系统工程教案

目录

第1章系统的概念及特点...........................................2

§1.1系统的概念...................................................2

§1.2系统的特性...................................................6

第2章系统理论....................................................10

§2.1一般系统论..................................................10

§2.2控制论.......................................................11

§2.3信息论.......................................................14

第3章系统工程概述...............................................17

§3.1系统工程的基本概念........................................17

§3.2系统工程方法论............................................20

第4章系统分析与系统模型.......................................26

§4.1系统分析的概念、原则和步骤..............................26

§4.2系统分析的方法............................................27

§4.3系统模型....................................................28

§4.4系统结构模型化基础.......................................34

§4.5系统结构模型的建立.......................................45

第5章系统预测...................................................52

§5.1系统预测概述................................................52

§5.2德尔菲法（Delphi）......................................................57

§5.3定量预测方法...............................................59

§5.3.1简单算术平均法...........................................59

§5.3.2时间序列预测.............................................61

§5.3.3平滑预测..................................................61

§5.4回归分析预测法............................................64

§5.4.1线性回归模型.............................................64

§5.4.2非线性回归法.............................................69

第6章网络规划...................................................72

§6.1网络图（赋权图）...........................................72

§6.2绘制网络图的基本规则.....................................73

§6.3绘制网络图的步骤..........................................74

§6.4结点的时间参数与计算.....................................77

§6.5作业的时间参数............................................77

第7章系统评价...................................................83

§7.1.1系统评价的概念、目的....................................83

§7.1.2评价的内容及分类........................................84

§7.1.3系统评价的步骤...........................................85

§7.4模糊评价法.................................................91

§7.5、层次分析法（AHP）......................................97

第8章系统决策..................................................109

§8.1决策概述...................................................109

§8.2风险型决策方法...........................................116

§8.3不确定型决策..............................................124

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课程名称系统工程计划学时2

授课章节第1章系统的概念及特点

教学目的和要求：

在本讲中，使学生了解系统的概念和系统一些相关的概念

教学基本内容：

1.系统的概念

2.系统的要素

3.系统的结构

4.系统的功能

教学重点和难点：

系统的概念

系统的整体特性

授课方式、方法和手段：

板书为主，同时加以作业和答疑

作业与思考题：

1.系统的概念

2.系统的整体特性

3.举例说明你所熟悉的一个系统

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第1章系统的概念及特点

§1.1系统的概念

在自然界和人类社会中，可以说任何事物都是以系统的形式存

在的，每个所要研究的问题对象都可以被看成是一个系统。人们认识

事物和改造客观事物，要用综合分析的思维方式看待事物，根据事物

内在的、本质的、必然的联系，从整体的角度进行分析和研究，这类

事物就被看成为一个系统。

一、系统思想的形成及演变

1.古代朴素的系统思想

人类在与自然界作斗争的过程中，靠自己的聪明才智逐步地认

识、掌握自然界发展和变化的规律，并不断地向大自然索取所需要的

衣、食、住、行等物品。然而人类在改造自然界的同时也在改造自

己o他们从失败中吸取教训，在成功中总结经验，使自己的头脑更加

聪明，并增强了认识世界和改造世界的能力。于是便逐步形成了一套

科学的方法。

a）古代天文学家在发展原始农牧业的劳动中就是开始关心天象

的变化，把宇宙作为一个超系统，探讨了宇宙的结构、变化和发

展，揭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。

b）中国人做事善于从天时、地利、人和中进行整体分析，主张

“大一统”“和为贵”。中医看病讲究形、气、色。人们吃饭讲

究色、香、味、鲜为一体。

c）军事方面，公元前6世纪，中国古代著名的军事家孙武，在

他的《孙子兵法》中，阐明了不少朴素的系统思想和运筹方法。

《孙子兵法》共十三篇，讲究打仗要把道义、天时、地利、将

才、法制等五个要素综合起来考虑。

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d）在古代的建筑上，都江堰最具有代表性和系统性。都江堰于

