第二章 系统工程方法论第一节 系统工程基本工作过程还原论与整体论霍尔三维结构图切克兰德方法论物理事理人理（WSR）系统方法论第二节 系统分析原理系统分析的概念及要素 系统分析的特点及原则系统分析的程序系统分析的方法第三节 系统分析应用举例 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第一节 系统工程基本工作过程一、还原论与整体论 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”一、还原论与整体论 还原论(Reductionism)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。 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。 一、还原论与整体论 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，20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。一、还原论与整体论 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。 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。 一、还原论与整体论一、还原论与整体论 整体论(Holism)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。 整体论肯定生物有机体是多层次的结构系统，坚持整体的规律不能归结为其组成部分的规律，强调由部分组成的整体有新性质出现，这正确地反映了事物的辩证法。 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+12”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。 一、还原论与整体论 最具代表性的系统工程方法论有: 霍尔“三维结构” 切克兰德的“学习调查”法 物理事理人理（WSR）二、霍尔三维结构图(1969)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2-1示： 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。运筹学控制论环境科学社会科学工程技术计算机科学管理科学知识维（科学技术）选择目标选择目标系统综合系统综合系统分析系统分析方案优化方案优化作出决策作出决策付诸实施付诸实施A B C D E F G6 5 4 3 2 1规划阶段规划阶段方案阶段方案阶段研制阶段研制阶段生产阶段生产阶段运行阶段运行阶段更新阶段更新阶段知识维：指在完成上述各知识维：指在完成上述各阶段和各步骤所需要的各阶段和各步骤所需要的各种专业知识和管理知识。种专业知识和管理知识。逻辑维：每个阶段需进行的工逻辑维：每个阶段需进行的工作步骤，是运用系统工程方法作步骤，是运用系统工程方法进行思考、分析和解决问题应进行思考、分析和解决问题应遵循的一般程序。遵循的一般程序。图2-1 霍尔“三维结构”模型时间维：从规划到更新，按时时间维：从规划到更新，按时间顺序排列的间顺序排列的SE全过程。全过程。逻辑维（方法步骤）时间维（时间进程）明确问题明确问题时间维：时间维：以三峡工程作为案例：以三峡工程作为案例：第一阶段：第一阶段：1919年孙中山年孙中山建国方略建国方略：利用三峡的水利资源发电：利用三峡的水利资源发电1946年年萨凡奇计划萨凡奇计划50年代初期林一山为首的长江流域规划办公室年代初期林一山为首的长江流域规划办公室第二阶段：第二阶段：解决四个方面问题：解决四个方面问题：目标进行分解和量化；目标进行分解和量化；协调目标，提出实现目标的具体的方案；协调目标，提出实现目标的具体的方案；为实现方案在技术上、经济和社会方面、环境方面的保障；为实现方案在技术上、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。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。总总目标：发电、防洪、供水、航运目标：发电、防洪、供水、航运正常蓄水位：正常蓄水位：230米、米、235米；坝址设在南津关米；坝址设在南津关第三阶段：第三阶段：1958年到年到1993年年10月月实施系统工程（生产安装）之前技术性很强，工作量最大的实施系统工程（生产安装）之前技术性很强，工作量最大的阶段。