系统工程方法论(2.2)-zha.ppt

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1、进入,系统工程（Systems Engineering SE）,第二章 系统工程方法论,方法论是指处理问题的指导方针、行为准则、基本策略，它可以指出完成一项任务的一般途径或路径。系统工程方法论就是分析和解决系统开发、运作及管理实践中的问题所应遵循的工作程序、逻辑步骤和基本方法。它是系统工程思考问题和处理问题的一般方法与总体框架。,引例：泡茶问题,华罗庚先生的泡茶,“想泡壶茶喝。当时的情况是：凉水要烧开，开水壶要洗，茶壶、茶杯要洗，火已升了，茶叶也有了，怎么办?”,一.问题描述,1.目标：喝到一碗清新的热茶。2.条件：已有一个茶壶、一包好茶叶、一个燃着 的火炉和可用的凉水。3.要求：以最节约资源

2、的方式实现目标。4.系统工程研究任务:为解决喝茶问题设计一个行动 计划系统(设计一个解决泡茶问题的行动计划)。,引例：泡茶问题,二.问题分析,目标要求 以最节约资源的方式泡一壶好茶。在泡茶问题上，所需的资源包括：凉水、茶壶、茶叶、茶碗、火炉。这些资源目前都已齐备。由于茶壶的大小是确定的，因而所用水是确定的；由于炉火的热效率是确定的，茶壶消耗的能源也是确定的；同时，假定茶叶使用量也是有定额的。所以，在泡茶问题上，唯一涉及的资源节约问题是关于时间的节约。,引例：泡茶问题,2.系统工程研究任务界定设计一个解决泡茶问题的行动计划，要求合理安排各道工序，最大限度节约时间。,引例：泡茶问题,3.列出所有备

3、选方案根据日常经验，对以上泡茶问题可以有以下三种解法：甲：洗净水壶；灌上凉水；壶放在火上；等水开；水开后，以最快的速度洗茶杯，找茶叶；泡茶，待茶泡好；喝茶。乙：洗净水壶；洗茶杯；找好茶叶；灌凉水；壶放火上；等水开；水开后，用准备好的茶杯、茶叶泡茶；等待茶泡好；喝茶。丙：洗净水壶；灌凉水；壶放火上；洗茶杯；拿茶叶；水开之前，可干一些其它事；水开，泡茶；喝茶。,引例：泡茶问题,4.方案分析与比较（1）列出泡茶所需的全部工序（2）确定每道工序所需的时间（3）确定各道工序之间的顺序关系（4）分析计算每种方案所需的总时间（5）做出比较结论,引例：泡茶问题,工序列表,图1 泡茶系统工程备选方案工序图,4.

4、方案分析与比较甲方案总时间=1+0.5+0.3+15+2+2.2=21乙方案总时间=1+1+1+0.5+0.3+15+2.2=21丙方案总时间=1+0.5+(0.3+15)+2.2=19分析结果：丙方案最节约时间。方案建议：丙,引例：泡茶问题,泡茶工程经验总结,几大步骤：确定问题目标分析约束条件分析可能方案整理方案分析及比较决策建议方案实施系统原理：最优化、统筹、模型（或工序图）法,引例：泡茶问题,第二章 系统工程方法论,第一节 系统工程的基本工作过程,第三节 创新思维和方案创造技术,第二节 系统分析原理,第四节 系统工程方法论的新发展,第一节 系统工程的基本工作过程,一、霍尔三维结构二、切克

5、兰德方法论三、两种方法论的比较,本章目录,一、霍尔三维结构,霍尔三维结构是由美国A.D.霍尔（）等人在大量工程实践的基础上，于1969年提出的。霍尔三维结构集中体现了系统工程方法的系统化、综合化、最优化、程序化和标准化等特点，是系统工程方法论的重要基础内容。“硬”系统方法论,霍耳三维结构,规划阶段设计阶段研制阶段生产阶段安装阶段运行阶段更新阶段,一、霍尔三维结构,一、霍尔三维结构,规划阶段,设计阶段,分析阶段,运筹阶段,实施阶段,运行阶段,更新阶段,摆明问题,系统设计,系统综合,模型化,最优化,决策,实施计划,时间（阶段）维,逻辑维,知识维,运筹学,控制论,社会科学,工程技术,本章目录,本节目

