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系统工程方法论七步骤详解

 微微南来的风 2024-04-11 发布于河南

前文系统工程方法论的七个阶段和十四个要素得到了不小的反响。

这次备课过程中,重温了《系统工程:21世纪的系统方法论》,感觉有必要摘编诠释一个范例,具象化这个方法论,也算作一次强化系统思维训练。

下两图是书中所呈现的系统方法论的概念图像和七个步骤的概要解读。

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下面从《系统工程:21世纪的系统方法论》的几章论述中,摘编出方法论七个步骤的具体操作过程。

一、探索问题空间

这一步主要是明确问题,并由此找出一个或更多的概念化可行解决方案。

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图7.5  行为图形式的严格软系统方法

软系统方法的过程如上图所示,有8个环节:
(1)从确定系统问题中的具体难题开始。
(2)也许是从确定某个系统问题中难题的症状开始。一旦有大量的症状被识别和探索出,就要针对所假定难题的性质,做出修正定义。
(3)每一个症状'暗含着'一个与此症状对应的所谓的内隐系统集合的存在,内隐系统集合包含在问题/难题空间中。问题域中的结构通常是不相关的。

(4)内隐系统集合(每个症状对应一个集合)是统一的、聚类的/汇聚的,可以据此确定其上层系统。变换到内隐系统层凸显了系统难题处理中的主题。
(5)聚类过程中暴露出潜在的相互作用失衡。为了达到抵消初始症状的最低要求,解决这种失衡问题总是必要的。
(6)构思和测试可行解决方案,考察其实现后是否能消除/清除环节2中确认的所有症状及环节5中暴露出的所有失衡。可行解决方案在文化上的可接受性也需要被测试。
(7)指定一个或多个合理且可接受的可行解决方案。严格软方法可以个人使用也可以团队使用。当然,输出的质量受到输入质量的限制,尤其受到使用者在探索问题空间及揭示各种症状和因素时知识水平和视野的限制。

事实上,问题(真实世界)会给出自己的可行解决方案(理想世界)。

二、探索解空间

是概念化可行解决方案检验阶段,检验方案是否有效,能否实现预期的目标,实现这些目标可能会遇到现实世界中的哪些威胁,做些什么可以消除或缓和这些威胁。

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解决方案空间为寻找可选解决方案系统提供机会,同时将潜在的约束施加给可行解决方案系统,即使它还只是处于构想状态。在系统方法论中尽早探索解决方案空间是重要的,这样可以对竞争中的可行解决方案系统的可信度进行评估。

某些解决方案构想会被看作不切实际,而其他的可能需要新的或可适应的互补系统,这会显著扩大某些概念性解决方案的影响、复杂性和潜在成本。

在任何情况下,解决方案系统都将不得不依照其未来运行环境被'裁剪',并在该环境中与其他系统相互作用。探索解决方案空间能够使解决方案系统的同层系统及其相互之间的上层系统得到确定。

在这个过程中,对于运行环境中的解决方案系统,无论是静态模型还是动态功能模型,都有必要理解与最终解决方案系统运行和适存相关的约束(交互、接口、结构、边界、环境等)。

在方案制定阶段理解这些,能够使得系统方法论的后续阶段中顺利进行系统的开发和设计,从而使得最终解决方案系统能够在其环境中与其他系统协同工作。

三、聚焦解决方案系统目的

确定所预想的解决方案系统应当能够实现的功能范围。既要实现解决初始问题的目标,又要达到保持系统自身适存能力的目标。

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我们要处理的都是广义上的人造系统,将注意力聚焦在概念化解决方案系统的目的上可以说是合适的:探索和扩展系统的目的,使我们能够设想系统的效应和效果,并且还能够专注于将设计工作引向特定的结局。

考虑系统的目的,一个有效的途径是遵循其根本宗旨。系统的根本宗旨就是对它的最终目的所做出的陈述。对于人类而言,它可能被描述为物种的延续,这种延续需要的不仅是生育,而且还需要对后代进行抚养和保护,直到他们足够成熟,也能够持续这个延续过程为止。

满足根本宗旨可以有多种可选的策略和方法。'有用的'根本宗旨有三个组成部分:最终目的的陈述,达到此目的的策略陈述和预想的不利于该策略的威胁。

四、开发解决方案系统的运行使用构想和内在的功能架构

功能架构,可以映射到物理结构划分上,来适合满足动态的解决方案空间在空间、经济、时间上的约束。在完成最优的理想世界解决方案系统设计后,下一个阶段是针对初始问题,做出应该定解、求解还是消解问题的选择。

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对于任何复杂的解决方案系统、上层系统和环境,很可能会有若干个运行使用构想。在它们之间做出选择需要开发健壮的效能评价指标体系。这些是解决方案系统的指标,特别是它的性能指标,将由解决方案系统的所有者/用户做最终评价。根据使命任务,它们可能包括任务成功概率、及时性、适存性、效果度量、可靠性、面对威胁的生存能力、经济性、完整性、安全性、资源和后勤保障等。

