第1章系统与系统工程课件

系统工程

SystemsEngineering2023/8/6北京物资学院信息学院1系统工程

SystemsEngineering202课程摘要2023/8/6北京物资学院信息学院2

系统工程是20世纪中期开始兴起的一门综合性学科，内容涉及系统论、控制论、信息论、耗散结构、协同学、突变论、运筹学、决策理论、大系统理论、建模与仿真技术等诸多方面。系统工程是从总体出发，合理规划、开发、运行、管理及保障一个系统所需思想、理论、方法与技术的总称。哲学思想基础科学技术科学工程技术课程摘要2023/8/1北京物资学院信息学院2引子2023/8/6北京物资学院信息学院3Why？客观世界三要素：物质、能量和信息不断丰富，事物间联系加强。世界朝复杂性增加的方向发展，各项工作需抓总。案例：阿波罗登月计划。阿波罗计划：历时11年，涉及20000多家企业、420000工程技术人员、120所大学和科研机构、1000多万个零部件……涉及火箭工程、控制工程、通信工程、电子工程、计算机工程、医学、心理学等学科。但该计划的成功未采用一项新技术，完全是综合运用现有技术成果的结果，是大型系统工程成功的典范。引子2023/8/1北京物资学院信息学院3Why？客观世界引子2023/8/6北京物资学院信息学院4Why？要求：•具有从整体、全局驾驭工作的能力和习惯，能统筹策划；•在知识结构上，是“T”型人才；•善于和上下级、左右机构与同志联系工作，沟通思想，能够团结不同专业、不同观点的专家一道工作；

•……

引子2023/8/1北京物资学院信息学院4Why？要求：引子2023/8/6北京物资学院信息学院5Why？•

用系统观、整体观去认识问题；•

用系统科学、系统工程方法论的观点来思考问题；

•用系统工程技术来处理问题。无论如何，我们将被迫在知识的一切领域中运用“整体”或者“系统”来处理复杂性问题，这将是对科学思维的一个根本改造。——贝塔朗菲学一点系统工程！引子2023/8/1北京物资学院信息学院5Why？•用肯德基：1987年进入中国市场。目前在中国拥有1700多家分店。6肯德基：1987年进入中国市场。目前在中国拥有1700多引子不能单靠传统方法进行大型复杂系统的规划、设计、制造、试验和使用，易割断普遍联系，“头痛医头、脚痛医脚”

。案例：阿斯旺高坝。1972年联合国环境大会称其为“一个完全失败的工程”。7引子不能单靠传统方法进行大型复杂系统的规划、设计、制造、引子阿斯旺高坝的得失：效益：良好的灌溉、廉价的电力、控制洪涝、旅游。苦果：•泥沙和有机物沉积到水库底部，使两岸绿洲失去肥源，土壤日益贫瘠；•下游入海口盛产沙丁鱼的渔场毁于一旦；•尼罗河河口供砂不足，河口三角洲平原从向海伸展变为向陆地退缩；•下游的活水成为相对静止的“湖泊”，为血吸虫、疟蚊提供了生存条件，水库一带居民的血吸虫发病率高达80%；

•阿斯旺大坝成为敌方攻击的最好目标。OK8引子阿斯旺高坝的得失：效益：良好的灌溉、廉价的电力、控制引子•直接登月登月方案筛选比较•地球轨道交会几十个•月球轨道交会论证计算月球轨道交会方案9引子•直接登月登月方案筛选比较•地球轨道交会几引子月球轨道交会方案OK10引子月球轨道交会方案OK10课程学习要求2023/8/6北京物资学院信息学院11Ⅰ.了解系统工程的基本概念，学习系统工程的基本思想，会用系统工程的基本思想去看待问题、认识问题；

Ⅱ.掌握系统工程一些常用的、重要的方法，如多级递阶结构分析法、模糊综合评价法、系统动力学方法、计算机仿真方法等；

Ⅲ.应用所学系统工程的思想和方法解决社会、经济、工程等系统性问题。

课程学习要求2023/8/1北京物资学院信息学院11Ⅰ.了解内容2023/8/6北京物资学院信息学院12系统与系统工程重点系统工程基本理论一般、难点复杂系统理论一般、难点系统工程方法论重点系统模型与仿真重点、难点系统分析重点系统评价一般、难点系统决策一般系统预测一般内容2023/8/1北京物资学院信息学院12系统与系统工程主要参考资料2023/8/6北京物资学院信息学院13[1]孙东川，林福永，孙凯.系统工程引论（第2版）.[M]北京：清华大学出版社，2009.5[2]郁滨（等）.系统工程理论.[M]合肥：中国科学技术大学出版社.2009.2[3]谭跃进.系统工程原理[M].国防科学技术大学出版社,2003.[4]薛惠锋，张骏（等）.现代系统工程引论.[M]北京：国防工业出版社.2006.4[5]苗东升.系统科学大学讲稿.[M]北京：中国人民大学出版.2007.11[6]颜泽贤，范冬萍，张华夏.系统科学导论-复杂性探索.[M]北京：人民出版社.2006.9[7]涂序彦.大系统控制论.[M]北京：国防工业出版社，2003.10[8]陈森发.复杂系统建模理论与方法.[M]南京：东南大学出版社，2005.4[9]许国志.系统科学[M].上海科技教育出版社,2004.[10]许国志.系统科学与工程研究[M].上海科技教育出版社,2001.[11]汪应洛.系统工程钱学森的诸多著作主要参考资料2023/8/1北京物资学院信息学院13[1]本章主要内容2023/8/6北京物资学院信息学院141.1系统的概念1.2系统的分类1.3系统的结构与功能1.4系统思想的发展与系统科学1.5系统工程的概念1.6系统工程的形成与发展1.7系统工程的理论体系1.8系统工程的应用与展望本章主要内容2023/8/1北京物资学院信息学院141.1第1章系统与系统工程2023/8/6北京物资学院信息学院151.1系统的概念1.2系统的分类1.3系统的结构与功能1.4系统思想的发展与系统科学1.5系统工程的概念1.6系统工程的形成与发展1.7系统工程的理论体系1.8系统工程的应用与展望第1章系统与系统工程2023/8/1北京物资学院信息学院11.1系统的概念概念

