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1、第三章 系统工程方法论w3.1 处理复杂系统问题的基本观点w3.2 系统论方法w3.3 霍尔的系统工程方法论 w3.4 切克兰德的系统工程方法论 w3.5 物理-事理-人理方法论w3.6 螺旋式推进原则 w3.7 系统工程的构思原则 w3.8 综合集成工程方法论 3.1处理复杂系统问题的基本观点w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：整体观点w把系统内部所有要素看成一个整体，在策划最优时，子系统最优与系统最优发生矛盾时，子系统要服
2、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w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。综合观点w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
3、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层次观点w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。价值观点w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；w如何用同样的人、财、物和时间去开发一个性能最好的系统；w选优的标准是价值、效用（社会、经济、技术和政治）发展的观点w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
4、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。w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w1、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,以指导问题的解决,方法是指具体的算法;w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
5、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w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 。还原论与整体论相结合w整体论(holism)强调整体地把握对象。还原论
6、(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。 还原论与整体论相结合w还原论强调为了认识整体必须认识部分，只有把部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
7、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。还原论与整体论相结合w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，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。还原论与整
8、体论相结合w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。还原论与整体论相结合w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。
9、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。 还原论与整体论相结合w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” 定性描述与定量描述相结合w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
10、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。 定性描述与定量描述相结合w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）定性描述与定量描述相结合w 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
11、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。 局部描述与整体描述相结合 w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。 局部描述与整体描述相结合w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
12、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。 局部描述与整体描述相结合w对于简单系统，它的元素的基本特性可以从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。确定性描述与不确定性描述相结合 w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
13、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 。 确定性描述与不确定性描述相结合w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。
14、w系统分析与系统综合相结合 w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 系统分析与系统综合相结合w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
