第九章系统工程概论1

1*农业系统工程12*第一节第一节 系统概述系统概述第二节第二节 系统工程概述系统工程概述第三节第三节 系统科学的学科体系系统科学的学科体系第四节第四节 农业系统农业系统第五节第五节 农业系统工程农业系统工程第一章 系统工程概论23*一、系统思想的形成过程一、系统思想的形成过程第一节 系统概述系统概念来源于古代人类社会实践。人类自有生系统概念来源于古代人类社会实践。人类自有生产活动以来，无不在同自然系统打交道。产活动以来，无不在同自然系统打交道。 我国古代就有许多运用系统思想解决实际问题的我国古代就有许多运用系统思想解决实际问题的例子，如：例子，如：1. 都江堰水利工程都江堰水利工程2. 丁渭主持皇宫修复丁渭主持皇宫修复实例实例实例实例34*案例 1：都江堰水利工程战国时期秦国李冰父子设计修建的都江堰水利工战国时期秦国李冰父子设计修建的都江堰水利工程，它包括程，它包括 “ 鱼嘴鱼嘴 ” 岷江分水工程，岷江分水工程， “ 飞沙堰飞沙堰 ” 分洪分洪排沙工程，排沙工程， “ 宝瓶口宝瓶口 ” 引水工程三大主体工程和引水工程三大主体工程和 120个个附属渠堰工程，工程之间的联系处理得恰到好处，形附属渠堰工程，工程之间的联系处理得恰到好处，形成一个有机整体，兼有防洪、排沙、灌溉、漂木、行成一个有机整体，兼有防洪、排沙、灌溉、漂木、行舟等多种功能，渠道上设置了水尺，根据测得的水位舟等多种功能，渠道上设置了水尺，根据测得的水位，多级分水，合理控制分水流量，使汹涌急流的岷江，多级分水，合理控制分水流量，使汹涌急流的岷江化害为利，灌溉了成都平原上化害为利，灌溉了成都平原上 14个县的几百万亩粮田个县的几百万亩粮田。工程完工后，又建立了一套岁修养护制度，每年按。工程完工后，又建立了一套岁修养护制度，每年按规定淘沙修堤，因此，虽然该工程经历二千多年，至规定淘沙修堤，因此，虽然该工程经历二千多年，至今仍发挥着效益，该工程堪称我国古代运用系统思想今仍发挥着效益，该工程堪称我国古代运用系统思想解决实际问题的典范。解决实际问题的典范。 45*案例 2：丁渭主持皇宫修复北宋年间，汴都（今河南开封）的宫室在遭到火灾以后，北宋年间，汴都（今河南开封）的宫室在遭到火灾以后，大臣丁渭奉命修建，修建工程的泥土、石料、木材等建筑材料大臣丁渭奉命修建，修建工程的泥土、石料、木材等建筑材料都需从郊外由旱道运到建筑现场，另外，完工后的建筑废弃物都需从郊外由旱道运到建筑现场，另外，完工后的建筑废弃物又要从旱道运出城外。这在当时是需要花费大量的人力、物力又要从旱道运出城外。这在当时是需要花费大量的人力、物力和材力的，丁渭根据工程实际，设计出了一套方案，就是在工和材力的，丁渭根据工程实际，设计出了一套方案，就是在工地前面的大街上挖取泥土使用，几天以后，大街被挖成了巨沟地前面的大街上挖取泥土使用，几天以后，大街被挖成了巨沟，并通过护城河与汴河相通，河水流入沟中，船只可直接由汴，并通过护城河与汴河相通，河水流入沟中，船只可直接由汴河驶入工地，于是便可从四面八方运来建筑材料，再也不需经河驶入工地，于是便可从四面八方运来建筑材料，再也不需经过郊区码头起卸，然后用陆运搬到工地的繁重手续了，在工程过郊区码头起卸，然后用陆运搬到工地的繁重手续了，在工程将要结束时，再把废弃的瓦砾、灰土等投入巨河，平土以后，将要结束时，再把废弃的瓦砾、灰土等投入巨河，平土以后，重新成为大街。这一设计方案由于系统解决了取土、运输、清重新成为大街。这一设计方案由于系统解决了取土、运输、清除废料和修复街道等多项任务，因此节省了大量的人力、物力除废料和修复街道等多项任务，因此节省了大量的人力、物力和财力，并使工程提前完工。和财力，并使工程提前完工。 56*一、系统思想的形成过程一、系统思想的形成过程第一节 系统概述系统思想的萌芽系统思想的萌芽近代形而上学自然观近代形而上学自然观19世纪的辩证唯物主义自然观世纪的辩证唯物主义自然观20世纪中期形成的系统观世纪中期形成的系统观现代系统理论现代系统理论五个阶段五个阶段67*一、系统思想的形成过程一、系统思想的形成过程第一节 系统概述现代科学技术对系统思想方法的贡献现代科学技术对系统思想方法的贡献现代科学技术对于系统思想方法来说，第一个贡现代科学技术对于系统思想方法来说，第一个贡献在于使系统思想定量化，成为一套具有数学理论、献在于使系统思想定量化，成为一套具有数学理论、能够定量处理系统各组成部分相互联系的科学方法；能够定量处理系统各组成部分相互联系的科学方法；第二个贡献在于为定量化系统思想的实际应用提供了第二个贡献在于为定量化系统思想的实际应用提供了强有力的计算工具强有力的计算工具 电子计算机。