系统工程第三讲系统工程.ppt

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1、第三章 系统工程方法论,教学要求：掌握系统工程中处理复杂问题的基本思想，理解处理系统的整体、综合、层次、价值、发展等基本观点；了解系统方法论，熟悉系统工程的各种方法：如系统工程三维结构、调查学习模式、人理事理物理方法论、螺旋式推进原则、等，并能运用以上方法论说明如何去解决现实生活中相应的系统工程问题。,第三章 系统工程方法论,3.1系统工程方法与方法论 3.2 处理复杂系统问题的基本观点 3.3霍尔系统工程方法 3.4 切克兰德的系统工程方法 3.5 物理-事理-人理系统方法 3.6 综合集成系统方法 3.7 螺旋式推进系统方法 3.8系统论方法,3.1系统工程方法与方法论,1、研究、分析和处

2、理问题的思想、程序和基本原则叫着方法论，它告诉人们如何去组织、计划、设计和实施问题的研究，但不能详细告诉如何进行一项具体的、个别的研究，因为每一项研究都具有特殊性。 本书将系统工程方法定义在方法论层次上的方法和技术层次上的方法。 方法论层次上的方法指的是人们研究、分析、处理某类系统工程问题运用的程序和基本原则、如对“硬系统”，HALL提出了三维结构模型，对 “软系统”切可兰德提出了“调查学习”模式。,3.1系统工程方法与方法论,技术层面上方法指的是处理复杂系统问题常用到一些具体方法，如系统分析方法，系统评价方法，系统仿真方法，系统预测方法和系统决策方法等。 系统工程方法论指的是处理复杂系统问题

3、的基本观点（整体、综合、层次、优化等）和方法论层次上各种方法的总和。,3.2 处理复杂系统问题的基本观点,整体观点是把系统内部所有要素看成一个整体，在策划最优时，如果子系统最优与系统最优发生矛盾时，子系统要服从整个系统。反之，整个系统要对所有的子系统之间的关系进行协调，充分发挥各子系统的能动作用，使整个系统和各子系统都取得满意的效果。 整体观点要把系统与环境看成一个整体，从更高的角度来分析系统与环境的关系，在策划系统最优时，必须考虑环境的制约作用，必须使环境受益，在万不得已的情况下，力图使环境所受损失最小，决不允许环境受到不能接受的损失。,3.2 处理复杂系统问题的基本观点,整体观点倡导人们在

4、思考问题时要从系统的整体去思考、判断和解决，而不是站在狭隘的个人立场，站在小团体立场去观察、思考和解决问题，整体观点强调关系的协调，强调发挥子系统的能动作用，发挥两个积极性。 整体观念要求站在更高的层次看待系统与环境，强调环境的制约作用，决不允许破坏环境。在提倡和谐社会、可持续发展的大背景下，人们更应强调整体观点，要站在全社会的角度思考、分析、处理某些问题。,3.2 处理复杂系统问题的基本观点,综合观点是指人们在思考、研究和解决问题时，要综合考虑系统的方方面面，协调系统内各要素之间的关系 ，遇到多目标、多因素、关系纵横交错、环境千变万化的系统时，应对目标、因素等进行综合分析或评价，分清主次，对

5、目标、因素进行综合。 综合观点强调人们在判断和解决问题时要全面，要综合平衡系统的方方面面，要协调好系统内外各要素之间的关系，同时要分清主次。,3.2 处理复杂系统问题的基本观点,层次观点是指处理复杂问题时要抓住问题的主要矛盾，抓住主要矛盾的主要方面。系统有很明显的层次性，一般存在树状结构（鱼刺图形状）。人们在分析、处理、解决这些问题时，要熟悉系统中诸要素在各种空间内的层次与分布，将主要精力放在最主要的问题上，避免平均主义。 层次观点强调人们在思考、研究和解决问题时，不要混淆父辈、子辈问题，即使在同一辈分中也存在主次之分，不要搞平均主义，要根据系统层次和要素的重要性确定时间的前后、空间位置和资源

