系统工程课件

系统工程

1概述系统工程是一门新兴交叉学科系统工程是一门实用性很强的工程技术研究对象：大型复杂的人工系统和复合系统内容：组织协调系统内部各要素的活动，使各要素为实现整体目标发挥适当作用目的：实现系统整体目标最优化1概述1.1关于系统(系统的概念)1.2系统工程1.3系统工程的发展历史1.4系统工程的应用领域1.1关于系统1.1.1什么是系统小规模系统：自动控制系统，企业生产经营管理系统……大规模系统：经济系统，环境系统，城市系统……

1.1关于系统现实世界中的一切事物都可以被看作系统，即系统是一切事物的存在方式之一，因而可以用系统思想来考察、描述和分析事物。在自然界和人类社会中普遍存在着各种各样的系统。对系统的定义有不同的描述.尚无一般定义，大概有40多种.1.1关于系统钱学森院士对系统的描述性定义：系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分（元素）结合成的具有特定功能的有机整体。记为

S=<E，R>

其中（Elements）为系统（Systems）中所有元素构成的集合，（Relationship）为系统中所有关系的集合。1.1关于系统此定义指出了系统的三个基本特征:系统是有若干元素（要素）组成的；这些元素之间存在着相互影响、相互作用、相互依赖的有机关系；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。例:一枚导弹基本上由四个部分组成:战斗部,发动机,控制系统,壳体;(不止一个组成部分)各个组成部分之间存在着种种联系或作用,如电气方面的或机械方面的,等等;导弹总体也会对各个组成部分提出相应的要求.作为一个整体,导弹可以打击一定距离范围内的目标;导弹的射程、精度等指标是作为一个整体才具有的。1.1关于系统美国的《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关于系统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关于系统一般系统论的创始人贝塔朗菲（奥地利）把系统定义为：相互作用的诸要素的综合体。概括起来，可以把系统定义为：系统是由相互关联、相互制约、相互作用的若干部分（元素）组成的，具有特定功能的有机整体。1.1关于系统系统的本质：形成系统的诸要素的集合永远具有一定的特性，或者表现一定的行为；这些特性或行为是它的任何一个部分都不具备的；由许多要素所构成的整体，但从系统功能来看，它又是一个不可分割的整体；如果硬要把一个系统分割开来，那么它将失去其原来的性质；在物质世界中，一个系统中的任何部分可以被看为一个子系统，而每一个系统又可成为一个更大规模系统中的一个部分.系统的构成:要素、结构、功能、行为、环境要素：构成系统的基本单元或部分。结构：系统内部各组成部分或要素之间在时间、空间等方面的有机联系、相互作用的组织机构、方式和秩序。功能：指系统诸要素在一定结构下形成的效应。功能由结构所规定，并通过系统整体的运动表现出来。行为：指实现系统目标所进行的活动，也是系统功能的外部表现。环境：系统以外的其它与之有关的事物的集合就构成了系统的环境。系统的环境一个系统之外的一切与它相关联的事物构成的集合系统与环境之间的关系是系统的外部规定性环境也是决定系统整体涌现性的重要因素环境意识是系统思想的另一个基本点系统的边界把系统与环境分开来的东西边界的存在是客观的边界存在的相对性系统的行为系统相对于环境所表现出来的任何变化行为属于系统自身的变化，是系统特性的表现，但又同环境有关，反映了环境对系统的作用或影响不同的系统有不同的行为，同一系统在不同情况下也有不同行为系统行为包括：维生，学习，适应，演化，自组织、平衡、非平衡、稳定、动态等系统的功能系统行为所引起的、有利于环境中某些事物乃至整个环境存续与发展的作用凡系统都有功能，功能具有整体特性系统是由相互制约的各部分组成的具有一定功能的整体子系统的功能是指子系统对整系统存续发展所负责任、所作贡献把功能子系统的划分及其相互关联方式称为系统的功能结构1.1关于系统系统的六个基本特性:

□整体性

□集合性□层次性□相关性□目的性□适应性1.1关于系统1.整体性系统是由两个或两个以上的可以相互区别的要素，按照作为系统所应具有的综合整体性而构成的。系统整体性说明，具有独立功能的系统要素以及要素间的相互关系根据逻辑统一性的要求，协商存在于系统整体之中。1.1关于系统整体性又称总体性。系统的特性，必须从系统的总体来加以理解。这种总体的观念是系统概念的精髓。系统的若干部分按照系统所应具有的整体性整合成为一个系统，就会产生整体具有而部分没有的东西，如整体的形态、整体的特性、整体的行为、整体的状态、整体的功能。1.1关于系统任何一个要素不能离开整体去研究，要素之间的联系和作用也不能脱离整体去考虑。系统不是各个要素的简单集合，否则它就不会具有作为整体的特定功能。而脱离了整体性，要素的机能和要素之间的作用便失去了原有的意义，研究任何事物的单独部分不能得出有关整体性的结论。系统的构成要素和要素之间的机能、要素间的相互联系要服从系统整体的功能和目的，在整体功能的基础上展开各要素及相互之间的活动，这种活动的总和形成了系统整体的有机行为。在一个系统整体中，即使每个要素并不都很完善，但它们也可以协商、综合成为具有良好功能的系统。相反，即使每个要素都是良好的，但作为整体却可能不具备某种良好的功能，也就不能称之为完善的系统。1.1关于系统2.集合性

集合的概念就是把具有某种属性的一些对象看成一个整体，从而形成一个集合。集合里的各个对象叫做集合的要素（子集）。系统的集合性表明，系统是由两个或两个以上的可以互相区别的要素所组成的。这些要素可以是具体的物质，也可以是抽象的或非物质的软件、组织等。例如，一个计算机系统，一般都是由CPU、存储器、输入输出设备等硬件组成，同时还包含有操作系统、程序开发工具、数据库等软件，它们形成一个完整的集合。1.1关于系统3．层次性系统作为一个相互作用的诸要素的总体来看，它可以分解为一系列的子系统，并存在一定的层次结构。这是系统空间结构的一种形式。在系统层次结构中表述了在不同层次子系统之间的从属关系或相互作用的关系。在不同的层次结构中的子系统存在着动态的信息流与物质流，它们一起构成了系统的整体运动特性，为深入研究复杂系统的结构、功能和有效地进行控制与调节提供了条件。

