《系统科学方法概论》——第二章 系统工程方法

一、什么是系统工程
1、什么是工程：工程(ENGINEERING)一词早在古代就产生了。在我国，工程一词是宋朝开始出现的，原意是指一切工作、工事或有关程式。现代意义上的工程概念，通常指由众多工作组成的整体及其展开过程。
2、什么是系统工程：系统工程(SYSTEMS ENGINEERING)一词是20世纪50年代由美国人首先使用的一个概念，原意指以系统为对象的工程。
系统工程与常规工程相比所具有的特征：
（一）复杂程度高：常规工程通常都是构成要素较少，结构较为简单的工程，因而可以运用自然科学和技术来解决问题。而系统工程则是一些构成要索极多，结构极其复杂的工程，它需要综合运用自然科学、社会科学、思维科学的知识才能解决问题。
（二）有一个目标体系：任何一项工程都有一个明确的目标，系统工程也有目标要求。但是，系统工程的目标往往不是一个、二个，面是多个，是一个复杂的目标体系;其中，既有多个总目标，又有各个层次、各个阶段的分目标，甚至每一个细小的工作环节和工作步骤也有自己的目标要求。正因为系统工程有一个目标体系，因而搞起来就比一般工程复杂得多。
（三）具有定量化特征：传统工程一般都以定性为主，对定量不太重视。系统工程则不然，它特别强调定量化管理。
（四）最优化特征：最优化要求可以说是系统工程最主要的特征，甚至是最本质的特征。
（五）程序化特征：由于系统工程一般是由成千上万件工作组成的复杂系统，因而把这些工作按照内在的逻辑次序排列起来，便显得极为重要。排列次序稍微出点差错或不合理，就会延误工期或造成重大损失。所以程序化对于系统工程是十分重要的。系统工程的程序化主要有两方面要求:一是时间顺序必须搞好;二是空间顺序必须摘好。
（六）应用范围广泛：系统工程作为一种技术，不但能应用于常规工程(水力工程、土木工程等)，而且能应用于许许多多常规工程以外的领域。
3、系统工程的内容和本质：系统工程作为一门学科的内容很多，但可将其概括为两个方面:其一是系统工程思想。包括系统工程的概念、特性、历史发展及其与常规工程的关系等等。其二是系统工程方法论。主要包括处理复杂系统工程问题的基本步骤和所采用的定量化方法等。从系统工程上述两方面内容不难看出，系统工程本质上是一种方法论。
二、系统工程发展史
1、古代的系统工程思想和实践：系统工程虽然是20世纪的产物，然而其基本思想却早在古代的一些工程
实践中就已开始萌芽了。
2、现代工程的产生：
（一）生产管理系统工程阶段（20世纪初-20世纪20年代）
（二）军事系统工程阶段（20世纪30年代-20世纪40年代）
（三）一般系统工程阶段（20世纪50年代-20世纪60年代）
3、系统工程的发展（20世纪70年代以后）：20世纪70年代以后，系统工程进入全面发展时期。这时的系统工程有四大特征:
(1)系统工程的应用范围愈来愈扩大。现在从政治到经济到文化，各行各业都在力图用系统工程去解决和处理问题，形成了系统工程的诸多分支理论。
(2)大型计算机和卫星通讯的出现、微型计算机的普及给系统工程的应用提供了强大的技术手段。
(3)系统工程的规模愈来愈巨大，如生态系统、社会经济管理系统等都是一些构成要素众多、层次结构极为复杂的巨系统或大系统，研究这些系统问题，以往的系统工程方法还不够用，于是大系统理论开始形成。
(4)系统工程同信息论和控制论相结合，导致了一门综合性极强的学科一系统学的出现。
三、系统工程方法之一：霍尔三维结构法
1、系统工程方法包括两部分内容:其一是搞系统工程的步骤、程序;其二是搞系统工程的定量化方法。具体系统工程的完成过程都是这两方面的有效结合。下面是以工作步骤和程序为特点的系统工程方法-霍尔三维结构法。
霍尔三维结构图：

任何一个系统工程都包括三个方面的内容:
其一是应用知识(列出了七种)一知识维(准备)：
（一）艺术知识。
（二）医学知识。
（三）法律知识。
（四）工程技术知识。
（五）建筑知识。
（六）商业知识。
（七）管理知识。
根据现代系统工程的要求，系统工程师所应具备的知识应包括以下几个方面:
(一)基础知识
所谓基础知识就是指搞一切系统工程都必须具备的通用知识。根据我国的具体情况，基础知识大致应包括以下四个方面的内容:
1、马克思主义基本知识、包括马克思主义哲学、马克思主义政治经济学、科学社会主义等内容。
2、人文知识。包括艺术知识、语言知识(本国语和外国语)，法律、道德知识，商业知识，人才学知识，等等。
3，理工知识。包括数学知识(含计算机)，工程技术知识，控制论知识，医学知识，环境科学知识等。
4.管理知识。系统工程涉及大量的人、财、物、信息、能源等事项，不懂管理知识，无法搞好系统工程。
(二)专业知识
专业知识又包括专业基础知识和专业主干知识两类。
1、专业基础知识。指有关该系统工程专业的基本理论、方法及历史知识。例如水利系统工程专业的基础知识应包括地理学、水利学、水利学史等内容。
2.专业主干知识。主要包括专业理论与专业技术两大部分。如水利系统的主干知识就是水利系统工程学和水利系统工程技术。
(三)相关知识
所谓相关知识主要指与具体系统工程专业相关的学科知识。以法治系统的工程而言，其相关知识则包括:政治学知识、伦理学知识、社会学知识、经济学知识。
其二是思维过程(宏观决策过程) 逻辑维(步骤)：这一维主要是讲在系统工程的各个阶段进行决策时所应遵循的思维过程，亦即宏观决策过程。这一维是系统工程的关键。
