系统工程绪论详解演示文稿

系统工程绪论详解演示文稿当前第1页\共有89页\编于星期日\11点（优选）系统工程绪论当前第2页\共有89页\编于星期日\11点进度安排……内容时间安排管理系统工程绪论3课时管理系统分析3课时管理系统结构3课时管理系统环境3课时管理系统控制6课时管理系统评价12课时（3课时上机）管理系统仿真12课时（3课时上机）3当前第3页\共有89页\编于星期日\11点44参考书籍：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月当前第4页\共有89页\编于星期日\11点55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当前第5页\共有89页\编于星期日\11点666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当前第6页\共有89页\编于星期日\11点77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”（机械的分解——还原思维）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。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。当前第7页\共有89页\编于星期日\11点8系统工程的发展大致可以分为萌芽、发展和初步成熟三个时期：1．萌芽时期（20世纪50年代以前）

2．发展时期（20世纪50年代至60年代）

3．初步成熟时期（20世纪60年代以后）

二、系统工程的发展概况8当前第8页\共有89页\编于星期日\11点99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，强调了其重要性当前第9页\共有89页\编于星期日\11点1010III40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的地位当前第10页\共有89页\编于星期日\11点1111V1972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当前第11页\共有89页\编于星期日\11点12

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。

三、系统工程在中国的发展及应用当前第12页\共有89页\编于星期日\11点13

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。当前第13页\共有89页\编于星期日\11点14

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。当前第14页\共有89页\编于星期日\11点1515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。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：当前第15页\共有89页\编于星期日\11点1616系统的定义：系统是由两个以上有机联系、相互作用的要素所组成，具有特定功能、结构和环境的整体。该定义有以下四个要点：(1)系统及其要素(2)系统和环境(3)系统的结构(4)系统的功能当前第16页\共有89页\编于星期日\11点17系统工程的研究对象：系统系统的定义：具有特定功能的、相互间具有有机联系的许多要素所构成的整体。基本元素子系统：系统的某一部分结构：所有要素间关联方式的总和环境：与系统相关的其他物质集合17当前第17页\共有89页\编于星期日\11点18对于一个系统，如果它的某种描述结构能保持所需的一段时间并具有某种简单性，就称该系统的此种结构是有序的，此时的系统也称为有组织的。框架结构：能够基本确认系统的主要关联方式；运行结构：系统运行过程中各组分之间相互动态影响的关联方式空间结构：系统组分在空间的排列配置方式；时间结构：系统组分关联方式随时间的变化特征。18当前第18页\共有89页\编于星期日\11点191.1.1系统的定义系统（System）一词来源于希腊文systema。由词冠“sys-”和动词词干“tema”构成的复合词。共同地使定位原意是指事物中的共性部分和每一事物应占据的位置。也就是由部分组成整体的意思。19当前第19页\共有89页\编于星期日\11点201.1.1系统的定义（1）古今系统思想概述

系统思想（SystemThought）就其最基本的涵义来说，是关于事物的整体性观念、相互联系的观念、演化发展的概念。系统概念来源于人类长期的社会实践。人类自有生产活动以来，无不在同自然系统打交道。20当前第20页\共有89页\编于星期日\11点211.1.1系统的定义（1）古今系统思想概述

德谟克利特（Democritus）的“宇宙大系统”

德谟克利特（约前460年～前370年）出生于色斯雷的海滨城市阿布德拉。德谟克利特研究过天文、地质、数学、物理、生物等许多学科，提出了圆锥体、棱锥体、球体等体积的计算方法。他对逻辑学的发展也作出了重要的贡献。德谟克利特的著作涉及自然哲学、逻辑学、认识论、论理学、心理学、政治、法律、天文、地理、生物和医学等许多方面，据说一共有52种之多，遗憾的是到今天大多数都散失或只剩下零散的残篇了。马克思和恩格斯因此赞美他是古希腊人中“第一个百科全书式的学者”。21当前第21页\共有89页\编于星期日\11点221.1.1系统的定义（1）古今系统思想概述

德谟克利特在自然科学上最重要的贡献，是他继承和发展了生活于公元前500年前后的留基伯的原子论，为现代原子科学的发展奠定了基石。曾论述了“宇宙大系统”，他认为世界是由原子和真空所组成，原子组成万物，形成不同的系统和有层次的世界。22当前第22页\共有89页\编于星期日\11点231.1.1系统的定义（1）古今系统思想概述

