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第二章系统工程方法论张鹏

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第二章系统工程方法论张鹏
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第1页 第二章系统工程方法论 • 主要内容:1.系统工程的学科基础 ;2.西 方系统工程方法论的发展 ;3.系统分析 的原理及其应用 ;4系统工程方法论的新 探素 。 • 学习重点:系统工程的学科基础 ;掌握 几种典型的系统工程方法论 ;系统分析 的应用 。 第2页 第一节系统工程的学科基础 • 系统工程学科性质: 在科学技术体系结构中,系统工程属于工程技 术,是一门新兴的交叉学科。 第3页 第一节系统工程的学科基础 • 系统工程与一般工程比较的特点: • 研究的对象广泛,包括人类社会、生态 环境、自然现象和组织管理等; • 系统工程是一门跨学科的边缘学科; • 在处理复杂的大系统时,常采用定性分 析和定量计算相结合的方法。 第4页 第一节系统工程的学科基础 • 系统工程的发展 : • “孙子兵法” ;四川都江堰工程 ; • 系统工程的萌芽时期可追溯到20世纪初的F.W. 泰勒(F.W.Taylor)系统 ; • 1940年,丹麦哥本哈根电话公司的厄兰( A.K.Erlang)和美国贝尔电话公司的莫利纳 (E.C.Molina)将研制自动交换机的工作划分为 规划、研究、开发、应用和通用工程五个阶段 ,提出排队论。 第5页 系统工程的发展 • 第二次世界大战时期,一些科学工作者以大规 模军事行动为对象,提出了解决战争问题的一 些决策和对策的方法和工程手段,产生了运筹 学 ;战后迅速扩展到一般经营管理方面;如 “曼哈顿工程”。 • 1945年,美国军部建立兰德公司(Rand),总结开 发了许多系统数学分析法,奠定了今天系统工 程的基础。 • 1957年,美国学者顾杰(H.Goode)和马可尔 (R.Machol)合著《系统工程学》(Systems Engineering),理论上首次总结。 第6页 系统工程的发展 • 60年代,电子计算机的普及,提供了强有力的 运算工具和信息处理手段,系统工程在各领域 开始形成独立的解决问题的体系,扩大了理论 和实践的影响范围。 • 历时11年的“阿波罗登月计划”成功,引起了 人们对系统工程的广泛关注。 • 70年代以来,系统工程得到迅速的普及与发展, 各大专院校开设系统工程课程,各国成立系统 工程研究所。 第7页 系统工程在我国的发展 • 20世纪50年代,中科院钱学森、许志国教 授创导下,建立第一个运筹学小组。 • 60年代著名数学家华罗庚大力推广优选 法、统筹法;系统工程在国防武器装备 研制方面取得显著成效。 • 1980年成立中国系统工程学会,系统工 程在各个领域广泛应用并取得了许多成 果。 第8页 第一节系统工程的学科基础 • 系统论、信息论、控制论(简称三论) 、运筹学是系统科学的重要理论基础及 工具。三论为系统科学的发展注入了新 的思想,运筹学提供了定量分析的工具 。 第9页 第一节系统工程的学科基础 • 一、控制论(cybernetics) • 1控制论的产生与发展 • 1947年诺伯特·维纳创立的控制论( Cybernetics)是一门研究系统控制的学 科。 • 维纳于1948年出版了《控制论》一书, 他对控制论的定义是“关于在动物和机器 中控制和通讯的科学” 第10页 第一节系统工程的学科基础 • 维纳的《控制论》阐明了两个基本观念 :一个是一切有生命、无生命的系统都 是信息系统;另一个是一切有生命、无 生命的系统都是控制系统。 第11页 第一节系统工程的学科基础 • 2控制论经过了三个时期: • (1) 20世纪40年代末至50年代是第一时期 ,即经典控制理论时期; • (2) 20世纪60年代是第二时期,即现代控 制理论时期; • (3) 20世纪70年代是第三时期,即大系统 控制理论时期。 第12页 第一节系统工程的学科基础 • 3.控制论的核心问题是信息的提取、处理 、传播、存储和利用等一般问题。 第13页 第一节系统工程的学科基础 • 4.