系统工程基础理论课件

1、1系统工程基础理论evilkillerIIIS THU2015.01.292一、 系统工程的产生与发展二、 系统工程的概念三、 系统工程方法论3第一节 系统工程的产生与发展什么是系统？日本JIS（工业标准）：系统是许多要素保持有机的秩序，向着同一目的行动的东西。美国学者阿柯夫教授：系统是有由两个或两个以上相互联系的任何类的要素所构成的集合。生物学家冯贝塔朗菲：系统是由相互作用着的诸要素的综合体。汪应洛院士：“系统是有特定功能的、相互间具有联系的许多要素所构成的一个整体”。原子、生物、工程、机构、社会等4（一）系统思想的形成过程第一节 系统工程的产生与发展第一阶段：古代朴素的唯物主义自然观第二阶

2、段：近代形而上学自然观第三阶段：19世纪辩证唯物主义自然观第四阶段：二十世纪中期形成的系统观第五阶段：现代系统理论5 系统思想从经验到哲学到科学，从思维到定性到定量的发展过程。即： 第一阶段:古代农事、工程、医药、天文方面的实践成就，以及建立在这些成就之上的古代中国和古希腊朴素的唯物主义自然观（以抽象的思辨原则来代替自然现象的客观联系）； 第二阶段:近代自然科学的兴起，以及由此产生的形而上学自然观（把自然界看作彼此不相依赖的各个事物或各个现象的偶然堆积）； 6 第三阶段:19世纪自然科学的伟大成就，以及建立在这些成就基础之上的辩证唯物主义自然观（以实验材料来说明自然界是有内部联系的统一整体，其

3、中各个事物、现象是有机地相互联系、相互依赖、相互制约着的）； 第四阶段:20世纪中期现代科学技术的成就，为系统思想提供了定量方法和计算工具； 7 现代科学技术对系统思想方法的贡献 现代科学技术对于系统思想方法来说，第一个贡献在于使系统思想定量化，成为一套具有数学理论、能够定量处理系统各组成部分相互联系的科学方法；第二个贡献在于为定量化系统思想的实际应用提供了强有力的计算工具电子计算机。这两大贡献都是在20世纪中期实现的。 现代数学理论（运筹学、数学规划、排队论、博弈论）计算机与电子信息科学（1946年出现并广泛应用）8第五阶段：现代系统理论 系统论、信息论、控制论、耗散结构理论、协同学、突变论

4、、非线性系统理论的迅速发展，系统工程不仅涉及到工程技术领域，还涉及到社会经济系统等人类社会各方面紧密联系起来。9 (二）系统工程科学的发展历程 2. 1930年前后，一般系统论的创始人贝塔朗菲指出了自然界和社会的各种表面上极不相同的领域中存在着某种共性，提出了一般系统论，为系统工程的产生作好了准备。 系统工程是工业生产和科学技术发展的必然产物。 1. 系统概念的最早提出：美国人泰勒“管理之父”在1911年出版的科学管理原理提出了工业管理系统，包括“合理安排工序、动作分析、提高工作效率等”。10 3.系统工程的首次提出 二十世纪40年代，美国贝尔电话公司在发展微波通讯网络时首先应用系统方法，并提

5、出了“系统工程”这个名词。 美国贝尔电话公司马利娜G.Molina丹麦哥本哈根电话公司厄朗A.Erlang 研究整个电话通讯系统，不能只注意电话机和交换台站，首次提出“系统工程”，运用了排队论原理。114. 二次世界大战(1939-1945)，产生和发展了“运筹学”Operation Research1）英国为防御德国的突然空袭，研究了雷达报警系统、飞机排队降落系统，广泛采用了数学规划、排队论、博弈论等方法。2）1945年，美国军事部设立兰德公司（政府和军方的最大智囊团），开发了许多系统分析方法。3）1942-1945年，美国制造原子弹的“曼哈顿”计划 负责人L.R.格罗夫斯和R.奥本海默应用

6、了系统工程的思路和方法，大大缩短了工程所耗时间。 127.进入70年代后，由于电子计算机的迅速发展和普及，系统工程得到了广泛地应用。5. 1957年首部系统工程著作出版美国密执安大学古德H.Goode与马乔尔R.Machol合著6.1961-1969年“阿波罗”登月计划系统工程的光辉成就。工程系统社会经济系统行为科学+思维科学政策研究作为一门交叉学科解决复杂大系统研究非线性系统理论迅速发展131、我国古代朴素的系统思想“协同学”创始人哈肯评论 “系统科学的概念是中国学者较早提出的” (三）系统工程在中国的发展14 我国古代朴素的系统思想（1）道教与易经老子用自发的系统概念观察自然现象，认为自然