6、的投入强度。,3.2 处理复杂系统问题的基本观点,价值观点是指人们在设计、改造、管理和控制系统时，应考虑系统的投入与产出，具体的说用最少的投入价值创造出最多的使用价值；或者说用同样的人、财、物和时间去开发一个性能最好的系统。 价值观点提醒人们必须从价值角度去思考、研究、解决问题，必须从系统的投入产出，从对系统产生的正作用和负作用角度去思考、研究和解决问题；其次，在设计、改造、管理和控制一个系统时，研究人员能够把“希望马儿跑得快，希望马儿少吃草”变成具体的是方案、政策、策略和手段。,3.3霍尔系统工程方法,3.3.1 HALL系统工程的的时间维,（1）规划阶段调查研究、明确研究目标，提出自己的设

7、想和初步方案，制定系统工程活动的方针、政策或规划。 （2）计划阶段根据规划阶段所提出设计思想和初步方案，从社会、经济、技术、可行性方面进行综合分析，提出具体的计划方案和选择一个最优方案。 （3）研制阶段以计划为指南，组织人、财、物及各个环节、各个部门，实现系统的试制方案，并制定生产计划。 （4）生产阶段生产系统的构件及整个系统，并提出安装计划。 （5）安装阶段对系统进行安装和调，提出系统的运行计划。 （6）运行阶段系统按预定的目标运行服务。 （7）更新阶段完成系统的评价，改进或以新系统代替老系统，使系统更有效的工作，为系统进入下一个研制周期准备条件。,3.3.2 HALL系统工程方法的逻辑维,

8、（1）明确问题首先要明确要解决的问题，即明确要解决什么问题。为了了解研究的问题，研究者要尽量全面地收集和提供解决问题的历史、现状以及发展方面的资料和数据，对每一阶段要研究的问题要与决策者沟通，明确决策者的意图、或通过某种手段、方法，明确所研究的问题。在明确问题的过程中，研究人员要注重环境方面的调查，因为新系统与所在的环境密切相关，这里的环境包括物理环境、技术环境、社会环境、经济环境等。 案例：两点之间运输方式的选择问题,3.3.2 HALL系统工程方法的逻辑维,（2）确定目标（系统指标设计）系统目标是系统工程活动关注的重点，确定系统目标的是系统工程活动的关键环节。系统问题往往具有多目标（指标）

9、，在明确研究问题的基础上，应提出系统目标或目标体系，确定达到目标的程度标准，以此衡量方案的优劣。在确定目标和指标时要有系统的观点，如整体观点、发展观点，还有要考虑操作的可行性；其次，目标一般应包含经济、社会、环境、技术等方面的内容；当目标体系中各指标发生矛盾时，可采用折衷兼顾方法或剔除次要目标。 案例：两点之间运输方式的选择问题,3.3.2 HALL系统工程方法的逻辑维,（4）系统分析系统分析是应用系统工程技术，对于每一个系统方案进行比较、分析计算，为了能更好地分析各因素对目标的影响，需要建立相应的系统模型。建模之前，必须了解、掌握系统内部要素之间、内外要素之间的相互联系和系统的性能与特点，根

10、据系统优化和系统决策的需要，所建立的模型应考虑到所需信息资料的采集。在系统分析中，可能形成新的方案。 案例：两点之间运输方式的选择问题,3.3.2 HALL系统工程方法的逻辑维,（5）系统优化在一定的约束条件下，人们总是希望选择最优的方案。系统优化就是寻找满足约束条件的最优方案，或者说挑选出最好地满足系统目标的方案。通常应根据系统方案对于系统目标满足的程度，对每一个被选方案进行综合评价，从中选出最优方案、次优方案、满意方案，分析者应递交多方案给决策者，以便决策者做出正确的决策。 案例：两点之间运输方式的选择问题,3.3.2 HALL系统工程方法的逻辑维,（6）系统决策由决策者从多个优选方案中选

