系统工程导论

1目录第一章 概论 11.1 系统科学 11.1.1 系统的定义 11.1.2 系统的组成要素 11.1.3 系统的特征 21.1.4 系统的分类 21.2 系统工程 41.2.1 系统工程的定义 41.2.2 系统工程的主要特点 41.2.3 系统工程的应用 51.3 系统科学与系统工程的理论基础 61.3.1 一般系统论 61.3.2 大系统理论 61.3.3 信息论 71.3.4 控制论 71.3.5 运筹学 81.4 系统工程发展与展望 10习题思考题 1： 12第二章 系统工程方法论 132.1 系统思想 132.1.1 系统思想的发展 132.1.2 现代系统思想的特点 132.2 系统工程方法 142.3 霍尔结构体系 152.3.1 时间维 152.3.2 逻辑维 162.3.3 知识维 182.4 切克兰德的“调查学习”模式 192.5 物理 -事理- 人理系统方法论 192.5.1 WSR 系统方法论的基本概念 192.5.2 WSR 系统方法论的主要步骤 212.5.3 WSR 系统方法论遵循的原则 212习题思考题 2： 22第三章 系统模型 233.1 系统模型与建模 233.1.1 系统建模的必要性 233.1.2 系统模型特征 233.1.3 集合、抽象与数学模型 243.1.4 数学建模的形式化表示 253.1.5 使用数学模型的优点 263.2 系统模型的分类 263.3 系统模型构建的一般方法 283.4 连续系统建模 293.5 离散系统建模 303.5.1 离散控制系统的数学模型 303.5.2 离散事件系统建模 313.6 统一建模语言 UML 333.6.1 UML 的历史： 333.6.2 UML 的主要内容： 353.6.3 UML 的特点和用途： 403.7 用 UML 对系统进行建模实例 图书馆系统 413.7.1 用例模型 系统需求的获取 413.7.2 分析模型 开发者的视野 443.7.3 建立动态模型 473.7.4 系统设计 实现方案 49习题思考题 3： 50第四章 系统分析 514.1 系统分析概述 514.1.1 系统分析的基本概念 514.1.2 系统分析的要素 524.1.3 系统分析准则 544.1.4 系统分析方法 554.1.5 系统分析的步骤 554.2 系统目标、环境、结构分析 564.2.1 系统目标分析 564.2.2 系统环境分析 5834.2.3 系统结构分析 604.3 系统工程常用模型的分析 624.3.1 结构模型分析 624.3.2 网络模型分析 644.3.3 状态空间模型分析 694.3.4 系统动力学模型分析 724.4 投入产出分析 764.4.1 投入产出分析简介 764.4.2 投入产出表 774.4.3 投入产出分析系数 804.5 系统预测分析 824.5.1 系统预测概述 824.5.2 回归分析法预测 834.5.3 时间序列分析预测 964.5.4 人工神经网络预测分析 974.6 面向对象系统分析设计 994.6.1 面向对象的主要概念 994.6.2 面向对象的系统分析与设计方法 103习题思考题 4： 105第五章 系统优化 1075.1 系统优化概述 1075.1.1 系统优化的概念 1075.1.2 系统优化的标准 1075.1.3 优化方法的分类 1075.2 线性规划 1085.2.1 线性规划简介 1085.2.2 线性规划的数学模型 1085.2.3 线性规划的标准形式 1095.3 非线性规划 1105.4 大系统的分解与协调 1115.5 动态规划 1115.6 大系统的动态递阶优化 112习题思考题 5： 1124第六章 系统的评价与决策 1136.1 系统评价 1136.1.1 系统评价概述 1136.1.2 系统评价的分类 1136.1.3 系统评价的原则 1146.1.4 系统评价的步骤 1156.2 评价指标的数量化方法 1166.3 评价指标综合的主要方法 1186.3.1 加权平均法 1186.3.2 功率系数法 1206.3.3 主次兼顾法 1206.3.4 效益成本法 1216.3.5 分层系列法 1216.4 模糊综合评价方法 1226.4.1 模糊评价概述 1226.4.2 模糊评价方法的应用 1246.5 层次分析法 1246.5.1 AHP 决策分析法的原理 1256.5.2 基本步骤 1256.5.3 计算方法 1286.5.4 层次分析法的应用-AHP 用于节水灌溉方式的优化选择 1296.6 风险型决策 1336.7 决策支持系统（DSS）简介 