矿业系统工程概论

*1矿业系统工程

*2内容安排系统工程概论4系统预测模型6网络计划技术8系统综合评价8系统决策分析8*3参考教材谭跃进.系统工程原理.国防科技大学出版社辛镜敏,蒋国安.矿业系统工程.煤炭工业出版社汪应洛.系统工程理论方法与应用.高教出版社张幼蒂,王玉浚.采矿系统工程.中国矿大出版社田取珍,史鹏飞,孙惠民.采矿系统工程学.煤炭工业出版社

暴奉贤,蒋国安.经济预测与决策方法.煤炭工业桂中岳.矿业运筹学.冶金出版社郭亚军.综合评价理论与方法.科学出版社*4课程学习目的和要求

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矿业实际问题的能力。*5第1章矿业系统工程的基础理论

应用举例

系统：概念；特性；分类；一般描述

系统工程：含义；定义；理论基础；学科性质；发展；应用矿业系统工程：概念；特点*6*7一、系统工程的应用举例

三峡水利工程是我国建国以来最大的工程项目，它的论证、组织、实施与管理可以说就是一个庞大的系统工程问题，该工程涉及到水利、电力、能源、文物、生态、移民等等国家及地方的众多部门，涉及到几个省的上百个县市，同时实施过程要由众多单位共同努力，时间横跨将近20年。如何确保如期保质完成？如此的工程必然需要一种统观全局的系统方法来对待，系统工程可以说是最为有效的一种组织方法。*8系统工程的应用举例

对于我们今天生活中所关心的各种社会经济问题，如经济改革、价格问题、体制改革及各种政策的出台都是要经过充分的系统的论证。例如：粮食价格的调整：影响肉、菜、生活用品等等，从而影响整个社会的物价。燃料能源价格：影响原材料、产品及整个物价银行利率：影响消费与积累，反应了国家的经济政策外汇牌价：主要用于调节进出口政策，同时反应了一个国家的经济实力*9系统工程的应用举例

将来在我们的实际工作中，我们会遇到许许多多的系统工程问题，比如：企业的长远规划：综合考虑企业发展、实力、原材料、能源、技术、市场、国家政策等。新产品开发：考虑市场、企业开发技术与实力、销售网络、经济条件等区域规划：考虑区域特征、交通、历史、地理等大项目管理：经过立项、论证、实施、…*10二、系统概述

系统工程顾名思义就是研究系统的工程技术，它是在系统和系统理论逐渐发展的基础上所形成的系统方法论。

系统的概念？*111、系统的概念

系统概念是系统工程的基础

“系统思想”分析和综合的辨证思维工具

辨证唯物主义—获得了哲学的表达形式运筹学和其他系统科学---获得了定量的表述形式系统工程---获得了丰富的实践内容”*12

系统概念的形成公元前古希腊对宇宙大系统的认识我国西周时期的“阴阳二气”及金、木、水、火、土“五行”东汉时期形成的“二十四节气”周秦到西汉时期的“皇帝内经”*13*14二十四节气的划分节气的划分充分考虑了季节、气候、物候等自然现象的变化。立春、立夏、立秋、立秋、春分、秋分、夏至、冬至是用来反映季节的，将一年划分为春、夏、秋、冬四个季节。春分、秋分、夏至、冬至是从天文角度来划分的，反映了太阳高度变化的转折点。而立春、立夏、立秋、立冬则反映了四季的开始。小暑、大暑、处暑、小寒、大寒等五个节气反映气温的变化，用来表示一年中不同时期寒热程度；雨水、谷雨、小雪、大雪四个节气反映了降水现象，表明降雨、降雪的时间和强度；白露、寒露、霜降三个节气表面上反映的是水汽凝结、凝华现象，但实质上反映出了气温逐渐下降的过程和程度小满、芒种则反映有关作物的成熟和收成情况；惊蛰、清明反映的是自然物候现象，尤其是惊蛰，它用天上初雷和地下蛰虫的复苏，来预示春天的回归

