052013第五讲系统工程方法论与复杂性思维范式

第五讲：系统工程方法论不复杂性思维范式基本内容一、系统工程方法论二、复杂性思维范式一、系统工程方法论1.1系统工程的含义“系统工程”没有统一定义，例举典型理解如下：“系统工程学是为了研究由多个子系统构成的整体系统所具有的多种丌同目标的相互协调，以期达到系统功能的最优化，最大限度地发挥系统组成部分的能力而发展起来的一门科学”[1]。[1][美]H.切纳斯（H.Chestnut）.系统工程学的方法[M].1967.1.1系统工程的含义“系统工程是研究彼此密切联系的许多要素所构成的复杂系统的设计的科学。在设计这种复杂系统时，应有明确的预定功能及目标，同时在组成它的各要素之间以及各要素不系统整体之间又必须能够有机联系、配合协调，以使系统总体达到最优目标。在设计时还要考虑到参不系统中的人的因素和作用”[1]。[1]美国《科学技术词典》，1976.1.1系统工程的含义“系统工程学是为了合理开发、设计和运用系统而采用的思想、程序、组织和手法等的总称”[1]。日本工业标准（JIS）规定：系统工程是为了更好地达到系统目标，而对系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机构迚行分析和设计的技术。美国国防部系统管理学院的《系统工程原理》指出：系统工程由两个要素部分构成，即系统工程运行的技术知识领域和系统工程管理。[1]东京工业大学寺野寿郎.系统工程学.1971.1.1系统工程的含义“把及其复杂的研制对象称为系统。即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成具有特定功能的有机整体，而这个系统本身又是它所从属的更大系统的组成部分……系统工程学则组织管理这种系统的觃划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法”[1]。[1]钱学森.组织管理的技术——系统工程[J].1979.1.1系统工程的含义“系统工程是以研究大觃模复杂系统为对象的一门交叉学科。它是自然科学和社会科学的某些思想、理论、方法、策略和手段等根据总体协调的需要，有机地联系起来，把人们的生产、科研或经济活动有效地组织起来，应用定量分析和定性分析相结合的方法和计算机等技术工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能迚行分析、设计、制造和服务，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目的，以便最充分地发挥人力、物力的潜力，通过各种组织管理技术，使局部和整体之间的关系协调配合，以实现系统的综合最优化[1]。[1]汪应洛.系统工程[M].机械工业出版社,2004.1.1系统工程的含义综上，系统工程具有以下一些特征[1]。研究对象是具有普遍意义的系统，特别是大系统；既是一种方法论，又是一种组织管理技术；涉及到许多学科的边缘科学与交叉学科；是研究系统所需要的一系列思想、理论、程序、技术、方法的总称；在很大程度上依赖于电子计算机；强调定量分析与定性分析的有机结合；是研究具有系统意义的问题；着重研究系统的构成要素、组织结构、信息交换与反馈机制；所追求的的是系统的总体最优以及实现目标的具体方法和途径的最优。[1]花禄森.系统工程与航天系统工程管理[M].中国宇航出版社,2007.6.1.2系统工程的若干分支社会系统工程它的研究对象是整个社会，是一个开放的复杂巨系统。它具有多层次、多区域、多阶段的特点。如社会经济系统的可持续发展总体战略研究。经济系统工程运用系统的方法研究宏观经济系统问题，如国家经济发展战略、综合发展计划、经济发展指标体系、投入产出分析、积累与消费分析、产业结构分析、价格系统分析、投资决策分析、资源合理配置、经济政策分析、综合国力分析、世界经济模型。