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1、第三章 系统工程方法论吴翠花天津工业大学经济与管理学院第三章 系统工程方法论 【学习目标】 掌握霍尔三维结构方法论； 了解切克兰德方法论； 把握物理-事理-人理系统方法论； 理解综合集成系统方法论。第一节 霍尔三维结构方法论 霍尔三维结构是1969年由美国贝尔电话公司电气工程师和系统工程专家霍尔提出的一种系统工程方法论。 霍尔三维结构将系统工程整个活动过程分为前后紧密衔接的七个阶段和七个步骤，同时还考虑了为完成这些阶段和步骤所需要的各种专业知识和技能。这样，就形成了由时间维（Time）、逻辑维（Logic）和知识维（Knowledge）所组成的三维空间结构。第一节 霍尔三维结构方法论第一节 霍
2、尔三维结构方法论一、时间维（Time） 时间维表示系统工程的工作阶段或进程。系统工程工作从系统规划到系统更新的整个过程或寿命周期可分为以下七个阶段，每一阶段都有其对应的研究任务。 (1)规划阶段。明确系统目标，制定系统工程活动的总体方针和发展战略规划。 (2)计划阶段。根据总体方针和战略规划，提出具体的设计思想和初步方案，选择最满意的方案。 (3)研制阶段。实现系统的研制方案，分析、制定出较为详细而具体的执行计划。 (4)生产阶段。组织筹划生产系统所需资源及全部“零部件”，并提出具体的实施和“安装”计划。 (5)安装阶段。安装和调试系统，制定出具体的运行计划。 (6)运行阶段。投入运行系统，为
3、预定目标服务。 (7)更新阶段。评价、革新、改进或取消旧系统，建立新系统，为系统进入下一个研制周期奠定基础。 第一节 霍尔三维结构方法论 二、逻辑维（Logic） 逻辑维是指系统工程活动每一阶段工作所应遵循的逻辑顺序和工作步骤，由以下七个步骤组成： 1.明确问题 明确问题是研究工作的基础和出发点。明确问题，把握研究方向，为系统工程研究和取得成效奠定基础。由于系统工程是面向大型、复杂系统问题的研究，其研究对象包含自然界和社会经济活动的各个领域，要求研究者千方百计全面收集解决问题的资料、数据和信息，了解和明确决策者意图，明确问题的性质，尤其是在问题形成和规划阶段，首要的任务就是 要清楚研究的是什么
4、性质的问题，以便正确地设定问题，否则，一切无从谈起。国内外学者在问题的设定方面提出了许多行之有效的方法，第一节 霍尔三维结构方法论 二、逻辑维（Logic） 2.确定目标 系统目标是系统工程活动的重点，也是设计和建立系统价值指标体系或评价指标体系的过程。系统问题往往具有多目标（指标）的属性。在明确问题的基础上，应提出系统目标或目标体系，确定达到目标的基准，设计和建立系统具体的评价指标体系，以衡量方案的优劣。设计和制定评价指标体系要回答以下一些问题：评价指标如何定量化，评价中的主观成分和客观成分如何分离，如何进行综合评价，如何确定价值观问题等。行之有效的评价体系方法主要有效用理论、费用/效益分析
5、法、风险估计、价值工程等几种方法。第一节 霍尔三维结构方法论 二、逻辑维（Logic） 3.系统综合 系统综合是一个创造性的过程，需要系统决策者、分析者和相关人员根据问题的性质、目标、环境、条件等，在给定条件下，运用各种创造性方法，提出若干可能的方案，找出达到预期目标的手段或系统结构。系统综合的过程常常需要人的参与，计算机辅助设计（CAD）和系统仿真等技术手段的有机结合，通过人机交互，利用多人的经验和知识，使系统具有推理和联想的功能。近年来，知识工程和模糊理论已成为系统综合的有力工具。第一节 霍尔三维结构方法论 二、逻辑维（Logic） 4.系统分析 系统分析是应用系统工程技术，对每一个系统方
6、案进行比较、分析、计算，为了更好地分析各因素对系统目标的影响，系统分析首先要对所研究的对象进行描述，掌握系统内部要素之间、内外部要素之间的相互联系，在此基础上建立相应的系统模型。建模的方法和仿真技术是最常采用的方法，对难以用数学模型表达的社会系统和生物系统，也常用定性和定量相结合的方法来描述。第一节 霍尔三维结构方法论 二、逻辑维（Logic） 5.系统优化 系统优化就是在约束条件规定的可行域内，从多种可行方案或替代方案中得出最优解或满意解的过程。在系统的数学模型和目标函数已经建立的情况下，可用最优化方法选择使目标值最优的控制变量值或系统参数。实践中要根据问题的特点选用适当的最优化方法，目前应