2023/8/6北京物资学院信息学院16英文拉丁文SystemsSyn+histemiS“在一起”

+“放置”

•

直观理解：把一些东西

“放置”“在一起”就形成“S”。

什么是系统？学术界的认识并不完全一致

1.1系统的概念概念2023/8/1北京物资学院信息学院161.1系统的概念1.1.1系统的定义

2023/8/6北京物资学院信息学院17

美国的《韦氏（Webster）大辞典》：“有组织的或被组织化的整体；结合着的整体所形成的各种概念和原理的结合；由有规则的相互作用、相互依赖的形式组成的诸要素集合。”日本的JIS（日本工业标准）中：“许多组成要素保持有机的秩序向同一目的的行动的集合体。”1.1系统的概念1.1.1系统的定义2023/8/1北京物1.1系统的概念1.1.1系统的定义

2023/8/6北京物资学院信息学院18

前苏联大百科全书中：“一些在相互关联与联系之下的要素组成的集合，形成了一定的整体性、统一性。”

《中国大百科全书·自动控制与系统工程》：“由相互制约、相互作用的一些部分组成的具有某种功能的有机整体。”1.1系统的概念1.1.1系统的定义2023/8/1北京物1.1系统的概念1.1.1系统的定义（钱学森）:

2023/8/6北京物资学院信息学院19•S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。基本特征：•S由若干元素组成；

•

元素之间相互作用、相互依赖；•

由于元素间的相互作用，使得

S作为一个整体具有特定的功能。1.1系统的概念1.1.1系统的定义（钱学森）:20231.1系统的概念1.1.2系统的属性2023/8/6北京物资学院信息学院20整体性集合性层次性相关性目的性环境适应性1.1系统的概念1.1.2系统的属性2023/8/1北京物1.1系统的概念2023/8/6北京物资学院信息学院21整体性S由两个或两个以上的能相互区别的要素组成，又是一个不可分割的有机整体。•

部分在整体中才存在，如手、脚之于人，钢铁工业之于国民经济系统。1.1系统的概念2023/8/1北京物资学院信息学院21整体拿破仑的著名论断：马木留克兵——

法国兵2>3(马兵单个格斗能力强)100约等于1001500<1000(法兵纪律严明、相互协调)即使每个要素都良好，但作为整体却无某种良好功能，不能称为完善S；相反，一个S中即使每个要素并不都很完善，但它们也可协调、综合成为具有良好功能的S。22拿破仑的著名论断：马木留克兵——法国兵2>1.1系统的概念2023/8/6北京物资学院信息学院23集合性层次性任何一个S都可分解为一系列不同层次的子S，它本身又是所从属的一个更大S的子S。即任何S向上可合，向下可分。

系统是由许多（至少2个）可以相互区别的要素组成1.1系统的概念2023/8/1北京物资学院信息学院23集合1.1系统的概念2023/8/6北京物资学院信息学院24层次性系统的层次结构：组分（子系统）及组分（子系统）间关联方式的总和。关联方式主要是因果关联（数学和逻辑关系），表现形式有树状结构和网状结构两种。1.1系统的概念2023/8/1北京物资学院信息学院24层次1.1系统的概念2023/8/6北京物资学院信息学院25层次性1.1系统的概念2023/8/1北京物资学院信息学院25层次1.1系统的概念2023/8/6北京物资学院信息学院26相关性S各要素间有密切关系，相互影响、相互制约、相互作用，牵一发而动全身。故要求S内各要素应根据整体目标，尽量避免“内耗”，设法提高S整体运行效果。目的性通常S都具有某种目的。为达到既定目的，S都具有一定功能，这是区别各种S的标志。S目的一般用更具体的目标来体现。1.1系统的概念2023/8/1北京物资学院信息学院26相关1.1系统的概念2023/8/6北京物资学院信息学院27环境适应性S都存在于一定环境，与外界存在物质、能量和信息交换，环境的变化必会引起S内部各要素的变化。不适应环境变化的S没有生命力，只有能经常与环境保持最优适应的S，才是具有不断发展势头的理想S。1.1系统的概念2023/8/1北京物资学院信息学院27环境第1章系统与系统工程2023/8/6北京物资学院信息学院281.1系统的概念1.2系统的分类1.3系统的结构与功能1.4系统思想的发展与系统科学1.5系统工程的概念1.6系统工程的形成与发展1.7系统工程的理论体系1.8系统工程的应用与展望第1章系统与系统工程2023/8/1北京物资学院信息学院21.2系统的分类2023/8/6北京物资学院信息学院29可以从不同的角度将系统分为不同的类别:按照系统属性分类按照系统与环境的关系分类按照系统的综合复杂程度分类钱学森院士的分类1.2系统的分类2023/8/1北京物资学院信息学院29可以1.2系统的分类2023/8/6北京物资学院信息学院301.2.1按照系统的属性进行分类