亚里士多德（Aristotle）的朴素系统观亚里士多德(约前384-前322)是世界古代史上最伟大的哲学家、科学家和教育家。他创立了形式逻辑学，丰富和发展了哲学的各个分支学科，对科学作出了巨大的贡献。提出关于整体性、目的性、组织性的观点，以及关于事物相互关系的思想（古代朴素的系统观念）

23当前第23页\共有89页\编于星期日\11点241.1.1系统的定义（1）古今系统思想概述

李冰的都江堰水利工程战国初期秦国李冰设计修造了伟大的都江堰，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个渠堰工程，工程之间的联系处理的恰到好处，形成一个协调运转的工程总体。科学地解决了江水自动分流、自动排沙、控制进水流量等问题，消除了水患，使川西平原成为“水旱从人”的“天府之国”。我国历史上曾修建过许多水利工程，其中有名的就有芍(shuo)陂(bei)、漳水渠、郑国渠等，但大部分都先后报废，唯独李冰修建的都江堰经久不衰，两千多年来一直发挥着防洪、灌溉、航运等多种功效，成为我国历史上的一项奇迹。

24当前第24页\共有89页\编于星期日\11点251.1.1系统的定义（1）古今系统思想概述

贾思勰（xie）的“齐民要术”著名学者贾思勰（xie）（南北朝北魏人，今山东寿平人）在其名著“齐民要术”一书中，叙述了气候因素与农业发展的关系，对农业与种子、地形、耕种、土壤、水分、肥料、季节、气候诸因素的相互关系，都有辨证的叙述，并提出了如何根据天时、地利和生产条件合理地安排农事活动。25当前第25页\共有89页\编于星期日\11点261.1.1系统的定义（2）系统的各种定义在韦氏大辞典（Webster大辞典）中，系统一词被解释为:有组织的和被组织化了的整体；结合着的整体所形成的各种概念和原理的综合；由有规则的相互作用、相互依赖的诸要素形成的集合等等。一般系统论的创始人贝塔朗菲把系统定义为：相互作用的诸要素的综合体。在日本的JIS工业标准中,系统被定义为：许多组成要素保持有机的秩序向同一目标行动的体系。26当前第26页\共有89页\编于星期日\11点271.1.1系统的定义（2）系统的各种定义钱学森语：

系统是由相互作用、相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机体，而且这个系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。27当前第27页\共有89页\编于星期日\11点28

系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合的具有特定功能的有机整体。分析系统的定义，它包含三层意义：第一，系统是由若干元素组成的。第二，这些元素相互作用、相互依赖。第三，由于元素间的相互作用，使系统作为一个整体具有特定的功能。1.1.1系统的定义（概括）28当前第28页\共有89页\编于星期日\11点29（1）自然系统与人工系统

（2）实体系统与概念系统

（3）开放系统与封闭系统

（4）静态系统与动态系统（5）可控系统和不可控系统

1.1.2系统的分类29当前第29页\共有89页\编于星期日\11点30（1）自然系统与人工系统

（2）实体系统与概念系统

（3）开放系统与封闭系统

（4）静态系统与动态系统（5）可控系统和不可控系统

原始的系统都是自然系统，如：天体、海洋、生态系统等；人工系统都存在于自然系统之中，如：人造卫星、海运船只、机械设备、生产管理、物流系统等等。1.1.2系统的分类30当前第30页\共有89页\编于星期日\11点31（1）自然系统与人工系统

（2）实体系统与概念系统

（3）开放系统与封闭系统

（4）静态系统与动态系统（5）可控系统和不可控系统

实体系统是指以矿物、生物、机械、能量和人等实体为构成要素所组成的系统，如：机械系统、计算机系统等；概念系统是指以概念、原理、原则、方法、制度、程序等非物质实体为构成要素所组成的系统，如：管理系统、教育系统、国民经济系统等。

1.1.2系统的分类31当前第31页\共有89页\编于星期日\11点32（1）自然系统与人工系统

（2）实体系统与概念系统

（3）开放系统与封闭系统

（4）静态系统与动态系统（5）可控系统和不可控系统

开放系统是指与外部环境有物质、能量和信息交换的系统，如：教育系统、企业系统等；封闭系统是指与外部环境无关的系统，实际上，没有绝对的封闭系统，只是有时把与环境联系较少，相对独立的系统看作封闭系统。