7、用最广的仍是线性规划和动态规划，非线性规划的实用性尚有待改进，大系统优化已开发了分解协调的算法。组合优化适用于离散变量，整数规划中的分枝定界法，逐次逼近法等的应用也很广泛。多目标优化问题的最优解处于目标空间的非劣解集上，可采用人机交互的方法处理所得的解，最终得到满意解。第一节 霍尔三维结构方法论 二、逻辑维（Logic） 6.系统决策 管理大师西蒙认为，“决策就是管理”。在系统综合和系统分析基础上，人们可根据主观偏好、主观效用和主观概率做决策。决策的本质反映了人的主观认识能力，因此，就必然受到人的主观认识能力的限制。近年来，决策支持系统受到人们的重视，系统分析者将各种数据、条件、模型和算法放在
8、决策支持系统中，该系统甚至包含了有推理演绎功能的知识库，便决策者在做出主观决策后，力图从决策支持系统中尽快得到效果反应，以达成主观判断和客观效果的一致性。但是，在真实的决策中，被决策对象往往包含许多不确定因素和难以描述的现象，群决策有利于克服某些个人决策中主观判断的失误，但决策过程较长。第一节 霍尔三维结构方法论 二、逻辑维（Logic） 7.系统实施 系统实施是实现系统目标，使决策付诸实践的重要环节。系统实施要依靠严格而有效的计划。一项大的系统工程活动的开展，涉及到设计、开发、研究和施工等许多环节，每个环节又涉及大量的人、财、物的组织和运筹。在系统工程中常用的计划评审技术（PERT）和关键路
9、线法（CPM）在制订和实施计划方面起了重要作用。第一节 霍尔三维结构方法论 三、知识维（Knowledge） 知识维是从事系统工程活动所需要的各类专业知识（如社会科学、运筹学、控制论、环境科学、管理科学、工程技术、经济、法律知识等），也包括可反映系统工程专门应用领域的知识（如企业管理系统工程、社会经济系统工程、工程系统工程等）。例如进行社会经济系统的规划研究，除了需要研究者掌握系统工程理论方法，还需要具有宏观经济学、微观经济学、社会学、心理学、环境科学、管理科学、法律、工程技术等学科知识，才能有效地分析和处理该问题。第二节 切克兰德方法论 切克兰德方法论是英国兰切斯特大学（Lancaster
10、University）切克兰德（P.Checkland）教授于1981年首次提出的。其背景是自20世纪60年代开始，针对良性结构系统（硬系统）的定量方法难以解决社会经济系统中那类半定量、半定性的问题，这类问题的解决需要综合考虑环境因素与人为因素，因此需要对系统方法进行改造，切克兰德方法应运而生，切克兰德方法论以硬系统方法论为基础。第二节 切克兰德方法论 一、切克兰德方法论 软系统方法论使用四种智力活动：感知判断比较决策，构成了各个阶段联系在一起的学习系统。 其核心是通过不断对现状的“调查”和模型的“比较”或者“学习”中，学习改善现存系统的途经，而不是追求系统的“最优化”，因此，切克兰德软系统方
11、法论就构成系统工程方法论中解决软系统问题的重要的方法论之一。切克兰德软系统方法论的思路和步骤第二节 切克兰德方法论切克兰德软系统方法论的思路和步骤1.系统现状调查与说明这一步骤是了解和认识系统，归纳系统问题的基础。2.确定关联因素通过根底定义，明确存在的问题，分析并寻找现存系统的构成或影响因素及其关系，以便明确系统问题的结构，现存过程及其相互之间的不适应之处，确定有关的行为主体和利益主体。3.建立概念模型概念模型是来自于现存系统根底定义基础上的关联因素的明确，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，通过系统化语言对问题抽象描述的结果，其结构及要素必须符合根底定义的思想
12、，并能实现其要求。 第二节 切克兰德方法论切克兰德软系统方法论的思路和步骤4. 改善概念模型随着对系统分析的不断深入和学习过程的深化，将第一步所明确的现实问题(主要是归纳的结果)和所建立的概念模型(主要是演绎的结果)进行反复的比较和对比，通过反复比较，对根底定义的结果进行适当修正，用更适合的模型或方法对概念模型进行改善，寻求改善的途径。 5.设计选择备选方案将概念模型与系统现状进行比较，针对比较的结果，考虑环境及相关人员的态度等因素，设计并选择出符合决策者意图并且现实可行的改革途经或者改善的备选方案。 6.实施 根据已经确定的备选方案，形成详尽、具体而有针对性的、可操作性的方案并加以实施，并使
13、得有关人员乐于接受和愿意为方案的实现而竭尽全力。 7.评价与反馈对所实施的方案效果进行评价，在此基础上，根据在实施过程中获得的新的认识，修正问题描述、根底定义及概念模型等，为下一轮的循环奠定基础。 第二节 切克兰德方法论 二、“软”、“硬”系统工程方法论的比较 （一）软”、“硬”系统方法论 在系统工程一类软科学中，所研究的系统对象，往往可以分为“硬系统”和“软系统”两类。所谓“硬系统”，一般是指偏工程、物理型的，它们的工作机理比较明显，较易用数学模型来表达，有较好的定量方法计算系统的行为和求得最优解。所谓“软系统”，一般是指偏社会、经济型的，它们的过程机理往往不清楚，较难完全用数学模型来表达，