公元前256年由蜀郡太守李冰父子组织建造。都江堰工程包括鱼

嘴（岷江分流）、飞沙堰（分洪排沙）和宝瓶口（引水）等三大

设施组成。整个工程体现了总体目标最优化、选址最优和自动分

级排沙、利用地形自动调节水量、就地取材及经济方便等特点。

2.科学系统思想的形成

a）古代朴素的系统思想具有“只见森林”和比较抽象的观点。

b）15世纪下半叶以后，力学、天文学、物理学、化学、生物学

等相继从哲学的统一体中分离出来，形成了自然科学。这时的

系统思想具有“只见树木”和具体化的特点。

c）到了19世纪自然科学得到了巨大发展，能量转化、细胞学

说、进化论三大发现，使人类对自然过程相互联系的认识有了

质的飞跃，为辨证唯物注意的科学系统观奠定了物质基础。这

个阶段的系统思想具有“先见森林，后见树木”的特点。

总之，系统思想在辩证唯物注意那里取得了哲学的表达形式，在

运筹学和其他学科中取得了定量的表达方式，并在系统工程应用

中不断充实自己实践的内容，系统的思想方法从一种哲学思维逐

步形成为专门的科学一一系统科学。

二、系统的概念

系统的概念来源于人类的长期社会实践。早在1886年，恩格斯

就曾在《路德维希・费尔巴哈和德国古典哲学的终结》一文中指出：

“一个伟大的基本思想，既认为世界不是一成不变的事物的集合体，

而是过程的集合体。”恩格斯所讲的“集合体”就是我们现在讲的

“系统”及其特征，而他所强调的“过程”就是系统中各个组成部分

的相互作用和整体的发展变化。因此，系统思想是辩证唯物注意的重

要组成内容。

韦氏大辞典中的定义是：“系统是有组织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

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用、相互依赖的形式组成的诸要素集合等。

美国的生物学家贝塔郎菲，他是这样认为系统的，“系统是相互

作用的诸要素的综合体。”

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，具有特定的功能、结构和环境的整体。

1.系统及其要素。系统是由两个以上要素组成的整体，构成这个

整体的各个要素可以是单个事物（要素），也可以是一群事物组

成的分系统、子系统等。系统与要素是一组相对的概念，取决于

所研究的具体对象及其范围。

2.系统和环境。任一系统又是它所从属的一个更大系统的组成部

分，并与相互作用，保持较为密切的输入输出关系。系统连同其

环境一起形成系统总体。系统与环境也是两个相对的概念。

3.系统的结构。在构成系统的诸要素之间存在着一定的有机联系，

这样在系统的内部形成一定的结构和秩序。结构即组成系统的诸

要素之间相互关联的方式。

4.系统的功能。任何系统都应有其存在的作用与价值，在其运作的

具体目的，也即都有其特定的功能。

系统结构

系统输入

系统输出

系统周界

SI.S2、S3、S4---系统部件

图17系统的基本概念图

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例如，汽车是一个系统。它是由轮胎、发动机、传动系统、车体