15、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 。3.3 霍尔的系统工程方法论 (硬系统工程方法论)wHALL系统工程的三维结构（时间、逻辑、知识） 知识逻辑逻辑（步骤）（步骤）时间时间（阶段）HALL系统工程的三维结构（时间、逻辑、知识）w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。w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。w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。时间维w规划阶段规划阶段调查研究、明确研究目标，提出自己的设想和初步方案，制
16、定出系统工程活动的方针、政策或规划。w计划阶段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，提出具体的计划方案和选择一个最优方案。w研制阶段研制阶段以计划为指南，组织人财物及各环节、各部门，实现系统的试制方案（包括制定生产计划）。时间维w生产阶段生产阶段生产零部件及整个系统（包括设计安装计划）。w运行阶段运行阶段安装、调试好系统，完成运行计划，使系统按预定的目标运行服务。w更新阶段更新阶段完成系统的评价，改进或以新系统代替老系统，使系统更有效的工作，为系统进入下一个研制周期准备条件。逻辑维w 明确问题明确问题首先要明确要解决的问题，要尽量全面地收集和
17、提供解决问题的历史、现状以及发展方面的资料和数据，通过某种手段、方法，对每一阶段要完成的问题反复推敲，直到明确为止。w系统指标设计系统指标设计提出目标或目标体系，确定达到目标的程度标准逻辑维w系统建模系统建模了解、分析系统内部之间，内外之间的相互关系，以及系统的性能与特点，根据系统分析的需要，建立相应的模型。w系统综合系统综合按预定目标构造方案，对每一方案进行必要的说明w优化优化优选方案，使方案最好的满足系统目标w决策决策从多个优选方案中选择一个方案w实施实施对已选方案进行实施、修改，完善以上6个步骤，转入下一阶段霍尔管理矩阵w运用系统工程知识，把六个阶段、七个步骤结合起来，矩阵中阶段和步骤对
18、应的点 代表着具体活动。矩阵中各项活动相互影响，要从整体上达到最优效果，必须使各阶段步骤的活动反复进行（体现计划、组织、控制）。其次，不同的管理活动对知识的需求和侧重也不同。3.4 切克兰德的系统工程方法论 w系统可分为良结构系统与不良结构系统。良结构系统是指偏重工程、机理明显的物理型的硬系统，它可以用较明显的数学模型描述，有较现成的定量方法可以计算出系统的行为和最佳结果 。霍尔方法处理这类系统非常有效（称为硬方法）。不良结构系统是指偏重社会、机理尚不清楚的生物型的软系统，它较难用数学模型描述，往往只能用半定量、半定性或者只能用定性的方法来处理问题。处理这类问题的方法称为软方法。 3.4 切克
19、兰德的系统工程方法论w“软”的主要原因是它加人了人的判断和直觉，因此，解决问题时不像硬方法可以求出最佳的定量结果，而是所求出的结果一般是可行的满意解，并且有些结果随人而异，因人而定。到目前为止，已提出一些解决不良结构的软系统方法，如专家调查法(德尔菲法，Delphi)、情景分析法(scenario)、冲突分析法(conflict analysis)等等。但从系统工程方法论角度看，切克兰德(PBCheckland)的“调查学习”方法具有更高的概括性 。3.4 切克兰德的系统工程方法论w切克兰德的“调查学习”软方法的核心不是寻求“最优化”，而是“调查、比较”或者说是“学习”，从模型和现状比较中，学
20、习改善现存系统的途径 。问题现状说明 弄清关联因素 建立概念模型 改善概念模型 比 较 实 施 切克兰德的“调查学习”方法流程图 3.4 切克兰德的系统工程方法论w(1)不良结构系统现状说明。通过调查分析，对现存的不良结构系统的现状进行说明。w(2)弄清关联因素。初步弄清、改善与现状有关的各种因素及其相互关系。w(3)建立概念模型。在不能建立数学模型的情况下，用结构模型或语言模型来描述系统的现状。3.4 切克兰德的系统工程方法论w(4)改善概念模型。随着分析的不断深入和“学习”的加深，进一步用更合适的模型或方法改进上述概念模型。w(5)比较。将概念模型与现状进行比较，找出符合决策者意图而且可行
21、的改革途径或方案。w(6)实施。实施提出的改革方案。3.5物理-事理-人理方法论w强调人们在做系统分析和系统设计时，不仅要明物理（明白世界到底是什么样，这是硬的不以意志为转移的），通事理（通晓各种科学的方法，各种可硬可软的方法），更应晓人理（掌握人际交往的艺术，充分认识系统内部各方价值取向，协调考虑各方利益，这是软的艺术）。 物理w1、物理是象征着本体论(Ontology)的客观存在(自然、社会;具体、抽象),包括物质及其组织结构。w2、物理是阐述自然客观现象和客观存在的定律、规则,通过数据、方程、描述、及其他方式表达出来。w3、物理就是指物质运动和技术作用的一般规律,是一种客观存在,不以人的
22、意志为转移。w4、物理是指管理过程和管理对象中可以并应该由自然科、工程技术和“硬运筹方法”描述和处理的层面。 事理w1、物有常规,事有定理,这些基本规律可以称为事理。w2、人类某些活动的理性行为就是事理。w3、事理有事理现象和事理本质, 现象指人们在事理活动中直观把握的一切外部形态的东西及联系,构成办事过程的各种事实、现象。本质指隐藏在这些现象背后的办成办好事情应遵循的道理、规律等。w4、事理意味机理(Mechanisms),强调这个世界的联系和过程。5、事理是指方法,或那些帮助人们基于世界和客观存在的机理之上的有效处理事务的方法。w6、事理是指管理者介入和执行管理事物的方式和规律,包括如何感
23、知、看待、认识、思考、描述和组织管理对象和管理过程 人理w1、人理是关注涉及系统项目中所有团体相互之间的主观关系,包括顾客、权力当局、组织者、专家、潜在业主、使用者、操作者、受益和受损者。w2、人理是指基于心理学、社会学、组织行为学,结合文化、传统、价值、观念等来把人组织在一起有效地开展的工作的方法。w3、人理是指管理对象和过程中的人与人之间的关系,包括管理主体与主体之间的关系。研究人理包括研究管理过程中管理主体之间如何相互沟通、学习、调整、谈判、或者排斥甚至损害,涉及人与人之间的得与失、爱与恨、信任与怀疑、扶持与操纵。 物理事理人理w物理是指涉及某项系统项目问题处理过程人们面对的客观存在,是
