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系统工程方法简介

2014-10-30 16:31:18   作者:admin
  【记者】 您对系统科学或系统工程方法是怎么定位的?

【常远】 今天看来,系统科学或系统工程方法的作用首先在于:为我们认识和解决任何问题,提供了一个综合集成的框架,所以,它是超越了各种具体方法并“能够整合各种具体方法的方法”。做任何事,都应当有个对其中所用到的各种方法进行有效整合的框架。许多人在研究做事的方法时,会列出实验方法、定量方法、定性方法、逻辑方法、历史方法、哲学方法、艺术方法等等各种方法,最抽象的应当算是哲学方法了.

【记者】 您教的许多东西都像是哲学.您认为系统方法与哲学方法之间最明显的区别在哪里呢?

【常远】 哲学方法可以被融入系统方法。

哲学方法是抽象的高层次整合方法.我们可以用它统辖万物,但主流的哲学方法则是高高在上,很难走下抽象的、“有时往往是空洞的”神坛,除非它们实现了充分的形式化或数学化.

而系统方法则既可以作为抽象的高层次整合方法,也可以作为既有抽象性又有具体性的多层次整合方法,可以具体到一个电脑程序的每一条指令,因为每一条电脑指令都可以被视为一个可自动执行的“知行合一”的“动态控制系统”的“元素”.

所以,系统方法既能“像哲学”一样做哲学能做到的事情,也能“放下身段”做到“不放下身段”的抽象的哲学所做不到的事情,除非两者最终融合为一个东西了.

【记者】 这个趋势是有可能的.您用系统语言对电脑程序的描述也很有意思!

【常远】 人类创造或运用任何方法,都是为了实现某个目的,或用系统语言说成是“使特定的系统整体达到某种状态”,也就是说,任何方法在本质上无非是要用于认识或处理某个系统的手段.这样,我们就可以用系统方法(或更准确地叫“系统框架”)把其它各种方法都整合,所以,系统方法或系统框架它比任何方法都重要。

【记者】 那您能不能结合生活中的一些实际例子,用更通俗些的语言来解释一下什么是系统工程?

【常远】 那我就从大家都在用的“问题”这个概念开始吧!

无论生活中什么人在做什么事情,我们都可以说,他是在认识或解决着一个问题。比如:您毕业后想到一个好单位工作,这就是一个就业问题;您想找到自己满意的另一半结婚,这就是一个婚姻问题;您想考上硕士或博士研究生,这就是一个升学问题;您想做成功一个企业,这就是一个经营问题;您想吃上一顿物美价廉的好饭,就是一个就餐问题……等等.这些都可以被称为“问题”.

那么,什么是“问题”呢?

大家可以从各个角度去对“问题”做出定义.我们也可以基于自己的常识,运用系统方法或系统框架,对“问题”做个专业而简单的定义,分这么为4步:

(1) 任何问题都与一些因素有关吧?比如说婚姻问题,就与对方的才气、长相、其他情况以及对方父母、我方父母等等一系列因素有关.对每个因素,我们都可以用一个圈或者一个点来直观地表示。

(2) 与同一个问题有关的各种因素之间,总是具有直接或间接的关系;因素间的这些直接或间接的关系,使它们共同构成了一个整体。仍然举婚姻问题的例子,对方父母对我有什么影响?对对方有什么影响?对方的各种因素对我有什么影响?……对各种因素之间的每种关系,我们都可以用连接两个圈或两个点之间的一条线来直观地表示,线的一端的箭头表示一个因素对另一个因素的作用关系.

(3) 现在,我们再看看“系统”的定义——由若干个因素(或元素、部分)相互联系而构成的整体,就是“系统”。

(4) 那么到底什么怎么定义“问题”呢?当我们所面对的某个系统处于我们所不满意状态的时候,我们就感觉到这是一个问题。所以,“问题”就是特定的主体(既可能是个人也可能时组织或非组织群体)所面对的特定系统所呈现出不满意状态,简言之,问题就是“系统的不满意状态”。