需要结合大批的相关的工程技术人员，合作完成。阶段。需要结合大批的相关的工程技术人员，合作完成。提出实施该系统的详细的研制方案；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，包括大坝、船闸、厂房、机电设备、输提出可供施工的蓝图，包括大坝、船闸、厂房、机电设备、输变电工程等方面的各项研究工作以及最终拿出可供施工和生产变电工程等方面的各项研究工作以及最终拿出可供施工和生产的图纸；按照预想的进程和可能性，提出包括库区移民以及工的图纸；按照预想的进程和可能性，提出包括库区移民以及工厂的搬迁安置、施工进度、水轮发电机组、辅助设备、输变电厂的搬迁安置、施工进度、水轮发电机组、辅助设备、输变电设备的研究等，进而提出何时完成第一期工程和第二期工程、设备的研究等，进而提出何时完成第一期工程和第二期工程、何时全面投产等详细的系统的实施计划。何时全面投产等详细的系统的实施计划。第四阶段：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；零部件和所有的设备和装置；提出系统的安装计划。提出系统的安装计划。完成大坝以及全部水工结构的建筑，船闸、厂房的建设，水轮完成大坝以及全部水工结构的建筑，船闸、厂房的建设，水轮发电机组、输变电设备、中央控制台、配电室以及其他各种机发电机组、输变电设备、中央控制台、配电室以及其他各种机电设备的制造；电设备的制造；提出未来的安装计划；提出未来的安装计划；安置库区移民。安置库区移民。第五、六、七阶段：安装、运行、更新。第五、六、七阶段：安装、运行、更新。时间上可以交叉。研制阶段可部分进行生产，生产时间上可以交叉。研制阶段可部分进行生产，生产阶段就可部分安装，安装阶段可部分进行运行。需阶段就可部分安装，安装阶段可部分进行运行。需寻求最佳方案，用计划协调技术（寻求最佳方案，用计划协调技术（PERT）、）、图解评图解评审技术（审技术（GERT）。）。主要有泥沙问题、水库引发地震问题、四川将面临主要有泥沙问题、水库引发地震问题、四川将面临更加频繁和严重的洪水问题、环境问题和资金问题。更加频繁和严重的洪水问题、环境问题和资金问题。综合治理长江，对上游实行水利开发和水土保持。综合治理长江，对上游实行水利开发和水土保持。 霍尔管理矩阵运用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： 逻辑维（步骤）逻辑维（步骤）时间维（阶段）时间维（阶段）1明明确确问问题题2选选择择目目标标3系系统统综综合合4系系统统分分析析5方方案案优优化化6作作出出决决策策7付付诸诸实实施施1.规划阶段规划阶段a11a12a13a14a15a16a172.方案阶段方案阶段a21a22a23a24a25a26a273.研制阶段研制阶段a31a32a33a34a35a36a374.生产阶段生产阶段a41a42a43a44a45a46a475.运行阶段运行阶段a51a52a53a54a55a56a576.更新阶段更新阶段a61a62a63a64a65a66a67代表一项具体的管理活动代表一项具体的管理活动 霍尔管理矩阵在霍尔管理矩阵中，时间维的每一阶段与逻辑维的每一步骤所对应的点aij 代表着一项具体的管理活动。矩阵中的各项活动相互影响，紧密联系，要使整体上达到最优，必须使各阶段、步骤的活动反复进行。反复性是霍尔管理矩阵的一个重要特征，它反映了从规划到更换的过程需要控制、调节和决策。因此系统工程充分体现了计划、组织和控制职能。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。三、切克兰德方法论系统工程常常把所研究的系统分为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良结构系统与不良结构系统系统，由于它们具有不同的特点，故分别采取不同的解决方，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：法，如下表：定 义特 点解决的方法良结构系统偏重工程、机理明显的物理型的硬系统可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。用“硬方法”求出最佳的定量结果，霍尔的三维结构主要适用于此。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，因其加入了人的直觉和判断，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。