等相互联系和彼此影响的部件组成的一个整体。这些部件组成在一起

可以去完成交通运输的特定功能。

又如某个城市是一个系统。它是由交通系统、资源系统、商业系

统、市政系统、卫生系统等相互作用着的部件组合而成的一个整体，

通过系统的各个部件相互协调运转去完成城市生活和发展的特定目

标。它与农村以及其它城市存在着界限，通过边界在物质、信息、人

员等方面进行交流。

三、系统的分类

1.按形成的原因划分

a）自然系统。是由自然物（矿物、植物、动物、海洋等）形成的系

统，它的特点是自然形成的。例：生态系统、水循环系统等

b）人造系统。是为了达到人类所需要的目的而由人类设计和建造的

系统。例如工厂系统等。人造系统都存在于自然界之中，同时人

造系统与自然系统之间存在着重要的联系。特别是一些人为改造

的自然系统关系就更为密切。可以说，我们生活的世界就是由自

然系统与人造系统组成的。

例：在埃及的尼罗河上建设的阿斯旺水库是人造系统影响自然

系统的典型例子之一。当巨大的水坝建成之后，该人造系统对尼罗河

地区的自然系统产生了巨大的影响。虽然避免了尼罗河洪水泛滥，但

由于该地区生态环境的变化而使鱼类遭受厄运，使水库周围大片土地

盐碱化加重。所以说在解决重大问题时，要用系统观点考虑人造系统

对自然系统带来的影响，以便能更有效的解决问题。

2.按形态分

1.实体系统。是用一些实物和有形部件构成的系统。例：机械系

统

2.概念系统。是用一些思想、规划、政策等概念或符号来反映系

统的部件及其属性组成系统。例：软件系统

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3.按所处的状态分

a）静态系统。系统的要素不随时间的变化而变化的系统。例如江

河上的桥梁就代表一个静态系统。

b）动态系统。系统的要素随时间的变化而变化的系统。例如学校

系统，这是由校舍、学生、教师、书以及各门课程等组成的有

活动性的动态系统。

4.按与环境的关系分

a）封闭系统。与环境很少发生物质、能量、信息交换的系统。实

际上世界上根本不存在封闭系统。只是为研究方便，有时人为

地把一个系统当作封闭系统来处理。

b）开放系统。与环境经常发生能量、物质、信息交换的系统。一

旦系统与环境的联系切断，就会对系统的稳定性产生不利影

响，而使系统遭到破坏。

§1.2系统的特性

一、整体性

整体性是系统最基本、最核心的特性，是系统性最集中的体现。

系统的整体性主要表现为系统的整体功能，系统的整体功能不是

各组成要素功能的简单叠加，也不是由组成要素简单地拼凑，而是呈

现出各组成要素所没有的新功能，可概括地表达为“系统整体不等于

其组成部分之和”，而是“整体大于部分之和”，即

冗＞£耳

/=1

式中：Fs为系统的整体功能；Fi为各要素的功能，i=l,2,…，n

系统是由各个相互联系和彼此影响的部件结合而成的。系统是作

为一个统一的整体存在着的，各部件的独立机能和相互关系只能统一

和协调于系统的整体之中。如果一个部件脱离开整体，即使这个不见

具有良好的功能，但绝不能具有整体所反映出来的功能。相反，如果

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有若干个部件，即使功能不很完善，但是通过系统整体的综合统一，

很可能成为具有良好功能的系统。

二、相关性

系统内部各部件之间存在着相互联系、相互依存、相互制约的关

系。它们通过特定的关系结合在一起，形成一个具有特定性能的系

统。

贝踏朗菲用一组独立微分方程描述了系统的相关性，即

/~—-工（。|，。2，”.，。"）

4

<4

'华=力（2，。2,…Q）

式中：Ql,Q2,…，Qn分别为1,2,…，n个要素的特征；t为时

间；fl,f2,…，fn表示相应的函数关系。

公式表明，系统任一要素随时间的变化是系统所有要素的函数，

即任一要素的变化会引起其他要素的变化以至整个系统的变化。

三、目的性

系统活动本身都具有明确的目的。系统各部件就是为实现系统的

即定目标而协调于一个整体之中，并为此进行活动。系统活动的输出

响应就是系统目的性的反映。

由于复杂系统是具有多目标和多方案的，当组织规划这个错综复

杂的大系统时，常采用图解方式来描述目的与目的之间的相互关系，

这种图解方式称为目的树。

从图中可以看出，要达到目的1,必须完成目的2和目的3；要

达到目的2,必须完成目的4、目的5和目的6；依次类推。这可明

显地看出在一个复杂系统内所包括的各项目的，即从目的1到目的

17,层次鲜明，次序明确，相互影响，而又相互制约。通过图解，可

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以对目的树各个项目的目的进行分析、探讨和磋商，统一规划和协

