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1、 第2章 第 2 章 系统工程方法论 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；而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。系统工程方法论研究和探索（复杂）系统问题的一般规律与途径。一般情况下，系统包含“硬件”单元，也包含“软件”要素，尤其是人的行为，使系统更具复杂性和不确定性。另外，复杂系统必然是多目标、多方案的，因此，要有独特的思考问题和处理问题的方法，要用多种技术方案进行求解。这就是我们要讲的系统工程方法论。系统工程方法论除一般的数学描述方法和逻辑推理方法外，还有工程技术的规范和社会科学的艺术等。描述性、逻辑性、规范性、艺术性这些特
2、点交织在一起，构成了系统工程独特的思想方法、理论基础、基本程序和方法步骤。系统工程方法论的基本特点是：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。系统工程方法论的核心就是研究整体与局部的关系，主要方法就是系统综合和系统分析相结合，也就是整体论和还原论相结合。从整体到局部、从系统综合到系统分解，再回到整体和系统综合，循环往复，实际上是一个螺旋式上升的认识迭代过程。本章将重点介绍霍尔和切克兰德的系统工程方法论、美国国防分析研究所提出的并行工程方法学、钱学森等提出的综合集成工程方法学、物理事理人理系统（WSR）方法论、“5W1H”方法论，以及INCOSE 推崇的系统工程“V”模型方法
3、论的基本概念和框架步骤。2.1 霍尔的“三维结构”模型 在系统工程的研究和应用中，人们逐渐地探索、积累和总结出多种科学的工作方法和程序。其中，20 世纪六七十年代具有一定代表性的有霍尔的“三维结构”模型。第 2 章 系统工程方法论 29 2.1.1 霍尔的三维结构 1969 年美国工程师霍尔提出三维结构，对系统工程的一般过程做了比较清楚的说明。它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技术知识。三维结构由时间维、逻辑维和知识维组成，如图 2.1.1 所示。图 2.1.1 系统工程的霍尔三维结构 1.时间维 三维结构中，时
4、间维表示从规划到更新，按时间顺序排列的系统工程全过程，分为六个阶段。（1）规划阶段：对将要开展研究的系统进行调查研究，明确研究目标，在此基础上，提出自己的设计思想和初步方案，制定系统工程活动的方针、政策和规划。（2）方案阶段：根据规划阶段所提出的若干设计思想和初步方案，从社会、经济、技术可行性等方面进行综合分析，提出具体计划方案并选择一个最优方案。（3）研制阶段：以计划为行动指南，把人、财、物组成一个有机的整体，使各个环节、各个部门围绕总目标，实现系统的研制方案，并做出生产计划。系统工程原理 30（4）生产阶段：生产或研制开发出系统的零部件（硬软件）及整个系统。（5）运行阶段：把系统安装好，完
5、成系统的运行计划，使系统按预定目标运行服务。（6）更新阶段：完成系统的评价，在现系统运行的基础上，改进和更新系统，使系统更有效地工作，同时为下一代系统的研制做准备。例如，在装备全寿命管理中，装备的寿命周期一般分为论证、方案、工程研制、生产与部署、使用与保障、退役处理六个阶段。2.逻辑维 三维结构中，逻辑维是指每个阶段所要进行的工作步骤，这是运用系统工程方法进行思考、分析和解决问题时应遵循的一般程序。（1）明确问题：尽可能全面地收集资料、了解问题，包括实地考察和测量、调研、需求分析和市场预测等。（2）选择目标：对所解决的问题提出应达到的目标，并制定出衡量是否达标的准则。（3）系统综合：搜集并综合
6、达到预期目标的方案，对每一种方案进行必要的说明。（4）系统分析：应用系统工程方法技术，将综合得到的各种方案系统地进行比较、分析，必要时建立数学模型进行仿真实验或理论计算。（5）方案优化：对数学模型给出的结果加以评价，筛选出满足目标要求的最佳方案。（6）做出决策：确定最佳方案。（7）付诸实施：执行方案，完成各个阶段的管理工作。3.知识维 三维结构中的知识维是指完成上述各种步骤所需要的各种专业知识和管理知识，包括法律、社会科学、环境科学、管理科学、数学、经济学、计算机科学、工程技术等方面的知识。运用系统工程知识，把六个时间阶段和七个逻辑步骤结合起来，便形成所谓的霍尔管理矩阵（表 2.1.1）。矩阵
