第3章系統工程方法論系統工程與傳統方法的區別系統工程與系統分析系統工程方法論系統工程方法論

系統工程的方法論是系統工程應用的基礎和關鍵所在，系統工程處理問題的獨特方法論是系統工程區別于其它各門科學的基本特征之一，系統工程處理問題的最基本出發點是將所分析的對象作為整體系統來考慮，這也是系統工程考慮問題的基本思想和工作方法。一、系統工程與傳統方法的區別

從前面對系統工程的介紹可以看出，系統工程實質上是方法論的科學，它的目標是通過什么樣的方法可使系統達到最優，而方法論是把設想付諸實現的過程。對于傳統方法，它解決問題的目標往往是單一的，比如設計一個產品或只強調成本低或只強調性能高，而系統工程對目標的考慮需要從系統運行的全過程即時間方面以及在每個階段中處理問題的特殊思維過程即邏輯方面，并綜合運用各種專業知識即知識方面來綜合考慮。二、系統工程與系統分析

系統工程方法論是指在更高層次上，指導人們正確應用系統工程的思想、方法和各種準則去處理問題，由于系統工程是一類包括許多門工程技術的一大工程技術門類，而且是高度綜合的實用性很強的技術，因此，在系統工程的研究中逐漸形成了一套處理問題的基本方法過程（基本框架結構），這就是從系統的觀點出發，采用系統分析的方法來分析和解決各種問題1、系統分析簡介系統工程方法論的基礎是系統分析技術，系統分析是完成系統工程問題的中心環節廣義的解釋認為系統分析就是系統工程，系統分析是系統工程的同義詞狹義的解釋認為系統分析是系統工程的一項優化技術，是系統工程在非結構化問題決策中的具體應用系統分析的基本概念系統分析的目的是在于分析系統內部與系統環境之間、系統內部各要素之間的相互依賴、相互制約、相互促進的復雜關系，分析系統要素的層次結構關系及其對系統功能和目標的影響，通過建立系統的分析模型使系統各要素及其與環境之間的協調達到最佳狀態，最終為系統決策提供依據。

2、系統分析的步驟概要

原始情況分析結果闡明問題階段分析研究階段

評價比較階段

闡明問題謀劃備選方案建模和預計后果評比備選方案預測未來環境（1）闡明問題問題的性質和范圍

問題剖析報告：問題的結構、過程和勢態階段結果報告：由來背景；重要性；可能采取行動的組織和個人；利益相關的組織和個人；目標、評價指標、約束條件、備選方案的初步描述、建議等問題的目標

目標的層次性目標的沖突目標沖突和利害沖突

在目標分析過程中，系統分析人員經常會發現，許多關鍵情況往往是由于存在著相互沖突的分目標造成的。這有兩種情況：一種是純屬專業性質的，即目標沖突問題；另一種是社會性質的，即利害沖突問題。目標沖突例如在進行產品設計時，所可能強調的兩個目標：一是盡可能低的成本二是盡可能高的質量。解決辦法：建立一個沒有矛盾的目標集，把引起矛盾的分目標剔除掉。

采用所有分目標，尋求一個能達到沖突目標得以并存的方案。

利害沖突例如企業在減員增效的過程中就至少有如下兩個目標：一是提高企業的效益二是保證工作崗位不減員。

處理的方法：目標方之一放棄自己的利益保持其中一個目標，用其它方式補償或部分補償受損方的利益通過協商調整目標系統，使之達到目標相容闡明問題環境和條件

評價指標

合理性層次性收集和分析資料

闡明問題階段結果報告：問題的由來與背景；重要性；可能采取行動的組織和個人；利益相關的組織和個人；目標、評價指標、約束條件、備選方案的初步描述、建議等闡明問題階段約占系統分析全過程的時間的20%-25%（2）謀劃備選方案