什么是解决问题呢?解决问题,就是将系统从当前时刻的不满意状态,转变为满意状态的过程。

那么,什么是认识问题呢?认识问题,就是对某个系统的构成因素以及因素之间的关系掌握的过程.用系统工程的专业术语来说,就叫对某个系统建立模型,简称“建模”.这与人们的常识也是一致的——人们在分析问题的时候,一旦觉得只用语言说不清楚的时候,就开始用手或其他东西比划起来了,比如我在给您说一件事情时,把这个杯子放在这里代表一样东西,比如代表婚姻问题中的对方父母,脑子里面装的信息用一个具体东西来表示,就是一种最简单、最常见的建模方法,沟通起来很有效,也叫“模拟”.在模拟活动中,我们把自己所处理的那个事物称作“原型”,把用来代表“原型”的东西就叫“模型”。

【记者】 您再举个例子吧?

【常远】 比如说,您刚才给我拍照片的过程,就是一个简单的模拟过程.在这个过程中,我本人就是原型,您所拍的照片就是我这个人的一个平面图像模型,而您则是建模者。您刚才在门卫那里办来访手续时签的名,就是您这个人的一个最简化的字符模型.但是,一个模型如果太简单了,它对构成“原型系统”的因素以及因素之间关系的描述能力可能很有限或者不充分,这时,我们就会给模型增添更多的因素以及因素之间的关系,也就是更多的“圈”和“线”,把事情(即“原型系统”)描述得更充分。

所以,刚才说到的系统工程中的“系统”和“模型”这两个概念,我觉得非常重要.重申我一下:

(1) 任何事物、任何问题都是一个系统——组成系统的因素以及因素之间直接或间接的关系,构成了“系统”这个整体.

(2) 当我们希望把某个系统(即“原型”)变得更好时,我们对构成它的因素以及因素之间的各种关系的认识,就是对“原型”建立的“模型”.我们通过模型,可以预先模拟改造“原型”的效果,包括在“原型”上不敢尝试的效果。比如,人类用小动物做药物实验,就是因为有些实验直接在人身上做,可能会给人造成较大的损害,冒不起这个险.但小动物毕竟不是人,小动物实验只能部分地模拟药物用于人身的效果.

对小动物所作的药物实验,动物保护主义者从自己的角度来考虑“局整关系”,提出反对意见.这就涉及价值系统的复杂性了,就是不同的社会主体从各自的价值观出发,来确定何为整体利益、何为局整利益,并据此进行利益的取舍或平衡,为了整体利益舍掉局部利益。当然,世界是不变的,不同的人基于不同的价值观或目的,会对世界建立不同的模型,他们都在努力使他们所面对的那个系统达到满意状态。

【记者】 那您的意思就是说,不管人们是否专门学习过系统工程,实际上都是建模,都在从事着运用着某种系统工程?

【常远】 对了!不管人们是不是系统工程专家,他们客观上都在对自己生活中形形色色的“原型系统”建立着在水平上参差不起的“模型系统”,并且通过这些“模型”来了解“原型”、改造“原型”.人们把他们认为的“原型系统”从不满意状态变到满意状态,就叫“达到目的”。“目的”其实就是人们希望特定系统所达到的满意状态。解决问题,就是使系统由不满意的“当前状态”变为满意的“目的状态”的过程。所以,什么事情都能用系统工程来解释。

我们做任何事,包括搞研究、写文章、谈恋爱、做生意、玩政治、玩军事等等,其最终目的,无非是让某个系统从当前的不满意状态变到满意状态,不管你懂不懂系统方法,你客观上都是在试图调控某个系统.所以,系统方法在方法论体系中具有整合的作用,它不同于一般的方法,它是一个“超方法”,或者叫“元方法”。

【记者】 这样有什么好处呢?