1366.6.1 DSS 的定义 1376.6.2 DSS 的结构 137习题思考题 6： 139第七章 系统网络技术 1417.1 网络图的组成及绘制 1417.1.1 网络图的基本概念 1417.1.2 网络图的组成 1417.1.3 网络图的分类 1427.1.4 网络图的绘制 1427.2 网络图的参数与计算 1447.3 网络图的优化 14757.4 图解评审法（GERT） 1487.5 系统网络技术的实施 150习题思考题 7： 151第八章 系统仿真 1538.1 系统仿真概述 1538.1.1 系统仿真 1538.1.2 系统仿真的类型 1548.1.3 系统仿真的一般步骤 1558.2 连续系统仿真 1568.3 离散事件系统仿真 1598.3.1 基本概念 1598.3.2 离散事件系统建模与仿真方法 1608.4 系统动力学仿真 1618.4.1 系统动力学方法简介 1618.4.2 系统动力学建模 1628.4.3 因果反馈结构 1638.4.4 DYNAMO 语言和建模举例 1658.5 仿真软件介绍 1808.5.1 Simulink 1808.5.2 Swarm 1818.5.3 NetLogo 1828.5.4 Anylogic 183习题思考题 8： 186第九章 系统工程应用案例 1879.1 基于 ISM 的高校食堂客源量分析 1879.1.1. 高校食堂管理现状分析 1879.1.2 解释结构模型技术工作原理及方法 1879.1.3 食堂客源量解释结构模型 1889.2 层次分析法在企业招聘中的应用 1929.2.1 员工招聘评价指标设计 1929.2.2 胜任力评估模糊评价模型 1959.2.3 应用实例 1969.3 基于 Anylogic 的供应链库存 Agent 模型仿真 1979.3.1 背景介绍 19869.3.2 建立模型 1999.3.3 模型运行结果与分析 205参考书目 2081第一章 概论1.1 系统科学系统充满了我们生活的整个宇宙。从一个极端来看，它可以如宇宙本身一样宏大，反过来，也可以像原子一样及其微小。系统首先是以自然形态呈现，随着人类的出现，大量的人造系统也随之出现。直到人类历史的近代，我们才开始从一个科学的角度慢慢了解这些自然和人造系统的结构和特性。1.1.1 系统的定义“系统”一词来源于人类长期的社会实践，存在于自然界、人类社会以及人类思维描述的各个领域，早已为人们所熟悉。对于系统的定义，往往不同的人或同一个人在不同的场合会对它赋予不同的含义。而我们仅仅从系统基本特征的角度，寻找一种较为通用的描述方式。为此，我们采用钱学森给出的对系统的描述性定义 1：系统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。这个定义，与类似的许多定义一样，指出了作为系统的三个基本特征。第一，系统是由若干元素组成的；第二，这些元素相互作用、相互依赖；第三，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。虽然系统的定义形形色色，但都包含了这三个方面，即这三点是定义“系统”的基本出发点。在美国韦氏（webster）大辞典中， “系统”一词被解释为“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综合；由有规则的相互作用、相互依存的形式组成的诸要素集合” 。在日本的 JIS 标准中， “系统”被定义为“许多组成要素保持有机的秩序向同一目的行动的集合体。 ”前苏联大百科全书中定义“系统”为“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” 。1.1.2 系统的组成要素系统是由元素，特征和关联组成的。描述如下： 元素是一个包括输入、过程和输出系统的运行部分。每一个系统元素可以认为是一系列用于描述受到各种限制和约束的系统状态。 特征就是系统元素的品质和一些可以辨别的表现。特征是用于描述系统的。 关联就是系统元素和其特征的相互作用。系统就是朝着同一方向共同努力的一组内部关联的元素集。这些元素集必须遵循如下的准则：每一个元素的特征和行为对整个元素集的特征和行为都会产生影响。每一个元素的特征和行为至少要依赖于元素集中另外一个元素的特征和行为。每一个元素集的子集都必须满足上述两条。而且元素集不能被分成相互的独立的子集。上述准则保证了系统的元素集不可能被其任何子集所替代。21.1.3 系统的特征由系统的定义，不难总结出一般系统应具有下述特性：1整体性系统整体性说明，具有独立功能的系统要素以及要素间的相互关系是根据逻辑统一性的要求，协调存在于系统整体之中。