24、物质运动的规律总和w事理是指涉及某项系统项目问题处理过程中人们面对的客观存在及其规律时介入的机理。这种定义体现一种人-物界面。 w人理是指涉及某项系统项目问题处理过程中的所有的人们之间的相互关系及其变化过程,通过研究和理顺这种关系,促进人们能按照可接受的事理去实现项目问题的预定目标 物理事理人理方法论步骤物理事理人理方法论步骤系统工程的工作模式w有辨证唯物主义的思想；w会用系统思路考察、研究所处理的系统；w熟悉所研究的系统，掌握特殊规律、原理，在错综复杂的表面现象中找出问题的本质；w借助数学方法、计算机技术和研究对象的特有技术，寻求解决问题的办法。3.6 螺旋式推进原则w选题中的旋进原则：问题
25、方法问题；w研究中的旋进原则：定性定量定性，软硬软，简单 复杂 简单，全局 局部 全局，宏观微观宏观，粗细粗，动静动；w结论中的旋进原则：线体线，点线点。3.7 系统工程的构思原则 w一、由粗到细的构思远原则w二、相互结合的构思原则w三、程序化原则一、由粗到细的构思原则w掌握必要的信息资料；w从系统整体上把握住研究对象，认识其主要属性与运动规律以形成概念；w提出解决问题的指导思想、原则、设想、方案等粗线条的构思框架；w再细化到具体方案及解决问题的可操作方案。一、由粗到细的构思原则w自我提问：是否已把握（问题的本质及所有的要点，解决问题的原则、思路和手段），客观条件如何，环境允许吗。w程序：清楚
26、问题产生的背景和不同观点，调查、争论、学习、达到共识，定义问题和设定目标，明确解决问题的原则，总体构思，形成概念模型，设想具体方案，设计具体方案。二、相互结合的构思原则w以问题导向为主，问题导向与方法导向相结合w先定性分析，定性分析与定量分析相结合w科学方法与专家经验相结合w决策者、使用者和分析者相结合 以问题导向为主，问题导向与方法导向相结合w问题导向法：遇到问题时，没有固定的处理问题的框架，采用系统观点去思考和定性分析问题，弄清问题的来龙去脉，找出问题的关键点，然后研究和确定解决问题的思路、途径和方法。一般程序是：调查研究问题的现状或症状认识问题方法研究或选用解决问题的方法（或修改已选用的
27、解决问题的方法以适应问题）解决问题 。 以问题导向为主，问题导向与方法导向相结合w方法导向法：遇到问题时，分析者用熟悉的、惯用的方法，对问题进行分析和处理，有熟能生巧的功能。一般程序是：了解问题选用某种方法简化问题以适应这种方法解决问题、方案。 以问题导向为主，问题导向与方法导向相结合w指在掌握系统分析和综合技术方法基础上的问题导向法，因为每种系统工程的技术方法都在一定程度上体现了系统的基本观点和思想，了解和掌握系统工程的主要技术方法，有利于对问题的深入认识、提高解决问题的能力，两者有机结合可发挥各自的优点。 科学方法与专家经验相结合w由于领导者所处地位，他们自觉不自觉的应用系统工程的观点和思
28、考方法去处理问题，积累了丰富的经验；w有经验的实际工作者对所管理的系统有较全面的、深入的了解；w系统分析者有很好的专长；w能形成优势互补，实践证明这一方法的有效性。3.8 综合集成工程方法论w钱学森教授在研究解决开放的复杂巨系统问题时，提出了从定性到定量的综合集成法，简称综合集成(metasynthesis) 。综合集成的实质是专家经验、统计数据和信息资料、计算机技术三者的有机结合，构成一个以人为主的高度智能化的人一机结合系统，发挥这个系统的整体优势，去解决复杂的决策问题。它有方法论层次上和工程技术层次上综合集成方法。3.8 综合集成工程方法论w对开放复杂巨系统的综合集成要以人类积累的全部知识
29、为基础，要在整个现代科学知识体系中作大跨度的跳跃，集大成，得智慧，产生新思想、新知识、新方法，钱学森称其为大成智慧。在哲学上，就是要把经验与理论、定性与定量、人与机、微观与宏观、还原论与整体论辩证地统一起来。 方法论层次上的综合集成要点w(1)直接诉诸实践经验，特别是专家的经验、感受和判断力，把这些经验知识和现代科学提供的理论知识结合起来。w(2)专家的经验是局部的、多半是定性的，要通过建模计算把这些定性知识和各种观测数据、统计资料结合起来，使局部定性的知识达到整体定量的认识。w(3)把人与计算机结合起来，充分利用知识工程、专家系统和电脑的优点，同时发挥人脑的洞察力和形象思维能力，取长补短，产
30、生出更高的智慧。 工程技术层次上的综合集成基本步骤和要点w(1)一个实际问题提出来后，研究者(或研究小组)首先要充分收集有关的信息资料，调用有关方面的统计数据，作为开展研究工作的基础性准备。这些数据资料中包含系统定性、定量特性的信息，没有它们就不可能实现从关于系统的局部定性认识经过综合集成达到关于系统的整体定量认识。 工程技术层次上的综合集成基本步骤和要点：w(2)研究者约请各方面有关专家对系统的状态、特性、运行机制等进行分析研究，明确问题的症结所在，对系统的可能行为走向及解决问题的途径作出定性判断，形成经验性假设，明确系统的状态变量、环境变量、控制变量和输出变量，确定系统建模思想。 工程技术
31、层次上的综合集成基本步骤和要点w(3)以经验性假设为前提，充分运用现有的理论知识，把系统的结构、功能、行为、特性、输入输出关系定量地表示出来，作为系统的数学模型，以便用模型研究部分地代替对实际系统的研究。w(4)依据数学模型把有关的数据、信息输入计算机，对系统行为做仿真模拟试验，通过试验，获得关于系统特性和行为走向的定量数据资料。 工程技术层次上的综合集成基本步骤和要点：w(5)组织专家群体对计算机仿真试验的结果进行分析评价，对系统模型的有效性进行检验，以便进一步挖掘和收集专家的经验、直觉、更深入细致的判断。所谓“即景生情”式的见解，常常是专家面对仿真试验结果时被诱导出来和明确起来的。如果再应用虚拟现实技术，可能会有意想不到的效果。 工程技术层次上的综合集成基本步骤和要点w(6)依据专家们的新见解、新判断，对系统模型作出修改，调整有关参数，然后再上机做仿真模拟试验，将新的试验结果再交给专家群体分析评价，根据新一轮的专家意见和判断再次修改模型，再做仿真试验，再请专家群体分析评价，如此反复循环，直到计算机仿真试验结果与专家意见基本吻合为止。最后得到的数学模型就是符合实际系统的理论描述，从这种模型中得出的结论将是可信的。
