国防科技大学：《系统工程原理》课程教学课件（讲稿）第2章 系统工程方法论

12口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3口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”42.1还原论与整体论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。52.1还原论与整体论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。62.1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审本身就是一个整体，必须作为一个整体来研究。7口2.1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

1 1 2 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 3 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” 4 2.1 还原论与整体论 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。 5 2.1 还原论与整体论 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。 6 2.1 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，２ ０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。 7 2.1 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

92.1还原论与整体论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）的性质和功能的选加：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。102.1还原论与整体论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。口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12口13口14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：15口在这个过程系统中，每一阶段都有自已的管理内容和管理目标，每一步骤都有自已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。16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

2 9 2.1 还原论与整体论 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。 10 2.1 还原论与整体论 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。 11 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 12 13 14 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： 15 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。 16 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

182.3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。19口2.3并行工程方法学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。20并行工程一综合研制工程212.3并行工程方法学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。222.3并行工程方法学并行组织管理模式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。23口24口25口26口切克兰德的“调查学习”软方法的核心不是寻求“最优化”，而是“调查、比较”或者说是“学习”，从模型和现状比较中，学习改善现存系统的途径

3 18 2.3 并行工程方法学 并行工程(Concurrent Engineering，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。 19 2.3 并行工程方法学 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。 20 并行工程—综合研制工程 21 2.3 并行工程方法学 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。 22 2.3 并行工程方法学 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。 23 24 25 26 切克兰德的“调查学习”软方法的核心不是寻求“最优化”，而是“调查、比较”或 者说是“学习”，从模型和现状比较中，学习改善现存系统的途径

282.5物理一事理一人理（WSR）系统方法论292.5WSR系统方法论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。30口2.5WSR系统方法论312.6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。钱学森等人在研究解决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”，这是系统工程思想的新发展。其实质是将专家群体、数据和各种信息与计算机仿真有机地结合，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。32口2.6综合集成工程33口2.6综合集成工程·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：·综合集成的关键是解决整体与局部的关系问题，实现1+1>2。34口武器装备综合集成武器装备综合集成就是根据武器装备体系涉及到的学科专业，组成一个知识结构合理的专家群体，通过信息体系、模型方法体系以及支持这些体系的硬件体系的集成，实现系统的建模、仿真、分析与优化。这实际上是包含了系统集成、信息集成、方法集成、专家集成的四个综合集成。武器装备如何进行综合集成？美军的做法是，首先要建立武器装备的系统体系结构框架（例如信息系统体系结构框架，C4ISR体系结构），它是由包括作战视图、武器装备系统视图、技术标准视图以及视图产品工具构成的。35口武器装备综合集成现代武器装备系统是由主战武器装备、保障装备和综合电子信息系统等要素所构成，其要素之间、要素与环境之间存在着极为复杂的联系和相互影响，是一类典型的功能复合、技术融合、学科综合、人机结合的复杂系统，系统结构具有层次性、非线性、网络化、不确定性和突现性等突出特征。未来信息化战争是一体化军事体系之间的对抗，突出表现在武器装备系统之间的较量。综合集成可以利用先进的科学技术对武器装备系统进行一体化描述设计、仿真试验及优化评估，是武器装备系统建设中必须坚持的方法论。36武器装备综合集成信息技术是实现武器装备综合集成的重要手段。利用信息技术的联通性融合性和整合性，如多维信息的集成和融合、集成型模式识别和智能控制等，是武器装备系统综合集成的基本途径

4 28 2.5 物理—事理—人理（WSR）系统方法论 29 2.5 WSR系统方法论 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。 30 2.5 WSR系统方法论 31 2.6 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。钱学森等人在研究解决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”，这是系统工程思想的新发展。其实质是将专家群体、数据和各种信息 与计算机仿真有机地结合，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。 32 2.6 综合集成工程 33 2.6 综合集成工程 ·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； ·综合集成的关键是解决整体与局部的关系问题,实现1+1>2。 34 武器装备综合集成 武器装备综合集成就是根据武器装备体系涉及到的学科专业，组成一个 知识结构合理的专家群体，通过信息体系、模型方法体系以及支持这些体系的硬件体 系的集成，实现系统的建模、仿真、分析与优化。这实际上是包含了系统集成、信息 集成、方法集成、专家集成的四个综合集成。武器装备如何进行综合集成？美军的做 法是，首先要建立武器装备的系统体系结构框架（例如信息系统体系结构框架，C4IS R体系结构），它是由包括作战视图、武器装备系统视图、技术标准视图以及视图产 品工具构成的。 35 武器装备综合集成 现代武器装备系统是由主战武器装备、保障装备和综合电子信息系 统等要素所构成，其要素之间、要素与环境之间存在着极为复杂的联系和相互影响， 是一类典型的功能复合、技术融合、学科综合、人机结合的复杂系统，系统结构具有 层次性、非线性、网络化、不确定性和突现性等突出特征。 未来信息化战争是一体化军事体系之间的对抗，突出表现在武器装备系统之间 的较量。综合集成可以利用先进的科学技术对武器装备系统进行一体化描述设计、仿 真试验及优化评估，是武器装备系统建设中必须坚持的方法论。 36 武器装备综合集成 信息技术是实现武器装备综合集成的重要手段。利用信息技术的联通性 、融合性和整合性，如多维信息的集成和融合、集成型模式识别和智能控制等，是武 器装备系统综合集成的基本途径

38系统工程方法论总结·还原论与整体论相结合·定性与定量相结合·系统分析与系统综合相结合·局部研究与整体研究相结合39口·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？·并行工程所体现的主要思想是什么？·从方法论上讲，运筹学和系统工程有什么不同？

5 38 系统工程方法论总结 ·还原论与整体论相结合 ·定性与定量相结合 ·系统分析与系统综合相结合 ·局部研究与整体研究相结合 39 ·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? ·并行工程所体现的主要思想是什么? ·从方法论上讲，运筹学和系统工程有什么不同?