1.1关于系统4.相关性组成系统的要素是相互联系、相互作用的，相关性说明这些联系之间的特定关系和演变规律。例如，城市是一个大系统，它由资源系统、市政系统、文化教育系统、医疗卫生系统、商业系统、工业系统、交通运输系统、邮电通讯系统等相互联系的部分组成，通过系统内各子系统相互协调的运转去完成城市生活和发展的特定目标。各子系统之间具有密切的关系，相互影响、相互制约、相互作用，牵一发而动全身。要求系统内的各个子系统根据整体目标，尽量避免系统的“内耗”，提高系统整体运行的效果。1.1关于系统5.目的性通常系统都具有某种目的。为达到既定的目的，系统都具有一定的功能，而这正是区别这一系统和那一系统的标志。系统的目的一般用更具体的目标来体现。比较复杂的社会经济系统都具有不止一个目标。因此，需要用一个指标体系来描述系统的目标。比如，衡量一个工业企业的经营业绩，不仅要考核它的产量、产值指标，而且要考核它的成本、利润和质量指标。在指标体系中的各个指标之间有时是相互矛盾的，有时是互为消长的。为此，要从整体出发，力求获得全局最优的经营效果，这就要求在矛盾的目标之间做好协调工作，寻求平衡或折衷方案。为了实现系统的目的，系统必须具有控制、调节和管理的功能，管理的过程也就是系统的有序化过程，使它进入与系统目的相适应的状态1.1关于系统6.适应性

任何一个系统都存在于一定的物质环境之中，因此，它必然要与外界产生物质、能量和信息交换，外界环境的变化必然会引起系统内部各要素的变化。不能适应环境变化的系统是没有生命力的，只有能够经常与外界环境保持最优适应状态的系统，才是具有不断发展势头的理想系统。例如，一个企业必须经常了解市场动态、同类企业的经营动向、有关行业的发展动态和国内外市场的需求等环境的变化，在此基础上研究企业的经营策略，调整企业的内部结构，以适应环境的变化。例：随着研制技术的发展、竞争的加剧，导弹武器系统需要不断地提高性能，更新换代。如精度指标，可靠性指标，机动性能，突防性能，等等。又如计算机，其性能越来越高。1.1关于系统系统的分类（1）自然系统、人造（工）系统：按照系统的起源（自然属性）分自然系统：依据自然规律，不以人们意志为转移而形成的系统（由自然过程产生的系统）。如：天体系统、海洋系统、生态系统。有功能、无目的

人造系统：按人们意志设计与实现的系统（为满足人类的某种需要，人为建立起来的系统）。如：通信系统、工程系统、仓库管理系统、图书管理系统。有功能、有目的复合系统：自然系统和人造系统相结合而形成的系统。如：环境保护系统、矿藏开发系统。1.1关于系统（2）实体系统、概念系统：按物质属性分实体系统：由物质实体（矿物、生物、机械、人群等）组成的系统。如机械系统、电力系统、人-机控制系统等概念系统：由概念、原理、原则、方法、制度、程序等概念性的非物质实体所构成的系统。如管理系统、教育系统、计划系统等（3）动态系统、静态系统：按运动属性分动态系统：状态随时间的推移不断发生变化的系统。如：化工生产系统。静态系统：状态不随时间的推移不断发生变化的系统，它是动态系统的一种极限状态（处于稳定的系统）。如车间平面布置，封存的仪器和设备。1.1关于系统（4）开放系统、封闭系统：按系统与环境间的关系分开放系统：与环境发生物质、能量和信息交换的系统。如：生态系统、城市系统、工业生产系统等。封闭系统：与环境有能量交换，但没有物质和信息交换的系统。如：密封的容器。孤立系统：不与环境发生物质、能量交换的系统。如：保温的密封的容器（开水瓶）。

1.1关于系统（5）简单系统、简单巨系统、复杂巨系统：按系统结构复杂程度分简单系统：组成系统的子系统数量比较少，且子系统之间的关系比较简单的系统。如一个工厂、一台设备等。简单巨系统：组成系统的子系统数量非常多、种类也比较多，但子系统之间的关系比较简单的系统。如激光系统等。复杂巨系统：组成系统的子系统数量很多，具有层次结构，它们之间的关系极为复杂的系统。如生物体系统、星系系统、社会系统等。什么的复杂？什么是复杂性？，没有统一的概念。1.1关于系统还有其它的分类方法：按系统结构分类：集中系统、多级递阶系统、分散系统按系统是否具有不定性进行分类：确定性系统、不确定性系统1.2系统工程1.2.1什么的系统工程

系统工程在系统科学的学科体系中属于工程技术层次，对系统工程至今没有统一的定义。钱学森院士（1978）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，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法。”，“系统工程是一门组织管理的技术”。系统工程是寻求“总体最优”的理论和方法。(装备)系统工程定义美国军用标准MIL-STD-499A定义：“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。”技术与管理两个过程系统工程既是一个技术过程，又是一个管理过程。为了成功地完成系统的研制，在整个系统寿命周期内，技术和管理两方面都很重要。因此，美国防务系统管理学院把系统工程定义为“是为了达到所有系统要素的优化平衡，控制整个系统研制工作的管理功能，把作战需求转变为一组系统参数的描述，并综合这些参数以优化整个系统效能的过程。”军方强调管理过程系统工程内涵

以研究大规模复杂系统为对象的一门交叉学科。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，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，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。1.2系统工程研究对象：大型复杂的人工系统和复合系统。内容：组织协调系统内部各要素的活动，使各要素为实现整体目标发挥适当作用。目的：实现系统整体目标最优化。学科性质：是一门现代化的组织管理技术，是特殊的工程技术，是跨越许多学科的边缘科学。系统工程特点研究思路的整体化：系统工程强调研究思路的整体化，就是既把所要研究的对象看成是一个系统整体，又把研究对象的过程看成是一个整体。系统工程特点应用方法的综合化：系统工程强调综合运用各个学科和各个技术领域内所获得的成就和方法，使得各种方法相互配合，达到系统整体最优化。系统工程特点组织管理上的科学化、现代化：系统工程研究思路的整体化要求管理上的科学化，其应用方法综合化要求管理上的现代化。管理科学化是要按科学规律办事，包括对管理、组织结构、体制和人员配备分析，工作环境布局、程序步骤组织，以及工程进度计划与控制等问题的研究。管理现代化是指符合事物发展的客观规律，符合自己国家需要，使用有效的最新管理理论、思想、组织和方法手段，促进生产力的发展和生产关系的改善。1.2系统工程系统工程与其他各门工程技术一样，以改造客观世界、使其符合人类需要为目的;都要从实际条件出发，运用基础科学和技术科学的基本原理;都要考虑经济因素和经济效益。系统工程是一门工程技术，系统工程的对象、任务、方法以及从事系统工程活动所需要的知识结构，与传统工程技术相比，有明显区别：1.2系统工程概念不同：传统工程技术的“工程”概念是指把自然科学的原理和方法应用于实践，可将它看成是制造“硬件”的工程；系统工程的“工程”概念，是指不仅包含“硬件”的设计与制造，而且还包含与设计和制造“硬件”紧密相关的“软件”。对象不同：传统工程技术都是把各自特定领域内工程物质对象作为研制对象；系统工程则是以“系统”为研究的对象。任务不同：传统的工程技术是用来解决某个特定专业领域中的具体技术问题；系统工程的任务是解决系统的全盘统筹问题。1.2系统工程方法不同：传统工程技术所用的方法是根据条件采用可能实现目标的方法，提出不同方案进行设计，试制出原型，经试验后最终达到生产和建设的目的；系统工程在解决各种问题的过程中，采用一整套系统方法：以系统工程观念，按照完整的解决问题的程序，运用电子计算机对系统进行定量分析和计算，从而为解决复杂系统问题提供有效手段和工具。所以，系统工程的目标是实现系统的整体优化。。1.2系统工程从事系统工程应用，不仅要有专业技术人员，而且还应吸收社会科学工作者和其他行业的人员参加。系统工作人员应具备的能力：能够坚持用系统观点和方法研究和处理问题；知识面宽广，且有较深的专业知识；具有丰富的想像力和创造力；善于发现问题；；善于沟通，取得各方面的有关人员配合与协作；掌握环境动向，了解部门之间的信息。1.2系统工程1.2.3系统工程的研究对象和内容系统工程的研究对象：大型复杂的人工系统和复合系统（任何物质系统、概念系统）。系统工程的主要内容：