用“软方法”求出可行的满意解，常用德尔菲法、情景分析法、冲突分析法、切克兰德的“调查学习” 法等。切克兰德切克兰德19811981年提出年提出“调查学习调查学习”模式，从系统工模式，从系统工程方法论角度看，切克兰德的程方法论角度看，切克兰德的“调查学习调查学习”方法具有更方法具有更高的概括性。高的概括性。 切克兰德的切克兰德的“调查学习调查学习”软方法的核心不是寻求软方法的核心不是寻求“最优化最优化”，而是，而是“调查、比较调查、比较”或者说是或者说是“学习学习”，从，从模型和现状比较中，学习改善现存系统的途径。模型和现状比较中，学习改善现存系统的途径。三、切克兰德方法论方法步骤如下：方法步骤如下：(1) 不良结构系统现状说明。通过调查分析，对现存的不良结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构系统的现状进行说明(认识问题认识问题)。(2) 弄清关联因素弄清关联因素(关键因素关键因素)。初步弄清、改善与现状有关的。初步弄清、改善与现状有关的各种因素及其相互关系各种因素及其相互关系(根底定义根底定义)。(3) 建立概念模型建立概念模型。在不能建立数学模型的情况下，用结构模。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。型或语言模型来描述系统的现状。(4) 比较及探寻比较及探寻。将。将(1)中所明确的问题和中所明确的问题和(3)中的概念模型进行中的概念模型进行比较，可对比较，可对(2)中的结果进行修改。中的结果进行修改。(5) 选择选择。针对比较结果，结合各种因素选择可行的改善方案。针对比较结果，结合各种因素选择可行的改善方案。(6) 设计与实施设计与实施。通过详尽有针对性的设计，形成具有可操作。通过详尽有针对性的设计，形成具有可操作性的方案，并使得有关人员乐于接受和愿意为方案的实现竭尽全力。性的方案，并使得有关人员乐于接受和愿意为方案的实现竭尽全力。(7) 评估和反馈评估和反馈。根据实施过程中或得的新知识，修正问题的。根据实施过程中或得的新知识，修正问题的描述、根底定义及概念模型等。描述、根底定义及概念模型等。三、切克兰德方法论问题及其环境的问题及其环境的 识别与表达识别与表达建立概念模型建立概念模型(目标系统概念化目标系统概念化)根底根底定义定义比较比较寻求改善途径寻求改善途径选择选择设计设计实施实施评估评估三、切克兰德方法论图2-2切克兰德方法论工作过程四、两种方法论的比较 霍霍尔尔三三维维结结构构与与切切克克兰兰德德方方法法论论均均为为系系统统工工程程方方法法论论，均均以以问问题题为为起起点点，均均具具有有相相应应的的逻逻辑辑过过程程。在在此此基基础上，两种方法论主要存在以下不同点：础上，两种方法论主要存在以下不同点： (1)(1)霍霍尔尔三三维维结结构构主主要要以以工工程程系系统统为为研研究究对对象象，而而切切克克兰兰德德方方法法更更适适合合于于对对社社会会经经济济和和经经营营管管理理等等“软软”系系统问题的研究。统问题的研究。 (2)(2)前前者者的的核核心心内内容容是是优优化化分分析析，而而后后者者的的核核心心内内容容是比较学习。是比较学习。 (3)(3)前前者者更更多多关关注注定定量量分分析析方方法法，而而后后者者比比较较强强调调定定性或定性与定量有机结合的基本方法。性或定性与定量有机结合的基本方法。 五、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，如何安排事物；处理好人的关系这是人理学，就是人文科学、行为科学，人理就是做人的道理。把这三者结合起来形成“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。顾基发WSR系统方法论的内容要素物理事理人理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是什么？(功能分析)诚实，真理，尽可能正确自然科学管理和做事的理论组织、系统怎样做？(逻辑分析)协调，有效，尽可能平滑管理科学，系统科学人、纪律、规范的理论人、群体、人际关系、智慧应当怎样做？(人文分析)人性，有效果，尽可能灵活人文知识，行为科学 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。