霍爾的三維結構模式

霍爾三維結構又稱霍爾的系統工程，後人與軟系統方法論對比，稱為硬系統方法論（HardSystemMethodology,HSM）。是美國系統工程專家霍爾(A·D·Hall)等人在大量工程實踐的基礎上，於1969年提出的一種系統工程方法論。其內容反映在可以直觀展示系統工程各項工作內容的三維結構圖中。霍爾三維結構集中體現了系統工程方法的系統化、綜合化、最最佳化、程式化和標準化等特點，是系統工程方法論的重要基礎內容。

基本介紹

• 中文名：霍爾的三維結構模式
• 外文名：HardSystemMethodology,HSM
• 又稱：霍爾的系統工程
• 提出：1969年

基本信息

霍爾的三維結構模式的出現，為解決大型複雜系統的規劃、組織、管理問題提供了一種統一的思想方法，因而在世界各國得到了廣泛套用。霍爾三維結構是將系統工程整個活動過程分為前後緊密銜接的七個階段和七個步驟，同時還考慮了為完成這些階段和步驟所需要的各種專業知識和技能。這樣，就形成了由時間維、邏輯維和知識維所組成的三維空間結構。其中，時間維表示系統工程活動從開始到結束按時間順序排列的全過程，分為規劃、擬定方案、研製、生產、安裝、運行、更新七個時間階段。邏輯維是指時間維的每一個階段內所要進行的工作內容和應該遵循的思維程式，包括明確問題、確定目標、系統綜合、系統分析。最佳化、決策、實施七個邏輯步驟。知識維列舉需要運用包括工程、醫學、建築、商業、法律、管理、社會科學、藝術、等各種知識和技能。三維結構體系形象地描述了系統工程研究的框架，對其中任一階段和每一個步驟，又可進一步展開，形成了分層次的樹狀體系。下面將邏輯維的7個步驟逐項展開討論，可以看出，這些內容幾乎覆蓋了系統工程理論方法的各個方面。

如詞條附圖所示，霍爾三維結構是由時間維、邏輯維和知識維組成的立體空間結構。

結構分析

邏輯維（解決問題的邏輯過程）

運用系統工程方法解決某一大型工程項目時，一般可分為七個步驟：

1.明確問題

霍爾的三維結構模式

由於系統工程研究的對象複雜，包含自然界和社會經濟各個方面，而且研究對象本身的問題有時尚不清楚，如果是半結構性或非結構性問題，也難以用結構模型定量表示。因此，系統開發的最初階段首先要明確問題的性質，特別是在問題的形成和規劃階段，搞清楚要研究的是什麼性質的問題，以便正確地設定問題，否則，以後的許多工作將會勞而無功。造成很大浪費。國內外學者在問題的設定方面提出了許多行之有效的方法，主要有:

(1)直觀的經驗方法。這類方法中，比較知名約有頭腦風暴法(Brain Storming)，又稱智暴法、5W1H法、KJ法等，日本人將這類方法叫做創造工程法。這一方法的特點是總結人們的經驗，集思廣益，通過分散討論和集中歸納，整理出系統所要解決的問題。

(2)預測法。系統要分析的問題常常與技術發展趨勢和外部環境的變化有關，其中有許多未知因素，這些因素可用打分的辦法或主觀機率法來處理。預測法主要有德爾菲法、情景分析法、交叉影響法、時間序列法等。

(3)結構模型法。複雜問題可用分解的方法，形成若干相關聯的相對簡單的子問題，然後用網路圖方法將問題直觀地表示出來。常用的方法有解釋結構模型法(ISM法)、決策實驗室法(DEMATEL法)、圖論法等。其中，用圖論中的關聯樹來分析目標體系和結構，可以很好地比較各種替代方案，在問題形成、方案選擇和評價中是很有用的。