就是说，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。脱离了整体性，要素的机能和要素之间的作用便失去了意义，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其相互之间的活动，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，但它们也可以协调、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，但作为整体却不具备某种良好的功能，也就不能称之为完善的系统。2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存在着不同的运动形式，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。3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。4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。在指标体系中各个指标之间有时是相互矛盾的，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。5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，调整企业的产品结构和管理机制，以适应环境的变化。31.1.4 系统的分类在自然界和人类社会中存在着各种不同性质的系统。为了方便对系统的性质加以研究，需要对系统存在的各种形态加以探讨。 1.自然系统和人造系统按照系统的起源，自然系统是由自然过程产生的系统。这类系统是由自然物(矿物、植物、动物等)所自然形成的系统，像海洋系统、生态系统等。人造系统则是人们将有关元素及其属性和相互关系组合而成的系统，如人类对自然物质材料进行加工以及对自然界进行改造，制造出各种机器并构建各种工程系统。实际上，大多数系统是自然系统与人造系统的复合系统。如在人造系统中，有许多是人们运用科学技术改造过的自然系统。随着科学技术的发展，出现了越来越多的人造系统。人造系统对自然系统影响的一个很好的例子是尼罗河上的阿斯旺大水坝建成后所引发的一系列问题。这座大坝解决了尼罗河多年泛滥的问题，但同时也带来了很多负面的影响。因此在许多人造系统的出现时，应尽量减少对自然生态系统平衡的破坏，对环境和生态系统的破坏。近年来，系统工程愈来愈注意从自然系统的属性和关系中，探讨研究人造系统。2实体系统与概念系统凡是以矿物、生物、机械和人群等实体为构成要素的系统称之为实体系统。凡是由概念、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称为概念系统，如管理系统、军事指挥系统、社会系统等。实体系统需要消耗一定的物理空间，而概念系统是一些想法的组织。在实际生活中，实体系统和概念系统在多数情况下是结合的，实体系统是概念系统的物质基础，可以用数学或其他概念模型来进行模拟；而概念系统往往是实体系统的中枢神经，对实体系统的行为有着重要的指导作用。如军事指挥系统中既包括军事指挥员的思想、信息、原则、命令等概念系统，也包括计算机系统、通讯设备系统等实体系统。3动态系统和静态系统动态系统就是系统的状态变量随时间变化的系统，即系统的状态变量是时间的函数。而静态系统则是表征系统运行规律的数学模型中没有时间因素，即模型中的变量不随时间变化，它是动态系统的一种极限状态，即处于稳定的系统。例如一个化工生产系统是一种连续生产过程，系统中的参数是随着时间变化而变化的动态系统。大多数系统都是动态系统，但是，由于动态系统中各种参数之间的相互关系是非常复杂的，要找出其中的规律性非常困难。有时为了简化起见而假设系统是静态的或使系统中的参数随时间变化的幅度很小而视同静态的。4开放系统与封闭系统开放系统是指与环境之间有物质、能量或信息交换的系统。例如：工厂，生态系统，或是商业系统。这类系统通过系统内部各个元素的不断调整来适应环境变化，以保证一个稳定的状态。因此，开放系统通常是自适应和自调节的。封闭系统中系统与环境互相隔绝，环境仅仅为系统提供物质、能量和信息，但却没有任何的交换。照此定义，可把封闭系统当成与环境完全隔绝的孤立系统。所以可以不受外部环境的影响而保持相对的平衡。例如：在一个封闭容器中，不同的反应物混合在一起最终达到化学平衡。