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1、系统工程 第三章 系统工程方法论,程森林 二九年三月,主要内容,3.1 处理复杂系统问题的基本观点 3.2 系统论方法 3.3 霍尔的系统工程方法论 3.4 切克兰德的系统工程方法论 3.5 物理-事理-人理方法论 3.6系统工程的构思原则 3.7 综合集成工程方法论,3.1 处理复杂系统问题的基本观点,系统工程师对复杂系统问题进行研究，首先要有正确的指导思想，有辨证唯物主义的思想，矛盾论、实践论是处理复杂系统指导思想的典范，而抓主要矛盾是其最主要的手段之一。如下的 5个观点是处理复杂系统问题的基本观点：,3.1 处理复杂系统问题的基本观点,整体观点 把系统内部所有要素看成一个整体，在策划最优
2、时，子系统最优与系统最优发生矛盾时，子系统要服从整个系统，这就是人们常说的：“局部服从整体，地方服从中央，个人服从集体”。反之，整个系统要对所有的子系统之间的关系进行协调，充分发挥各子系统的能动作用 把系统与环境看成一个整体，从更高的角度来分析系统与环境的关系，在策划系统最优时，必须考虑环境的制约作用，必须使环境受益，在万不得已的情况下，力图使环境所受损失最小，决不允许环境受到不能接受的损失。,3.1 处理复杂系统问题的基本观点,综合观点 由于系统内部要素之间存在着相互依存、相互制约的关系，当人们对系统某些问题进行决策时，尤其是遇到多目标、多因素、纵行交错、千变万化的系统时，应对目标、因素进行
3、综合分析或评价，分清主次，对目标、因素进行综合。切忌只凭一时、一事、一地、一人进行决策。作好系统内各要素之间的协调工作，实现全系统的综合平衡,3.1 处理复杂系统问题的基本观点,层次观点 任何一个系统，尤其是大系统，具有很明显的层次性。因此，在研究系统问题时，要熟悉系统中诸要素在各种空间内层次与分布，特别要分清系统诸要素在时间过程中的缓急，地域空间中的分布，权重空间中的轻重，目标空间中的主次。避免平均主义，抓住主要矛盾和主要方面。,3.1 处理复杂系统问题的基本观点,价值观点 用最少的价值创造出最多的使用价值；如何用最短的时间、最少的人、财、物去改造一个现成的系统；如何用同样的人、财、物和时间
4、去开发一个性能最好的系统；选优的标准是价值、效用（社会、经济、技术和政治）,3.1 处理复杂系统问题的基本观点,发展的观点 系统永远处于运动之中，随着时间的进展，系统也在发展，所以一个最优的系统也不是一成不变的，随着系统本身的发展、环境变化以及人们价值观念的变化，选优的标准在发展。因此，系统要适应环境就必须进行改造。 系统发展是有阶段性的，一般情况下是渐变的。对于社会经济这种大惯性系统，在某些场合，可以用静态方法近似处理,3.2系统论方法,方法论(Methodology)指解决问题的辨证形式和过程,指解决问题的辨证程序的总体,通过这样的程序,将解决问题的观念、思想和解决问题的手段联系起来,以指
5、导问题的解决,方法是指具体的算法; 方法论是指处理问题和、或从事活动的方式,它构成了完成一项任务的一般途径或路线,而不是告诉如何完成任务的具体细节,具体的做法是方法(Methods)或步骤,而不是方法论,研究方法论提供了组织、计划、设计和实施研究的基本原则,但它不能详细告诉如何进行一项具体的、个别的研究,每一项研究都具有特殊性。,3.2系统论方法,系统方法论的哲学依据，归根到底是唯物辩证法。 辩证法的核心是对立统一。用于系统研究，就是强调还原论方法和整体论方法的结合，分析方法与综合方法的结合，定性描述与定量描述的结合，局部描述与整体描述的结合，确定性描述与不确定性描述的结合，静力学描述与动力学