按照不同的标准，系统有不同的分类。按照属性可以分为自然系统和社会系统；实体系统和概念系统等。自然系统：太阳系、地质构造、森林等；社会系统：工厂、学校，农业系统、工业系统等；实体系统：矿物、生物、工厂、学校等；概念系统：学科体系、规章制度、指挥系统等。1.2系统的分类2023/8/1北京物资学院信息学院301.1.2系统的分类1.2.2按照系统与环境的关系进行分类1.孤立系统

外界没有任何物质、能量、信息的交流，即，与周围环境没有任何相互作用的系统。

严格来说，自然界并不存在这样的系统，它是因研究需要而提出来的一种理想模型。当系统与外界的相互作用小到可以忽略时，可以被近似看成是孤立系统。2023/8/6北京物资学院信息学院311.2系统的分类1.2.2按照系统与环境的关系进行分类201.2系统的分类2.开放系统

与外界既有物质交换、又有能量交换的系统。现实的事物之间总会存在千丝万缕的联系，所以客观世界中的系统大多是这类系统。

这里所研究的开放系统是，起码与两个源（两个热源或两个物质源）相接触，通过交换而形成的一种活的系统。2023/8/6北京物资学院信息学院321.2系统的分类2.开放系统2023/8/1北京物资学院信1.2系统的分类3.封闭系统

与外界没有物质交换但有能量交换的系统。封闭系统是统计物理学与热力学中的概念。

如上所述，如果系统只与一个热源接触，最终必定实现平衡态，我们仍将其归入孤立系统；如果系统与外界多个热源交换热量，我们将其划归为开放系统。2023/8/6北京物资学院信息学院331.2系统的分类3.封闭系统2023/8/1北京物资学院信1.2系统的分类1.2.3按照组成系统的实际内容进行分类1.物质系统：组成物质系统的基本元素是原子、分子等无机物质。物理学、化学等自然科学的研究对象都属于此类系统，如地质系统。2.生物系统：组成系统的基本元素是“活”的生物组织。系统对环境有能动的适应性，使自身在自然界中得以生存和发展，如蛋白质系统。3.人类系统：组成系统的基本元素是人。人对于环境不仅有适应性，而且能够主动控制和改造环境，使系统更适应人类需要，如社会经济系统。2023/8/6北京物资学院信息学院341.2系统的分类1.2.3按照组成系统的实际内容进行分类21.2系统的分类1.2.4按照系统内各子系统之间的相互关系进行分类1.线性系统：系统中某部分的变化引起其余部分的变化是线性的，或者说系统的输入线性迭加时，系统的输出也线性迭加，就称该系统是线性系统。2.非线性系统：与线性系统相对，系统内部各组元之间的影响不是线性的，或者说系统的输入、输出不满足迭加原理。

对大部分的非线性系统模型，当它的变量保持在一定范围之内时，往往被近似表达为线性系统。2023/8/6北京物资学院信息学院351.2系统的分类1.2.4按照系统内各子系统之间的相互关系1.2系统的分类1.2.5按照系统状态与时间的关系进行分类1.静态系统：其状态不随时间改变的系统。这类系统没有记忆，即某时刻的输出仅与系统当前输入有关，而与其它时刻的输入无关。研究静态系统相当于分析系统某一定态的性质。2.动态系统：系统状态随时间变化的系统。

动态系统在某时刻的输出与其它时刻的输入有关。研究动态系统，就要研究系统的时间行为，找出系统状态随时间变化的表达式或运行轨迹。2023/8/6北京物资学院信息学院361.2系统的分类1.2.5按照系统状态与时间的关系进行分类1.2系统的分类1.2.6按照系统的演化特点进行分类1.确定性系统：外界影响确定、系统的演化规律及子系统之间的相互关系也确定不变的系统。此类系统用确定性方程即可描述。2.随机系统：系统内部存在某种不确定的因素，或者外界对系统施加了随机扰动，这样的系统称之为随机系统。