在现实世界中没有完全意义上的封闭系统。系统的开放性和封闭性概念不能绝对化，只能作为一个相对的程度来衡量实际系统。4巨系统和复杂巨系统系统可以按复杂程度分为简单系统，简单巨系统和复杂巨系统。简单系统是指组成系统的子系统在数量上比较少，而且它们之间的关系也比较简单，例如一个工厂，一台设备。简单巨系统是指组成系统的子系统数目非常多，种类也比较多，但是它们之间的关系比较简单。研究这类系统的方法与研究一般系统使用的直接综合法不同，常常使用统计方法。而对于复杂巨系统常常采用耗散结构理论和协同学的方法。1.2 系统工程1.2.1 系统工程的定义系统工程是一门正处于发展阶段的新兴学科，其应用领域十分广阔。它与其它学科的相互渗透、相互影响，不同专业领域的人对它的理解不尽相同，所以目前在学术界对于“系统工程”还没有一个公认的定义。本书仅列出一些定义供参考。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，并使各组成部分能够最大限度地互相适应。 （美国著名学者 HCheMnut）系统工程是研究复杂系统设计的科学，该系统由许多密切联系的元素所组成。设计该复杂系统时，应有明确的预定功能及目标，并协调各个元素之间及元素和整体之间的有机联系，以使系统能从总体上达到最优目标。在设计系统时，要同时考虑到参与系统活动的人的因素及其作用。 （1975 年美国科学技术辞典的论述）系统工程与其他工程学不同之点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一种边缘学科。因为系统工程的目的是研制一个系统，而系统不仅涉及到工程学的领域，还涉及社会、经济和政治等领域，所以为了适当地解决这些领域的问题，除了需要某些纵向技术以外，还要有一种技术横向把它们组织起来，这种横向技术就是系统工程。 （日本学者三浦武雄）系统工程是科学和工程技术的综合应用过程：(a)通过运用定义、综合、分析、设计、试验和评价的反复迭代过程，将系统需求转变为一组系统性能参数和系统技术状态的描述；(b)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；(c)将可靠性、维修性、安全性、生存性、人为因素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MILSTD499A 定义）5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。 （日本工业标准(J15) 规定）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，系统工程是一门组织管理的技术。 （钱学森）1.2.2 系统工程的主要特点系统工程是一门边缘学科，它是以大型的人工系统和复合系统为对象，合理地、创造性地采用系统系统思想、系统理论、系统技术、系统方法对系统进行研究分析，设计制造5和服务，使系统整体尽量达到最佳协调和最满意的优化，以便最充分地发挥人力，物力，财力和潜力。系统工程具有如下的一些特点：1整体性（系统性）整体性是系统工程最基本的特点。系统工程把所研究的对象看成一个整体系统。这个整体系统又是由若干部分（元素或子系统）的有机结合。所以，系统工程在研究系统时总是基于整体性，从整体与部分之间相互依赖、相互制约的关系中去揭示系统的特征和规律，从整体最优化出发分别实现系统各组成部分。2关联性（协调性)用系统工程学去分析和处理问题时，不仅要考虑部分与部分之间、部分与整体之间的相互关系，还要认真地协调它们的关系。因为系统各部分之间、各部分与整体之间的相互关系和作用直接影响或者制约了系统整体的性能，协调它们的关系便可提高系统整体的性能。3综合性（交叉性）系统工程以大型复杂的人工系统和复合系统为研究对象。这些系统涉及的因素很多，涉及的学科领域也极为广泛。因此，系统工程必须综合研究各种因素，综合运用各门学科和技术领域的成果，从整体目标出发使各门学科、各种技术有机地配合，综合运用以达到整体最优化的目的。4满意性（最优化系统整体性能的最优化是系统工程所追求并需要达到的最终目的。由于整体性是系统工程最基本的特点，所以，系统工程并不追求构成系统的个别部分最优，而是通过协调系统各部分的关系，使系统整体目标达到最优。1.2.3 系统工程的应用随着生产的发展，系统工程的应用领域日益广泛，系统工程的应用从工程系统日渐向社会经济系统扩展。系统工程的应用几乎遍及工程技术和社会经济的各个方面。在很多的人造系统中，很多新的实体和概念都需要建立在系统层次上，用到系统工程的思想和准则。