1.1.2系统的分类32当前第32页\共有89页\编于星期日\11点33（1）自然系统与人工系统

（2）实体系统与概念系统

（3）开放系统与封闭系统

（4）静态系统与动态系统（5）可控系统和不可控系统

静态系统是指决定系统特性的因素不随时间推移而变化的系统，没有绝对的静态系统；动态系统是指这些因素随时间的推移而变化的系统，如：人体系统、企业系统等。

1.1.2系统的分类33当前第33页\共有89页\编于星期日\11点34（1）自然系统与人工系统

（2）实体系统与概念系统

（3）开放系统与封闭系统

（4）静态系统与动态系统（5）可控系统和不可控系统

凡是人能够改变其状态的系统称为可控系统，反之称为不可控系统。人工系统是可控的，大多数自然系统是不可控的。1.1.2系统的分类34当前第34页\共有89页\编于星期日\11点35（1）整体性（2）相关性（3）目的性（4）层次性（5）动态性（6）适应性即系统整体不等于各组成元素之和，即非加和原则，有两种情况：①整体小于各组成元素之和，即1+1<2

②整体大于各组成元素之和，即1+1>2（也叫整体的涌现性）系统中相互关联的部分或部件形成“部件集”，“集”中各部分的特性和行为相互制约和相互影响，这种相关性确定了系统的性质和形态。人工系统和复合系统都具有一定的目的性，要达到既定的目的，系统必须具有一定的功能。没有目的的系统不属于系统工程研究的对象。由于系统的结构、功能和层次的动态演变有某种方向性，因而使系统具有有序性的特点。系统的有序性可以表述为：系统是由较低级的子系统组成，而该系统自己又是更大系统的一个子系统。系统的有序性揭示了系统与系统之间存在着包含、隶属、支配、权威、服从的关系，统称为传递关系。如：开放系统和外界环境有物质、能量和信息的交换，系统内部结构也可以随时间变化。一般来说，系统的发展是一个有方向性的动态过程。

任何系统都存在于物质环境（更大的系统）之中，它必然要与外界环境产生产生物质、能量和信息的交换，外界环境的变化也必然会引起系统内部各要素之间的变化。因此为了保持和恢复系统原有特性，系统必须具有对环境的适应能力，就象元素必须适应环境一样，因为：系统+环境=更大的系统。1.1.3系统的特征35当前第35页\共有89页\编于星期日\11点361.1.4系统的结构与功能（1）系统的结构从一般意义上讲，系统的结构可以用以下式子表示：S={Ω，R}式中S

——代表系统；

Ω

——代表元素的集合；

R

——代表元素之间的各种关系的集合。

36当前第36页\共有89页\编于星期日\11点371.1.4系统的结构与功能（1）系统的功能37当前第37页\共有89页\编于星期日\11点38小结系统的基本特征包含了整体性、相关性、目的性、有序性、动态性、环境适应。对于系统可以按照不同的分类标准划分为不同的系统。