7、界是统一的。道可道，非常道。名可名，非常名。 老子：约公元前571公元前471,道教中老子被尊为道祖。著有“道德经”。唐皇武后封为： 太上老君 认为道是事物之本原，又是事物的法则，天地人都是道的产物。“道生一，一生二，二生三，三生万物” 15易经阴阳五行和八卦学说五行指：金、木、水、火、土。 认为大自然由五种要素所构成，随着这五个要素的盛衰，而使得大自然产生变化，不但影响到人的命运，同时也使宇宙万物循环不已。 木好华美，且具有风雅的个性。仁，慈爱，行善。 火性情急躁，而富有自尊心。礼，就是为人谦让谨慎，敬上而不欺下。 土性情温厚笃实，而具有自信心。信，就是又诚实又温厚诚恳之意。 金性情刚强，而

8、具有自尊心。义，就是崇善弃恶，事事都顺理。 水聪明，并能推测事物。智，观察事物详细，能预知前兆，善理权谋术事。 16阴阳五行学说:是中国古代朴素的唯物论和自发的辩证法思想，它认为世界是物质的，物质世界是在阴阳二气作用的推动下孳生、发展和变化；并认为木、火、土、金、水五种最基本的物质是构成世界不可缺少的元素。 阳运动、外向、上升、温热、明亮的 阴相对静止、内守、下降、寒冷、晦暗的 17 它分别从阴阳五行、天人相应、五运六气、脏腑、经络、病机、诊法、治则、针灸等方面来阐述。 主张不治已病，而治未病，同时主张养生、摄生、益寿、延年。 将“自然现象、生理现象、精神活动”三者结合分析疾病根源。整体观、矛

9、盾观、经络学、脏像学、病因病机学、养生和预防医学、诊断治疗等。（2）中医学说18 自然界、人体由五种要素相生相克、相互制约所组成的有秩序、有组织的整体。看病望闻问切“藏象、病机、气血、津液、经络” 讲究内观、体悟、直觉，与西医的靠仪器、化验、解剖不同。19 以系统思想研究战争，从“道、天、地、将、法”五个方面分析战争。道内修德政、战争是否有理。有道乃胜利之本。天天时 地地利将将领的才智、威信状况、士兵是否训练有素。 “得到多助、失道寡助”法法度。“纪律是否严明、赏罚是否分明”。 将领要做到“智、信、仁、勇、严”。 兵圣孙武（3）孙子兵法20孙子兵法全书共十三篇孙武所著。 以兵法十三篇见吴王阖闾

10、h l ，阖闾说：“子之十三篇，吾尽观之矣。”即用孙武为将，与伍子胥率吴军攻破楚国,率兵6万打败楚国20万大军。著名论点：“知己知彼，百战不殆”“以我之长，功敌之短”“不战而屈人之兵”强调战略威慑21 战国时期秦国李冰父子设计修建的都江堰水利工程，它包括“鱼嘴”岷江分水工程，“飞沙堰”分洪排沙工程，“宝瓶口”引水工程三大主体工程和120个附属渠堰工程，工程之间的联系处理得恰到好处，形成一个有机整体，兼有防洪、排沙、灌溉、漂木、行舟等多种功能，灌溉了成都平原上14个县的几百万亩粮田，该工程成为我国古代运用系统思想解决实际问题的典范。 （4）“都江堰”水利工程22飞沙堰 2324飞沙堰特写 25总

11、结：古代朴素系统思想的特点“耗散结构”创始人普利高津从存在到演化中说：“着重于研究整体性和自发性、研究协调与协和”即强调对自然界整体性、统一性的认识，缺乏对细节的认识能力。262、现代系统工程在中国的发展(1) 第一阶段：1950S中期1970S中期，以运筹学的研究为主1）钱学森、许国志等学者大力提倡运筹学2）1960S华罗庚大力发展优选法与统筹学，取得较好效果3）我国导弹和航天事业的发展，系统工程技术得到迅猛发展以钱学森为代表27（2） 第二阶段：19781980S初推广应用系统工程的热潮1）1978年，钱学森、许国志、王寿云在文汇报发表“组织管理的技术系统工程”，推广系统工程新局面。最优化

