工业工程概论课件第5章IE与系统工程学.ppt

1 工业工程概论 第 1 章 工业工程的概念与意识 2 第 2 章 工业工程的发展与应用 2 第 3 章 工业工程的学科构成 2 第 4 章 IE与运筹学 OS 2 第 5 章 IE与系统工程学 SE 2 Date工业工程 2 第5章 IE与系统工程 5.1 系统的概念 5.2 系统科学的体系 5.3 系统工程的内涵 5.4 系统工程的方法 5.6 系统工程的应用 Date工业工程 3 5.1 系统的概念 5.1.1 古代系统思想 5.1.3 系统的定义 5.1.2 系统的分类 Date工业工程 4 5.1.1 古代系统思想 图1 伏羲古太极图 伏羲古太极图蕴涵了古代中国人的 系统思想（见图1-1）。易经试 图用阴阳五行八卦论来说明统一的 世界，或把五行（金木水火土）作 为构成万物的基本要素，或把八卦 （从自然界中找出的8种事物：天地 雷风水火山泽）看作万物之源。战 国时的子思、孟子提出了“天人合一” 的思想。这些学说都把宇宙看作一 个整体。 古希腊思想家亚里士多德提出了著 名论点“整体大于它的各部分的总和” 。 图1 伏羲古太极图 Date工业工程 5 5.1.2 系统的定义 1994年我国系统科学大辞典的系统（System）定义： 系统是由相互联系、相互作用的要素组成的，具有一定结构 和功能的有机整体。 1986至1998年汪应洛院士给出的系统定义是： 系统是具有特定功能的、相互间具有有机联系的许多要素构 成的一个整体。 构成一个系统必须具备三个条件： 系统由两个以上的要素组成； 要素之间存在着相互联系、相互作用（interaction）； 系统具有不同于各个组成要素的整体功能。 Date工业工程 6 5.1.2 系统的定义 系统包含了以下6个基本概念：图4 （1）要素。又称元素。是系统的组成部分，又称为子系统。 （2）结构。系统各个要素相对稳定的相互联系、相互作用的方式 （3）功能。系统整体在内部与外部的联系中表现的作用和能力 （4）边界。系统所包含的要素的界限，结构表明须有确定边界 （5）环境。存在于系统外与系统发生作用的各种因素的总体。 功能表明系统需要与环境发生关系。 （6）输入。通过边界进入到系统的事物。 输出。通过边界进入到环境的事物。 Date工业工程 7 图4 系统的概念 （1）Elements Components Subsystem （2）Structure （3）Function （4）Boundary （5）environment （6）Input/Output 边界 要素 联系 系统 环境 输出输入 图4 系统的概念 功能：转换 结构 Date工业工程 8 5.1.3 系统的分类 系统形态的分类如表1所示。 复合系统（Compound systems）是指 几种类型的系统互相重合和嵌套所组成的系统。 大多数系统是自然系统与人工系统的复合系统。 在多数情况下物质系统和概念系统是结合的。 生产系统既有物质系统（设备），也有概念系统（知识） 。 Date工业工程 9 表 1 系统的分类 划分依据系统类 型 实实例 系统起源 自然系统统 Natural systems 海洋系统，天体系统，生物系统 人工系统统 Artificial systems 工程系统，社会系统，管理系统 要素性质 物质质系统统 Physical systems 矿藏系统，生物系统，技术系统 概念系统统 Conceptual systems 法律系统，文学系统，艺术系统 要素数量 简单简单 系统统 Simple systems 原子系统，简单工具 复杂杂系统统 Complex systems 生命系统，生产系统，社会系统 与时间 关系 动态动态 系统统 Dynamic systems 气象系统，生物系统，生产系统 静态态系统统 Static systems 建筑物，地图 与外界作用孤立系统统 Island systems 宇宙飞船的密封仓 封闭闭系统统 