此类系统的状态变量是随机变量，常采用概率的方法来描述它的演化行为。2023/8/6北京物资学院信息学院371.2系统的分类1.2.6按照系统的演化特点进行分类2021.2系统的分类1.2.7按照系统的综合复杂程度进行分类2023/8/6北京物资学院信息学院381.2系统的分类1.2.7按照系统的综合复杂程度进行分类21.2系统的分类1.2.7按照系统的综合复杂程度进行分类2023/8/6北京物资学院信息学院39小系统(几个、十几个元素或子系统)简单系统{系大系统(上百、上千个元素或子系统)统简单巨系统巨系统一般复杂巨系统{(成万上亿，上百复杂巨系统亿，万亿个元素){特殊复杂巨系统{1.2系统的分类1.2.7按照系统的综合复杂程度进行分类201.2系统的分类1.2.7按照系统的综合复杂程度进行分类2023/8/6北京物资学院信息学院401.2系统的分类1.2.7按照系统的综合复杂程度进行分类20第1章系统与系统工程2023/8/6北京物资学院信息学院411.1系统的概念1.2系统的分类1.3系统的结构与功能1.4系统思想的发展与系统科学1.5系统工程的概念1.6系统工程的形成与发展1.7系统工程的理论体系1.8系统工程的应用与展望第1章系统与系统工程2023/8/1北京物资学院信息学院41.3系统的结构与功能2023/8/6北京物资学院信息学院42•S各要素相互联系和相互作用的方式或秩序称S结构。

•S与外部环境相互联系和作用过程的秩序和能力称S功能。故结构是从内部对S的整体性的刻画，而功能是从外部刻画了S对象的整体性质。凡S都有结构和功能，即S是结构和功能的统一体。要素是S形成的基础，但要素不能直接形成S的功能，它必须通过结构这个中介，才能获得S的功能。1.3系统的结构与功能2023/8/1北京物资学院信息学院41.3系统的结构与功能2023/8/6北京物资学院信息学院43系统可以理解为是一种处理和转换机构，它把输入转变为人们所需要的输出。从上图可以看出，系统的功能包括：接受外界的输入；在系统内进行处理和转换（加工、组装）；向外界输出。1.3系统的结构与功能2023/8/1北京物资学院信息学院41.3系统的结构与功能2023/8/6北京物资学院信息学院44S的功能和结构的关系：S=f(E，R)S（Systems）——

系统E（Elements）——

要素的集合R（Relationship）——

要素之间各种关系的集合由上式可知，作为一个S，必须包括其要素的集合与要素之间关系的集合，两者缺一不可。两者结合起来，才能决定一个S的结构与功能。1.3系统的结构与功能2023/8/1北京物资学院信息学院41.3系统的结构与功能2023/8/6北京物资学院信息学院45补充说明：•要素不同，会形成不同功能的S；•要素相同，但要素间关系不同，也会产生不同的S；•相同功能可用不同结构来实现，如人脑与电脑具有不同的结构，但在某些方面却具有相同的功能；

•

S的结构与功能之间不存在必然的一一对应关系。1.3系统的结构与功能2023/8/1北京物资学院信息学院4第1章系统与系统工程2023/8/6北京物资学院信息学院461.1系统的概念1.2系统的分类1.3系统的结构与功能1.4系统思想的发展与系统科学1.5系统工程的概念1.6系统工程的形成与发展1.7系统工程的理论体系1.8系统工程的应用与展望第1章系统与系统工程2023/8/1北京物资学院信息学院41.4系统思想的发展与系统科学2023/8/6北京物资学院信息学院471.4系统思想的发展与系统科学2023/8/1北京物资学院信1.4系统思想的发展与系统科学2023/8/6北京物资学院信息学院481.4系统思想的发展与系统科学2023/8/1北京物资学院信1.4系统思想的发展与系统科学2023/8/6北京物资学院信息学院49战国时期川西太守李冰父子主持修建。目标：利用岷江水资源灌溉川西平原、防洪与航运。包括三大工程及120多项配套工程。其总体构思是系统思想的杰出运用。都江堰水利工程示意图两千多年来，都江堰一直发挥巨大效益，是我国最成功的水利工程之一。1.4系统思想的发展与系统科学2023/8/1北京物资学院信1.4系统思想的发展与系统科学2023/8/6北京物资学院信息学院50•（2）19世纪上半叶辨证唯物主义诞生，奠定S理论基础„

近代自然科学发展了研究自然界的独特方法，包括实验、解剖和观察，把自然界的细节从自然联系中抽出来分别研究。这种方法移植到哲学中，成为形而上学的思维方式，阻碍了对系统整体的了解。„

自然科学三大发现（细胞学说、生物进化论、能量守恒与转化定律）使人类对自然过程的相互联系的认识显著提高；„

马克思、恩格斯——“我们已能近乎S的形式描绘出一幅自然界联系的清晰图画”，“世界是由无数相互联系、依赖、制约、作用的事物和过程形成的统一整体”。这种“普遍联系及其整体性思想”就是现代的S概念，为S理论的创立奠定了基础。1.4系统思想的发展与系统科学2023/8/1北京物资学院信1.4系统思想的发展与系统科学2023/8/6北京物资学院信息学院51•（3）