12、方法图论、排队论对策论可靠性分析等普及应用、取得显著成果2）1980年中国系统工程学会正式成立3）20世界70年代末、80年代初学术理论遍地开花邓聚龙教授灰色系统理论吴学谋泛系理论蔡文物元分析28（3）第三阶段：1986年系统工程的研究和应用扩大至科技、经济、社会等领域。1）系统工程作为一门软科学，日益受重视。物理事理人理（WSR系统方法论）硬件软件斡件人件2）钱学森等致力于开放复杂系统的研究方法：定性与定量的综合集成技术、综合集成工程专家系统统计技术信息化与计算机技术以人为主的高度智能化的人机结合系统293）2003年10月15日，中国首次载人航天“神州五号”上天大规模复杂系统的设计、优化、

13、管理等取得重大突破。综合：系统工程作为一门综合应用性学科、交叉学科、一门新的学科。2011年11月1日清晨5时58分，中国“长征二号F”遥八运载火箭，将“神舟八号”飞船成功送入预定轨道。2011年11月3日凌晨，神舟八号与天宫一号对接环接触成功。中国成为继美、俄之后第三个掌握空间交会对接技术的国家。可以在地球轨道上长期滞留工作的空间站，对于探索宇宙奥秘、造福人类有着重要意义。 30 一、系统工程的的定义 （1）1967年美国学者切斯纳定义 按照各个目标进行权衡，全面求得最优解的方法，并使各组成部分能最大限度地互相适应。 （2）1976年美国科学技术辞典注释系统工程是研究许多密切联系的元素所组成

14、的复杂系统设计的科学。 （3）1977年日本学者三浦武雄指出系统工程与其它工程学的不同之点在于它是跨越许多学科的科学，而且是填补这些学科边界空白的一种边缘学科。 第二节 系统工程概念31 （4）日本工业标准“运筹学术语”中的定义系统工程是为了最优地达到系统目标，而对系统的构成要素、组织结构、信息流通和控制机构进行分析的技术。 （5）我国学者钱学森认为 系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验与使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的方法。32综述： 系统工程定义 1.系统工程是一门交叉学科协调：自然科学和社会科学的思想、理论、方法、策略、手段等组织：生产、科研或经济活动应用

15、：定量分析和定性分析相结合的方法和计算机等技术三最优：实现最优设计、最优控制和最优管理（达到综合最优化）2.一门工程技术、一门软科学33二.系统工程的研究对象和领域1.研究对象系统人工系统或复杂系统大系统（多层次）复杂系统（总系统+分系统）组织化的系统（有共同目标）（1）系统工程的研究领域成果显著（2）系统工程呈现多学科性自然环境、生物医学、工业、农业、社会、国家管理等34系统工程的应用领域： 1） 社会系统工程 2） 经济系统工程 3） 区域规划系统工程 4） 环境生态系统工程 5） 能源系统工程 6） 水资源系统工程 7） 交通运输系统工程 8） 农业系统工程 9） 航天系统工程35系统工

16、程的应用领域： 10）工程项目管理系统 11）科技管理系统工程 12）教育系统工程 13）人口系统工程 14）军事系统工程 15）信息系统工程 16）物流系统工程等36第三节 系统工程方法论系统工程方法论：以“系统”为中心是系统工程研究和解决问题的一般规律或模式。霍尔三维结构(硬系统工程方法 )切克兰德方法(软系统工程方法 )综合集成方法 (综合集成研讨厅体系 ) 物理事理人理（WSR）371、霍尔三维结构方法（硬系统工程方法） 1969年，美国工程师霍尔认为系统工程整个活动过程可以分为前后紧密衔接的7个阶段，每个阶段应遵循一定的思维程序，需各种专业知识和技能的支持。这构成了时间维、逻辑维和知

17、识维的“三维空间结构”，概括了系统工程的一般过程。知识维（K）运筹学控制论社会科学工程技术医药卫生逻辑维（L）规划阶段 拟定方案阶段 研制阶段生产阶段 安装阶段 运行阶段 更新阶段时间维(T) 明 确 问 题 确 定 目 标方案综合系统分析实施 决 策系统选择知识维：指在完成上述各阶段和各步骤所需要的知识和专业技术。逻辑维：每个阶段需进行的工作步骤，是运用系统工程方法进行思考、分析和解决问题应遵循的一般程序。时间维：从规划到更新，按时间顺序排列的SE全过程。39逻辑维每个阶段内所要进行的工作内容和遵循的思维程序。明确问题：收集资料(考察、测量、调研、需求分析、市场预测)了解系统的环境、目的、系

