第二章系统工程基础概述

第一节系统工程及其发展历程

第二节系统工程的基础理论

第三节系统工程研究方法

第四节物流系统工程的基本方法及技术第二章系统工程基础概述用系统思想和定量与定性分析相结合的系统方法处理大型复杂系统的问题，无论是系统的设计或组织建立，还是系统的经营管理，都可以统一地看成是一类工程实践，统称为系统工程。第一节系统工程及其发展历程一、系统工程的概念（一）典型定义中国著名科学家钱学森教授给出的定义：“系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法。”“系统工程是一门组织管理的技术。”

（一）典型定义美国著名学者H．切斯纳(H．Chestnut)的定义：“系统工程认为虽然每个系统都是由许多不同的特殊功能部分所组成，而这些功能部分之间又存在着相互关系，但是每一个系统都是完整的整体，每一个系统都要求有一个或若干个目标。系统工程就是按照各个目标进行权衡，全面求得最优解(或满意解)的方法，并使各组成部分能够最大限度地互相适应。”（一）典型定义日本工业标准JIS的定义：“系统工程是为了更好地达到系统目标，而对系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机制等进行分析与设计的技术。”（一）典型定义日本学者三浦武雄认为：“系统工程与其它工程学的不同之处在于，它是跨越许多学科并填补这些学科边界空白的边缘学科。”（一）典型定义系统分析是研究相互影响的因素的组成和运用情况。综上所述，系统工程是以研究大型复杂的人造系统和复合系统为对象的一门交叉科学，它既是一个技术过程又是一个管理过程。（二）系统工程与其他工程的区别工程的类型多种多样，有以硬件为主的工程，例如机械工程、电子工程、水利工程等，也有以流程重组、以软件为主的工程，例如软件工程、物流工程等。但是系统工程与机械工程、电子工程、水利工程等工程有很大差异。上述各门工程学都有其特定的工程物质对象，而系统工程则不然，任何一种物质系统都能成为它的研究对象，而且还不只限于物质系统，还可以包括自然系统、社会经济系统、经营管理系统、军事指挥系统等等。系统工程处理的对象主要是信息。

二、系统工程发展历程及趋势（一）发展简史首先是数理科学向经济学领域渗透。其次在第二次世界大战前夕，经济、生产等领域的系统问题已促使人们努力揭示系统的一般运行规律和创造组织管理系统的技术。

在第二次世界大战期间，系统分析的方法和技术得到突飞猛进的发展。二次世界大战期间还培养了一批系统工程人才，促进了系统工程学科的形成与发展。第二次世界大战结束，各种社会经济系统和工程管理系统的规模日益扩大和复杂化，导致一些新的问题的出现，人们又一次寻求通过科学的系统方法作为解决复杂经济社会系统问题的技术。

解决系统问题的思路（1）确定一个或多个目标；（2）确定实现目标所需的资源与条件；（3）确定可实现目标的（可行）方案；（4）对各方案能实现的目标与所需的资源、条件等进行综合分析与评估；（5）根据一定的标准，判别各方案优劣的次序；（6）选择最终实施的方案。霍尔三维结构的系统工程方法图2-1霍尔三维结构（二）发展趋势1．系统工程作为一门交叉学科，日益向多种学科渗透和交叉发展。2．系统工程作为一门软科学，日益受到人们的重视。3．系统工程的应用领域日益广泛，推动了系统工程理论和方法不断深化发展。第二节系统工程的基础理论一、一般系统论一般系统论(generalsystemstheory)是通过对各种不同系统进行科学理论研究而形成的关于适用于一切种类系统的学说。其主要创始人是生物学家L.V．贝塔朗菲。

一、一般系统论1969年，比利时著名学者I.普利高津提出了“耗散结构（DissipativeStructure）理论”，认为一个开放的系统在远离平衡态的情况下，通过不断地与外界交换能量、物质和信息，当发生某些特殊事物耦合，达到一定的阈值时，就会突然出现以新的方式组织起来，产生新的质变，从原来混沌无序的混乱状态，转变为在时空上或功能上的稳定的有序状态。一、一般系统论1973年，联邦德国的赫尔曼·哈肯提出了协同学理论（synergetics），认为不同系统之间存在着各要素的协同行为，这种协同作用超越各要素自身的单独作用，从而形成整个系统的统一作用和联合作用。协同作用是形成系统有序结构的内部作用力，通过这种作用，系统能够自动产生时间上、空间上或功能上的有序结构。二、大系统理论大系统一般是规模庞大、结构复杂、环节多或层次较多、目标多样、影响因素众多、关系错综复杂、并常带有随机性质的系统。大系统理论

