经济管理学院 1 第二章系统工程方法论 系统工程 课程建设团队 2 主要内容 还原论与整体论霍尔 三维结构 模型霍尔系统工程方法的时间维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 系统工程方法与方法论 人们将研究 分析和处理问题的思想 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 4 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 系统工程方法论特点 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 5 系统思想是关于事物的整体性观念 相互联系的观念 演化发展的观念 即全面而不是片面的 联系的而不是孤立的 发展的而不是静止的看问题 1 古代的系统思想 不见树木 只见森林 2 近代的分析方法 只见树木 不见森林 3 现代的系统思想 既见树木 又见森林 第一节还原论与整体论 6 还原论是将物质的高级运动形式 如生命运动 归结为低级运动形式 如机械运动 用低级运动形式的规律代替高级运动形式的规律的形而上学方法 还原论认为 各种现象都可被还原成一组基本的要素 各基本要素彼此独立 不因外在因素而改变其本质 通过对这些基本要素的研究 可推知整体现象的性质 比如 物质是由分子组成的 分子是由原子组成的 原子又是由电子和原子核组成的 等等 研究微观粒子就可以推知整体的规律 还原论是把事物分割开来 进行实验 然后再综合起来 还原论是西方科学的灵魂 第一节还原论与整体论 7 还原论与分析的方法相辅相成 分析的方法是科研的重要方法 最能体现还原论思想的分析方法是西方的公理化方法 西方科学的源头是古希腊文明 古希腊的还原论思想和公理化方法经过弗兰西斯 培根 笛卡尔和伽利略的继承和发扬 奠定了近代科学的基础 基于还原论的西方科学体系经过几百年的发展已经非常庞大和完整 在它的基础上诞生的工程技术 创造了空前繁荣的人类文明 第一节还原论与整体论 8 尽管过去几百年以还原论为基础的西方科学取得了巨大成功 但是 世纪基础科学的三大成就相对论 量子论和复杂科学的核心思想和结论分别从宇观 微观和宏观尺度下证实了还原论的局限性 相对论认为宇宙是一个无法彻底还原的整体 还原论的宇宙观认为 时间和空间是分离的 宇宙内发生的事件与时空是分离的 宇宙仅仅是事件发生的舞台 但科技的发展证明 宇宙远不是还原论描述的那么简单 时间 空间 物质和能量乃至整个宇宙本身就是一个整体 必须作为一个整体来研究 第一节还原论与整体论 9 量子论从根本上动摇了还原论 描述微观世界最为成功的理论是量子论 量子论认为 我们的世界是一个非机械的 相互联系的 不可分割 还原 的世界 物质世界的根本元素就不是被分割的机械的原子 质子 中子 而是一个有机联系的整体 量子论问世导致了测不准原理的提出 测不准原理认为无法还原位置和速度两个基本量 这表明 在对待位置和速度这两个基本量上 还原论是失效的 微观层次上的还原论失效 导致了机械的决定论的失效 第一节还原论与整体论 10 复杂科学彻底动摇了还原论 混沌理论推动了复杂科学的诞生 排除了拉普拉斯决定论的可预见性的思想 因此 复杂科学的问世彻底动摇了还原论 能用还原论近似描述的仅仅是我们世界的很小的一部分 第一节还原论与整体论 11 整体论把世界宇宙看作是一个统一的整体 各种事物之间相互联系 不可机械地分割 整体论思想是 整体的性质和功能不等同于其各部分 要素 的性质和功能的迭加 整体的运动特征只有在比其部分 要素 所处层次更高的整体层次上才能进行描述 整体与部分 要素 遵从不同描述层次上的规律 简言之整体性也就是非还原性或非加和性 第一节还原论与整体论 12 钱学森提出将还原论方法和整体论方法结合起来 他提出 从定性到定量综合集成方法 综合集成方法论的实质是把专家体系 数据和信息体系以及计算机体系有机结合起来 构成一个高度智能化的人 机结合 人 网结合的体系 运用这个方法也需要系统分解 在系统分解后研究的基础上 再综合集成到整体 实现 1 1 2 的飞跃 达到从整体上研究和解决问题的目的 综合集成方法既吸收了还原论方法和整体方法的长处 同时也弥补了各自的局限性 既超越了还原论方法 也发展了整体论方法 第一节还原论与整体论 13 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 14 1 霍尔的三维结构 1969年提出 20世纪60 70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六个阶段和七个步骤 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 第二节霍尔 三维结构 模型 15 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 系统综合 系统分析 方案优化 作出决策 付诸实施 ABCDEFG 654321 规划阶段 方案阶段 研制阶段 生产阶段 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 第二节霍尔 三维结构 模型 16 第三节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 17 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 第三节霍尔系统工程方法的时间维 18 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产生系统方案 或者对模型进行修正 第三节霍尔系统工程方法的时间维 19 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 第三节霍尔系统工程方法的时间维 20 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 系统分析 系统优化 系统决策 系统实施 第三节霍尔系统工程方法的时间维 21 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 22 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施过程中的困难 基于 三维结构 模型的 系统工程过程系统 23 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 24 寿命周期费用 寿命周期费用 LCC LifeCycleCost 是指装备在其寿命周期内 为论证 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 25 第四节并行工程方法学 并行工程 ConcurrentEngineering 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 进度和用户需求 26 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 并行工程同时工程 第四节并行工程方法学 27 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 可生产性和RMS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 28 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程的一体化并行设计 根本在于研究开发 产品设计 过设计 制造装配和市场的全面集成 4 协同性 指多学科并行工程小组协同工作 即产品全生命周期中各阶段不同领域技术人员 包括顾客和供应商 的全面参与和协同工作 5 科学性 并行工程采用了迄今最为先进的开发工具 方法和技术 如全面质量管理 系统工程方法 质量工程方法 计算机辅助系统等 第四节并行工程方法学 29 并行组织管理模式 1 向扁平化组织结构演化 并行工程过程要求的信息集成化 将使系统内各组织单位之间的相互关系更加紧密 以至会打乱和冲破传统部门之间的界限划分 因此 与并行工程过程相应的组织结构应该是一种协作组织结构 因此 并行工程对组织结构的影响表现为向扁平化组织结构演化的趋势 2 并行工程的小组化组织结构 多功能小组是并行工程实施过程中普遍采用的组织结构形式 小组成员来自产品寿命周期相关的主要技术领域 他们共同负责产品从需求分析直到交付使用过程中的所有工作 是一种群体工作模式 第四节并行工程方法学 30 系统工程常常把所研究的系统分为良结构系统与不良结构系统 由于它们具有不同的特点 故分别采取不同的解决方法 如下表 第五节切克兰德的 调查学习 法 31 系统可以分为硬系统和软系统 硬系统偏重工程系统 机理明显的物理系统 硬系统便于观察 便于