第2章-系统工程方法论(本)

12014年10月24日9时58分1第2章系统工程方法论系统工程的基本工作过程系统分析原理系统工程方法论的新发展22014年10月24日9时58分22.1系统工程的基本工作过程系统工程方法论就是解决系统开发、运作及管理实践中的问题所应遵循的工作程序、逻辑步骤、和基本方法.它是系统工程思考问题和处理问题的一般方法与总体框架。32014年10月24日9时58分32.1.1、系统工程与传统方法的区别系统工程实质上是方法论的科学，它的目标是通过什么样的方法可使系统达到最优，而方法论是把设想付诸实现的过程。传统方法，它解决问题的目标往往是单一的，比如设计一个产品或只强调成本低或只强调性能高，而系统工程对目标的考虑需要从系统运行的全过程即时间方面以及在每个阶段中处理问题的特殊思维过程即逻辑方面，并综合运用各种专业知识即知识方面来综合考虑。42014年10月24日9时58分42.1.2系统工程的三维结构分析（霍尔三维结构）A·D·霍尔(A·D·Hall)三维结构是由美国学者A·D·霍尔等人在大量工程实践基础上，于1969年提出的，其内容反映在可以直观展示系统工程各项工作内容的三维结构图中，具体如图2—1所示。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，是系统工程方法论的重要基础内容。52014年10月24日9时58分52.1.2系统工程的三维结构分析（霍尔三维结构）(续)逻辑维时间维知识维图2.1霍尔三维结构体系图62014年10月24日9时58分1霍尔三维结构规划阶段设计阶段分析阶段运筹阶段实施阶段运行阶段更新阶段运筹学控制论社会科学工程技术………逻辑维知识维时间维实施计划决策最优化模型化系统综合系统设计摆明问题图3—1霍尔三维结构示意图72014年10月24日9时58分①时间维a)规划阶段：主要是按照设计要求提出系统目标，制定规划和政策。b)拟定阶段：完成的任务是提出具体的方案，进行系统的初步设计。c)分析阶段：对所设计的方案进行分析、比较。d)运筹阶段：方案的综合选优，确定最优实施方案。e)实施阶段：系统的设计、安装及调试等。f)运行阶段：按照系统预定的用途工作。g)更新阶段：按系统要求实施，取消旧系统，代之以新系统，对系统改进。82014年10月24日9时58分②逻辑维a)明确问题：了解问题所处的环境，收集有关的数据和资料，主要目的是弄清问题。b)系统指标设计：确定所要解决问题的目标和相应的评价准则。c)系统方案综合：为实现预期目标，拟定所需采取的策略和应选择的方案。d)模型化：针对系统的具体结构和方案类型建立分析模型，并初步分析系统各种方案的性能、特点、对预定任务能实现的程度.e)系统方案的优化与选择：用数学规划等定量的优化方法去判别各种方案的优劣，以进行方案选择。f)决策：以指标体系为评价准则，在考虑决策者的偏好等基础上，选择最优方案。g)实施计划：按决策结果制定实施方案和计划。92014年10月24日9时58分9③知识维知识维是指各工作步骤所需的各门专业知识，由于系统工程是个综合性的交叉学科，在上述各阶段中，执行任何一步都会涉及多种专业技术，如社会科学、工程技术、法律、商业、医药、艺术等等。102014年10月24日9时58分102霍尔方法论的程序、步骤弄清问题目标选择方案设计建立数学模型最优化决策实施（弄清需要解决什么问题）（将需求具体化，并选定衡量指标）（设计为达到目标所可能采取的多种方案）（依据目标，考虑约束条件，建立数学模型，用以分析各种设想方案）（选定方案的参数和变量，使之最好地满足目标）（选择一种策略，作出决定）（付住诸实施并提供实际执行的信息反馈到以上各阶段）112014年10月24日9时58分112.1.3切克兰德方法论(软科学系统工程方法论)霍尔方法论强调明确目标,核心内容是最优化,认为现实问题可归纳为工程一类的问题,应用定量分析的手段,求的最优解.