38当前第38页\共有89页\编于星期日\11点391.2复杂系统根据系统的复杂程度，系统可以分为：简单系统：组成系统的元素彼此之间有着紧密的因果连续性的联系，这种因果连续性的联系使得系统是一个完整的整体。复杂系统：就是组成系统的元素彼此之间有着具相的对立间断的关系，这种关系使得系统不是一个具相的整体。39当前第39页\共有89页\编于星期日\11点40复杂系统的复杂性：属性与功能多样：环境复杂、功能交叉、目标冲突、角色变换等问题突出，权衡（Trade-off）是复杂系统管理的关键。内部结构与行为复杂：各要素间关联广泛而密切，且不同质，高度耦合，形成多重互动网络结构。系统与环境关系问题突出：系统高度开放，但界限模糊，系统与环境、要素与要素、环境与环境之间有各种能量和信息交换。学习与自适应特征明显：系统和各要素通过学习以不同的方式获得知识，并在发展过程中不断学习并对其结构与功能进行重组和完善。系统对不确定性有感知和适应能力，具有一定的智能性。40当前第40页\共有89页\编于星期日\11点41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当前第41页\共有89页\编于星期日\11点42工程技术系统工程技术科学系统哲学系统学新老三论基础科学哲学图系统科学体系结构图42当前第42页\共有89页\编于星期日\11点431.3系统科学与系统工程系统科学与系统工程的发展老三论贝塔朗菲（Bertalanffy）的系统论维纳（Wiener）的控制论申农（Shannon）的信息论新三论普利高津（Prigogin）的耗散结构理论哈肯（Hakin）的协同学托姆（Thomm）的突变理论43当前第43页\共有89页\编于星期日\11点441.4系统工程学的特点系统工程强调以下基本观点：(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）44当前第44页\共有89页\编于星期日\11点45系统工程学属交叉学科，注重学科开放、知识融合和创新系统工程学是软科学，注重人、信息及社会环境等的交互作用和复杂影响。系统工程学采用复杂科学方法，注重定性与定量、微观和宏观、还原论和整体论、科学推理和哲学思辨等有机结合。系统工程方法属于综合技术或者横向技术，注重工程化。系统工程学是解决各种系统问题的基本方法，注重方法论的探索与应用。系统工程学的内容具有多层次，注重体系化。系统工程学应用广泛，注重工程、管理、社会实践和与时俱进。45当前第45页\共有89页\编于星期日\11点46工程技术系统工程技术科学系统哲学系统学新老三论基础科学哲学图系统科学体系结构图46当前第46页\共有89页\编于星期日\11点47二、系统工程理论2.1经典系统理论一般系统论控制论信息论2.2现代系统理论耗散结构协同学突变论2.3系统理论的发展系统复杂性复杂适应系统复杂网络理论47当前第47页\共有89页\编于星期日\11点482.1经典系统理论-一般系统论一般系统论的产生还原论：逐层分解，隔离，研究因果链机械论：物质构成体、静态的外部作用和变化一般系统论的基本观点整体性：要素和系统不可分割；系统整体功能不等于各组成要素的功能之和；系统具有不同于各组成部分的新功能。开放性：系统与环境进行物质、能量和信息交换；异因同果；目的论大于因果论。动态相关性：系统状态是时间的函数；要素、系统和环境之间的相关关系及其对系统状态的影响。层次等级性：相互关联相互制约。有序性：结构有序（空间）和发展有序（时间）。48当前第48页\共有89页\编于星期日\11点492.1经典系统理论-一般系统论系统论的启示系统方法就是从系统的观点出发，在系统与要素、要素与要素、系统与环境的相互关系中解释对象系统的系统特征和运动规律，从而最佳的处理问题。系统方法的特点就是遵循整体性、动态性和最优化的原则整体性：系统目标—要素间相互关系。动态性：产生、发展过程和前景。最优化：整体最优，非局部最优。49当前第49页\共有89页\编于星期日\11点502.1经典系统理论-控制论控制论的产生与发展经典控制理论时期：单因素控制系统，单输入和单输出系统的控制问题，如控制锅炉水位、火炮自动瞄准。现代控制理论时期：多因素控制系统，多输入和多输出系统的控制问题，如人造卫星、航天系统。大系统控制理论时期：大系统多级递阶控制，大系统结构方案、稳定性、最优化、建模与简化，如经济系统、管理系统。控制论的根本观念一切系统都是信息系统，控制的过程是信息运动的过程，任何系统都存在信息接收、存取和加工过程。一切系统都是控制系统，有目标，通过有目的的行为和反馈实现系统控制。50当前第50页\共有89页\编于星期日\11点512.1经典系统理论-控制论控制论对系统方法的启示黑箱-灰箱-白箱法。提供了认识黑箱的方法，而不是将一无所知的系统视为黑箱。从系统的整体联系出发，通过系统的输入和输出关系，认识和把握系统的功能特性，探索其结构和机理。功能模拟。以功能和行为相似性，用模型模拟原型的功能和行为。重点是“它能做什么”，而不是“它是什么”，功能相似而非结构相似。形式化、数量化和最优化：对系统用形式化抽象，用数量化定量描述，寻找整体最优。51当前第51页\共有89页\编于星期日\11点522.1经典系统理论-信息论信息论的产生与发展狭义信息论。主要研究消息的信息量、信道容量以及消息的编码问题。一般信息论。主要研究通信问题，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。除了前两项研究内容，还包括所有与信息有关的领域。信息论：以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为研究内容，以计算机和光导纤维为主要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要研究目标。52当前第52页\共有89页\编于星期日\11点532.1经典系统理论-信息论信息论的启示类比方法。将不同领域的具体概念，如消息、信号、情报等，抽象出了信息概念，建立了信息论模型。统计方法。统计数学解决了信息度量问题。信息方法。传统方法注重的是物质和能量在事物变化过程中的作用，而信息方法摆脱系统的具体运动状态，将系统有目的的运动抽象为信息变换过程。传统方法在研究问题时，主要是用剖析法，不利于掌握事物之间的内在联系，忽视了系统的整体性能，信息方法用联系和转化的观点，综合研究系统的信息过程，获取关于系统整体的性能和知识。53当前第53页\共有89页\编于星期日\11点542.2现代系统理论-耗散结构理论定义：一个远离平衡态（平衡态时熵最大）的开放系统，在外界环境发生变化使系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，量变可以发生质变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上有序状态，这种突变后的状态称为耗散结构。纳德效应。在一个圆盘中倒入一些液体。当从下面加热这一薄层液体时，刚开始上下液面温差不太大，液体中只有热传导。但当上下液面温差△T超过某一临界值△Tc时，对流突然发生，并形成很有规律的对流花样。从上往下俯视，是许多像蜂房那样的正六角形格子。中心液体往上流，边缘液体往下流，或者相反。这是一种宏观有序的动态结构。