Closed systems 外加磁/电场中的磁/电介质系统 开放系统统 Open systems 生命系统，经济系统，社会系统 认识论 黑色系统统 Black systems 银河系外遥远星座，待设计产 品 白色系统统 Whitening systems 可拆卸的机器，已解决的问题 灰色系统统 Grey systems 农业系统，人体系统 Date工业工程 10 1.1 系统的基本概念 1.1.1 系统的定义与分类 1.1.2 系统科学与系统工程 1.1.3 人工系统的分类 Date 工业工程 11 5.2 系统科学的体系 系统科学（System science） 它是以系统为研究和应用对象的一个科学技术的门类。 它是现代科学技术体系中的一大门类。 中国著名科学家钱学森于20世纪70年代末提出了系统科学体 系的三个层次结构，如图5所示。 工程技术层次是直接优化客观世界的知识。 技术科学层次是指导工程技术的理论。 基础科学层次是研究系统的基本属性与一般规律的学科。 系统科学通向哲学的桥梁是系统论。 Date工业工程 12 图5 系统科学的体系 图5 系统科学的体系 系统学 运筹学控制论 系统工程自动化技术 信息论 通信技术 技术科学 工程技术 基础科学 系统科 学 Date工业工程 13 5.3 系统工程的内涵 现代IE与系统工程功能十分相似，国外有的大学把IE系改名为 I&SE(工业与系统工程)，但两者也是有区别的。 系统工程（System engineering）中的系统与工程均有其特殊的含义 。 系统是只包括属于人工系统及复合系统这类性质的系统，不包括 自然系统。 工程是指造物的学问，是“工程学”的简称。不是指造物的工作过程。 1971年日本寺野寿郎认为 系统工程学就是使从无到有的创造过程合理化的科学。 1975年美国科学技术辞典的定义是： 系统工程是研究彼此密切联系的许多要素所构成的复杂系统的设 计的科学。 1994年我国系统科学大辞典的定义是： 系统工程是门统筹全局综合协调研究系统的科学技术， 是系统开发、设计、实施和运用的工程技术。 Date工业工程 14 5.3 系统工程的内涵 钱学森指出：“系统工程是组织管理系统的规划、研 究、设计、制造和使用的科学方法，是一种对所有系统都具 有普遍意义的科学方法。” 系统工程根据总体协调的需要，综合应用自然科学和社 会科学中有关的思想、理论和方法，利用电子计算机作为工 具，对系统的结构、要素、信息和反馈等进行分析、综合、 模拟、最优化，以达到最优规划、最优设计、最优管理和最 优控制的目的。 系统工程的原理和方法，适用于一切系统(包括物质的 和非物质的)，如自然系统、社会经济系统、经营管理系统 ，而不限于某种特定的工程物质对象。 系统工程作为最通用的工程技术，为现代工业工程及管 理工程、制造工程等提供了重要的方法论和基本方法。 Date工业工程 15 5.3 系统工程的内涵 系统工程的研究对象主要是复杂的人工系统。 系统工程作为一种科学方法，最初是在20世纪40年代由美 国贝尔电话公司在设计电话通讯网络时提出的。 系统工程作为一种工程技术，主要包括两大技术: 系统分析是对已有的系统用系统方法进行定量分析以帮助 进行有效决策。 系统设计是设计出能满足预定目标要求的新的系统。 Date工业工程 16 例 “阿波罗”载人登月 系统工程的典型运用是美国阿波罗工程（Apollo project）。 工程开始于1961年5月，至1972年12月第6次成功登月结束，历 时11年，耗资255亿美元，仅科研课题就有5万多项。 在项目高峰期，参加研制的有2万多家企业、200多所大学和80 多个科研机构，总人数超过30万人，使用大型计算机600台。 共发射了17枚飞船。阿波罗飞船全部构件达300多万个。 如此庞大而复杂的系统，如果有一个环节发生故障或延时完成 ，都会使登月飞船无法按期发射。 正是由于采用了系统工程的方法，才顺利完成了计划。它是复 杂系统工程的光辉典范。 