随着实践经验不断丰富和系统工程学科的不断发展,系统工程方法论也在不断地充实和创新.50-60年代期间,系统工程主要用来寻求各种”战术”问题的最优策略,组织管理大型工程项目等,70年代以来,现代系统工程已用于研究社会经济系统及其发展战略问题,涉及的社会经济因素相当复杂.为适应这种发展,从70年代中期开始,有些学者对霍尔系统工程方法论提出修正和补充.在80年代中前期由英国兰卡斯特大学的切克兰德对霍尔系统工程方法论提出系统的修改意见,并提出”软科学”系统工程方法论.122014年10月24日9时58分121软科学系统工程方法论的主要内容出发点是,社会经济领域中的问题往往很难象工程技术问题那样首先将”需求”给定清楚,因而也难以按若干个衡量指标设计出符合此”需求”的最优系统.切克兰德系统工程方法论的核心不是”最优化”,而是”比较”或”学习”.从模型和现状的比较中,学习改善现状的途径.”比较”这个环节含有组织讨论,听取各种集体中人们意见的含义,从而不拘泥于描述定量求解的过程,反映了人的因素和社会经济系统的特点.切克兰德方法论是霍尔方法论的扩展.当现实问题确实能够工程化,在弄清其需求时,概念模型阶段就相当于霍尔方法论中的建立数学模型阶段,而改善概念模型阶段就相当于”最优化”阶段,实施的不是某种变革,而是设计好的最优系统.132014年10月24日9时58分132切克兰德方法论的程序、步骤问题现状说明弄清关联因素概念模型改善概念模型比较实施（说明现状,目的是改善现状）（初步弄清与改善现状有关的各种因素及相互关系）（用结构模型或数学模型描述系统现状）（根据系统工程的理论和方法改善概念模型）（将概念模型与现实进行比较,找出符合决策部门意图的,而且可行的变革）（根据决策组织实施）142014年10月24日9时58分143.两种方法论的比较霍尔三维结构与切克兰德方法论均为系统工程方法论，均以问题为起点，具有相应的逻辑过程。在此基础上，两种方法论主要存在以下不同点：(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。152014年10月24日9时58分152.2、系统分析原理系统工程方法论是指在更高层次上，指导人们正确应用系统工程的思想、方法和各种准则去处理问题，由于系统工程是一类包括许多门工程技术的一大工程技术门类，而且是高度综合的实用性很强的技术，因此，在系统工程的研究中逐渐形成了一套处理问题的基本方法过程（基本框架结构），这就是从系统的观点出发，采用系统分析的方法来分析和解决各种问题.162014年10月24日9时58分162.2.1系统分析与系统工程系统工程方法论的基础是系统分析技术，系统分析是完成系统工程问题的中心环节广义的解释认为系统分析就是系统工程，系统分析是系统工程的同义词狭义的解释认为系统分析是系统工程的一项优化技术，是系统工程在非结构化问题决策中的具体应用172014年10月24日9时58分172.2.2系统分析的概念及其要素1、系统分析的定义及内容定义:系统分析是应用建模及预测、优化、仿真、评价等技术对系统的各个方面进行定性与定量相结合的分析，为选择最优或满意的系统方案提供决策依据的分析研究过程。内容:调查研究、数据分析、建立模型、优化计算、仿真实验、比较评价，选择最优或满意的系统方案182014年10月24日9时58分182.2.2系统分析的概念及其要素（续）2、系统分析的要素系统分析有六个基本要素，它们是：(1)问题。(2)目的及目标（目标树解释）。(3)方案。(4)模型。(约束条件解释)(5)评价（评价指标解释）。(6)决策者。192014年10月24日9时58分191.目标树处理实际问题时,常常遇到系统目标不只一个,而是多个,构成一个目标集合.对目标集合的处理,往往把目标分解,按子集、分层次画成树状结构，称其为目标树，如图1所示.