54当前第54页\共有89页\编于星期日\11点552.2现代系统理论-耗散结构理论平衡结构与耗散结构。平衡结构虽稳定有序，但是死结构，不需要靠外界供应物质、能量维持。耗散结构是也是稳定有序的，但是活结构，需要耗散物质和能量维持这种有序状态。55当前第55页\共有89页\编于星期日\11点562.2现代系统理论-耗散结构理论耗散结构的基本特点系统必须是远离平衡态的开放系统，要与外界交换能量与物质，才有可能降低自身的熵。系统内部具有非线性动力学机制。系统要素间的非线性相互作用是推动系统向有序状态发展的内部动力，这种非线性机制促使系统各要素间产生相干效应和临界效应，从而使系统由混乱无序状态相有序状态转变。线性互相作用起得是数量上的叠加作用，具有独立性、均匀性和对称性，不能带来质变，而非线性机制的非加和作用是系统产生并保持耗散结构的根本原因。耗散结构的出现是由于远离平衡态的系统内部涨落被放大而诱发的。对平均值的偏差为涨落，具有偶然性和随机性。在平衡态下，涨落可以忽略，但系统远离平衡态是，涨落会被放大，对系统演变其触发作用。

56当前第56页\共有89页\编于星期日\11点572.2现代系统理论-协同学协同学是一门研究协同系统从无序状态到有序状态演化规律的新兴综合性学科。协同学是一种研究各种不同系统在一定外部条件下，系统内部各子系统之间通过非线性相互作用产生协同效应，使系统从混沌无序状态向有序状态，从低级有序状态向高级有序状态，从有序状态向混沌状态转化的机理和共同规律的理论。57当前第57页\共有89页\编于星期日\11点582.2现代系统理论-协同学协同学的基本原理协同效应原理。协同效应是指由于协同作用而产生的结果，是指复杂开放系统中大量子系统相互作用而产生的整体效应或集体效应。任何复杂系统，当在外来能量的作用下或物质的聚集态达到某种临界值时，子系统之间就会产生协同作用。这种协同作用能使系统在临界点发生质变产生协同效应，使系统从无序变为有序，从混沌中产生某种稳定结构。协同效应说明了系统自组织现象的观点。支配原理。快变量服从慢变量（序参量），序参量支配子系统行为。它从系统内部稳定因素和不稳定因素问的相互作用方面描述了系统的自组织的过程。其实质在于规定了临界点上系统的简化原则——“快速衰减组态被迫跟随于缓慢增长的组态”，即系统在接近不稳定点或临界点时，系统的动力学和突现结构通常由少数几个集体变量即序参量决定，而系统其他变量的行为则由这些序参量支配或规定，正如协同学的创始人哈肯所说，序参量以“雪崩”之势席卷整个系统，掌握全局，主宰系统演化的整个过程。自组织原理。自组织是相对于他组织而言的。他组织是指组织指令和组织能力来自系统外部，而自组织则指系统在没有外部指令的条件下，其内部子系统之间能够按照某种规则自动形成一定的结构或功能，具有内在性和自生性特点。自组织原理解释了在一定的外部能量流、信息流和物质流输入的条件下，系统会通过大量子系统之间的协同作用而形成新的时间、空间或功能有序结构。