Date工业工程 17 图6 人类首次登上月球 阿波罗在进行了6次不载人试验和 4次载人试验之后，1969年7月20 日，“阿波罗11号”宇宙飞船把两 名美国宇航员阿姆斯特朗和奥尔 德林送上了遥远的月球，使“嫦 娥奔月”的神话成为现实。人类 第一次在另外的星球上留下了足 迹。两名宇航员在月球上漫游了2 小时31分钟，拍摄了月球景色、 装置了科学仪器、采集了月球的 岩石和土壤标本，安全返回地面 。 图6 人类首次登上月球 阿波罗11号飞船的航天员(1969.7.21) Date工业工程 18 5.4 系统工程的方法 5.4.1 霍尔三维结构 5.4.2 工业工程方法论的体系 5.4.3 系统方法的特点 5.4.4 系统方法的类型 系统分解 系统分析 系统综合 系统评价 系统设计 Date工业工程 19 5.4.1 霍尔三维结构 图7 美国通信工程师、系统 工程专家霍尔（A.D. Hall）1969年提出了 “霍尔三维结构”。已 成为广泛采用的方法论 。 时间维。系统工程活动 从开始到结束按时间顺 序排列的全过程，7个 阶段。 逻辑维。时间维的每一 个阶段内所要进行的工 作内容和应该遵循的思 维程序， 7个步骤。 知识维。为完成这些阶 段和步骤所需要的各种 专业知识和技能。图7 霍尔三维结构图 时间 知识 逻辑 明确问题 确定目标 系统综合 系统分析 优化 实施 规划 拟定方案 更新 研制 生产 安装 阶段 艺术 社会科学 管理 法律 商业 建筑 医学 工程 决策 运行 步骤 知识和技能 Date工业工程 20 5.4.2 工业工程方法论的体系 IE专门技术与系统工程方法 相结合现代IE的标志之一。 在IE的研究与应用中，要充 分认识其方法论的意义和系 统工程在整个IE方法与技术 体系中的支配地位。 参照系统工程中的霍尔三维 结构，可将IE方法论的形式 体系归结为图8。 图8 工业工程方法论体系 系统工程 计算机技术 工业工程专门技术 管理科学 社会及人文科学 应用数学 工程技术 系统诊断与分析 系统规划与设计 系统实施与运行 系统评价和改善 工作阶段 知识方法 问题说明 逻辑步骤 目标探索 方案综合 分析权衡 评价抉择 Date工业工程 21 5.4.3 系统方法的特点 系统方法(system method)，就是按照事物本身的 系统性，把研究对象放在系统的形式中加以考察 、认识和处理的一种方法。 即从系统的观点出发，着眼于系统与要素、要素 与要素、系统与环境之间的相互联系和相互作用 的关系中，综合地、精确地考察系统，以掌握系 统的本质与运动规律和达到满意地处理问题的一 种方法。 Date工业工程 22 5.4.3 系统方法的特点 与传统方法相比，系统方法有如下的特点： (1)整体性。系统方法特别强调对事物整体性的研究。 (2)综合与分析的辩证统一。系统方法采用 综合分析综合 的模式，把综合与分析通过反馈耦合成双向性思维。 (3)优化。确定系统优化目标，使系统结构合理、内外协调， 达到整体优化的目的。 (4)定性研究与定量研究的有机结合。系统方法不仅可以定性 地揭示系统的属性和机制，而且可以借助现代数学和计算 机定量地描述系统的运动状态和规律。 Date工业工程 23 5.4.4 系统方法的类型 根据系统工程的原理， 就系统设计的过程而言， 系统方法包括： 系统分解 系统分析 系统综合 系统评价 如图9所示 下面介绍这4种方法 图9 系统设计的过程 系统综合 Y 设计结果 系统分析 系统的要求 系统评价 满意? N 系统分解 Date工业工程 24 5.4.4.1 系统统分解 （1）系统分解 (Systems decompose)的定义 系统分解是把系统整体分成多个部分的过程。 即，把复杂的系统分解为若干个相互联系的、相对比较 简单的子系统，各子系统还可再分解为更小的子系统， 依次逐级分解，直至能进行适宜的分析和设计为止。 这是系统设计的首要方法。 