系统工程学：第1章 系统与系统工程

1、系统工程第一章 系统与系统工程1.1系统的概念1.2系统工程与系统科学1.3系统工程方法论1.4系统的应用1.1系统的概念系统是相互作用和相互依赖的若干组成部分（要素）组合而成的、具有特定功能的有机整体。 系统具备三个条件： （1）由两个以上的要素所组成； （2）要素之间存在一定的有机联系； （3）系统都有特定的功能。钱学森：“系统是指依一定秩序相互联系着的一组事物。” （中国“系统论”和“控制论”的奠基人之一） 这里的每一组“事物”或每一个“组成部分”称为系统的“要素”。系统是由许多“要素”组成的。系统具有不同于组成它的若干要素的新的属性，即“系统性”。 系统内部，还可以按其组成部分划分为若

2、干“子系统”。这说明，子系统和系统的关系是相对的，可以相互转化。1.1.1系统的特性(整体性，集合性，相关性，层次性，目的性，环境适应性）1、整体性 系统的整体性主要表现为系统的整体功能，系统的整体功能不是各组成要素功能的简单叠加，也不是简单拼凑，而是呈现出各组成要素所没有的新功能。当低层次上的几个部分组成上一层次时，一些新的功能也会涌现出来。系统各个部分组成一个整体后，系统整体功能大于其组成要素功能的总和。“三个臭皮匠，赛过一个诸葛亮”。1.1.1系统的特性是否多个要素凑在一起，其功能都一定大于部分功能之和呢？否！最典型的就是人们所说的“一个和尚挑水吃，两个和尚抬水吃，三个和尚没水吃”。 这

3、是因为，这三个和尚没有形成一个“系统”，这些“和尚要素”相互不协调、不统一，才使得集体运水的效果急减。这就说明，要使得整体的功能大于部分功能之和，组成该整体的各要素必须协调统一。也就是说，系统的功能，也与要素间的关系，即系统的结构有关。1.1.1系统的特性2、集合性 系统的集合性是指由两个或两个以可相互区别的对象（要素）组成的系统。1.1.1系统的特性3、相关性 系统内的各要素是相互作用而又相互联系的。系统中任一要素与该系统中其他要素是相互关联又相互制约的，它们之间的某一要素如果发生了变化，则其他关联的要素也要跟着相应的改变和调整，从而保持系统整体的最佳状态。相关性包括：系统内部各要素间；要素

4、与系统整体间；系统与环境间的有机联系。如不存在相关性，众多的要素如同一盘散沙，只是一个集合，而不是一个系统。1.1.1系统的特性4、层次性一个大的系统，包含很多层次，上下层之间是包含与被包含的关系，或领导和被领导的关系。如：行政系统，军队，企业。按层次性可以把企业内部系统分层次建立生产、销售、财务、人事四个二级子系统，再运用系统工程的方法研究各个子系统，探讨它们如何为企业的利益目标服务。1.1.1系统的特性5、目的性目的性是系统存在的条件。开发系统工程项目的首要工作是确定系统的目的性。任何一个系统都有它的目的，否则，也就失去了这个系统存在的价值和意义。例如，生物系统的目的性就是增殖个体、繁衍物

5、种、保存生命；同样，人造系统也有它的目的性，如企业的经营目的，就是以最少的资源消耗去取得最大的经济效益。运输系统的目的，就是为国民经济的发展提供运输服务。1.1.1系统的特性 系统的目的性人们根据实践的需要而确定的，人造系统是具有目的，而且不是单一的目的性。系统的目的性要求人们正确的确定系统的目标，从而用各种手段把系统导向预定的目标，达到系统整体最优的目的。1.1.1系统的特性6、环境适应性 坚持环境适应性原则，就是说不仅要注意系统内各要素之间相关性的调节，而且要考虑系统与环境的关系，只有系统内部和外部相互协调和统一，才能全面发挥系统的整体功能。1.1.1系统的特性下面，我们来看一个实例：例1