本文将一些特殊的应用实体列在表中：由很多元素组成的大系统，比如：空间站系统、城市交通系统和水力发电系统。由相对比较少的元素组成的小系统，比如：局部通信系统、计算机系统、水压系统或者是一个机械刹车系统。制造或生产系统，包括输入输出关系、方法、处理器、控制软件、设备和操作员。有许多全新设计和研发工作需要做的系统，例如：一项新技术的引进。系统的设计绝大部分是基于现存的商业设备，软件。系统对于设备和软件要求比较高，而且是数据密集型的。系统的设计和开发处于国际水平，而且涉及到很多的供应商。设计和开发的系统用于安全防卫，民用，商用或是私人使用。6系统工程应用航空系统城市（民用）系统通信系统卫生保健系统发电系统 信息处理系统电子系统交通系统制造或生产系统其他系统图 1.1 系统工程应用分类图1.3 系统科学与系统工程的理论基础系统工程属于工程技术，主要是组织管理的技术。但系统工程不是单一的工程技术，而是横跨各个学科的综合性的工程技术。所以，其理论基础也是十分宽泛。目前比较一致的观点认为系统工程的理论基础由一般系统理论、大系统理论、信息论、控制论、和运筹学等学科相互渗透，相互交叉发展而形成的。1.3.1 一般系统论一般系统理论的创立者是奥地利的理论生物学家 LV 贝塔朗菲。本世纪 20 年代中期，从批判当时生物学中流行的机械论观点出发，贝培朗菲提出生物论的机体论概念，强调把有机体作为一个整体或系统来考察，这是一般系统理论的萌芽。30 年代，他进一步提出开放系统理论和一般系统理论的概念。二次世界大战后，正式提出般系统理论。60 年代以后，一般系统理论己在国际上引起广泛重视，很多学者投入到这个研究领域，取得很大进展，发表了许多成果。其中影响最大的是贝塔朗菲的一般系统理论：基础发展应用 。从不同科学领域所表现出的同构性和同形性出发，贝塔朗菲得出结论：“在许多场合，同形的定律适用于系统的某些类成亚类，与涉及的实体的性质无关。显然一般系统的规律可以用于任何一定类型的系统，不论系统及其元素的特性是什么。这些想法导致要确立一个我们称为一般系统论的新的科学学科” 。贝塔朗菲建立起一般系统理论的框架，其中核心概念是系统。他从系统的定义出发，描述了系统的整体性、有序性、层次性、动态性、开放性、演化、生长、竞争等等。贝塔朗菲的一般系统理论第一次从具体科学层次上，对在现代科学中占支配地位的还原论观点和分析方法提出了批判，指出了它的局限性，提出了按系统观点和方法来处理问题。它为各门系统理论和系统学的建立与发展，提供了思想、概念和理论上的准备。1.3.2 大系统理论在工程技术、社会经济、生态环境等许多领域，存在着许多复杂的大系统。所谓大系统，一般是指规模庞大，结构复杂，环节数量大或层次较多，其相互间的关系错综复杂。7影响因素众多，并常带有随机性质的系统。如经济计划管理系统、超大型企业集团系统、区域经济综合开发系统等。研究大系统的结构方案、稳定性、最优化、模型的建立与求解等问题，称为大系统理论。1大系统的控制由于大系统的结构非常复杂，为使系统有效运行和达到预想的功能，对大系统的控制就异常困难。大系统控制方式通常分为递阶控制和分散控制两种，递阶控制是在层次结构的系统中，将控制单元分成若干等级。最上层的叫做协调层，以下各级称为各层次的决策单元，最下一层称为第一级决策单元，它们直接控制着基层的各个子系统。递阶控制的特点是下级决策单元只接受上一级决策单元的指令，不允许越级。最上层的协调层负责协调控制整个大系统。整个递阶系统有一个总目标，各决策单元和谐地工作，以实现目标的优化。在递阶控制中可采取两种控制方式：一种是采用多层控制，根据控制任务分解进行分层，多层控制常用于工业或其它组织中的生产安排和管理。另一种是采用多级控制，多级控制是把总目标分解成分目标，然后利用各级局部决策单元进行控制和协调，多级控制常用于经济管理组织机构。分散控制是通过只有局部信息的各子系统局部控制器对系统的局部(子系统) 进行控制。分散控制常用于彼此联系不太紧密的相对独立的系统，如工程项目系统。这种控制可以减少信息传输方面的困难，但不易获得最优解。2大系统的优化使大系统达到最好的目标就是所谓大系统优化，分解与协调的方法是大系统优化的基本方法。由于大系统的总目标和各个子系统的目标不定一致，甚至是有矛盾的。因此不能将大系统简单地分解成若干子系统，然后对各子系统分别优化，最后加起来求得总目标的优化。这里所说的分解与协调方法，是把可分的大系统分解成许多互不相关的子系统，但这些互不相关的子系统又都是与大系统有关的，各子系统将其性能反馈给大系统，用总目标衡量后，再下达给各个子系统。