(4)多變數統計分析法。用統計理論方法所得到的多變數模型一般是非物理模型，對象也常是非結構的或半結構的。統計分析法中比較常用的有因子分析法、主成份分析法等，成組分析和正則相關分析也屬此類。此外，還有利用行為科學、社會學、一般系統理論和模糊理論來分析，或幾種方法結合起來分析，使問題明確化。

2.建立價值體系或評價體系

評價體系要回答以下一些問題:評價指標如何定量化，評價中的主觀成分和客觀成分如何分離，如何進行綜合評價，如何確定價值觀問題等。行之有效的價值體系方法有以下幾種。

(1)效用理論。該理論是從公理出發建立的價值理論體系，反映了人的偏好，建立了效用理論和效用函式，並發展為多屬性和多隸屬度效用函式。

(2)費用/效益分析法。多用於經濟系統評價，如投資效果評價、項目可行性研究等。

(3)風險估計。在系統評價中，風險和安全性評價是一個重要內容，決策人對風險的態度也反映在效用函式上。在多個目標之間有衝突時，人們也常根據風險估計來進行折衷評價。

(4)價值工程。價值是人們對事物優劣的觀念準則和評價準則的總和。例如，要解決的問題是否值得去做，解決問題的過程是否適當，結果是否令人滿意等。以生產為例，產品的價值主要體現在產品的功能和質量上，降低投入成本和增加產出是兩項相關的準則。價值工程是個總體概念，具體體現在設計、製造和銷售各個環節的合理性上。

3、系統分析

不論是工程技術問題還是社會環境問題，系統分析首先要對所研究的對象進行描述，建模的方法和仿真技術是常採用的方法，對難以用數學模型表達的社會系統和生物系統等，也常用定性和定量相結合的方法來描述。系統分析的主要內容涉及以下幾方面。

(1)系統變數的選擇。用於描述系統主事狀態及其演變過程的是一組狀態變數和決策變數，因此，系統分析首先要選擇出能反映問題本質的變數，並區分內生變數和外生變數，用靈敏度分析法可區別各個變數對系統命題的影響程度，並對變數進行篩選。

(2)建模和仿真。在狀態變數選定後，要根據客觀事物的具體特點確定變數間的相互依存和制約關係，即構造狀態平衡方程式，得出描述系統特徵的數學模型。在系統內部結構不清楚的情況下，可用輸入輸出的統計數據得出關係式，構造出系統模型。系統對象抽象成模型後，就可進行仿真，找出更普遍、更集中和更深刻反映系統本質的特徵和演變趨勢。現已有若干實用的大系統仿真軟體，如用於隨機服務系統的GPSS軟體，用於複雜社會經濟系統仿真的系統動力學 (SD)軟體等。

(3)可靠性工程。系統可靠性工程是研究系統中元素的可靠性和由多個元素組成的系統整體可靠性之間的關係。一般講，可靠的元件是組成可靠系統的基礎，然而，局部的可靠性和整體可靠性間並非簡單的對應關係，系統工程強調從整體上來看問題。在40年代，馮·諾依曼(Von Neumann)開始研究用重複的不那么可靠的元件組成高度可靠系統的問題，並進行了可靠性理論探討。錢學森教授也提出，現在大規模積體電路的發展使元器件的成本大大降低，如何用可靠性較低的元器件組成可靠性高的系統，是個很有現實意義的問題。近年來，己採用的可靠性和安全性評價方法有FTA或ETA等樹狀圖形方法。

4、系統綜合

系統綜合是在給定條件下，找出達到預期目標的手段或系統結構。一般來講，按給定目標設計和規劃的系統，在具體實施時，總與原來的構想有些差異，需要通過對問題本質的深入理解，作出具體解決問題的替代方案，或通過典型實例的研究，構想出系統結構和簡單易行的能實現目標要求的實施方案。系統綜合的過程常常需要有人的參與，計算機輔助設計(CAD)和系統仿真可用於系統綜合，通過人機的互動作用，51人人的經驗知識，便系統具有推理和聯想的功能。近年來，知識工程和模糊理論已成為系統綜合的有力工具。