18、统的各组成部分及其联系等。40确定择目标：提出目标，制定准则(标准) 选择目标过程一般使用价值体系方法： 效用理论 费用效益分析：经济系统 风险估计 价值工程系统方案综合：根底定义、概念设计、方案策略等目标确定： 确定目标的原则 确定目标的方法 目标实现标准 -指标量化! 目标的量化 目标的归一化目标的有序化目标的一致化41系统分析主要内容： 系统变量的选择：状态变量、决策变量(内生、外生) 建模和仿真：GPSS、SD 可靠性工程系统选择：选出待选方案集，交决策部门决策：不能十全十美，要考虑人、社会各种因素实施： 企业|机构：组织、实施、生产计划 项目开发：CPM（关键路径）、PERT（计划评

19、审）等项目管理系统分析：系统分比较分析各方案建模计算或仿真42霍尔三维结构的局限性1、偏重工程问题、机理明显的硬系统 2、没有考虑系统中人的主观因素3、往往依靠建立数学模型来解决，对复杂的社会系统不适宜43软系统：以社会、经济系统等管理领域（人类活动为主），针对不良结构问题而提出、问题不明确。难以用数学模型表示，一般是概念模型。通常用半定量、半定性甚至只能用定性的方法来处理，吸取人们的判断和直觉。2、切克兰德方法（软系统工程方法）切克兰德的“调查学习”软方法的核心不是寻求“最优化”，而是“调查、比较”或者说是“学习”，从模型和现状比较中，学习改善现存系统的途径。概念模型代替数学模型，思路更加开

20、阔。满意解代替最优解，价值观方面的重要变化。451987 年，钱学森提出了综合的系统研究方法，并把处理复杂巨系统定性和定量相的方法命名为定性定量相结合的综合集成方法，把它表述为从定性到定量的综合集成技术。1992年，他又提出从定性到定量的综合集成研讨厅体系，进而把处理开放复杂巨系统的方法与使用这种方法的组织形式有机结合起来，将其提升到了方法论的高度。2、综合集成系统方法（Meta-Synthesis）46综合集成方法论的处理对象：开放复杂大系统1）系统、子系统 外界2）系统内部结构复杂3）子系统数量巨大能量、信息、物质综合集成的重点在综合，目的是创造、创新“综合即创造”47综合集成研讨厅体系的

21、框架与特点 由三部分组成：机器体系、专家体系和知识体系。 命题 专家体系社会认识客观世界知识体系社会实践机器体系结果 改造世界认识世界 图 综合集成研讨厅48综合集成系统方法的特点:直接诉诸实践经验，特别是专家的经验、感受和判断力，把这些经验，知识和现代科学提供的理论知识结合起来。专家的经验是局部的，多半是定性的，要通过建模、计算把这些定性知识和各种观测数据、统计资料结合起来，使局部定性的知识达到整体定量的知识。把人与计算机结合起来，充分利用知识工程，专家系统和计算机的优点，同时发挥人脑的洞察力和形象思维能力，取长补短，产生出更高的智慧。49WSR是“物理一事理一人理方法论”的简称4、WSR系

22、统方法论 自然科学是关于物理的科学；运筹学是关于事理的科学（许国志），实际还包括管理科学、系统科学，事理就是做事的道理；处理好人的关系这是人理学，就是人文科学、行为科学，人理就是做人的道理。把这三者结合起来“WSR系统方法论”。 WSR系统方法论是具有东方文化传统的系统方法论，得到国际同行的认同。50WSR方法论的工作过程51案例：怎样有效地展开工作来到新单位，首先想到的问题是，如何保住目前的位置，并且更好的发展？ 高人指点，先要维系好与老板的关系，不要破坏自己在老板心中的良好形象，然后组建一支有凝聚力的团队，干出样子按照这两个思路，我开始新事业的征程：首先，前往不能得罪老板老板的话就是圣旨，让你往东，你不能往西；他说黑，你不能说白；让你冲，你就得冲，绝不能后撤52其次，开始组班子一个有凝聚力的团队，就是思想统一的团队如何思想统一？就是一切按老板的意图办，不折不扣的执行老板的意图我是老板的代言人，就是一切要按我的意图办；如果不按我的意图办，怎么办？这个人就不能要。我必须用自己信得过的人那么，我信得过什么人呢？平常总跟我