(LargeScaleSystemsTheory)

就是研究大系统的结构方案、稳定性、大系统优化、以及大系统的模型简化等问题的理论或方法，主要包括四个方面的理论和方法：（1）大系统结构方案；（2）大系统的稳定性；（3）大系统的优化；（4）大系统的模型简化。三、经济控制论经济控制论是应用现代控制论的科学方法分析经济过程的学科。1966年美国哈佛大学经济系的L泰勒(L.Taylor)和D．肯德里克(D．Kendrick)教授应用控制理论中的共轭梯度法制订了当时的韩国经济最优计划模型。由于经济系统是相互依存的一个整体，投入-产出模型是一种简单而有用的经济分析工具，是包含许多经济部门、高度解集、确定供给的综合模型。四、运筹学运筹学主要是运用模型化的方法，将一个已确定研究范围的现实问题，按提出的预期目标，将现实问题中的主要因素及各种限制条件之间的因果关系、逻辑关系建立数学模型，通过模型求解来寻求最优方案。运筹学的分支主要有：线性规划、非线性规划、动态规划、排队论、对策论、库存论等。第三节系统工程研究方法一、系统功能分析（一）功能分类1、基本功能基本功能是指能实现人们预期目的的功能。

我们可从两个层次来理解基本功能：一是从能力的角度来理解，主要是系统“能干什么”之类的问题，如果用系统论的语言来描述，就是系统的输出特征。二是从功效的层面来理解，也就是考虑系统输入、输出的综合特征，衡量系统具有的效益或性能。关于系统功效，可应用系统评价常用的指标来衡量，例如：系统的效益、系统的可靠性与稳定性、系统的环境适应性等。2、剩余功能剩余功能是相对于系统的基本功能而言的。系统功能中，除去基本功能的其他功能都可以称为剩余功能。因为一个系统总有一些功能是尚未被人认识到的，所以可以认为剩余功能总是存在的。我们有时会用副产品或副作用来描述系统的剩余功能。（二）功能的层次性系统总功能可理解成各项子功能的集成，也就是说，系统总功能可分解成不同层次的子功能。（三）功能分析的思路1、系统功能的制约因素（1）外界输入与环境因素的制约（2）系统结构的制约2、功能分析的步骤（1）对系统的输入输出关系进行准确描述；（2）进行输入输出关系的整体评价和分析；（3）对某一特定功能进行流程分析及流程再设计。图2-2客户询问流程图二、系统结构分析对系统结构进行分析首先就需要确定系统中的要素集，然后再对要素之间的关联进行分析，以此达到认识系统的目的。（一）系统要素的描述系统中的要素具有一定的功能，能将来自其他要素的输入转换成输出。

图2-3用“黑箱”描述的要素（二）要素之间的关联及描述要素之间的关联是指要素之间的相互联系或作用，按照不同的分类标准可划分出不同的关联类型。例如，按照要素之间关系明确与否可划分为下面三种：(1)确定性关联，即要素之间的关联是受确定的规律支配的。(2)不确定性关联，即要素之间是随机的关联，如统计学中所揭示的关联大多属于这一类。(3)确定性与随机性关联的混合。（二）要素之间的关联及描述对要素之间关联的描述，本质上就是建立模型。而每一种描述关联的方法，都多少存在着局限性。一般，我们按照因果关系、过程顺序或职能结构的方式对关联进行简单描述。因果描述就是根据人们对因果的思考结果画出要素之间的关联。过程描述是从时间的整体性上描述各要素之间的关联，人类行为过程具有明显的时间顺序特征，因此，过程描述法被经常使用，如图2-4是用过程描述的新产品规划网络的例子。职能描述方式在组织系统中经常采用，实际上是一种以功能为基础的结构描述方法，如图2-5所示就是一个例子。图2-4按过程描述的新产品规划网络图2-5按职能划分组织（制造型企业）

（三）系统结构矩阵

(a)(b)

