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1、第二章 系统工程的基本方法和方法论,2,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，也就是解决问题的基本程序和逻辑步骤，是对方法如何使用的指导。 系统工程方法论是研究和探索（复杂）系统问题的一般规律和途径。 系统工程方法论的特点： 描述性（自然科学）：内在的因果关系与机理 规范性（工程技术）：一定的逻辑程式 对话性（系统工程）：系统工程人员、决策者、评论者、公众,3,系统思想是关于事物的整体性观念、相互联系的观念、演化发展的观念。即全面而不是片面的、联系的而不是孤立的、发展的而不是静止的看问题。 （1）古代的系统思想：“
2、不见树木，只见森林” （2）近代的分析方法：“只见树木，不见森林” （3）现代的系统思想：“先见森林，后见树木”,4,处理复杂系统问题的基本观点,整体观点：把系统内部所有要素看成一个整体 综合观点：综合考虑系统的方方面面，协调系统内各要素之间的关系。 层次观点：处理复杂问题时要抓住问题的主要矛盾，抓住主要矛盾的主要方面。 价值观点：考虑系统的投入与产出 发展观点：用动态的、发展的观点去思考、研究、解决系统问题。,5,系统工程方法论,最具代表性的系统工程方法论有: 霍尔“三维结构” 并行工程 综合集成方法,切克兰德的“学习调查”法 物理事理人理（WSR）,6,系统工程常常把所研究的系统分为良结构
3、系统与不良结构系统，由于它们具有不同的特点，故分别采取不同的解决方法，如下表：,7,霍尔三维结构,霍尔三维结构是由美国学者AD霍尔(ADHall)等人在大量工程实践的基础上，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。 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。,系统工程的基本工作过程,霍尔三维结构,霍尔三维结构是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、逻辑维和知识维所组成的三维空间结
4、构。,9,知识维：指在完成上述各阶段和各步骤所需要的各种专业知识和管理知识。,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。,10,霍尔三维结构方法特征：,强调明确目标，核心内容是最优化，并认为现实问题基本上都可归纳成系统工程问题，应用定量分析手段，求得最优解答。 该方法论具有研究方法上的整体性（三维）、技术应用上的综合性（知识维）、组织管理上的科学性（时间维与逻辑维）和系统工程工作的问题导向性（逻辑维）等突出特点。,11,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
5、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,12,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
6、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。,基于 “三维结构”模型的,系统工程过程系统,13,寿命周期费用,寿命周期费用（LCC，Life Cycle Cost）是指装备在其寿命周期内，为论证、研制、生产、使用与保障、退役所付出的一切费用之和，亦即系统在寿命周期内，为购置以及维持其正常运行所需支付的全部费用。,14,切克兰德方法论,20世纪4060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。 20世纪70年代以后，系统工程越来越多
7、地用于研究社会经济的发展战略和组织管理问题，涉及的人、信息和社会等因素相当复杂，使得系统工程的对象系统软化，并导致其中的许多因素又难以量化。,15,因此，为了适应系统工程的对象系统的软化趋势，从20世纪70年代开始，许多学者在霍尔方法论的基础上，进一步提出了各种软系统工程方法论。 其中，在80年代中前期由英国兰切斯特大学(Lan-caster University) P切克兰德（PCheckland)教授提出的方法比较系统且具有代表性。,16,切克兰德法的方法步骤,(1) 不良结构系统现状说明。通过调查分析，对现存的不良结构系统的现状进行说明。 (2) 弄清关联因素。初步弄清、改善与现状有关的