20世纪40年代S理论创立L.V.Bertalaffy（贝塔朗菲），美籍奥地利理论生物学家。•1925年，提出生物学机体理论；•1928年，发表《现代发展理论》；•1932年，发表《理论生物学》；•1937年，在芝加哥大学讲课中口头提出一般系统理论(GeneralSystemsTheory,GST)；•1945年，《关于GST》在《德国哲学周刊》第18期发表；•1954年，在美国创立“一般系统理论（GST）学会”；•1968年，发表《GST：基础、发展和应用》；•1.4系统思想的发展与系统科学2023/8/1北京物资学院信1.4系统思想的发展与系统科学2023/8/6北京物资学院信息学院52《GST》中批判了旧生物学受“机械论”影响，存在三大错误，提出“有机论”生物学的三个基本观点。二者主要区别：“机械论”旧生物学“有机论”生物学（1）简单相加观点（1）S观点把有机体分解为各个部分，并用简单相一切有机物均是一个S，其功能和特性是：加来描述其功能和特性：整体>∑（部分）整体＝∑（部分）（2）被动反应观点（2）动态观点有机体只有受到刺激时才作出反应，否一切有机体均处于积极的运动状态之中，则便静止不动。均是一个开放S。（3）机器观点（3）等级（层次）观点把生命现象比作机器，认为“动物即机有机体均按严格的等级层次组织起来，生器”，“人即机器”。物S是等级森严、层次分明的。1.4系统思想的发展与系统科学2023/8/1北京物资学院信1.4系统思想的发展与系统科学2023/8/6北京物资学院信息学院53•（4）

第二次世界大战以后SE开始出现SE与S科学的区别：前者是工程技术，后者是基础理论。1.4系统思想的发展与系统科学2023/8/1北京物资学院信1.4系统思想的发展与系统科学2023/8/6北京物资学院信息学院541.4系统思想的发展与系统科学2023/8/1北京物资学院信1.4系统思想的发展与系统科学2023/8/6北京物资学院信息学院551.4系统思想的发展与系统科学2023/8/1北京物资学院信第1章系统与系统工程2023/8/6北京物资学院信息学院561.1系统的概念1.2系统的分类1.3系统的结构与功能1.4系统思想的发展与系统科学1.5系统工程的概念1.6系统工程的形成与发展1.7系统工程的理论体系1.8系统工程的应用与展望第1章系统与系统工程2023/8/1北京物资学院信息学院51.5系统工程的概念2023/8/6北京物资学院信息学院571.5.1系统工程的定义美国著名学者H.切斯纳

美国著名学者H·切斯纳给出的系统工程的定义为：“系统工程认为虽然每个系统都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。系统工程则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，并使各部分能够最大限度地互相适应。”1.5系统工程的概念2023/8/1北京物资学院信息学院571.5系统工程的概念2023/8/6北京物资学院信息学院581.5.1系统工程的定义三浦武雄

系统工程与其它工程学不同之处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边缘科学。因为系统工程的目的是研究系统，而系统不仅涉及到工程学的领域，还涉及到社会、经济和政治等领域，为了圆满解决这些交叉领域的问题，除了需要某些纵向的专门技术以外，还要有一种技术从横向把它们组织起来，这种横向技术就是系统工程。也就是研究系统所需的思想、技术和理论等体系化的总称。1.5系统工程的概念2023/8/1北京物资学院信息学院581.5系统工程的概念2023/8/6北京物资学院信息学院591.5.1系统工程的定义

《中国大百科全书·自动控制与系统工程卷》

“系统工程是从整体出发合理开发、设计、实施和运用系统的工程技术。它是系统科学中直接改造世界的工程技术。”日本工业标准（JIS）规定

“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、信息流动和控制机构等进行分析与设计的技术。”1.5系统工程的概念2023/8/1北京物资学院信息学院59美国军用标准MIL-STD-499A：“系统工程是将科学和工程技术的成就应用于：•通过运用定义、综合、分析、设计、试验和评价的反复迭代过程，将作战需求转变为一组系统性能参数和系统技术状态的描述；•综合有关的技术参数，确保所有物理、功能和程序接口的兼容性，以便优化整个系统的定义和设计；•将可靠性、维修性、安全性、生存性、人素工程和其它有关因素综合到整个工程工作之中，以满足费用、进度、保障性和技术性能指标。”美国军用标准MIL-STD-499A：“系统工程是将科学和工1.5系统工程的概念2023/8/6北京物资学院信息学院611.5.1系统工程的定义钱学森

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。系统工程是一门立足整体，统筹全局，整体与局部的辩证统一，有机结合分析和综合，运用数学方法和计算机工具，使系统达到整体最优的方法性学科。是对传统理论与技术的系统化整合与应用1.5系统工程的概念2023/8/1北京物资学院信息学院611.5系统工程的概念2023/8/6北京物资学院信息学院62系统工程的进一步理解

系统工程运用系统的思想来指导工程规划、工程管理、工程实施，是从系统的认识出发，进行合理的研究和设计的工程技术。因此可以把系统工程称作为达到系统目标而对系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机构等进行分析和设计的技术，它包括各种原理和方法。如系统分析、网络分析、分解－协调技术等。1.5系统工程的概念2023/8/1北京物资学院信息学院621.5系统工程的概念2023/8/6北京物资学院信息学院63系统工程的进一步理解