11、择一个方案进行实施。出于各方面的考虑，决策者选择的方案不一定是最优方案。 （7）系统实施对已选方案进行实施、修改，完善以上6个步骤，转入下一阶段。,在实践工作中，系统综合、系统分析和系统优化存在循环，不断递进的过程，即在系统分析和系统优化的过程中可能产生系统方案，或者对模型进行修正。,3.3.2 HALL系统工程方法的逻辑维,3.3.3 HALL系统工程方法的专业维,HALL系统工程方法专业维说的是解决一个系统工程问题，需要有相应专业知识。如进行社会经济系统的规划研究，研究者需要有宏观经济学、微观经济学、社会学、心理学、环境科学、管理科学、法律、工程技术等学科的知识。如研究某项技术的发展与技术

12、的评估问题，系统工程工作者需要具备所研究的某项技术的专业知识，了解它的特性，发展规律等。 一般来讲，进行某项系统工程研究，研究工作者应具备法律、经济、管理科学、社会科学、环境科学、信息技术和和相应的工程技术，才可能有效的进行系统工程的研究，解决相应的问题,3.4 切克兰德的系统工程方法,对哪些目标不是很清楚，边界较模糊，系统的机理尚不清楚，较难用数学模型描述，只能用半定量、半定性或者只能用定性的方法来处理系统。切克兰德创造了“调查学习”软系统方法，其核心不是寻求系统的“最优化”，而是“调查、比较”或者说是“学习”，从现状调查和模型比较中，学习改善现存系统的途径 。,3.4 切克兰德的系统工程方

13、法,3.4 切克兰德的系统工程方法,(1)系统现状说明。通过调查分析，对现存的不良结构系统的现状进行说明。 (2)弄清关联因素。初步弄清、改善与现状有关的各种因素及其相互关系。 (3)建立概念模型。在不能建立数学模型的情况下，用结构模型或语言模型来描述系统的现状。 (4)改善概念模型。随着分析的不断深入和“学习”的加深，进一步用更合适的模型或方法改进上述概念模型。 (5)比较。将概念模型与现状进行比较，找出符合决策者意图而且可行的改革途径或方案。 (6)实施。实施提出的改革方案。,3.5 物理-事理-人理系统方法,作者在总结国内很多系统工程的研究与实践，分析它们成功与失败的原因，从众多的案例分

14、析中悟出了“关系协调”的重要性，从方法论角度提出了物理、事理、人理系统方法。该方法认为系统工程研究者在处理复杂系统问题时，不仅要明物理，懂自然科学，明白世界到底是什么样，还应通事理，通晓各种科学的方法，各种可硬可软的解决问题的方法，选择科学合理的方法处理事物，更应晓人理，掌握人际交往的艺术，充分认识系统内部各部门的价值取向，协调考虑系统各方利益。只有把这三方面结合起来，利用人的理性思维的逻辑性和形象思维的综合性和创造性，去组织实践活动，才可能产生最大的效益与效率 。,3.5 物理-事理-人理系统方法,3.5 物理-事理-人理系统方法,1、理解意图。这与霍尔系统工程方法论中逻辑维中的明确问题含义

15、相近。在进行任何工作之前，明确要解决的问题、理解决策者的意图。在很多数情况下，决策者们对要解决的问题、或系统的愿望可能是清晰的，也可能是相当模糊的，这就需要沟通，需要协调，因为决策者们各自站在不同的角度，对问题、愿望等有不同的理解，需要分析者理解他们的意图，同时也需理解相关人员的意图。 2、调查分析。调查分析是一个物理分析过程，任何结论只有在深入、仔细地调查分析之后才可能得出。开展调查分析，要协调好与被调查者关系，争取被调查者（专家、广大群众）的积极配合，且对调查得到的资料、信息要进行必要的处理。,3.5 物理-事理-人理系统方法,3、形成目标。作为一个复杂的问题，往往一开始问题拟解决到什么程

16、度，决策者和系统工程工作者都不是很清楚。在领会和理解决策者的意图以及深入的调查分析、取得相关信息后，进行系统目标的确定，形成目标。这些目标可能与当初决策者的意图不完全一致的地方，同时在以后大量分析和进一步考虑后，可能还会有所改变。所以需要协调，使形成的目标得到共识。 4、建立模型。这里的模型是比较广义的，除数学模型外，还可以是物理模型、概念模型，运作程序、运行规则等。建立的模型应与相关领域的人员讨论、协商，在协商的基础上形成。在这一阶段，可能开展的工作是设计、选择相应的方法、模型、步骤和规则来对目标进行分析处理，这个过程主要是运用物理和事理。,3.5 物理-事理-人理系统方法,5、提出建议。运

