系统工程的特点在线视频

下面我们来学习第五节

系统工程这门学科具有什么样的特点呢？

我们说系统工程它特别强调以下四个方面

第一个是整体性

是指研究方法的整体化

要把研究对象和过程

当作一个整体来看待

具备整体的眼光

从整体出发来考虑局部

局部是服从整体的

兼顾和处理局部之间的关系

系统本身

还要和它的父系统相适应

才能够保证系统的总体效果最优

第二是协调性

处理关系的协调化

是说用系统工程方法分析和处理问题

不仅要考虑系统内部部分与部分之间

部分与整体之间 系统与环境之间的相互关系

而且要协调处理好这些关系

使它密切配合 相辅相成

第三是综合性

是说

科技应用的综合化

系统工程以大型复杂系统为研究对象

涉及的因素很多

涉及到的学科领域很广

因此 需要综合运用自然科学 社会科学 工程技术等

各门学科和领域的成就

充分发挥跨学科 跨行业

和跨部门的综合优势

第四是满意性

是说追求目标的最优化

系统工程是实现系统最优化的组织管理技术

不仅要提出最优的系统目标

用目标导向的方法

寻求实现目标的可行方案

而且

要运用最优化技术

从中选择社会认可

经济合算 技术先进 时间最省

系统总体效益最好的最优方案

来付诸实施

有的时候

绝对最优的方案找不到

此时要找满意方案

那么乍一看

这些阐述好像大家都能听懂

但是呢 又缺乏直接的理解

我们不妨替换一个问题

系统工程这门学科和其他的工程学科有什么样的区别呢？

我想大家在

自己的学习中

也接触过其他的工程学科的有关课程

它们都叫工程

系统工程

机械工程

通信工程 电子工程等等

系统工程跟它们相比有什么不一样呢？

我将通过一个案例

来向大家介绍

从而给大家一个非常直观的理解

这个案例是

纽约市供水网的扩建工程

我们先看一下背景

这个问题的背景是

20世纪的60年代末期

纽约的供水委员会花了几十万美元

拟定了一个供水网的工程计划

预计耗资10亿美元

总共分了五个阶段

设计目标是

要满足

今后40年

纽约人口增加25%的用水需要

这个方案是纽约供水委员会提出来的

但是

纽约市的预算局认为

供水委员会所预估的

今后40年将会有25%的人口增长是不合理的

供水网的扩建

是没有必要的

这个时候两个政府职能部门相互扯皮

相互争论

找不到合理的结论

在市预算局的要求下

纽约市政府

聘请了麻省理工学院的系统分析人员进行系统分析

那么

这个系统工程问题就开始展开了

问题的提出

供水委员会认为

要增强

纽约市供水能力有这样几个理由

第一个 今后40年

城市居民将会逐年增加

40年以后将会增加25%

第二个现有的供水系统必须要进行广泛的检修

现有的供水系统已经老旧了

反正要进行检修

那么不如

趁着这个机会

综合考虑今后40年的

居民用水的增加的需要

而纽约市呢

它的自来水有两个部门

各负其责

供水委员会的责任呢

它是负责全市直径十英寸以上的一级管道

直径六英寸以下的管道由另外一个市政部门来负责

所以

这个扩建方案

所要分析的问题

局限于一级管道的扩建

供水委员会最初的设计方案是

要增设50英里长的直径为28英寸的水管

大概需要10亿美元

分成五个阶段

其中第一个阶段投资3.23亿美元

作用是铺设最大的水管

设计方案是

只考虑

一个供水网的地理布局

也就是说 是不是要绕过坚硬的岩石？

是不是要绕过一些非常重要的市政设施？等等等等

这一系列问题是要考虑的

第二

只使用了一个评审准则

也就是第一级网络的

终端自来水压力必须要达到40磅每平方英寸

第三是工程的预计使用期限是40年

也就是要满足

差不多到2010年的

用水需要

第四

不采用水泵增压

直接通过连通器原理靠重力输送

第二个问题

是部门之间的相互约束

供水网的设计受到多个方面的约束

其中物理方面的约束

由传统的工程设计师来解决

而经济性方面的

社会性方面的制约

则要靠系统工程师来分析处理

他所要

涉及到的制约

包括 一个是职权制约

一个是经费制约

所谓的职权制约就是说

供水委员会

对于水网怎么设计

他是负有第一责任的

他不盖章 谁的设计方案也不能批准使用

经费制约呢？

说的是

预算局负责经费的审批

他不盖章 他不批复

经费审批不下来

你工程设计再好也无法开展

麻省理工学院的分析分成五个阶段

第一是制定目标和评价准则

我们来看看

原来的目标是什么呢？

原来的目标非常单一

是说供水网终端的水压要达到40磅每平方英寸

麻省理工学院提出来的新目标包括四个方面

第一个是系统的总性能

第二个是市区用水的方便程度

第三是供水的可靠性

第四

还有一个非常重要的因素

就是基建

和保持运行的总费用

制定了目标以后

由目标出发 制定

可以用来衡量的量化的准则

那么原来的目标呢 已经非常直接了

所以原来的准则就是这个目标

供水网的

终端水压达到40磅每平方英寸

新的准则

从四个新的目标出发

总性能是指

各个主要点上的压力

进行加权求和

第二个

市区用水的方便程度

是指各个网络终端的性能

那么头两个准则意思就是说不仅仅要考虑总的性能

而且还要分别地考虑

各个网络终端的性能

第三个是可靠性

是说三个主管道中的一个

