系统工程概述

系统工程概述第1页，共43页，2023年，2月20日，星期二2

教材

汪应洛主编：《系统工程》（第4版）机械工业出版社出版社

2008年8月第2页，共43页，2023年，2月20日，星期二3参

考

书

籍王众托等，系统工程引论，电子工业出版社，2006白思俊等，系统工程，电子工业出版社，2006陈宏民等，系统工程导论，高等教育出版社，2006谭跃进等，系统工程原理，国防科大出版社，1999孙东川等，系统工程导论，清华大学出版社，2004第3页，共43页，2023年，2月20日，星期二4课程学习目的、要求:

通过课程学习，掌握系统工程方法论，能用系统的观点分析问题，并掌握系统工程分析解决问题的基本概念、基本原理和基本方法，初步具有运用系统建模、系统分析、系统预测、系统评价、系统决策与系统网络计划等系统工程方法分析解决实际问题的能力。第4页，共43页，2023年，2月20日，星期二5内容学时数

第一章系统工程概述

第二章系统工程方法论

第三章系统模型与模型化

第四章系统仿真及系统动力学方法

第五章系统评价方法

第六章决策分析方法

第七章战略研究与管理

第八章系统工程应用实例考试2合计第5页，共43页，2023年，2月20日，星期二6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四节系统工程的应用领域第6页，共43页，2023年，2月20日，星期二7第一节系统工程的产生、发展及应用一、系统思想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7页，共43页，2023年，2月20日，星期二古代朴素的系统思想——萌芽期系统的思想来源于人类长期的社会实践古代天文——历法、二十四节气等农事——《管子•地员》、《诗经•七月》

医药——《黄帝内经》

军事理论——《孙子兵法》（“经五事”，即从道、天、地、将、法5方面来分析战争的全局）水利工程——驰名中外的“都江堰”水利工程（三个主体工程——“鱼嘴”、“飞沙堰”、“宝瓶口”）系统思想体现在我国古代和古希腊的哲学思想中春秋末期的老子——强调自然界的统一性；古希腊唯物主义哲学家的德谟克利特——世界是由原子组成；亚里士多德——提出“四因”等思想。8第8页，共43页，2023年，2月20日，星期二系统思想的形成及演变——发展及成熟期

15世纪下半叶——近代科学兴起，形成了形而上学的思维方法；19世纪上半叶——“三大发现”和自然科学的其他进步——产生了辩证唯物主义；现代科学技术的发展——使系统思想定量化，电子计算机的产生等。整体思想和联系思想是科学系统思想的核心与实质。一般系统论、控制论、信息论、耗散结构理论、协同学及自组织理论等是系统理论的重要内容和SE的理论基础。9第9页，共43页，2023年，2月20日，星期二二、系统理论概述1.一般系统论2.控制论3.信息论4.耗散结构理论5.协同理论6.突变理论10第10页，共43页，2023年，2月20日，星期二1.一般系统论1947年由奥地利生物学家贝塔朗菲创立。贝塔朗菲在论述一般系统论原理时指出：