17、用模型，分析、比较、计算各种条件、环境、方案之后，可以得到解决问题的初步建议。要使所提出的建议可行，使相关主体尽可能满意，协调工作相对其他阶段来说更加重要，所以系统工程工作者在模型分析的基础上，要协调、综合决策者和相关利益者对所提建议的看法，最后还要让决策者从更高一层次去综合和权衡，以决定是否采用。 6、实施方案。将上述建议付诸实施，在实施工程中也需要与相关主体进行沟通，以取得满意的效果。,3.5 物理-事理-人理系统方法,协调关系。协调关系是整个系统工程活动的核心，在整个活动中发挥作用，因为在处理问题时，由于不同的人所拥有的知识不同、立场不同、利益不同、价值观不同、认知不同，对同一个问题、同

18、一个目标、同一个方案往往会有不同的看法和感受，往往需要协调。协调相关主体的关系在整个项目过程中都是十分重要的，但在提出建议阶段，显得更重要。从理解意图直到提出建议，每一个阶段，一般会出现一些新的关注点和议题，可能开展的工作就是相关主体的认知、利益协调。协调关系体现了东方方法论的特色，属于人理的范围。,3.6 综合集成系统方法,钱学森教授在研究解决开放的复杂巨系统问题时，提出了从定性到定量的综合集成法，简称综合集成。综合集成的实质是专家经验、统计数据和信息资料、计算机技术三者的有机结合，构成一个以人为主的高度智能化的人机结合系统，发挥这个系统的整体优势，去解决复杂的决策问题。它有方法论层次上和工

19、程技术层次上综合集成方法。,3.6 综合集成系统方法,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)专家的经验是局部的、多半是定性的，要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，使局部定性的知识达到整体定量的认识。 (3)把人与计算机结合起来，充分利用知识工程、专家系统和电脑的优点，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。,3.6 综合集成系统方法,工程技术层次上的综合集成基本步骤和要点： (1)一个实际问题提出来后，研究者(或研究小组)首先要充分收集有关

20、的信息资料，调用有关方面的统计数据，作为开展研究工作的基础性准备。 (2)研究者约请各方面有关专家对系统的状态、特性、运行机制等进行分析研究，明确问题的症结所在，对系统的可能行为走向及解决问题的途径做出定性判断，形成经验性假设，明确系统的状态变量、环境变量、控制变量和输出变量，确定系统建模思想。 (3)以经验性假设为前提，充分运用现有的理论知识，把系统的结构、功能、行为、特性、输入输出关系定量地表示出来，作为系统的数学模型，以便用模型研究部分地代替对实际系统的研究。,3.6 综合集成系统方法,工程技术层次上的综合集成基本步骤和要点： (4)依据数学模型把有关的数据、信息输入计算机，对系统行为做

21、仿真模拟试验，通过试验，获得关于系统特性和行为走向的定量数据资料。 (5)组织专家群体对计算机仿真试验的结果进行分析评价，对系统模型的有效性进行检验，以便进一步挖掘和收集专家的经验、直觉、更深入细致的判断。 (6)依据专家们的新见解、新判断，对系统模型做出修改，调整有关参数，然后再上机做仿真模拟试验，将新的试验结果再交给专家群体分析评价，根据新一轮的专家意见和判断再次修改模型，再做仿真试验，再请专家群体分析评价，如此反复循环，直到计算机仿真试验结果与专家意见基本吻合为止。,3.7 螺旋式推进系统方法,螺旋式系统方法是一种系统科学方法论，从哲学角度讲，它综合了还原论、混沌理论、构成论和生成论，认

