第三节 以霍尔为代表的硬系统工程方法论

20世纪40—60年代，系统工程主要用来寻求各种“战术”问题的最优策略，或用来组织管理大型工程建设项目，而霍尔的三维结构系统工程方法论最适合用于解决这类问题。霍尔的三维结构模式为解决大型复杂系统的规划、组织、管理问题提供了一种统一的思想方法，因此在世界各国得到了广泛应用。霍尔的三维结构将系统工程整个活动过程分为前后紧密衔接的七个阶段和七个步骤，同时考虑了完成这些阶段和步骤所需要的各种专业知识和技能（如图2-1所示）。这样，就形成了由时间维、逻辑维和知识维所组成的三维空间结构。其中，时间维表示系统工程活动从开始到结束按时间顺序排列的全过程，分为规划、拟订方案、研制、生产、安装、运行、更新七个时间阶段。逻辑维是指时间维的每一个阶段内所要进行的工作内容和应该遵循的思维程序，包括明确问题、评价目标体系设计、系统综合、系统分析、最优化、决策、实施计划七个逻辑步骤。知识维列举了需要运用包括工程、医学、社会科学、法律等各种知识和技能。三维结构体系形象地描述了系统工程研究的框架，对其中任意一个阶段和每一个步骤又可进一步展开，由此形成了分层次的树状体系。下面将逻辑维的7个步骤逐项展开讨论，可以看出，这些内容几乎覆盖了系统工程理论方法的各个方面。

一、逻辑维

逻辑维（解决问题的逻辑过程）一般可分为如下七个步骤。

（一）明确问题

系统工程研究的对象复杂，它包含自然界和社会经济各个方面，而且研究对象本身的问题有时尚不清楚，如果是半结构性或非结构性问题，也难以用结构模型定量表示。因此，系统开发的最初阶段首先要明确问题的性质，特别是在问题的形成和规划阶段，要清楚研究的是什么性质的问题，以便正确地设定问题，否则，以后的许多工作将会劳而无功，造成很大浪费。国内外学者在问题的设定方面提出了许多行之有效的方法，主要有以下四点。

1．直观的经验方法。这类方法中，比较知名的有头脑风暴法（Brain Storming）、5W1H 法、KJ 法等，日本人将这类方法叫作创造工程法。这类方法的特点是总结人们的经验，集思广益，通过分散讨论和集中归纳，整理出系统所要解决的问题。

2．预测法。系统要分析的问题常常与技术发展趋势和外部环境的变化有关，其中有许多未知因素，这些因素可用打分的办法或主观概率法来处理。预测法主要有德尔菲法、情景分析法、交叉影响法、时间序列法等。

3．结构模型法。复杂问题可用分解的方法分成若干个相关联的相对简单的子问题，然后用网络图方法将问题直观地表示出来。常用的方法有解释结构模型法（ISM 法）、决策实验室法（DEMATEL 法）、图论法等。其中，用图论法中的关联树来分析目标体系和结构可以很好地比较各种替代方案，在问题形成、方案选择和评价中是很有用的。

4．多变量统计分析法。用统计理论方法所得到的多变量模型一般是非物理模型，对象也常是非结构的或半结构的。多变量统计分析法中比较常用的有因子分析法、主成分分析法等，成组分析和相关分析也属此类。此外，还有利用行为科学、社会学、一般系统理论和模糊理论或几种理论方法结合在一起来分析的，这样可使问题明确化。

（二）评价目标体系设计

评价体系要回答以下一些问题：评价指标如何定量化，评价中的主观成分和客观成分如何分离，如何进行综合评价，如何确定价值观问题，等等。行之有效的评价体系方法有以下四种。

1．效用理论。该理论是从公理出发建立的价值理论体系，它反映了人的偏好，建立了效用理论和效用函数，并发展为多属性效用函数和多隶属度效用函数。

2．费用/效益分析法。该方法多用于经济系统评价，如投资效果评价、项目可行性研究等。

3．风险估计。在系统评价中，风险和安全性评价是一个重要内容，决策人对风险的态度也反映在效用函数上。当多个目标之间有冲突时，人们常根据风险估计来进行折中评价。

4．价值工程。价值是人们对事物优劣的观念准则和评价准则的总和。例如，要解决的问题是否值得去做，解决问题的过程是否适当，结果是否令人满意，等等。以生产为例，产品的价值主要体现在产品的功能和质量上，降低投入成本和增加产出是准则。价值工程是总体概念，具体体现在设计、制造和销售的各个环节上。

（三）系统综合

系统综合是在给定条件下，找出达到预期目标的手段或系统结构。一般来讲，按给定目标设计和规划的系统，在具体实施时，总与原来的设想有些差异，这就需要通过对问题本质进行深入理解，做出具体解决问题的替代方案，或对典型实例进行研究，构想出能实现目标要求的实施方案。计算机辅助设计（CAD）和系统仿真可用于系统综合，而系统综合的过程常需要人的参与，人机的交互作用以及人的经验知识，使系统具有推理和联想的功能。近年来，知识工程和模糊理论已成为系统综合的有力工具。

（四）系统分析

不论是工程技术问题还是社会环境问题，系统分析首先要对所研究的对象进行描述，建模和仿真技术是常采用的方法，而对于难以用数学模型表达的社会系统和生物系统等，也常用定性和定量相结合的方法来描述。系统分析的主要内容涉及以下三个方面。

