第12章 系统工程(2)
2）综合性原则
在研究和解决系统问题时，从多方面综合思考和研究对象。综合性原则源于系统问题的复杂性。任何一个系统问题，其组成、影响因素、观察角度、涉及学科知识都具有多样性和复杂性。靠单一的方面、单一的因素、单一的角度研究和解决系统问题是不可能的。坚持综合性原则要遵从下述要求：第一、要求组建的任何系统都是具有不同功能的各种要素构成的综合体，只有具有不同功能的要素才可能产生优化的整体功能；第二、要求对任一对象的研究和设计都必须从它的成分、结构、功能、相互联系方式、历史发展、目标体系和环境条件等方面综合考察，使研究结果与客观实际相符合，更好地体现整体目标的要求；第三、在解决系统问题时，应综合运用各种学科的知识，并协调好各专业、各知识领域对问题的不同要求，以保证解决问题时整体的最佳配合。
3）最优化原则
最优化是指在约束条件下使目标函数达到最大值或最小值，是在设计和规划系统时，从多种可能的途径和方案中选择出最优途径或方案，使系统处于最佳状态或达到最好效果。最优化原则既反映了人们对客观事物发展的多种可能性提出的主体选择要求，也体现了人们运用系统工程的根本目的。系统工程的最优化是从整体目标来考虑的。
由于事物的复杂性和人们在实践中的多种需要，一个问题或一个工程往往涉及多个目标，而各个目标之间又常常存在制约关系，某单个目标的最优不一定导致整体目的的最优。因此，遵从最优化原则必须从整体目的出发，找出实现整体目的的多种方案，通过精确的量化分析，选择最优方案。
整体性、综合性和最优化原则贯穿着系统思想，具有内在统一性。
应用这三个原则，要注意四个方面的统一。
（1）外部条件和内部条件的统一。一个系统受内外部条件综合制约。整体性既指系统内部的整体，也指系统所从属外界环境的整体。
研究系统内部需要综合性，研究系统外部也需要综合性。最优化既要考虑内部条件，也要考虑外部条件。
（2）近期利益和远期利益的统一。在实践中近期利益和远期利益往往存在着尖锐的矛盾。把系统在历时过程中的利益看作一个整体，就需要近期利益和远期利益的统一。这种统一离不开对系统历时态的综合研究，也离不开对系统在发展全过程的利益作最优化分析。
（3）局部效益和整体效益的统一。现实生活中既存在局部效益都好而导致整体效益好的情况，也存在局部效益好而整体效益不好的情况。对后者，要求从整体性出发综合分析而寻求整体的最好效益。整体的最好效益是通过各个局部效益的最佳协调实现的。追求整体效益绝不是忽视局部效益，而是在充分发挥局部效益基础上从整体进行的最优协调组合。
（4）定量分析和定性分析的统一。定量分析是用数量指标和数学方法进行的分析，定性分析是通过非量化的途径对事物的属性所进行的断定分析。系统工程必须将两种分析方法结合起来运用，运用包括两种情况：一是对系统问题应在定性分析基础上尽可能量化分析，二是对研究的结果，需将定量分析和定性分析所得到的结果综合起来，让它们在互补的统一中更好地反映客观对象。这里先举一个综合性的例子，为了解决由阿拉斯加东北部的普拉得霍湾油田向美国本土运输原油的问题，决策人员广泛征集方案。这个油田处于北极圈内，常年处于冰封状态，陆地更是常年冰冻，最低气温达零下50℃。要求每天输送200万桶原油。这里有三个方案：
方案I：由海路用油船运输。
方案II：用带加温系统的油管输送。
方案III：把含10%~20%氯化钠的海水加到原油中去，使在低温下的原油变成乳状液仍能畅流，这样就可以用普通的输油管运送了。
对于方案I，优点是每天仅需4~5艘超级油轮就可满足要求，比铺设油管省钱。缺点是，第一要用破冰船引航，既不安全又增加费用；第二是起点和终点都要建造大型的油库，而且油库的储油量应是油田日产量的10倍以上，这是一笔巨额花费；而且海运还可能受到海上风暴的影响。总之，这种方案存在的问题是：费用大、不安全、无保证。
对于方案II，优点在于可以利用成熟的管道输油技术。存在的问题有：第一，要在沿途设加温站，这样一来管理复杂，且需要供给燃料，此事会变得更加复杂；第二，加温后的输油管不能简单地埋在冻土里，因为冻土层受热融化后会引起管道变形，甚至断裂。为了避免这种危险，有一半的管道需要用底架支撑，这样架设管道的成本要比铺设地下油管高出3倍。
对于方案III，这是一个新方案，获得了很高的评价，并取得了专利。
然而，正当人们在称赞方案III的时候，马斯登和胡克两人又提出了方案IV。这两人对石油的生成和变化有着丰富的知识。他们注意到埋在地下的石油原来是油气合一的，这时它们的熔点是很低的。经过漫长的年代以后，油气才逐渐分开，他们提出将天然气转换为甲醇以后再加到原油中去，以降低原油的熔点，增加流动性，从而用普通的管道就可以同时输送石油和天然气。由于采用了这一方案，仅管道铺设费就节省了近60亿美元，比方案III节省了一半。
从这个例子我们可以看出系统工程的实际价值，如果当初只是在前三个方案上搞优化，那么无论如何也达不到方案IV所达到的价值。
11.2系统工程运用的具体方法
系统工程的具体方法主要有两部分内容：系统研究的规范性程序和系统工程的具体方法。
1）系统研究的规范性程序