接着要对备选的高层运行使用构想进行动态仿真,以评估系统内部和系统之间相互作用的影响,评估及时性、资源消耗等。

依据效能指标设定仿真性能指标作为理性选择的基础,对竞争下的运行使用构想进行仿真,为在这些运行使用构想之间做出选择提供了令人信服的基础。仿真过程不仅提供比较判断的依据,而且还应提供绝对指标值,因为在仿真中可能发现某些(或全部)选项无法满意地完成使命任务。

能否找到普遍接受的运行使用构想是不确定的。一旦出现找不到的情况,就证明可能需要重启能确定解决方案系统的流程:在这种情况下,答案可能是既不能定解问题也不能求解问题,只好消解问题,也就是更改目标点。

五、设计解决方案系统,规范、开发、制作物理组件

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与传统观念相比,功能架构以及我们将要看到的物理架构,并非必须单独进行设计,或者叠加在解决方案系统上。架构很自然地从问题空间、解决方案系统构想、运行使用构想以及核心使命任务功能中涌现出来,并且差不多是设计过程中的副产品。

为了诸如互操作性、兼容性、损伤容限等方面的原因,或为了调和解决方案空间的限制,在考虑解决方案系统的性能和效率的情况下,叠加的架构不必是最优的。

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集群之间的链接(耦合)表现为自然的结果。由于链接在设计中被实例化,功能架构似乎是在无意识的努力下出现的。另一方面,物理架构可能在解决方案空间内约束的作用下,在与解决方案系统相互作用的其他系统作用下被迫分解。

在将功能架构映射到物理架构时,维持所有功能之间的链接和相互作用,从而使核心使命任务功能充分且有效的编排得以维持,否则,必要的涌现特性、能力和行为将不会显现,或者更糟的、违背常理的和令人厌恶的特性、能力和行为可能会涌现。

系统划分会导致层次结构的创建,即适存的系统中包含适存的(子)系统,适存的子系统有其自身的功能、行为和形式管理。

一方面将整个系统划分为多个适存的子系统,原则上不应该影响整体的功能行为。如果系统划分的结果是在其上层系统中开放的、相互作用的、适存的子系统,那么针对每一个适存的子系统,考虑到它将在和其他子系统共同构成的环境中运行,重复迭代应用系统方法论是适当的。

六、优化解决方案系统的设计方案

将各不相同又相互补充的组件组成解决方案系统整体,相互关联相互支撑共同工作。在此阶段中,系统整体性能不断得到提升,直到展现出必要的涌现特性、能力和行为。

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优化解决方案系统的设计方案是'解决问题'的关键部分;优化能确定正确的组分,并以正确的方式将它们组合在一起,以合适的程度相互作用,从而涌现出必要的特性,使得解决方案系统的整体功能大于各组分总和。

优化只是在系统整体的层面上受到影响。寻求仅优化整体的一部分可能会破坏整体的优化,并且有可能会适得其反。优化整体过程中的困难是可以预期到的,因为改变任何组分不仅会直接影响系统整体,而且会影响其他与其相互作用的组分,它们又会继续(传递性)影响其他组分。

由于这种潜在的复杂行为,因此优化往往借助于对解决方案系统的动态仿真,系统在特定的背景中与其他系统相互作用,而它们全部开放且相互适应。

通过大量参照先前的成功案例,或其他现存的成功系统来设计新系统是很有吸引力的方法。另一种创新的方法是使用累进优选的方式,基于自然界遗传方法的大大简化的版本,探索各种各样的可能性;实际上,是对解决方案系统的设计进行'演化'。

这种系统优化方法的结果是,形成动态涌现的特性、能力和行为的一个'最佳设计集合';原则上,该集合适用于在某个特定背景条件下的解决方案系统的整体运行。

在某种情况下,可能无法找到该特定背景条件下的解决方案系统,表明解决方案系统的最佳设计应当通过一系列特定背景条件来确定,或者表明,解决方案系统应当设计成,使系统能够根据感知到的所处特定背景条件来优化其自身。

七、生成并验证解决方案系统

解决方案系统将进入'运行使用阶段',在此阶段将不断地定解/求解/消解问题,系统因而生成,并将随着问题的演化/变化而不断地改进或重塑自身。

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对已经实现的、动态交互式的、自适应的解决方案系统进行严格的、决定性的测试总是具有以下能力:消除与最初问题相关的所有症状。

考虑到设计方案基于对最初问题的分析,而问题可能已经发生变化。这种情况下,在系统投入使用之前可能需要更新设计方案和解决方案系统。

子系统综合的方式将会随着特定子系统性质的变化而发生相应的改变。通常,解决方案系统和它们的子系统或者是人类活动系统,如团队、群体、社团、社群、企业等,或者是社会技术系统,其中的人类或多或少会得到技术上的支持/保证,而两者之间存在着持续不断的相互作用。

完整解决方案系统的实现是通过将各个参与综合的子系统集中起来,使它们相互作用,并确定作为开放自适应的、相互作用的整体在相应运行使用条件下工作。

采用系统方法论构思、设计和创建完整解决方案系统,不仅包括运行使用(使命任务管理)系统,还包括适存能力管理和资源管理系统。如果这几个系统共同表现为解决方案系统整体,那么解决方案系统将有能力不断重新设计自己,适应问题的变化,甚至适应完全不同的需求。

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