系统分析、系统设计、系统模型化、系统最优化、系统的组织管理、系统评价、系统预测与决策等。基本任务：系统模型化、系统优化、系统评价。1.2系统工程

为了实现和完成系统目标及任务，系统工程在其方法论的思想下要运用一定的具体方法与手段，即系统工程技术。常用的系统工程技术：（1）系统辨识技术（2）系统模型化技术（3）系统最优化技术（4）系统评价技术（5）系统预测技术（6）系统决策技术系统工程的作用：为社会科学研究提供定量分析方法，为自然科学研究提供定性分析方法。1．系统辨识技术系统工程研究的对象大多是复杂的大系统，由于系统因素众多，结构复杂，目标多样，功能综合，因此需要共同理解、明确系统的总目标、分目标，以及相应的系统结构层次，为实现这个目的就需要通过系统的辨识来解决。目前用于大规模复杂系统辨识的常用方法是解析结构模型技术，即ISM。2．系统模型化技术模型化是系统工程的核心内容。系统模型是系统优化和评价的基础，是系统工程的基本要求，任何一项系统工程都需要先建立模型。按系统模型分类，系统模型化技术主要有结构模型化技术、分析模型技术、系统仿真模型技术。通过系统模型化，就可以对系统进行解剖、观测、计量、变换、试验，掌握系统的本质特征和运行规律。3．系统最优化技术系统最优化是系统工程追求的主要目标之一。优化技术是应用数学的一个分支。系统工程所用到的优化技术大多数集中在运筹学中，如线性规划、非线性规划、整数规划、动态规划、多目标规划、排队论、对策论等等，它们被应用于系统对有限资源进行统筹安排，为决策提供有依据的最优方案。在运筹学的应用中，往往是运用模型化方法，将一个已确定研究范围的现实问题，按预期目标，将现实问题中的主要因素及各种限制条件之间的因果关系、逻辑关系建立数学模型，通过模型求解寻求最优化。4．系统评价技术系统评价就是对系统的价值进行评定，其主要作用是通过系统评价技术，将系统方案排序，以便从众多的可行方案中找出最优方案，为决策提供依据。迄今为止，评价技术已发展到数十种，但较为常用的有费用—效益分析、关联矩阵法、关联树法、层次分析法、模糊评价法、可能—满意度法等。5．系统预测技术系统预测是依据过去和现在的有关系统及其环境的已知材料，运用科学的方法和技术，发现和掌握系统发展与运行中的固有规律，并按此规律去探求系统发展的未来。预测的主要作用是为决策者提供科学的预见和决策依据，同时为产生多个系统方案和优化系统方案提供方法手段。系统预测技术可分为定性预测技术与定量预测技术。6．系统决策技术系统决策是指决策者根据系统的各种行动方案及其可能产生的后果所作的判断或决定。决策分析是比较规范的技术。它所起的作用是使决策过程得到数据和定量分析的支持，使决策所需的信息全面而清晰地展现给决策者，从而有助于决策者正确决策。决策技术按决策环境可分为三种类型：即确定型决策、风险型决策、不确定型决策。1.2系统工程1.2.4系统工程主要理论基础一般系统论大系统理论经济控制论控制论运筹学系统工程的学科体系现代科学技术的体系结构（钱学森）四个层次：工程技术层次、技术科学层次、基础科学层次、哲学。系统科学的体系结构（钱学森）：系统工程这类工程技术、系统工程的理论方法、系统工程的理论基础、哲学。系统工程的学科体系系统工程作为处理一般系统总体最优化的技术与方法，它在系统科学的学科体系中处于工程技术层次。系统科学：依据系统思想建立的完整科学体系，研究系统演化的一般规律，系统有序结构的自组织原理和系统复杂性。基础科学：指的是该学科的理论基础，解释该学科的一般规律，作为系统科学的理论基础就是系统学。技术科学：该学科的技术基础，沟通着基础理论到实践应用，指导工程技术实现；作为该学科的技术基础是“运筹学”，“控制理论”和“信息理论”。工程技术：指的是这个学科中的应用技术，作为系统科学的应用技术就是系统工程。系统科学划分四个层次(1)．系统哲学——系统观系统观主要涉及：系统本体论、系统认识论以及人和世界的关系。(2)．系统的基础科学——系统学在一般系统论、耗散结构、协同学等广泛学科成就之上，研究一般系统的基本概念、基本性质以及系统进化的一般规律，其中包括研究一般系统的基本概念和性质的系统概念论；研究适用于各种具体系统的一般演化模式和规律的系统进化论；运用数学语言和严格演绎方法所建立的系统数学。(3)．系统的方法科学——技术科学系统的方法科学是根据系统科学的基本概念和基本原理研究系统方法的理论。其大致包括信息论、控制论、大系统理论、运筹理论、经济系统理论等。(4)．系统的应用科学——系统工程系统的应用科学是把系统基础科学的概念理论和系统方法科学中的理论方法具体应用到人们的实践活动之中，它用定量和定性相结合的系统思想和系统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，都可以看成是一种工程实践，这就是系统工程，它构成了本学科的主要内容。系统工程与其他相近学科的关系系统科学与系统工程系统科学是一门从总体上研究复杂系统共同运动规律的科学系统工程是一门系统科学、工程技术学、经济学和管理学等相结合的组织管理技术，是一种改造客观世界的工程技术，同时也是一种运筹与决策的艺术。

系统分析与系统工程

系统工程＝系统分析;

系统工程包括在系统方法之中，与系统分析并列;

系统工程包括系统分析、系统设计和决策分析.

