第2章 系统工程方法

第二章：系统思想与系统工程方法冯强办公室：为民楼617房间电话：10-8233-3839E-mail：[e-mail]北航可靠性与系统工程学院2011年9月系统工程基础2011/9/14主要内容系统思想系统工程的方法论和方法硬系统方法论软系统方法论系统方法论的进一步发展问题的确定与目标的确立方案的生成与未来环境预测系统的建构建模、分析与优化评价与决策系统工程中人的因素2011/9/14系统思想整体思想&还原思想&系统思想系统的整体性国学传统——阴阳五行、太极八卦、三生万物、中医、道天地将法、中医西方哲学——地、水、火、风、空气（Kaplia）；火、气、水、土（亚里斯多德）贝塔朗菲：整体大于它各部分的总合；亚里士多德：总体并不是部分之和；1212(,,,)()()()nnPEEEPEPEPE2011/9/14系统思想整体的有机性与组合效应三种组合方式：齿轮、H2O、人体器官；整体层的功能和性质；不同特性的加和性与非加和性；应用整体性思想三个臭皮匠，顶个诸葛亮；三个和尚没水吃；用低可靠组元，实现高可靠性的系统；2011/9/14系统思想系统的组成、结构和功能组成与结构——组成（Composition）：集合的角度——结构（Structure）：联系的角度。层次结构、网络结构功能——F=f(E,C,S)——环境E、组成C、结构S及其组合提供了设计空间；2011/9/14系统思想系统的组成、结构和功能结构分析与功能分析——结构分析：白箱/组成与结构/西医解剖——功能分析：黑箱/输入输出响应/中医针灸——结构信息不充分：灰箱2011/9/14系统思想系统的自组织性系统的“组织”：揭示系统如何产生、生长、维持、演化、管理的机理。根据组织力来源于系统内部还是外部，分为自组织与他组织。自组织性：自动调节自身的结构、活动，以适应环境变化的特性：不需依照系统内部或外部的指令，而是依据事物运动变化的规律和特定条件完成的。工人团队的运作熵/热寂/秩序示例：生命体、贝纳尔对流2011/9/14系统的自组织性思考：系统性质与自组织？重点如何从无序走向有序：相关理论包括耗散结构理论、协同学、超循环理论、突变论。系统思想贝纳尔对流2011/9/14系统思想系统及其与环境交互物质/能量/信息物质/能量的交互也通过信息反映信息：表征性、信源可分离性，非物质性，依赖性，不守恒性。控制基于（获取、加工和利用）信息，控制主体对被控对象施加的合乎目的的动作。任何一个有目的之系统必然存在控制。2011/9/14系统思想反馈控制前馈控制其他：自适应控制OCOC外界影响控制作用控制作用系统实际状态目标误差-2011/9/14系统工程的方法论和方法系统工程的原则（旧书P7，新书P42）目的性整体性综合性动态性协调与优化适应性——运用系统的观点去分析和处理问题2011/9/14系统工程的方法论和方法流传中的故事：美国科学家们想研制一种在太空失重情况下使用的太空笔，可研究了好长时间都没有成功，只好向全国发出了征集启事，收到了一位小学生寄来的包裹，写着一行字：“能否试试这个？”打开一看，是一大把铅笔!真相：美苏早期的宇航员都是用铅笔。直到费舍尔1965年发明了太空笔，原理是采用密封式气压笔芯，上部充有氮气，靠气压把油墨推向笔尖。思考：问题与方法论？2011/9/14系统工程的方法论和方法方法论的内涵方法论是方法的方法！——旅行——肥皂盒制造——工程设计2011/9/14系统工程的方法论和方法系统工程的方法论、方法、技术、工具系统工程方法论(Methodology)：探索系统研究、开发、运行过程中各种方法的共同规律。领域问题领域知识经验知识共性知识方法技术工具方法论2011/9/14系统工程的方法论和方法系统直觉直接、敏捷、深刻难以解释、无推理和逻辑思维过程——三峡工程（论证：1956,1958,1982,开工：1994，试运行：2003，枢纽完成：2009）系统分析（逻辑思维）分解、分析系统综合（逻辑思维）综合、评价2011/9/14硬系统方法论HALL三维结构指导复杂工程项目研制装备研制软件开发载人航天…规划阶段方案阶段研制阶段生产阶段安装阶段运行阶段更新阶段...医药建筑法律商业工程学规划行动决策优化系统分析系统综合选择目标问题的确定知识维逻辑维时间维2011/9/14硬系统方法论_活动矩阵ProblemDefinitionValueSystemdesign(developobjectives&criterion)SystemsSyshesis(collect&inventalternatives)SystemAnalysis(deduceconsequencesofalternatives)Optimizationofeachalternativeiterationof1-4plusmodelingDecisionMaking(applicationofvaluesystem)Planningforaction(toimplementnextphaseProgramPlanninga11a17ProjectPlanning(andpreliminarydesign)a21SystemDevelopment(implementprojectplan)Production(orconstruction)DistributionOperations（orconsumption)Retirement(andphaseout)a71a77按计划执行优化的内涵及逻辑维的反馈2011/9/14硬系统方法论_超细结构神羊角模型霍尔超细结构2011/9/14硬系统方法论_系统工程过程方案设计使用和系统保障生产/建造详细设计和研制初步设计技术可行性评价、技术方法选择、系统功能定义/、系统/项目计划系统在用户环境使