7、中时间维的每一阶段与逻辑维的每一步骤所对应的点aij（i=1，2，6；j=1，2，7），代表一项具体的管理活动。表 2.1.1 霍尔管理矩阵 逻辑维（步骤）时间维（阶段）1.明确问题 2.选择目标 3.系统综合 4.系统分析 5.方案优化 6.做出决策 7.付诸实施 第 2 章 系统工程方法论 31 1.规划阶段 a11 a12 a13 a14 a15 a16 a17 2.方案阶段 a21 a22 a23 a24 a25 a26 a27 3.研制阶段 a31 a32 a33 a34 a35 a36 a37 4.生产阶段 a41 a42 a43 a44 a45 a46 a47 5.运行阶段 a5
8、1 a52 a53 a54 a55 a56 a57 6.更新阶段 a61 a62 a63 a64 a65 a66 a67 矩阵中各项活动相互影响、紧密相关，要从整体上达到最优效果，必须使各阶段步骤的活动反复进行。反复性是霍尔管理矩阵的一个重要特点，它反映了从规划到更新的过程需要控制、调节和决策。因此，系统工程过程系统充分体现了计划、组织和控制的职能。管理矩阵中不同的管理活动对知识的需求和侧重也不同。逻辑维的七个步骤，体现了系统工程解决问题的研究方法，即定性与定量相结合、理论与实践相结合、具体问题具体分析。在时间维的六个阶段中，规划阶段和方案阶段一般以技术管理为主，辅之行政、经济管理方法。所谓技
9、术管理就是侧重于科学技术知识，依据科学和技术的自身规律进行管理，在管理上充分发扬学术民主，组织具有不同学术思想的专家进行讨论，为计划和实施提供科学依据。研制阶段和生产阶段一般应以行政管理为主，侧重于现代管理技术的运用，辅之以技术、经济管理方法。行政管理就是依靠组织领导的权威和合同制等经济、法律手段，保证管理活动的顺利进行。运行阶段和更新阶段则应主要采用经济管理方式，按照经济规律，运用经济杠杆来进行管理。霍尔的“三维结构”模型有时也称系统工程过程系统。系统工程过程系统的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，组成了一个有机的
10、整体。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。例如，1958 年美国海军特种计划局首次运用计划评审技术控制研究进度，使“北极星”导弹核潜艇的研制任务提前两年完成。国内外许多事例表明，运用科学的管理方法，决策的可靠性可提高一倍以上，节约时间和总投资平均在 15%以上，而用于管理的费用一般只占总投资的 3%6%。规划阶段和方案阶段，只花去寿命周期费用的极少部分，但确定了工程或装备全寿命要花费用的 70%；在全面工程研制之前，管理的费用只占寿命周期费用的3%，但固定了寿命周期费用的 85%；研制结
11、束时，寿命周期费用已基本被固定。这说明工程前期的规划和方案设计尤为重要。系统工程原理 32 2.1.2 霍尔的“三维结构”模型在三峡工程中的应用 下面结合三峡工程来介绍霍尔三维结构中时间维的含义和作用。在这里将三峡工程作为案例，并不是说长江三峡工程已经是一项真正按照系统工程的思路来筹划的样本工程，而是因为它与大家比较贴近，且通过它来理解系统工程过程本身较方便。1.规划阶段 在这个阶段，首先要对想要着手建设的系统工程的环境，主要是对工程所处的社会的、经济的、物理的、技术的环境因素进行广泛的、有一定深度的调查和研究。这种调研的结果应当实现三个目标：第一，为系统工程制定一个总体性的纲领性规划；第二，
12、提出相应的方针、政策和实施战略；第三，为下一步设计具体的系统工程的方案提供广泛的背景信息和资料。系统工程在这个阶段所提供的纲领性规划、战略方针，以及相关的资料，对系统工程在后续各阶段的工作是尤为重要的。就三峡工程而言，首先我们面临着不能令人满意的境况：长江经常洪水泛滥，造成的损失惨重。汉朝以来的 2 000 多年间，长江中下游平均每 10 年发生一次大洪水，并且还常发生特大、超特大洪水，1860 年、1870 年、1931 年、1934 年均发生特大洪水，1949 年、1954 年也发生特大洪水。长江流域各省，如川、鄂、湘、皖、赣、苏等，经常发生旱灾，但丰富的长江水却白白流掉了，没有很好地用来