方案的提出

“集體創造”法或“頭腦風暴法”“缺點、希望點”列舉法

特性窮舉法

方案的篩選

強壯性

適應性

可靠性

現實性（可操作性）（3）預測未來環境

情景分析法：情景分析法對于每種備選方案都確定幾組未來實施環境的特征和條件，如按“樂觀”、“正常”和“悲觀”的環境；也可按出現可能性大、正常和特殊的環境等進行預測。

數學模型的方法

確定預測內容

準備數據資料

確定預測方法，建立數學模型

定性預測法

時間序列預測法

因果關系預測法

計算預測值，分析預測誤差

（4）建模和預計后果

每種方案實施后都相應有一系列后果，因此本階段的首要工作便是確定應該預計哪些后果？其中哪些最重要？選定后果項目后，便可著手建立一個或多個模型預計行動和后果指標之間的關系。

系統分析的主要模型有圖形模型、分析模型、仿真模型、博弈模型和判斷模型

（5）評比備選方案各種備選方案在不同情景下的后果估計出來之后，便可著手方案評比，方案評比便是依據所建立的評價指標對各方案可能取得的效果進行評價，并按其評價結果進行排序。

系統評價的主要方法有關聯矩陣法、費用效益分析法、層次分析法及模糊評價法等許多種評價方法，這在后面的系統評價中將作專門介紹。

（6）系統工程分析報告簡略報告主題報告技術報告系統分析的原則在系統分析時應遵循以下幾項重要原則：外部條件與內部條件相結合當前利益與長遠利益相結合局部效益與整體效益相結合定量分析與定性分析相結合系統分析的工具因果分析法；通過因果分析圖對系統有影響的重要因素加以分折。排列圖法；作為在系統中選擇關鍵性問題的一種分析方法。相關分析法；將相關變量數據在坐標圖上標示并分析其相互關系。投入產出分析法；對比生產輸入和消費支出，通過分析生產與消費兩者間相互平衡，明確經濟系統內各要素的相互依存關系。

①重視做好初步SA.5W1H(What/Why/Who/Where/When/How)方法是做好這段工作的基本線索。②在規范分析中一般需（或盡可應）建立結構模型、數學模型或仿真模型。③每段結束后系統方案的變化軌跡是：可行方案→非劣方案→經排序的非劣方案（或稱選擇性方案）。④環境分析貫穿SA全過程，在SA中是十分重要和必不可少的。⑤在管理應用SA過程中，并不一定要（或能）遍歷并完成每一個具體過程。系統分析要注意以下幾點（1）堅持問題導向（2）以整體為目標（3）多方案模型分析和選優（4）定量分析與定性分析相結合（5）多次反復進行系統分析特點及原則三系統工程方法論“以系統為中心”的思維方式在方法論上的表現就是“系統工程方法論”——即系統工程思考問題和處理問題的思想方法、理論基礎、基本程序和方法步驟等。方法（method）和方法論（methodology）：方法就是用于完成一個既定目標的具體技術與工具；而方法論是進行探索的一般途徑，它高于方法，是對方法使用的指導。

（一）霍爾（Hall）系統工程方法論1962年貝爾公司工程師Hall總結公司開展SE經驗，寫成《系統工程方法論》一書。所謂方法論，就是把設想變為實體的具體過程與步驟。Hall三維結構分析邏輯維專業維時間維Hall的SE方法論：是“三維結構方法體系”即把系統工程活動從時間上分成前后銜接的“幾個階段”；從邏輯上把每個階段分成幾個環環緊扣的幾個步驟；同時也要考慮完成上面所說的這些階段和步驟所需要的各種專業和技術素養。主要靠廣泛吸引各類專業人員參加到SE活動來實現，或者把他們的知識和建議儲存到計算機中隨時備用。①時間維（粗結構）a)規劃階段：主要是按照設計要求提出系統目標，制定規劃和政策。b)設計階段：完成的任務是提出具體的方案，進行系統的初步設計。c)研制階段：提出系統的研制方案，并制訂生產計劃。d)生產階段：生產出系統的構件和整個系統，提出安裝計劃。e)安裝階段：對系統進行安裝及調試，提出系統的運行計劃。f)