控制论的基本概念 • (1)控制系统的构成 • 控制系统是由施控器、受控器和控制作用的传 递者组成 • (2)系统的稳定性 • 第一类稳定性是指当外界变化不致使系统发生 显著变化 ;第二类稳定性是指当系统所受到干 扰偏离正常的状态时,在干扰消失后自动恢复 其正常状态 第14页 第一节系统工程的学科基础 • 二、信息论(information theory) • 1信息论的产生与发展 • 信息论的研究始于1948年申农在贝尔系 统技术杂志上发表的著名长篇论文《通 信的数学理论》,及1949年发表的续篇《 噪声下的通信》标志信息论的产生。 第15页 第一节系统工程的学科基础 • 2信息论的定义 • 信息论是利用数学方法研究信息传输和 信息处理一般规律的一门科学,是现代 通信科学技术、现代计算机技术的理论 基石之一。 第16页 第一节系统工程的学科基础 信息的特点 (1)信息源于运动,无运动则无信息; (2)信息可以被感知、处理和利用,其符 合人们认识事物的规律; (3)信息具有知识秉性,它能用以消除人 们对事物运动状态或存在方式的认识上 的不确定性。 第17页 第一节系统工程的学科基础 信息的特点 (4)信息依赖于物质而存在并在物质上传 递、存储; (5)信息的使用价值具有相对性; (6)信息具有时效性; (7)信息不守恒。 第18页 第一节系统工程的学科基础 • 三、一般系统论 • 1.一般系统论的产生 • 美籍奥地利生物学家冯.贝朗菲在1945年 《关于一般系统论》的发表,成为系统 论的形成和发展。 第19页 第一节系统工程的学科基础 • 2.一般系统论的特点 • (1)系统整体性; • (2)系统开放性; • (3)系统的动态相关性; • (4)系统的层次等级性; • (5)系统的有序性. 第20页 第二节 西方系统工程方法论的 发展 • 系统工程方法论: • 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. 第21页 第二节 西方系统工程方法论的 发展 • 系统工程与传统方法的区别: • 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,而方法 论是把设想付诸实现的过程。传统方法解决问 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。 第22页 第二节 西方系统工程方法论的 发展 系统工程方法论是指在更高层次上,指导 人们正确应用系统工程的思想、方法和 各种准则去处理问题,由于系统工程是 一类包括许多门工程技术的一大工程技 术门类,而且是高度综合的实用性很强 的技术,因此,在系统工程的研究中逐 渐形成了一套处理问题的基本方法过程 (基本框架结构),这就是从系统的观 点出发,采用系统分析的方法来分析和 解决各种问题。 第23页 第二节 西方系统工程方法论的 发展 • 一、1969 年,Hall 率先提出了基于时间 维、逻辑维、知识维的三维结构 第24页 第二节 西方系统工程方法论的 发展 逻辑维 知识维 时间维 第25页 第二节 西方系统工程方法论的 发展 • 1、时间维 • (1)规划阶段 :主要是按照设计要求提出系统 目标,制定规划和政策。 • (2)拟定阶段:完成的任务是提出具体的方案, 进行系统的初步设计。 • (3)分析阶段:对所设计的方案进行分析、比较 。 • (4)运筹阶段:方案的综合选优,确定最优实施 方案。 第26页 第二节 西方系统工程方法论的 发展 • (5)实施阶段:系统的设计、安装及调试 等。 • (6)运行阶段:按照系统预定的用途工作 。 • (7)更新阶段:按系统要求实施,取消旧 系统,代之以新系统,对系统改进。 第27页 第二节 西方系统工程方法论的 发展 • 以三峡工程作为案例: • 第一阶段: • 1919年孙中山的《建国方略》; • 1944年5月的《萨凡奇计划》; 第28页 第二节 西方系统工程方法论的 发展 • 以三峡工程作为案例: • 第二阶段解决四个方面问题: • 目标进行分解和量化; • 提出实现目标的具体的方案; • 实现技术、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29页 第二节 西方系统工程方法论的 发展 • 第三阶段:1958年到1993年10月 • 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。 第30页 第二节 西方系统工程方法论的 发展 • 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; • 提出未来的安装计划; • 安置库区移民。 第31页 第二节 西方系统工程方法论的 发展 • 第五、六、七阶段:安装、运行、更新 。 