(c)图2-6系统要素联结的类型系统诸要素之间的关联方式可分为串联、并联和反馈联结。

图2-7系统要素的关联类型（三）系统结构矩阵将系统中所有要素之间的联结系数组成一个矩阵，该矩阵可以反映出系统构成要素及其相互关联的情况，即反映系统结构状况，该矩阵就称为系统的结构矩阵。三、系统环境分析（一）系统与环境的关系环境因素相对于系统是不可控的。1环境因素对系统的影响是通过系统结构起作用并在输入输出中得以表现的。系统的存在不能离开环境的支撑，一方面是环境对系统功能的支撑；另一方面，系统结构及其变化也离不开环境因素的支持。2以功能为目的而建造的系统，往往在特定的环境中才显现出这种功能。3环境变化可能会使一个现有的结构解体或变成另一结构。4环境因素对系统的影响表现在两个层次：第一是不影响系统结构、但影响系统行为（输入输出过程）的环境因素，称之为行为层的环境因素。第二是影响系统结构的环境因素，称之为结构层的环境因素。环境因素的主要信息源是公众信息，在浩瀚的信息集中，提炼出与系统相关的信息，既需要技术方法，更需要依赖经验。可通过因果关系的分析，选择出对系统行为更为敏感的因素作为监测与分析的对象。（二）情景规划法情景规划方法是随着社会经济运行环境的频繁变化而开发出来的有效方法。1．处理环境变化的方法基于对未来的预测，利用可信的预测结果，对未来情况进行规划与布局。用于预测估计的数理统计、时间序列分析等方法，本质上是对给定结构的外推；而对外界不可测因素的干扰，经常用以预测结果为基础的随机波动来反映。风险分析也是考虑不确定性因素的控制方法。2．情景规划情景规划是针对不确定性的新结构问题时经常采用的重要规划方法。情景规划方法首先关注现实的趋势是否存在新的结构不确定性。其本质是针对所关注的焦点问题分析现实的变化趋势。其次，要抓住主要的不确定因素，并勾画出未来的几种情景。然后，设计出适合各种未来情景的有效方案。最后，随着时间的推移，事物变化的趋势不断明确，通过不断地调整方案，摒弃某些不可能出现的情景方案。3.情景规划的启发传统的战略决策更多的是一种静态的方式，较少关注环境趋势变化中的战略持续调整。情景规划把战略的动态调整作为一个有机部分，这种思路再次突破了优化对人们的约束。传统的预测更多的集中在数据上，而情景规划对未来趋势的把握，更多得以事件为基础，一系列表面上显得无联系的事件之背后，可能正是某种推动因素的作用后果。第四节物流系统工程的基本方法及技术一、物流系统工程的理论和方法基础（一）运筹学为寻求物流系统的最优方案，必须要采用运筹学中的相关理论和方法，例如：规划论(线性/非线性/动态/整数规划等)——解决物流系统中的物资运输、设施规划、计划优化等问题；库存论——解决物流系统中的最优订货量、订货间隔等问题；排队论——解决物流系统中的流程概率性问题，按随机过程的到达率处理各种现象；决策论——解决物流系统中多目标、多方案决策问题。一、物流系统工程的理论和方法基础（二）经济控制论用于解决物流系统中的资源（包括设施、设备）的最优利用与控制、预测技术以及物流系统合理化等问题。（三）大系统理论及协同论、耗散结构理论采用大系统基础理论，解决物流系统中的整体与部分、整体与环境之间的相互关系，使物流系统各个环节都处于最优状态。（四）系统动力学理论建立动态仿真模型，通过计算机模拟实验获得系统行为的描述，达到改进和完善系统的目的。二、常用的研究技术和手段（一）模型化技术数学模型一般具有下列方程形式：

v=f(xi,yi)式中:v——目标函数；

xi,——可控变量：

yi——不可控变量；f(xi,yi)——表示v与xi,和yi的函数关系。目前，在物流系统领域的实践和研究分析中经常使用的模型主要有：库存模型、运输模型、投入产出模型、选址模型等。二、常用的研究技术和手段（二）最优化技术所谓最优化，就是在一定的约束条件下，找出使目标函数为最大或最小的解。物流系统的最优化一般采用数学模型方法，如库存优化策略、最短路径问题、最大流量问题、最小费用问题等。（三）网络技术网络技术是现代管理方法的重要组成部分，包括以时间控制为主的计划评审法(PERT)和以成本