6、录,强调明确目标核心内容是最优化工程系统问题定量分析,整体性技术应用综合性组织管理科学性问题导向性,研究方法的整体性体现（）；技术应用的综合性（）；组织管理的科学性（）；系统工程工作的问题导向性（）；,二、切克兰德方法论,也称为软系统方法论，适用于解决“软”的问题-软系统。所谓软系统（或称无结构系统）是指机理不清，很难用明确的数学模型描述的系统，如管理系统、社会系统和经济系统。切克兰德方法论也是系统工程的基本工作过程，为解决社会、经济、管理问题提供了新的系统工作模式。,本章目录,本节目录,二、切克兰德方法论,软系统提出的背景切克兰德把系统工程要研究的问题分为：有结构问题（硬问题）：寻找一种的有

7、效手段来达到确定目标，问题可以清晰地描述无结构问题（软问题）：这类问题表现为一种不满或不安，但很难被描述为“寻找一种的有效手段来达到确定目标”相应地，有两类不系统硬系统（良结构系统）：机理清楚，能用数学模型魔术要素及要素间关系，如工程系统、物理系统软系统（不良结构系统）：如社会系统、管理系统、经济系统,本章目录,本节目录,二、切克兰德方法论,无结构问题几个例子：对学校今后的发展该做些什么?我们公司效益连年下降，已亏损了，希望获得利润。对下一代人，我们该做些什么?“我该怎样做，才能获得创新项目的资助?“本科毕业论文该做什么?”人类活动系统中，到处可见这类无结构问题，而对无结构问题处理上产生的差异

8、往往决定了软系统的前途与命运。,本章目录,本节目录,二、切克兰德方法论,无结构问题与有结构问题的问题解决的衡量标准不同有结构问题以目标为导向的，问题是否解决要看事先预定的目标是否实现，检验标准是“硬”的无结构问题却难以确定一个很明确的目标，往往是能够改善系统的状态就行了。某项行动可以解决软系统的一些问题，必将引发新的状态，同时很可能产生新问题。,本章目录,本节目录,二、切克兰德方法论,本章目录,本节目录,三、两种方法论的比较,（1）霍尔三维结构主要以工程系统为研究对象，而切克兰德方法更适合于对社会经济和经营管理等“软”系统问题的研究。（2）前者的核心内容是优化分析，而后者的核心内容是比较学习。

9、（3）前者更多关注定量分析方法，而后者比较强调定性或定性与定量有机结合的基本方法,本章目录,本节目录,第二节 系统分析原理,一、系统分析的概念及其要素二、系统分析的程序三、应用系统分析的原则四、系统分析案例,本章目录,一、系统分析的概念及其要素,第二次世界大战 美国 兰德公司 研究大型工程项目等大规模系统问题；1972年，欧美等12国 联合组成国际应用系统分析研究所（IIASA）社会、经济、生态等领域。系统分析的定义及内容系统分析是运用建模及预测、优化、仿真、评价等技术对系统的各有关方面进行定性和定量相结合的分析，为选择最优或满意的系统方案提供决策依据的分析研究过程。,本章目录,本节目录,一、

10、系统分析的概念及其要素,系统分析的要素问题（对象系统、现实与目标之间的差距）目的及目标（目的唯一、目标可多个）方案（达到目的及目标的途径）模型（结构、数学、仿真）评价（费用和效益、评价标准）决策者（受益者和拥有者）,本章目录,本节目录,系统分析要素结构图,二、系统分析的程序,系统分析的基本过程,本章目录,本节目录,有些过程可以跳过 认识问题、综合方案、系统评价是必须的环节,第三节 创新思维和方案创造技术,一、创新方案的价值二、创新方案的产生技术三、系统创新思维辅助工具Mindmanager,本章目录,一、创新方案的价值,引例美国阿拉斯加原油运输问题（P20）1867年 720万美元 1959年