*15

系统的定义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。系统的存在具有普遍性：一台机器、一个部门、一项计划、一个研究项目、一种组织、一套制度都可以看成一个系统*162、系统的特性

整体性层次性相关性目的性适应性*173、系统的分类

自然界所面临的系统是各种各样的，它们以各种各样的形态存在于这个五彩缤纷的世界。因此，我们就可以按照系统在自然界存在的形态及性质，将系统分为各种各样的类型。*18自然系统与人工系统

自然系统是由自然产生与形成的系统，其组成部分是自然物(山、河流、矿物、动植物等)，如海洋系统、矿藏系统、生态系统、太阳系、宇宙系等;

人工系统是用人工方法建立起来的系统。如人类对自然物质通过加工制造出来的工具和机械装置等构成的各种工程系统；人类通过人为地规定的组织、制度、步骤、手续等建立起来的各种管理系统和社会系统；人类通过对自然现象和社会现象的科学认识，用人工方法研究出来的科学体系和技术体系等*19实体系统与概念系统

实体系统:是指以物理状态的存在物作为组成要素的系统，这些实体占有一定空间，如自然界的矿物、生物，生产部门的机械设备、原始材料等。由于自然物都为实实在在的存在物，因此，实体系统亦称为硬件系统概念系统:由概念、原理、假说、方法、计划、制度、程序等非物质实体构成的系统，如管理系统、科学技术体系、教育系统、文化系统等。由于概念系统，对应着的多是人们对自然界的认识和假设，因此概念系统亦称为软件系统。*20

动态系统和静态系统

动态系统就是系统的状态变量是随时间不断变化的，即系统的状态变量是时间的函数。例如，学校就是一个动态系统，它不仅有建筑物，还有教师和学生。企业也是动态系统的一个典型例子静态系统则是表征系统运行规律的数学模型中不含有时间因素，即模型中的变量不随时间而变化，它是动态系统的一种极限状态，即处于稳定的系统。例如大桥、公路、房屋等。*21封闭系统与开放系统

封闭系统:系统与外界环境既不能进行物质交换，也不能进行信息、能量交换。开放系统:系统与外界环境有信息、物质和能量交互作用的系统。系统边界：封闭系统具有刚性不可贯穿的边界；而开放系统边界具有可渗透性。物理系统和生物系统边界比较容易确定；社会系统边界确定较困难。*22从系统的规模进行分类，系统有大小之分，可分为普通系统、大系统及巨系统；从系统的复杂程度来分，系统又可分为简单系统与复杂系统。*23按对象划分的系统形态工业系统、运输系统、交通系统、通信系统、物资流通系统、金融系统、能源系统等以产业区分系统的形态，或按消费生活系统、医疗系统、军事系统和教育系统等

*244、系统的一般描述

框图描述法*25

集合描述法：

式中：Sys——

表示系统

A——

表示元素的集合

R——

表示元素之间各种关系的集合

Stru——

表示元素之间的组织结构注意：作为一个系统，包含元素的集合、元素之间关系的集合和元素的组织结构，三者缺一不可.*26讨论：矿山怎么进行系统分类？矿山八大系统：开拓系统，提升系统，运输系统，通风系统，排水系统，压气系统，供水系统，供电系统；另外还有两大系统：充填系统和信讯系统。*27三、系统工程

系统工程是处理科学决策问题的基础理论指导，它将所处理的问题作为一个完整的系统进行处理，强调决策系统整体目标的综合最优化;系统工程借助于自然科学与工程技术的方法，来处理各种社会系统，将人类在长期开发自然系统和改造社会系统的实践中所形成的整体最优化系统观念应用于其求解问题的全过程之中，从而保证了所解决问题的全面周到与科学合理。*281、“系统工程”的含义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”，“是一门组织管理的技术”。*291977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”。*30

