系统工程概述

第一章系统工程概述第一节：系统工程的产生、发展及应用第二节：系统工程的研究对象第三节：系统工程的概念与特点第一章系统工程概述一、系统思想及系统理论的产生与发展

系统思想的发展经历了三个阶段，即：“只见森林”（朴素的系统思想）阶段—“只见树木”阶段—“先见森林，后见树木”（科学的系统思想）阶段。古代中国和古希腊在系统思想的产生与早期发展中具有突出地位和贡献。

第一节系统工程的产生、发展及应用系统思想的回顾整体思想和联系思想是科学系统思想的核心与实质。二、系统工程的理论的形成与发展系统理论包括：1、老三论（形成于二十世纪四十年代）：

一般系统论、控制论和信息论。2、新三论（形成于二十世纪七十年代）：

耗散结构理论、协同论和突变论。

2、一般系统论的基本观点系统的整体性系统的开放性系统的动态相关性系统的多级递阶性系统的有序性一）控制论（Cybernatics）控制论是用数学工具研究控制机构或控制系统运行一般规律的科学．

1、控制论的产生与发展1947年由美国人维纳（NorbertWiener）创立的控制论（Cybernetics）是一门研究系统的控制的学科。维纳于1948年出版了《控制论》一书，他对控制论的定义是：“关于动物和机器中控制和通信的科学。”

控制论的发展已大致经历了三个时期。从20世纪40年代末到50年代是第一个时期，即经典控制理论时期。在这一时期，主要的研究对象是单因素控制系统，即单输入单输出的自动调节系统，重点是反馈控制，借以实现的工具是各种各样的自动调节器、伺服机构及其有关的电子设备，着重解决单机自动化和局部自动化问题。控制论发展的第二个时期为60年代，即现代控制理论时期。这一时期，控制论的主要研究对象就成了多因素控制系统，研究重点是“最优控制”，研究借助的工具是电子计算机。以火箭运载的卫星、飞船、导弹等的飞行为例:火箭的质量特性要用变质量力学来描述；控制是在远距离上实现的；火箭的距离、速度、加速度、飞行姿态、多级工作程序等参数都需要控制,因而是一种多输入多输出的多路控制；控制要求高度精确；地面系统复杂而庞大,控制问题复杂。一般认为,现代控制理论的奠基者是匈牙利出生的美国人卡尔曼。

进入70年代以后，是大系统控制理论时期。在这一时期，主要研究对象是因素众多的大系统，重点是大系统多级递阶控制，借助的工具是电子计算机联机和智能机器，应用领域主要为社会系统、经济系统、生态系统、管理系统、环境系统等。

2、控制系统控制系统由施控器、受控器和控制作用的传递者三者组成，形成一个整体的控制功能和行为，但这又是相对于某种环境而言。因而可以把施控器、受控器和控制作用的传递者三个部分所组成的、相对于某种环境而具有控制功能与行为的系统，称为控制系统。3、控制论对系统工程方法论的启示

黑箱—灰箱—白箱法功能模拟法（如：蝇眼照相机）

形式化、数量化、最优化方法

举例：恒温箱下图是恒温箱的人工控制系统的结构图。要求恒温箱中的温度保持恒定。为了测量恒温箱中的温度，安装一个温度计来指示恒温箱中的温度，这个温度就是系统的输出量，或称被控制量。操作者始终观察温度计的温度，当小于恒温箱给定时，就增大加热装置的电流；相反当大于恒温箱给定时，就减小电流。这样恒温箱就能保持给定的温度。人在这个系统中有以下的作用： 1．观察恒温箱中温度。

2．比较恒温箱中温度与给定温度的差值。

3．调节加热电流的大小。人工控制系统结构图了解了人工控制系统的原理，我们只要用一些设备模仿和代替人的智能，就可以把它变成自动控制系统。首先用热电偶来代替温度计来测量温度的值，然后用比较放大电路代替人对温度的比较，用电机代替人手来转动恒温箱的电流调节装置。只要放大电路的极性和电机的转动方向合理选择，就可以完成自动控制恒温箱温度的工作。自动控制系统的结构图下图所示。自动控制系统结构图二）信息论（informatics）1、信息论的基本思想信息论是一门研究信息传输和信息处理一般规律的学科。信息论起源于通讯理论，是美国科学家申农（Shannon）在1948年创立的。信息论的基本思想和方法完全撇开了物质、能量等各种具体客观形态，而把任何通讯和控制系统都看作是一个信息的传输和加工处理系统，把系统有目的运动抽象为信息变换过程，通过系统内部的信息交流使系统维持正常的有目的的运动。所有系统，在信息论的框架中，是一个进行信息变换和信息处理的机构。人们根据不同的研究内容，把信息论分成三种不同的类型。

