系统工程教案--中国矿大第三章

第三章 系统工程方法论第一节 系统工程基本工作过程一、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3—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。

1、时间维时间维表示系统工程的工作阶段或进程。

系统工程工作从规划到更新的整个逻辑维 时间维 划述 计 题 图3—1 霍尔三维结构示意图过程或寿命周期可分为以下七个阶段：(1)规划阶段。

根据总体方针和发展战略制订规划。

(2)计划阶段。

根据规划提出具体计划方案。

(3)分析或研制阶段。

实现系统的研制方案，分析、制定出较为详细而具体的生产计划。

(4)运筹或生产阶段。

运筹各类资源及生产系统所需要的全部“零部件”，并提出详细而具体的实施和“安装”计划。

(5)系统实施或“安装”阶段。

把系统“安装”好，制定出具体的运行计划。

(6)运行阶段。

系统投入运行，为预期用途服务。

(7)更新阶段。

改进或取消旧系统，建立新系统。

其中规划、计划与研制阶段共同构成系统的开发阶段。

2、逻辑维逻辑维是指系统工程每阶段工作所应遵从的逻辑顺序和工作步骤，一般分为以下七步：(1)明确问题。

同提出任务的单位对话，明确所要解决的问题及其确切要求，全面收集和了解有关问题历史、现状和发展趋势的资料。

(2)确定目标并据此设计评价指标体系。

确定任务所要达到的目标或各目标分量，拟定评价标准。

在此基础上，用系统评价等方法建立评价指标体系，设计评价算法。

(3)系统综合。

设计能完成预定任务的系统结构，拟定政策、活动、控制方案和整个系统的可行方案。

(4)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以及在目标和评价指标体系下的优劣次序。

(5)最优化。

在评价目标体系的基础上生成并选择各项政策、活动、控制方案和整个系统方案，尽可能达到最优、次优或合理，至少能令人满意。

(6)决策。

在分析、优化和评价的基础上由决策者做出裁决，选定行动方案。

(7)实施计划。

不断地修改、完善以上六个步骤，制订出具体的执行计划和下一阶段的工作计划。

3、知识维或专业维该维的内容表征从事系统工程工作所需要的知识(如运筹学、控制论、管理科学等)，也可反映系统工程的专门应用领域(如企业管理系统工程、社会经济系统工程、工程系统工程等)。

霍尔三维结构强调明确目标，核心内容是最优化，并认为现实问题基本上都可归纳成工程系统问题，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。

二、切克兰德方法论随着应用领域不断扩大和系统工程不断发展，系统工程方法论也需要加以发展和创新。

20世纪40～60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。

进入70年代以来，系统工程越来越多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。

为适应这种发展，从70年代中期开始，许多学者在霍尔方法论基础上，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P·切克兰德(P·Checkland)教授提出的方法(参见图3—2)比较系统且具有代表性。

P·切克兰德认为，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，会碰到很多问题。

他提出的软系统工程方法论的主要内容和工作过程如图3—2所示。

1、认识问题收集与问题有关的信息，表达问题现状，寻找构成或影响因素及其关系，以便明确系统问题结构、现存过程及其相互之间的不适应之处，确定有关的行为主体和利益主体。

2、根底定义根底定义是该方法中较具特色的阶段，其目的是弄清系统问题的关键要素，为系统的发展及其研究确立各种基本的看法，并尽可能选择出最合适的基本观点。

根底定义所确立的观点要能经得起实际问题的检验。

3、建立概念模型概念模型是来自于根底定义、通过系统化语言对问题抽象描述的结果，其结构及要素必须符合根底定义的思想，并能实现其要求。

4、比较及探寻将第一步所明确的现实问题(主要是归纳的结果)和第三步所建立的概念模型(主要是演绎的结果)进行对比。

有时通过比较，也需要对根底定义的结果进行适当修正。

5、选择针对比较的结果，考虑有关人员的态度及其它社会、行为等因素，选择出现实可行的改善方案。

6、设计与实施通过详尽和有针对性的设计，形成具有可操作性的方案，并使得有关人员乐于接受和愿意为方案的实现竭尽全力。

7、评估与反馈根据在实施过程中获得的新的认识，修正问题描述、根底定义及概念模型等。

切克兰德方法化的核心是“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，探寻改善现状的途径，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。

三、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。

第二节系统分析原理及应用一、系统分析的概念及其要素系统分析一词最早是第二次世界大战后由美国兰德公司开发的研究大型工程项目等大规模复杂系统问题的一种方法论而出现的。