系统工程是以复杂工程问题为研究对象的一门交叉学科，既包括思维和管理方法，又包括系统化的工程技术。把自然科学和社会科学的思想、理论、方法、技术和手段等根据总体的需要，有机结合，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以及计算机等技术工具，对系统的构成要素、组成结构、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，通过各种组织管理技术，使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。1.5系统工程的概念2023/8/1北京物资学院信息学院631.5系统工程的概念2023/8/6北京物资学院信息学院641.5.2系统工程的特点研究方法整体化把研究对象和过程看作一个整体，从整体出发考虑局部，局部服从整体，兼顾和处理局部之间的关系，S本身还要与“父”S相适应，才能保证S总体效果最优。1.5系统工程的概念2023/8/1北京物资学院信息学院641.5系统工程的概念2023/8/6北京物资学院信息学院651.5.2系统工程的特点处理关系协调化用SE方法分析和处理问题，不仅要考虑S内部部分与部分之间、部分与整体之间、S与环境之间的相互关系，且要协调处理好这些关系，使其密切配合、相辅相承。1.5系统工程的概念2023/8/1北京物资学院信息学院651.5系统工程的概念2023/8/6北京物资学院信息学院661.5.2系统工程的特点科技应用综合化SE以大型复杂S为研究对象，涉及因素多，涉及学科领域广。因此须综合运用自然科学、社会科学、工程技术等各门学科和领域的成就，充分发挥跨学科、跨行业、跨部门的综合优势。如：阿波罗计划。1.5系统工程的概念2023/8/1北京物资学院信息学院661.5系统工程的概念2023/8/6北京物资学院信息学院671.5.2系统工程的特点追求目标最优化SE是实现S最优化的组织管理技术。因此，SE不仅提出最优的S目标，采用目标导向的方法寻求实现S目标的可行方案，且要运用最优化技术从中选择社会认可、经济合算、技术先进、时间最省、S总体效益最好的最优方案（或满意方案）付诸实施。1.5系统工程的概念2023/8/1北京物资学院信息学院67第1章系统与系统工程2023/8/6北京物资学院信息学院681.1系统的概念1.2系统的分类1.3系统的结构与功能1.4系统思想的发展与系统科学1.5系统工程的概念1.6系统工程的形成与发展1.7系统工程的理论体系1.8系统工程的应用与展望第1章系统与系统工程2023/8/1北京物资学院信息学院61.6系统工程的形成与发展2023/8/6北京物资学院信息学院691.6.1系统工程产生的背景系统工程的整个发展过程可以分为如下三个阶段：萌芽阶段（1940年～1957年）：

由于科学技术、经济发展以及战争的需要，使得人们面对的问题越来越庞大、越来越复杂。为了将这些的问题解决好，人们开始不自觉地利用系统的思想，从整体上来把握和分析问题。发展阶段（1957年～1965年）：

控制论、信息论和运筹学等相关学科都有了比较迅速的发展，为系统工程的快速发展和更为广泛的运用，提供了理论上和技术上的支持。基本成熟和继续发展阶段（1965年至今）：

系统工程的应用已经进入到实现社会工程和经济管理等具体领域的各种复杂系统的最优控制、最优管理的阶段。1.6系统工程的形成与发展2023/8/1北京物资学院信息学1.6系统工程的形成与发展2023/8/6北京物资学院信息学院70萌芽阶段在这个阶段，由于科学技术、经济发展以及战争的需要，使得人们面对的问题越来越庞大、越来越复杂。为了将这样的问题解决好，人们开始不自觉地利用系统的思想，从整体上来把握和分析问题。此阶段的特点是：由于实际的需要，系统工程已经开始被一些单位研究开发和简单应用，这一阶段实践的发展为理论体系的形成做出了比较充分的准备。1.6系统工程的形成与发展2023/8/1北京物资学院信息学1.6系统工程的形成与发展2023/8/6北京物资学院信息学院71萌芽阶段二次大战后SE开始出现•20世纪40年代末，美国贝尔公司发展微波通信网时首次提出“SE”一词，提出工程应按S思想分阶段进行的工作方式；

•曼哈顿计划；

•Rand公司；1.6系统工程的形成与发展2023/8/1北京物资学院信息学1.6系统工程的形成与发展2023/8/6北京物资学院信息学院72发展阶段在萌芽阶段，通过系统工程方法对实际问题的一些运用且取得的良好效果，使人们逐渐认识到系统工程的作用，并越来越重视这种方法，一些系统性的研究得以开展。再加上20世纪40~50年代，控制论、信息论和运筹学等相关学科都有了比较迅速的发展，为系统工程的快速发展和更为广泛的运用，提供了理论上和技术上的支持。1.6系统工程的形成与发展2023/8/1北京物资学院信息学1.6系统工程的形成与发展2023/8/6北京物资学院信息学院73发展阶段•1957年，E.W.Engstrom的《SE——一个正在成长的新概念》发表在美《电工工程》杂志57-2期上；

•1957年，Goode和Machal合作出版SE第一本书《SE》；1.6系统工程的形成与发展2023/8/1北京物资学院信息学1.6系统工程的形成与发展2023/8/6北京物资学院信息学院74发展阶段1.6系统工程的形成与发展2023/8/1北京物资学院信息学1.6系统工程的形成与发展2023/8/6北京物资学院信息学院75发展阶段1962年，麦克纳马拉任美国防部长时，提出“PPBS”(PlanningProgrammingBudgetingSystem)，要求三军统一预算，武器开发研制须进行费效分析，强制推行SE。任职7年间节约军费数百亿美元，改变了空间技术落后苏联的局面，被称为“越南战场的败将，武器开发的能手”。