13、灌溉。长江三峡段水流湍急，落差很大，蕴藏着巨大的水能，而国家建设需要大量电力，但这些水能未被利用，反而为害。三峡航道多急流险滩，严重影响航运安全和过航能力于是，就设想建三峡大坝来改变这种不能令人满意的境况。建设三峡大坝工程是一项巨大而复杂的系统工程，首先要对它进行规划。三峡工程早在民国时期就进行过规划。1919 年，孙中山所制定的建国方略中已提出了要利用三峡的水力资源来发电。1946 年，美国的著名水力专家萨凡奇推动中美合作，提出了开发三峡的著名的“萨凡奇计划”。新中国成立以后，早在 20 世纪 50 年代初期，三峡工程就进入了规划阶段。当时成立了长江流域规划办公室，其重点任务就是对三峡工程进
14、行规划。为了进行规划，该办公室收集了多方面的资料，包括：长江流域历史上发生的水、旱灾情况，危害和损失的程度；长江流域的水文、地质资料，如长江流域的雨量分布、径流量、长江主流和主要干流的年均流量、暴雨规律和资料，枯水年流量、丰水年流量，十年一遇、百年一遇甚至千年一遇的最大洪水流量，以及库区和坝区的地质情况等；技术能力方面的各种资料，包括建高坝的技术、水库排沙技术、建筑巨大的水轮发电机组技术、超高压输变电技术等，以及关于这些技术在未来的发展的预测；第 2 章 系统工程方法论 33 工程的各项经费概算和国民经济的承担能力；库区淹没土地、城镇、工厂设施和可能需要迁移的人口的数量及其可能后果；等等。根据
15、资料的调研结果，设计者提出了关于工程的一个纲领性计划，即预期在多少年内建成一个多大规模的三峡水利工程，并明确提出建设三峡水利枢纽工程，要实现“发电、防洪、灌溉、航运”四个方面的目标。2.方案阶段 方案阶段，是根据规划所做出的决策制订具体的方案。三峡工程规划提出了要建设三峡水利枢纽工程，来达到发电、防洪、灌溉、航运四个方面的目标。而在制订方案的阶段，则有如下要求。其一，对这些目标进行分解、量化和协调，提出一个相互协调的、具体的、可量化的目标树。其二，进一步根据这些相互协调的目标，提出多个能实现这些目标的具体方案。这涉及坝址选择、大坝的设计高程、库容大小、电站厂房的合理构想、水轮发电机组的配置方案
16、、船闸规模、灌溉系统的较详细的构想，以及有关防洪等方面的辅助系统的具体方案的设想等。第一，在坝址的选取问题上，20 世纪 50 年代，水利部长江水利委员会（以下简称长江委）开始研究三峡大坝坝址，选择了三斗坪和南津关两个河段作为研究对象。最后综合比较，三斗坪坝址明显优于南津关坝址。三峡工程修建在三斗坪坝址，枢纽下游尚有 35 千米的峡谷航道处于天然状态，需研究航道的改善措施。大坝修建在南津关坝址，这一河段全部在水库内，航道可得到彻底改善。但是进一步研究表明，考虑三峡水电站日调节下泄流量变化对下游航运造成的影响，不论选择三斗坪坝址还是南津关坝址，均需在下游修建反调节水库（即现已建成的葛洲坝水利枢纽
17、）。因此，长江委设计推荐三斗坪坝址作为三峡工程大坝坝址。第二，在正常蓄水位的选定问题上，20 世纪 50 年代长江委研究推荐的三峡工程正常蓄水位为 200 米。70 年代研究“高坝中用”方案，提出正常蓄水位 190 米。1984 年 4月国务院批准确定三峡工程按正常蓄水位 150 米、坝顶高程 175 米进行建设。后因 150米水位方案水能资源利用不充分，解决长江中下游防洪问题不理想，也不能满足重庆市和交通部门的要求，经国务院决定从 1986 年开始对三峡工程重新进行论证。根据多年来研究的成果，正常蓄水位的重新论证范围为 150180 米。经过论证，三峡工程最终正常蓄水位为 175 米。但为了
18、减少初期移民安置的困难，初期采用较低水位运行。系统工程原理 34 经技术经济比较认为：三峡工程从尽可能满足防洪、发电、航运三项任务要求出发，正常蓄水位宜选高水位方案。正常蓄水位 175 米分期蓄水方案，防洪库容有 221.5108立方米，可以满足防洪的基本要求；万吨级船队直达重庆的保证率可达 45%50%；调节库容有 165108立方米，调节流量 5 860 米3/秒，基本可以协调电站调峰和下游航运的关系；发电可装机 18 200 兆瓦，年发电量 847108千瓦时。该方案移民人口 113 万人，可以妥善安置。大坝坝顶高程定为 185 米，为今后水库运用留有必要的余地。1993年 5 月，国务
19、院三峡工程建设委员会审查批准长江三峡水利枢纽初步设计报告（枢纽工程），三峡工程正常蓄水位 175 米得到了国务院的批准。第三，要根据提出的具体方案，进一步提出为实施这个方案，在技术、社会、经济、环境等方面可能出现的、需要通过研究才能解决的问题。例如，就技术方面而言，水库经多年运行后势必出现泥沙淤积怎么办？山体受侵蚀后，势必造成更多山体崩塌和滑坡怎么办？大型水库常会引发地震怎么办？处于水库尾部的重庆港可能由此成为死港怎么办？造成的其他各种环境破坏和环境污染怎么办？三峡风景区的破坏怎么办？建成水库后因上游泄洪不畅，可能造成四川省的洪水灾害更加频繁怎么办？此外，还有水轮发电机组和输变电工程方面的许多