狭义信息论：即申农信息论。主要研究消息的信息量、信道（传输消息的通道）容量以及消息的编码问题。

一般信息论：主要研究通讯问题，但还包括噪声理论、信号滤波与预测、调制、信息处理等问题。

广义信息论：不仅包括前两项的研究内容，而且包括所有与信息有关的领域。四）耗散结构理论、协同学、突变论原理等新的系统理论及其启示耗散结构理论(dissipativestructuretheory)1969；比利时统计物理学家I.普利高津

研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的一种理论协同学(synergetics)70年代初，联邦德国理论物理学家H.哈肯

研究协同系统从无序到有序的演化规律的新兴综合性学科突变论(catastrophetheory)60年代末，法国数学家R.托姆

研究不连续现象的一个新兴数学分支，也是一般形态学的一种理论，能为自然界中形态的发生和演化提供数学模型.五）运筹学

运筹学是用数学方法研究系统最优化问题的学科，运筹学着重于发挥现有系统的效能，通过建立系统的数学模型，求出合理运用人力、物力和财力的最优方案。

应用运筹学处理问题的一般步骤：

运筹学与系统工程运筹学和系统工程可以看作是属于一个领域中的两个姐妹学科，都是系统思想方法定量化的实际应用研究。运筹学发展成为一个专门的数学分支，由数学家进行专门研究，并为系统工程提供最重要的方法和理论基础。运筹学的目的：增加现有系统效率的分析工作，通常涉及现已存在系统的运营情况，如工厂、市场等系统；以专业技术为导向，分析程序由下而上（战术）系统工程：对若干可供选择的执行特定任务的系统方案进行选择比较；以问题状况为导向，分析程序由上而下（战略）三、系统工程的发展概况阶段年代（份）重大工程实践或事件重要理论与方法贡献I1930美国发展与研究广播电视正式提出系统方法（Systemsapproach）的概念1940美国实施彩电开发计划采用系统方法，并取得巨大成功美国Bell电话公司开发微波通讯系统正式使用系统工程（SystemsEngineering）一词II第二次世界大战期间英、美等国的反空袭等军事行动产生军事运筹学（MilitaryOperationsResearch）,也即军事系统工程本世纪40年代美国研制原子弹的“曼哈顿计划”运用SE，并推动了其发展1945美国空军建立兰德（RAND）公司曾经提出系统分析（Systemsanalysis）概念，强调了其重要性III40年代后期到50年代初期运筹学的广泛运用与发展、控制论的创立与应用、电子计算机的出现，为SE奠定了重要的学科基础IV1957H.Good和R.E.Machol发表第一部名为《系统工程》的著作系统工程学科形成的标志1958美国研制北极星导弹潜艇提出PERT（网络优化技术），这是最早的系统工程技术之一。1965R.E.Machol编著《系统工程手册》表明系统工程的实用化和规范化美国自动控制学家L.A.Zedeh提出“模糊集合”概念为现代SE奠定了重要的数学基础1961-1972美国实施“阿波罗”登月计划使用了多种SE方法，其成功极大地提高了SE的地位IV1957H.Good和R.E.Machol发表第一部名为《系统工程》的著作系统工程学科形成的标志1958美国研制北极星导弹潜艇提出PERT（网络优化技术），这是最早的系统工程技术之一。1965R.E.Machol编著《系统工程手册》表明系统工程的实用化和规范化美国自动控制学家L.A.Zedeh提出“模糊集合”概念为现代SE奠定了重要的数学基础1961-1972美国实施“阿波罗”登月计划使用了多种SE方法，其成功极大地提高了SE的地位V1972国际应用系统分析研究所（IIASA）在维也纳成立SE的应用开始从工程领域进入到社会经济领域，并发展到了一个重要的新阶段。70年代SE的广泛应用在国际上达到高潮VI80年代SE在国际上稳定发展、在中国的研究与应用达到高潮四、系统工程在中国的发展及应用

上世纪50至60年代，我国的一些研究机构和著名学者为SE的研究与应用作了理论上的探讨、应用上的偿试和技术方法上的准备。其主要标志和集中代表是钱学森的《工程控制论》、华罗庚的《统筹法》和许国志的《运筹学》。我国大规模地研究与应用SE是从70年代末、80年代初开始的。