美国召开首次SE学术年会，会后出版了文集；64年发行全国性杂志《SE》；1964年前后

亚利桑那，宾州，麻省理工等校设立SE专业或系；正式批准设立SE博士学位并开始授予。1.6系统工程的形成与发展2023/8/1北京物资学院信息学1.6系统工程的形成与发展2023/8/6北京物资学院信息学院76基本成熟和继续发展阶段在这个阶段，系统工程学的应用已经进入到解决社会工程和经济管理等具体领域的各种复杂系统的最优控制、最优管理的阶段。系统工程学作为一门现代的组织管理技术，受到了世界各国政府部门和学术界日益广泛的重视和应用。1.6系统工程的形成与发展2023/8/1北京物资学院信息学1.6系统工程的形成与发展2023/8/6北京物资学院信息学院77基本成熟和继续发展阶段•R.E.Machol编写《SE使用手册》，1965年；•A.D.Hall:《SystemsEngineeringMethodlogy》,1962年；•《Three-DininsionalMorphologyofSE》,1969年；•H.Chestnut:《SE方法》，1964年；•《SE工具》，1967年；•1965年，英国兰彻斯特大学开始开设SE课程；•

日本从60年代起步，70年代掀起高潮；

•

前苏联SE研究由自控专业起步，发展迅速。1969.7.16~24，提前两年实现了人类登月，标志着人类组织管理技术上迎来了一个新时代，因此阿波罗计划的成功被赞誉为“SE的辉煌成就”。1.6系统工程的形成与发展2023/8/1北京物资学院信息学1.6系统工程的形成与发展2023/8/6北京物资学院信息学院78基本成熟和继续发展阶段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1.6系统工程的形成与发展2023/8/1北京物资学院信息学1.6系统工程的形成与发展2023/8/6北京物资学院信息学院79基本成熟和继续发展阶段应用范围逐渐超出传统工程领域，扩展到社会、政治、经济、军事、生态环境等复杂巨S的开发研究和长远规划上，并开始了战略研究、政策研究等高层次问题的解决。如：•1972年10月，IIASA(InternationalInstituteofAppliedSystemAnalysis)正式成立；•70年代末，西欧10国200多专家开展《2000年的欧洲》；

•田中首相的“日本列岛改造论”。1.6系统工程的形成与发展2023/8/1北京物资学院信息学1.6系统工程的形成与发展2023/8/6北京物资学院信息学院80基本成熟和继续发展阶段阶段年代（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1.6系统工程的形成与发展2023/8/1北京物资学院信息学1.6系统工程的形成与发展2023/8/6北京物资学院信息学院81基本成熟和继续发展阶段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1.6系统工程的形成与发展2023/8/1北京物资学院信息学1.6系统工程的形成与发展2023/8/6北京物资学院信息学院82基本成熟和继续发展阶段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1.6系统工程的形成与发展2023/8/1北京物资学院信息学1.6系统工程的形成与发展2023/8/6北京物资学院信息学院831.6.2系统工程在我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》。1.6系统工程的形成与发展2023/8/1北京物资学院信息学1.6系统工程的形成与发展2023/8/6北京物资学院信息学院841.6.2系统工程在我国的发展及应用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。在我国改革开放和现代化建设中SE大有作为60年代初在DF型号研制中已用到计划与评审技术(PERT)，并在航天五院组建了总体设计部，初步实践就取得巨大成绩。我国航天总投资分别只有日、法、美、前苏联的1/10、1/20、1/300、1/480，但至今稳坐第三把交椅，SE功不可没。1.6系统工程的形成与发展2023/8/1北京物资学院信息学1.6系统工程的形成与发展2023/8/6北京物资学院信息学院851.6.2系统工程在我国的发展及应用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；1979.10，首次SE大会召开，21位专家建议成立中国SE学会；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。1.6系统工程的形成与发展2023/8/1北京物资学院信息学1.6系统工程的形成与发展2023/8/6北京物资学院信息学院861.6.2系统工程在我国的发展及应用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）

1980建立中国人口模型并完成百年人口预测。

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。1.6系统工程的形成与发展2023/8/1北京物资学院信息学1.6系统工程的形成与发展2023/8/6北京物资学院信息学院871.6.2系统工程在我国的发展及应用普遍认识到：要对我国改革开放和国防现代化建设中的重大战略问题作出明智而有远见的正确决策，真正实现决策民主化、科学化和管理现代化，需广泛运用SE方法统筹规划、S分析、综合论证、科学决策，以确保社会经济稳定、协调、快速发展。1.6系统工程的形成与发展2023/8/1北京物资学院信息学1.6系统工程的形成与发展1.6.2系统工程在我国的发展及应用2023/8/6北京物资学院信息学院88721,0001.6系统工程的形成与发展1.6.2系统工程在我国的发展及第1章系统与系统工程2023/8/6北京物资学院信息学院891.1系统的概念1.2系统的分类1.3系统的结构与功能1.4系统思想的发展与系统科学1.5系统工程的概念1.6系统工程的形成与发展1.7系统工程的理论体系1.8系统工程的应用与展望第1章系统与系统工程2023/8/1北京物资学院信息学院81.7系统工程的理论体系2023/8/6北京物资学院信息学院90