8、各种因素及其相互关系。 (3) 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。 (4) 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。 (5) 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。 (6) 实施。实施提出的改革方案。,17,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。,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。,18,切克兰德方法论的核心是“比较”与
9、“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（化）。 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。,19,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。,20,应用：企业管理系统工程活动矩阵（框架H；内容C
10、）,逻辑 步骤,工作过程,21,第3节 物理事理人理系统方法,物理事理人理系统方法（简称WSR）是顾基发和朱志昌在1995年提出的。 他们总结了国内很多系统工程的研究与实践，分析它们成功与失败的原因，从众多案例分析中悟出“关系协调”的重要性，从方法论的角度提出了物理事理人理系统方法。,22,物理主要涉及物质运动的机理，通常要用到自然科学的知识，主要回答这个“物”是什么，它需要的是真实性。 事理是做事的道理，主要解决如何去安排这些物，通常用到管理科学方面的知识，主要回答怎样去做。 人理是做人的道理，处理任何事都离不开人去做，以及由人来判断这些事和物是否得当，通常要用到人文科学的知识，主要回答应当
11、如何。 WSR系统方法论是把这三者结合起来，它是具有东方文化传统的系统方法论，得到国际同行的认同。,23,表21 物理、事理、人理系统方法论内容,24,图23 WSR的工作程序,25,WSR方法论的主要原则：,参与 综合集成 人机结合，以人为主 迭代和学习,26,表22 WSR常用的方法,27,28,第4节 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
12、合起来，将其提升到了方法论的高度。,29,开放复杂巨系统,系统与子系统分别与外界有各种各样的能量、信息或物质的交换，而且通过学习互相取得知识。 系统内部结构复杂，不仅要用定量模型，而且要用定性模型，各个子系统的知识表达不同，获取知识方式也各有不同，系统中的结构随着情况变化会不断演变。 子系统数量巨大。,30,图2-4 综合集成方法,31,综合集成系统方法的特点:,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。 专家的经验是局部的，多半是定性的，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，使局部定性的知识达到整体定量的知识
13、。 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。,32,系统工程的软科学性,系统工程的软科学性是从系统工程的应用成果方面分析的，由于系统工程处理的对象主要是信息，目的主要是对问题的分析，以便获得解决问题的最优方案，供决策者决策使用。 系统工程的软科学性也可由其定义看出，它是一种方法论的科学，寻求的是系统目标综合最优的实施方案，然而这一方案需要有决策者的支持，否则将失去意义，这也是系统工程与传统方法的最根本区别。,33,软科学性所表现出的特点：,所要研究的问题没有限制，但以人和社会问题为主，且将问题作为系统对待的
14、意识较强； 所要处理的问题多数是带有政策性的，同时多半带有探讨未来的性质，所以十分关心未来的不确定因素； 所要处理的问题包括了大量事实上不明确的东西；因此在分析中，不仅要重视客观上可定量化的问题，同时还要了解直观性和含糊不清之处； 从发现问题到最后实施解决方案的这一期间，多数情况下要充分利用模型。但是，所关心的不是“是否精确”，而是该模型是否与目标相符，是否有用； 软科学所处理的问题跨学科的性质很强。为了能解决问题，应积极利用现有社会科学与自然科学的成果，而且要求有关专家在广泛的领域内进行合作。,34,思考题：,1、处理复杂问题时，研究人员应具备哪些观点？并叙述这些观点的主要内容。 2、什么是