1978年9月27日，钱学森、许国志、王寿云在《文汇报》发表题为“组织管理的技术——系统工程”的长篇文章；从1978年起，西安交大、天津大学、清华大学、华中理工大学、大连理工大学等国内著名大学开始招收了第一批SE专业硕士研究生；1980年11月，中国系统工程学会在北京成立；1980年10月至1981年1月，中国科协、中央电视台会同中国系统工程学会、中国自动化学会联合举办“系统工程电视普及讲座（45讲）”，取得了良好的社会效果。

70年代末以来，应用SE理论和方法来研究与解决我国的重大现实问题，在许多领域和方面取得了较好的效果，如：人口问题的定量研究及应用（始于1978年）、2000年中国的研究(1983至1985年）、全国和地区能源规划（始于1980年）、全国人才和教育规划（始于1983年）、农业系统工程（始于1980年）、区域发展战略（始于1982年）、投入产出表的应用（始于60年代和1976年）、军事系统工程（始于1978年）、水资源的开发利用（始于1978年）等。90年代以来，系统工程在与企业发展结合、与现代信息技术结合、与实施可持续发展战略结合、与思维科学结合等方面已具有初步结果和强劲势头。第一章:系统工程概述第二节系统工程的研究对象一.系统的概念

1.系统的定义：系统是由两个以上相互联系的要素所构成，且具有特定功能、结构、环境的整体。

S1

S2

S4

S3

系统输入

系统输出

S1，S2，S3，S4——系统部件

系统结构

系统周界

系统环境

系统的基本概念图

原材料

生产车间

办公室

成品库

商品销售系统

社会供应系统

物质流

信息流

指令流

工厂生产系统

成品输出

原材料等输入

外界社会系统环境

2.系统的属性：整体性–如：拿破仑的系统思想–三个和尚没水吃(1+1＜2)–三个臭皮匠，胜过诸葛亮(1+1＞2)–

田忌赛马关联性–要素之间存在复杂的相互关系，要素之间的联系不是简单的叠加，而是以一定的组织形式结合。–系统结构决定系统工程环境适应性–系统不能脱离环境而存在；–系统要适应环境，并可以对环境产生影响。集合性–系统是由若干可以相互区别的要素组成，这些要素可以是实体也可以是非实体。–制造系统={工作机，操作者，工具，图纸...};–工厂={设备，原材料，经营，人员...}.目的性–目的性是系统设计的出发点，它决定了系统的基本功能；–系统的目的是通过实现一系列的目标来实现的。这些目标有时可能是矛盾的，但要在整体上达到协调；–系统的目标是通过一系列功能来实现的，而功能是通过同时或顺次完成一系列任务来达到的。–如：建造房屋层次性–系统要素作为一个整体有一定的层次结构；–人类社会系统：阶级，管理的层次等。–如：教育系统下面，我们来看一个实例：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：

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二.SE的研究对象是大规模复杂系统

该类系统的主要特点有：规模庞大、结构复杂、属性及目标多样、一般为人-机系统、经济性突出等。

三.系统的类型自然系统与人造系统实体系统与概念系统动态系统与静态系统封闭系统与开放系统主要明确SE研究什么样的系统问题管理系统问题举例国家政策市场研究技术经济预测竞争状况企业能力资金来源资源条件社会需求生产可能生产组织与控制物、财、人、信息生产控制库存控制质量控制成本控制资金回收产品销售服务调查经营目标产品开发经营计划生产技术准备技术文件劳动力劳动手段劳动对象环境分析经营决策与计划投入转换产出图1—1工业企业生产经营活动过程示意图

人、财、物、信息构成的整体系统投入—产出系统开放系统具有自适应能力的动态系统1978年我国著名学者钱学森指出：“系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、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方法”。系统工程是一门组织管理的技术。钱学森第三节系统工程的概念与特点一.系统工程的概念1977年日本学者三浦武雄指出:"系统工程与其他工程学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。因为系统工程的目的是研制一个系统，而系统不仅涉及到工程学的领域，还涉及社会、经济和政治等领域，所以为了适当地解决这些领域的问题，除了需要某些纵向技术以外，还要有一种技术从横的方向把它们组织起来，这种横向技术就是系统工程"。三浦武雄一.系统工程的概念

1975年美国科学技术辞典的论述为:"系统工程是研究复杂系统设计的科学，该系统由许多密切联系的元素所组成。设计该复杂系统时，应有明确的预定功能及目标，并协调各个元素之间及元素和整体之间的有机联系，以使系统能从总体上达到最优目标。在设计系统时，要同时考虑到参与系统活动的人的因素及其作用。"美国科学技术词典一.系统工程的概念第三节系统工程的概念与特点一.系统工程的概念

