4.2 霍尔系统工程方法论

系统工程方法论中出现较早、影响最大的是美国学者霍尔（A. D. Hall，1924—2006）提出的系统工程方法论。它采用三维结构图表示，又称为Hall系统工程三维结构。

A. D. Hall长期任职于美国贝尔电话公司，是IEEE资深会员，并且担任美国费城宾夕法尼亚大学莫尔电气工程学院系统工程兼职教授。他对系统工程方法论进行了不懈的研究，1962年出版专著A Methodologyfor System Engineering，即《系统工程方法论》，1968年发表文章Three-Dimensional Morphology of Systems Engineering，即《系统工程三维形态》。

A. D. Hall认为：对系统工程项目研究作一番观察，可以看到三个基本维度——时间维、逻辑维和专业维。如图4-1所示。

1．时间维（粗结构）

对一个具体的工程项目，从规划工作开始一直到系统更新，它的全过程可分为如下7个阶段（phases）。

（1）规划阶段：制定系统工程活动的规划和战略对策。

（2）设计阶段：提出具体的计划方案。

（3）研制阶段（系统开发）：提出系统的研制方案，并制定生产计划。

（4）生产阶段：生产出系统的构件和整个系统，提出安装计划。

（5）安装阶段：对系统进行安装和调试，提出系统的运行计划。

（6）运行阶段：系统按照预期目标运作和服务。

（7）更新阶段：以新系统取代旧系统，或对原系统进行改进使之更有效地工作。

上述7个阶段是按时间先后次序排列的，故有“时间维”之称。这种划分，又称为系统工程方法论的“粗结构”。

2．逻辑维（细结构）

将时间维的每一个阶段展开，都可以划分为若干个逻辑步骤（steps），展示出系统工程的细结构，这就是逻辑维。Hall把每一个阶段分为7个工作步骤，即摆明问题，确定目标，系统综合，系统分析，系统评价，决策，实施。

1）摆明问题

收集各种有关资料和数据，把问题的历史、现状、发展趋势以及环境因素搞清楚，把握住问题的实质和要害，使有关人员做到心中有数。为了把问题的实质、要害搞清楚，就要进行调查研究。调查研究工作主要从以下两方面入手。

（1）环境方面的调查研究。新系统产生于特定的环境；新系统的约束条件决定于环境；领导的决策的依据来自环境；新系统试制所需的资源来自环境；最后，系统的品质也只能放在环境中进行评价。环境因素可分为三类：

①物理和技术的环境，主要包括：

（a）已有的系统；

（b）用于已有系统的方法；

（c）已执行的技术标准；

（d）内部技术情况；

（e）自然环境；

（f）过渡因素；

（g）目前和将来的试制条件；

（h）外部技术情况。

②经济和事务的环境，主要包括：

（a）组织结构和人员；

（b）政策法令；

（c）领导的气质和偏好；

（d）价格结构；

（e）新系统的经济条件；

（f）事务的运作情况（包括从制作资金平衡表和收入报告，到准备用户账单或报表的各种会计职能工作等）。

③社会环境，主要包括：

（a）大规模的社会因素；

（b）个别的因素；

（c）可能的偶然因素。

（2）需求方面的调查研究。从广义来说，需求研究属于环境研究的一个方面，但是，由于需求研究具有特别的重要性，故有必要着重进行分析研究。

需求研究有下列6项要点：

①需求的一般指标；

②可配置的资源和约束；

③计划情况和市场特性；

④竞争状况；

⑤用户的购买力及其动机、爱好和习惯；

⑥来自需求研究的设计要求。

2）确定目标（系统指标设计）

目标问题关系到整个任务的方向、规模、投资、工作周期和人员配备等，因而是十分重要的环节。细分的目标又称为“指标”。系统问题往往具有多目标（多指标），在摆明问题的前提下，应该建立明确的目标体系（又称为指标体系），作为衡量各个备选方案的评价标准。

在第二次世界大战中有一个著名的例子：商船是否要安装高射炮的问题，曾引起争论。有人用击落敌机的概率作为指标。据统计，商船上安装的高射炮击落来犯敌机的概率只有4%，似乎不合算，应该把这些高射炮转移到地面的高射炮阵地上。但是，有人提出商船装高射炮的目的不在于击落敌机，而在于威胁敌机使之不敢低飞投弹从而保护自己，因此，应以商船被击沉率作为评价指标。统计表明：不装高射炮的商船被击沉的比例是25%，安装高射炮的商船被击沉的比例是10%。所以问题的结论很明确：商船应该安装高射炮。今天的系统问题往往要复杂得多。