WSR系统方法论中常用的方法要素物理事理人理方法理解意图理解意图了解领导最初想法，收集了解领导最初想法，收集有关领导讲话有关领导讲话了解领导对目标的偏了解领导对目标的偏好，喜欢什么模型和好，喜欢什么模型和评价标准评价标准了解哪些领导会参了解哪些领导会参加决策，谁来使用加决策，谁来使用这个结果这个结果头脑风暴法，讨头脑风暴法，讨论分析会，认知论分析会，认知图等图等调查分析调查分析通过现场调查和文件检索，通过现场调查和文件检索，分析现有资源和约束条件分析现有资源和约束条件了解问题背景和有关了解问题背景和有关经验、知识经验、知识弄清各种关系和必弄清各种关系和必要的知识要的知识Delphi法，各种法，各种调查表，交叉影调查表，交叉影响分析，响分析，Kj法等法等形成目标形成目标列出所有可行的目标和约列出所有可行的目标和约束束在目标中弄清它们的在目标中弄清它们的优先次序和权重优先次序和权重弄清各种目标涉及弄清各种目标涉及到的人物到的人物头脑风暴法，目头脑风暴法，目标树法等标树法等建立模型建立模型将各种目标和约束数据化将各种目标和约束数据化和规范化和规范化选择适当的模型程序选择适当的模型程序和知识和知识尽量把领导的尽量把领导的意图意图放入放入模型中模型中各种建模方法和各种建模方法和工具工具协调关系协调关系协调所有协调所有模型、软硬件、模型、软硬件、数据的关系，即数据的关系，即技术协调技术协调协调协调模型和知识的合模型和知识的合理性，即理性，即知识知识协调协调协调各方面的利益、协调各方面的利益、观点、关系，观点、关系，即即利利益协调益协调冲突分析、和谐冲突分析、和谐理论、亚对策等理论、亚对策等提出建议提出建议对各种物理设备和程序进对各种物理设备和程序进行安装、调式、验证行安装、调式、验证将各种术语变为用户将各种术语变为用户能懂和喜欢的语言能懂和喜欢的语言尽量让各方面易于尽量让各方面易于接受、易于执行接受、易于执行各种统计图表等各种统计图表等第二节 系统分析原理一、系统分析的概念及要素 系统分析系统分析( (System Analysis, SA) )是从运筹学是从运筹学(O.R)派派生出来的，成名于美国兰德生出来的，成名于美国兰德(RAND)公司的工作公司的工作( (研究大研究大规模复杂问题规模复杂问题) )。早期是一种定量分析方法。早期是一种定量分析方法。早期主要应用于武器系统，现已扩展到社会经济系统，并由此产生了政策科学系统。如Krone:System Analysis and Policy Sciences一书，已有中译本。 系统分析系统分析(SA)是在对系统问题现状及目标充分挖掘是在对系统问题现状及目标充分挖掘的基础上，运用建模及预测、优化、仿真、评价等方法，的基础上，运用建模及预测、优化、仿真、评价等方法，对系统的有关方面进行定性与定量相结合的分析，为决对系统的有关方面进行定性与定量相结合的分析，为决策者选择满意的系统方案提供决策依据的分析研究过程。策者选择满意的系统方案提供决策依据的分析研究过程。 SA是是SE的核心内容、分析过程和基本方法。的核心内容、分析过程和基本方法。 对于的解释有广义与狭义之分: 广义解释：SA SE 狭义解释：SA SE ，它是SE的一个逻辑步骤。 美国学者奎德（ E.S.Quade ）认为，系统分析是通过一系列的步骤，帮助领导者选择最优方案的一种系统方法。 问题问题 目的及目标目的及目标 方案方案 模型（结构、数学、仿真）模型（结构、数学、仿真） 评价评价 决策者决策者SASA要素：要素： 问题问题 目的及目标目的及目标 问题一方面代表研究对象或者对象系统，需要分析人员和决策者共同探讨与问题有关的要素及其关联状况，恰当地定义问题；另一方面表示现实状况(系统)与希望状况(系统)的偏差，这为系统改进方案的探寻提供了线索。系统分析要素：系统分析要素： 目的是对系统的总体要求，目标是系统目的的具体化。目的具有唯一性和整体性，目标具有从属性和多样性。目标分析是系统分析的基本内容之一，可采用目标树等结构分析的方法。 方案方案 模型模型 方案即达到目的及目标的途径。为了达到预定的系统目的可以制定若干备选方案，通过对备选方案的分析比较，才能选择出最优方案。 模型是由说明系统本质的主要因素及其相互关系结构构成。模型是研究与解决问题的基本框架，可以起到帮助认识系统、模拟系统优化与改造系统的作用，是对实际问题的描述、模仿或者抽象。用模型来规范分析各种备选方案。 评价评价 决策者决策者 评价即评定不同方案对系统目的达到程度，是按照一定的评价标准确定各种待选方案优先顺序的过程。在进行系统评价时，不仅要考虑投资、收益的经济指标，还必须综合评价系统的功能、费用、时间、可靠性、环境，社会等各方面因素。 决策者作为系统问题中的利益主体和行为主体，在系统分析中自始自终具有重要作用。决策者和系统分析人员的有机配合是保证系统分析工作成功的关键。