如果因为故障而需要关闭的话

那么系统性能够受到多大的影响？

是不是可以接受的？

第四个

是说总费用

考虑贴现率每年5%

第三个阶段

麻省理工学院设计了若干个方案

总共设计了250个具体的方案

主要是在以下三个方面有所不同

第一是关于系统的物理构型

包括

管路的布局

管道的长度

管道的直径以及基建费用等方面

第二个是关于使用周期的划分

也就是说

要确定整个供水系统能够满足多少年以后的用水需求

第三个是

到底是采用水泵加压

还是加大水管的方式来改善

供水性能

这250个具体的方案

就是在这三个方面

有所不同进行若干的排列组合

制定了方案以后

麻省理工学院专门设计了相关的模型

用计算机

进行分析

得到了一系列的结果

用于方案评审

比如说

这个图我们看到的是

费用-效果函数

表示的总性能

横轴是费用

纵轴是总性能

这250个方案都作为一个可行解

描在这个可行设计区里面

那么我们可以看到

哪些方案是可以接受的呢？

没错 就是这个可行设计区的上边界

其他的方案

都是相对

更差的

这个图给出来的是系统终端的费用-效果图

横轴是费用

纵轴是终端的性能

可以看到整个250个方案大体上分成两个区域

从这个结果来看

哪些方案

是相对来说更好的呢？

没错

就是第二种构型

相对第一种构型更优

第二种构型就是有备用水管的

这个图给出来的是关于可靠性目标的结果

是成败性能的

费用-效果函数

还是

横轴是费用

纵轴是可靠性

从这个结果来看 哪一部分的

可行设计方案是相对更优的呢？

很明显

也是上面这一部分

它代表的也是第二种构型

这个图给出来的是贴现率

需求增长率以及设计使用期

相互之间的关系

用来决定最佳的使用年限

我们可以知道

贴现率越高

设计使用期就应该

越短 要不然的话

银行还贷的负担太重了

同时

如果需求增长率越高

那么设计使用年限应该越长

要不然的话很快

就不能够满足

人口增长所导致的需求增长

所以得到的结果大概是这样一个示意图

当贴现率是5%的时候

麻省理工学院的得到的结论是

设计年限

大致在20年到25年之间

这个图给出来的是费用与管径的关系

横轴是管径

纵轴是费用

其中包括几条曲线 一个是水泵费用

一个是基建费用

那么总费用呢？

就是水泵费用

加上基建费用所构成的一条曲线

管径越大

那么

所需要的水泵建设费用就越低

但是管径越大

所带来的基建费用也会越高

所以总费用的取现大体上是这样一种形态

总费用的最低点

是在原设计

所给出的管径的80%的位置

意思就是说

管径可以降为原来设计的80%

光这一笔投资就节约了

30%

麻省理工学院最终提出的

是一个折中方案

供水系统的布局

依然沿用了最初的设计方案

而且

依然按照原来的设计不采用水泵

工程规模缩减为原来的

五分之三

这个是说的是设计年限

从40年降到大概25年

水管的直径

降为原来的80%

就是从

26到28英寸降到20到22英寸

仅此一项就节约了1亿美元

第一阶段

投资由3.23亿降为2.23亿

那么从这样的折中方案可以看到

虽然原来的设计管路布局并不是最好的

但是新设计

并没有进行修改

这是为什么呢？

就是为了考虑供水委员会他的权威性

第二个

通过工程规模的缩减

预算局也容易接受这个结果

所以从这两点来看

在预算局和供水委员会之间找到了一个折中

是双方折中的一个方案 双方都能够接受

修改设计

使得在工程的第一个阶段

就节约了1亿美元

而这个课题的经费是5万美元

系统工程

真是一本万利

那么好了

通过这个案例的分析

我们接下来可以来一起总结一下

系统工程和其他传统的工程学科的区别

首先第一是跨学科领域

跨学科领域

指的是两个方面

第一个是系统工程的思想方法

它是适用于多个学科领域的

各个领域都有整体性

全局性的问题 需要进行综合处理

咱们这个案例

来自一个

传统的工程领域 就水网扩建

是纯工程领域的

它有整体性和全球性的问题需要

综合考虑和处理分析

第二个是系统工程所用的方法和工具

来自于各个学科 需要综合运用

在这个例子里面

我们可以看到

用到了传统工程

运用到了计算机建模

用到了

经济学的知识 还用到了心理学的有关知识

第二大方面

是说系统思想

所谓的系统思想 这里面是

指突出强调

要采用整体的观点和全局最优的观点

并且

为了得到这个全局最优的结果

尤其强调

第1要多目标和多准则

第2个

要考虑多种约束

第3 要开发多个方案

进行分析

第4 在有条件的情况下

应该建立相应的模型 进行定量的计算

第5

涉及到权衡和折衷

第6

要协调各个方面的关系

第7是要给出综合的决策结果

这是系统工程尤其强调的若干方面

它不是就事论事的

不是算出来一个定量结果

就结束了的

第三

特别强调软科学技术

系统工程研究的

不仅仅限于物质对象的“硬”因素

还要涉及社会

心理学等方面的“软”因素

这里面“软”因素是很难进行精确描述的

第四是

系统工程的战略性价值

这是指系统工程处于战略性的地位

越早实施越好

在前面这个案例中

如果麻省理工学院能够在供水委员会设计工程方案之初就介入

那么效果一定会比后来

做两个单位的裁判

要好得多