第2章 系统工程方法论

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1、1,第三章 系统工程方法论,2,主要内容,系统工程理论基础 霍尔“三维结构”模型 并行工程方法学 切克兰德的“调查学习” 法 WSR系统方法论 综合集成工程,3.1 系统工程理论基础,整体思想和联系思想是科学系统思想的核心与实质。 一般系统论、控制论、信息论、耗散结构理论、协同学及自组织理论等是系统理论的重要内容和SE的理论基础。,一般系统论：通过对各种不同系统（不仅在生物学中，而且在行为科学，社会科学）进行科学理论研究而形成的关于适用于一切种类系统的学说，代表人物奥地利理论生物学家贝塔朗菲),耗散结构理论：普利高津把远离平衡态情况下所形成的新、稳定的有序结构理论称为。为一般系统论的有序结构稳

2、定性提供了严密的理论根据.,协同论：联邦德国的赫尔曼.哈肯发现系统要素之间存在着协同现象。研究系统从无序到有序转变的规律和特征。,Lorem ipsum,Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit.Lorem ipsum dolor sit a,LOREM IPSUM DOLOR,控制论：研究各类系统的控制和调节的一般规律的综合性理论。信息与控制是其核心概念。代表人物美国数学家维纳。 信息论：研究信息的提取、变换、存储和流通等特点和规律的理论,7,3.2 系统工程方法论概述 系统工程方法与方法论,人们将研究、分析和处理问题的

3、思想、程序和基本原则叫做方法论。 系统工程方法： 1、方法层次上的方法： 研究、分析、处理系统工程问题运用的程序和基本原则 2、技术层次上的方法： 处理复杂系统问题常用的一些具体方法.系统工程方法论指的是处理复杂系统问题的基本思想和方法论层次上各种方法的总和。,8,系统工程方法论,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，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。,系统工程基本工作过程,数学描述方法逻辑推理方法 工程技术的规范社会科学的艺术,思想方法,理论基础,基本程序,方法步

4、骤,系统工程方法论基本特点： 研究方法强调 整体性 技术应用强调 综合性 管理决策强调 科学性 沟通性,系统工程的方法论是系统工程应用的基础和关键所在，系统工程处理问题的独特方法论是系统工程区别于其它各门科学的基本特征之一，系统工程处理问题的最基本出发点是将所分析的对象作为整体系统来考虑，这也是系统工程考虑问题的基本思想和工作方法,系统工程实质上是方法论的科学，它的目标是通过什么样的方法可使系统达到最优，方法论是把设想付诸实现的过程。对于传统方法，它解决问题的目标往往是单一的，比如设计一个产品或只强调成本低或只强调性能高，而系统工程对目标的考虑需要从系统运行的全过程即时间方面以及在每个阶段中处

5、理问题的特殊思维过程即逻辑方面，并综合运用各种专业知识即知识方面来综合考虑。,12,3.3 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）,13,1、霍尔的三维结构（1969年提出）,20世纪6070年代具有代表性的SE方法论。,将系统的整个管理过程分为前后紧密相连的七个阶段和七个步骤，并同时考虑到为完成这些阶段和步骤的工作所需的各种专业管理知识。三维结构由时间维、逻辑维、知识维组成，如图示：,一、霍尔“三维结构”模型,14,环境科学 社会科学 工程技术 计算机科学 管理科学 经济 法律,知识维（科学技

6、术）,逻辑维（方法步骤）,时间维（时间进程）,明确问题,选择目标（系统设计）,系统综合,系统分析（模型化）,方案优化,作出决策,付诸实施,A B C D E F G,6 5 4 3 2 1,规划阶段,方案阶段,研制阶段,生产阶段,安装运行阶段,更新阶段,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。,一 霍尔“三维结构”模型,15,1 霍尔系统工程方法的时间维,霍尔系统工程方法的时间维表示任何系统工程活动最先从规划开始，从系统规

7、划开始到系统更新共分为七个阶段，任何研究工作都在其中的某一阶段，且每一阶段有对应的研究任务。 （1）规划阶段调查研究、明确研究目标，提出自己的设想和初步方案，制定系统工程活动的方针、政策或规划。 （2）计划阶段根据规划阶段所提出的设计思想和初步方案，提出具体的计划方案和选择一个最优方案。 （3）研制阶段以计划为指南，实现系统的试制方案，并制定生产计划。,1 霍尔系统工程方法的时间维,（4) 运筹或生产阶段：运筹各类资源，生产出全部构件（软硬件），并提出具体的实施或安装计划。 实施阶段：系统的设计、安装及调试等 （5) 运行阶段：按照系统预定的用途工作。 （6)更新阶段：按系统要求实施，取消旧系

8、统，代之以新系统，对系统改进。,以三峡工程作为案例： 第一阶段： 1919年孙中山建国方略：利用三峡的水利资源发电 1944年萨凡奇计划 50年代初期林一山为首的长江流域规划办公室,总目标：发电、防洪、供水、航运 正常蓄水位：230米、235米；坝址设在南津关,第二阶段：,解决四个方面问题： 目标进行分解和量化； 协调目标，提出实现目标的具体的方案； 为实现方案在技术上、经济和社会方面、环境方面的保障； 根据具体方案，对工程成本费用和效益提出更加详细的计算。,第三阶段：1958年到1993年10月,实施系统工程（生产安装）之前技术性很强，工作量最大的阶段。需要结合大批的相关的工程技术人员，合作