二、系统分析的特点及原则（1 1）坚持问题导向）坚持问题导向（2 2）以整体为目标）以整体为目标（3 3）多方案模型分析和选优）多方案模型分析和选优（4 4）定量分析与定性分析相结合）定量分析与定性分析相结合（5 5）多次反复进行）多次反复进行认识认识问题问题探寻探寻目标目标综合综合方案方案模模型型化化优化或优化或仿真仿真分析分析系统系统评价评价决策决策（分析）（分析）NY图2-3系统分的基本过程三、系统分析的程序 SASA程程序序是是SASA的的一一般般过过程程，也也为为全全课课程程提提供供了了基基本本的的逻逻辑辑框框架架，因因而而十十分分重重要要。在在对对其其理理解解和和应应用用上上应应注注意意以下各点：以下各点： 重视做好初步重视做好初步SASA 5W1H(What/Why/Who 5W1H(What/Why/Who/ /Where/When/How)Where/When/How)方法是做好这段工作的方法是做好这段工作的基本线索。基本线索。 在在规规范范分分析析中中一一般般需需（或或尽尽可可应应）建建立立结结构构模模型型、数数学学模模型型或仿真模型。或仿真模型。 每每段段结结束束后后系系统统方方案案的的变变化化轨轨迹迹是是：可可行行方方案案非非劣劣方方案案经排序的非劣方案（或称选择性方案）。经排序的非劣方案（或称选择性方案）。 环境分析贯穿环境分析贯穿SASA全过程，在全过程，在SASA中是十分重要和必不可少的。中是十分重要和必不可少的。 在在管管理理应应用用SASA过过程程中中，并并不不一一定定要要（或或能能）遍遍历历并并完完成成每每一一个具体过程。个具体过程。SA是运用逻辑思维推理的方法对问题展开分析的，通过一系列的“为什么？”而使问题得到圆满的解答。用“5W1H”自问自答，就很容易抓住问题的要点。1.What 要干什么？要干什么？2.Why 为什么这样干？为什么这样干？3.When何时干？何时干？4.Where在何处干？在何处干？5.Who谁来干？谁来干？6.How如何干？如何干？三、系统分析的程序“5W1H”方法(一种系统工程方法论):“5W1H”方法案例 某省拟建一座核电厂，能源部、财政部和发展计划委员会等有关部门就要针对核电厂的建设问题，拟定一份问题要点进行分析研究，并提出解决问题的答案。 1、要干什么? 在研究该省核电厂的建立问题时，就是用系统分析方法探讨在该省建设核电厂的可行性如何。 2、为什么在该省建立核电厂? 因为该省自产能源很少，历来靠从外省调进原油和煤炭发电，调进能源受经济、交通运输等影响太大，同时也为了减少环境污染和在经济上求得更廉价的电力。 3、何时建立为宜? 电力是工业的先行官，要发展经济首先要发展电力工业。当前世界屡发能源危机，因此，为保证经济的稳定与发展，建设核电厂是刻不容缓的事情。“5W1H”方法案例 4、何处建厂为宜? 从避开地震、断裂、海啸、流沙区而又有足够冷却水，远离人口密集的中心城市而又比较接近用电地区等方面来看，选址该省南部沿海为宜。 5、由何单位承建? 由核工业部门及电力公司负责建设，并请工程顾问公司提供各种技术方面的咨询服务工作。 6、如何进行? 工程进度应服从十年发电规划，具体技术细节还须由工程顾问公司作进一步研后再提出。 运用“5W1H”式的疑问句对开发任务提问，除上述问题外还能想出其它一些问题。在系统开发的各个阶段，所要解决的问题应从宏观逐渐转移到微观，因此，对这些疑问的回答也要按照不同阶段而改变。四、系统分析的方法定量分析法定量方法适用于系统结构清楚，收集到的信息准确，能建立数模的对象。可采用调查与统计分析方法、预测分析方法、层次分析法、仿真模拟方法，最优化方法等。定性分析法当系统结构不清、收集到的信息不太准确，或是由于评价者的偏好不一，对于所提方案评价不一致，难以形成常规的数学模型时，可采用目标-手段分析法、因果分析法等方法。 SA方法方法1、目标手段分析法四、系统分析的方法将要达到的目标和所需手段按照系统展开，一级手段等于二级目标，二级手段等于三级目标，依次类推，便产生了层次分明、相互联系又逐渐具体化的分层目标系统。在目标分解过程中，要注意使分解的分目标与总目标保持一致，分目标的集合一定要保证总目标的实现。此法的实质是运用效能原理不断进行分析的过程。 目标目标手段手段目标目标手段手段目标目标 发展能源发展能源 发展能源生产发展能源生产 开发新能源开发新能源 节能节能资源资源勘探勘探基地基地建设建设运输运输太太阳阳能能生生物物能能潮潮汐汐能能综合综合利用利用节能节能设备设备例：发展能源的目标手段分析法2、因果分析法 利用因果分析图（鱼刺图）来分析影响系统的因素，并从中找出产生某种结果的主要原因的一种定性分析方法。 