这两大贡献都是电子计算机。这两大贡献都是在在 20世纪中期实现的。世纪中期实现的。 78*一、系统思想的形成过程一、系统思想的形成过程第一节 系统概述系统思想从经验到哲学到科学，从思维到定性到系统思想从经验到哲学到科学，从思维到定性到定量的发过程，大致可分为四个阶段，即：定量的发过程，大致可分为四个阶段，即：第一阶段第一阶段 :古代农事、工程、医药、天文方面的实古代农事、工程、医药、天文方面的实践成就，以及建立在这些成就之上的古代中国和古希践成就，以及建立在这些成就之上的古代中国和古希腊朴素的唯物主义自然观（以抽象的思辨原则来代替腊朴素的唯物主义自然观（以抽象的思辨原则来代替自然现象的客观联系）；自然现象的客观联系）； 第二阶段第二阶段 :近代自然科学的兴起，以及由此产生的近代自然科学的兴起，以及由此产生的形而上学自然观（把自然界看作彼此不相依赖的各个形而上学自然观（把自然界看作彼此不相依赖的各个事物或各个现象的偶然堆积）；事物或各个现象的偶然堆积）； 89*一、系统思想的形成过程一、系统思想的形成过程第一节 系统概述第三阶段第三阶段 :19世纪自然科学的伟大成就，以及建立世纪自然科学的伟大成就，以及建立在这些成就基础之上的辩证唯物主义自然观（以实验在这些成就基础之上的辩证唯物主义自然观（以实验材料来说明自然界是有内部联系的统一整体，其中各材料来说明自然界是有内部联系的统一整体，其中各个事物、现象是有机地相互联系、相互依赖、相互制个事物、现象是有机地相互联系、相互依赖、相互制约着的）；约着的）； 第四阶段第四阶段 :20世纪中期现代科学技术的成就，为系世纪中期现代科学技术的成就，为系统思想提供了定量方法和计算工具；统思想提供了定量方法和计算工具； 910*一、系统思想的形成过程一、系统思想的形成过程第一节 系统概述系统思想形成过程是人类认识客观世界的一个否系统思想形成过程是人类认识客观世界的一个否定之否定的发展过程。迄今为止，这个过程可以大致定之否定的发展过程。迄今为止，这个过程可以大致地概括为：古代朴素的唯物主义自然观地概括为：古代朴素的唯物主义自然观 近代形而上近代形而上学自然观学自然观 19世纪的辩证唯物主义自然观世纪的辩证唯物主义自然观 二十世二十世纪中期形成的系统观纪中期形成的系统观 现代系统理论五个阶段。现代系统理论五个阶段。 1011*二、系统的概念、环境、结构与功能二、系统的概念、环境、结构与功能第一节 系统概述1.系统的概念系统的概念“ 系统系统 ” 一词由来已久，可以说目前到处都在使一词由来已久，可以说目前到处都在使用。但是，在系统理论的形成和发展初期，其定义不用。但是，在系统理论的形成和发展初期，其定义不尽相同，下面列举出其中几个有代表性的定义：尽相同，下面列举出其中几个有代表性的定义：（ 1）在韦氏大辞典中，系统一词被解释为：有组）在韦氏大辞典中，系统一词被解释为：有组织的和被组织化了的整体；结合着的整体所形成的各织的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、相互作用、相互依种概念和原理的综合；由有规则、相互作用、相互依赖的诸要素形成的集合等等。赖的诸要素形成的集合等等。1112*二、系统的概念、环境、结构与功能二、系统的概念、环境、结构与功能第一节 系统概述1.系统的概念系统的概念（ 2）奥地利生物学家，一般系统论的创始人贝塔）奥地利生物学家，一般系统论的创始人贝塔朗菲把系统定义为：相互作用的诸要素的综合体。朗菲把系统定义为：相互作用的诸要素的综合体。（ 3）日本工业标准）日本工业标准 “ 运筹学术语运筹学术语 ” 中对系统的定中对系统的定义是：许多组成要素保持有机的秩序向同一目标行动义是：许多组成要素保持有机的秩序向同一目标行动的体系。的体系。 1213*二、系统的概念、环境、结构与功能二、系统的概念、环境、结构与功能第一节 系统概述1.