钱学森院士非常重视研究系统科学体系、现代科学技术体系和人类知识体系。1981年，他描述了如下图所示的系统科学体系。

1.7系统工程的理论体系2023/8/1北京物资学院信息学院1.7系统工程的理论体系2023/8/6北京物资学院信息学院91

钱学森院士指出：

在系统科学这个部门中，系统工程属于工程技术，其理论基础是运筹学、控制论和信息论这三门技术科学。

正在形成的、关于系统的一般理论--系统学，是系统科学这个部门中的基础科学。

系统科学从各门系统工程到运筹学、控制论和信息论，再到系统学，形成现代科学技术体系中的一个分体系。这个分体系通向马克思主义哲学的桥梁，是经过现代科学技术大大丰富了的系统观。1.7系统工程的理论体系2023/8/1北京物资学院信息学院1.7系统工程的理论体系2023/8/6北京物资学院信息学院92与系统工程发展有关的学科分支表：

创始人分支学科名称出现时间/年冯·诺依曼冯·贝塔朗菲C·E·香农N·维纳冯·贝塔朗菲钱学森A·H·哥德R·别依曼M·D·曼萨诺维克W·R·阿会布R·罗森L·扎德I·普里高津艾根J·G·米勒汤姆P·齐格勒H·哈肯对策论一般系统论信息论控制论开放系统理论工程控制论系统工程动态规划论一般系统的数学理论自组织系统原理自复制自动机模糊集与系统耗散结构理论超循环理论生命系统理论突变理论建模与仿真理论协同学1944194519481949195419571957196119621962196519691970197019721972197219771.7系统工程的理论体系2023/8/1北京物资学院信息学院第1章系统与系统工程2023/8/6北京物资学院信息学院931.1系统的概念1.2系统的分类1.3系统的结构与功能1.4系统思想的发展与系统科学1.5系统工程的概念1.6系统工程的形成与发展1.7系统工程的理论体系1.8系统工程的应用与展望第1章系统与系统工程2023/8/1北京物资学院信息学院91.8系统工程的应用与展望2023/8/6北京物资学院信息学院941.8系统工程的应用与展望2023/8/1北京物资学院信息学1.8系统工程的应用与展望2023/8/6北京物资学院信息学院951.8.1系统工程的价值与应用SE的价值SE具有的地位——是S发展的战略SE的价值SE所能发挥的作用——科学决策的有效工具1.8系统工程的应用与展望2023/8/1北京物资学院信息学1.8系统工程的应用与展望2023/8/6北京物资学院信息学院961.8系统工程的应用与展望2023/8/1北京物资学院信息学1.8系统工程的应用与展望2023/8/6北京物资学院信息学院972)

SE是科学决策的有效工具对于规模庞大、因素众多、结构复杂、功能综合、目标多样、S性很强的S开发任务，若再仅依赖于1.8系统工程的应用与展望2023/8/1北京物资学院信息学1.8系统工程的应用与展望2023/8/6北京物资学院信息学院98大型复杂S的开发任务的决策，应建立在SE基础上，依靠领导者的大脑、智囊团（即SE机构）运用SE方法分析论证，又经严格的科学决策程序完成的。由于实现了决策的民主化、科学化，所以决策失误的概率要小的多。美国RAND(兰德)公司1.8系统工程的应用与展望2023/8/1北京物资学院信息学1.8系统工程的应用与展望2023/8/6北京物资学院信息学院991.8.2系统工程的应用领域

社会系统工程宏观经济系统工程区域规划系统工程环境生态系统工程能源系统工程水资源系统工程交通运输系统工程农业系统工程工业及企业系统工程工程项目管理系统工程航空航天系统工程智力开发系统工程人口系统工程军事系统工程信息系统工程物流系统工程1.8系统工程的应用与展望2023/8/1北京物资学院信息学•社会SE——研究对象是整个社会，这是一个开放的复杂巨S。目前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S的方法论。•经济SE——主要研究宏观经济问题，如国家的经济发展战略、综合发展规划、经济指标体系、产业结构分析、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。•环境生态SE——主要研究大气生态S、大地生态S、流域生态S、森林与生物生态S、城市生态S的规划建设问题。73•社会SE——研究对象是整个社会，这是一个开放的复杂巨S。•企业SE——主要研究市场预测、新产品开发、CIMS及并行工程、全面质量管理、成本—效益分析等；•农业SE——主要研究农业发展战略、大农业和立体农业的战略规划、农业结构分析、农业区域规划、农产品需求预测、农业政策分析等；•教育SE——主要研究人才需求预测、人才与教育发展规划、人才结构分析、教育政策分析等。•军事SE——主要研究国防发展战略、作战模拟、情报、通信和指挥自动化S、武器装备发展规划、国防经济学、军事运筹学等。74•企业SE——主要研究市场预测、新产品开发、CIMS及并行工2023/8/61021.8系统工程的应用与展望社会系统工程

组织管理社会建设的技术，它的研究对象是整个社会，是一个开放的巨系统，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。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。2023/8/11021.8系统工程的应用与展望社会系统工程2023/8/61031.8系统工程的应用与展望区域规划系统工程

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。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。2023/8/11031.8系统工程的应用与展望区域规划系统2023/8/61041.8系统工程的应用与展望能源系统工程

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。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。2023/8/11041.8系统工程的应用与展望能源系统工程2023/8/61051.8系统工程的应用与展望交通运输系统工程

研究铁路、公路、航运、航空综合运