结合以人为主的思维方法和研究方式，对不同层次、不同领域的信息和知识进行综合集成，达到对整体的定性定量认识。按照我国传统说法，把一个复杂事物的各个方面综合起来，达到对整体的认识，称之为“集大成”的智慧，所以钱学森把这个方法称为“大成智慧工程”。 2）、在综合集成研讨厅体系这个概念中，综合集成（创新）是方法特征，研讨厅体系是组织形式。综合集成方法指出了解决复杂开放巨系统和复杂性问题的过程性以及过程的方向性和反复性。 3）、综合集成研讨厅体系本身是个开放的、动态的体系，也是个不断发展和进化的体系。 特点 2、物理—事理—人理（WSR）系统方法论2、物理—事理—人理（WSR）系统方法论自然科学是关于物理的科学；运筹学是关于事理的科学（许国志），实际还包括管理科学、系统科学，事理就是做事的道理；处理好人的关系这是人理学，就是人文科学、行为科学，人理就是做人的道理。把这三者结合起来“WSR系统方法论”。 WSR系统方法论是具有东方文化传统的系统方法论，得到国际同行的认同。 WSR系统方法论的基本内容和主要步骤： 1、理解领导意图； 2、调查分析； 3、形成目标； 4、建立模型； 5、协调关系； 6、提出建议。WSR方法论的主要内容WSR方法论的主要内容系统工程方法论总结系统工程方法论总结还原论与整体论相结合 定性与定量相结合 系统分析与系统综合相结合 局部研究与整体研究相结合附录:创意方案的产生方法附录:创意方案的产生方法（一） 头脑风暴法 头脑风暴法（Brain Storm）指一群人运用脑力，做创造性思考(creative thinking)，在短暂的时间内，对某项问题的解决，提出大量构想的技巧。 头脑风暴法的两个基本原则 延迟判断 数量孕育质量null头脑风暴法适用范围 表8-4 不适合用头脑风暴解决的问题 null头脑风暴法适用范围 图8-21 将问题转化为适于头脑风暴法使用的形式 null头脑风暴法的实施过程 首先需要选定头脑风暴的小组成员，人数以5至10人为宜，包括主持人和员在内以6至7人为最佳。太多或太少都不好，当小组人数过多时，则会使某些人没有畅所欲言的机会；参与者过少时，场面冷清会影响参与者的热情。小组中不宜有过多专家，并且小组成员最好具有不同学科背景。 其次头脑风暴小组的主持人必须具有丰富的经验，并且必须充分地把握讨论问题的本质。 最后，在头脑风暴法开始之前，就应该提前对提出初始问题的个人、集体或部门组织进行访谈调研，而且还应准备一份简要的问题分析。 null头脑风暴法创意的产生过程 首先由会议的主持人重新叙述议题，要求小组人员讲出与该问题有关的创意或思路。 与会者想发言的先举手，由主持人指名开始发表设想，，注意不要作任何评价。 在小组人员提出设想的时候，主持人必须善于运用激发创意的方法，语言要妙趣横生，使气氛轻松融洽。 一次会议创意发表不完的，可以再次召开会议，直至各种创意充分发表出来为止。最后一定能从大量的创意中选择出最佳的问题解决方案。 创意收集阶段实质上是与创意激发和生成阶段同时进行的。执行记录任务的是组员，也可是其他组织成员。 对创意进行选择评价必须先确定选取创意的标准。null（二） 德尔菲法 德尔菲法实施步骤： 一般情况下，德尔菲法的实施有以下几个步骤 组成调查工作组 选择专家 以函询方式向专家们索取预测信息 null德尔菲法应用范围 德尔菲法主要有以下几个方面用途： （1） 对达到某一目标的条件、途径、手段及它们的相对重要程度做出估计； （2） 对未来事件实现的时间做出概率估计； （3） 对某一方案（技术、产品等）在总体方案（技术、产品等）中所占的最佳比重做出概率估计； （4） 对研究对象的动向和在未来某个时间所能达到的状况、性能等做出估计； （5） 对方案做出评价，或对若干个备选方案评价出相对名次，选出最优者。 null德尔菲法的优缺点 德尔菲法的优点： 可以获得各种不同但有价值的观点和意见； 适用于长期预测，在历史资料不足或不可预测因素较多时尤为适用； 能充分发挥各位专家的作用，集思广益，准确性较高； 能把各位专家间意见的分歧点表达出来，取各家之长，避各家之短。 德尔菲法的缺点： 对于细节性的问题预测可能不可靠； 专家的意见有时可能不完整或不切实际； 有些专家可能会碍于情面，不愿意发表与其他人不同的意见。 null（三） 情景分析法 一般是在专家集体推测的基础上,对可能的未来情景的描述.null情景分析法的实证分析 确定主题 国内生产总值（GDP）常被公认为衡量国家经济状况的最佳指标。国内生产总值（GDP）是指一个国家领土范围内的所有常住单位，在一定时期内生产最终产品和提供劳务价值的总和。 分析未来情景 未来的情景随具体情况的不同而不同，我国经济在改革开放前后呈现出巨大的差异，主要分为计划经济时期和市场经济时期两个阶段，而在市场经济时期又可分为由计划经济向市场经济转轨时期和市场经济发展时期。 寻找影响因素寻找影响因素经济体制 资本 劳动力 技术进步 消费 进出口 其他 具体分析 由于我国的国内生产总值变化有较明显的阶段性，故在分析时分阶段进行。 计划经济阶段：1952～1977年 经济体制转轨阶段：1978～1991年 市场经济发展阶段：1992～2006年 在对2阶段的情景分析中，三种情景如下: 无突变情景，即经济继续保持稳步增长的趋势。 乐观情景，即随着市场的全面开放、国家更多的有利政策出台，国民经济将以更快的速度发展，国内生产总值的增长率将进一步提高。 悲观情景，即由于经济过热，国民经济再次陷入“过热—过冷”的经济周期中，国内生产总值增长率有所下降。