（一）问题阐述（摆明问题）。
（二）确定目标。注意：符合实际；综合性；定量化。
（三）系统综合（制定方案）。
（四）系统分析（可行性分析）。划分：科学性分析；价值性分析；进行仿真实验；进行试点研究；直接实验。
（五）最优化（系统选择）。
（1）最优化含义：即把各种方案集中起米进行可行性研究之后，对各种可行方案进行选择，找出最有利于实现目标的方案的过程。系统工程方案的最优化选择与两个要素有关:其一是系统工程的目标。优化还是劣化是相对于系统工程目标来说的，脱离了目标，就无所谓优化问题。其二是系统方案的状况，这是方案优化的基础。如果系统方案的状况(包括质与量两个方面)不清楚，则无法优化。实际上，系统工程方案的最优化过程是把每一方案状况同工程目标之间的关系进行比较的过程。
（2）系统工程优化类型：单目标优化和多目标优化。
（3）最优化方法：突出一个目标，兼顾其他目标的方法；求加权平均值的方法；求非劣解法。
（4）最优化与最满意理由：由于最优标准不一，因而一个完全客观的最优是不存在的；最优方案即使在现实生活中存在，但在短时间内也很难获得完全的信息把它找到；.事物是不断发展变化的，当你花了很长时间找到一个最优方案以后，事物又变化前进了，这个最优方案可能已不是最优了。最满意应以最优化为基础。最优化应以最满意为目标。
（六）决策（决策方案）。遵循原则：科学性原则；民主化原则；法律化原则。
（七）实施计划。注意：要有详细的实施计划。为决策者确定下来的方案，大都是原则性相当强的东西，很少能直接加以实施；要向全体参加施工的人员讲清本系统工程的总目标及实施方案的基本内容，以发动群众，做好实现方案的各项准备工作；在实施方案过程中及时对原定目标和方案进行修正；在系统初步实施以后，要以确保系统正常运转为目标，对系统总体进行试验或评审。
其三是活动顺序(工程程序)一一一时间维(进程)。这一维表示的是系统工程活动从规划到更新的时间排列顺序，分为七个工作阶段:
（一）规划阶段。指制定系统工程活动的规划和战略对策。
（二）设计阶段。指做出一个详细、明了、切实可行的工作计划。
（三）研制阶段。这一阶段的主要任务是以上述两个阶段的结果为原则，进一步完善方案的各项指标，并制定出生产计划。
（四）生产阶段。该阶段的主要任务是生产出组成整个系统的所有基本要件，并提出安装计划。
（五）安装阶段。该阶段的任务是按既定方针将基本要件组合成一个整体，以完成系统的运行计划，可分为局部安装和整体安装两个阶段。
（六）运行阶段。指系统按预定目标正常发挥功能阶段。
注意：要按照原设计能力运行；要注意调整和维护，以保证系统工程处在最佳工作状态，发挥出最大
功能；要对使用过程进行监督和管理。
（七）更新阶段。系统的更新换代是系统工程中的最后一个环节，也是很重要的一个环节。因为任何一个系统效能的发挥都有一定的时空条件限制，时空条件一旦发生变化，原系统就要老化，功能就发挥不出来了，这时就需要大胆地更新，就不能再抱残守缺了，否则就会落后于实践的需要。
四、系统工程方法之二：计划协调技术（PERT）
计划协调技术有三个基本阶段的工作:(一)计划准备;(二)计划制定;(三)计划实施。
1、计划准备：
（一）思想准备。确定任务；明确目标要求（分别是以时间、资源、费用为主）；分解任务（横向分解和纵向分解）；找出每件工作的开始事项和结束事项；确定各种工作之间的相互关系（序贯关系和并行关系）。
（二）技术准备。要规定好事项和工作的符号表示法；紧前工作表示法；要规定网络图的画法（串联法、并联法、虚工作表示法）；工作事项明细表画法；根据工作事项明细表画出工作流程图；作图注意事项（网络图的连续性、网络图的不可逆性、网络图要避免箭线交叉的现象、网络图中不允许有直线）
2、计划制定：所谓计划制定，就是指对计划进行定量化处理并在网络图上加以标示的过程，具体包括如
下一些内容:工作完成时间计算;事项的时间参数计算(事项的最早开始时间、最迟结束时间、事项的时差);工作的时间参数计算(工作最早开始和结束时间，工作最迟开始和结束时间，工作的总时差和单时差)。
（一）根据经验估算出每件工作的三个可能完成周期。完成周期的单位可以是天(日)，也可以是月或年。
（二）工作预计完成时间的计算及标示。
（三）各条工作线路的完成时间计算。从网络图的最初事项出发，沿箭头方向抵达终点事项，可以有很多条线，这些线就叫“工作线”或“流程线”，用L来表示。
（四）关键线的确定及图上标示。所谓“关键线”，就是指在网络图中完成时间最长的工作线，也叫“紧急线”或“主要矛盾线”。
（五）给网络图标出日历日期。
（六）网络图的分析、平衡与优化。
3、计划的确定与实施：在结合实际情况对网络图进行综合分析、平衡与优化处理之后，计划就可以确定下来并进人组织实施阶段了。在实施计划时，要特别注意如下三点:
1.建立和健全严格的岗位责任制。
2.建立和健全严密的组织管理制度。
3，建立和健全系统的组织管理机构。
五、系统工程方法的基本原则
1、目的——目标原则：目标对系统工程的作用主要表现为:(一)为系统工程的实践者提供精神动力;(二)为系统工程实践者提供指导方向;(三)为系统工程提供评判标准。
2、综合——整体原则。
3、结构——程序原则。
4、定量——优化原则。
5、反馈——调节原则。