用、持续维修和后勤保障、使用试验、系统调整或改进、合同支持、系统评估（现场数据收集和分析）系统部件的生产/建造、供应商生产活动、验收试验、系统布置和使用、研制/使用试验和评价、中间合同支持、系统评估子系统/部件设计、权衡研究和备选方案评价、研制原型、确认制造和生产过程、研制试验和评价、供应商活动、生产计划功能分析、需求分配、权衡研究、综合、初步设计、设计试验与评价（早期原型）、采办计划、合同、项目执行、主要供应商和供应活动退役功能基线分配基线产品更新基线生产基线里程碑Ⅰ里程碑Ⅱ里程碑Ⅲ里程碑Ⅳ系统/项目里程碑系统管理计划试验和评价计划（TEMP）系统设计评审设备/软件设计评审关键设计评审系统规范体系（类型A）过程/产品、材料规范体系（类型C到E）研制、过程产品、材料规范体系（类型B,C,D,E）系统工程管理（SEMP）概要设计评审（系统要求评审）系统工程需求功能分析要求分配权衡研究综合评价规范体系类型A设计评审反馈需求系统级0.10.30.50.70.60.20.4进一步功能分析进一步要求分配详细权衡研究综合评价（初样模型）规范体系类型B设计评审反馈1.11.31.51.71.61.21.4子系统级详细设计详细综合评价（试样模型）规范体系类型B-E设计评审反馈2.32.52.12.22.4部件级建议设计改进改进综合原型改进试验与评估（生产模型）改进合并配置项目评审反馈3.13.33.53.63.23.4改进建议设计改进改进综合原型改进试验与评估（使用模型）改进合并系统评价（现场评估）反馈4.14.34.54.64.24.4改进连续过程/产品改进退役论证要求识别、需求分析（使用需求、维修与保障需求，……）与确认系统/项目计划要求识别可行性分析需求分析确定技术指标论证评审反馈系统级需求基线技术需求文档(TRD)2011/9/14硬系统方法论_设计逻辑与反馈顾客需求、功能，以及系统要求设计决策准则设计团队IPT设计综合评估/预计设计评价产品或费用数据库现有的元件、器件或子系统设计依赖参数DDPs设计独立参数DIPs12345自顶向下的路径自底向上的路径技术研究和开发优选准则0备选方案明确问题产生方案建模与估计后果评价比较预测未来环境约束目标评价指标选择方案规划实施方案后果分析结果2011/9/14软系统方法论针对：目标、约束不明确，问题结构不清晰，责任、利益、权力纠缠，“做什么”与“怎么做”混杂的系统如社会、经济、环境问题等医疗保障环境保护美金融风暴中股市救市…切克兰德：软系统方法论SSM2011/9/14软系统方法论软问题知道有问题(problem)，不知是什么问题，哪的问题；“问题是什么”本身存在争议，议题（issue）；一堆问题纠缠不清，堆题（mess）。软目标不知道初态和目标态；目标定义中存在基本的不确定性。软结构不能精确定义和定量表示2011/9/14软系统方法论优化范式和学习范式休克疗法玻利维亚&俄罗斯摸着石头过河中国特色/美国特色的的社会主义杰弗里·萨克斯休克疗法2011/9/14软系统方法论步骤考察问题情景描述问题情景CATWOE根定义•CustomActorTransformationprocessWeltranschauung•OwnerEnvironmentalconstrints建立概念模型验证概念模型提出改革方案实施改革方案，产生新的情景2011/9/14软系统方法论1未经结构化的问题情景3提出CATWOE根定义2描述问题情景4建立概念模型5比较2、46可行的合乎需要的变革7改善问题情境的行动4a形式系统概念4b其他系统思想概念系统现实世界2011/9/14软系统方法论问题：改进LANCASTER的社会、经济、环境状况2011/9/14软系统方法论2011/9/14软系统方法论2011/9/14系统方法论的进一步发展还原论(近现代西方科学)整体分解为部分，认为部分研究清楚了，整体也就清楚了。否则继续分解。整体论(贝塔朗菲)从生物体系统的整体上来研究问题。就整体论整体，忽视整体与部分的联系。系统论(钱学森)还原论与整体论相结合，先将系统分解，进行分解研究，再综合集成到系统整体。2011/9/14系统方法论的进一步发展综合集成方法从定性到定量综合集成方法人-机-网络结合、以人为主的信息、知识、智慧的综合集成技术。决策部门提出问题、形成经验性假设和判断系统描述、建模、仿真、实验反复比较逐次逼近结论专家体系机器体系2011/9/14系统方法论的进一步发展综合集成研讨厅体系知识子系统专家子系统工具子系统专家·任务·态势·脚本知识·专家知识·经验·情报信息工具·实验与试验·分布交互仿真·人工智能·“灵境”综合集成研讨厅结果2011/9/14系统方法论的进一步发展WSR方法论步骤：领会意图、调查情况、制定目标、收集方案、决策评价等；理顺关系、良性互动、获得整体大于部分之和的涌现性。懂物理通人理明事理？？？系统工程方法进一步阐述——概念及要点2011/9/14问题的确定与目标的确立问题的确定做正确的事正确地做事•由于解决错误的问题而造成的损失，比错误地解决正确的问题的损失要大得多。问题的性质•这是什么问题，这是个问题吗？现象、原因、重要性、可能的解决方式？解决问题的条件•资源（人、财、物、技术、时间）•资源的获得与监控《你的灯亮着吗？-发现问题的真正所在》警句：鱼总是最后一个看到水的不识庐山真面目，只缘身在此山中2011/9/14问题的确定与目标的确立目标的确立总目标、分目标——都江堰多目标指标体系、目标主次、目标偏好约束条件•物理条件、自然条件、资源限制•组织体制、法律、道德规范•硬约束、软约束2011/9/14方案的生成与未来环境预测方案的生成创造性过程，形成备选方案集合完整、先进、稳健、可靠、灵活《TRIZ创造性解决问题的诀窍》《不按牌里出牌》——潜水服高