1.3.3 信息论信息、材料和能源一起被看成是构成系统的三大要素。所谓信息就是一切具有新内容的，新知识的消息，但信息的含义要比通常理解的消息的含义要广泛很多，包括消息，情报，指令，代码以及包含一定内容的信号。我们的感官随时在接受各种信息，如语言、文字、图像、颜色、自然景物等。人们在获得信息之后，就能够消除认识上的不确定性，改变原有的知识状态，由不知到知，或由知之较少到知之较多的状态。在控制论看来，世界上一切事物的运动状态都给我们提供了各种各样的信息。在错综复杂的关系中，事物正是以特殊的存在方式和运动状态相互联系着。所以，就一般意义讲，信息是事物存在的方式或运动状态，以及这种方式、状态的直接的或间接的表述，是系统确定程度(特殊程度、组织程度、有序程度)的标记。信息论的基本思想和方法完全撇开了物质，能量的具体运动形态，而把任何通信和控制系统都看作是一个信息的传输和加工处理系统，把系统有目的的运动抽象为信息变换过程，通过系统内部的信息交流使系统维持正常的有目的的运动。事实上，任何实践活动都可以简化为多种流，其中信息流起着支配作用，它调节着其他流的数量、方向、速度和目标，通过系统内部信息流的作用才能使系统维持正常的和有目的的运动。所谓信息论方法，是指运用信息的观点，把系统的运动过程看作是信息的传递和信息的转换过程，通过对信息流程的分析和处理，以达到对某个复杂系统运动过程的规律性的认识的方法。8信息论方法的主要特点，是撇开研究对象的具体运动形态，把系统的运动过程抽象为信息的变换过程，在不考虑系统内的具体的物质构成。无需对事物的整体解剖分析的条件下，研究系统与外界环境之间信息输入和输出的关系，也就是从信息的接受和使用的过程中研究系统的特征。 1.3.4 控制论所谓控制，就是对一个有组织的系统，根据内部与外部的各种变化而进行调整，不断克服系统的不确定性，使系统保持某种特定的状态。控制也可以说是一种联系和调节。例如：机器的自动控制、生物的生命运动，都可以看作是它本身各部分之间通过信息传输进行联系和调节的过程。控制与被控制、施控与被控，是控制过程的基本矛盾。控制的作用在于使事物之间、系统之间、部门之间相互作用、相互制约，克服随机因素，从而达到预期的目的。所谓控制论方法，简单地说，就是通过信息处理的能动过程，解决控制与被控制的矛盾，使系统运行处于最优化状态或保持系统的稳定性。借以实现人们事先对系统所规定的功能目标和方法。它的主要特点在于撇开各种系统的物质和能量方面的具体形态，研究系统的信息联系和控制，即不同系统在行为上的相似性。它打破了有机与无机、动物与机器的界限，把动物目的性赋予机器，将动物与机器的行为加以类比，抓住一切通讯和控制系统中所共有的信息联系，通过信息处理的能动过程，解决控制与被控制的矛盾，达到预期目标。它是从整体、互相联系、运动变迁的角度来观察和解决问题的方法。控制论从信息角度指示了不同研究客体的共同规律，沟通了不同系统，这种研究方法突破了近代科学中局部、孤立和静止的观点，突破了以抽象分析、归纳为核心的传统方法，在较大程度上克服了近代科学中的片面性和局限性。它是科学方法论发展史上一个划时代的创造，为现代科学认识提供了一种行之有效的主观手段。 1.3.5 运筹学运筹学（Operational Research）作为一门现代科学，是在第二次世界大战期间首先在英美两国发展起来的，有的学者把运筹学描述为就组织系统的各种经营做出决策的科学手段。P.M.Morse 与 G.E.Kimball 在他们的奠基作中给运筹学下的定义是“运筹学是在实行管理的领域，运用数学方法，对需要进行管理的问题统筹规划，做出决策的一门应用科学” 。运筹学的另一位创始人定义运筹学是“管理系统的人为了获得关于系统运行的最优解而必须使用的一种科学方法” 。它使用许多数学工具（包括概率统计、数理分析、线性代数等）和逻辑判断方法，来研究系统中人、财、物的组织管理和筹划调度等问题，以期发挥最大效益。现代运筹学的起源可以追溯到几十年前，在某些组织的管理中最先试用科学手段的时候。可是，现在普遍认为，运筹学的活动是从二次世界大战初期的军事任务开始的。当时迫切需要把各项稀少的资源以有效的方式分配给各种不同的军事经营及在每一经营内的各项活动，所以美国及随后美国的军事管理当局都号召大批科学家运用科学手段来处理战略与战术问题，实际上这便是要求他们对种种（军事）经营进行研究，这些科学家小组正是最早的运筹小组。第二次世界大战期间，运筹学成功地解决了许多重要作战问题，显示了科学的巨大物质威力，为运筹学后来的发展铺平了道路。当战后的工业恢复繁荣时，由于组织内与日俱增的复杂性和专门化所产生的问题，使人们认识到这些问题基本上与战争中所曾面临的问9题类似，只是具有不同的现实环境而已，运筹学就这样潜入工商企业和其它部门，在 50 年代以后得到了广泛的应用。