11、 49 纵贯阿拉斯加原油管道，世界上第一条伸入北极圈的原油输送管道。起自美国阿拉斯加北坡的普拉德霍湾，纵贯整个阿拉斯加地区，终点在阿拉斯加湾不冻港瓦尔迪兹。全长1 288km，管径1220mm。1968年美国阿拉斯加北坡普拉德霍湾发现了油田，第二年开始筹划建设输 油管道。由于自然保护主义者的阻挠，致使管道于1974 年才开始动工，1977年建成，耗资77亿美元。,本章目录,本节目录,本章目录,本节目录,问题：美国阿拉斯加产油，但北坡的普拉德霍湾油田位于北极圈内最低气温达-50摄氏度，海湾常年冰封，陆地常年冰冻如何将油田开采的原油向美国本土运输？（研究的问题，对象系统）,方案1：海路运油船运输,

12、破冰：费用、安全起终点油库：建设、十日储备,方案2：管道运输,优点：成熟管道输油技术加热设施：管理、燃料供给地上管道建设：费用,原油低温流动性问题,方案3：原油混合浓缩海水管道运输,方案4：天然气转换为甲醇加到原油中再管道运输,创新,创新案例：,创新案例：,创新案例：,创新案例：,创新案例：,创新案例：,创新案例：,二、创新方案的产生技术,（1）提问法（检核表法）5W1H法产品设计用检核表法（2）头脑风暴法（3）德尔菲法（4）群体决策支持系统（5）情景分析法,本章目录,本节目录,（1）提问法（检核表法）,所谓的检核表法：是根据需要研究的对象之特点列出有关问题,形成检核表，然后一个一个的来核对讨

13、论。从而发掘出解决问题的大量设想。它引导人们根据检核项目的一条条思路来求解问题,以利求比较周密的思考。5W1H法产品设计用检核表法（针对特定要求制定的检核表法 奥斯本检核表）,（1）提问法（检核表法）,奥斯本检核表奥斯本的检核表法是针对某种特定要求制定的检核表，主要用于新产品的研制开发。引导主体在创造过程中对照9个方面的问题进行思考，以便启迪思路，开拓思维想像的空间，促进人们产生新设想、新方案的方法。9个大问题：有无其他用途、能否借用、能否改变、能否扩大、能否缩小、能否代用、能否重新调整、能否颠倒、能否组合。奥斯本检核表法的核心是改进。其基本做法是：1、首先选定一个要改进的产品或方案；2、面对

14、一个需要改进的产品或方案，或者面对一个问题，从下列角度提出一系列的问题，并由此产生大量的思路；3、根据第二步提出的思路，进行筛选和进一步思考、完善。,（1）提问法（检核表法）,奥斯本检核表,（1）提问法（检核表法）,奥斯本检核表,（2）头脑风暴法,“头脑风暴法”是由现代创造学的创始人、美国学者阿历克斯奥斯本于1938年首次提出的，最初用于广告设计，是一种集体开发创造性思维的方法。,（2）头脑风暴法,头脑风暴法流程,510人 有主持人 有记录员,较集中的封闭空间（15平方米）装饰简单 足够的白板，可以记录 有水喝,（2）头脑风暴法,头脑风暴法流程从明确问题到会后评价，头脑风暴法有三个阶段,介绍问

15、题如组员感到困惑，可做一简单练习,指定一人在看板记录所有见解鼓励组员自由提出见解,会后以鉴别眼光讨论所有列出的见解也可以让另一组人来评价,明确阐述问题,主持人在看板上记录,小组成员提出见解,会后评价,（2）头脑风暴法,头脑风暴法实施步骤,明确阐述问题,小组成员提出见解,会后评价,无组织的头脑风暴法每人随意发表意见在活页纸或黑板上记下每一条建议；所有的建议应随时可见如果人们运用头脑风暴法时，讨论或评价某一条意见，主持人应提醒他们遵守规则当小组无意见发表时，主持人应设法激发更多的观点，如：“如果钱不成问题呢？”或“我们怎样综合这些意见呢？”当无新的意见产生时，如果必要，应要求组员解释、确认先前发表

