第3章_系统工程方法论

22019/8/122系统工程概论普通高等教育“十一五”国家级规划教材21世纪高等院校教材工业工程系列主讲教师：周志华电话：1378624451532019/8/123第3章系统工程方法论§3.1系统分析方法论------------兰德公司为代表§3.2霍尔(Hall)的硬系统工程方法论§3.3Chekland软系统工程方法论§3.4综合集成方法论-----以钱学森为代表的从定性到定量的综合集成方法论§3.5WSR系统方法论42019/8/124系统工程方法论：以“系统”为中心是系统工程研究和解决问题的一般规律或模式。系统工程方法论的研究对象：（1）各系统工程方法的形成和发展、基本特征、应用范围、方法间的相互关系。（2）如何构建、选择和应用系统方法。52019/8/125§3.1系统分析方法论一、系统分析SA—SystemAnalysis1.产生:20世纪40年代末期（第二次世界大战）由美国兰德RAND公司的研究总结的解决复杂问题的方法和步骤。早期用于武器系统的成本和效益分析。定性与定量分析相结合，解决复杂问题，为决策提供科学依据。------------兰德公司为代表62019/8/1262.定义①广义：系统分析系统工程②狭义：1）系统分析作为系统工程的一个逻辑步骤，系统工程的中心部分。2）系统分析为系统工程实现优化提供了一个途径，它贯穿于系统工程的全过程。72019/8/127系统分析的定义（综述）是在对系统问题现状及目标充分挖掘的基础上，运用建模及预测、优化、仿真、评价等方法，对系统的有关方面进行定性与定量相结合的分析，为决策者选择满意的系统方案提供决策依据的分析研究过程。SA是SE的核心内容、分析过程和基本方法。系统分析(SA)：82019/8/128二、系统分析基本要素①目标②可行方案（替代方案）③模型(结构、数学、仿真)④费用⑤效益（效果）⑥评价基准92019/8/129三、系统分析的步骤是否提出问题建议的可行方案分析与评价（综合评价）建立模型构成问题目标确定收集资料探索可行方案是否满意图3.1系统分析的步骤检验与核实102019/8/1210四、系统分析的基本原理(－)费用效果(＋)探索评价模型A4A3A5A1A2目标A1A2A4A3A5可行方案评价标准方案排序图3.2系统分析概念结构图112019/8/1211兰德公司也怕了：中美钓鱼岛空战将成美军噩梦！《亚太防务》称，美国空军于2012年7月底再次将兰利空军基地第1战斗机联队的F-22隐身战机轮驻到冲绳，而有关“空海一体战”（ASB）与“隐身空战”（SAB）的概念也炒得震天响，外界解读这些都是冲着解放军“反介入/区域拒止”（A2/AD）作战而来。兰德公司基于数学模型推演出的一份报告却明确指出，在解放军针对指钓鱼岛实施的任何作战行动中，美军无法有效实施“空中瘫痪作战”。如果美国确定对台海或钓鱼岛事态进行军事干预，那么解放军可能对位于西太平洋的美军设施进行打击。美军已难以确保距离冲突区域最近的“第一岛链”内的基地（集中在冲绳）的安全，无形中迫使美军（特别是空军）依靠更加遥远的关岛安德森基地实施作战，它距离“台湾海峡中线”和钓鱼岛分别达2,800公里和2,580公里。美国空军若想在台湾海峡（或钓鱼岛）上空维持24小时不间断空中巡逻，其所能提供的F-22最大滞空数量为6架。由于中国大陆到台湾和钓鱼岛的距离均小于关岛，因此解放军战机无需组织复杂的空中加油行动，每天出动架次也远超过美军部署在关岛的F-22。解放军空军机群可及时集结，且不用担心美国空军战斗机能够作出有效反应。由于关岛与战区相距遥远，因此严重限制了美国空军针对解放军空军集结行动及时作出反应。其次，美国空军为了保护重要设施，有必要连续实施战斗空中巡逻。日本目前已陷入同中国、韩国争夺领土的两线作战，决不能正面同俄罗斯冲突，以致三面作战，但日本如何对待同中韩的争端，将直接决定俄日在北方领土上的较量，外交没有对错，只有强弱。有俄专家建议，俄罗斯应公开表示支持中韩，共同施压日本。普京用实际行动驰援中国！俄罗斯总理普京会见中国国家副主席习近平日俄——南千岛群岛本称北方四岛日韩——独岛中日——钓鱼岛加拿大主流媒体CBC电视台11日引述专家的评论说，中国公布钓鱼岛领海基线是为下一步维护主权行动铺平道路。中国公布领海基点基线，意味着不再承认钓鱼岛存在主权争议，是重大立场调整，预料中方将有系列措施宣示主权。这意味着一旦有中国不欢迎的船只等进入中国领海基线声明的海域，中国可能会采取逐离等强硬措施，甚至不排除会有动用武力的可能性。三家华文日报均引述复旦大学教授冯玮的话指出，现在中国划定领海基线，未来东海划界中日之间的谈判空间基本已经被封死。中国军官：解放军有能力击落F-22空军武汉指挥所所辖部队，担负着保卫三峡大坝、武汉市等重要战略目标的重任。中国军队有能力歼灭一切空中来犯之敌。打隐形飞机、打巡航导弹、打武装直升机172019/8/1217一、霍尔结构体系§3.2Hall的硬系统工程方法论1969年，美国工程师霍尔认为系统工程整个活动过程可以分为前后紧密衔接的7个阶段，每个阶段应遵循一定的思维程序，需各种专业知识和技能的支持。这构成了时间维、逻辑维和知识维的“三维空间结构”，概括了系统工程的一般过程。知识维（K）运筹学控制论社会科学工程技术医药卫生……逻辑维（L）规划阶段拟定方案阶段研制阶段生产阶段安装阶段运行阶段更新阶段时间维(T)明确问题确定目标方案综合系统分析实施决策系统选择知识维：指在完成上述各阶段和各步骤所需要的知识和专业技术。逻辑维：每个阶段需进行的工作步骤，是运用系统工程方法进行思考、分析和解决问题应遵循的一般程序。时间维：从规划到更新，按时间顺序排列的SE全过程。192019/8/1219一)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、明确目标拟定方案阶段：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→组装整个系统安装阶段：安装系统、试验运行运行阶段：运行更新阶段：评价→改进和更新§3.2Hall的硬系统工程方法论202019/8/1220二)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。