14、需要用定量和定性相结合的方法来处理。第二节 切克兰德方法论 （二）“软”、“硬”系统方法论的处理过程 1.“硬”系统方法论的处理过程第二节 切克兰德方法论 （二）“软”、“硬”系统方法论的处理过程 2. “硬”系统方法论的的局限性 （1）硬系统方法论认为在问题研究起始点定义目标是容易的，没有为目标定义提供行之有效的方法，事实上，对于大多数系统管理问题而言，目标定义本身恰恰是最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因素，将系统中人与其他物质因素等同起来，忽视了人对现实的主观认识和影响，认为系统的发展是由系统外的非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
15、科学地解决问题，但是对于错综复杂的社会经济系统而言，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。第二节 切克兰德方法论 （二）“软”、“硬”系统方法论的处理过程 3. “软”系统方法论的处理过程第二节 切克兰德方法论 （二）“软”、“硬”系统方法论的处理过程 4.“软”系统方法论的操作手册 1）识别问题情境 对于典型的管理问题而言，问题及其情境的识别非常重要。把研究情境当做这样一个情境：其中一个委托人已委托了这项分析，用一个已有问题求解系统（包括分析者）的解决方案来影响问题内容
16、系统（包括问题拥有者和决策执行人等这些可以重合的角色）。需要明确的问题有两个方面：（1）委托人是谁？（2）他的愿望是什么？第二节 切克兰德方法论（二）“软”、“硬”系统方法论的处理过程4.“软”系统方法论的操作手册2）问题的内容系统问题的内容系统就是需要明确该问题究竟由哪些方面、哪些因素所构成。一般包括以下内容：（1）问题拥有者和决策执行人这两个角色的占据者是谁？（2）问题拥有者和决策执行人对问题本质的看法是什么？（3）问题拥有者和决策执行人把“这个问题”看作一个问题的理由是什么？（4）问题拥有者和决策执行人对问题求解系统的期望是什么？（5）问题拥有者和决策执行人对哪些事务持有高度评价？（6）
17、在初步描写问题内容系统时，有哪些可能相关的要素？（7）问题内容系统的一些可能名称是什么？（8）问题内容系统的环境约束是什么？第二节 切克兰德方法论（二）“软”、“硬”系统方法论的处理过程4.“软”系统方法论的操作手册3）问题的求解系统问题的求解系统就是指解决该问题需要的人员、各种资源等多方面的支持。一般包括以下内容：（1）问题解决者角色的占有人是谁？（2）问题求解系统中的其他角色是谁？（3）问题求解系统的资源是：人员、物理资源、技能、资金、时间。（4）可能的或已知的对问题求解系统的环境约束是什么？（5）问题解决者懂得此问题已经“被解决”的时候是何时？第二节 切克兰德方法论第三节 物理-事理-人
18、理方法论 一、物理-事理-人理方法论模型 中国系统工程专家顾基发和英国华裔专家朱志昌于20世纪90年代中期提出了物理事理人理(简称WSR)系统方法论。 物理包括物质及其组织结构，阐述自然客观现象和客观存在的定律、规则。 事理是人们做事应当遵循的道理、规律，主要是指人们做事的方法，帮助人们在遵循客观规律的基础上正确有效地处理事务的方法 人理是结合人们的文化、传统、价值、观念等，根据心理学、社会学、组织行为学等现代人文社科知识，把人们组织在一起有效地开展工作的方法。第三节 物理-事理-人理方法论一、物理-事理-人理方法论模型WSR作为一个统一的工作过程，是由一个核心：协调关系，六个步骤：理解决策者
19、意图、调查分析、形成目标、建立模型、提出建议、实施方案来构成第三节 物理-事理-人理方法论二、构成要素（一）一个核心：协调关系系统工程工作者在处理复杂系统问题时，不仅要明物理，懂自然科学，明白客观物质世界是什么样子的，了解自然科学知识，还应该通事理，通晓各种科学方法，掌握各种可硬可软的解决问题的具体方法，选择科学合理的方法处理事务，更应该通晓人理，掌握人际交往艺术，充分认识系统内外部的价值取向，利益关系，综合考虑协调处理系统各方利益，尽可能达到各方满意，其中协调关系是其核心，在整个系统工程实践活动中，由于不同的人拥有的知识、价值观、认知、观点和利益各不相同，对同一问题、同一目标、同一方案往往持