为了认识事物的整体性，既要了解其各部分组成，更要了解它们之间的关系。一般系统论来源于机体论，贝塔朗菲认为机械论有3个错误的观点：一、是相加的观点，即把有机体分解为各要素，并以简单相加来描述有机体的功能；二“机械”观点，把生命现象简单的比作机器，并认为“人即机器”；三是被动反应的观点，认为有机体只有受到刺激时才能出现反应，否则静止不动。11第11页，共43页，2023年，2月20日，星期二一般系统论3个基本观点系统观点即一切有机体都是一个整体（系统）。整体是由部分结合而成的，其特性和功能不只是各部分特性和功能的简单相加的总和。认为系统是“相互作用的诸要素的复合体”。动态观点即一切有机体本身都处于积极的运动状态。一切生命现象始终处于积极活动的状态，有机体之所以能有组织的处于活动状态并保持其活力，是由于系统与环境不断地进行物质与能量的交换。等级观点即指各种有机体都按严格的等级组织起来。生物系统层次分明、等级森严，通过各层次逐级的组合，形成越来越高级、越来越庞大的系统。系统就是由结构和功能组成的统一体。12第12页，共43页，2023年，2月20日，星期二一般系统论的特点一般系统论属于逻辑和数学的领域，其任务是确立适用于各种系统的一般原则，为解决各种系统问题提供新的研究方法。一般系统论用相互关联的综合性思维来取代分析事物的分散思维，突破了以往分析方法的局限性。一般系统论可以帮助人们摒弃用简单方法来解决复杂系统的习惯。13第13页，共43页，2023年，2月20日，星期二2.控制论1948年，美国数学家维纳总结了前人的经验创立。控制论是研究系统调节与控制的一般规律的科学，为了实现系统自身的稳定和功能，系统需要取得、使用、保持及传递能量、材料和信息，需要对系统的各部分进行组织，那么怎样组织？便是控制论所要研究的问题。14第14页，共43页，2023年，2月20日，星期二控制论的3个发展过程20世纪50年代末期之前为第一阶段，称为经典控制论阶段——经典控制论主要是研究单输入和单输出的线性控制系统的一般规律，它建立了系统、信息、调节、控制、反馈等控制论的基本概念和分析方法。研究重点是反馈控制，主要应用与单机自动化。20世纪50年代末期至70年代初期为第二阶段，称为现代控制阶段——现代控制论研究的对象是多输入和多输出的非线性控制系统，研究重点是最优控制、随机控制和自适应控制，主要应用于机组自动化和生物系统。20世纪70年代之后为第三阶段，称为大系统理论阶段——大系统理论的主要研究对象是众多因素复杂的控制系统（如宏观经济系统、资源分配系统、生态系统等等）。15第15页，共43页，2023年，2月20日，星期二控制论研究的具体内容1.最优控制论——现代控制论的核心社会发展、科学技术的进步，各种控制系统日趋复杂和庞大，这些新的形势促使控制论进入多输入和多输出系统控制的现代化阶段，要求通过数学方法，采用动态的控制方式，解决众多大系统的设计和控制问题，实现系统最优化。16第16页，共43页，2023年，2月20日，星期二控制论研究的具体内容2.自适应、自学习和自组织系统理论自适应控制系统——能按照外界条件、环境的变化，自动调整其自身的结构或行为参数，以保持系统原有功能。自学习控制系统——能按照自己运行过程中的经验来改进控制算法的能力的系统。它有“定式”和“非定式”两个方面。自组织系统——能根据环境和运行经验来改变自身结构和行为参数的系统。自组织系统理论的主要目标是通过仿真、模拟人的神经网络和感觉器官的功能，探索人工智能的途径。17第17页，共43页，2023年，2月20日，星期二控制论研究的具体内容3.模糊理论

在模糊数学的基础上形成的一种新型数学理论，主要用来解决一些不确定性的问题。4.大系统论

大系统理论所要研究的问题，主要是大系统的最优化；研究对象是复杂的大型自动化问题；研究的领域繁多。控制论以理论控制论为中心的四大分支：工程控制论、生物控制论、社会控制论和智能控制论。18第18页，共43页，2023年，2月20日，星期二3.信息论1948年由美国科学家申农提出。信息论是一门研究信息传输和信息处理系统中一般规律的学科。信息论可分为狭义信息论与广义信息论。

狭义信息论研究通信控制系统中信息传递的共同规律，以及如何提高信息传输的有效性和可靠性。广义信息论是利用狭义信息论观点来研究一切问题的理论，他研究及其、生物和人类对于各种信息的获取、变换、传输、储存、处理和利用的一般规律，设计和制造各种智能信息处理和控制机器，以便模拟人的部分功能。19第19页，共43页，2023年，2月20日，星期二信息论是控制论的基础。这是因为它调节着其他流的数量、方向、速度、目标等，进行有目的、有规律的活动。那些事先不知道其结果的消息，称为信息。申农把信息定义为“不确定度的减少”，并提出了信息量的概念，即把某种不确定度趋向确定的一种量度。信息科学的产生——以信息论为基础。20第20页，共43页，2023年，2月20日，星期二4.耗散结构理论20世纪70年代，由比利时物理学家普里高津提出。普利高津指出：一个远离平衡态的开放系统，在外界条件变化达到某一特定值时，量变可能引起质变，系统通过与外界不断地交换能量与物质，就可能从原来的无序状态转变为一种时间、空间或功能的有序状态。这种远离平衡态的、稳定的、有序的结构被称为“耗散结构”。21第21页，共43页，2023年，2月20日，星期二耗散结构理论基本观点1.开放系统是产生耗散结构的必要前提。布鲁塞尔学派认为，系统根据与外界环境的关系，可分为三类：孤立系统、封闭系统和开放系统。总之，开放系统不仅是耗散结构形成的前提，同时也是耗散结构得以维持和存在的基础。因为耗散结构实质上就是远离平衡态的非线性系统，是通过与外界不断地交换物质、能量、信息来维持的一种动态有序结构。22第22页，共43页，2023年，2月20日，星期二耗散结构理论基本观点2.非平衡态是有序之源耗散结构只有在系统保持“远离平衡”的条件下，才有可能出现。耗散结构与平衡结构是有着本质区别的——平衡结构是一种“死”的结构，或者说是一种静态的稳定结构，它的存在不依赖于外界；而耗散结构是一种“活”的结构，或者说是一种动态的稳定结构，它是一种远离平衡态的稳定态。