16、的意见,有组织的头脑风暴法每人用头脑风暴法独自写下尽可能多的建议每人轮流发表一条意见在活页纸或黑板上记下每一条意见；所有的意见应随时可见若讨论或评价某一条意见时，主持人应提醒他们注意规则在继续轮流发言时，若无意见，则说“通过”。轮流发言至人人皆无意见为止必要时，主持人应设法激发更多的观点若无新的意见产生，如果必要，可要求组员解释、确认先前发表的意见,1.头脑风暴法的步骤与规则2.在活页纸或黑板上记下欲讨论的问题或议项，这样每人都能准确理解会议的中心议题3.发表意见,步骤完成后，结束头脑风暴法，用其他分析工具正式评价这些观点的质量和有效性,（2）头脑风暴法,不许评价！要到评估阶段才能进行评价,讨

17、论 评价 支持 宣扬 提问皱眉 咳嗽 冷漠 叹气,规则一,（2）头脑风暴法,妄加评论的负面影响,如果进行评论，许多人就会变得更加拘谨。他们未发表的意见或许非常好，或许可以激发别人的好意见人们花费在评论上的精力未能用在产生好意见的现实任务上,（2）头脑风暴法,异想天开！说出能想到的任何主意,规则二,（2）头脑风暴法,规则三,越多越好！重数量而非质量,（2）头脑风暴法,见解无专利！鼓励综合数种见解或在他人见解上进行发挥,规则四,（2）头脑风暴法,限时限人 会议通常限定时间为3060分钟，人数为10人左右。,规则五,（2）头脑风暴法,头脑风暴之后：合并问题的同类项对问题进行排序组合问题评论问题，认证

18、问题的可行性,（2）头脑风暴法,头脑风暴法的优点（）它能够发挥一组专家的共同智慧，产生专家智能互补效应；（）它使专家交流信息、相互启发，产生“思维共振”作用，爆发出更多的创造性思维的火花；（3）专家团体所拥有及提供的知识和信息量比单个专家所有的知识和信息量要大得多；（）专家会议所考虑的问题的方面以及所提供的备选方案，比单个成员单独思考及提供的备选方案更多、更全面和更合理。头脑风暴法的主要缺点与会专家人数有限，代表性是否充分成问题；与会者易受权威及潮流的影响；出于自尊心等因素，有的专家易于固执己见等。,BS法案例,有一年，美国北方格外严寒，大雪纷飞，电线上积满冰雪，大跨度的电线常被积雪压断，严重

19、影响通信。过去，许多人试图解决这一问题，但都未能如愿以偿。后来，电信公司经理应用奥斯本发明的头脑风暴法，尝试解决这一难题。他召开了一种能让头脑卷起风暴的座谈会 有人建议 用振荡技术来清除积雪；还有人提出能否带上几把大扫帚，乘直升机去扫电线上的积雪 有一位工程师听到用飞机扫雪的想法后，大脑突然受到冲击，一种简单可行且高效率的清雪方法冒了出来。他马上提出“用直升机扇雪”的新设想，顿时又引起其他与会者的联想，有关用飞机除雪的主意一下子又多了七八条。不到一小时，与会的10名技术人员共提出90多条新设想。,BS法案例,会后，公司组织专家对设想进行分类论证。专家们认为设计专用清雪机，采用电热或电磁振荡等方

20、法清除电线上的积雪，在技术上虽然可行，但研制费用大，周期长，一时难以见效。那种因“坐飞机扫雪”激发出来的几种设想，倒是一种大胆的新方案，如果可行，将是一种既简单又高效的好办法。经过现场试验，发现用直升机扇雪真能奏效，一个久悬未决的难题，终于在头脑风暴会中得到了巧妙的解决。,（3）德尔菲法（Delphi technique）,德尔菲方法是一种直觉预测技术，它是1948年由兰德公司的研究人员首先发明的。以古希腊神话中的神谕之地、可预卜未来的阿波罗神庙址“德尔菲”（Delphi）命名。最初是为军事策略问题的预测而设计的，后逐步为政府部门和工商业所采用，并扩展到教育、科技、运输、开发研究、太空探测、住