【常远】 它最大的好处之一,就是您可以用一套理论来解释所有的事情,把所有的方法充分整合为一种方法。过去有人说,系统方法属于边缘学科,属于跨学科方法……我认为,它不是边缘学科,而是任何学科之上的“超学科”方法、“超领域”方法.因为任何学科.都是在研究不同领域的因素和因素之间的关系.在“超领域”的系统方法中,所有领域的问题都可以描述为系统问题。比如说化学问题,就是研究物质系统在原子级上下的组成、结构、性质及其转化的问题.以水分子(H2O)为例,它是一个分子级别的系统,向下可分解成2个氢原子、一个氧原子这3个元素,它们之间通过某种化学关系构成一个整体,3个原子又是由原子核和电子构成……可以一直分解到物质系统的极低层次。

我们把自己的目的定在哪一层,那么,与这一层目的有关的第1级因素构成的整体就可以被视为“系统”.如果我的目的在原子这一层,那么原子就叫“系统”,低于原子层的原子核和电子就叫“元素”或“子系统”了。

这也就是说,“系统”概念是相对而言的,我们总是将能够实现自己某种利益的系统状态定为“目的”,“目的”在同一层的就叫“系统”,低于这一层的就叫“元素”或“子系统”,如果还要考虑元素下面的元素以及子系统下面的子系统,我们就可以把第1级元素叫“1级子系统”,把第2级元素叫“2级子系统”……以此类推。“子系统”对于它的上一层而言也就是“元素”,只不过我们要考虑构成这个“元素”的更小的“元素”时,这个元素就可以作为一种“系统”来看待,也就是“子系统”。问题的关键是,给您带来利益的目标在哪一层,您就可以将哪一层定义为“系统”.

我们使某个系统从当前状态达到满意状态,所从事的所有工作,就叫做“系统工程”。顾名思义,“工”就是工作,“程”就是程序或过程,“工程”就是做这个工作的整个过程,为了认识一个系统或使一个系统达到满意状态的工作过程,就是“系统工程”了!

“工程”这个词,在系统工程中是作为哲学概念来使用的,不仅限于土木建筑工程等“工程”。比如说,现在我顺手拿起一支笔,一般没有人会说它是一项“工程”,只会说这是一个简单的动作;我如果跑下楼去街上给您买回一支笔来,就不是一个简单的动作了,而是一系列动作所构成的一项“活动”.当一大堆动作所构成的整体复杂到一定程度时,人们就会说:“这是一项工程”。

用哲学语言来说,“工程”是一种实践活动,这种实践活动具有以下几个特征:

(1) 大到一定程度的规模性。比如,计算机的程序都是由一条条指令构成的,指令就相当于每个动作,当构成程序的指令多到一定程度时,就有“工程”味儿了。您给计算机一条指令,比如让屏幕上显示一个字符,这就是完成了一个动作;当用Word显示一篇文章时,电脑要考虑很多因素,它要决定每一个字节的信息存放在什么地址,决定屏幕上的每一个像素亮起来还是不亮,分别存贮在不同地方的同一个文件的各部分需要自动地协调起来……从机器这一层来看,工作量是很大的,这就成了工程。从哲学上看,今天的“实践”概念可分为人工实践(人类直接从事的实践活动)、自动化实践、人机复合型实践.你采访我时的一系列提问和回答,就是人工实践;任何电脑程序都是一种“自动化实践”;您在采访中利用录音笔录音、利用数码相机照相,这就成了人机复合型实践。所以,现在的“实践”概念应当是广义的,但很多哲学书上的实践还局限于人工实践呢,自动化实践在许多情况下比人工实践的要高出很多倍呢。今天的机器对人类来说,可是高度勤奋的好助理.

(2) 大到一定程度的复杂性.

(3) 科学性.

(4) 实效性.

符合上述4大特征的实践,就是“工程级实践”,简称“工程”。

一项系统工程所涉及的因素,可以从抽象到具体地分为好多层.

(1) 最抽象的一层,叫“理念层”或“哲学层”.

(2) 哲学层下我们需要具体地研究事物的规律性,这就是“科学层”,科学也可以分成基础科学层、技术科学层、应用科学层等,传媒原理就属基础科学层,而新闻学、非线性编辑等等就属于技术科学层或应用科学层了.科学层的研究成果可以转化为一些更具体的东西.

(3) 科学研究成果转化为各种规范(如规章制度、技术标准等),就叫“规范层”.如法学研究成果转化为法律条款,录音研究成果转化为录音技术标准;

(4) 许多科学研究成果被转化为“技术层”的东西,包括方法以及物化的技术装备或技术设备。

(5) 改变事物没有主体是不行的,因此就要有“主体层”.