58当前第58页\共有89页\编于星期日\11点592.2现代系统理论-突变论渐变的运动过程—微积分建模突变的运动过程—微积分无法描述突变论的主要特点是用形象而精确的数学模型来描述和预测事物的连续性中断的质变过程。突变论是一门着重应用的科学，它既可以用在“硬”科学方面，又可以用于“软”科学方面。当突变论作为一门数学分支时，它是关于奇点的理论，它可以根据势函数而把临界点分类，并且研究各种临界点附近的非连续现象的特征。59当前第59页\共有89页\编于星期日\11点602.2现代系统理论-突变论突变论的主要观点稳定机制是事物普遍特性之一，是突变论阐述的主要内容，事物的发展变化是其稳定态和非稳定态交互运行的过程。质变可以通过渐变和突变两种途径实现，关键是取决于质变经历的中间过渡态是不是稳定的，如果是稳定的，那么就是通过渐变达到质变，如果是不稳定的，就是通过突变方式达到的。在一种稳定态中的变化属于量变，在两种结构稳定态中的变化或者在结构稳定态与不稳定态之间的变化则是质变。量变必然体现为渐变，突变必然导致质变，而质变则可以通过突变和渐变两种方式实现。60当前第60页\共有89页\编于星期日\11点61

复杂科学是系统科学发展的新阶段

新的发现不断地冲击着经典科学的传统观念

系统在远离平衡的状态下也可以稳定(自组织)确定性的系统有其内在的随机性(混沌)

随机性的系统却又有其内在的确定性(涌现)

新的学科不断涌现复杂系统和系统的复杂性这两个范畴就是在这样的背景下提出的2.3系统理论的发展当前第61页\共有89页\编于星期日\11点62系统的复杂性系统各单元之间的联系广泛而紧密，构成一个网络．因此每一单元的变化都会受到其它单元变化的影响，井会引起其它单元的变化．