区域觃划系统工程运用系统工程的原理和方法研究区域发展战略问题、区域综合发展规划、区域投入产出分析、区域城镇布局、区域资源合理配置、城市水资源规划、城市公共交通规划与管理等。1.2系统工程的若干分支环境生态系统工程研究大气生态系统、大地生态系统、流域生态系统、森林与生物生态系统、城市生态系统等系统分析、规划、建设、防治等方面的问题，以及环境监测系统、环境计量预测模型等问题。能源系统工程研究能源合理结构、能源需求预测、能源开发规模预测、能源生产优化模型、能源合理利用模型、电力系统规划、节能规划、能源数据库等问题。水资源系统工程研究河流综合利用该规划、流域发展战略规划、农田灌溉系统规划与设计、城市供水系统优化模型、水能利用规划、防汛指挥调度、水污染控制等问题。1.2系统工程的若干分支交通运输系统工程研究铁路、公路、航运、航空综合运输规划及其发展战略、铁路调度系统、公路运输调度系统、航运调度系统、空运调度系统、综合运输优化模型、综合运输效益分析等。农业系统工程研究农业发展战略、大农业及立体农业的战略规划、农业结构分析、农业综合规划、农业区域规划、农业政策分析、农业投资规划、农产品需求预测、农业产品发展速度预测、农业投入产出分析、农作物合理布局、农作物栽培技术规划化、农业系统多层次开发模型等。企业系统工程研究市场预测、新产品开发、CIMS及并行工程、计算机辅助设计、制造、生产管理系统、计划管理系统、库存、全面质量管理、成本核算系统、成本效益分析、财务分析、组织理论等。1.2系统工程的若干分支工程项目管理研究工程项目的总体设计、可行性、国民经济评价、工程进度管理、工程质量管理、风险投资分析、可靠性分析、工程成本效益分析等。科技管理研究科学技术发展战略、科学技术预测、优先发展领域分析、科学技术评价、科技人才规划、科学管理系统等。教育系统工程研究人才需求预测、人才教育规划、人才结构分析、教育政策分析等。1.2系统工程的若干分支人口系统工程研究人口总目标、人口参数、人口指标体系、人口系统数学模型、人口系统动态特性分析、人口政策分析、人口区域规划、人口系统稳定性等。军事系统工程研究国防战略、作战模拟、情报、通信与指挥自动化系统、系统武器装备发展规划、综合保障系统、国防经济学、军事运筹等。1.3系统工程方法论系统工程的出现，在很大程度上改变了人们的思维方式，即从传统的以“实物为中心”走向以“系统为中心”；以“系统为中心”是思维方式在方法论上的具体化便形成了系统工程方法论。系统工程方法论是一种将分析对象作为整体系统来考虑，在此基础上迚行分析、设计、制造和使用的基本思想方法。系统工程方法论主要的研究对象有，各种系统工程方法的形成和发展、基本特征、应用范围、方法间的相互关系以及如何构建、选择和应用系统方法。1.3系统工程方法论现代系统思想逐步将实践中用到的方法提升到方法论的高度。现代系统方法论代表性的流派有：[一]系统分析方法论（美国兰德RAND公司为代表）[二]硬系统方法论（霍尔A.D.Hall为代表）[三]软系统工程方法论（切克兰德Checkland为代表）[四]综合集成方法论（钱学森为代表）[五]WSR系统方法论（顾基发和朱志昌为代表）1.3系统工程方法论系统分析方法论——兰德公司系统分析的定义广义地理解，把系统分析作为系统工程的同义语。狭义地理解，系统分析是系统工程的一个逻辑步骤，这个步骤是系统工程的中心部分，为系统工程实现优化提供了一个逻辑的途径，它贯穿于系统工程的全过程，并作为系统一种有目的、有步骤的探索过程，是一种研究问题的方法、解决问题的途径、优化的技术和决策的工具。1.3系统工程方法论系统分析方法论——兰德公司系统分析的实质系统分析是一种决策工具，其主要目的在于为决策者提供直接判断和决定最优方案的信息和资料；它把任何研究对象均视为系统，以系统的整体最优化为工作目标，并力求建立数量化的目标函数；强调科学的推理步骤，使所研究系统中各种问题的分析均能符合逻辑的原则和事物发展的规律，而不是凭主观臆断和单纯经验；1.3系统工程方法论系统分析方法论——兰德公司系统分析的实质应用数学的基本知识和优化理论，从而对各种替代方案的比较不仅有定性的描述，而且基本上都能以数字显示其差异，至于非计量的有关因素，则运用直觉、判断及经验加以考虑和衡量；通过分析，使待开发系统在一定的条件下充分挖掘潜力，做到人尽其用，物尽其用。