20、当时尚不能解决的技术问题。就社会方面而言，库区大片土地、城镇被淹没，移民问题怎么办？所以，在制订方案阶段，不但要提出许多理论性和实验性的研究课题，并且要组织力量来进行研究解决。在方案阶段要特别强调按逻辑维中的七个步骤，即明确问题、选择目标、系统综合、系统分析、方案优化、做出决策、付诸实施来进行研究。当然，系统工程的其他各个阶段也都要按此七个步骤来进行研究。第四，还要对所提出的工程方案的成本费用和效益进行尽可能详细和严格的计算，以便让方案的委托人或雇主估计承受能力和根据效益进行决策。三峡大坝建设方案经过论证，工程静态投资为 361.1 亿元，终期总投资 1 800 亿元，总工期为 17 年，移民
21、不间断进行，20 年移完。3.研制阶段 这个阶段是实施系统工程（包括生产阶段、安装阶段）之前，最为细微、复杂，技术性很强且工作量最大的阶段。这个阶段的工作，不可能仅仅由系统工程师来完成，也不可能仅仅由系统工程师提供方案、由领导人进行决策来完成，而必须由系统工程师结合大批相关工程技术人员合作才能完成。这个阶段主要完成两件大事，即实现两个目标：第 2 章 系统工程方法论 35 提出实施该系统的详细的研制方案；提出详细的实施（生产或施工，包括往后各阶段）计划。对于长江三峡，就是：提出三峡水利枢纽的各个方面的可供施工的蓝图，包括大坝、船闸、厂房、机电设备、输变电工程等方面的各项研究工作，以及最终拿出可
22、供施工和生产的图纸。按照预想的进程和可能性，提出包括库区移民及工厂的搬迁安置进度，大坝、船闸、厂房的施工进度，水轮发电机组、辅助设备、输变电设备的研究及其安装的进度，进而提出何时完成第一期工程和第二期工程、何时全面投产等详细的系统的实施计划。4.生产阶段和运行阶段 这个阶段的主要任务是：完成大坝及全部水工结构的建筑、船闸、厂房的建设，水轮发电机组、输变电设备、中央控制台、配电室及其他各种机电设备的制造等；提出未来的系统的安装计划；由于水利枢纽的特殊性，在此过程中还要有步骤地安置库区移民；等等。经国务院三峡工程审查委员会和国务院三峡工程建设委员会批准，三峡工程采用“一级开发，一次建成，分期蓄水，
23、连续移民”的建设方案和“明渠通航，三期导流”的施工方案。三峡水利枢纽的拦河坝为混凝土重力坝，全长 2 309.5 米，坝顶高程 185 米，河床中部布置泄洪坝段，设有 23 个 7 米9 米的深孔，22 个净宽 8 米的表孔；其两侧分别布置厂房，左岸厂房装机组 14 台，右岸厂房装机组 12 台；左岸布置通航建筑物，并设有双线五级连续梯级船闸和垂直升降机。三峡工程分三个阶段完成全部施工，总工期 17 年。第一阶段：19931997 年，以实现大江截流为标志；第二阶段：19982003 年，以实现左岸电站第一批机组发电和双线五级船闸通航为标志；第三阶段：20042009 年，以实现全部机组发电和
24、枢纽工程全部竣工为标志。5.更新阶段 更新阶段即取消旧系统，代之以新系统，或改进旧系统，使其能更有效地进行工作。总之，以上这些阶段，只是对系统工程进行的步骤从时间先后的角度上做一个大体的区分，以便我们能对各阶段的任务进行清晰的研究。但在实际实施系统工程的时候，它们在时间上是可以交叉的。例如，在研制阶段就可部分地进行生产，在生产阶段就可部分地进行安装，在安装阶段就可部分地进行运行。系统工程原理 36 2.2 切克兰德的“调查学习”方法 系统工程常常把所研究的系统分为良结构系统与不良结构系统两类。所谓良结构系统是指偏重工程、机理明显的物理型的硬系统，它可以用较明显的数学模型描述，有较现成的定量方法
25、可以计算出系统的行为和最佳结果。解决这类系统问题所用的方法通常称为“硬方法”，霍尔的三维结构主要适用于解决良结构问题的硬系统。所谓不良结构系统是指偏重社会、机理尚不清楚的生物型的软系统，它较难用数学模型描述，往往只能用半定量、半定性或者只能用定性的方法来处理问题。解决这类系统问题所用的方法，通常称为“软方法”。“软”的主要原因是它加入了人的判断和直觉，解决问题时不像硬方法那样可以求出最佳的定量结果，而是所求出的结果一般是可行的满意解，并且有些结果因人而异。因此，硬系统工程方法论在解决不良结构系统问题时有它的局限性：一是难以定义系统目标。硬系统工程方法论认为在问题研究开始时定义目标是容易的，因此