现在比较成熟的有两种：霍尔的三维结构体系和林斯顿的多相战略分析。
（1）霍尔的三维结构体系：美国系统工程专家霍尔提出用三维结构体系来表示系统研究和程序。
三维结构体系是由时间维、逻辑维和知识维组成立体交叉的程序体系。
时间维表示系统工程的工作在时间上的程序。可分为七个阶段：
即规划阶段、拟订方案阶段、研制阶段、生产阶段、安装形成阶段、运行阶段和更新阶段。这七个阶段侧重于从工程项目的内容进行划分。不同的系统问题在阶段划分上有不同的具体内容。
逻辑维表示系统工程在解决问题时应遵循和完成的程序。一般分为七个实施步骤：即明确问题、选择目标、系统综合、系统分析、最优化、决策和实施。
知识维表示系统工程在时间顺序和实施阶段中所运用的各种知识，如哲学、心理学、伦理学、经济学、数学、法学、政策科学、世界形势、国家政治等。
霍尔三维结构是一个立体框架。系统工程的某项具体工作可以表示为这个立体框架中的一个点。通过这一点与其他点的关系，可以从全局上认识到某一项具体工作在系统整体中所处的地位，有助于人们从整体思考问题。
逻辑维中的系统分析具有重要作用。进行系统分析要注意研究下述方面：
系统成分方面：系统由哪些组成部分构成，各组成部分可以划分为哪些更小的部分。
系统结构方面：系统内部组织和系统各组成部分之间相互作用的方式。
系统功能方面：系统整体有哪些功能，各组成部分有哪些功能，哪些功能是有利的，哪些功能是不利的。系统功能的耦合方式。
系统通信方面：系统与环境及系统各组成部分的联系方式和紧密程度，系统内部纵向和横向的通信方式。
系统整体化方面：系统维持、改善和发展的机制，系统组织化水平和稳定性机制。
系统控制方面；系统整体的控制机制和能力，维持目的趋向的反馈环节，控制系统优劣的评价。
系统历史方面：系统以什么方式产生，经历了哪些阶段，发展的可能状态有哪些。哪种状态出乱的概率最大，用哪种控制机制能使系统选择某种可能性并转变为现实状态。
（2）林斯顿的多相战略分析：美国学者林斯顿提出的多相战略分析是一种程序化的系统综合分析方法。其基本思想是：社会经济问题远比一般工程项目复杂，适用于一般工程的技术分析，不一定适用于社会经济问题的研究。在现代复杂的社会经济系统中，技术问题、社会问题和人的因素往往是同时存在并交互作用。必须从技术、组织和人的因素的角度综合地研究系统整体问题。
（1）技术分析。收集必要的信息对问题进行定性和定量分析。借助数学和逻辑结构模型进行预测和决策。采用电子计算机技术提高分析效率和精确程度。
（2）组织分析。运用社会组织理论对各种组织进行研究，了解有关组织对问题的看法和所持的态度以及对待未来不确定性因素的反应特性。协调各个组织的观点，充分了解各种组织在解决问题和决策中所起作用的大小，综合分析各组织的决策。
（3）人的因素分析。复杂的系统问题涉及人的因素，每个人因经历、知识、能力、地位、权威性等差异，对新事物的敏感程度及创新观念有很大不同，对系统问题的认识和影响程度也不尽相同。因此，在系统研究中，要分析在解决特定的系统问题时，哪些人将发挥关键作用、哪些人是支持者和反对者，其原因何在。他们各自对系统研究的影响程度如何。这种分析的直接依据是：人的素质对系统问题的研究和解决有密切关系。
采用多相分析方法能够从技术、组织和人的因素等不同角度进行分析和评价，从整体出发协调各种观点作出有效的战略决策。
2）系统工程的具体方法
（1）系统模型技术。系统工程对复杂对象进行有效研究的手段是模型。模型是现实系统的科学抽象，集中反映了系统本质和主要影响因素及它们之间的相互关系。系统工程应用的模型包括反映系统实体和系统放大或缩小后的形象模型、根据类比法用相似系统代替原系统的模拟模型、用数学方法描述系统变量之间相互作用和因果关系的数学模型。系统工程由于科学试验、定量化和预测的需要而广泛应用数学模型。
为了满足研究问题的需要，系统模型应符合以下要求：
客观性：模型应是客观系统某些特征或本质的正确反映；完整性：
系统模型应包括系统目标体系和系统内外的约束条件，完整地反映系统的主要结构和作用机制。规范性：模型尽量采用通用的形式，有利于分析计算的简化和普及。
常用的数学模型有线性规划模型、随机模型、统计模型、模拟模型和模糊模型。
建造系统模型可采用直接分析法，按问题的性质和范畴直接分析构造模型。也可以通过模拟试验进行系统模拟，对得到的数据进行统计处理而得到模型。还可以通过数据分析确定相关因素获得系统模型。
（2）系统网络分析技术。这是系统工程常用的一种科学管理方法。它把规划管理过程作为一个系统整体加以处理，将组成系统的各项任务的不同阶段按先后顺序，用网络图的形式反映出来。通过统筹规划，对整个系统进行组织、协调和控制，以便最有效地利用人力、物力、财力等资源，用最少的时间实现系统的预定目的。计划评审技术和关键路线法都是建立在网络模型基础上的分析技术，统称为网络分析技术。网络分析技术的中心是网络图，这是用图解形式表示生产工作项目中各组成部分之间逻辑时间关系的流程图。它可计算时间参数、规划任务和确定关键路线。利用网络图，还可进行方案调查和时间—资源的优化分析。图3是美国北极星导弹研制的网络图，利用计划评审技术使该项工程提前两年完成。