第32页 第二节 西方系统工程方法论的 发展 • 2.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)系统指标设计:确定所要解决问题 的目标和相应的评价准则。 第33页 第二节 西方系统工程方法论的 发展 • (3)系统方案综合:为实现预期目标, 拟定所需采取的策略和应选择的方案。 • (4)系统分析:深入了解所提出的政策 措施和解决方法,分析这些措施方法在 实施中的预期效果。 第34页 第二节 西方系统工程方法论的 发展 • (5)系统方案的优化与选择:用数学规 划等定量的优化方法去判别各种方案的 优劣,以进行方案选择。 • (6)决策:以指标体系为评价准则,在 考虑决策者的偏好等基础上,选择最优 方案。 • (7)实施计划:按决策结果制定实施方 案和计划。 第35页 第二节 西方系统工程方法论的 发展 • 3.知识维 • 知识维是指各工作步骤所需的各门专业 知识,由于系统工程是个综合性的交叉 学科,在上述各阶段中,执行任何一步 都会涉及多种专业技术,如社会科学、 工程技术、法律、商业、医药、艺术等 等。 第36页 第二节 西方系统工程方法论的 发展 • 二、1972 年,Hill 和 Warfeild 为克服约 束条件复杂的多目标大系统组织方面的 困难,在Hall 三维结构的基础上提出了 统一规划法。其实质是对 Hall 活动矩阵 中规划阶段的具体展开,利用它可以较 好实现对大型复杂系统的全面规划和总 体安排。 第37页 第二节 西方系统工程方法论的 发展 • 三、20 世纪 70 年代,系统工程开始逐步应用 于社会、经济系统问题的研究,由于涉及的因 素相当复杂且很多难以进行定量分析,Hall 三 维结构此时已不再适用。为了适应发展的需要 ,Checkland 提出了软系统工程方法论。与 Hall 三维结构不同,Checkland 方法论的核心 不是最优化而是比较或学习,即从模型和现状 的比较中来学习改善现状的途径。Checkland 方法论是 Hall方法论的扩展。 第38页 Checkland 方法论流程 阐明 问题 谋划 备选 方案 建模 和预 计后 果 评比 备选 方案 预测 未来 环境 第39页 第二节 西方系统工程方法论的 发展 • 良结构系统:偏重工程、机理明显的物理型的 硬系统,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。 • 不良结构系统:偏重社会、机理尚不清楚的生 物型的软系统,较难用数学模型描述,往往只 能用半定量、半定性的方法来处理。(专家调查 法Delphi、情景分析法scenario、冲突分析法 conflict analysis) 第40页 第二节 西方系统工程方法论的 发展 系统工程的软科学性是从系统工程的应用成果方 面分析的,由于系统工程处理的对象主要是信息 ,目的主要是对问题的分析,以便获得解决问题 的最优方案,供决策者决策使用。系统工程的软 科学性也可由其定义看出,它是一种方法论的科 学,寻求的是系统目标综合最优的实施方案,然 而这一方案需要有决策者的支持,否则将失去意 义,这也是系统工程与传统方法的最根本区别。 第41页 第二节 西方系统工程方法论的 发展 • 软科学性所表现出的特点: • 所要研究的问题没有限制,但以人和社 会问题为主,且将问题作为系统对待的 意识较强; • 所要处理的问题多数是带有政策性的, 同时多半带有探讨未来的性质,所以十 分关心未来的不定因素; 第42页 软科学性所表现出的特点 • 所要处理的问题包括了大量事实上不明确的东 西;因此在分析中,不仅要重视客观上可定量 化的问题,同时还要了解直观性和含糊不清之 处; • 从发现问题到最后实施解决方案的这一期间, 多数情况下要充分利用模型。但是,所关心的 不是“是否精确”,而是该模型是否与目标相符 ,是否有用; • 第43页 软科学性所表现出的特点 • 软科学所处理的问题跨学科的性质 很强。为了能解决问题,应积极利 用现有社会科学与自然科学的成果 ,而且要求有关专家在广泛的领域 内进行合作。 第44页 第三节系统分析原理及应用 • 一、系统分析的概念及其要素 • 1.系统分析的定义 • 系统工程方法论的基础是系统分析技术,系统 分析是完成系统工程问题的中心环节。 • 广义的概念认为系统分析就是系统工程,系统 分析是系统工程的同义词。 • 狭义的概念认为系统分析是系统工程的一项优 化技术,是系统工程在非结构化问题决策中的 具体应用。 第45页 一.