22、为事物是由本原在构成的约束下经螺旋式推进生成的，事物的发展、对事物的认识、对事物的分析、解决问题都是遵循螺旋式推进这一规律的，属于一种螺旋式推进过程,3.7 螺旋式推进系统方法,螺旋式系统方法认为：复杂性寓于简单性之中。如果事物A按旋进方向向事物B发展，当发展至 时完成了一个旋进环，这时的 是进化后的A 。同理 是进化后的 ,见图3.7-1,图3.7-1螺旋式推进的循环与进化,3.7 螺旋式推进系统方法,l对复杂系统地分析和问题的求解，既不是简单、直接的“直线论”，又不是毫无头绪、原地踏步的“循环论”，而是螺旋式推进，即理论技术应用，然后是更高层次的理论技术应用，； l 螺旋式系统方法是一种迭

23、代理论：原因结果原因； l 螺旋式系统方法是一种演化理论，以短期的初始条件演化出系统的长期行为：短期长期短期；,3.7 螺旋式推进系统方法,l螺旋式系统方法的对立统一：复杂简单复杂； l 螺旋式系统方法的必然性和偶然性：确定随机确定； l螺旋式系统方法具有局部和整体相似的分形特征：局部整体局部；,3.7 螺旋式推进系统方法,螺旋系统方法论具有迭代和演化的特征，其主要内涵之一是简单与复杂的对立统一：简单与复杂是对立的，然而简单与复杂又是统一的，它们密切相关，复杂性寓于简单性之中，复杂可以由简单通过循环迭代而生成。进一步说，确定性可能产生非确定性，简单生成元经过反复迭代可以生成复杂的结果。 螺旋式

24、系统方法表示的旋进既有宏观上的旋进、又有微观上的旋进，局部的旋进与整体的旋进具有自相似性,3.7 螺旋式推进系统方法,这种螺旋式的前进是一种循环过程、迭代过程、进化过程。随着对问题的了解和深入，逐步搞清问题的实质，通过宏观上的循环，代替微观上的复杂性。旋进过程像迭代函数系统一样，通过循环迭代趋向不动点，这个不动点就是问题的解。以对复杂系统建模为例，不仅能够简化建模方法和过程，而且不必陷入不必要和难以搞清的细节，集中精力研究系统的整体结构和宏观演化行为。,3.7 螺旋式推进系统方法,螺旋式系统方法的这种螺旋式推进及其固有的迭代特征、演化特征和分形特征，与非线性演化方程、混沌和分形从形式到本质上有

25、着必然的联系。这些联系表现在：局部的旋进与整体旋进的自相似性；由确定性产生非确定性；简单生成元经反复迭代可以生成复杂的结果。,3.7 螺旋式推进系统方法,螺旋式系统方法首先把复杂问题进行分离处理，这是定性分析；其次通过确定子系统内部和子系统之间的动力学关系来确定系统的构成成份和方式；然后通过构造生成元把系统的各个成份分别用迭代方程表示，由这些生成元（方程）反复迭代来描述复杂系统长时期的、复杂的演化行为。综上所述，旋进论综合了还原论、混沌理论、构成论和生成论，能够实现从定性到定量的综合集成，也是一种综合集成方法,3.7 螺旋式推进系统方法,选题中的旋进原则：问题方法问题； 研究中的旋进原则：定性

26、定量定性，软硬软，简单 复杂 简单，全局 局部 全局，宏观微观宏观，粗细粗，动静动； 结论中的旋进原则：线体线，点线点。,3.7 螺旋式推进系统方法,从定性到定量的综合集成程序： 1、宏观旋进的第一环建立系统的逻辑模型 2、宏观旋进的第二环建立系统的物理模型 3、宏观旋进的第三环建立数学模型 4、宏观旋进的第四环求解模型和系统仿真 5、宏观旋进的第五环决策分析 如果演化结果从逻辑上讲是明显不合理的或者明显不正确的，那么必须旋进到下一轮：逻辑物理数学仿真的循环迭代，这就是螺旋式推进的建模方法论,3.8 系统方法,系统方法主要强调如下的结合 还原论方法和整体论方法的结合， 分析方法与综合方法的结合