15、霍尔三维结构?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、W、S、R的含义分别是什么？为什么要把“协调关系”作为WSR方法解决问题的核心？ 5、如何理解并行工程思想在管理中的应用？ 6、从定性到定量的综合集成方法论的实质是什么？ 7、举例说明系统工程方法论的应用。,创新思维与方案创造技术,一、创新方案的价值,引例美国阿拉斯加原油运输问题,问题：美国阿拉斯加盛产石油，向美国本土运送。地处北极圈内，最低温度达-50C。,优点： 每天仅需4-5艘超级油轮省钱。 问题： 要用破冰船引航增加费用，同时有安全问题； 起点和终点都要建造大型油库，且油库储量应在油田日产量的十倍以上巨大开支
16、。,优点： 管道输油技术成熟。 问题： 要在沿途设加热站管理复杂，又要供给燃料； 一半管道需用底架支撑成本比地下油管高三倍。,方案一 由海路通过油轮运送,方案二 用带加温设施的油管运送,方案一、二都是成熟的原油运输方法。人们初步决定用方案二。,优点： 解决方案二的问题。,优点： 解决方案二的问题； 用普通管道可以同时输送原油和天然气； 不需要运送无用的浓缩海水,方案三 把海水浓缩到含盐量为10-20%后加入到原油中,方案四 将天然气转换为甲醇后加入到原油中,系统工程需要高度的创造性。 “综合即创造”已成为现代创造活动的基本特征之一。,二、创新方案的产生技术,1. 5W1H法,用于初步的系统分析
17、。,2. 头脑风暴法（Brainstorming）,原则：推迟判断；数量提供质量。,3. 德尔菲法,为了避免集体讨论存在的屈从于权威或盲目服从多数的缺陷，采取背靠背的方式。 特点：专家匿名表示意见、多次反馈、统计汇总。,关于统计汇总 例: 4个方案，6个专家,（1）专家的集中意见 M1=65，M2=60，M3=75，M4=48.3。 方案3,Vj=Sj/Mj Sjj方案标准差， Mjj方案算术平均值。,V1=0.50.V2=0.29,V3=0.43,V4=0.76。 方案3,（2）所有专家对某一方案的协调程度,（3）所有专家对全部方案的协调程度,5. 情景分析法,对未来情景，既要考虑正常的、非
18、突变的情景，又要考虑各种受干扰的、极端的情景。情景分析法帮助制定灵活且富有弹性的战略规划、计划。可以更迅速有效的适应和处理各种突发性事件。,通往未来的路线，可用一个漏斗形的图来表示。 至少分析一种“无突变”情景和两种备用情景。,三、系统创新思维辅助工具Mindmanager,对一个问题深入细致的分解展示，可以辅助、支持头脑风暴等方法，建立起相应的图景，提供必要的信息。,系统分析中的几种常用方法,工作拆分结构（WBS） 甘特图（Gantt） 关键路径法（CPM） 计划评审技术（PERT）,工作拆分结构,Level 1 Program 2 Project 3 Task 4 Subtask 5 Wo
19、rk Package,工作拆分结构（Work Breakdown Structure）是项目管理的核心。,一家餐馆的工作拆分结构,工作结构分解的要点,允许每个活动独立工作 监控和评价绩效 提供需要的资源,甘特图（Gantt Chart）,美国学者甘特1917年发明的一种使用条形图编制项目工期计划方法，比较简便，是项目管理中编制项目进度计划的主要工具。,网络计划技术,一、网络计划的发展 二、网络计划与甘特图的比较 三、网络的基本表达方式 四、关键路径法 五、计划评审技术,一、网络计划的发展,1917年，亨利甘特发明了著名的甘特图(横道图)，使项目经理按日历制作任务图表，用于日常工作安排.,195
20、7年，杜邦公司将关键路径法（CPM）应用于设备维修，使维修停工时间由125小时锐减为7小时；,1958年，美国海军特种计划局在北极星导弹设计中，应用计划评审技术（PERT），将项目任务之间的关系模型化，使设计完成时间缩短了2年。,1962年美国国防部规定：以后承包有关工程的单位都应采用网络计划技术来安排计划,1956年，我国著名数学家华罗庚教授将此技术介绍到中国，并把它称为“统筹法”。,我国引进网络计划理论，除国防科研领域外，以土木建筑工程建设领域最早，并且推广、总结和研究这一理论的历史也最长。,简单、清晰、形象、易懂、使用方便 ；,二、网络计划与甘特图的比较,优点：,可以直接在图中进行各项资
21、源需要量统计。,10,25,10,劳动力动态消耗图,不能直接反映各施工过程之间相互联系、相互制约的逻辑关系；,缺点：,不能明确指出那些工作是关键工作，那些工作不是关键工作 ；,不能计算各工作的时间参数，看不到计划的潜力；,不能应用计算机进行调整和优化。,能全面而明确地反映各施工过程之间相互联系、相互制约的逻辑关系；,优点：,通过时间参数的计算，能够找出关键施工过程和关键线路，便于管理者抓住主要矛盾 ；,通过时间参数的计算，可以对网络计划进行调整和优化；,能够从诸多可行方案中选出最优方案；,优点：,可以利用计算机绘制、调整、优化网络图，实现计划管理的科学化。,绘图麻烦、不易看懂，表达不直观,缺点：,
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