系统工程方法论

系统工程第二章系统工程方法论第一节：系统工程基本工作过程第二节：系统分析原理及应用第三节：系统工程的新方法论方法论•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:①研究方法强调整体性②技术应用强调综合性③管理决策强调科学性主要的系统工程方法论①霍尔结构体系(霍尔三维结构)②切克兰德模式③综合集成工程方法学(综合集成研讨厅体系)•并行工程方法学•物理—事理—人理（WSR）第一节：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。美国、香港、中国大陆警察抓兔子的故事:为了测试美国,香港,中国大陆三地警察的实力,联合国将三只兔子放在三个森林中,看三地警察谁先找出兔子.任务:找出兔子第一个森林前是美国警察,他们先花整整半天时间开会制定作战计划,严格分工,然后派特种部队快速进入森林进行地毯式搜索,结果开会耽搁了时间,兔子跑了,任务失败!然后轮到香港警察,他们派了一百多号人和几十辆警车在身临其境外一字排开,由带头人用喇叭喊话:兔子,兔子,你已经被包围了,快出来投降.半天过去了,没动静.飞虎队进入森林,搜索一遍,没结果,任务失败!最后是中国大陆警察,只有四个,先打了一天麻将,黄昏时一人拿一警棍进入森林,没五分钟,听到森林里传来一阵动物的惨叫,中国大陆警察一人抽着一根烟有说有笑的出来,后面拖着一只鼻青脸肿的熊,熊奄奄一息的说到:好吧，好吧，我承认,我就是兔子.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方案优化做出决策付诸实施1规划阶段a11a12a13a14a15a16a172方案阶段a21a22a23a24a25a26a273研制阶段a31a32a33a34a35a36a374生产阶段a41a42a43a44a45a46a475运行阶段a51a52a53a54a55a56a576更新阶段a61a62a63a64a65a66a67同时，形成了所谓的霍尔管理矩阵一)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?直观经验方法：头脑风暴法预测法：德尔菲法、情景分析法、交叉影响法、时间序列法结构模型法：解释结构模型法(ISM)、决策实验室法、图论法多变量统计方法：非结构、半结构问题，因子分析、主成分分析法其他：一般系统理论和模糊集理论等问题的设定方法：选择目标：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。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国内外许多事例表明，运用科学的系统工程过程系统管理方法，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%。在规划和方案探索阶段，只花去装备寿命周期费用的极少部分，但确定了装备一生要花费用的70%；全面工程研制之前，花费的费用占到寿命周期费用的3%，但固定了寿命周期费用的85%；研制结束时，装备寿命周期费用已被基本固定。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。•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。弄清关联因素问题现状说明建立概念模型改善概念模型比较实施切克兰德的“调查学习”方法流程图实施步骤切克兰德的“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。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)根底定义比较，寻求改善途径选择设计实施评估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3.两种方法轮的比较(?)相同点：问题导向；注重程序及阶段；…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。企业管理系统工程活动矩阵（框架——H；内容——C）问题现状说明关联要素分析方向目标及指标设计对象系统的再认识变革途径探索比较、分析、权衡、评价组织行为分析实施与改进1.企业诊断与环境分析2.企业发展战略与规划3.产品研究与开发管理4.企业经营决策与计划5.生产要素的准备及投入管理6.生产过程的组织与控制7.销售服务与资金回收管理8.企业管理系统更新和企业经营环境改善逻辑步骤活动项目工作过程第二节：系统分析原理及应用1.系统分析概念系统分析（SA）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。SA的要素：①问题---界定对象②目的及目标---目标体系③方案---多个可替代性的能达方案④模型（结构、数学、仿真）⑤评价---经济、效用、环境、社会⑥决策者----决策者参与的重要性七个要素组成的SA要素结构图A1A3A2A4A5目标模型效果（＋）费用（－）准则A1A3A2A4A5可行方案结论SA的要素否问题的形成1确定问题的范围2明确构成因素之间的相互依存关系3了解环境状况和约束条件明确目标1明确目标2采用手段能否实施继续进行分析工作是确定目标工作图2.SA程序或步骤认识问题探寻目标综合方案模型化优化或仿真分析系统评价决策（分析）NY初步SA规范分析综合分析SA程序图是SA的一般过程，也为系统分析提供了基本的逻辑框架，因而十分重要。在应用上应注意①重视5W1H方法的应用：---一种系统工程方法论“5W1H”方法(一种系统工程方法论):系统分析的要点项目提问决定结果目的为什么确定这个？应是什么？删除工作中不必要的部分对象为什么要找这个？应找哪个？地点为什么在这里做？应在何处做？合并重复的工作内容，考虑重新组合时间为什么在这时做？应何时做？人为什么由此人做？应由谁做？方法怎样做？怎样去做？使工作简化系统分析原理-----SA程序②在规范分析中一般需（或尽可能）建立结构模型、数学模型或仿真模型。③每段结束后系统方案的变化轨迹是：可行方案→非劣方案→经排序的非劣方案（或称选择性方案）。④环境分析贯穿SA全过程，在SA中是十分重要和必不可少的。⑤在管理应用SA过程中，并不一定要（或能）遍历并完成每一个具体过程。3、SA的特点及原则（1）问题导向（2）以整体为目标（3）多方案模型分析和选优（4）定量分析与定性分析相结合（5）多次反复进行外部环境与内部条件相结合当前利益与长远利益相结合整体效益与局部效益相结合定性分析与定量分析相统一4、SA的方法SA方法定量分析法——定量方法适用于S结构清楚，收集到的信息准确，能建立数模的对象。可采用投入产出分析法、成本效益分析法等方法（以后各章节陆续介绍）。定性分析法——当S结构不清、收集到的信息不太准确，或是由于评价者的偏好不一，对于所提方案评价不一致，难以形成常规的数学模型时，可采用目标-手段分析法、因果分析法、KJ法等方法。1、目标—手段分析法将要达到的目标和所需手段按照系统展开，一级手段等于二级目标，二级手段等于三级目标，依次类推，便产生了层次分明、相互联系又逐渐具体化的分层目标系统。在目标分解过程中，要注意使分解的分目标与总目标保持一致，分目标的集合一定要保证总目标的实现。此法的实质是运用效能原理不断进行分析的过程。系统分析的方法目标手段目标手段目标发展能源发展能源生产开发新能源节能资源勘探基地建设运输太阳能生物能潮汐能综合利用节能设备目标—手段分析法2、因果分析法利用因果分析图（鱼刺图）来分析影响系统的因素，并从中找出产生某种结果的主要原因的一种定性分析方法。此法形象简单，一目了然，问题越复杂越能发挥其长处，适宜于集体讨论，统一意见和向领导机关汇报工作。系统分析的方法因果分析图（鱼刺图）x2xix1x3xnyx21x23x12x14x13x11x32x31x33x34xn1xn3xn2xn4x22x24xij系统分析的方法系统分析的方法例：某工厂用于分析产品质量不稳定的因果分析图3、KJ法日本东京工业大学的川喜田二郎(KauakidaJir)教授提出的一种直观的定性分析方法。它的基本原理是：