系统工程 第1讲 系统工程发展史

第一章系统工程发展史§1.1系统工程产生的背景§1.2系统工程发展简史§1.3我国系统工程的发展§1.4系统工程在我国社会经济发展中的作用

§1.1系统工程产生的背景社会角度：1)社会、技术、生产力水平提高、社会活动多样化、系统（要素）之间相互依赖程度日夜强化、复杂化，呈现“规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多”的格局，如“开发治理规划，城市交通系统规划，河流治理开发规划，能源需求与供应”等。2)需要有一种解决此类问题的方法。开发治理规划江西省山江湖开发治理问题:1、治山还是治水2、治理资金与开发资金的比例3、治理不同状态资金的比例4、开发重点的选择（地下、地上资源开发，各种农业资源开发，各种矿产资源的开发）赣江梯级开发方案选择和开发顺序的确定城市交通管理系统规划上海市交通系统规划目标（15、30、60）为了实现这一设想，在不同交通方式（地铁、轻轨、高速路、主干道（三横三纵）、大型立交）的安排，需要考虑城市形态和人口分布、工业布局、经济发展、与外省市的连接。河流治理开发规划治理开发目标的确定（运输、灌溉、游泳、饮用）河流边污水处理站的确定不同河流段水质标准确定治理时间的确定治理方法、手段能源需求与供应国民经济发展目标的确定地区人口规模工业能源消耗结构（能源产品）及总量能源系统结构地区能源供给结构及总量技术角度：1)现代科技发展日新月异，产品零件数量急剧增加、高功能化、小型化、复杂化；2)产品生命周期大大缩短、新产品研究开发、生产规划、计划的紧迫性提高、生产管理难度增加；3)社会学、经济学量化问题；信息量急剧增加的处理问题。§1.1系统工程产生的背景知识存量增长的管理问题杂志：17世纪2份；18世纪中叶10份19世纪初100份；1850年1000份；1963年50000份，目前较高水平的已超过10万份。英国科学家推测：人类的科学知识19世纪50年翻一番；20世纪初30年翻一番；20世纪中叶10年翻一番；20世纪70年代每5年翻一番；80年代以后每3年翻一番。（海量数据管理问题）新技术出现的预测问题18—19世纪，纺织机、蒸汽机、发电机相隔数十年出现，但到了20世纪中叶以后，重大新技术的出现越来越短，如1946年计算机问世；1947年半导体；1951年集成电路；1955年原子能发电站；1957年人造卫星上天；1960年激光技术；1969年“阿波罗”登月；1971年微型计算机；1972年“先驱者”飞出太阳系；1973年遗传基因重组技术；1978年大规模集成电路；1981年航天飞机飞入太空；90年代以后新技术频频取得突破。（国家、地区科技发展重点预测问题）新技术开发规划、计划问题19世纪，一项创新从基础研究到商业化的过程一般需要几十年20世纪上半叶需要10多年20世纪下半叶需要几年如：电动机从发明到应用花了65年，电话56年，无线电35年，电视机12年，集成电路仅用了2年，计算机几乎1-2年更新一代）。国家、地区技术开发规划、计划问题技术先进性带来可靠性问题阿波罗飞船多达300万个。这些零部件的可靠性问题（挑战者、哥伦比亚）集成化带来可靠性问题（集成电路设计）核电站的安全问题理论角度：理论基础如运筹学、控制论、一般系统理论的提出；70年代发展：普里高津提出了非平衡系统的耗散结构理论，哈肯提出了协同论，托姆提出了突变论；计算机技术的发展，使得系统工程插上了翅膀。§1.1系统工程产生的背景运筹学运筹学是在第二次世界大战期间形成的。英国、美国、加拿大在各主要兵种中相继成立运筹学小组，成功解决了许多复杂的战略战术问题。一个武器系统的分析、评价和有效运行，不外乎分析制约因素(约束条件)以及要实现的目标(使其达到极大或极小)，推而广之，完成一项任务，做好一件事情，也是如此。运筹学的贡献：是把这个共性概括成了一种数学模式：联立约束条件方程和目标函数方程并求解。运筹学英军方：“和以往的历次战争相比，这次战争更是新的技术策略和反策略的较量……我们在几次关键战役中加快了反应速度，运筹学使我们赢得了胜利。”第二次世界大战以后，运筹学从单纯军事和战争中的应用研究，转移到经济和工业管理中的应用，并形成了自己的理论和方法。到60年代末运筹学达到了成熟的高峰期，其标志是1969年出版的瓦格纳(H．M．Wagner)的《运筹学原理和对管理决策的应用》。控制论关于在动物和机器中控制和通信的科学，创始人是美国的维纳(N．Wiener）。他提炼出包括生物系统和人工系统极为广泛的一大类系统的共性和规律。控制论提炼出的基本概念，诸如目的、行为、通信、信息、输入、输出、反馈、控制以及在这些概念基础上的控制论系统模型，即输入一输出反馈控制模型，具有广泛的普适意义，并且紧密联系着基础理论和应用技术两头。