Date工业工程 25 5.4.4.3 系统分析 系统分析 (Systems analysis) (1)系统分析的定义。系统分析是从系统的整体效益出发，采 用建模、优化、仿真和评价等方法，对系统的特定问题进 行定性和定量分析，为选择最优或满意的系统方案提供决策 根据的一种决策方法。 系统分析的目的是帮助决策。它不同于一般的技术经济 分 析，它不仅要分析系统本身技术经济 方面的有关问题，还 要分析内、外系统之间及系统内部各子系统之间的联系因 素。由于系统中存在着许多矛盾和不确定的因素，所以没有 一个通用的系统分析方法。分析对象和目的的不同，所用分 析方法也不同。广义上把系统分析等同于系统工程。 ？ n 螺旋传动 s Date工业工程 26 5.4.4.3 系统分析 （2）系统分析的一般步骤： 明确系统的目的、要求和目标。 收集资料，拟定方案。 建立系统模型。 进行优化计算或仿真实验。把计算、实验、分析的结果同 预定的目标进行比较和评价。 给出推荐方案。把少数较好的可行方案整理成完整的综合 资料，作为决策者选择最优或满意的系统方案的主要依据。 （3）系统分析的基本要素： 问题，目的或目标，方案，模型，评价和决策者。 （4）系统分析的特点： 问题导向，以整体为目标，多方案模型分析和选优， 定量分析与定性分析相结合，需多次反复进行。 Date工业工程 27 5.4.4.3 系统综统综 合 系统综合 (Systems syntheses) 系统综合是不断将分解的各个要素和它们的相互关系加以综 合，形成一个相应的小系统，再将各个小系统逐阶综合成 为个大系统的过程。 系统综合不是将已经分解了的要素按原来的联系机械地重新 拼接起来，使之复原成原来的整体系统，而是根据系统分解 得到的各要素之间、要素与系统之间、系统与环境之间的 联系特性，在总目标的支配下，寻求各要素之间新的优化 结构，重新把各种要素组织起来，创演出更适应于目的要求 的新的系统整体。所以说系统综合是一个复杂的创新过程 。 系统综合常是系统分析的逆过程，两者互为因果，对立统 一。 ？ n X 传动 s Date工业工程 28 5.4.4.4 系统评统评 价 系统评价 (Systems evaluation) 对新设计的系统或改进的系统，根据预定的目标要求，用系 统分析的方法，从技术、经济、社会、生态等方面对系统设 计的各种方案进行评审和选择，以确定最优或次优或满意的 系统方案。 系统评价分为：事前评价、中间评价、事后评价和跟踪评价 。 对于不同的系统，其评价项目、评价标准和评价方法也不尽 相同。评价对象的价值与评价人员的主观因素(经验及其评 价的角度)有关，因此系统不存在绝对的价值。 使用计算机评价程序，使系统评价速度加快，结果更加全面 、正确、可靠。 最优 满意 Date工业工程 29 5.4.4.4 系统评价 评价是IE的基本功能之一。IE活动中充满着对方案的选择， 随时随地都需要系统评价方法的支持。 系统评价：是对新开发的或改建的系统，根据预定的系统目 标，从技术、经济、社会等多方面对各种非劣的系统方案进 行评审和选择，以确定满意的行动方案的过程。 系统评价应考虑的基本问题： 评价主体、评价对象、评价目的、评价时间、评价地点。 有代表性的系统评价方法： 费用效益分析法 数据包络分析法 模糊综合评定法 层次分析法 关联矩阵法 评分法 Date工业工程 30 5.4.4.5 系统设计 （1） 系统设计的概念与类型 系统设计：是在系统分析的基础上，按照系统思想和优化 要求，综合运用各有关学科的知识、技术和经验，通过总 体研究和详细设计等环节，落实到具体工作或项目上，以 创造出满足设计目的的人造系统。 在系统开发过程或整个系统生命周期中， 系统分析着重回答“干什么”的问题， 系统设计主要解决“怎么干”的问题。 系统设计在IE实践中广泛应用，一般分为： 工作系统设计(如生产系统、组织系统) 信息系统设计(如MIS、DSS) 工程系统设计(如机器、建筑物) Date工业工程 31 5.4.4.