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。”*31系统工程：一种科学的系统决策方法论系统工程方法对于解决组织管理的问题应该说是极为有效的，因为任何管理都可视为一个系统的管理;系统工程就是一门方法论的科学，它给人们提供了一套处理问题和解决问题的系统方法论，它使得决策者在处理所面临的问题时，充分强调整体系统的综合最优化，而不是追求单一目标的最优化;系统工程给管理决策者提供了一种处理问题的思路，即以系统的观念及工程的观念处理所面临的社会问题;系统工程作为一种科学的系统决策方法论，它是进行各种管理决策的基本指导思想。*32系统观念系统的观念就是整体最优的观念，它是在人类认识社会、认识自然的过程中形成的整体观念，或者称之为全局观念。“丁渭工程”

修建用的砖瓦水的来源建筑石材、木材的运输废墟的排除与清理*33工程观念

工程的观念：工程方法论传统的工程观念是指生产技术的实践而言，而且以硬件为目标与对象，如机械工程、电气工程、铁路工程、水利工程等。系统工程将这一观念和方法应用于社会系统中，其所处理的对象不仅包含传统工程观念中的自然对象(即硬件)，而且是在传统的工程观念的基础上增添了新的内容，也即以软件为目标与对象。系统工程所讨论的工程是泛指一切有人参与的、以改变系统某一特征为目标的，从命题到出成果的工作过程。系统工程使得人们能够以工程的观念和方法研究和解决各种社会系统问题。

*34系统科学与系统工程

系统科学是用统一的系统方法研究任何控制论系统的行为和控制的学科领域，它主要研究有组织的大系统或一般系统的运动和量变规律

系统科学分：系统方法论、系统理论和系统工程系统工程是系统科学的应用部分，是系统科学中与社会经济决策和工程管理关系最密切的一部分*35系统工程的特点整体性（系统性）。即把研究对象看成一个整体系统，这个整体系统又是由若干部分（要素和子系统）有机结合而成的。关联性（协调性）。协调系统各部分之间、各部分与整体之间的关系，可提高整体系统的性能。综合性（交叉性）。综合运用各门学科和技术领域的成就，从整体目标出发使之有机配合，以达到整体最优化的目的。满意性（最优化）。系统工程是实现系统最优化的组织管理技术，系统工程追求的并不是构成系统的个别部分最优，而是通过协调系统各部分的关系，使系统整体目标达到最优。*362、系统工程的理论基础

从系统工程的定义可以看出，系统工程是一门跨学科的边缘性交叉学科，它包括自然、社会及工程设计分析等方面的知识，它是由一般系统论、大系统理论、经济控制论、运筹学等学科相互渗透、交叉发展而形成的。*37系统工程的理论基础

一般系统论大系统理论经济控制论运筹学哲学和社会科学计算机科学各门专业科学和工程技术*383、系统工程学科性质系统工程是以研究大规模复杂系统为对象的一门交叉学科，它是把自然科学和社会科学的某些思想、理论、方法、策略和手段等根据总体协调的需要，有机地联系起来，把人们的生产、科研或经济活动有效地组织起来，应用定量分析和定性分析相结合的方法和计算机等技术工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目的，以便最充分地发挥人力、物力的潜力，通过各种组织管理技术，时局部和整体之间的关系协调配合，以实现系统的综合最优化*394、系统工程的发展

“孙子兵法”

;四川都江堰工程;系统工程的萌芽时期可追溯到20世纪初的Taylor系统;1940年，丹麦哥本哈根电话公司的Erlang和美国贝尔电话公司的Molina)提出排队论二战时期，提出了解决战争问题的一些决策和对策的方法和工程手段，产生了运筹学1945年,美国军部建立兰德公司(Rand),总结开发了许多系统数学分析法,奠定了今天系统工程的基础1957年,美国学者Goode)和Machol)合著《系统工程学》(SystemsEngineering),理论上的首次总结*40系统工程的发展60年代，电子计算机的普及，提供了强有力的运算工具和信息处理手段,系统工程在各领域开始形成独立的解决问题的体系,扩大了理论和实践的影响范围历时11年的“阿波罗登月计划”成功,引起了人们对系统工程的广泛关注