6、1 ： 城市交通综合系统 城市交通综合系统是一个庞大的动态系统，它本身的状态是随时间变化而变化的。其结构如下图所示：1.1.1系统的特性城市交通综合系统 交通环境条件 道路交通条件路段交通系统路口交通系统交通设施系统行人交通系统公共交通系统交通管理系统公共场所分布居民住宅分布公交站点分布停车场分布企事业单位分布第三产业网点分布1.1.1系统的特性从图可以看出，城市交通系统具有以下四个特性： 整体性 城市交通系统是由人、车、道路、设施、管理、环境等许多子系统组成的综合性整体，各子系统从属于这个整体，而整个城市交通系统又是更庞大的城市系统中的子系统。 相关性 城市交通系统内部各子系统、各子系统要素

7、之间是有机联系、相互依存又相互作用的。 目的性 城市交通系统具有特定的目的。这就是：为人们从事各种活动提供必要的物质条件和空间活动条件，并达到安全、快速、高效、舒适的目的。 环境适应性 城市交通系统处于社会环境之中，受周围环境的影响和制约，并与周围环境相协调。1.1.2系统的分类 1、 自然系统和人造系统 自然系统是自然物形成的系统，它的特点是自然形成的；（如海洋系统、大气系统、矿藏系统等） 人 造系统是为了达到人类所需的目的而由人类设计和制造的系统；（如矿山开采系统、科学试验的风洞系统等）2、实体系统和概念系统 实体系统是以矿物、能源、机械等实体组成的系统；（如电力系统、机械系统等） 概念系

8、统是由概念、原理、原则、方法、制度程序等观念性的非物质实体组成的系统；（如科技体系、法律系统等） 1.1.2系统的分类3、静态系统和动态系统 静态系统是其固有状态参数不随时间改变的系统，没有既定的相对输入和输 出；(如车间平面布置系统、城市规划布局等） 动态系统是系统状态变量随时间而改变的系统，也就是把系统的状态变量作为时间的函数而表现出来的系统；（如工厂的库存）1.1.2系统的分类4、可控系统和不可控系统从系统和人为关系上看，凡是根据一定目的，能够改变其状态的系统称为可控系统，否则和称为不可控系统。例如计算机控制的现代机械加工生产过程的自动控制系统是可控系统，宇宙系统是不可控系统。5、封闭系

9、统和开放系统 封闭系统是指该系统与环境之间没有物质、能量和信息的交换； 开放系统是指系统与环境之间具有物质、能量与信息交换的系统；（如生态系统、商业系统等） 提问：谁将下面的概念图具体化 ？1.1.2系统的分类6、简单系统、简单巨系统和复杂巨系统钱学森院士的分类1.1.2系统的分类大系统和小系统之间无明显的界限之分。一般认为：大系统具有结构复杂、规模庞大、变量众多、功能综合多样等特征。如国民经济体系、生物学、经济、社会学领域中的系统。1.1.3 系统的结构和功能1.1.3.1系统的结构1、结构的定义 各组成要素之间的相互联系、相互作用的方式或秩序，即各要素之间在时间或空间上排列和组合的具体形式

10、。2、系统结构的特性 1)稳定性 系统总是趋于保持某一状态。由于系统受到外界环境的干扰，有可能使系统偏离某一状态而产生不稳定，但是干扰消除，系统又恢复到原来的状态，继续出现稳定。 2)层次性 1.1.3 系统的结构和功能 3)开放性 系统世界中任何系统结构都不是绝对封闭和绝对静态的，任何系统总存在与环境中，总与外界进行能量、物质、信息的交换。系统的结构在这种交换中由量变到质变。 4)相对性 系统结构的层次性决定了系统结构和要素之间的相对性。高一级的结构层次对低一级的结构层次有着较大的制约性，而低一级结构也反作用于高一级的结构层次1.1.3.2系统的功能1、功能的定义 把系统与外部环境相互作用所

11、反映的能力称为系统的功能，体现了一个系统与外部环境之间物质、能量和信息的输入与输出的转换关系。 系统工程的任务在于提高系统的功能，特别是系统的处理或转换的效率，即在一定的输入条件下，输出越多越好；或在一定的输出条件下，输入越少越好。 1.1.3 系统的结构和功能1.1.3 系统的结构和功能 2、系统功能的特性 1）易变性 一个系统对外部条件发挥功能，总要遵循一定的规律，随着环境条件的不同，将相应的引起系统功能的变化。 2) 相对性 在一个大系统内部，其要素之间的相互作用本来是属于结构关系，但如果把每个要素或子系统作为一个整体来考察，则子系统之间均相互作用又转化为独立子系统之间的功能关系。1.1.3.4结构