此法形象简单，一目了然，问题越复杂越能发挥其长处，适宜于集体讨论，统一意见和向领导机关汇报工作。x2xix1x3xnyx21x23x12x14x13x11x32x31x33x34xn1xn3xn2xn4x22x24xij因果分析图（鱼刺图）例：某工厂用于分析产品质量不稳定的因果分析图1、阿拉斯加原油输送方案的SA 如何从美国第49州阿拉斯加东北部的普拉德霍湾向美本土输油的问题。(1)(1)任务与环境任务与环境每天送200万桶。油田处北极圈内，常年冰封，最低温度-50oC。第三节 系统分析应用(2)开发方案 方案竞争的第一阶段开发两个方案：方案方案：油船运。每天只需：油船运。每天只需4 45 5艘，但要破冰船引航，起点艘，但要破冰船引航，起点和终点需建大油库；不安全、费用大、无保证。和终点需建大油库；不安全、费用大、无保证。方案方案：用带加温设施的油管输。可用成熟的管道输油技术，：用带加温设施的油管输。可用成熟的管道输油技术，但沿途设站，且为防管道断裂必须用底架支撑和但沿途设站，且为防管道断裂必须用底架支撑和作保温处理，成本提高作保温处理，成本提高3 3倍。倍。为保安全和稳定，淘汰方案为保安全和稳定，淘汰方案，保留方案，保留方案，继续拨款鼓，继续拨款鼓励竞争出新方案。励竞争出新方案。方案：把含把含10102020氯化钠的海水加到原油中去，氯化钠的海水加到原油中去，提高低温下原油流动性，用普通油管即可输送，提高低温下原油流动性，用普通油管即可输送，取得专利。取得专利。方案方案：由麻省理工：由麻省理工SASA所的两人提出油气混输（将天然气所的两人提出油气混输（将天然气转换为甲醇后加到原油中去，降低溶点，提高流转换为甲醇后加到原油中去，降低溶点，提高流动性），从而用一管既输油又送气，不仅不需输动性），从而用一管既输油又送气，不仅不需输送送2020的无用海水，还可省掉海水分离工艺流程，的无用海水，还可省掉海水分离工艺流程，节省一条送气管道（节省一条送气管道（6060亿），比方案亿），比方案省了一半。省了一半。序号方案内容方案特点备注方案油船运输运输费用大，既不安全、又不可靠淘汰方案带加温S的油管输送油管架设成本高出三倍，沿途设加温站难度大淘汰方案原油掺海水后用常规油管送方案可行，但输送了无用的海水并增加分离工艺流程淘汰方案油气混合一管两送既输油又送气，成本低、安全、可靠，仅管道费就节约60亿美元中选(3)结论2、美军F10B飞机武器选型的SA(1)明确问题和确定目标1)要为8个中队（248192架）F10B飞机增加武装，条件是只可在喇叭狗式导弹和500磅炸弹中选其一（可行方案不再开发）。2)空军、陆军主张不一，相持不下，领导者难于决策，只好请SA机构提供定量可靠的依据辅助领导者决策，解决空军、陆军的矛盾。 第三节 系统分析应用 (2)搜集资料 要做定量分析，必须收集有关计量指标。调研后得知：v每摧毁一个目标需导弹2枚或炸弹6枚；v每发武器的命中概率为：导弹70，炸弹30；v飞机每架次升空飞行时间2小时，每小时飞行成本800美元；v每枚武器的成本：导弹为6500500 7000美元(购置费存储费)；炸弹为0 100 100 美元；v每架飞机成本240万美元，加装导弹和炸弹后分别为270万美元和245万美元；v飞机的载弹量分别为导弹6枚、炸弹10枚；v飞机被击毁的概率为1每飞行小时。 每架次平均飞行时间每架次平均飞行时间每架载弹量每架载弹量 / / 摧毁一个目标的武器数量摧毁一个目标的武器数量摧毁一个目标的武器数量摧毁一个目标的武器数量每架次的载弹量每架次的载弹量(3)建立模型（进行定量分析）先应将目标具体化为准则，以便明确评价方案优劣的标准。先应将目标具体化为准则，以便明确评价方案优劣的标准。“用经济有效的手段摧毁目标”即需要计算各个方案摧毁一个目标的成本是多少？摧毁一个目标的总成本摧毁一个目标的总成本C C武器成本武器成本C C0 0投射成本投射成本C Cd d损耗成本损耗成本C Ca a其中：其中： C C0 0 每枚武器的成本每枚武器的成本摧毁一个目标的武器数量；摧毁一个目标的武器数量； C Cd d 每小时飞行成本每小时飞行成本每架次的平均飞行时间每架次的平均飞行时间 C Ca a 每架飞机成本每架飞机成本每架飞机成本每架飞机成本摧毁一个目标的飞行时间摧毁一个目标的飞行时间每飞行小时的飞机损毁率每飞行小时的飞机损毁率每飞行小时的飞机损毁率每飞行小时的飞机损毁率使用两个方案分别摧毁一个目标的成本计算如下表所示： 方案成本方案（安装导弹）方案（安装炸弹）武器成本C0(6500+500)2=14000(0+100)6600投射成本Cd8002(2/6) 5338002(6/10)960损耗成本Ca27000002/(6/2) 0.011800024500002/(10/6) 0.01 29100总成本14000+533+1800032533600+960+2910030660单位：美元(4)综合评价（判断）1)1)单从成本考虑，每摧毁一个目标方案单从成本考虑，每摧毁一个目标方案成本高出成本高出18731873美元；美元；2)2)使用方案使用方案，精确度高，可减少陆军伤亡；，精确度高，可减少陆军伤亡；3)3)使用方案使用方案，飞机摧毁目标多。