70年代以来,系统工程得到迅速的普及与发展,各大专院校开设系统工程课程,各国成立研究所*41系统工程在我国的发展20世纪50年代,中科院钱学森、许志国教授创导下，建立第一个运筹学小组60年代著名数学家华罗庚大力推广优选法、统筹法；系统工程在国防武器装备研制方面取得显著成效1980年成立中国系统工程学会，系统工程在各个领域广泛应用并取得了许多成果*425、系统工程的应用范围应用范围自然对象的系统宇宙气象、灾害国土、资源农林渔业人体对象的系统生理、病理脑、神经、心理医疗产

业

系

统技术发展工业设备网络系统服务系统交通控制经营管理社会系统国际系统国家行政地区社会文化、教育*43系统工程的应用分支社会系统工程组织管理社会建设的技术，它的研究对象是整个社会，是一个巨系统。社会系统具有多层次、多区域、多阶段的特点。近年来，正在探讨一种从定性到定量，综合运用多种学科处理复杂巨系统的方法论。*44宏观经济系统工程

运用系统工程的方法研究宏观经济系统的问题，如国家的经济发展战略、综合发展规划、经济指标体系、投入产出分析、积累与消费比例分析、产业结构分析、消费结构分析、价格系统分析、投资决策分析、资源合理配置、经济政策分析、综合国力分析、世界经济模型等。

*45区域规划系统工程

运用系统工程的原理和方法研究区域发展战略、区域综合发展规划、区域投入产出分析、区域城镇布局和工农业合理布局、区域资源合理配置、区域投资规划、城市规划、城市水资源规划、城市公共交通规划与管理等。*46环境生态系统工程

研究大气生态系统、大地生态系统、流域生态系统、森林与生物生态系统、城市生态系统等系统分析、规划、建设、防治等方面的问题，以及环境检测系统、环境计量预测模型等问题。

*47能源系统工程

研究能源合理结构、能源图、能源需求预测、能源供应预测、能源开发规模预测、能源生产优化模型、能源合理利用模型、电力系统规划、节能规划、能源数据库等问题。*48水资源系统工程

研究河流综合利用规划、流域发展战略和规划、农田灌溉系统规划与设计、城市供水系统优化模型、水能利用规划、水运规划、防洪规划、水污染控制等问题。

*49交通运输系统工程

研究铁路、公路、航运、航空综合运输规划及其发展战略，铁路运输规划及其调度系统，公路运输规划及其调度系统，航运规划及其调度系统，空运规划及其调度系统，综合运输规划、优化模型及其效益分析。

*50农业系统工程

研究农业发展战略，大农业及立体农业的战略规划，农业结构分析，农业综合规划，农业区域规划，农业政策分析，农业投资规划，农产品需求预测，农业产品发展速度预测，农业投入—产出分析，农作物合理布局，农作物栽培技术规划化，农业系统多层次开发模型等。*51工业及企业系统工程

研究工业动态模型，市场预测，新产品开发，组织均衡生产，生产管理系统，计划管理系统，库存存贮模型，全面质量管理，成本核算系统，成本—效益分析，财务分析，人—机工程，组织理论，激励机制等。*52工程项目管理系统工程

研究工程项目的总体设计，可行性研究，国民经济评价，工程进度管理，工程质量管理，风险投资分析，可靠性分析，工程成本—效益分析等。*53科技管理系统工程

研究科学技术发展战略，科学技术预测，优先发展领域分析，科学技术长远发展战略，科学技术评价，科技人才规划，科技管理系统等。*54智力开发系统工程

研究人才需求预测，人才拥有量模型，人才规划模型，教育规划模型，智力投资规划模型，人才结构分析，教育政策分析等。*55人口系统工程

研究人口总目标，人口指数，人口指标致体系，人口系统数学模型，人口系统动态特性分析，人口参数辨识，人口系统仿真，人口普查系统设计，人口政策分析，人口区域规划，人口系统稳定性，人口模型生命表等。