1972年欧、美12国的有关部门联合组成国际应用系统分析研究所(IIASA)，从而使得系统分析的应用扩大到社会、经济、生态等领域，并有了新的意义。

从狭义上理解，系统分析的重要基础是霍尔三维结构中逻辑维的基本内容，并与切克兰德方法论等有相通之处；从广义上理解，有时把系统分析作为系统工程的同义语使用。

1、系统分析的定义及内容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。

在进行系统分析时，系统分析人员对与问题有关的要素进行探索和展开，对系统的目的与功能、环境、费用与效果等进行充分的调查研究，并分析处理有关的资料和数据，据此对若干备选的系统方案建立必要的模型，进行优化计算或仿真实验，把计算、实验、分析的结果同预定的任务或目标进行比较和评价，最后把少数较好的可行方案整理成完整的综合资料，作为决策者选择最优或满意的系统方案的主要依据。

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。

在系统分析中，问题一方面代表研究的对象，或称对象系统。

需要系统分析人员和决策者共同探讨与问题有关的要素及其关联状况，恰当地定义问题；另一方面，问题表示现实状况(现实系统)与希望状况(目标系统)的偏差，这为系统改进方案的探寻提供了线索。

(2)目的及目标。

目的是对系统的总要求，目标是系统目的的具体化。

目的具有总体性和唯一性，目标具有从属性和多样性。

目标分析是系统分析的基本工作之一，其任务是确定和分析系统的目的及其目标，分析和确定为达到系统目标所必须具备的系统功能和技术条件。

目标分析可采用目标树等结构分析的方法，并要注意对冲突目标的协调和处理。

(3)方案。

方案即达到目标的途径。

为了达到预定的系统目的，可以制定若干备选方案。

例如，改造一条生产线可以有重新设计、从国外引进和在原有设备的基础上改造等三种方案。

通过对备选方案的分析和比较，才能从中选择出最优系统方案，这是系统分析中必不可少的一环。

(4)模型。

模型是由说明系统本质的主要因素及其相互关系构成的。

模型是研究与解决问题的基本框架，可以起到帮助认识系统、模拟系统和优化与改造系统的作用，是对实际系统问题的描述、模仿或抽象。

在系统分析中常常通过建立相应的结构模型、数学模型或仿真模型等来规范分析各种备选方案。

(5)评价。

评价即评定不同方案对系统目的的达到程度。

它是在考虑实现方案的综合投入(费用)和方案实现后的综合产出(效果)后，按照一定的评价标准，确定各种待选方案优先顺序的过程。

进行系统评价时，不仅要考虑投资、收益这样的经济指标，还必须综合评价系统的功能、费用、时间、可靠性、环境、社会等方面的因素。

(6)决策者。

决策者作为系统问题中的利益主体和行为主体，在系统分析中自始至终具有重要作用，是一个不容忽视的重要因素。

实践证明，决策者与系统分析人员的有机配合是保证系统分析工作成功的关键。

二、系统分析的程序按照系统分析的定义、内容及要素，参照系统工程的基本工作过程，可将系统分析的基本过程归结为如图3—3所示的几个步骤。

图3—3 系统分析的基本过程认识问题、探寻目标及综合方案构成了初步的系统分析。

在初步系统分析阶段，为了尽快明确问题的总体框架，通常需要采用创造性技术，至少围绕以下六个方面的问题来展开：①What.研究什么问题?对象系统(问题)的要素是什么(问题与哪些因素有关)?②Why.为什么要研究该问题?目的或希望的状态是什么?③Where.系统边界和环境如何?④When.分析的是什么时候的情况?⑤Who.决策者、行动者、所有者等关键主体是谁(问题与谁有直接关系)?⑥How.如何实现系统的目标状态?这些既是使系统分析走上正轨的过程，又是使系统分析人员与决策者一起进入“角色”的过程。

环境分析几乎贯穿于系统分析的全过程，具有重要的作用。

首先，在认识问题阶段，只有正确区分出各种环境要素，才能划定系统边界；第二，在探寻目标阶段，要根据环境对系统的要求建立系统的目标结构，以求得系统对环境的最优和最大输出；第三，在综合方案阶段，要考虑到环境条件及其变化对方案可行性的影响，选择出能适应环境变化的切实可行的行动方案；第四，在模型化及其分析阶段，要充分而正确地考虑到各主要环境条件(如人、财、物、政策等)对系统优化的约束；第五，在评价与决策阶段，要通过灵敏度分析和风险分析等途径，“减少”环境变化对最佳决策方案的影响，提高政策与策略的相对稳定性和环境适应性。

还需要指出的是，并非对所有问题进行系统分析的过程都要完全履行图3—3所示的几个环节，而往往是根据实际问题的需要有所侧重或只涉及其中的一部分环节。