系统的概念系统的概念（ 4）我国著名科学家、系统工程的倡导者钱学森）我国著名科学家、系统工程的倡导者钱学森认为：系统是由相互作用、相互依赖的若干组成部分认为：系统是由相互作用、相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机体，而且这个系统本身结合成的具有特定功能的有机体，而且这个系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。又是它所从属的一个更大系统的组成部分。1314*二、系统的概念、环境、结构与功能二、系统的概念、环境、结构与功能第一节 系统概述1.系统的概念系统的概念综合各种定义，我们认为：综合各种定义，我们认为：系统是由若干个（两个或两个以上）相互联系统是由若干个（两个或两个以上）相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的元素组系、相互依赖、相互制约、相互作用的元素组成的具有某种特定功能的有机整体。成的具有某种特定功能的有机整体。 系统概念中包含有如下几个要点：系统概念中包含有如下几个要点：1415*二、系统的概念、环境、结构与功能二、系统的概念、环境、结构与功能第一节 系统概述1.系统的概念系统的概念第一，系统是由两个或两个以上可以相互区第一，系统是由两个或两个以上可以相互区别的元素组成的，单个元素构不成系统；别的元素组成的，单个元素构不成系统； 第二，系统中的各元素相互间具有联系，彼第二，系统中的各元素相互间具有联系，彼此独立的各元素不能称其为系统；此独立的各元素不能称其为系统；第三，系统是一个有机整体；第三，系统是一个有机整体；第四，系统具有某种特定的功能。第四，系统具有某种特定的功能。1516*二、系统的概念、环境、结构与功能二、系统的概念、环境、结构与功能第一节 系统概述1.系统的概念系统的概念系统的数学模型表示如下：系统的数学模型表示如下：式中：式中： S 代表系统；代表系统；E 代表系统中各元素的集合；代表系统中各元素的集合；R 代表系统中各元素之间的关系集。代表系统中各元素之间的关系集。（ 1-1）1617*二、系统的概念、环境、结构与功能二、系统的概念、环境、结构与功能第一节 系统概述2.系统的环境及其相互关系系统的环境及其相互关系系统的环境就是系统外部整体，或者说包围系统的环境就是系统外部整体，或者说包围系统的整个空间。系统的整个空间。 系统系统环境环境系统的边界系统的边界1718*二、系统的概念、环境、结构与功能二、系统的概念、环境、结构与功能第一节 系统概述2.系统的环境及其相互关系系统的环境及其相互关系系统与环境的关系：系统与环境的关系：区别：二者的定义。联系：区别：二者的定义。联系： 系统与环境是相互系统与环境是相互作用的，环境对系统而言，一方面提供条件（如资源作用的，环境对系统而言，一方面提供条件（如资源、市场等），以维持系统功能的正常发挥；另一方面、市场等），以维持系统功能的正常发挥；另一方面又作为约束，制约系统的发展；系统对环境而言，一又作为约束，制约系统的发展；系统对环境而言，一方面输出环境所需要的产品，同时还输出破坏环境的方面输出环境所需要的产品，同时还输出破坏环境的污染物。当系统与环境相适应时，系统则能很好地发污染物。当系统与环境相适应时，系统则能很好地发展，当系统与环境不相适应时，则系统的发展就会受展，当系统与环境不相适应时，则系统的发展就会受到制约，系统的功能就不能够充分发挥。到制约，系统的功能就不能够充分发挥。 1819*二、系统的概念、环境、结构与功能二、系统的概念、环境、结构与功能第一节 系统概述2.系统的环境及其相互关系系统的环境及其相互关系为了使系统与环境相应，可通过两个途径来实现为了使系统与环境相应，可通过两个途径来实现： 一是可以调节系统内部结构，使其适应变一是可以调节系统内部结构，使其适应变化了的环境；化了的环境；二是可以创造条件改变环境，使其满足系二是可以创造条件改变环境，使其满足系统发展的要求。统发展的要求。1920*二、系统的概念、环境、结构与功能二、系统的概念、环境、结构与功能第一节 系统概述3.