以飞机完好率，飞机摧毁目标多。以飞机完好率8080计算，每计算，每机每天飞行一架次，则机每天飞行一架次，则3 3天可摧毁目标数为：天可摧毁目标数为： 方案方案 (6/2)(6/2)3 319219280% = 1382 (80% = 1382 (个个) ) 方案方案 (10/6)(10/6)3 319219280% = 783 (80% = 783 (个个) ) 方案方案仅为方案仅为方案的的56.6%56.6%4)4)使用方案使用方案后，飞机的飞行高度提高，敌方防空武器的火后，飞机的飞行高度提高，敌方防空武器的火 力命中率降低，可指望飞机被击落的概率降低。力命中率降低，可指望飞机被击落的概率降低。(5)结论每摧毁一个目标，安装导弹方案的成本虽然高出1873美元，但有如下三项好处：1)减少地面部队的伤亡；2)增加摧毁目标的潜力；3)降低飞机损失。故建议安装喇叭狗式导弹。第三节 系统分析应用3、纽约市供水网扩建工程的系统分析 20世纪60年代末，美国纽约市负责全市供水的供水委员会花费了几十万美元拟订了一个扩建供水网的工程设计计划。全部计划预计耗资10亿美元，分五个阶段执行，全部竣工后，可满足随后40年该市人口增加25%时的用水需要。 该计划遭到了市预算当局的反对，认为扩建供水网是多余的，但供水委员会想做出大成绩，一心坚持这种增长率是合理的，双方在相持不下的情况下，请麻省理工学院的系统分析人员对该工程进行系统分析。 一问题的提出 纽约供水系统扩建的设计问题，是由供水委员会最初提出的。该委员会认为纽约市必须增强全市的供水能力，主要理由如下： (1)今后40年，城市居民将逐年增加； (2) 现有的供水系统必须广泛地检修。 1、最初的设计方案 供水委员会的最初设计方案是增设50英里长的直径为28英寸的水管。1967年估算需要投资10亿美元，分五个阶段进行。第一段阶投资3.23亿美元，主要是铺设最大的水管。所有的水管都要在坚硬的岩石中铺设，所以工程艰巨，投资浩大，是纽约市最大的土木工程项目之一。最初设计方案提出了如下的设计规定： (1) 只考虑一个供水网的地理几何布局； (2) 只使用一个评审准则，即第一级网络终端的自来水压力必须达到40磅/英寸2； (3) 工程的预计使用期限为40年，即能满足公元2010年时的用水需要； (4) 整个网络只依靠重力把水压送到各终端。 2、系统分析所受的制约 在实践过程中，很难实施技术上的最优方案，因为这样一些方案往往会遭到有关部门的反对(受到职权的制约)，所以最后实施的往往只是一些为各有关部门均能接受的折衷方案(或满意方案)。另一个制约系统分析工作的因素是，该项计划的资金来源是否容易。供水委员会可以采用发行债券的办法，比较容易取得资金。因此，它在开始设计时并不进行系统分析，一心想搞一个大工程，以便树碑立传。 麻省理工学院的系统分析师对这个扩建工程进行系统分析，主要工作有：提出评价准则，建立系统模型，探索各种可行方案，选出最优的设计和实施方案。 二、系统分析的方法 1、制定分析步骤 本项分析把整个过程分为五个阶段： (1) 制定目标和评价准则； (2) 制定衡量工程效果的准则和量化的指标，从而能够衡量工程达到原定目标的程度； (3) 开发各种类型的方案，并且使用模型和计算机模拟分别对每一类型方案中的各个方案进行周密的分析； (4) 运用衡量工程效果的准则，评价每个方案的成就； (5) 在对每个方案的各种成就进行评价之后，最终选出最佳的实施方案。 2、制定目标 供水委员会最初为整个工程制定的目标只有一个，即在供水网络终端的水压要求达到40磅/英寸2。显然这样衡量整个系统的质量是不充分的，因为城市用水的部门是多样的：1/4的水量是家庭用水，而大部分是工业用水，剩下的少数水量主要用于消防、城市卫生、绿化等。不同用户对供水系统的质量要求也不同。饮用的水要求卫生、色味俱佳；工业用水要求保证供水量，并且要求化学腐蚀作用小；消防则要求水源可靠，保证随时都有水。作为市政当局来说，当然要关心各方面用户是否都能充分满足。 最后制定的目标包括如下内容： (1) 系统的总性能； (2) 市区用水的方便程度； (3) 供水的可靠性； (4) 基建和保持运行的总费用。 