(6) 主体处理的对象,就是“对象层”或“资源层”.由于人是最能动的主体,而不是想原材料那样的“东西”,所以,我反对把人力资源(钱学森先生提出的相应概念叫“人才系统工程”)放在“对象层”或“资源层”.能动的主体在理念与哲学指导下,运用科学知识,按照规范,运用技术方法与技术装备,对资源进行加工,产生预期的结果即“产品”。ISO 9000把“产品”定义为“一个过程的结果”,多抽象呀,是个哲学概念,比如,我对您说声“您好!”就是给您一个很简短地表达问候的精神产品。您的采访也是,您获得被采访者的一些信息资源后,经过加工,形成了一篇采访稿,这就是“产品”.“资源”和“产品”概念都是相对而言的:从输入端所输入的就叫“资源”,从输出端所输出的就叫“产品”.比如:在一个螺丝钉生产过程中,输入端所输入的金属等原材料就是“资源”,输出端所输出的螺丝钉就是“产品”;当我们把螺丝钉用于航天飞机的生产过程时,输出端的航天飞机就叫“产品”,输入端所输入的所有零部件包括螺丝钉就都叫“资源”了。

(7) 上面6层都是一些静态的描述,但最后总要把各层的因素都互相协调起来,使“原型系统”从初始状态到满意状态,就形成一个“过程层”。无论是抽象的东西还是具体的东西,都被安排在改变“原型系统”的具体过程及一个个动作中去了.

【记者】 您这样的解释是不是可以用于万事万物?

【常远】 对呀!“I→P→O”(输入→处理→输出)架构是个通用的描述工具.系统工程里面“I→P→O”架构,是从信息科学技术领域里引入的.一台计算机就是一个信息的输入、加工、输出系统。世界是由物质、能量、信息构成的,在系统科学里,可以进行“超领域”的物质、能量、信息及其任何组合形式的“I→P→O”架构分析,不再限于信息系统领域。

既然一切问题在客观上都可以说是一个系统,那么系统方法就是普适的,适用于所有领域。哲学里面关于“世界是普遍联系的”的基本观点,用系统架构来说,就是世界是有无数因素直接或间接地相互联系所构成的系统.但哲学里讲的联系一般都是很抽象的,相当于系统工程中的“理念层”.而在系统工程里考虑的,还包括具体解决一个问题所需考虑的所有具体的东西,比如说航天飞机要发射成功,要考虑各种零部件的工作情况、考虑系统在环境中会受到什么干扰,考虑系统预先设定哪些指令等等,这是要实实在在地控制一个系统,使“原型系统”实现我们所满意的变化。可不能“高屋建瓴”地发完一通空头评论就走人了!

当我们要具体解决某个问题时,会把它细分为更多具体因素构成的系统,有些因素我们是可以控制的,有些因素是我们不能控制,只能去适应.如果原型系统是可以控制的,我们就可以把目标定为“最优控制”; 如果原型系统是不可控制的,我们就只能把目标定为“最优适应”.随着人类认识不断提高,不可控的因素可能会转化为可控的因素,比如原来天上下雨是人类完全无法控制的,但现在我们可以用科学技术手段而部分控制了;当然,原来以为完全可控的因素,可能后来会被发现其实不是完全可控的。

只有充分地考虑到改变系统的整体状态所必须考虑的因素以及它们之间的关系,我们才能解决具体问题。如果只用哲学的观点很抽象地、原则性地考虑系统,是不可能解决具体问题的。“理念层”、“哲学层”的东西,只是一个指导。

整体上看,系统工程的特点就是,通过一个从抽象到具体的多层次的综合集成体系,使特定的原型系统达到满意的状态.

【记者】 这些就是系统工程的一些基本概念和特性,对吗?

【常远】 对!再附带补充两个概念:“边界”与“价值”.