6、描述的结合，理论方法与经验方法的结合，精确方法与近似方法的结合，科学理性与艺术直觉的结合。这些结合是系统论方法之精髓所在 。,3.2系统论方法,还原论与整体论相结合 整体论(holism)强调整体地把握对象。还原论(reductionism)主张把整体分解为部分去研究 。古代的整体论是朴素的、直观的，没有把对整体的把握建立在对部分的精细了解之上。还原论相信客观世界是既定的，存在一个由所谓“宇宙之砖”构成的基本层次，只要把研究对象还原到那个层次，搞清楚最小组分即“宇宙之砖”的性质，一切高层次的问题就迎刃而解了。,3.2系统论方法,还原论与整体论相结合 还原论强调为了认识整体必须认识部分，只有把部
7、分弄清楚才可能真正把握整体；认识了部分的特性，总可以据之把握整体的特性。在这个意义上，还原论方法也是一种把握整体的方法，即所谓分析一重构方法。但居主导地位的是分析、分解、还原：首先把系统从环境中分离出来，孤立起来进行研究；然后把系统分解为部分，把高层次还原到低层次，用部分说明整体，用低层次说明高层次。在这种方法论指导下，400年来科学创造了一整套可操作的方法，取得巨大成功。,3.2系统论方法,还原论与整体论相结合 系统科学的早期发展在很大程度上使用的仍然是还原论，不同的是强调为了把握整体而还原和分析，在整体性观点指导下进行还原和分析，通过整合有关部分的认识以获得整体的认识。对于比较简单的系统，
8、这样处理一般还是有效的。但是，当现代科学把简单系统问题基本研究清楚，逐步向复杂系统问题进军时，仅仅靠分析一重构方法日益显得不够用了。把对部分的认识累加起来的方法，本质上不适宜描述整体涌现性。愈是复杂的系统，这种方法对于把握整体涌现性愈加无效。,3.2系统论方法,还原论与整体论相结合 系统科学是通过揭露和克服还原论的片面性和局限性而发展起来的 。理论研究表明，随着科学越来越深入到更小尺度的微观层次，对物质系统的认识越来越精细，但对整体的认识反而越来越模糊。现代科学表明，许多宇宙奥秘来源于整体的涌现性。还原论无法揭示这类宇宙奥秘，因为真正的整体涌现性在整体被分解为部分时已不复存在。而社会实践越来越
9、大型化、复杂化，特别是一系列全球问题的形成，也突出强调要从整体上认识和处理问题。,3.2系统论方法,还原论与整体论相结合 宇宙的许多奥秘只有用生成的演化的观点，才能作出科学的说明。基于还原论的科学是存在的科学，无法研究演化现象。还原论就是既成论，还原方法就是分析方法。涌现论把世界看作生成的。从生成论的观点看，整体涌现性可以表述为“多源于少”， “复杂生于简单”。生成论是涌现论表现形式之一。,3.2系统论方法,还原论与整体论相结合 不还原到元素层次，不了解局部的精细结构，对系统整体的认识只能是直观的、猜测性的、笼统的，缺乏科学性。没有整体观点，对事物的认识只能是零碎的，只见树木，不见森林，不能从
10、整体上把握事物、解决问题。科学的态度是把还原论和整体论结合起来。按钱学森的说法：“系统论是还原论和整体论的辩证统一”,3.2系统论方法,定性描述与定量描述相结合 任何系统都有定性特性和定量特性两方面，定性特性决定定量特性，定量特性表现定性特性。只有定性描述，对系统行为特性的把握难以深入准确。但定性描述是定量描述的基础，定性认识不正确，不论定量描述多么精确漂亮，都没有用，甚至会把认识引向歧途。定量描述是为定性描述服务的，借助定量描述能使定性描述深刻化、精确化。,3.2系统论方法,定性描述与定量描述相结合 自牛顿成功地用数学公式描述物体运动规律以来，定性方法被当作科学性较差的、在未找到定量方法之前
11、的一种权宜方法。但随着系统研究的对象越来越复杂，定量化描述的困难越来越严重。需要重新评价定性方法，反对在系统研究中片面地追求精确化、数量化。（如评价值）,3.2系统论方法,定性描述与定量描述相结合 定量描述必须使用数学工具，定性描述也可以使用数学工具。由庞加莱(HPoincare)开创的定性数学是描述系统定性性质的强有力工具。特别是研究系统演化问题，人们关心的是系统未来的可能走向，而不是具体的数值，动力学方程的定性理论、几何方法、拓扑方法等是适当的工具。,3.2系统论方法,局部描述与整体描述相结合 整体是由局部构成的，整体统摄局部，局部支撑整体，局部行为受整体的约束、支配。描述系统包括描述整体