5、系統方案的最佳化選擇

在系統的數學模型和目標函式已經建立的情況下，可用最最佳化方法選擇便目標值最優的控制變數值或系統參數。所謂最佳化，就是在約束條件規定的可行域內，從多種可行方案或替代方案中得出最優解或滿意解。實踐中要根據問題的特點選用適當的最最佳化方法，目前套用最廣的仍是線性規劃和動態規劃，非線性規劃的研究很多，但實用性尚有待改進，大系統最佳化已開發了分解協調的算法。組合最佳化適用於離散變數，整數規劃中的分枝定界法，逐次逼近法等的套用也很廣泛。多目標最佳化問題的最優解處於目標空間的非劣解集上，可採用人機互動的方法處理所得的解，最終得到滿意解。當然，多目標問題也可用加權的方法轉換成單目標來求解，或按目標的重要性排序，逐次求解，例如目標規劃法。

6.決策"決策就是管理"，"決策就是決定"，人類的決策管理活動面臨著被決策系統的日益龐大和日益複雜。

決策又有個人決策和團體決策、定性決策和定量決策、單目標決策和多目標決策之分。戰略決策是在更高層次上的決策。在系統分析和系統綜合的基礎上，人們可根據主觀偏好、主觀效用和主觀機率做決策。決策的本質反映了人的主觀認識能力，因此，就必然受到人的主觀認識能力的限制。近年來，決策支持系統受到人們的重視，系統分析者將各種數據、條件、模型和算法放在決策支持系統中，該系統甚至包含了有推理演繹功能的知識庫，便決策者在做出主觀決策後，力圖從決策支持系統中儘快得到效果反應，以求得到主觀判斷和客觀效果的一致。決策支持系統在一定條件下起到決策科學化和合理化的作用。但是，在真實的決策中，被決策對象往往包含許多不確定因素和難以描述的現象，例如，社會環境和人的行為不可能都抽象成數學模型，即使是使用了專家系統，也不可能將邏輯推演、綜合和論證的過程做到像人的大腦那樣，有創造性的思維，也無法判斷許多隨機因素。群決策有利於克服某些個人決策中主觀判斷的失誤，但群決策過程比較長。為了實現高效率的群決策，在理論方法和套用軟體開發方面，許多人做了大量工作。如多人多目標決策理論、主從決策理論、協商談判系統、衝突分析等，有些套用軟體已實用化。

7.制定計畫有了決策就要付諸實施，實施就要依靠嚴格的有效的計畫。

以工廠為例，為實現工廠的生產任務和發展戰略目標，就要制定當年的生產計畫和未來的發展規劃。廠內還要按廠級、車間級和班組級分別制定實施計畫。一項大的開發項目，涉及設計、開發、研究和施工等許多環節，每個環節又涉及組織大量的人、財、物。在系統工程中常用的計畫評審技術(PERT)和關鍵路線法(CPM)在制定和實施計畫方面起了重要的作用。

時間維（工作進程）

對於一個具體的工作項目，從制定規划起一直到更新為止，全部過程可分為七個階段：

①規劃階段。即調研、程式設計階段，目的在於謀求活動的規劃與戰略；

②擬定方案。提出具體的計畫方案。

③研製階段。作出研製方案及生產計畫。

④生產階段。生產出系統的零部件及整個系統，並提出安裝計畫。

⑤安裝階段。將系統安裝完畢，並完成系統的運行計畫。

⑥運行階段。系統按照預期的用途開展服務。

⑦更新階段。即為了提高系統功能，取消舊系統而代之以新系統，或改進原有系統，使之更加有效地工作。

知識維（專業科學知識）

系統工程除了要求為完成上述各步驟、各階段所需的某些共性知識外，還需要其他學科的知識和各種專業技術，霍爾把這些知識分為工程、醫藥、建築、商業、法律、管理、社會科學和藝術等。各類系統工程，如軍事系統工程、經濟系統工程、信息系統工程等。都需要使用其它相應的專業基礎知識。