构造目标树的原则:⑴目标子集按目标的性质进行分类,把同一类目标划分在一个目标子集内;⑵目标分解,直到可度量为止.20目标树X1X2X3X11X12X13X21X22X23X31X32X332014年10月24日9时58分1.目标树(续)X图1目标树示意图212014年10月24日9时58分2.约束条件约束条件：对备选方案、后果和目标的限制。目标和约束的区别和联系：线性规划模型举例222014年10月24日9时58分22问题:某厂生产两种产品:产品甲，产品乙，需要三种原材料：Ａ、Ｂ、Ｃ,具体数据如下表：问如何决定生产方案，使总利润最大？甲乙原材料限量　　Ａ　　　　　　１　　　２8　　Ｂ　　　　　　４　　　０16　　Ｃ　　　　　　０　　　４12每件利润(万元）23目标和约束的区别和联系：线性规划模型举例232014年10月24日9时58分23设生产甲、乙产品的产量分别为x1,x2　目标函数决策变量约束条件•利用单纯性表的方法求解，得到最优生产方案■生产计划的线性规划模型2132xxzmax81612≤≤≤X1,X2≥0242014年10月24日9时58分3.评价指标评价指标：为了衡量决策者对方案后果的满意程度，系统工程人员需确定一组评价指标。根据各方案的指标状况，排出优先次序。评价指标体系：（如引进技术的综合效益评价指标体系）目标层、判据层(准则层)、方案层(如图2)252014年10月24日9时59分253.评价指标(续)图2评价指标体系图示262014年10月24日9时59分262.2.3、系统分析的基本过程认识问题探寻目标综合方案模型化优化或仿真分析决策系统评价图2.3系统分析的基本过程初步分析规范分析综合分析272014年10月24日9时59分272.2.4、系统分析的原则1、坚持问题导向2、以整体为目标3、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282014年10月24日9时59分282.2.5、应用实例1实行以优化控制为主线的系统分析与科学决策前几年南方某酒厂在原材料、能源涨价及市场疲软的冲击下，濒临停产的困境。为此，企业的领导提出向决策要效益。他们从传统的决策思维模式中解脱出来，综合运用现代科学的管理技术，对企业生产经营过程实施以分析—优化—控制为主线的系统分析与科学决策，并经历了四个主要的阶段：(1)问题结构分析。根据企业年计划利润70万元、产值585万元的原有目标，按生产、经营、财务、管理划成四大块分解展开。用统计分析和因素分析等方法发现原有计划生产的三大系列八个品种中，亏损产品元红、善酿和汗烧三个品种，占全部产品数的37%，亏损总额为50万元，占产品盈利额的46.4%，影响了利润计划的如期完成。初步分析表明，调整产品结构、优化生产计划乃是企业管理中面临的主要问题。292014年10月24日9时59分292.2.5、应用实例1实行以优化控制为主线的系统分析与科学决策(2)要素与目标分析。通过对产品市场需求、原材料和能源等资源的供给、国家政策、竞争者状况等环境因素的分析预测，和运用边际收益法对企业生产能力的分析，该企业决策者们将产品方向调整为：以发展黄酒为主体，增加瓶酒产量，控制白酒生产，并将提高黄酒产品结构效益作为优化的基本要求。(3)优化分析。为了达到产品利润最大目标，采用线性规划方法，根据加饭、元红、香雪、善酿四个品种的单位利润、原料、销售和产值等相应的约束条件，运用电子计算机，迭代解出达到产品利润最大的最优方案为：加饭700t、元红7600t、香雪140t、善酿40t。302014年10月24日9时59分302.2.5、应用实例1实行以优化控制为主线的系统分析与科学决策(续)(4)方案调整。为了完成下半年预定的增益指标40万元，并考虑到实际的企业能力、市场需求及其变化，对上一阶段建立在优化分析基础上的计划方案进行调整，增加了瓶酒的产量。对生产计划的