26、没有为目标定义提供有效的方法。但对大多数系统管理来说，目标定义本身就是需要解决的首要问题。二是较少考虑人的因素。硬系统工程方法论没有考虑系统中人的主观因素，把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，认为要考虑的人为控制因素在系统外。三是不易建立数学模型。硬系统工程方法论认为只有建立数学模型才能科学地解决问题。但对于复杂的社会系统，建立精确的数学模型往往不现实；即使建立了数学模型，也会因建模者对问题认识的不足而不能很好地反映其特性。良结构与不良结构问题的不同解决方案的比较见表 2.2.1。到目前为止，解决不良结构的软系统方法已提出一些，如专家调查法、情景分析法、冲突分析法等。切
27、克兰德于 1981 年提出“调查学习”方法，从系统工程方法论角度看，这种方法具有更高的概括性。表 2.2.1 良结构与不良结构问题的不同解决方案的比较 不同系统 定义 特点 解决的方法 良结构系统 偏重工程、机理明显的物理型的硬系统 可用较明显的数学模型描述，有较现成的定量方法可以计算出系统的行为和最佳结果 用“硬方法”求出最佳的定量结果，霍尔的三维结构主要适用于此 不良结构系统 偏重社会、机理尚不清楚的生物型的软系统 较难用数学模型描述，因其加入了人的直觉和判断，往往只能用半定量、半定性或者只能用定性的方法来处理问题 用“软方法”求出可行的满意解，常用德尔菲法、情景分析法、冲突分析法、切克兰
28、德的“调查学习”方法等 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。它的步骤如下：不良结 第 2 章 系统工程方法论 37 构系统现状说明。通过调查分析，对现存的不良结构系统的现状进行说明。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。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。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。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。实施。实
29、施提出的改革方案。2.3 并行工程方法学 2.3.1 并行工程的定义 并行工程（concurrent engineering，CE）是美国在 20 世纪 80 年代末提出的、在计算机集成制造系统（computer integrated manufacturing system，CIMS）和系统工程中发展起来的工程技术，也是美国国防部在 90 年代以来发展武器装备系统的基本管理模式。其核心内容是：强调用户需求，并把用户需求转化为完整的产品要求；交互作用、互相协调的并行研制过程，便于将产品的设计与产品的制造过程和保障过程用系统工程方法综合在一起，从而在产品的整个研制过程中综合考虑其性能、可靠性、维
30、修性、保障性和生产性；建立多学科（多专业）的综合产品研制机制及计算机辅助工程环境。定义 2.3.1 并行工程是对产品及相关过程，包括制造过程和支持过程，进行并行、一体化设计的一种系统化方法。这种方法力图使产品开发者从一开始就考虑到产品全寿命周期从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度和用户需求。因此，并行工程所体现的主要思想有以下方面：约束信息的并行性，即设计的同时考虑产品全寿命周期的所有因素，作为设计结果，同时产生产品设计规格 或 CAD（computer aided design，即计算机辅助设计）文件和相应的制造和支持过程计划。功能的并行性，即产品全寿命周期所涉及的各功能领域
31、工程活动并行交叉进行。集成性，即要求实现产品及其过程的一体化并行设计，根本在于研究开发、产品设计、过程设计、制造装配和市场的全面集成。协同性，是指多学科并行工程小组协同工作，即产品全寿命周期中各阶段不同领域技术人员（包括顾客和供应商）的全面参与和协同工作。科学性。并行工程采用了迄今最为先进的开发工具、方法和技术，如全面质量管理、系统工程方法、质量工程方法、计算机辅助系统等。TQCS即 time（周期）、quality（质量）、cost（成本）、服务（service）是并行工 系统工程原理 38 程强调的四大要素，分别指加速产品开发周期、提高产品质量、降低成本、提供优质服务。并行工程实际上是系统