12、和描述局部两方面，需要把两者很好地结合起来。在系统的整体观对照下建立对局部的描述，综合所有局部描述以建立关于系统整体的描述，是系统研究的基本方法。,3.2系统论方法,局部描述与整体描述相结合 微观描述和宏观描述是一种特殊而意义重大的的局部描述与整体描述。简单系统的元素同系统整体在尺度上的差别还构不成微观与宏观的差别，如机器系统的元件与整机一般都属于宏观对象。但巨系统出现了微观同宏观的划分，元素或基本子系统属于微观层次，系统整体属于宏观层次。系统的最小局部是它的微观组分，最基本的局部描述就是对系统微观组分的描述。,3.2系统论方法,局部描述与整体描述相结合 对于简单系统，它的元素的基本特性可以从
13、自然科学的基础理论中找到描述方法，对元素特性的描述进行直接综合，即可得到关于系统整体的描述。对于简单巨系统，也具备从微观描述过渡到宏观描述的基本方法，即统计描述。复杂巨系统复杂到至今尚无有效的统计描述，也许并不存在这种描述方法，但局部描述与整体描述相结合的原则依然适用。,3.2系统论方法,确定性描述与不确定性描述相结合 系统的不确定性有很多种类，如随机性、模糊性、信息不完全性、歧义性等 。牛顿力学代表确定论描述，统计力学和量子力学是概率论描述。采取确定论描述的有一般系统论、突变论和非线性动力学、微分动力体系等。香农信息论是完全建立在概率论描述框架上的典范。在控制理论、运筹学等学科中，两种描述都
14、使用，但通过划分不同分支来分别使用它们，仍然没有实现沟通 。,3.2系统论方法,确定性描述与不确定性描述相结合 自组织理论试图沟通两种描述体系，取得一定进展。现代科学的总体发展越来越要求把两种描述框架沟通起来，形成统一的新框架。系统科学的发展尤其需要把确定论框架同概率论框架沟通起来。混沌学等新学科的发展使人们初步看到希望。一种观点认为，如果把有限性作为认识自然的基本出发点，承认自然的有限性，我们就有可能从这两种描述体系根深蒂固的人为对立中解脱出来。,3.2系统论方法,系统分析与系统综合相结合 要了解一个系统，首先要进行系统分析，一要弄清系统由那些组分构成；二要确定系统中的元素或组分是按照什么样
15、的方式相互关联起来形成一个统一整体的；三要进行环境分析，明确系统所处的环境和功能对象，系统和环境如何互相影响，环境的特点和变化趋势,3.2系统论方法,系统分析与系统综合相结合 如何由局部认识获得整体认识，可采用分析一重构方法。重构就是综合，首先是信息(认识)的综合，即如何综合对部分的认识以求得对整体的认识，或综合低层次的认识以求得对高层次的认识。综合的任务是把握系统的整体涌现性。从整体出发进行分析，根据对部分的数学描述直接建立关于整体的数学描述，是直接综合。简单系统就是可以进行直接综合的系统。简单巨系统直接综合方法无效，可行的办法是统计综合。复杂巨系统连统计综合也无能为力，需要更复杂的综合方法
16、 。,3.3 霍尔的系统工程方法论,是美国系统工程专家霍尔(ADHall)于1969年提出的一种系统工程方法论。它的出现，为解决大型复杂系统的规划、组织、管理问题提供了一种统一的思想方法，因而在世界各国得到了广泛应用。 霍尔三维结构是将系统工程整个活动过程分为前后紧密衔接的七个阶段和七个步骤，同时还考虑了为完成这些阶段和步骤所需要的各种专业知识和技能。这样，就形成了由时间维、逻辑维和知识维所组成的三维空间结构，如图所示。,3.3 霍尔的系统工程方法论,HALL系统工程的三维结构（时间、逻辑、知识）,3.3 霍尔的系统工程方法论,时间维：规划阶段、计划阶段、研制阶段、生产阶段、运行阶段、更新阶段。 逻辑维：明确问题、系统指标设计、系统建模、系统综合、优化、决策、设施。 知识维：法律、经济、管理科学、计算机科学、工程技术、社会科学、环境科学。,3.3 霍尔的系统工程方法论,时间维 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，制定出系统工程活动的方针、政策或规划。 计划阶段根据规划阶段所提出设计思想和初步方案，从社会、经济、技术、可行性方面进行综合分析，提