21、宅、预算和生活品质等领域。传统的德尔菲方法采用函询调查的形式，向与预测问题有关领域的专家分别提出问题，使专家在彼此不见面的情况下发表意见、交流信息，而后将他们的答复意见加以整理、综合。经过多次反复循环，经过技术处理，最后汇总得出一个比较一致的、可靠的预测结果。这种方法有效地避免了专家会议及头脑风暴法中出现的沟通不良，专家易于屈从权威和随大流、人格冲突以及产生敌对情绪等弊端，有助于专家更充分地发表已见以及彼此交流和信息反馈。,（3）德尔菲法（Delphi technique）,德尔菲方法的工作过程,确定目标拟定提纲,选择专家：理论+实践,发出调查表（反馈信息）专家匿名表态,汇总意见,反馈意见,（

22、3）德尔菲法（Delphi technique）,德尔菲方法的基本原则第一，匿名原则所有参与的专家，以个人身份发表意见，遵守匿名原则，不把身份公开；第二，循环往复原则由主持人收集参与者的意见并加以公开宣布，如此循环往复数次（一般为四个回合），允许参与者在参考别人判断的资料之后修正自己的看法；第三，控制反馈原则让参与者回答事先设计出的问卷，并使其对收集归纳出的判断论证作总体的衡量；第四，团体回答统计原则对所有参与者的意见做综合判断时，通常必须考虑中数、趋势及次数分配等情况；第五，专家共识原则德尔菲法的主要目的是使专家达成共识，得出最后预测结果。,（3）德尔菲法（Delphi technique）

23、,德尔菲法的优点表现在：1）既能充分发挥每个专家的经验和判断能力，又能将个人的意见有效地综合为集体意见；2）简单易行，且可靠性好。德尔菲法的缺点表现在：1）预测需要的时间较长；2）主要凭专家的主观判断，缺乏客观标准。该方法适用于没有足够信息资料的中、长期经济预测与科技预测，还可用于决策和技术咨询等方面。,（4）群体决策支持系统,（5）情景分析法,背景定义：又称构思分析法、前景分析法，该方法是根据事物发展趋势的多样性，通过对预测对象系统内外相关问题的系统分析，设计出多种可能的未来前景，然后，用象撰写电影剧本一样的手法，对事物发展态势做出自始至终的情景和画面的描述。情景分析法具有以下特点：1）预测

24、结果是多维的。2）是一种系统预测方法。3）是一种认同并发挥人的主观能动作用的预测方法。4）是一种定性分析与定量分析相互嵌入，以定性分析为主的综合性预测方法。,（5）情景分析法,基本步骤：（1）建立信息库（2）确定主题目标（3）分析并构造影响区域（4）确定描述影响区域的关键变量（5）探寻各种可能的未来发展趋势（6）选择并解释环境情景（7）引入“突变时间”，检验其对未来情景的影响。（8）详细阐明主题情景。,三、系统创新思维辅助工具Mindmanager,（1）思维导图放射性思维（2）Mindmanager功能介绍,本章目录,本节目录,第四节 系统工程方法论的新发展,霍尔切克兰德WSR钱学森日本 西

25、那雅卡那系统方法论中国 旋进原则方法论,本章目录,物理事理人理（WSR）系统方法论,自然科学是关于”物理”的科学；运筹学是关于事理的科学（许国志），实际还包 括管理科学、系统科学，”事理”就是做事的道理；处理好人的关系是人理学，就是人文科学、行为 科学，”人理”就是做人的道理。三者结合起来“WSR系统方法论”。WSR系统方法论是具有东方文化传统的系统方法论，得到国际同行的认同。,航天与建筑工程学院,WSR 系统方法论的内容,物理,事理,人理,要素,道理 对象 着重点 原则 需要的知识,物质世界、法则、规则的理论 客观物质世界,管理和做事的理论,人、纪律、规范的 理论 人、群体、人际关 系、智慧