本课程体系：系统工程＝系统分析＋决策分析

运筹学与系统工程

运筹学和系统工程可以看作是属于一个领域中的两个姐妹学科，都是系统思想方法定量化的实际应用研究。运筹学为系统工程提供最重要的方法和理论基础。运筹学的目的：增加现有系统效率的分析工作，以专业技术为导向，分析程序由下而上（战术）系统工程：对可供选择的系统方案进行选择比较；以问题状况为导向，分析程序由上而下（战略）1.3系统工程的发展历史1.3.1系统工程的产生与发展一般观点：系统工程是在第二次世界大战期间，为适应军事需要而形成的。它的萌芽阶段，中国可追溯到2600多年前的《周易》，国外可追溯到20世纪初的Taylar管理制度（1911年）。第一次出现“系统工程”名称：

观点1：1957年美国人哥德和麦克尔合著“系统工程”为标志；观点2：1940年贝尔电话公司在发展微波通讯网络时，为缩短科学发明与投入应用的时间，在全国电信网中首先采用了新技术，提出了“系统工程”的名称。1.3系统工程的发展历史1.3.2系统工程在中国古代：最早是八卦与周易公元前五百多年前，以老子为创始人的道家对系统提出了精辟的看法《黄帝内经》“天人相应”《孙子兵法》，李冰父子建造都江堰现代：以钱学森院士为代表。1.3系统工程的发展历史管子：<地员篇>，<诗经>，农事诗<七月>等古籍，对农作与种子，地形，土壤，水份，肥料，季节，气候诸因素的关系，都有辩证的论述。齐国名医扁鹊：主张按病人气色，声音，形貌综合辩证，用针灸，汤液，按摩，熨贴，砭法等多种疗法治病。周秦至西汉初年的古代医学总集<黄帝內经>：强调人体各器官的有机联系，生理现象和心理现象的联系，身体健康与自然环境的联系等。战国时期李冰父子设计建造的都江堰工程：包括“鱼嘴”岷江分水工程，“飞沙堰”分洪排沙工程，“宝瓶口”引水工程三大主体和120个附属渠堰工程，工程之间的联系处理得恰到好处，协调运转。中国古代历法：很早就提示了天体运行与季节变化的联系，编制出历法和指导农事活动的二十四节气。1.3系统工程的发展历史我国古代天文学家为发展原始农牧业，把宇宙作为一个超系统，探讨了它的结构、变化和发展，努力揭示天体运行与季节的变化。我国古代的系统思想还反映在军事理论方面。孙子的《孙子兵法》阐述了不少朴素的系统思想和谋略。《孙子兵法》中从“道、天、地、将、法五个方面来分析战争的全局。古希腊的唯物主义哲学家德谟克利特（公元前467~前370年）从唯物主义的立场出发阐述了系统的思想，他认为原子构成万物，形成不同系统层次的世界，宇宙中有无数个世界，这些世界不断产生、发展和消灭。古希腊辩证法奠基人之一的赫拉克利特（Heracleitus)在<论自然界>一书中说：“世界是包括一切的整体。”1.3系统工程的发展历史15世纪下半叶，由于近代科学的兴起，力学、天文学、物理学、化学以及生物学逐渐从混为一体的哲学中分离出来，得到了日益迅速的发展。把自然界的局部细节抽出来进行分门别类的研究。19世纪上半叶，自然科学取得了巨大的成就，特别是能量转化和细胞的发现，使人们对自然过程的相互联系的认识有了很大的提高。马克思、恩格斯的辩证唯物主义认为，物质世界是由许多相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的事物和过程所形成的统一整体。这就是系统概念的实质。总之：用自发的系统概念考察自然现象，是古代中国和古希腊唯物主义哲学思想的一个特征。古代辩证唯物的哲学思想包含了系统思想的萌芽。都江堰水利工程

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（漂木、行舟）。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。两千多年来，都江堰一直发挥着巨大的效益，是我国最成功的水利工程。三大工程鱼嘴：分水工程：大水——“内三外七”小水——“内七外三”飞沙堰：分水、排沙宝瓶口：调水、沉淀沙粒完整的养护制度：每年挖泥沙、修堤。如“深掏滩、低筑堰”等，规定了挖沙时间、深度（以江底的石碑为标记等体现了利用天然资源、整体规划、系统优化的古代朴素的系统思想

1.3系统工程的发展历史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。整体思想和联系思想是科学系统思想的核心与实质。阿波罗登月计划系统工程发展的里程碑目标：在10年内将人送上月球，并使其安全地返回地球经费：250亿美元1969年6月，阿波罗飞船登上月球，标志着系统工程及其在装备研制中应用的日趋成熟。我国两弹一星与载人航天系统工程实践我国比较系统地、有组织地研究和运用系统工程始于1960年代，在两弹一星和载人飞船有成功的探索。1979年，成立中国系统工程学会。期刊：系统工程理论与实践，系统工程学报，JournalofSystemsScienceandSystemsEngineering

，模糊系统与数学，系统工程与电子技术，等等载人飞船工程（7个系统）：

航天员系统、飞船应用系统、载人飞船系统、运载火箭系统、发射场系统、测控通信系统、着陆场系统。如载人飞船系统（13个分系统）：结构与机构分系统、制导导航与控制分系统、热控分系统、环境控制与生命保障分系统、推进分系统、测控与通信分系统、数据管理分系统、电源分系统、回收着陆分系统、仪表与照明分系统、应急救生分系统、乘员分系统、有效载荷分系统。1.3系统工程的发展历史1.3.3研究趋势与展望系统工程是一门交叉学科，日益向多学科渗透和交叉发展；系统工程作为一门软科学，日益受到人们的重视；系统工程的应用领域日益扩大，进而推动系统工程理论和方法不断发展与完善。1.4系统工程的应用社会系统工程——研究对象是整个社会，这是一个开放的复杂巨系统。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系统的方法论。经济系统工程——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。环境生态系统工程——主要研究大气生态系统、大地生态系统、流域生态系统、森林与生物生态系统、城市生态系统的规划建设问题。1.4系统工程的应用企业系统工程——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；农业系统工程——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；教育系统工程——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。1.4系统工程的应用区域规划系统工程——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、区域资源合理配置、城市水资源规划、城市公共交通规划与管理等。能源系统工程——研究能源合理结构、能源需求预测、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、防汛指挥调度、水污染控制等问题。1.4系统工程的应用交通运输系统工程——研究铁路、公路、航运、航空综合运输规划及其发展战略、铁路调度系统、公路运输调度系统、航运调度系统、空运调度系统、综合运输优化模型、综合运输效益分析等。信息系统工程——信息网络+用户是一个人——网结合的开放的复杂巨系统，不仅具有信息采集、加工、存储、传输、调用、共享、分析、综合等功能，还具有产生新信息的功能，是信息的生产系统。军事系统工程——主要研究国防发展战略、作战模拟、情报、通信和指挥自动化系统、武器装备发展规划、国防经济学、军事运筹学等。1.4系统工程的应用