世界是普遍联系的,我怎么才能喝好一杯水都可能涉及太阳系呢——假设现在是大夏天,我如果倒满一杯滚烫的开水,因为太烫,就没法喝;要是我往杯里只倒入一点点水,勉强覆盖住杯底,把他在杯壁上晃一晃,水就会降下温来,但水太少,根本无法解渴。现在让我们设定这样一个问题:到底该往杯里一次倒入多少毫克单位(mg)的水,才能使我立即喝水时,既不烫嘴又尽量解渴?当这个问题的精度是毫克级时,会涉及很多因素以及因素之间的关系,非常复杂:

(1) 我的嘴对温度的适应范围是多少?毕竟是我来喝水嘛.这个范围越小,解决问题的精度要求就越大.

(2) 需要测定水的初始温度是多少?初始温度越低越不容易烫到我。

(3) 杯子的初始温度是多少?杯子如果刚在冰箱里冰镇过,水一倒进来温度就会降低不少.

(4) 杯子的导热率是多少?当杯内水的温度比杯外温度高时,杯子的导热率越大,那么水的温度通过杯子传递给室内空气的效率就越高.

(5) 室内的温度是多少?室内温度越低,杯里的水就越容易凉下来;室内温度越高,杯里的水就越不容易凉下来;

(6) 室内温度还取决于门窗及墙壁的导热率.导热率越大,那么水的温度通过杯子传递给室内空气再传递给室外空气的效率就越高.

(7) 室内温度又取决于室外温度的大气温度.是晴天还是阴天,温度是不同的.所以要实时测量云层的状况.

(8) 室外温度还取决于地球上的季节,如果是冬天,天寒地冻,那么水凉得快些;如果是夏天,天气很炎热,水很长时间都不会凉。这就涉及到地球以外的重要因素太阳了,地球上的季节是由地球绕太阳公转的位置和距离决定的.

(9) 倒水时精确到毫克,恐怕要用一台有较高精确度的机器来倒.

…… …… …… ……

当问题的解决方案要精确到1mg时,还得安装很多温度传感器在室内、门窗墙壁、室外周围以及低空、中空甚至高空中,还要动用气象卫星实时监测云层对房屋温度的影响,还要请专家研发计算机预测模型,用于预测向杯中倒水的瞬间所涉及的成千上万的各种变动态量及其相互关系……够麻烦吧!

【记者】 晕!

【常远】 人们认识和解决任何问题,都是为了追求某种利益.衡量利益多少的标尺,就是“价值”.系统工程中有个分支叫价值工程(Value Engineering, VE),其基本原理是:

功效(Function, F)

价值(Value, V)=—————————

代价(Cost, C)

这个公式的意思是:任何事物的价值(V),等于这个事物给人带来的功效(F),除以达到功效所需要付出的代价(C)。当我们达到同样的功效(F)时,那个方案付出的代价(C)小,那个方案的价值(V)就高;当我们付出同样的代价(C)时,那个方案得到的功效(F)大,那个方案的价值(V)就高;当我们得到较低的功效(F)时,付出的代价(C)更小,价值(V)仍然会更高;当我们付出较高的代价(C)时,得到的功效(F)更大,价值(V)仍然会更高.

比如同学们从宿舍去水房提水,一条路有600米,另一条路有100米,您肯定会选择走那条100米的路。因此,理性地讲,每个人的行动都在自觉或不自觉地选择价值(V)最大的方案。即便您为了见到一位心理十分仰慕的异性同学,天天故意绕远路去提水,也是符合价值工程原理的,因为您的目标设定了更大的功效(F),除了提水(F1),还有见人(F2)呢!(笑)

上边的那个倒水的例子中,如果投入的代价(C)是几亿元,达到的目的只是为了让我喝杯水,其功效(F)假如只值1元钱的话,那这件事的价值(V)就是几亿分之一了!

【记者】 太得不偿失了!

【常远】 所以,我们的认识与解决任何问题时,需要确定自己为了达到什么样的功效(F),并打算付出多大的代价(C).我们考虑的因素及因素间的关系越多,代价就越大.拿出我们的笔,在“宇宙万物地图”上适当地划出一个圈,圈内就叫“系统”,圈外呢,就叫“系统的环境”,这个圈就叫“系统的边界”.

【记者】 我的理解是:边界划小了,问题解决不了;边界划大了,解决问题的代价就变大了.

【常远】 可以这么说!但由于世界的复杂性,边界到底该划多大,常常是很难确定的.