運行階段：按照系統預定的用途工作。g)更新階段：按系統要求實施，取消舊系統，代之以新系統，對系統改進。②邏輯維（細結構）a)

明確問題：了解問題所處的環境，收集有關的數據和資料，主要目的是弄清問題。b)確定目標（系統指標設計）：確定所要解決問題的目標和相應的評價準則。c)系統方案綜合：為實現預期目標，擬定所需采取的策略和應選擇的方案。d)系統分析：深入了解所提出的政策措施和解決方法，分析這些措施方法在實施中的預期效果。e)

系統方案的優化與選擇：用數學規劃等定量的優化方法去判別各種方案的優劣，以進行方案選擇。

f)

決策：以指標體系為評價準則，在考慮決策者的偏好等基礎上，選擇最優方案。

g)

實施計劃：按決策結果制定實施方案和計劃。活動矩陣把時間維和邏輯維結合起來形成一個二維結構A={aij}7*7系統工程的活動矩陣，如下頁表所示。活動矩陣的元素aij可以清楚地顯示人們是在哪一個階段做哪一步工作。例如a12表示在規劃階段確定目標；a21表示在設計階段明確問題；a36表示在研制階段作出決策等。這樣就可以明確各項具體工作在全局中的地位和作用，做到眼明心亮，總攬全局。活動矩陣表神羊角模型系統方案的產生過程具有迭代性和收斂性兩大特點。上表所示的系統工程借用希臘神話中的豐收女神Almathea之神羊角來比喻是十分形象的。豐收女神的神羊角原來的意義是：羊角號一吹，各種財富就源源不斷地涌現出來。現在以各種信息，物質，能量從左邊輸入，通過神羊角螺旋式地加工收縮，最后產生出一個理想的系統來。超細結構從神羊角的大頭往里看，得到霍爾稱之為系統工程活動的超細結構。它顯示出開展系統工程活動的全過程，它以邏輯維的7個步驟為一個循環周期（一個階段），經過多次循環而匯聚為一個理想的系統。③專業維專業維（Hall在專業維中用的名稱是Professions，Disiplines，Technology，而不是Knowledge，故此處不稱知識維）是指各工作步驟所需的各門專業知識，由于系統工程是個綜合性的交叉學科，在上述各階段中，執行任何一步都會涉及多種專業技術，如社會科學、工程技術、法律、商業、醫藥、藝術等等。SE的每一個階段都有自己的管理內容和目標，每一步都有自己管理的手段和方法，彼此相互聯系，形成一個有機整體。把SE方法用于大型工程項目，尤其是探索性強、技術復雜、投資大、周期長的大科研項目，可以減少決策上的失誤和計劃實施過程過程中的困難。案例：貝爾公司TD-2無線電接力系統研制

1．規劃階段是1940年時系統調研開始的，內容包括了解技術可能性和市場需要情況；2．進入初步設計擬定方案階段；3．對系統進一步分析，用簡單模型初步探討系統應具有的一些功能和指標，但還有很多因素不清楚；4．1945年建立TD-2實驗系統，1946年開始試制階段，試制前先建立評價系統的指標，并討論其可行性，對成本進行估計，并在試制中收集新數據，為改進系統之用，同時進行生產；5．1949年進行實施階段，向制造商提供詳細生產圖紙，用戶的實際操作和維護說明書等；6．1950年TD-2系統正式運行；7．在運行數年后，使用專門設備檢查系統運行情況，尋找系統薄弱環節，提出改進意見。整個工作從1940~1958年花費1500萬＄。