一般系统理论贝塔朗菲（理论生物学家），1937年在芝加哥大学莫利斯(C．Morris)主持的哲学讨论会上第一次提出了一般系统论的概念。1945年发表《关于一般系统论》。他明确提出一般系统论的任务“乃是确立适用于系统的一般原则”，并对系统的共性作了一定的概括，如系统的整体性、关联性、动态性、有序性、终极性(目的性)等。贝塔朗菲提出一般系统论是从有关生物和人的问题出发的。一般系统理论不能沿用讨论无机界问题常用的机械论的分析方法。认为现实是一个有组织的由实体构成的递阶秩序，在许多层次的叠加中从物理、化学系统引向生物、社会系统。不能把分割的部分的行为拼加成整体，必须考虑各个子系统和整个系统之间的关系才能了解各部分的行为和整体。认为分析和人为隔离的方法是有用的，但要看到，即使对物理学的实验和理论也都还不是充分的。耗散结构理论1969年比利时物理化学家普利高津(Prigogine）提出。他认为热力学第二定律以及统计力学所揭示的是孤立系统(和环境没有物质和能量的交换)在平衡态和近平衡态条件下的规律，但在开放并且远离平衡的情况下，系统通过和环境进行物质和能量交换，一旦某个参量变化达到一定的阈值，系统就有可能从原来的无序状态自发转变到在时间、空间和功能上的有序状态。耗散结构理论耗散结构是相对平衡结构说的平衡结构不进行能量或物质的交换能维持（晶体），而耗散结构只有通过与外界交换能量（物质）才能维持其有序状态。耗散结构的形成至少四个条件：开放系统；远离平衡态；内部要素之间存在非线性的相互作用；从无序到有序演化是通过随机涨落实现的。协同论1969年德国物理学家哈肯(H．Haken）提出，他发现激光是一种典型的远离平衡态时由无序转化为有序的现象，但他发现即使在平衡态时也有类似现象，如超导和铁磁现象。这就表明，一个系统从无序转变为有序的关键并不在于系统是平衡或非平衡，也不在于离平衡态有多远，而是通过系统内部各子系统之间的非线性相互作用，在一定条件下，能自发产生在时间、空间和功能上稳定的有序结构，这就是自组织(serf-organization)。哈肯还指出，系统在临界点附近的行为仅由少数慢变量决定，系统的快变量由慢变量(序参量)支配，就是所谓的役使原理。突变论1972年法国数学家托姆（Thom）提出。是关于非连续性变化的数学理论，一般所指的突变理论实际上是初等变换，其主要数学渊源是势函数把临界点分离，进而研究各临界点附近非连续性态的特征，即为有限个数的若干个初等变换。建立突变现象的定性定量模型，以研究和认识不连续现象的机理并作预测，是突变论的主要任务。突变论世界上充满突变想象：胚胎的发育、桥梁的扭曲导致断裂、地壳的剧烈运动引起地震，以及水沸、冰融等。突变论为定量描述突变过程提供了非常实用的数学工具。§1.2系统工程发展简史四十年代初，在美国等国家的电讯工业部门中，为完成巨大规模的复杂工程和科学研究任务，开始运用系统观点和方法处理问题。贝尔电话公司在发展微波通迅网络时首先应用一套系统的方法，并首先提出了“系统工程”这个名称。二次世界大战中，英国运用运筹学建立了雷达警报系统、美国设施曼哈顿计划、申农的信息论、维纳的控制论，都为系统工程发展提供了理论基础。§1.2系统工程发展简史例如：1）英国面临着如何抵御德国飞机轰炸的问题，在发明雷达的基础上建立了世界上第一个有组织地、自觉地按照系统的观点、用系统工程方法分析和研究作战使用问题的小组。2）其次，英、美两国在反潜、反空袭、商船护航、布置水雷等项军事行动中使用了系统工程的方法，并取得了良好的效果。3）又如美国研制原子弹的“曼哈顿计划”，参加者有一万五千人，其工程技术装置极为复杂，他们运用了系统工程方法，因而推动了系统工程方法进一步的发展。§1.2系统工程发展简史五十年代开始，核武器和洲际导弹的出现标志系统工程方法的应用达到更高的水平。六十年代初，美国国防部长麦克纳马拉运用系统分析方法提出了美国国防新战略，取得了成效改变了空间技术落后苏联的局面，北极星导弹、核潜艇计划和阿波罗登月计划都是系统工程在国防科研中取得成功的著名范例。创造的‘计划评审技术’(PERT)和“随机网络技术(GERT)，以及把电子计算机用于计划工作，促进了整个系统研制工作的进展。50年代许多领域出现了“系统方法”“系统工程”字样；1957年，H.Gode撰写第一部以“系统工程”命名的著作；含义扩大（创新系统）。六十年代以后，对于复杂的大系统问题，采用分解与协调两个过程而形成多级递阶控制结构，它的基本方法是将整体体控制问题分解成若干子系统，然后按照整体控制目标，协调各个子系统的运行，以达到整个系统的最优运行。