应用实例：

——国家发展研究中心组织的“2000年的中国”的研究；

——国家教委组织的“全国人才规划模型”“教育规划模型”等的研究；

——国防科研部门组织的“国防总体战略”，“军事指挥系统”，“现代作战模拟”“后勤保障系统”等的研究；1.4系统工程的应用

——交通运输部门组织的“综合运输网络”，“铁路运行图网络模型”，“铁路编组站自动化的系统分析”，“民航全国售票网络系统研究”，“交通运输系统动力学理论和方法的研究”等；

——能源部门组织的“长江三峡巨型工程的综合论证和决策分析的研究”，“全国大中型水电站建设研究”，“山西能源化工基地建设的发展战略和长远规划的研究”等；

——农业科研部门组织开展的“黄淮海地区农业综合开发研究”，“发展立体农业的系统研究”，“农村产业结构系统研究的模型体系”，“粮食安全保障的预警系统研究”等；

——国家自然科学基金组织的“宏观决策分析、金融数学、金融工程、金融管理的研究”“搞活大中型企业的系统分析”等系统工程方法论：在处理系统问题过程中的一般分析问题和解决问题的途径、手段和方式，或者说是人们处理系统问题所应用的知识、观点去解决问题的行为方式。系统工程方法论就是开展系统工程的一般过程或程序，它反映系统工程研究和解决问题的一般规律或模式。60年代以来，许多学者对系统工程方法论进行了探讨。企图找到能够处理世界上所有问题的一成不变的“万能”方法是不现实的，但是，总还是可以找到一些带有普遍意义的思路和模式，这就是系统工程方法论。其中影响最大的，是１９６9年美国贝尔电话公司工程师霍尔（A·D·Hall）提出的系统工程三维结构，简称为霍尔模型，其三维是时间维、逻辑维和专业维（知识维）。系统工程方法论体系的基础是综合运用系统思想和各种数学方法、科学管理方法、经济学方法、控制论方法以及计算机技术等工具来实现系统的模型化和最优化，进行系统分析和系统设计。同时，系统工程方法论除一般的数学描述方法和逻辑推理方法外，还有工程技术的规范和社会科学的艺术等。描述性、逻辑性、规范性、艺术性这些特点交织在一起，构成了系统工程独特的思想方法、理论基础、基本程序和方法步骤。系统工程方法论基本特点：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。

系统工程的构思原则(1).由粗到细的原则由粗到细地思考问题：搞清有关议题产生的背景和不同的观点→通过调查、争论、相互学习，在价值观和是非标准上达成共识→定义问题、定界问题和设定目标→明确解决问题的原则→总体构思→形成概念模型→设想具体方案→设计具体方案等。(2).

互相结合的构思原则处理系统工程问题时，要善于联想，将看似无关的事件联系起来考虑，找出它们之间的内在规律，从原则上来讲主要有：以问题导向为主，问题导向与方法导向相结合；先定性分折，定性分析与定量分析相结合，科学方法与专家经验相结合，决策者(领导者)、使用者与分析者相结合。(3)定性分析与定量分析结合的原则定性的对象或概念要给予定量的表示，用数量表示的结果要给出它的经济意义或物理意义，这样才能提高分析系统的水平和对系统的深入认识。定性分析是对研究对象本质、内在机制的认识。为更确切地描述研究对象的本质，从量变到质变的规律上去把握住研究的对象，需要定量分析。因此要按定性——定量——定性的思路去分析。(4).分解、协调和综合的原则系统的分解、协调的目的是为了综合形成更好的系统。系统分解指将一个复杂系统分解为若干子系统。分解目的是便于研究者掌握。系统协调有两种意义：①系统内的协调，即根据系统总结构、功能、任务、目标等的要求，使各个子系统之间互相协调配合，实现系统的整体优化；②系统与系统之间的协调，系统与环境之间的协调。2.1

霍尔三维结构(硬系统工程方法论)2.2

切克兰德“调查学习”模式(软系统工程方法论)2.3

其它系统工程方法

系统工程方法论（思考和处理问题的方法）2.1

霍尔三维结构图1-3霍尔三维结构美国工程师霍尔在总结多方面系统工程实施经验的基础上，将系统工程的整个过程按时间坐标、逻辑坐标和知识坐标划分为不同的层次和阶段，并对每个层次、阶段所应用的科学、人文、社会知识作了分析，提出了解决系统工程问题的一般性方法。一、时间维：粗结构

分析处理系统问题的工作进程，按时间顺序分为6个（或7个）时间阶段：

规划阶段:调研、明确目标制定方案阶段:比较分析方案，择优开发研究阶段:实现方案，作生产计划生产制造阶段:零部件→组装整个系统运行作业阶段:安装、运行改进更新阶段:评价→改进和更新二、逻辑维：细结构，将时间维的每一阶段展开处理各阶段系统问题的步骤（思维过程），一般分为7个阶段。

为了合理地作出并实施最佳决策，系统工程的每一个工作阶段上都必须遵循某种合理的思维方式，在这种思维方式中包含有七个必要的思维步骤或程序：

1.明确问题,2.选择目标

3.系统综合,4.系统分析

5.方案优化,6.决策

7.计划实施

Hall系统工程方法论强调明确目标，核心内容是最优化。认为现实问题都可归纳为工程一类的问题（硬科学），应用定量分析的手段，求得最优解。明确问题：收集资料(考察、测量、调研、需求分析、市场预测),

了解系统的环境、目的、系统的各组成部分及其联系等。选择目标：提出目标，制定准则(标准)

选择目标过程一般使用价值体系方法：效用理论费用—效益分析：经济系统风险估计价值工程系统综合：方案策略，对每种方案进行说明系统分析：系统分比较分析各方案→建模→计算或仿真作出决策：不能十全十美，要考虑人、社会各种因素方案优化：选出待选方案集，交决策部门最优化：单目标、多目标优化：约束条件，最优解、满意解线性规划、动态规划、非线性规划、大系统理论、组合优化等付诸实施：企业：生产计划开发项目：CPM、PERT对逻辑维若干步骤的说明(1)摆明问题收集各种有关资料和数据，把问题的历史、现状、发展趋势与环境因素搞清楚，把握住问题的实质和要害，并使有关人员做到心中有数。为了把问题的实质、要害搞清楚，就要进行调查研究。调查研究工作主要从以下两方面入手进行：第一，环境方面的调查研究。（a）物理和技术的环境，主要包括：已有系统；用于已有系统的方法；已执行的技术标准；内部技术情况；自然环境；过渡因素；目前和将来的试制条件；外部技术情况。（b）经济和事务的环境，主要包括：