四、环境适应性

任何一个系统都存在于一定的环境之中，都与外界环境进行着物

质、能量和信息的交换。一个系统要能生存和具有活力，就必须适应

外部环境的变化。例如，建国时期我国实行闭关锁国政策，经济萧

条，人民生活贫困。改革开放以后，使我国在经济、政治、文化等各

方面得到了发展，全国上下充满了生机勃勃的形象。

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课程名称系统工程计划学时2

授课章节第2章系统理论

教学目的和要求：

在本讲中，使学生了解系统的理论。“老三论”和“新三论”。

教学基本内容：

1.一般系统论

2.控制论

3.信息论

4.新三论

教学重点和难点：

一般系统论

控制论

授课方式、方法和手段：

板书为主，同时加以作业和答疑。

作业与思考题：

1.简述控制论对系统工程方法论的启示

2.系统工程与系统科学的联系和区别是什么？

3.信息概念的特点有哪些？

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第2章系统理论

一、现代系统科学体系

钱学森教授于1981年构造设计出现代系统科学体系。

马

克多项系统工程

系

思

统

主自动化技术

学

义

哲通信技术

学

哲学I基础科学I技术科学I工程技术

系统科学体系

按钱学森教授的构想，现代科学结束体系纵向可分为四个层次：

哲学、基础科学、技术科学和工程技术。钱学森教授认为，在系统科

学中，直接与改造客观世界的社会实践相联系的是一类新的工程学一

系统工程、自动化技术和通信技术，它们属工程技术层次的科学，这

类工程技术的共同理论是一般系统论、控制论和信息论，它们属技术

科学层次的科学。

二、系统理论

在系统科学中，构成系统学的几个基本理论是：一般系统理论、

运筹学、控制论、信息论、协同论、突变论和耗散结构等。其中一般

系统理论、控制论和信息论称为“老三论”；协同论、突变论和耗散

结构称为“新三论”。

§2.1一般系统论

一、历史背景

1937年美籍奥地利生物学家冯.贝塔朗菲在对生物学的研究中发

现把生物分解的越多，反而会失去全貌，对生命的理解和认识反而越

来越少。因此就开始了理论生物学研究，创立了一般系统论。1945

年《关于一般系统论》的发表，成为系统论形成的标志。

二、含义和宗旨

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一般系统论是贝塔朗菲创立的逻辑和数学领域的科学，其目的是