20、有不同的看法和感受，因此只有通过协调关系，充分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，处理好相关主体的各种关系，实现物理-事理-人理三方面的有机结合，才能有效地组织系统工程的实践活动，才能产生最大的效益和效率。第三节 物理-事理-人理方法论 （二）六个步骤 1.理解决策者意图 2调查分析 3.形成目标 4.建立模型 5.提出建议 6.实施方案 WSR系统方法论内容类别项目物理W事理S人理R道理物质世界法则、规则的理论管理和做事的理论人、纪律、规范的理论对象客观物质世界组织、系统人、群体、关系、智慧着重点是什么？（功能分析）怎样做？（逻辑分析） 应当怎样做？（人文分析）原则诚实、追求
21、真理，尽可能正确协调、有效率，尽可能平滑人性、有效果，尽可能灵活需要的知识自然科学管理科学，系统科学人文知识，行为科学第四节 综合集成方法论 20世纪90年代初，钱学森教授在研究、解决开放的复杂的巨系统问题时，提出了从定性到定量的综合集成系统方法论。该方法论以对社会系统、人体系统、地理系统等三类复杂巨系统的研究实践为基础，形成一个整体，其实质是专家经验、统计数据和信息资料、计算机三者有机结合，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，解决复杂巨系统的决策问题。第四节 综合集成方法论综合集成系统方法论包含方法论层次上的集成和工程技术层次上的集成。方法论层次上的集成步骤和
22、要点如下：(1)根据开放的复杂巨系统的复杂机制和变量众多的特点，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，实现定性研究与定量研究有机结合，从多方面的定性认识上升到定量认识；(2)按照人机结合的特点，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，将专家群体(各种相关专家)、数据和各种信息与计算机技术有机结合起来，取长补短，产生更高的智慧；(3)由于系统的复杂性，把科学理论与经验知识结合起来，把人对客观事物零零散散的知识综合集中起来，力求有效地解决复杂的系统问题；(4)根据系统思想，把多种学科结合起来进行研究
23、；(5)根据复杂巨系统的层次结构，把宏观研究与微观研究统一起来；(6)强调对知识工程及数据挖掘技术等的应用。第四节 综合集成方法论工程技术层次上的集成步骤和要点如下：(1)实际问题提出之后，系统工程研究人员（研究小组）首先是尽可能充分地收集相关信息资料，获取统计数据，这些信息资料和统计数据，既包含定性的，也包含定量的，为系统局部定性认识经过综合集成上升到整体定量认识奠定基础；(2)系统工程研究者邀请各有关专家对系统的状态、特性、构成、运行机制、作用机理等进行分析研究明确问题所在，对系统可能行为走向和解决问题的途径做出定性判断，形成经验假设，明确系统的状态变量、环境变量、控制变量和输出变量，确定
24、系统的建模思想；(3)以经验假设为前提，充分运用现有的理论知识，把系统结构、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，以使用模型研究部分代替对实际系统的研究；第四节 综合集成方法论(4)依据数学模型把有关数据、信息录入计算机，对系统行为做仿真模拟实验，通过实验，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实验结果进行分析评价，对系统模型进行检验，并进一步挖掘和收集专家经验、直觉、判断，甚至“触景生情”式的见解，即被仿真实验结果所诱导出来的见解；(6)依照专家们的新见解、新判断，调整系统模型的有关参数，修正模型，之后再做仿真实验，再将新的实验结
25、果交给专家群体进行分析与评价，根据新一轮专家群体的意见和判断再次修正模型，继续做仿真实验，继续邀请专家群体分析与评价，如此循环往复，直到仿真实验结果与专家群体意见基本吻合。最终所得到的数学模型就是符合实际系统的理论描述，从这种模型中得出的结论的可信度是较高的。本章习题 1.什么是霍尔三维结构?它有何特点? 2. 什么是切克兰德方法论?它有何特点? 3.霍尔三维结构与切克兰德方法论有何异同点? 4. 什么是物理-事理-人理方法论?它有何特点? 5. 什么是综合集成系统方法论?它有何特点? 请举例说明如何应用工程技术层次的综合集成方法去解决实际问题。本章习题 6. 什么是软系统方法论？什么是硬系统方法论？二者处理的过程有何异同？ 7. 请通过一实例，说明软系统方法论的应用。 8. 请通过一实例，说明硬系统方法论的应用。 9. 请总结近年来系统工程方法论的新发展及其特点。 10. 为什么要研究方法论？它对人们研究、思考、处理问题有什么作用?