·组织结构；·组织人员；·政策法令

·领导爱好倾向·价格结构；·新系统的经济条件

·事务运用（c）社会环境，主要包括：

·大规模的社会因素；·个别的因素。第二，需求方面的调查研究。从广义来说，需求研究属于环境研究的一个方面。但是，由于需求研究具有特别的重要性，故有必要着重进行分析研究。需求研究大略有下列六项要点：研究需求的一般指标；组织上的资源和约束；计划情况和市场特性；竞争状况；用户爱好、习惯和动机；来自需求研究的设计要求。(2)确定目标目标问题关系到整个工程的方向、规模、投资、工程周期、人员配备等，因而是十分重要的环节。系统问题往往具有多目标，在摆明问题的前提下，应该选择明确的指标体系，作为以后衡量各个备选方案的评价标准。在确定目标时应注意以下几条原则：

a.要有长远观点：选择对于系统的未来有重大意义的目标；

b.要有总体观点：着眼全局，必要时可在某些局部作让步；

c.注意明确性：目标务必具体明确，力求用数量表示；

d.多目标时应注意区分主次、轻重、缓急，以便加权计算；

e.权衡先进性和可行性：目标先进而可以实现的，

f.注意标准化：同国内外的同类系统比较，争取先进水平。我国一般工程项目制订目标时应考虑下述几个方面：

a.运行目标，其中包括技术指标；

b.经济目标，包括直接的与间接的经济目标；

c.社会目标，包括项目符合国家方针政策和社会整体利益；

d.环境目标，包括环境保护与工程绿色化。(3)系统综合系统综合要反复进行多次。第一次的系统综合是指按照问题的性质、目标、环境、条件拟定若干可能的备选方案。没有分析便没有综合，系统综合是建立在前面的两个分析步骤（摆明问题，确定目标）上的。没有综合便没有分析，系统综合又为后面的分析步骤打下基础。(4)系统分析是指演绎各种备选方案。对于每一种方案建立各种模型，进行仔细分析，得到可靠的数据、资料和结论。系统分析主要依靠模型（有实物模型与非实物模型，尤其是数学模型）来代替真实系统，利用演算和模拟代替系统的实际运行，进行仿真，选择参数，实现优化。在系统分析的过程中，可能形成新的方案。系统工程的大量工作是系统分析，所以有人宁愿把系统工程称作系统分析。(5)决策由决策者选择某个方案来实施。出于各方面的考虑，领导选择的方案不一定是最优方案。应该注意：“什么也不干”，维持现状，也是一种方案，称为零方案。在确认有别的方案比它优越之前，不要轻易否定它。根据系统工程的咨询性，决策步骤并非系统工程人员的工作。但是对于决策技术的研究，则是系统工程的课题之一。(6)实施将决策选定的方案付诸实施或执行下一个阶段。应当注意，在决策或实施中，有时会遇到原定方案都不满意的情况。这时就有必要回到前面所述逻辑步骤中认为需要的一步开始重新做起，然后再决策或实施。这种反复有时会出现多次，直到满意为止。（3）知识维知识维是完成工作的理论基础。在开展系统工程活动时，由于不同阶段和不同步骤具有不同的工作内容，需要应用与涉及各种学科内容和专业知识，包括实验、计算机能力、文字表达能力、语言沟通能力、专业理论基础、各个领域的专业知识、数学、自然科学、环境学、社会学、经济与管理、人文、法律、艺术等。运用SE知识，把三维结构中的六个时间阶段和七个逻辑步骤结合起来，便形成所谓霍尔管理矩阵如下(表中元素代表一项具体的管理活动):

霍尔管理矩阵

逻辑维(步骤)时间维(阶段)1234567明确问题选择目标系统综合系统分析方案优化做出决策付诸实施1规划阶段a11a12a13a14a15a16a172方案阶段a21a22a23a24a25a26a273研制阶段a31a32a33a34a35a36a374生产阶段a41a42a43a44a45a46a475运行阶段a51a52a53a54a55a56a576更新阶段a61a62a63a64a65a66a67表中一项代表具体的管理活动，如a12表示在规划阶段确定目标，a21表示在方案阶段摆明问题。在基于“三维结构”模型的这个系统工程过程系统中，每一阶段都有自己的管理内容和管理目标，每一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，组成了一个有机整体。霍尔管理矩阵可以提醒人们在哪个阶段该做哪一步工作，同时明确各项具体工作在全局中的地位和作用，从而使工作得到合理安排。从霍尔方法论的三维结构中，可以得出该方法具有如下特点：综合性：任何具体的系统工程活动同时结合时间阶段、逻辑步骤和相应的专业知识。联系性：各项活动并不是孤立的，它们之间互相影响、紧密相关，重视的是整体能够达到最优效果，而不是部分达到最优。反复性：整个方法的分析过程又是重复的。但是这并不是传统意义上的简单重复。而是螺旋式上升、波浪式前进的过程，也就是哲学上所说的否定之否定过程。这个过程首先具有迭代性。功能性：方法论的每一步都具有相应的职能。具体包括计划、组织、控制、调节、决策。霍尔的系统工程方法论强调目标明确，核心内容是最优化，主要适用于解决良性结构的硬系统。2.2切克兰德“调查学习”模式

切克兰德认为完全按照解决工程问题的思路来解决社会问题和软科学问题，将遇到很多困难。至于什么是“最优”，由于人们的立场、利益各异，判断价值观不同，很难简单地取得一致的看法，因此“可行”、“满意”、“非劣”的概念代替了“最优”的概念。还有一些问题只有通过概念模型或意识模型的讨论和分析后，才使得人们对问题的实质有进一步的认识，经过不断磋商，再经过不断的反馈，逐步弄清问题，得出满意的可行解。切克兰德根据以上思路提出他的方法论，称这为“软系统方法论”，该方法论的逻辑和内容如图所示。核心：调查和学习目的：提高切克兰德的软系统方法论的核心不是“最优化”，而是进行“比较”，强调找出可行满意的结果。“比较”这一过程要组织讨论，听取各方面有关人员意见，为了寻求可行满意的结果，不断地进行多次反馈，因此它是一个“学习”的过程。切克兰德的调查学习法用概念模型代替数学模型，使思路更为开阔；用可行满意解代替最优解是价值观方面的重要变化。良结构系统：指偏重工程问题、机理明显的物理型的硬系统不良结构系统：指偏重社会问题、机理尚不清楚的心理和事理型的软系统这种软系统方法论在我国已用于考虑一些比较复杂的发展战略问题，例如对首都发展战略的研究就采用这种思考方法。2.3其它系统工程方法一、综合集成法（钱学森1989）