32、工程原理的深入和应用，也可以说是一种更为广义的优化设计，它更加着重于集成性、协同性、并行性，把以往那种序列化的设计、生产、保障研制过程变为并行的、交互作用的综合研制过程，达到缩短研制周期的目的。但是，并行工程并不等于“同时工程”（图 2.3.1 和图 2.3.2）。因此，并行工程是系统工程在 20 世纪90 年代的新挑战。图 2.3.1 并行工程同时工程 图 2.3.2 并行工程的运行模式 并行工程是相对传统的串行工程而言的。串行开发模式在市场需求到产品设计，再到工艺规划，最后到加工装配的过程中，采用的是“抛过墙法”（throw over the wall），忽视了不相邻活动之间的交流和协调，
33、各部门对产品开发整体过程缺乏综合考虑，容易造成局部最优而非全局最优，上下游矛盾与冲突不能及时得到调解，开发时间加长，研制成本提高。2.3.2 并行工程过程设计 并行工程的关键是产品全寿命周期中各种相关过程活动的并行进行和协作演进。实际上，相关过程主要包括产品设计、产品制造和支持过程。在制造业的传统组织结构模式下，产品设计部门和过程设计部门是分离的。在这种部门分离的情况下，中间信息不能被部门共享，部门间的通信是通过产品设计规格、过程计划这样的最终输出来实现的。前一部门的输出是后一部门的输入，也是后续过程开始的必要条件。第 2 章 系统工程方法论 39 并行工程则要集成产品全寿命周期中的各种工程过
34、程，以保证相关的功能、性能、生产性、可靠性 包括可靠性（reliability）、维修性（maintainability）、保障性（supportability），即 RMS等在内的所有因素在整体上最优，获得满意的产品设计。这些被集成的工程过程几乎囊括了企业的主要业务活动，主要有需求工程、产品设计工程（包括产品设计和工艺规划）、制造工程、后勤工程、可靠性工程、维修性工程、人素和安全性工程、价值工程、决策过程、质量工程、经济工程等。并行工程的过程设计方法就是实现产品和过程设计的并行进行与协作演进，核心内容是：强调用户需求，把用户需求转化为产品要求，并建立交互作用、互相协调的并行研制过程，以便将产
35、品的设计、产品的制造过程和保障过程用系统工程方法综合在一起（图 2.3.3）。图 2.3.3 并行工程综合研制工程 2.3.3 并行组织管理模式 传统组织管理理论中的一个基本概念是将工作划分成各种专业化的任务，然后根据这些专业化的任务组成不同的部门。一般地，在组织中存在两种类型的专业分工：以组织的等级结构为代表的垂直方向的专业化分工；以部门为代表的水平方向的专业化分工。而并行工程过程要求的信息集成化，将使企业内各组织单位之间的相互关系更加紧密，以致会打乱和冲破传统部门之间的界限划分。因此，信息集成化往往会引起企业内部信息交流渠道的再构造。信息集成化一方面可以通过企业组织结构的重组来实现，另一方
36、面还可以通过利用先进的计算机和通信技术来加强。这种与并行工程过程相应的组织结构应该是一种协作组织结构，有利于促进组织间包括垂直和水平两个方向的通信。垂直方向的集成缩短了信息传递途径，而水平方向的集成则能加强不同领域间的融合与协作。因此，并行工程对组织结构的影响表现为向扁平型组织结构演化的趋势。多功能小组是并行工程实施过程中普遍采用的组织结构形式。其小组成员来自产品全寿命周期相关的 系统工程原理 40 主要技术领域，他们共同负责产品从需求分析直到交付使用过程中的所有工作，是一种群体工作模式。这种组织结构形式已经得到普遍的认可，并已在实践中得到成功的应用。2.3.4 并行工程的实施步骤 并行工程的
37、实施可根据自动化程度分为三类，即小组化方法、计算机辅助方法和计算机支持的协同工作方法。小组化方法是以人为中心的方法，小组成员根据工作过程决定什么时候使用什么工具，通过人的交互工作实现功能和信息的集成。计算机支持的协同工作方法提供了一个全面集成的企业环境，既强调人的作用，又强调技术的支持，是小组化方法和计算机集成支持环境相结合的方法。计算机辅助方法是自动化程度介于小组化方法和计算机支持的协同工作方法之间的一种方法。总结起来，并行工程有三个创新：一是组织创新多功能团队；二是过程创新开发过程改进与重组；三是信息技术手段创新计算机支持的协作工作环境。企业实施并行工程牵涉企业组织结构及经营的各个方面，必