□系统工程是从总体出发，合理开发、运行和革新一个大规模复杂系统所需思想、理论、方法论、方法与技术的总称，属于一门综合性的工程技术。□它是按照问题导向的原则，根据总体协调的需要，把自然科学、社会科学、数学、管理学、工程技术等领域的相关思想、理论和方法等有机综合起来，应用定量分析和定性分析相结合的基本方法，采用现代信息技术等手段，对系统的功能配置、构成要素、组织结构、环境影响、信息交换、反馈控制、行为特点等进行系统分析，最终达到使系统合理开发、科学管理、持续改进、协调发展的目的。

(1)以大规模复杂系统为研究对象，研究对象广泛。(2)系统工程常采用定性分析和定量计算相结合的方法。(3)系统工程是一门跨学科的边缘学科，属于工程技术。三特点第三节系统工程的概念与特点

第三节SE的内容与特点

SE，是用来开发、运行、革新一个大规模复杂系统所需思想、程序、方法的总和（或总称）。

SE强调以下基本观点：

(1)整体性和系统化观点（前提）(2)总体最优或平衡协调观点（目的）(3)多种方法综合运用的观点（手段）(4)问题导向及反馈控制观点（保障）系统工程案例丁渭修宫都江堰水利工程阿斯旺(Aswan)大坝阿波罗登月计划•北宋末年皇城失火，一夜之间皇城变成断壁残垣；•皇帝诏令大臣丁渭组织民工限期修复烧毁的宫殿。•背景资料：–北宋：公元960～1127年；–皇宫位于河南开封，近汴河。丁渭修宫当时，使丁渭头痛的三个主要问题是：1.京城内烧砖无土，2.大量建筑材料很难运进城内，3.清墟时无处堆放大量的建筑垃圾。如何在规定时间内按圣旨完成皇宫修复任务，做到又快又好呢？丁渭经过反复思考，终于想出了一个巧妙的施工方案，不但提前完成了这项修筑工程，而且“省费以亿万计”——节省了大量金银。