系统具有多层次、多功能的结构，每一层次均成为构筑其上一层次的单元，同时也有助于系统的某一功能的实现．

系统在发展过程中能够不断地学习并对其层次结构与功能结构进行重组及完善．

系统是开放的，它与环境有密切的联系，能与环境相互作用，并能不断向更好地适应环境的方向发展变化．

系统是动态的，它不断处于发展变化之中，而且系统本身对未来的发展变化有一定的预测能力．

当前第62页\共有89页\编于星期日\11点63复杂系统

组分众多具有层次结构的系统

具有多样性的系统

耦合度高的系统

复杂系统最本质的特征是其组分具有某种智能，即具有了解其所处的环境，预测其变化，并按预定目标采取行动的能力。复杂性科学

研究对象是复杂系统（物理层次、生物层次、社会层次）

研究方法是定性判断与定量计算相结合、微观分析与宏观分析相结合、还原论与整体论相结合、科学推理与哲学思辩相结合

研究深度不限于对客观事物的描述，而是着重于揭示客观事物构成的原因及其深化的历程，并力图尽可能准确地预测其未来的发展。

当前第63页\共有89页\编于星期日\11点64系统复杂性研究非线性科学圣塔菲研究所（SantaFeInstitute，SFI）钱学森-复杂巨系统复杂性科学的特点研究对象是复杂系统研究方法为定性判断与定量计算相结合、微观分析与宏观综合相结合、还原论与整体论相结合、科学推理和哲学思辨相结合。复杂适应系统理论（ComplexAdaptiveSystem，CAS）1994年美国学者霍兰（JohnHolland）主要内容自学64当前第64页\共有89页\编于星期日\11点65系统理论的发展动向欧洲学派：以非线性自组织为核心内容美国学派：以圣塔菲研究所为代表的CAS理论框架中国学派：以开放的复杂巨系统理论为核心的体系65当前第65页\共有89页\编于星期日\11点66三、系统工程方法论华罗庚的泡茶问题“想泡壶茶喝。当时的情况是：开水没有，开水壶要洗，茶壶茶杯要洗，火已升了，茶叶也有了，怎么办?”66当前第66页\共有89页\编于星期日\11点67一、问题描述目标：喝到一碗清新的热茶。条件：已有一个茶壶、一包好茶叶、一个燃着的火炉和可用的凉水水源。其它要求：以最节约资源的方式实现目标。系统工程研究任务：为解决喝茶问题设计一个行动计划系统(设计一个解决泡茶问题的行动计划)。67当前第67页\共有89页\编于星期日\11点68二、问题分析—资源需求根据我们的日常经验，现代人类的活动通常需要人、财、物等类资源。在这个泡茶问题上，不涉及资金，所需的资源包括：凉水、茶壶、茶叶、茶碗、火炉。这些资源目前都已齐备，且假设除人外没有限制。68当前第68页\共有89页\编于星期日\11点69二、问题分析—系统目标以最节约资源的方式泡一壶好茶。这个问题中，前面提到的各项资源除了人力资源外，都是没有限制的。但实际上，茶壶的大小是确定的，因而所用水是确定的。再假定炉火的发热量及热效率是确定的，那么，一旦装满水的茶壶放到火上，其消耗的能源也是确定的。茶叶使用量是有定额的。所以，在泡茶问题上，前述各项资源除随机干扰外，不存在节约问题。这个问题，唯一涉及的节约问题是关于一种既无限又有限的资源—时间的节约。69当前第69页\共有89页\编于星期日\11点70二、问题分析—系统工程研究任务界定设计一个解决泡茶问题的行动计划，要求合理安排各道工序，最大限度节约时间。70当前第70页\共有89页\编于星期日\11点71三、谋划备选方案根据日常经验，对以上泡茶问题可以有以下三种解法：甲：⑴洗净水壶；⑵灌上凉水；⑶壶放在火上；⑷等水开；⑸水开后，以最快的速度洗茶杯，找茶叶；⑹泡茶，待茶泡好；⑺喝茶。乙：⑴洗净水壶；⑵洗茶杯；⑶找好茶叶；⑷灌凉水；⑸壶放火上；⑹等水开；⑺水开后，用准备好的茶杯、茶叶泡茶；⑻等待茶泡好；⑼喝茶。丙：⑴洗净水壶；⑵灌凉水；⑶壶放火上；⑷洗茶杯；⑸拿茶叶；⑹水开之前，可干一些其它事；⑺水开，泡茶；⑻喝茶。71当前第71页\共有89页\编于星期日\11点72四、建模和估计结果1.列出泡茶所需的全部工序2.确定每道工序所需的时间3.确定各道工序之间的时间连接关系4.分析计算每种方案所需的总时间5.做出比较结论序号名称紧前工序工序时间(分)1洗壶无12灌水10.53放壶20.34等水开3155洗杯无16找茶叶无17泡茶3，5，62.28喝茶772当前第72页\共有89页\编于星期日\11点7373当前第73页\共有89页\编于星期日\11点74五、评比备选方案甲方案总时间=1+0.5+0.3+15+2+2.2=21乙方案总时间=1+1+1+0.5+0.3+15+2.2=21丙方案总时间=1+0.5+(0.3+15)+2.2=19分析结果：丙方案最节约时间。方案建议：丙74当前第74页\共有89页\编于星期日\11点75泡茶系统工程的经验总结：分为五大步骤问题描述问题分析谋划备选方案建模和估计结果评比备选方案整个过程可以归纳为初步分析、规范分析和综合分析三个阶段。75当前第75页\共有89页\编于星期日\11点7676第三节系统工程的概念与特点一、系统工程的概念定义：用定量与定性相结合的系统思想和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。当前第76页\共有89页\编于星期日\11点77日本学者三浦武雄认为：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。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外，还要有一种技术从横的方向把它们组织起来，这种横向的技术就是系统工程。日本工业标准“运筹学术语”中定义:

系统工程学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。77当前第77页\共有89页\编于星期日\11点787878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，是一种对所有系统都具有普遍意义的方法。简言之“系统工程是一门组织管理的技术”。当前第78页\共有89页\编于星期日\11点79附：钱学森的系统观感性知识经验知识科学知识哲学第三层次第二层次第一层次79当前第79页\共有89页\编于星期日\11点80附：钱学森的系统观（续1）钱学森提出的系统科学体系图

80当前第80页\共有89页\编于星期日\11点81

上世纪80年代时，日本科技代表团参观“长征”火箭，回国后嘲笑中国工艺和产品粗糙落后，认为没有几件东西是日本不能生产。然而至今，日本最优秀的Ｈ—2Ａ火箭平均两三枚就炸掉一枚，技术指标虽优于中美，但是实用性能不佳。“长征”和“神舟”追求的并非“单项最优”而是“整体最优”，这就是钱