38、须按照并行工程管理技术和方法组织实施，实施步骤如下：制订并行工程实施计划。顶层管理人员了解并行工程和过程管理的有关概念，分析企业现有业务流程、组织结构和管理模式，考察并行工程将要影响的所有方面，制定实施纲要。初步确定导入并行工程的实验项目，根据项目涉及的功能领域，组织并行工程小组。确定明确的开发目标。并行工程培训和基础设施准备。分析现有过程。按照重组原则改进现有的过程模型。实施新过程。评价结果并改进。大量实践表明，实践并行工程能使应用项目取得明显的效益，提高企业竞争能力。例如，美国BYTE 杂志1994 年第7 期报道了洛克希德导弹与空间企业（Lockheed Missiles and Spa
39、ce Company，LMSC）采用并行工程的方法缩短新型号导弹开发周期的消息，题为加速工程设计。LMSC 采用并行工程的方法，最终使产品开发周期缩短了60%，完成了预定的目标。美国波音公司在波音767-X 飞机设计制造中采用并行设计工程，也取得了很好的经济效益。2.4 综合集成工程方法学 综合集成（meta-synthesis）工程是从整体上考虑并解决复杂问题的方法论，有方法论层次上的和工程技术层次上的。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，这是系统工程思想新的重大发展。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
40、为主的高度智能化 第 2 章 系统工程方法论 41 的人机结合系统，发挥整体优势，解决复杂的决策问题（图 2.4.1）。对开放复杂巨系统的综合集成要以人类积累的全部知识为基础，要在整个现代科学知识体系中作大跨度的跳跃，集大成、得智慧，产生新思想、新知识、新方法，钱学森称其为大成智慧。图 2.4.1 钱学森提出的从定性到定量的综合集成方法图 在哲学上，把经验与理论、定性与定量、人与机、微观与宏观、还原论与整体论辩证地统一起来，这就是方法论层次上的综合集成，其要点如下：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；专家的经验是局部的，多半是定性的
41、，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，使局部定性的知识上升到整体定量的知识；把人与计算机结合起来，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。除了方法论层次上的综合集成外，还有工程技术层次上的综合集成，两者可以结合起来去解决问题。综合集成工程具有很强的可操作性，运用综合集成工程解决开放复杂巨系统问题的基本步骤和要点如下。（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。这些数据资料中包含系统定性、定量特性的信息，没有它们就不可
42、能实现从关于系统的局部定性认识经过综合集成达到关于系统的整体定量认识。（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，以便用模型的研究部分地代替对实际系统的研究。（4）依据数学模型把有关的数据、信息输入计算机，对系统行为做仿真模拟试验，系统工程原理 42 通过试验，获得关于系统特性和行为走
43、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。所谓“即景生情”式的见解，常常是专家面对仿真试验结果时被诱导出来和明确起来的。如果再应用虚拟现实技术，可能会有意想不到的效果。（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，然后上机做仿真模拟试验，将新的试验结果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。最后得到的数学模型就是符合实际系统的理论描述，从这种模
44、型中得出的结论将是可信的。因此，信息技术是实现综合集成的重要手段。利用信息技术的联通性、融合性和整合性，如多维信息的集成和融合、集成型模式识别和智能控制等，是系统综合集成的基本途径。而综合集成是实现大科学、大工程的基本途径，其关键是解决整体与局部的关系问题，实现“1+12”。2.5 物理事理人理（WSR）系统方法论 2.5.1 WSR 系统方法论的基本概念 自然科学是关于物理的科学。运筹学是关于事理的科学，实际还包括管理科学、系统科学，其中，事理就是做事的道理。处理好人的关系是人理学，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，1995 年，中国科学院系统科学研究所顾基发研究