把研究的系統分良結構與不良結構系統

-良結構（硬）系統：偏工程，機理明顯的物理型系統，可用較明顯的數學模型表示，能計算出系統的行為和最佳結果。不良結構（軟）系統：偏社會，機理尚不清的生物型系統，常用半定量半定性方法處理問題。軟的主要標志是吸取了人們的判斷和直覺，求得的結果是可行、滿意，可重復，且因人而異。目前，已有解決這類系統的一些方法如特爾菲法，結構模型法等，以切克蘭特的“調查學習”法為例。（二）切克蘭特系統方法論不良結構系統現狀的表述；弄清、改善與現狀有關的各種因素及其相互關系；建立概念模型（結構或語言描述）；改善概念模型；將模型與問題的表述作比較；找出可行而滿意的途徑和方案；采取行動改善實際問題。該方法的核心不是尋求最優化，而是調查比較，從中尋找改善現存系統的途徑。調查學習的基本步驟

并行工程是80年代美國提出的。它是對產品及其相關過程，包括制造過程和支持過程，進行并行、一體化設計的一種系統優化方法。其核心內容是：強調用戶需求，并轉化為完整的產品要求；交互作用、互相協調的并行研制過程，以便將產品的設計與制造及保障過程用系統工程方法綜合在一起，從而在產品的整個研制過程中綜合考慮可靠性、維修性、生產性和保障性；建立多學科的綜合研制機制及計算和輔助工程環境。（三）并行工程方法論約束信息的并行性：即設計時同時考慮產品周期的所有因素。功能的并行性：即產品生命周期所涉及的各功能領域工程并行交叉進行。集成性：研究開發、產品設計、過程設計、制造裝配和市場的全面集成。協同性：多學科并行小組協同工作。科學性：采用了先進的開發工具、方法和技術如TQM、SE、CAD/CAM等。

T、Q、C、S是并行工程強調的四大要素。即加速產品開發周期、提高產品質量、降低產品成本、提供優質服務。并行工程主要思想

品質計劃顧客需求數據管理裝配制造工藝材料控制原料處理市場與銷售成本會計采購并行計劃工程

并行工程的小組化組織結構市場營銷工程制造行業支持概念設計詳細設計試生產生產領會交叉目標商業策略部門策略職能策略驗證技術的比薩餅箱開發項目階段繼續改進產品開發策略

惠普公司基于團隊平行運作的

（四）系統工程方法論的新探索

系統工程方法論一直是系統工程研究開發及應用的重要內容，近10余年來不斷有所創新和發展，并日益引起大家的高度重視。以霍爾、切克蘭德等方法論及系統分析方法為基礎，以東方文化與西方文明等多方面的結合為重要特征，對系統工程方法論的研究與應用在國內外取得了不少新的成果，值得關注。

中國科學家錢學森等針對開放復雜巨系統問題，于20世紀90年代初提出了從定性到定量的綜合集成系統方法論。該方法論以對社會系統、人體系統、地理系統等三類復雜巨系統的研究實踐為基礎，形成一個整體，該方法論在社會經濟系統工程等領域已得到了成功應用。綜合集成方法論(1)根據開放的復雜巨系統的復雜機制和變量眾多的特點，把定性研究與定量研究有機地結合起來，從多方面的定性認識上升到定量認識；(2)按照人—機結合的特點，將專家群體(各種有關專家)、數據和各種信息與計算機技術有機結合起來；(3)由于系統的復雜性，把科學理論與經驗知識結合起來，把人對客觀事物的各種知識綜合、集成起來，力求問題的有效解決；(4)根據系統思想，把多種學科結合起來進行研究；(5)根據復雜巨系統的層次結構，把宏觀研究與微觀等研究統一起來；(6)強調對知識工程及數據挖掘技術等的應用。綜合集成方法論主要特點：在中國科學家錢學森、許國志及美國華裔專家李耀滋等人的工作基礎上，中國系統工程專家顧基發和英國華裔專家朱志昌于90年代中期提出了物理—事理—人理(WSR)系統方法論。WSR方法論物理主要涉及物質運動的機理，通常要用到自然科學知識，主要回答這個“物”是什么，它需要的是真實性；事理是做事的道理，主要解決如何去安排這些事物，通