*56军事系统工程

研究国防战略，作战模拟，情报，通讯与指挥系统，参谋系统，武器装备发展规划，后勤保障系统，国防经济学，军事运筹学等。*57矿业系统工程概念：系统工程理论和方法在矿业中的应用。即运用系统观念和技术科学的理论和方法，研究矿业部门各层次系统的构建运行和管理问题，以求达到系统的总体效益最佳。*58矿业系统工程特点矿业系统动态、复杂性。矿山开采的地点是不断推移的变化的，因此矿山开发过程中系统的结构、规模和状态是随时间的变化而变化的。矿业系统工程要综合运用多种方法来处理人－自然系统问题。对象系统是一个随机性强，多变的人工自然复合系统。所要解决的问题是复杂的多目标、多方案的系统决策问题。矿山开发受地理位置、交通运输、水电、气候、环境等多因素影响，同时还涉及一些列辅助企业的组件问题；矿山内部而言是一个多个子系统组成的复杂的人工自然大系统。矿床开发要经历不同的阶段，矿山生产也是多环节的，而且还要保持一定时间和空间的配合关系。*59与矿山工程学的区别和联系与矿山工程学的区别：前者着重研究矿业中有关系统的合理组建和运行管理、研究系统构成要素之间的关系，协调它们之间关系以及与环境的关系以达到系统整体最佳，是矿业开发过程的事理的科学，是软科学；后者则是矿业开采的规律和相应的技术手段，是矿物开采物质运动的物理，是“硬科学”。与矿山工程学的联系：前者离不开后者，必须对所研究的系统内涵和它内在的各种关系有清楚的认识和深刻了解，才能理解并应用系统理论和方法解决问题。*60矿山系统：软技术和硬技术矿山工程的规划、设计、施工、生产等属于一般工程技术范围，称为“硬技术”，其理论有采矿学、通风学、地质学、井巷工程、矿井设计等矿山工程的筹划、评审、优化、决策、组织、控制则属于矿山系统工程范围，为“软技术”。以硬技术为基础，但更着眼与整个系统、全寿命期的综合效果，以它科学的理论和方法为指导，以技术科学为基础，解决矿山工程中的具体问题。*61第2章系统工程的研究分析方法

系统工程方法论系统建模系统分析*62方法论：解决怎么办的问题笛卡尔：研究问题的方法分4个步骤即怀疑一切——复杂问题分解为简单问题——先简单再复杂顺序解题——综合起来检验是否完全解决问题从机械到人体解剖的研究和应用，对科学研究方法有很大促进作用，但有局限性，复杂的问题无法分解，必须用复杂的方法来对待，导致系统工程出现。*63系统工程方法的概念