9、完成。 提出实施该系统的详细的研制方案； 提出详细的实施（生产或施工，包括往后各阶段）计划。,提出可供施工的蓝图，包括大坝、船闸、厂房、机电设备、输变电工程等方面的各项研究工作以及最终拿出可供施工和生产的图纸；按照预想的进程和可能性，提出包括库区移民以及工厂的搬迁安置、施工进度、水轮发电机组、辅助设备、输变电设备的研究等，进而提出何时完成第一期工程和第二期工程、何时全面投产等详细的系统的实施计划。,第四阶段：,根据系统研制阶段所提出的方案和生产计划，生产出系统的零部件和所有的设备和装置； 提出系统的安装计划。,完成大坝以及全部水工结构的建筑，船闸、厂房的建设，水轮发电机组、输变电设备、中央控制

10、台、配电室以及其他各种机电设备的制造； 提出未来的安装计划； 安置库区移民。,第五、六、七阶段：安装、运行、更新。,时间上可以交叉。研制阶段可部分进行生产，生产阶段就可部分安装，安装阶段可部分进行运行。需寻求最佳方案，用计划协调技术（PERT）、图解评审技术（GERT）。,主要有泥沙问题、水库引发地震问题、四川将面临更加频繁和严重的洪水问题、环境问题和资金问题。,综合治理长江，对上游实行水利开发和水土保持。,2 霍尔系统工程方法的逻辑维,（1) 明确问题：了解问题所处的环境，收集有关的数据和资料，主要目的是弄清问题 （2)系统设计：确定所要解决问题的目标和相应的评价准则(指标）。 （3)系统综

11、合：为实现预期目标，拟定所需采取的策略和应选择的方案。,23,（4）系统分析系统分析是应用系统工程技术，对每一个系统方案进行比较、分析、计算。 （5）系统优化寻找满足约束条件的最优方案，或者说是挑选出最好的满足系统目标的方案。 （6）系统决策由决策者从多个优选方案中选择一个方案进行实施，当然，选择的方案不一定是最优方案。 （7）系统实施对已选方案进行实施、修改，完善以上6个步骤，转入下一个阶段。,2 霍尔系统工程方法的逻辑维,24,霍尔系统工程方法的逻辑维,系统综合,系统分析,系统优化,注意,在实践工作中，系统综合、系统分析和系统优化存在循环、不断递进的过程，即在系统分析和系统优化的过程中可能

12、产生系统方案，或者对模型进行修正。,25,霍尔系统工程方法的专业维指解决一个系统工程问题，需要有相应专业知识。 一般来讲，进行某项系统工程研究，研究工作者应具备法律、经济、管理科学、社会科学、环境科学、信息技术和相应的工程技术，才能有效地进行系统工程的研究，解决相应的问题。,3 霍尔系统工程方法的知识维,26,【案例】 两点之间的交通运输方式的选择 （内容略） 【案例分析】 （1）时间维：从道路“规划研究”开始 （2）专业维：要求参加问题研究人员要有“经济学、社会学、工程学、心理学、法学、环境科学”等方面的知识. （3）逻辑维：按照逻辑维要求开展研究工作，具体为“明确问题系统指标分析系统综合系

13、统分析系统优化系统决策系统实施”,3 霍尔系统工程方法论,27,运用SE知识，把三维结构中的六个时间阶段和七个逻辑步骤结合起来，便形成所谓霍尔管理矩阵如下：,霍尔管理矩阵,代表一项具体的管理活动,28,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

14、施过程中的困难。,基于 “三维结构”模型的,系统工程过程系统,29,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,30,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、

15、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。,31,二 并行工程方法学,并行工程(Concurrent Engineering，简称CE)是美国在80年代末提出的，在计算机集成制造系统CIMS和系统工程中发展起来的工程技术，也是美国国防部在90年代乃至21世纪发展武器装备系统的基本管理模式。 Winner等人对并行工程的定义： 并行工程是对产品及相关过程，包括制造过程和支持过程，进行并行、一体化设计的一种系统化方法。 这种方法力图使产品开发者从一开始就考虑到产品全寿命周期即从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进

16、度和用户需求。,32,也就是把以往的那种序列化的设计生产保障研制过程变为并行的、交互作用的综合研制过程，达到缩短研制周期的目的。,二 并行工程方法学,并行工程 同时工程,33,并行工程综合研制工程,传统专业综合,工程专业综合,综合,硬件 软件 人员 设施 数据,系统,并行地进行产品传统性能、可生产性等特性的研制。,多专业综合 产品研制,其核心内容是：强调用户需求，把用户需求转化为产品要求，并建立交互作用、互相协调的并行研制过程，以便将产品的设计、产品的制造过程和保障过程用系统工程方法综合在一起。,34,并行工程的主要思想： (1) 约束信息的并行性：即设计时同时考虑产品生命周期的所有因素，同时产生产品设计规格(或CAD文件)和相应的制造和支持过程计划。 (2) 功能的并行性：即产品寿命周期所涉及的各功能领域工程活动并行交叉进行。 (3) 集成性：要求实现产品及其过