二、统一规划法（1972）三、层次分析法四、并行工程五、物理—事理—人理（WSR）综合集成工程(综合集成法)综合集成（Meta-Synthesis）工程是从整体上考虑并解决复杂问题的方法论。钱学森院士等人(1989)在研究解决开放的复杂巨系统问题时，提出了“从定性到定量综合集成方法”，这是系统工程思想的新发展。其实质是将专家群体、数据和各种信息与计算机仿真有机地结合，把各种学科的理论和人的经验与知识结合起来，发挥整体优势。钱学森的综合集成工程方法论方法论层次：(1)经验知识＋理论知识；(2)通过建模将定性知识与观测数据、统计资料结合；(3)人(知识工程＋专家系统)与计算机(电脑)结合。工程技术层次(1)根据实际问题收集信息资料和统计数据；(2)约请相关专家分析研究，明确系统四大变量(状态、环境、控制、输出)，确定系统建模思想；(3)建立系统数学模型(定量表示系统结构、功能、行为、特性、输入输出关系)；工程技术层次(4)对系统行为做仿真模拟试验，获得定量数据资料；(5)组织专家群体检验系统模型的有效性；(6)修改、调整参数，仿真试验，专家分析评价，修改、……数学模型(符合实际系统的理论描述)----可信的结论这套方法论是从整体上研究和解决复杂巨系统问题的方法，采取人机结合以人为主的思维方法和研究方式，对不同层次、不同领域的信息和知识进行综合集成，达到对整体的定性定量认识。应用综合集成方法(包括综合集成研讨厅体系)必须有总体设计部这样的实体机构。“我们把处理开放的复杂巨系统的方法定名为从定性到定量综合集成方法，把应用这个方法的集体称为总体设计部。”总体设计部：系统研制工作的抓总单位，一般不承担具体部件的设计。总体设计部把系统作为若干分系统有机结合的整体来设计，对每个分系统的要求都首先从实现整个系统技术协调的观点来考虑；对于研制过程中分系统与分系统之间的矛盾、分系统与系统之间的矛盾，都从总体协调的需要来选择解决方案。综合集成工程综合集成即创造；综合集成是实现大科学、大工程的基本途径；综合集成的关键是解决整体与局部的关系问题,实现1+1>2。统一规划法1972年，希尔和沃菲尔德为克服约束条件复杂的多目标大系统组织方面的困难，在霍尔三维结构的基础上提出了统一规划法。其实质是对霍尔活动矩阵中规划阶段的具体展开，利用它可以较好实现对大型复杂系统的全面规划和总体安排。常用目标树（由于目标多）表示。层次分析法层次分析法（第7章）并行工程方法学并行工程(ConcurrentEngineering，简称CE)是美国在80年代末提出的，在计算机集成制造系统CIMS和系统工程中发展起来的工程技术，也是美国国防部在90年代乃至21世纪发展武器装备系统的基本管理模式。Winner等人对并行工程的定义：并行工程是对产品及相关过程，包括制造过程和支持过程，进行并行、一体化设计的一种系统化方法。这种方法力图使产品开发者从一开始就考虑到产品全寿命周期即从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度和用户需求。并行工程方法学核心内容：强调用户需求，并把用户需求转化为完整的产品要求；交互作用、相互协调的并行研制过程，将产品的设计与制造过程、保障过程用系统工程方法综合在一起，保证产品性能、可靠性、维修性、保障性和生产性；建立多学科的综合产品研制机制及计算和辅助工程环境可应用于以计算机和网络系统为支持环境的组织管理乃至整个社会系统并行工程方法学优点：使开发者一开始就考虑到产品全生命周期从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度、用户需求主要思想：约束信息的并行性、功能的并行性、集成性、协同性、科学性它强调的因素：加速产品开发周期、提高质量、降低成本、提供优质服务物理—事理—人理（WSR）系统方法论自然科学是关于物理的科学；运筹学是关于事理的科学（许国志），实际还包括管理科学、系统科学，事理就是做事的道理；处理好人的关系这是人理学，就是人文科学、行为科学，人理就是做人的道理。把这三者结合起来“WSR系统方法论”。

WSR系统方法论是具有东方文化传统的系统方法论，得到国际同行的认同。WSR系统方法论由朱志昌与顾基发共同提出。WSR系统方法论在处理复杂问题时，既要考虑对象的物的方面(物理)，又要考虑如何更好使用这些物的事的方面(事理)，还要考虑由于认识问题、处理问题、实施管理与决策都离不开的人的方面(人理)。把这三方面结合起来，利用人的理性思维的定性、连续、多层次、阶序性以及形象思维的综合、灵活和创意性，去组织实践活动，以产生最大的效益和效率.126要素物理事理人理道理对象着重点原则需要的知识物质世界、法则、规则的理论客观物质世界是什么？功能分析诚实，真理，尽可能正确自然科学管理和做事的理论组织、系统怎样做？逻辑分析协调，有效，尽可能平滑管理科学，系统科学人、纪律、规范的理论人、群体、人际关系、智慧应当怎样做？人文分析人性，有效果，尽可能灵活人文知识，行为科学WSR系统方法论内容WSR系统方法论WSR系统方法论的基本内容和主要步骤：

1、理解领导意图；

2、调查分析；

3、形成目标；

4、建立模型；

5、协调关系；

6、提出建议。3.1控制理论基础3.1.1控制系统的描述：外部,内部;

能控性,能观性,鲁棒性.3.1.2系统最优控制:

容许控制,系统约束,性能指标,

极大值原理3.1.3大系统理论控制论创始人：维纳（N.Wiener，1894-1964）美国数学家，控制论的创始人。其于1948年出版的《控制论》（CYBERNETICS)一书标志了控制论的诞生。控制论的基本概念：控制——根据系统内外部条件对系统进行调节，以克服系统的不稳定性，使系统保持或达到某种特定的稳定状态，或使系统按照某种规律变化的过程。控制系统

结构：一般由施控者、传递者和受控者三部分组成。目的：控制系统的行为，达到既定的目标。行为：在外界环境作用下系统作出的反应。反馈：控制系统将输入的信息作用于受控对象后所产生的结果再一次送到输入端，并对信息的再输出发生影响的过程。反馈种类：正反馈负反馈

大系统理论

大系统一般是指规模庞大（维数很高）、结构复杂（多层次、多关联）、目标众多（目标间往往有冲突）、时标各异（同一系统中有多个时标）、位置分散，并常常具有随机性和不确定性的复杂系统，广泛存在于社会、政治、经济、生态、环境、工业等许多领域中。大系统的主要特征之一体现在其结构复杂上。大系统结构取决于组成大系统的子系统集合和各子系统之间的关联，并决定了大系统的功能，不同结构往往会产生不同的总体功能。由于大系统的对象分散，变量数目众多，关联复杂，往往不宜采用集中式结构，而多为递阶结构和分散结构。