§3.2Hall的硬系统工程方法论212019/8/1221确定择目标：提出目标，制定准则(标准)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风险估计价值工程系统方案综合：方案策略，对每种方案进行说明系统分析：系统分比较分析各方案→建模→计算或仿真§3.2Hall的硬系统工程方法论222019/8/1222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：GPSS、SD可靠性工程系统选择：选出待选方案集，交决策部门决策：不能十全十美，要考虑人、社会各种因素实施：企业：生产计划开发项目：CPM、PERT§3.2Hall的硬系统工程方法论232019/8/1223三)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，包括工程、医药、建筑、商业、法律、管理、社会科学及艺术等各种专业知识和技术。§3.2Hall的硬系统工程方法论242019/8/1224霍尔管理矩阵逻辑维(步骤)时间维(阶段)1234567明确问题选择目标系统综合系统分析系统选择作出决策付诸实施1规划阶段a11a12a13a14a15a16a172拟定方案阶段a21a22a23a24a25a26a273研制阶段a31a32a33a34a35a36a374生产阶段a41a42a43a44a45a46a475（安装）运行阶段a51a52a53a54a55a56a576更新阶段a61a62a63a64a65a66a67252019/8/1225小结:霍尔三维结构方法论认为现实问题基本上都可归纳成工程系统问题，因此强调明确目标;核心内容是模型化和最优化,应用定量分析手段，求得最优解答。霍尔三维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。262019/8/1226硬系统工程方法论的局限性1、没有进行系统的目标定义2、没有考虑系统中人的主观因素3、往往依靠建立数学模型来解决，对复杂的社会系统不适宜272019/8/12273.3软系统方法论良结构系统：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。软系统：以社会、经济系统等管理领域（人类活动为主），针对不良结构问题而提出、问题不明确。难以用数学模型表示，一般是概念模型。通常用半定量、半定性甚至只能用定性的方法来处理，吸取人们的判断和直觉。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。282019/8/12283.3Checkland方法论问题及其环境的识别与表达建立概念模型（目标系统概念化）根底定义(C,A,T,W,O,E)比较寻求改善途径评估实施设计选择方案切克兰德的“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。1.不良结构问题提出2.问题的表示3.有关系统的基本定义4.概念模型4a.公式化系统概念4b.其他系统思考5.模型与问题的比较6.可行满意解7.采取行动改善实际问题现实世界系统思考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。现实世界系统思考切克兰德方法论的核心是“比较”与“探寻”，它强调从“理想”模式（概念模型）与现实状况的比较中，探询改善现状的途径，使决策者满意。通过认识与概念化、比较与学习、实施与再认识等过程，对社会经济等问题进行分析研究，这是一般软系统工程方法论的共同特征。312019/8/1231两种方法论的比较(1)三维结构方法论Checkland方法论A开始:要求解决一个相对明确的或认为是“给定的”问题开始:感到有一个难以定义的问题情景并期望改善之B确定解决问题的目标及评价标准通过考察“结构”和“过程”元素及其相互关系给出与问题情景相关的系统定义C拟定达到目标可能采取的方案,制定模型,进行综合研究提出相关系统的定义并据此构造系统的概念模型D选择能最好满足需要且可行的方案把概念模型与现实进行比较,并据此确定现实中合乎需要和可行的变革E实施设计好的系统实施获得同意的变革322019/8/1232两种方法论的比较(2)相同点：问题导向；注重程序及阶段；…三维结构方法论Checkland方法论研究对象工程系统软系统处理的问题明确,良结构不明确,不良结构基本方法关注定量分析定量模型、定量方法概念模型,定性方法核心内容最优化比较学习不同点:研究对象；基本方法；核心内容；…332019/8/1233霍尔三维结构与切克兰德方法论的比较相同点：问题导向；注重程序及阶段；…不同点：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。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。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。342019/8/1234§3.4综合集成系统方法1987年，钱学森提出了定性和定量相结合的系统研究方法，并把处理复杂巨系统的方法命名为定性定量相结合的综合集成方法，把它表述为从定性到定量的综合集成技术。1992年，他又提出从定性到定量的综合集成研讨厅体系，进而把处理开放复杂巨系统的方法与使用这种方法的组织形式有机结合起来，将其提升到了方法论的高度。Meta-Synthesis352019/8/1235综合集成方法论的处理对象：开放复杂大系统1）系统、子系统外界2）系统内部结构复杂3）子系统数量巨大能量、信息、物质综合集成的重点在综合，目的