1.3系统工程方法论[一]系统分析方法论——兰德公司系统分析的要素[兰德公司代表人物希奇]目的：目的是决策的出发点，为了正确获得最优化系统方案所需的各种有关信息，系统分析人员的首要任务是要充分建立系统的目的和要求，并确定系统的构成和范围；方案：一般情况下，为实现某一目的，总会有几种可采取的方案或手段。这些方案彼此之间可以替换，即替代方案或可行方案。选择哪种方案、或哪些方案的组合最合理，就需要利用系统分析来研究和解决。1.3系统工程方法论系统分析的要素[兰德公司代表人物希奇]模型：在尚未建立实体系统的情况下，可以借助一定的模型来有效地求得系统设计所需要的参数，并据此确定各种制约条件。同时还可以利用模型来预测各可行方案的性能、费用和效益；费用和效益：费用和效益是分析、比较和选择方案的重要指标。方案实施的实际支出就是费用，达到目的所取得的成果就是效益。一般来说，效益大于费用的方案是可取的，反之则不可取；评价基准：评价基准是系统分析中确定各种替代方案优先顺序的标准。评价基准一般根据系统的具体情况而定，费用与效益的比较通常是评价各方案的基准。1.3系统工程方法论系统分析的步骤问题构成不目标确定：当一个分析研究的问题确定后，首先要将问题进行系统与合乎逻辑地叙述，其目的在于确定目标。说明问题的重点与范围，以便进行分析研究。搜集资料，探索可行方案：在问题构成之后，要拟定大纲和决定分析方法，然后依据已搜集的有关资料找出其中的相互关系，寻求解决问题的各种可行方案。建立模型（模型化）：为便于分析，建立相应的模型。利用模型预测每一方案可能产生的结果，并根据其结果定量说明各方案的优劣与价值。模型的功能在于组织人们的思维及获得处理实际问题所需的指示或线索。模型充其量只是现实过程的近似描述，如果它说明了所研究系统的主要特征，就是一个满意的模型。1.3系统工程方法论系统分析的步骤综合评价：利用模型和其他资料所获得的结果，对各种方案进行定量和定性的综合分析，显示出每一种方案的利弊得失和成本效益，同时考虑到各种有关的无形因素，如政治、经济、军事、理论等，所有因素加以合并考虑和研究，获得综合结论，作为行动的指南。检验：以试验、抽样、试行等方式鉴定所得结论，提出应采取的最佳方案。一项成功的分析，是一个连续循环的过程（见下图）。问题构成确定目标搜集资料拟定方案重新考虑目标检查各项假定和资料综合评价分析方案指标建立模型引迚新的可行方案图系统分析的步骤A.D.霍尔霍尔方法论是颇具代表性的硬系统方法论，亦称霍尔三维结构，是以创始者命名的。A.D.霍尔（ArthurDavidHall，1925-2006）生于美国弗吉尼亚州林奇堡。1949年获普林斯顿大学工程学士学位，后在贝尔电话公司通信开发训练部学习3年获得结业证书。于1965年、1968年，先后获得硕士学位和博士学位。他在贝尔电话公司工作了16年。根据在贝尔实验室的丰富经验，霍尔于1962完成了《系统工程方法论》（AMethodologyforSystemsEngineering），对系统工程一般的工作步骤、阶段划分和常用的知识范围进行了概括总结，并于1969年提出了著名的霍尔三维结构模型（Three-DimensionalMorphologyofSystemsEngineering）。1.3系统工程方法论[二]硬系统方法论——霍尔霍尔三维结构：将系统工程活动分为时间上前后紧密连接的7个阶段和逻辑上环环相扣的7个步骤，同时考虑到为完成各个阶段和步骤所需要的各种与业知识。1.3系统工程方法论[二]硬系统方法论——霍尔（1）时间维（Phases）1.规划阶段（ProgramPlanning）2.方案制定阶段（ProjectPlanning）3.开发研究阶段（SystemDevelopment）4.生产制造阶段（Production)5.安