3、制定衡量效果的准则 作为估算，可采用供水压力来评价供水系统的性能。由于静压能用来测量水的能量，所以它可转换成速度。从力学观点说，可以用此来表示供水的质量。系统的总性能即是以供水网络中各主要点上的压力的平均值，乘以加权因子(即每个点上所需的水量)，具体地说，这个指标即是 有了总性能之后，还需要有衡量局部效果的准则。有时为了取得所需的总性能，往往需要牺牲某些局部的性能，本例的局部性能就是网络终端的性能。供水系统的可靠性是指当三个主管道中的一个发生故障必须关闭时，系统的性能将受到什么影响。 4、制定方案 在研究了许多类型方案以后，选定了三类。它们是： (1) 关于系统的物理构型，包括管路布局、管道长度、管道直径及基建费用等； (2) 关于使用周期的划分，即确定整个供水系统能满足多少年后的用水需求量； (3) 是采用水泵加压还是采用加大水管的办法来改进供水系统的性能。 通过对三类方案进行各种分析，分析人员得出最有效的结构应当是能有效减少压力损失，提高供水系统性能的方案。 5、方案的评审 麻省理工学院设计了一个ICES(即综合土木工程系统)模型，对250个方案都进行了评审。主要采用了三种方法进行评审： (1) 费用-效果函数评估总性能； (2) 关于使用周期的确定，使用了标准分析法，在经济规模和贴现率之间进行平衡； (3) 评估水泵加压方案时，分析师们认为必须在作业费用和固定投资之间作最佳平衡。 关于总投资和总性能关于总投资和总性能 使用计算机计算后获得的第一个结果是总投资可以节约30%，其措施是缩小原定的扩建计划，而性能并没有什么重大改变。分析证明，投资大量减少后还能使设计有效。分析同时表明存在着两种构型，并且第二种构型更好。第二种构型是有备用水管，它能弥补压力的损失，从而改进了整个系统的性能。对供水系统的可靠性进行探讨后也证实，铺设一定规模的备用水管是必要的，否则全市的用水将受到很大威胁，因为现有的水管正在不断损坏。这同时说明供水委员会提出急需扩建供水系统是完全正确的。对各方案进行各种敏感性分析。从管路布局的敏感性分析中得出，不同物理构型的能量损失是不同的，因此，最有效的结构应是能够减少压降、提高供水系统性能的方案。 关于使用周期的确定问题关于使用周期的确定问题 最经济的设计使用期为2025年，仅为原计划的一半，从而也证明削减设计规模的正确性。使用期定为20年，并不是说40年的使用期是不必要的，只是说明40年的计划应该分两步走更为经济。分两期的做法比较灵活，中途还可以允许设计师调整他的计划。 关于使用水泵加压的方案关于使用水泵加压的方案 分析表明，使用水泵可以进一步减少投资。供水系统的基本作业要求是，设计的最高负荷应高于平均负荷的20%30%，但高峰用水时间是很短的，本例设计高峰日中的高峰小时的发生概率仅为0.001，因此，最高负荷能力在99.9%的时间内是无用的。但是长期使用一个小规模的效率不高的供水系统也是不经济的，因此。必须在作业费用和固定投资之间作最佳的平衡。此外，降低原设计的管径可以降低总费用，采用原设计管径的4/5，可节约总投资30%。 三、实施 如预期的那样，最后选定执行的是一个折衷的方案，其主要内容如下： (1)供水系统的整个布局沿用了最初的设计方案； (2)同最初设计一样，没有采用水泵； (3)工程规模仅为原设计的3/5，水管直径降为原设计的4/5，即由2628英寸降至2022英寸，仅这一项更改就节约1亿美元，第一期工程的总投资由3.23亿美元降至2.23亿美元。 从这个折衷方案可以看出如下问题： 首先，整个系统线路布局没有更改，这是为了照顾供水委员会的威信，该委员会为了保持其威望绝不会从原定的布局后退一步的。然而该委员会认为，为了节约费用，可以对原设计作些更改，但这并不意味着在技术或工程上出了什么问题。当然，纽约市的预算当局是欢迎削减规模、节约费用的。由此可见，经过折衷后产生的设计方案，其系统的最优化并不是占主导地位的。 其次，本系统分析的任务，如同其它系统分析一样，只是澄清问题，指出原设计中值得更改之处。系统分析只是提供所需用的炮弹，最后这些炮弹能否发挥作用，除了取决于系统分析的质量外，往往还受许多因素的制约和影响。因此，用系统分析后所取得的实际成果来评价系统分析本身的工作价值是不合适的。思考讨论题1、什么是霍尔三维结构?它有何特点? 2、霍尔三维结构与切克兰德方法论有何异同点? 3、什么是系统分析?它与系统工程关系如何? 4、系统分析的要素有哪些?各自是何含义? 5、你如何正确理解系统分析的程序? 6、解决问题的“5W1H”是什么？举例说明? 7、请通过一实例，说明应用系统分析的原理。