45、员和英国Hull大学的华裔学者朱志昌博士提出了物理事理人理系统方法论，简称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，得到了国际同行的认同。表 2.5.1 说明了 WSR 系统方法论的基本内容。表 2.5.1 WSR 系统方法论的基本内容 要素 物理 事理 人理 道理 物质世界、法则、规划的理论 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、人际关系、智慧 着重点 是什么？功能分析 怎样做？逻辑分析 应当怎么做？人文分析 原则 诚实、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、
46、系统科学、运筹学 人文科学、行为科学 第 2 章 系统工程方法论 43 作为科学研究对象的客观世界是由物和事两方面组成的。物是指独立于人的意志而存在的物质客体；事是指人们变革自然和社会的各种有目的的活动，包括自然物采集、加工、改造，人与人的交往、合作、竞争，对人的活动所做的组织、管理等。通俗地讲，事就是人们做事情、做工作、处理事务。运筹学促使科学认识从物理层面进入事理层面，事理学的研究又促使科学认识从事理层面进入人理层面。没有人的系统（自然系统）的运动总可以用物理加以说明，而有人的系统（社会系统）则要加上事理、人理去说明。物理主要涉及物质运动的规律，通常要用到自然科学知识，回答有关的物是什么、
47、能够做什么，它需要的是真实性。事理是做事的道理，主要解决如何安排、运用这些物的问题，通常用到系统科学、管理科学方面的知识，回答可以怎样去做。人理是做人的道理，主要回答应当如何做。处理任何事理和物理问题都离不开人，要由人来判断这些事和物是否得当，并且协调各种各样的人际关系。通常要运用人文和社会学科的知识去处理各种社会问题，人理常常是主要内容。WSR 系统方法论认为，在处理复杂问题时，既要考虑对象系统的物的方面（物理），又要考虑如何更好使用这些物的方面，即事的方面（事理），还要考虑由于认识问题、处理问题、实施管理与决策都离不开的人的方面（人理）。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
48、维的综合性与创造性，去组织实践活动，以产生最大的效益和效率。一个好的领导者或管理者应该懂物理、明事理、通人理，或者说，应该善于协调使用硬件、软件、人才，这样才能把领导工作和管理工作做好。也只有这样，才能把系统工程项目搞好。应该看到，任何社会系统不但是由物、事、人构成的，而且它们三者之间是动态的交互过程。因此，物理、事理、人理三要素不可分割，它们共同构成了关于世界的知识，包括是什么、为什么、怎么做、谁去做，所有的要素都是不可或缺的，如果缺少了、忽略了某个要素，对系统的研究将是不完整的。2.5.2 WSR 系统方法论的基本内容和主要步骤 WSR 系统方法论有一套工作步骤，用以指导一个项目的开展。这
49、套步骤大致包括以下六步，这些步骤有时需要反复进行，也可以将有些步骤提前进行。（1）理解领导意图。这一步骤体现了东方管理的特色，强调与领导的沟通，而不是 系统工程原理 44 一开始就强调个性和民主等。这里的领导是广义的，可以是管理人员，可以是技术决策人员，也可以是一般的用户。在大多数情况下，总是由领导提出一项任务，他的愿望可能是清晰的，也可能是相当模糊的。愿望一般是一个项目的起始点，由此推动项目，因此，传递、理解愿望非常重要。在这一阶段，可能开展的工作是愿望的接受、明确、深化、修改、完善等。（2）调查分析。这是一个物理分析过程，任何结论只有在仔细地调查情况之后才能得出，而不应在之前。这一阶段开展
50、的工作是分析可能的资源、约束和相关的愿望等，一般总是深入实际，在专家和广大群众的配合下，开展调查分析。（3）形成目标。对于一个复杂的问题，往往一开始问题拟解决到什么程度，领导和系统工程工作者都不是很清楚。在领会和理解领导的意图及调查分析，取得相关信息之后，这一阶段可能开展的工作是形成目标。这些目标会有与当初领导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。（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，运作步骤、规则等。形成目标之后，在建立模型阶段，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，称为建立