为了要建立适用于系统的一般原则。一般系统论起源于机体论，它是

一种与机械论相对立的生物学理论。

1.机械论的三个基本错误：

•简单分解，简单相加的原理

•机械观点

•被动反应观点

2.冯.贝塔朗菲提出适用于系统的一般原则：

•整体性原则

就是一切有机体都是一个整体——系统

•相互关联原则

就是系统各组成部分之间都是相互联系、相互依赖、相互制约、

相互作用的。

•有序性原则

就是一切有机体都是按严格的等级组织起来的

•动态原则

就是一切有机体本身都处于积极的运动状态之中。

贝塔朗菲从理论生物学的角度总结了系统思想，运用类比、同构

的方法建立起开放系统的一般系统论，提出生命现象的有组织性、有

目的性和有序性。如果我们把研究对象当作一个系统——有机整体，

就完全可以用贝塔朗菲的系统论。

§2.2控制论

一、控制论发展的历史

1.第一阶段：从20世纪40年代末到50年代，经典控制理论时

期。

1948年维纳《控制论》提出科学思想、系统思想。1954年钱学森

《工程控制论》工程实践。

主要的研究对象是单因素控制系统，重点是反馈控制。只解决单

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输入和单输出系统的控制问题。

2.第二阶段：60年代，现代控制理论时期

美国科学家卡尔曼（kalman）将量子力学内容引入到控制论中。研

究对象是多输入和多输出系统的非线性控制系统。重点是研究最优控

制。

3.第三阶段：进入70年代以后，大系统理论控制时期

研究对象是因素众多的大系统，重点是大系统多级递阶控制，借

助的工具是电子计算机联机和智能机器，应用领域主要为社会系统、

经济系统、生态系统、管理系统、环境系统等。

二、控制系统分类

1.按控制任务分类

•定值控制

•程序控制

•随动控制

•最优控制

2.按控制方式

•简单方式

需求控制方案实施

k指令受控对象

•补偿控制

•反馈控制

•递阶控制

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总任务

三、控制论对系统工程方法论的启示

1.黑----灰----白箱法

控制论的创始人维纳在《模型在科学中的作用》中认为，所有的

科学问题都是作为“闭盒”问题开始的。若干可选择的结构被密封在

“闭盒”中，研究它们的唯一途径是利用闭盒的输入和输出。这里的

闭盒就是黑箱。

所谓黑箱方法，就是采用不打开系统的“活体”，仅从系统的整

体联系出发，通过系统的输入和输出关系来研究，去认识和把握系统

的功能特性，探索其结构和机理的研究方法。

比如中医看病，通过“望、闻、问、切”等外部观测作出诊断，

开出处方。这种从人体输入和输出的“辩证施治”，就是把病体视为

黑箱。

白箱则指系统内部的结构都是十分清楚的系统，如某种氧气发生

器，其内部的成分和反映机理都是十分清楚的。

灰箱的方法则指对系统有部分的认识，但不够完全。

而对于人类来说，事物总是从黑箱到灰箱，最后变成白箱的过

程，这反映了人类认识的不同阶段。所谓打开黑箱，在任何场合也只

是打开其中的某一层次。事物本质的层次性，决定了事物的黑箱总是

一层套一层，永远不会完结。黑箱永远有，白箱永不白。这就是说，

在任何时候，人总得采用不打开黑箱的方法研究事物，解决问题。

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2.功能模拟法

功能模拟法就是以功能和行为的相似性为基础，用模型模仿原型

的功能和行为的一种方法。

3.形式化、数量化、最优化方法

控制论的提出促使人们对系统采用形式化加以抽象，进行数量化

加以定量描述，并求系统的最优化。

§2.3信息论

一、历史和意义

十九世纪人们开始研究信息

1948年美国数学家申农(C.E.Shannon)发表了《通信的数学理

论》正式提出了信息论。

二、信息的概念

“情报”

“知识”

“消息”是信息的载体

“信号”

Hartly：是在通信符号中选择符号的具体方式

维纳：信息不是物质也不是能量，在信息与物质、能量之间划了

一条界限；信息是控制系统进行调节活动时，与外界相互作用、相互

交换的内容；信息是系统的组织性的量度。

申农：信息是事物运动转台存在方式的不确定性的描述。

信息=通信前的不确定性-通信后的不确定性。

通信问题的模型

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三、信息的度量

令P记可能消息A发生的概率

I记可能消息携带信息量

•特征P小I大，P大I小

I=f(P)

•可加性

I(AB)=I(A)+I(B)

•定义单个可能消息的信息量为

I=-log2p=log,—比特(bit)

P

四、信息端

设有一个实验A(随机事件)有n个可能结局的事件：

x1,x2,…,xn,每个事件出现的概率分别是p1,p2,...,pn且满足下列条件

0<<1

EA=1

1=1

定义”=P,iog2Pi信息端公式

i=T

端是系统紊乱程度的表征，系统越“乱”，焙就越大；系统越有

序，燧就越小。信息是表示系统不确定性的减少。一个系统不确定性

越大，则系统越无序；不确定性消除了，系统也就稳定了。一个系统

所获信息量越大，系统就越有序，爆就越小。反之，所获信息量越

小，系统越无序，端就越大。

由此可知，信息与端是互补的。它们的这种互补关系，表现在计

算公式上仅差一个负号。它表明负烯与端描述的是同一事物的两个相

反方向。正象有些科学家指出的那样，“端的获得永远意味着信息的

丢失，而不是别的。”

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课程名称系统工程计划学时2

授课章节第3章系统工程方法论

教学目的和要求：

在本讲中，使学生了解系统工程的概念和特点。掌握系统工程的

方法论——霍尔三维结构法。

教学基本内容：

1.系统工程的概念

2.系统工程的特点

3.霍尔三维结构法

教学重点和难点：

系统工程的特点

霍尔三维结构法

授课方式、方法和手段：

板书为主，同时加以作业和答疑

作业与思考题：

1.系统工程的概念

2.系统工程的特点

3.画出霍尔三维结构法的简图

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第3章系统工程概述

现代科学技术为系统思想的定量化创造了条件，它为系统思想

的定量化提供了数学理论和强有利的计算工具一一电子计算机，并推

动了系统科学的发展。到20世纪60年代，系统思想的定量化已发展

成既有理论指导，又有科学方法和实践内容的新的工程技术学科一一

系统工程(SystemsEngineering)。SE

§3.1系统工程的基本概念

一、系统工程的定义

系统工程作为一门学科问世以来，仅仅50多年的时间，在各行

各业、各个领域都得到了广泛的应用，收到了良好的效果，同时系统

工程的实践也促进了本学科的继续发展与完善。到目前为止，关于系

统工程的定义国内外学者观点齐说不一。

•钱学森："系统工程是组织和管理系统的规划、研究、设计、

制造、试验和使用的科学方法，是一种针对所有系统具有普遍

意义的可行方法。”“系统工程是一门组织管理的技术。”