在确定目标和指标时应注意以下8条原则：

（1）要有长远观点：选择对于系统的未来有重大意义的目标和指标。

（2）要有总体观点：着眼于系统的全局利益，必要时可以在某些局部作出让步。

（3）注意明确性：目标务必具体明确，力求用数量表示。

（4）多目标时应注意区分主次、轻重、缓急，以便加权计算综合评价值。

（5）权衡先进性和可行性：目标应该是先进而经过努力可以实现的，要注意实现目标的约束条件。

（6）注意标准化：以便于同国际国内的同类系统进行比较，争取先进水平。

（7）指标数不宜过多，不要互相重叠与包含。

（8）指标计算宜简不宜繁，尽量采用现有统计口径的指标或者利用简单换算可以得到的指标。

我国一般工程项目在制定目标时考虑下述4个方面：

（1）运行目标，包括重要的技术指标。

（2）经济目标，包括直接的与间接的经济效益。

（3）社会目标，包括项目与国家方针政策符合的程度和社会效益。

（4）环境目标，包括环境保护与可持续发展。

目标的制定应由领导部门、设计部门、生产部门、用户、投资者和舆论界等方面共同参与，以求目标体系全面、准确。目标一经制定，不得单方面更改。

目标体系中往往会有相互矛盾的目标出现。处理矛盾的方法有两种：一种是剔除次要目标，建立无矛盾的目标体系；另一种是让矛盾的目标共存，折中兼顾。

3）系统综合（形成系统方案）

系统综合要反复进行多次。第一次的系统综合是指按照问题的性质、目标、环境、条件拟定若干可能的粗略的备选方案。没有分析便没有综合，系统综合是建立在前面的两个分析步骤（摆明问题，确定目标）上的。没有综合便没有分析，系统综合又为后面的分析步骤打下基础。

4）系统分析

系统分析是指演绎各种备选方案，使之优化。对于每一种方案建立各种模型，进行计算分析，得到可靠的数据、资料和结论。系统分析主要依靠模型（实物模型与非实物模型，尤其是数学模型）来代替真实系统，利用演算和模拟代替系统的实际运行，选择参数，实现优化。在系统分析的过程中，可能形成新的方案。系统工程的大量工作是系统分析，所以有人宁愿把系统工程称作系统分析，例如著名的系统工程研究机构国际应用系统分析研究所（IIASA）、兰德公司（RAND）都以系统分析著称，见附录C、D。

5）系统评价

在一定的约束条件下，我们希望选择最优方案。系统评价就是根据方案对于系统目标满足的程度，对多个备选方案作出综合评价，从中区分出最优方案、次优方案和满意方案送交决策者。这是又一次系统综合。注意：送交决策者的方案至少要有两个（不含下面说的零方案），一般是3~5个。

6）决策

由决策者选择某个方案来实施。出于各方面的考虑，领导选择的方案不一定是最优方案。应该注意：什么也不干，维持现状，也是一种方案，称为“零方案”。在确认有别的方案比它优越之前，不要轻易否定它。

根据系统工程的咨询性，决策步骤并非系统工程人员的工作。但是对于决策技术的研究，则是系统工程的课题之一。

7）实施

将决策选定的方案付诸实施，转入下一个阶段。

应当注意，在决策或实施中，有时会遇到送交决策的各个方案都不满意的情况。这时就有必要回到前面某个逻辑步骤重新开展研究，然后再提交决策。这种反复有时会出现多次，直到决策者接受为止。

综上所述，逻辑维中的逻辑步骤及其相互关系可用图4-2表示。在此过程中，不但从决策步骤可以返回到前面某一个步骤，从中间步骤也可以返回到前面某一个步骤。有的步骤要经过多次反复才能完成。步骤（2）~（5）分别可以由后面的步骤返回来做，也可以由它们分别返回到前面的某一个步骤去做，所以它们的左边连线都没有画箭头，表示可进可出。

以上逻辑步骤的进行，其时间先后要求并不是很严格。步骤的划分也不是绝对的，有的把一个步骤分成几个步骤来做；有的则反之，这要根据需要而定。

3．活动矩阵

把时间维与逻辑维结合起来形成一个二维结构A={aij}7×7，称为系统工程的活动矩阵，如表4-1所示。

活动矩阵的元素aij可以清楚地显示人们是在哪一个阶段做哪一步工作。例如a12表示在规划阶段确定目标；a21表示在设计阶段摆明问题；a36表示在研制阶段作出决策等。这样，就可以明确各项具体工作在全局中的地位和作用，做到心明眼亮，总揽全局。

系统方案的产生过程具有迭代性与收敛性两大特点。表4-1所述的系统工程展开过程借用希腊传说中的丰收女神Almathea之神羊角来比喻是十分形象的，如图4-3所示。丰收女神的神羊角原来是说：羊角号一吹，各种财富就源源不断地涌现出来。现在是说，以各种信息、物质、能量从左边输入，通过神羊角螺旋式地加工收缩，最后产生出一个理想的系统。

从神羊角的大头向里看，得到图4-4，霍尔称为系统工程活动的超细结构。它显示出开展系统工程活动的全过程，它以逻辑维的7个步骤为一个循环周期（一个阶段），经过多次循环而汇聚为一个理想的系统。

4．专业维与三维结构

系统工程可分为许多专业。以二维结构为基础，增加第三维——专业维，即形成系统工程的三维结构，如图4-1所示。

A. D. Hall说：“第三维涉及界定一个特定的学科（discipline）、专业（profession）或技术（technology）所需的事实、模型和程序等主体内容。这一维可用正规化或数学化结构的程度来度量。坐标刻度顺着箭头方向表示正规化程度递减，其区间分隔依次为工程、医学、建筑、商业、法律、管理、社会科学以及艺术。”

有些资料把第三维写作Knowledge，中文译为“知识维”，望文生义地说“系统工程需要多方面的知识”，这不符合A. D. Hall的原意。

钱学森院士1979年曾提出系统工程的14门专业，如表3-1所示。我们可以用表3-1所列的14门专业来代替图4-1的专业维坐标。这样，三维结构可以看成高达14层的宏伟大厦。随着系统工程的发展，这座大厦还在不断增高，例如还可以加上能源系统工程、交通系统工程、金融系统工程、物流系统工程和城市系统工程等。这些专业在第三维坐标轴上的排列次序仍然按照A. D. Hall说的规则确定。