§1.2系统工程发展简史向大系统扩展阶段：大系统理论的产生；根据通讯、交通、都市、生态、能源等系统具有的特点，发展分层管理、多级分层控制、分散控制；MRP,MIS,FMS的研究；“国际应用系统分析研究所IIASA”研究南北债务、环境问题。向复杂、非线性系统发展：圣塔菲研究所的非线性问题研究：人机系统研究。

§1.2系统工程发展简史圣塔菲研究所在1984年在美国新墨西哥州，由3位诺贝尔奖获得者盖尔曼(M．Gell-Mann)、阿罗(K．J．Arrow)、安德森(P．W．Anderson)为首的一批不同学科领域的著名科学家组织和建立的。其宗旨是开展跨学科、跨领域的研究，他们称作复杂性研究。他们认为事物的复杂性是从简单性发展来的，是在适应环境的过程中产生的。他们把经济、生态、免疫系统、胚胎、神经系统及计算机网络等称为复杂适应系统，认为存在某些一般性的规律控制着这些复杂适应系统的行为。(SantaFelnstitute，简称SFl)§1.3我国系统工程的发展一、朴素系统观念在我国古代的自发应用。二、钱学森对系统工程的贡献三、我国系统工程发展的几个阶段四、系统工程领域学术组织和刊物一、朴素系统观念在我国古代的自发应用1、都江堰水利工程：

1）战国时代(公元前250年)秦国太守李冰父子主持修建。

2）工程包括三个主要部份，“鱼嘴”是岷江分洪工程，“飞沙堰”属分洪排砂工程，‘宝瓶口”是引水工程。

3）三个部份巧妙结合形成一个工程整体，根据今天的试验，工程在排砂、引水、防洪等方面都作了精确的数量分析，使工程兼有防洪、灌溉、漂木、行舟等多种功能。由于在渠道上设置了水尺测量水位，合理控制分水流量，使工程不仅分导了汹涌急流的岷江，而且化害为利，利用分洪工程，有节制地灌溉了十四个县的几百万亩农田。一、朴素系统观念在我国古代的自发应用2、在宋真宗时，皇城失火，宫殿烧毁，派大臣丁谓主持皇宫修复工程，丁谓经过统盘筹划；提出了一个施工方案：首先将皇宫前的大街挖成大沟，就地取土烧砖，省去远处运土；然后把汴水引入大沟，用水路运输建筑器材，使工程能顺利进行；等到皇宫修复后，再把碎砖废土填入沟中。修复大街，使烧砖、运输建筑材料与处理废物等三项繁重的工程任务都最佳地得到解决，是“一举三得利”的最优方案。

一、朴素系统观念在我国古代的自发应用3、在我国的冶炼史上，古代的劳动人民一直在探索铜的优化冶炼方法，早在春秋时代，就已懂得铜、锡、铅按不同比例混合熔炼，可以得到不同功能的合金。在春秋时代的《考工记》中，就记述了在铜锡合金中，六种不同的锡含量，得到六种不同性能的合金，这是对系统结构不同则功能不同的深刻认识和运用。例如含锡17％左右的青铜、呈橙黄色，美观，音质也好，适于铸钟鼎。到明永乐年间(公元1404年左右)，我国铸造了重达40多吨的闻名世界的大钟，音质特好，被认为是古代大钟含金的最佳比例一、朴素系统观念在我国古代的自发应用4、春秋时代的《孙子兵法》从道、天、地、将、法五个方面来分析战争的全局，指出“凡此五者，将莫不闻，知之者胜，不知者不胜”。“道”，就是要内修德政，注重战争是否有理，有道之国，有道之兵，得到人民的支持，这是胜利之本。除此因素外，还有天时、地利的客观条件。而将领的才智、威信状况，士兵是否训练有素，纪律、尝罚是否严明，粮道是否畅通等则是主观条件。它从系统整体出发，对不同层次及系统与环境进行全面分析