所谓系统工程方法是以系统科学为基础，通过系统工程基本原理的运用，找出解决一类问题的关键步骤与环节，最终找到一种解决问题的方案。系统工程方法论实质上是一种思维训练，培养在复杂的外部环境条件下的整体思考和解决问题的能力。整体思维在我们日常解决问题时经常遇到。*64小故事:整体思维运用的效果有A、B两个猎人同时在森林里行走，两人同时发现了一只黑熊。A猎人的反应是站在原地一动不动，B猎人连忙脱掉鞋子，用最快的速度逃跑。两人完全不同的做法，令A猎人非常不解。A认为，按照常理讲，两人跑步的速度都不可能大于熊的速度。因此A认为与其让熊赶上，还不如原地不动。但是B的考虑观点不同，B说他考虑的是整个环境中的三个要素：A,B和熊。他做出逃跑的选择是对于B来说，只要B的跑步速度大于A,就可以减少熊对b的威胁。从上面的描述中可以得知在解决实际问题的时候，要形成一个边界思维，能够主动思考边界问题，对于行为决策来说显得十分重要。这在一定程度上与系统的定义有关。*65系统工程与传统方法的区别系统工程实质上是方法论的科学，它的目标是通过什么样的方法可使系统达到最优，而方法论是把设想付诸实现的过程。传统方法解决问题的目标往往是单一的，比如设计一个产品或只强调成本低或只强调性能高，而系统工程对目标的考虑需要从系统运行的全过程即时间方面以及在每个阶段中处理问题的特殊思维过程即逻辑方面，并综合运用各种专业知识即知识方面来综合考虑。*66从应用成果方面分析，由于系统工程处理的对象主要是信息，系统工程的目的主要是对问题的分析，以便获得解决问题的最优方案，供决策者决策使用。系统工程的软科学性也可由其定义看出，它是一种方法论的科学，寻求的是系统目标综合最优的实施方案，然而这一方案需要有决策者的支持，否则将失去意义，这也是系统工程与传统方法的最根本区别。

系统工程的软科学性*67

软科学性所表现出的特点所要研究的问题没有限制，但以人和社会问题为主，且将问题作为系统对待的意识较强；所要处理的问题多数是带有政策性的，同时多半带有探讨未来的性质，所以十分关心未来的不定因素；所要处理的问题包括了大量事实上不明确的东西；因此在分析中不仅要重视客观上可定量化的问题，同时还要了解直观性和含糊不清之处；从发现问题到最后实施解决方案，多数情况下要充分利用模型。但是，所关心的不是“是否精确”，而是该模型是否与目标相符，是否有用；所处理的问题跨学科的性质很强。为了能解决问题，应积极利用现有社会科学与自然科学的成果，而且要求有关专家在广泛的领域内进行合作。*68系统工程方法论系统工程的方法论是系统工程应用的基础和关键所在，系统工程处理问题的独特方法论是系统工程区别于其它各门科学的基本特征之一。系统工程方法的基本特点：研究方法强调整体性技术应用强调综合性管理决策强调科学性*69系统工程的霍尔三维结构*70(1)时间维时间维表示从规划到更新，按时间顺序排列的系统工程全过程。分6个阶段。*71(2)逻辑维逻辑维是指每个阶段要进行的工作步骤*72(3)知识维知识维是指各工作步骤所需的各门专业知识和管理知识。包括科学学、工程技术、经济学、法律、管理科学、环境科学、计算机技术等方面的知识。*73霍尔管理矩阵系统的每一个阶段都有自己的管理内容和管理目标，每一个步骤都有自己的管理手段和管理方法，彼此相互联系，再加上具体的管理对象，组成一个有机的整体。*74系统模型概述系统模型的定义是系统某一方面本质属性的描述，它以某种确定的形式（文字、符号、图表、实物、数学公式等）提供关于该系统的知识。系统模型一般不是系统对象本身，而是现实系统的描述、模仿或抽象。系统模型的特征是现实系统的抽象或模仿是由反映系统本质或特征的主要因素构成的集中体现了这些主要因素之间的关系*75模型法模型法是对现实系统进行抽象的基础上，把它们再现为某种事物的、图画的或数学的模型，然后通过模型来对系统进行分析、对比和研究，最终导出结论。因此，既避免了实验法的局限性，又避免了抽象法的过于概念化，成为现代工程最常用的研究方法。*76使用系统模型的必要性系统开发的需要。开发新系统时，由于系统尚未建立，无法进行实验，只能通过建造系统模型来对系统的性能进行预测，以实现系统的分析、优化和评价。经济上的考虑。安全上的考虑。时间上的考虑。系统模型容易操作，分析结果易于理解。改变系统参数很容易。*77系统模型的分类*78常用各类模型介绍实体模型。系统本身；包括抽样模型（样本）。比例模型。放大或缩小的系统。相