对于系统配置、聚散、竞争的运用机理深入的研究和应用，形成了比较完备的一套理论，如规划论、排队论、存贮论、决策论等等，由于其理论上的成熟，电子计算机的问世，又大大促进了运筹学的发展。1运筹学的特点和方法运筹学的特点是：. 运筹学已被广泛应用于工商企业、军事部门、民政事业等研究组织内的统筹协调问题，故其应用不受行业、部门之限制；. 运筹学既对各种经营进行创造性的科学研究，又涉及到组织的实际管理问题，它具有很强的实践性，最终应能向决策者提供建设性意见，并应收到实效；. 它以整体最优为目标，从系统的观点出发，力图以整个系统最佳的方式来解决该系统各部门之间的利害冲突。对所研究的问题求出最优解，寻求最佳的行动方案，所以它也可看成是一门优化技术，提供的是解决各类问题的优化方法。运筹学的研究方法有：. 从现实生活场合抽出本质的要素来构造数学模型，因而可寻求一个跟决策者的目标有关的解；. 探索求解的结构并导出系统的求解过程；. 从可行方案中寻求系统的最优解法。2，运筹学的研究内容运筹学的具体内容包括：规划论（包括线性规划、非线性规划、整数规划和动态规划） 、图论、决策论、对策论、排队论、存储论、可靠性理论等。数学规划即上面所说的规划论，是运筹学的一个重要分支，早在 1939 年苏联的康托洛维奇（H.B.Kahtopob ）和美国的希奇柯克（ F.L.Hitchcock）等人就在生产组织管理和制定交通运输方案方面首先研究和应用线性规划方法。1947 年旦茨格等人提出了求解线性规划问题的单纯形方法，为线性规划的理论与计算奠定了基础，特别是电脑的出现和日益完善，更使规划论得到了迅速的发展，可用电脑来处理成千上万个约束条件和变量的大规模线性规划问题，从解决技术问题的最优化，到工业、农业、商业、交通运输业以及决策分析部门都可以发挥作用。从范围来看，小到一个班组的计划安排，大至整个部门，以至国民经济计划的最优化方案分析，它都有用武之地，具有适应性强，应用面广，计算技术比较简便的特点。非线性规划的基础性工作则是在 1951 年由库恩（H.W.Kuhn）和达克（A.W.Tucker）等人完成的，到了 70 年代，数学规划无论是在理论上和方法上，还是在应用的深度和广度上都得到了进一步的发展。图论是一个古老的但又十分活跃的分支，它是网络技术的基础。图论的创始人是数学家欧拉。1736 年他发表了图论方面的第一篇论文，解决了著名的哥尼斯堡七桥难题，相隔一百年后，在 1847 年基尔霍夫第一次应用图论的原理分析电网，从而把图论引进到工程技术领域。20 世纪 50 年代以来，图论的理论得到了进一步发展，将复杂庞大的工程系统和管理问题用图描述，可以解决很多工程设计和管理决策的最优化问题，例如，完成工程任务的时间最少，距离最短，费用最省等等。图论受到数学、工程技术及经营管理等各方面越来越广泛的重视。排队论又叫随机服务系统理论。1909 年丹麦的电话工程师爱尔朗（A.K.Erlang）排队问题，1930 年以后，开始了更为一般情况的研究，取得了一些重要成果。1949 年前后，开始了对机器管理、陆空交通等方面的研究，1951 年以后，理论工作有了新的进展，逐渐奠定了现代随机服务系统的理论基础。排队论主要研究各种系统的排队队长，排队的等待时间及所提供的服务等各种参数，以便求得更好的服务。它是研究系统随机聚散现象的理论。10可靠性理论是研究系统故障、以提高系统可靠性问题的理论。可靠性理论研究的系统一般分为两类：（1）不可修系统：如导弹等，这种系统的参数是寿命、可靠度等， （2）可修复系统：如一般的机电设备等，这种系统的重要参数是有效度，其值为系统的正常工作时间与正常工作时间加上事故修理时间之比。决策论研究决策问题。所谓决策就是根据客观可能性，借助一定的理论、方法和工具，科学地选择最优方案的过程。决策问题是由决策者和决策域构成的，而决策域又由决策空间、状态空间和结果函数构成。研究决策理论与方法的科学就是决策科学。决策所要解决的问题是多种多样的，从不同角度有不同的分类方法，按决策者所面临的自然状态的确定与否可分为：确定型决策、风险型决策和不确定型决策；按决策所依据的目标个数可分为：单目标决策与多目标决策；按决策问题的性质可分为：战略决策与策略决策，以及按不同准则划分成的种种决策问题类型。不同类型的决策问题应采用不同的决策方法。决策的基本步骤为：（1）确定问题，提出决策的目标；（2）发现、探索和拟定各种可行方案；（3）从多种可行方案中，选出最满意的方案；（4）决策的执行与反馈，以寻求决策的动态最优。