26、 应当怎样做？人文 分析 人性，有效果，尽 可能灵活 人文知识，行为科学,组织、系统 怎样做？逻辑分析 协调，有效，尽可 能平滑管理科学，系统科学,是什么？功能分析,诚实，真理，尽可 能正确 自然科学,WSR 系统方法论的基本内容和主要步骤：1、理解领导意图；2、调查分析；3、形成目标；4、建立模型；5、协调关系；6、提出建议。,航天与建筑工程学院,WSR 系统方法论中常用的方法,将各种术语变为用户能懂和喜欢语言,让各方面易于接受、易于执行,物理,事理,人理,方法,要素,理解意图,了解领导最初想法，收集有关领导讲话,了解领导对目标的偏好，喜欢什么模型和评价标准,了解哪些领导会参加决策，谁来,头

27、脑风暴法，讨论分析会，认知图等,使用这个结果,Delphi法，各种调查表，交叉影响分析，Kj法等,调查分析,通过现场调查和文件检索，分析现有资源和约 束条件,了解问题背景和有关经验、知识,弄清各种关系和必要的知识,形成目标,列出所有可行的目标和约束,在目标中弄清它们的优先次序和权重,弄清各种目标涉及到的人物,头脑风暴法，目标树法等,建立模型,将各种目标和约束数据化和规范化,选择适当的模型程序和知识,尽量把领导的意图放入模型中,各种建模方法和工具,协调关系,协调所有模型、软硬件、数据的关系，即技术协调,协调模型和知识的合理性，即知识协调,协调各方面的利益、观点、关系，即利益协调,冲突分析、和谐理

28、论、亚对策等,提出建议,对各种物理设备和程序进行安装、调式、验证,各种统计图表等,WSR 系统方法论中常用的方法,综合集成工程,综合集成（Meta-Synthesis）工程是从整体上考虑并解决复杂问题的方法论。钱学森等在研究开放的复杂巨系统问题时，提出了“从定性到定量综合集成方法”，是系统工程思想的新发展。实质：将专家群体、数据和各种信息与计算机仿真有机结合，把各种学科的理论和人的经验与知识结合起来，发挥整体优势。,80年代初，钱学森提出处理复杂行为系统的定量方法学。80年代末，钱学森提出处理开放的复杂巨系统的方法论是“从定性到定量综合集成方法”。1992年，钱学森提出从定性到定量综合集成研讨

29、厅体系。,1、基本概念,1）.综合集成方法论的产生,综合集成工程,2）、方法,统计数据 信息资料,系统 运行,决策 部门,提出问题 形成判断,建模仿真 分析优化,结果分析 综合集成,结论 建议,专家群体,系统 评价,从定性到定量的综合集成方法图,3）、流程,综合集成即创造；综合集成是实现大科学、大工程的基本途径；关键是解决整体与局部的关系问题，实现 1+12。,4）、意义,2.综合集成研讨厅体系的框架与特点,由三部分组成：机器体系、专家体系和知识体系。,综合集成工程,这套方法论是从整体上研究和解决复杂巨系统问题的方法，采取人机结合以人为主的思维方法和研究方式，对不同层次、不同领域的信息和知识进

30、行综合集成，达到对整体的定性定量认识。按照我国传统说法，把一个复杂事物的各个方面综合起来，达到对整体的认识，称之为“集大成”的智慧，所以钱学森把这个方法称为“大成智慧工程”。,在综合集成研讨厅体系这个概念中，综合集成是方法特征，研讨厅体系是组织形式。综合集成方法指出了解决复杂开放巨系统和复杂性问题的过程性以及过程的方向性和反复性。,综合集成研讨厅体系本身是个开放的、动态的体系，也是个不断发展和进化的体系。,综合集成工程,3.总体设计部思想,应用综合集成方法(包括综合集成研讨厅体系)必须有总体设计部这样的实体机构。“我们把处理开放的复杂巨系统的方法定名为从定性到定量综合集成方法，把应用这个方法的集体称为总体设计部。”综合集成研讨厅是研究开放的复杂巨系统的方法论，那么总体设计部是实现这个方法论所必须的体制和机制。,思 考 题,简述霍尔三维结构和切克兰德“调查学习”模式 的含义。霍尔和切克兰德的系统工程方法论有什么不同?综合集成工程的思想是什么？,