耗散结构是系统的一种非平衡态。欲使系统形成耗散结构，必须设法驱动开放系统越出平衡态区和近平衡态线性区，到达远离平衡态的非线性区域。23第23页，共43页，2023年，2月20日，星期二耗散结构理论基本观点3.涨落导致有序所谓涨落，是指系统的某个变量或某种行为对平均值的偏离。涨落是偶然的、随机的，在不同状态下有不同的作用——对平衡态和近平衡态，起消极的作用；而对非平衡态，涨落触发和激化了耗散结构的形成，起着积极的建设性作用，即偶然的随机涨落为耗散结构的形成提供了良好的条件。24第24页，共43页，2023年，2月20日，星期二5.协同理论协同论的创始人是德国著名理论物理学家赫尔曼.哈肯。这里所说的协同效用是系统本身固有的自组织能力，是形成系统有序结构的内部作用力。哈肯认为任何一个包括有大量子系统的复杂系统，在与外界环境有物质、能量、信息交换的开放条件下，通过通过各子系统之间的非线性的相关作用，就能产生各子系统相互合作的协同现象，使系统能够自动地在宏观上产生空间、时间或功能上的有序结构，出现新的稳定状态。25第25页，共43页，2023年，2月20日，星期二自组织原理是协同理论的核心。协同学原理指出——在一定的外部能量流和物质流的条件下系统会通过大量子系统之间的协同作用，在自身涨落力的推动下达到新的稳定，形成新的时间、空间有序结构。自组织具有内在性和自主性。26第26页，共43页，2023年，2月20日，星期二6.突变理论1972年，法国著名数学家托姆发表了《结构稳定性和形态形成学》一文，标志着突变理论的诞生。突变理论是从量的角度研究各种事物的不连续变化，并试图用统一的数学模型来描述它们。突变理论研究的范畴——介于连续变化与不连续飞跃之间的变化27第27页，共43页，2023年，2月20日，星期二托姆认为自然界或人类社会中，任何一种运动状态都有稳定态与非稳定态之分。突变理论指出，事物的这两种状态是相互交错的。状态随控制因素变动的函数图形可以分为单值区域和多值区域：在单值区域里，一定的控制因素对应于唯一确定的稳定状态；在多值区域，一定的控制因素对应于若干个状态，其中既有稳定态，也有非稳定态。28第28页，共43页，2023年，2月20日，星期二29三、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，强调了其重要性第29页，共43页，2023年，2月20日，星期二30三、系统工程的发展概况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的地位第30页，共43页，2023年，2月20日，星期二31V1972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三、系统工程的发展概况第31页，共43页，2023年，2月20日，星期二32四、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。我国大规模地研究与应用SE是从70年代末、80年代初开始。

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32页，共43页，2023年，2月20日，星期二33第二节系统工程的研究对象一、系统的概念及特点系统工程的研究对象是组织化的大规模复杂系统。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。而“系统”作为系统理论、系统工程和整个系统科学的基本研究对象，需要正确理解和深刻认识。研究对象：第33页，共43页，2023年，2月20日，星期二34一、系统的概念及特点

最早出现于希腊——部分组成的整体美籍.奥地利理论生物学家——冯·贝塔朗菲，1937提出“系统是相互作用的诸要素的综合体”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。系统所必需的3个条件：1.两个以上的要素2.要素之间有一定有机联系3.具有特定的功能第34页，共43页，2023年，2月20日，星期二35一、系统的概念及特点系统的一般属性:1.集合性2.相关性3.阶层性4.整体性5.目的性6.环境适应性第35页，共43页，2023年，2月20日，星期二36二、系统的类型1、自然系统与人造系统2、实体系统与概念系统3、动态系统和静态系统4、封闭系统与开放系统第36页，共43页，2023年，2月20日，星期二37第三节系统工程的概念与特点一、系统工程的概念

定义：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）第37页，共43页，2023年，2月20日，星期二38钱学森对系统工程的定义：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。简言之“系统工程是一门组织管理的技术”。第38页，共43页，2023年，2月20日，星期二二、系统工程的特点1.系统工程与传统工程技术的主要区别：（1）