系统的结构系统的结构系统的结构系统的结构 是指构成系统的元素及元素间关联方是指构成系统的元素及元素间关联方式的总和。式的总和。 在系统元素不变的情况下，往往把元素间在系统元素不变的情况下，往往把元素间的关联方式就称为结构。的关联方式就称为结构。 系统的结构方式无穷无尽，目前尚无完备的结构分系统的结构方式无穷无尽，目前尚无完备的结构分类方法。一般情况下，应注意从以下两方面对系统作类方法。一般情况下，应注意从以下两方面对系统作结构分类。结构分类。2021*二、系统的概念、环境、结构与功能二、系统的概念、环境、结构与功能第一节 系统概述3.系统的结构系统的结构（ 1）框架结构与运行结构）框架结构与运行结构 （ 2）空间结构与时间结构）空间结构与时间结构当系统处于尚未运行或停止运行的状态时当系统处于尚未运行或停止运行的状态时各元素之间的基本联接方式，称为系统的框架各元素之间的基本联接方式，称为系统的框架结构。结构。 系统处于运行过程中相互依存、相互支持系统处于运行过程中相互依存、相互支持、相互制约的方式，称为系统的运行结构。、相互制约的方式，称为系统的运行结构。2122*二、系统的概念、环境、结构与功能二、系统的概念、环境、结构与功能第一节 系统概述3.系统的结构系统的结构（ 2）空间结构与时间结构）空间结构与时间结构元素在空间的排列或配置方式，称为系统元素在空间的排列或配置方式，称为系统的空间结构。的空间结构。 元素在时间流程中的关联方式，称为系统的元素在时间流程中的关联方式，称为系统的时间结构。时间结构。 2223*二、系统的概念、环境、结构与功能二、系统的概念、环境、结构与功能第一节 系统概述4.系统的功能与结构的关系系统的功能与结构的关系系统的功能实际就是指系统的功用和效能。系统的功能实际就是指系统的功用和效能。系统的功能与结构的关系：系统的功能与结构的关系：系统的功能与结构关系密切，结构决定功能，但功能对结系统的功能与结构关系密切，结构决定功能，但功能对结构也有重要影响，只有系统的结构合理，系统才有可能发挥出构也有重要影响，只有系统的结构合理，系统才有可能发挥出最佳功能。另外，系统的功能不仅取决于结构，它还取决于系最佳功能。另外，系统的功能不仅取决于结构，它还取决于系统所处的环境及其组织管理水平。系统结构相同，由于所处的统所处的环境及其组织管理水平。系统结构相同，由于所处的环境和组织管理水平的不同，可能表现出不同的功能，同时结环境和组织管理水平的不同，可能表现出不同的功能，同时结构不同的系统，也可能表现出相同的功能。也就是说，系统的构不同的系统，也可能表现出相同的功能。也就是说，系统的功能是由系统的结构、所处的环境和组织管理与生产水平等共功能是由系统的结构、所处的环境和组织管理与生产水平等共同作用决定的。同作用决定的。2324*三、系统的分类和特征三、系统的分类和特征第一节 系统概述1.系统的分类系统的分类（ 1）按系统是如何生成的来划分可分为自然系统与）按系统是如何生成的来划分可分为自然系统与人工系统。人工系统。（ 2）按组成系统的要素的属性不同来划分可分为）按组成系统的要素的属性不同来划分可分为实体系统与概念系统。实体系统与概念系统。（ 3）按系统与环境的关系来划分可分为开放系统）按系统与环境的关系来划分可分为开放系统与封闭系统。与封闭系统。（ 4）按系统的状态与时间的关系来划分可分为静）按系统的状态与时间的关系来划分可分为静态系统与动态系统。态系统与动态系统。2425*三、系统的分类和特征三、系统的分类和特征第一节 系统概述1.系统的分类系统的分类（ 5）按照人们对）按照人们对 系统系统 信息的掌握程度来划分可分为信息的掌握程度来划分可分为白色系统、黑色系统与灰色系统。白色系统、黑色系统与灰色系统。2526*三、系统的分类和特征三、系统的分类和特征第一节 系统概述2.系统特征系统特征目的性（或目的指向性）目的性（或目的指向性）整体性整体性关联性关联性内部关联内部关联外部关联外部关联层次性层次性可控性可控性动态性动态性环境的适应性环境的适应性层次结构图层次结构图2627*第一节 系统概述全球大洲国家地区经济企业单位生态系统群落种群有机体组织细胞内含物政治学社会学经济学生物学图图 1-2 全球生太系统层次结构全球生太系统层次结构 2728*一、系统工程