1．系统变量的选择。用于描述系统主事状态及其演变过程的是一组状态变量和决策变量。因此，系统分析首先要选择能反映问题本质的变量，并区分内生变量和外生变量。用灵敏度分析的方法可区别各个变量对系统命题的影响程度，并对变量进行筛选。

2．建模和仿真。在状态变量选定后，要根据客观事物的具体特点确定变量间的相互依存和相互制约的关系，即构造状态平衡方程式，得出描述系统特征的数学模型。在系统内部结构不清楚的情况下，可用统计数据得出关系式，构造系统模型。系统对象抽象成模型后，就可进行仿真，找出更普遍、更集中且更深刻反映系统本质的特征和演变趋势。现已有若干实用的系统仿真软件，如用于随机服务系统的GPSS（统计产品与服务解决方案）、用于复杂社会经济系统仿真的系统动力学软件等。

3．可靠性工程。系统可靠性工程是研究系统中元素的可靠性和由多个元素组成的系统整体可靠性之间的关系。一般来讲，可靠的元件是组成可靠系统的基础，然而局部的可靠性和整体可靠性间并非简单的对应关系，系统工程强调从整体上来看问题。在20世纪40年代，冯·诺依曼（Von Neumann）开始研究用重复的不那么可靠的元件组成高度可靠系统的问题，并进行了可靠性理论探讨。钱学森院士也提出，大规模集成电路的发展使元器件的成本大大降低，如何用可靠性较低的元器件组成可靠性较高的系统，是个很有现实意义的问题。近年来，已采用的可靠性和安全性评价方法有FTA（故障树分析法）或ETA（事件树分析法）等。

（五）最优化

在系统的数学模型和目标函数已经建立的情况下，可用最优化方法选择使目标值最优地控制变量值或系统参数。所谓优化，就是在约束条件规定的可行域内，从多种可行方案或替代方案中得出最优解或满意解。实践中要根据问题的特点选用适当的最优化方法，目前应用最广的仍是线性规划和动态规划，非线性规划的研究很多，但实用性尚有待改进。系统优化已开发了分解协调的算法。组合优化适用于离散变量，整数规划中的分支定界法、逐次逼近法等的应用也很广泛。多目标优化问题的最优解处于目标空间的非劣解集上，可采用人机交互的方法处理所得的解，最终得到满意解。当然，多目标问题也可用加权的方法转换成单目标来求解，或按目标的重要性排序，逐次求解，如目标规划法。

（六）决策“决策就是管理，决策就是决定”。人类的决策管理活动面临着被决策系统的日益庞大和日益复杂。

决策有个人决策和团体决策、定性决策和定量决策、单目标决策和多目标决策之分。战略决策是更高层次上的决策。在系统分析和系统综合的基础上，人们可根据主观偏好、主观效用和主观概率做决策。决策的本质反映了人的主观认识能力，因此决策必然受到人的主观认识能力的限制。近年来，决策支持系统受到人们的重视，系统分析者将各种数据、条件、模型和算法放在决策支持系统中，该系统甚至包含了有推理演绎功能的知识库，这使决策者在做出主观决策后，能从决策支持系统中尽快得到效果反应，以便得到主观判断和客观效果的一致。决策支持系统在一定条件下起到使决策科学化和合理化的作用。但是，在真实的决策中，被决策对象往往包含许多不确定因素和难以描述的现象，如社会环境和人的行为不可能都抽象成数学模型，即使使用了专家系统，也不可能将逻辑推演、综合和论证的过程做到像人的大脑那样具有创造性的思维，并且系统无法判断许多随机因素。群决策有利于克服某些个人决策中主观判断的失误，但群决策过程的时间比较长。为了实现高效率的群决策，在理论方法和应用软件开发方面，许多人做了大量工作。例如，多目标决策法、主从递阶决策理论、协商谈判系统、冲突分析等，有些应用软件已投入使用。

（七）实施计划

以工厂为例，如果想要实现工厂的生产任务和发展战略目标，就要制订当年的生产计划和未来的发展规划。厂内还要按厂级、车间级和班组级分别制订实施计划。一项大的开发项目，涉及设计、开发、研究和施工等许多环节，每个环节又涉及大量的人、财、物。在系统工程中常用的计划评审技术（PERT）和关键路线法（CPM）在制订和实施计划方面起到了重要的作用。

二、时间维

对于一个具体的工作项目，从制订计划起一直到更新为止，全部过程可分为七个阶段。

1．规划阶段。即调研、程序设计阶段，目的在于制订活动的计划与战略。

2．拟订方案阶段。提出具体的计划方案。

3．研制阶段。做出研制方案及生产计划。

4．生产阶段。生产系统的零部件及整个系统，并提出安装计划。

5．安装阶段。将系统安装完毕，并完成系统的运行计划。

6．运行阶段。系统按照预期的用途开展服务。

7．更新阶段。为了提高系统功能，用新系统替代旧系统，或改进原有系统，使工作更加有效。

三、知识维

系统工程除了要求为完成上述各步骤、各阶段所需的某些共性知识外，还需要其他学科的知识和各种专业技术，霍尔把这些知识分为工程、医药、建筑、商业、法律、管理、社会科学和艺术等。各类系统工程，如军事系统工程、经济系统工程、信息系统工程等，都需要使用其他相应的专业基础知识。