丁渭修宫丁渭修宫一举三得背景：岷江是长江上游的一条较大的支流，发源于四川北部高山地区。每年春夏季节山洪暴发，江水奔腾而下，从灌县进入成都平原，由于河道狭窄，古时常常引起洪灾。洪水一退，又是沙石千里。灌县岷江东岸的玉垒山又阻碍江水东流，造成东旱西涝，东部地区土地干裂，民不聊生。秦昭襄王五十一年(公元前256年)，李冰任蜀郡太守(太守相当于现在的专员或大于专员，小于省长)，他为民造福，主持修建了著名的都江堰水利工程，排除洪灾之患。都江堰工程岷江内江外江都江堰市都江堰工程世界上的诸多水利工程水利工程作为一项重大的系统工程，并非只是简简单单的主体工程建设的问题，要考虑到周边的生态环境、地形等众多因素，因此，人们对此都抱着非常谨慎的态度。 兴建一个良好的水利工程将是一项功在当代、利在千秋的大事情，以都江堰为例，两千多年来，它促进了整个成都平原生态环境的协调发展和社会经济效益的提高。与此相反，世界上不乏有很多工程完工之后却带来了很多意想不到的灾难。20世纪30年代，美国人建造了巨大的胡佛水坝和米德湖水库，然而水库建成后三年间，这个历史上从没有地震记录的地区发生了数百次小地震。20世纪60年代初，印度人为向孟买及其周边地区提供充足的水源，修建了弋伊纳水库，但建成一年后，水库储水的重量导致下面的岩层内应力升高，地震便开始在这个历史上无地震的区域频繁发生，并于1967年12月10日，造成177人死亡、2300余人受伤的惨剧。20世纪70年代初，埃及的阿斯旺水坝竣工，虽然这座水坝给埃及人带来了廉价的电力，控制了水旱灾害，灌溉了农田，但是也带来诸多环境和生态问题。1997年，美国缅因州的Edwards坝在工作了162年后被反对者说服当局拆除，原因是大坝破坏了大西洋鲑鱼、条纹石酯和鲟鱼的生存环境。阿斯旺(Aswan)大坝•背景:大坝兴建于20世纪50年代，埃及人口增长很快，年增长率达到百分之三，可利用的自然资源却非常有限。•埃及政府希望通过修建尼罗河高坝，开发新的资源以推动经济发展。•当时的埃及政府和水利专家们认为，修建尼罗河高坝是一箭数雕的高明之举：–即可控制河水泛滥，又能储水、以便在枯水季节灌溉；–可以大幅度扩大可灌溉的耕地面积，以适应增长的人口；–产生巨大的发电能力，为工业化提供充裕而廉价的能源；–修造大坝所形成的巨大水库及对下游水位的调节，可以发展淡水养殖及内河航运。大坝建设过程•1960年破土动工，五年后大坝合龙，1967年大坝工程正式完工。•阿斯旺大坝是当时世界上最大的高坝工程。它高112米、长5公里，将尼罗河拦腰切断，在高坝内形成了一个长650公里、宽25公里的巨大水库—纳赛尔湖。•1970年，大坝内安装的十二部水利发电机组全部投入运转。大坝建成后的效益•调节了下游流量，防止了洪水泛滥；•利用蓄积的水量扩大了灌溉面积，近100万公顷的沙漠得以被开垦成可耕地；•大坝电站每年发电80亿千瓦时，解决了埃及的能源短缺问题；•可以说，当时埃及政府修建阿斯旺大坝的预期目标，全部实现了。大坝对生态和环境的破坏•大坝工程造成了沿河流域可耕地的土质肥力持续下降,沿尼罗河两岸出现了土壤盐碱化。–由于河水不再泛滥，不再有雨季的大量河水带走土壤中的盐分，而不断的灌溉又使地下水位上升，把深层土壤内的盐分带到地表，再加上灌溉水中的盐分和各种化学残留物的高含量，导致了土壤盐碱化。•库区水质恶化，附近居民的健康受到危害。–库区水的大量蒸发是水质变化的一个重要原因；–土地肥力下降迫使农民不得不大量使用化肥，化肥的残留部分随灌溉水又回流尼罗河。大坝对生态和环境的破坏(续)•河水性质的改变使水生植物及藻类到处蔓延，不仅蒸发掉大量河水，还堵塞河道灌渠。–每年由于水生杂草的蒸腾损失的水量就达到可灌溉用水的百分之四十。•尼罗河下游的河床遭受严重侵蚀，尼罗河出海口处海岸线内退。–大坝建成后的十二年中，从阿斯旺到开罗，河床每年平均被侵蚀掉2厘米；–一位原埃及士兵说，他曾站过岗的灯塔现在已陷入海中，距离目前的海岸竟然有一到二公里之遥。大坝利弊的综合评估•阿斯旺大坝建成后陆续出现的生态和环境问题–有些是设计时预料到、但无法避免或无力解决的；–有些是有所预料、但对其后果的严重性估计不足的；–还有些问题是完全没有预料到的。•直到今天，人们仍然认为，要精确地预测大坝对生态和环境的影响还是相当困难的。•目前很多国家的公众舆论和学者专家们往往对超大型水利设施的建设持反对或谨慎的态度。阿波罗登月计划:系统工程发展的里程碑目标：在10年内将人送上月球，并使其安全地返回地球经费：250亿美元1969年7月，阿波罗飞船登上月球，标志着系统工程及其在装备研制中应用的日趋成熟。61“阿波罗”登月计划阿波罗计划顺利实施，是现代系统科学研究的成功典范。此项工程组织了2万多个公司、120多所大学，动用了42万人参加，投入了300亿美元的巨资，用了近10年的时间，终于实现了人类征服地球引力，遨游太空，登上月球探险的梦想。整体阿波罗登月计划之所以能如期完成，关键在于运用系统方法进行有效的组织管理。阿波罗登月中的创建性工作:方案的开发和选择详尽而明确的研制规划制定总体性能指标的控制解决系统内部接口问题系统分析与管理的新方法63方案开发和选择64登月方案几十个筛选比较直接登月地球轨道交会月球轨道交会月球轨道交会方案论证计算详尽而明确的研制规划65系统总目标

功能分析工作分解结构月球轨道交会方案具体化技术目标技术活动详细规划66

20次飞行试验四大系统运载火箭系统载人飞船系统跟踪和数据系统发射和飞行指挥系统六项辅助计划水星计划双子星座计划飞马座计划徘徊者计划勘察者计划月球轨道环行器水星号 阿波罗飞船的登月成功，还证实了系统科学一个重要的命题——“综合即创造”。负责阿波罗计划实施的总指挥韦伯先生说过：“阿波罗计划中没有一项新发明的自然科学理论和技术，全部工作都是现有技术的运用。关键在于综合。” 系统工程的一个重要任务，就是综合运用现代科学技术各个领域的学术成果，如