大系统理论研究大系统的结构方案，稳定性，最优化，建立模型的模型简化等问题称为大系统理论。3.2信息论基础随着科学技术的发展和社会进步，越来越多的事实证明，系统元素之间、子系统之间的相互联系和作用，系统与环境的相互联系和作用，都要通过交换、加工、利用信息来实现，系统的演化行为也需要从信息观点来理解。因此，信息是系统工程的基本概念之一。两个基本问题：什么是信息和如何度量信息。信息论基础创始人：申农(C.E.Shannon)（1916-2001）美国科学家。1948年申农的“通讯的数学理论”（ThemathematicalTheoryofcommunication)，长达数十页的论文，成了信息论正式诞生的里程碑。回顾20世纪的信息革命风暴，把信息论的创始人称为伟大的科学家并不为过。确实，他对人类贡献远远超过了一般的诺贝尔获奖者。信息论基础美国数学家申农（C.E.Shannon）和维纳以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以计算机、光导纤维等为主要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要研究目标。信息论基础信息——具有新内容或新知识的消息信息是对事物存在方式、运动状态、相互联系的特征的一种表达和陈述。表现为文字、图象、图形、语言、声音等形式。

信息论基础信号最具体，它是一物理量，可测量、可显示、可描述，同时它又是载荷信息的实体-----信息的物理层表达消息是具体的、非物理的，可描述为语言文字、符号、数据、图片，能够被感觉到，同时它也是信息的载荷体。是信息论中主要描述形式-----信息的数学层表达信息是抽象的、非物理的，是哲学层表达。信息论基础信息论的创立者香农将信息定义为“两次不确定性之差”，即“不确定性的减少”。从通信角度看，信息是数据、信号等构成的消息所载有的内容。消息是信息的“外壳”，信息是消息的“内核”。从应用角度讲，信息是指能为人们所认识和利用的、但事先又不知道的消息、情况等，也就是说，信息对于收信者应该是有用的和未知的。信息论基础以通信为例，凡通信过程至少涉及信息发送者（称为信源）和信息接收者（称为信宿），通信是信源和信宿之间的一种特定联系。信宿需要了解信源发出的信息的内容，但在得到信息前该内容是不知道的，或称信宿对信息内容的“猜测”是具有不确定性的。一旦信宿收到了信源发来的信息就消除了这种不确定性，所以通信系统中传送的正是这种能够消除不确定性的信息，从而增加了系统的确定性。然而，实际的通信过程可能完全消除了不确定性，也可能只是部分消除了不确定性，甚至完全没有消除不确定性，这取决于信息量的大小。因此将信息定义为不确定性的减少是完全合理的。3.3系统最优化理论系统工程，其核心目标之一是使系统运行在最优状态，因此，系统最优化技术是其最重要的理论支撑。系统最优化理论系统优化理论主要包括线性规划、非线性规划、整数规划、动态规划等内容，如果考虑到最优化技术在不同应用领域中的拓展，还应包括排队论、对策论、决策论等，这些都属于运筹学的研究范畴。本书仅介绍与系统工程有关的系统最优化理论包括：线性规划、非线性规划、整数规划、动态规划3.3.1线性规划线性规划上世纪30年代出现，40年代丹兹格提出单纯形法。线性规划主要研究的问题有两类：1．在给定数量的的人力、物力等资源下，如何科学地运用这些资源，以获得最大效益（去完成最大的任务），或在一定的条件下，寻求最优化的设计；2．在给定任务的情况下，如何统筹安排，使用最小量的资源去完成这项任务。线性规划问题：求一组变量，使之满足线性约束条件，且具有线性的目标函数取最大（或最小）值的一类最优化问题。线性规划数学模型一般形式目标函数：满足约束条件:

例3-3-1(生产计划问题)

某工厂有三种原料B1、B2和B3，储量分别为170千克、100千克和150千克。现用此三种原料生产两种产品A1和A2。已知每生产1千克A1需要原料5千克B1、2千克B2和1千克B3。每生产1千克A2需要原料2千克B1、3千克B2和5千克B3。又知每千克A1产品利润为10元，每千克A2产品利润为18元。问在工厂现有资源条件下，应如何安排生产，才使工厂获得最大利润。B1(kg)B2(kg)B3(kg)利润(元)A152110A223518总量170100150解：设安排生产A1、A2产品的产量分别为和，则根据题意，数学模型为

s.t.求解方法：1.图解法

2.单纯形法例3-3-2运输问题（产销平衡）从两个仓库（发点）运送库存原棉到三个纺织厂（收点），两仓库的库存量、三个纺织厂的需求量、每吨原棉从个仓库运到工厂的所需运费如下表：问：在保证各个纺织厂的需求都得到满足的条件下，应采用哪一种运送原棉的方案使得运费最少？工厂1工厂2工厂3库存量（吨）仓库121350仓库222430需求量(吨)40152580s.t.求解方法：

1.表上作业法

2.单纯形法线性规划模型三个基本要素：决策变量目标函数约束条件线性规划问题的标准形：s.t.Maxz=c1x1+c2x2+…

+cnxn

Maxz=cTx(LP)s.t.Ax=b

x≥0线性规划问题的标准形描述：目标函数求最大决策变量均非负约束条件为等式右端常数项非负线性规划问题的标准形的转化方法：

1）若约束条件不是等式，则加松弛变量（≤）或减剩余变量（≥）；

2）若目标函数求最小，则对应目标函数反号后求最大；3）若有的条件的右端常数为负，则将该条件的两边同乘以-1；

4）若某变量没有非负约束，则可引入两非负变量，将该变量表示成两非负变量之差。

5)若某变量为负，引入新变量等于该变量的反号.例

将下列线性规划模型化为标准形s.t.相关的概念

相关的概念

图解法求解主要讲解图解法（对两个决策变量有效）；和单纯形法（决策变量个数不限）。用图解法求解线性规划问题时不必将线性规划模型化为标准形式，其求解过程一般经历以下几步：以两个决策变量为轴在平面上建立直角坐标系；图示由线性等式和不等式构成的约束条件，标出可行域；图示并移动目标函数，寻找最优解。图解法求解图解法求解图解法求解练习:用图解法解线性规划问题min z=-x1-3x2 s.t. x1+x2≤6 -x1+2x2≤8 x1≥0,x2≥0可行域目标函数等值线最优解64-860x1x2线性规划模型及单纯形法矩阵形式：线性规划的标准形式：

MaxcTx(LP)s.t.Ax=b

x≥0其中,

c,x

Rn

b

Rm

Am

n

矩阵线性规划模型及单纯形法线性规划的规范形式：

MaxcTx(P)s.t.Ax≤b

x≥0其中,

c,x

Rn

b

Rm

Am

n

矩阵线性规划模型及单纯形法

线性规划模型及单纯形法定理3-3-4考虑(LP),条件同上，设x*为极点,存在分解A=[B,N]，其中B为m阶非奇异矩阵，使xT=[xBT,xNT],

这里xB=B-1b≥0,xN=0，相应cT=[cBT,cNT]。那么，

1）若

cNT-cBT

B-1N≤0,则

x*--opt.2）若

cj-cBT

B-1pj>0,且B-1pj≤0,则(LP)无有界解.线性规划的单纯形法表格单纯形法1、原理及算法过程

MaxcTx(LP)s.t.Ax=b

x≥0其中,

c,x

Rn

b

Rm

A