27、， 定性描述与定量描述的结合， 理论方法与经验方法的结合。,3.8 系统方法,还原论与整体论相结合。整体论强调在研究系统时要从整体上把握对象，还原论主张把整体分解为部分去研究。 还原论相信客观世界是既定的，存在一个由所谓“宇宙之砖”构成的基本层次，只要把研究对象还原到那个层次，搞清楚最小组分即“宇宙之砖”的性质，一切高层次的问题就迎刃而解了。 还原论强调为了认识整体必须认识部分，只有把部分弄清楚才可能真正地把握整体；还原论首先把系统从环境中分离出来，孤立起来进行研究，然后把系统分解为部分，把高层次还原到低层次，用部分说明整体，用低层次说明高层次。,3.8 系统方法,现代科学表明，许多宇宙奥秘来

28、源于整体的涌现性。还原论无法揭示这类宇宙奥秘，因为真正的整体涌现性在整体被分解为部分时已不复存在。而社会实践越来越大型化、复杂化，特别是一系列全球问题的形成，也突出强调要从整体上认识和处理问题。 不还原到元素层次，不了解局部的精细结构，对系统整体的认识只能是直观的、猜测性的、笼统的，缺乏科学性。没有整体观点，对事物的认识只能是零碎的，只见树木，不见森林，不能从整体上把握事物、解决问题。科学的态度是把还原论和整体论结合起来。,3.8 系统方法,定性描述与定量描述相结合。任何系统都有定性特性和定量特性两方面，定性特性决定定量特性，定量特性表现定性特性。只有定性描述，对系统行为特性的把握难以深入准确

29、。但定性描述是定量描述的基础，定性认识不正确，不论定量描述多么精确漂亮，都没有用，甚至会把认识引向歧途。定量描述是为定性描述服务的，借助定量描述能使定性描述深刻化、精确化，在研究复杂问题时要将定性描述和定量描述有机地结合起来。,3.8 系统方法,确定性描述与不确定性描述相结合 。系统的不确定性有很多种类，如随机性、模糊性、信息不完全性、歧义性等 。牛顿力学代表确定论描述，统计力学和量子力学是概率论描述。采取确定论描述的有一般系统论、突变论和非线性动力学、微分动力体系等。香农信息论是完全建立在概率论描述框架上的典范。在控制理论、运筹学等学科中，两种描述都使用，但通过划分不同分支来分别使用它们，仍

30、然没有实现沟通 。现代科学的总体发展越来越要求把两种描述框架沟通起来，形成统一的新框架。系统科学的发展尤其需要把确定论框架同概率论框架沟通起来。混沌学等新学科的发展使人们初步看到希望。,3.8 系统方法,系统分析与系统综合相结合 。要了解一个系统，首先要进行系统分析，要弄清系统由那些组分构成；系统中的元素或组分是按照什么样的方式相互关联起来的；系统所处的环境和功能等 如何由局部认识获得整体认识，可采用分析一重构方法。重构就是综合，首先是信息(认识)的综合，即对部分的认识以求得对整体的认识，或综合低层次的认识以求得对高层次的认识。综合的任务是把握系统的整体涌现性。 从整体出发进行分析，根据对部分

31、的数学描述直接建立关于整体的数学描述，是直接综合。简单系统是可以进行直接综合的系统。简单巨系统直接综合方法无效，可行的办法是统计综合。复杂巨系统连统计综合也无能为力，需要更复杂的综合方法 。,系统工程方法论-汪应洛,1、问题剖析报告：包括“问题性质”和“问题条件”两部分内容。 2、阶段结果报告 3、目标 4、评价指标 5、约束条件,阐明问题阶段,谋划备选方案,谋划备选方案是为了达到所提出的目标，自然要视具体情况行事。通常，作为备选方案应具备以下特征： 1、强壮性（rubustness） 2、适应性 3、可靠性 4、可操作性,建模和预计后果,一、建模技术 1、分析模型 2、仿真模型 3、博弈模型 4、判断模型,预测未来环境,1、离开未来实施环境去谈论方案后果是没有意义的 2、行动方案从决策到实施有一段时间间隔，它的作用期就更长，而未来状态总是不确定的。 常用方法：情景分析法,评比备选方案,成本-效益分析 成本-利润分析 效用值理论,系统工程分析报告,