系统分析的概念及其要素 • 系统分析的目的是在于分析系统内部与 系统环境之间、系统内部各要素之间的 相互依赖、相互制约、相互促进的复杂 关系,分析系统要素的层次结构关系及 其对系统功能和目标的影响,通过建立 系统的分析模型使系统各要素及其与环 境之间的协调达到最佳状态,最终为系 统决策提供依据。 第46页 一.系统分析的概念及其要素 • 2、系统分析的要素 • 系统分析有六个基本要素: • (1)问题。一方面,问题代表研究的对 象,另一方面,问题表示现实状况(现 实系统)与希望状况(目标系统)的偏 差。 • (2)目的及目标。目的是对系统的总要 求,目标是系统目的的具体化。 • (3)方案。方案即达到目的及目标的途 径。 第47页 一.系统分析的概念及其要素 • (4)模型。模型是由说明系统本质的主 要因素及其相互关系构成的。 • (5)评价。评价即评定不同方案对系统 目的达到程度。 • (6)决策者。决策者作为系统问题中的 利益主体和行为主体,在系统分析中是 一个不容忽视的重要因素。 第48页 二、 系统分析流程 阐明 问题 谋划 备选 方案 建模 和预 计后 果 评比 备选 方案 预测 未来 环境 第49页 (1)阐明问题 • 问题的性质和范围: 问题剖析报告:问题的结构、过程和势 态 问题的目标: 目标的层次性; 目标的冲突性 第50页 (1)阐明问题 • 环境和条件 • 评价指标 合理性 层次性 • 收集和分析资料 第51页 (1)阐明问题 • 阶段结果报告:问题的由来与背景;重 要性;可能采取行动的组织和个人;利 益相关的组织和个人;目标、评价指标 、约束条件、备选方案的初步描述、建 议等。 • 阐明问题阶段约占系统分析全过程的时 间的20%-25%。 第52页 (2)谋划备选方案 • 方案的提出 –“集体创造”法 或“头脑风暴法” –“缺点、希望点”列举法 –特性穷举法 • 方案的筛选 –强状性(稳定性) –适应性 –可靠性 –现实性 (可操作性) 第53页 (3)预测未来环境 • 情景分析法 :情景分析法对于每种备选 方案都确定几组未来实施环境的特征和 条件,如按“乐观”、“正常”和“悲 观”的环境;也可按出现可能性大、正 常和特殊的环境等进行预测。 第54页 (4)建模和预计后果 • 每种方案实施后都相应有一系列后果, 因此本阶段的首要工作便是确定应该预 计哪些后果?其中哪些最重要?选定后 果项目后,便可着手建立一个或多个模 型预计行动和后果指标之间的关系。 • 系统分析的主要模型有图形模型、分析 模型、仿真模型、博弈模型和判断模型 。 第55页 (5)评比备选方案 • 各种备选方案在不同情景下的后果估计 出来之后,便可着手方案评比,方案评 比便是依据所建立的评价指标对各方案 可能取得的效果进行评价,并按其评价 结果进行排序。 • 系统评价的主要方法有关联矩阵法、费 用效益分析法、层次分析法及模糊评价 法等许多种评价方法,这在后面的系统 评价中将作专门介绍。 第56页 (6)系统工程分析报告 • 简略报告 • 主题报告 • 技术报告 第57页 三. 系统分析方法及其适用范围 • 系统分析方法的本质 (1)系统分析方法是用科学方法解决复 杂问题的一种技术. (2)它的注意力集中在分析和设计与其成 分或部分迥然不同的整体. 它坚持全面 地看问题, 考虑问题的所有侧面和一切 可变因素, 并把问题的社会方面和技术 方面联系起来. 第58页 三. 系统分析方法及其适用范围 (3)系统分析方法,即系统思想,必须使整 个系统达到最优化, 而不是使系统的各 部分分别优化(次优化). 第59页 三. 系统分析方法及其适用范围 系统分析方法的价值在于: (1)能把常识性思想汇集起来,协调一致 ,集中解决复杂环境下的复杂问题. (2)系统方法本身并不为你解决具体问 题,只有综合运用各相关学科的知识才能 解决问题. 第60页 三. 系统分析方法及其适用范围 • 系统分析方法适用于: (1)目标明确, 所要求的科学技术足够成 熟的问题 。 第61页 三. 系统分析方法及其适用范围 • 成功运用系统分析方法的其它条件: • (1) 适当的研究范围 过大、过小都 不行; • (2)技术问题和非技术问题的密切配合 ; • 社会伦理道德方面的考虑; 向有关领导推 销计划的重要性 。 • (3)合适的技术队伍 第62页 三. 系统分析方法及其适用范围 • 系统分析与系统工程未能在社会系统中 取得重大成功的原因 : • (1)很难把社会系统的目标阐述清楚 ; • (2)软科学不够成熟 。
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