•中国大百科全书：“系统工程是从整体出发，合理地开发、设

计、实施和运用系统的工程技术。”

•日本的JIS：“系统工程是为了更好地达到系统目的，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。”

综上所述，系统工程是从总体出发，合理开发、运行和革新一个

大规模复杂系统所需思想、理论、方法论、方法与技术的总称，属于

一门综合性的工程技术。

它是按照问题导向的原则，根据总体协调的需要，按自然科学、

社会科学、数学、管理学、工程技术等领域的相关思想、理论、方法

等有机地综合起来，应用定量分析和定性分析相结合的基本方法，采

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河南科技大学系统工程讲义

用现代信息技术等技术手段，对系统的功能培植、构成要素、组织结

构、环境影响、信息交换、反馈控制、行为特点等进行系统分析，最

终达到使系统合理开发、科学管理、持续改进、协调发展的目的。

二、系统工程的特点

a）研究对象广泛

系统工程不同于一般的工程技术学科。一般工程技术学科，如水

利工程、机械工程等都与形成实物的实体的对象有关，国外称这类工

程为“硬”工程，而系统工程的研究对象除了这类“硬”工程之外，

还包括这种工程的组织与经营管理一类，国外被称之为“软”科学的

各种内容。

b）一门跨学科的边缘学科（交叉学科）

系统工程涉及各种学科，各个领域的各种内容。把一个工程项目

作为系统来处理，必须涉及其他工程技术的内容。如果我们把一般工

程学科作为一条代表专业的纵线，则系统工程是跨越各条纵线的一条

横线。它通过横向的综合，提出解决问题的方法和步骤，因此它是跨

越不同学科的综合性科学。

如建筑工程是专业技术工程学科，它主要研究建筑、设计和施工

技术。而建筑系统工程则市综合社会、经济、生态及其他工程技术系

统等进行城市的规划、设计与管理、建筑物的设计、施工组织等问

题，开展以规划、设计、施工及管理为主线，以社会学、经济学、生

态经济学、美学、工业工程学、电子学等为基础的

c）采用定量分析、定性分析相结合的方法

马克思曾明确指出，一种科学，只有当他成功地应用了数学的时

候，才能达到完善的地步。数学方法已成为解决系统工程问题的主要

方法。在定性分析的基础上进行定量分析，定量分析必须以定性分析

为前提。只进行定性分析，不能准确地说明一个系统，只有进行了定

量分析之后，对系统的认识才能达到一定的深度，结论才能另人信

服。然而没有定性分析做指导，定量分析就失去了依据，就会成为

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河南科技大学系统工程讲义

“数学游戏”。因此，在处理问题时，一定要在定性分析的基础上应

用数学方法，建立模型，进行优化，从而使系统达到最优化的目的。

三、系统工程的发展历史

•第一阶段

1930年美国发展与研究广播电视系统正式提出系统方法的概

念

1940年美国（Bell）贝尔电话公司开发微波通信系统正式使

用系统工程一词

•第二阶段

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

运筹学小组（MilitaryOperationalResearch）

20世纪40年代美国研制原子弹的“曼哈顿计划”运用系统工

程，并推动了其发展。

1945年美国空军建立研究与开发机构（RAND）提出系统分析

概念。

•第三阶段

40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，为系统工程奠定了重要的科学基

础。

•第四阶段

1957年H.Good和R.E.Machol发表第一部《系统工程》著作系

统工程学科形成的标志

1958年美国研制北极星导弹潜艇提出PERT（网络优化技术）这

是较早的系统工程技术

1965年美国自动控制学家L.A.Zedeh提出“模糊集合”概念为

现代系统工程奠定了重要的数学基础

1961年~1972年美国实施“阿波罗”登月计划使用多种系统工

程方法，其成功地提高了系统工程的地位

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河南科技大学系统工程讲义

•第五阶段

1972年国际应用系统分析研究所（IIASA）在维也纳成立系统工

程的应用重点开始从工程领域进入到社会经济领域