如果决策者的对方也是人（一个人或一群人）双方都希望取胜，这类具有竞争性的决策称为对策或博弈型决策。构成对策问题的三个根本要素是：局中人、策略与一局对策的得失。目前对策问题一般可分为有限零和两人对策、阵地对策、连续对策、多人对策与微分对策等。运筹学是软科学中“硬度” 较大的一门学科，兼有逻辑的数学和数学的逻辑的性质，是系统工程学和现代管理科学中的一种基础理论和不可缺少的方法、手段和工具。1.4 系统工程发展与展望系统工程作为一门科学技术虽然产生于 20 世纪 40 年代，在 60 年代形成了体系，但系统工程的思想方法和实际应用可追溯到远古时代。中华民族的祖先在了解和改造自然的辛勤实践和大量的社会活动中，早有许多朴素的系统概念和应用实例。在军事方面，早在公元前 500 年的春秋时期，就有著名的军事家孙武写出了”孙子兵法”十三篇，指出战争中的战略和策略问题，如进攻与防御、速决和持久、分散和集中等之间的相互依存和相互制约的关系，并依此筹划战争的对策，以取得战争的胜利。其著名论点，“知已知彼，百战不殆，以我之长，攻敌之短”等，不仅在古代，而且在当代的战争中都有指导意义，在当今激烈的国际市场竞争和社会经济各个领域的发展中，这些论断也有现实意义。战国时期，著名军事家孙膑继承和发展了孙武的学说，著有“孙膑兵法” ，在齐王与田忌赛马中，孙膑提出的以下、上、中对上、中、下的对策，便处于劣势的田忌战胜齐王，这是从总体出发制定对抗策略的一个著名事例。在水利建设方面，战国时期，秦国太守李冰父子主持修建了四川都江堰工程。这一伟大水利工程巧妙地将分洪、引水和排沙结合起来，使各部分组成一个整体，实现了防洪、灌溉、行舟、漂木等多种功能，至今，该工程仍在发挥着重大的经济效益，是我国古代水利建设的一大杰出成就。11图 1.2 都江堰工程示意图在建设施工方面，北宋真宗年间，皇城失火，宫殿烧毁，大臣丁谓主持了皇宫修复工程。他采用了一套综合施工方案，先在需要重建的通衢大道上就近取土烧砖，在取土后的通衢深沟中引入汴水，形成人工河，再由此水路运输建筑材料，从而加快了工程进度。皇宫修复后，又将碎砖废土填入沟中，重修大道。使烧砖、运输建筑材料和处理废墟三项繁重工程任务协调起来，从而在总体上得到了最佳解决，一举三得，节省了大量劳力、费用和时间。在医学、农业等方面，我国古代也有许多著名学者用朴素的系统思想和方法取得了伟大成就，我国古代这些成功的工程技术和运筹帷幄的思维方法，都充分体现了全局观念和整体优化观念，蕴涵着朴素的系统工程思想。这些都为我们今天研究和发展系统工程的理论体系，提供了宝贵的借鉴和重要的启示。近代科学技术的发展，特别是计算机的出现和广泛使用，使系统工程在世界范围内迅速发展起来，许多国家有不少成功的重大研究成果。 第一次提出”系统工程”这一名词的是1940 年在美国贝尔电话公司试验室工作的莫利纳（E.C.Molina）和在丹麦哥本哈根电话公司工作的爱尔朗（A.K.Erlang ） ，他们在研制电话自动交换机时，意识到不能只注意电话机和交换台设备技术的研究，还要从通信网络的总体上进行研究。他们把研制工作分为规划、研究、开发、应用和通用工程等五个阶段，以后又提出了排队论原理，并应用到电话通信网络系统中，推动了电话事业的飞速发展。系统工程的萌芽时期可追溯到本世纪初的泰勒（F.W.Taylor）系统，为了提高工效，泰勒研究了合理工序和工人活动的关系，探索了管理的规律，1911 年他的“科学管理的原理”一书问世后，工业界出现了“泰勒系统” 。12在第二次世界大战时期，一些科学工作者以大规模军事行动为对象，提出了解决战争问题的一些决策和对策的方法和工程手段，出现了运筹学。当时英国为防御德国的突然空袭，研究了雷达报警系统和飞机降落排队系统，取得了很多战果。在这一时期中，英、美等国在反潜、反空袭、商船护航、布置水雷等军事行动中，应用了系统工程方法，取得了良好的效果。1940 年至 1945 年，美国制造原子弹的“曼哈顿”计划，由于应用了系统工程方法进行协调，在较短的时间内取得了成功。1945 年，美国建立了兰德公司（RAND） ，应用运筹学等理论方法研制出了多种应用系统，在美国国家发展战略、国防系统开发、宇宙空间技术以及经济建设领域的重大决策中，发挥了重要作用， “兰德”又被誉为“思想库”和“智囊团” 。50 年代后期和 60 年代中期，美国为改变空间技术落后于苏联的局面，先后制定和执行了北极星导弹核潜艇计划和阿波罗登月计划，这些都是系统工程在国防科研中取得成果的著名范例。40 年代到 70 年代出现的很多横向联系的学科分支，如信息论、控制论等为系统工程的发展奠定了理论基础。随着微型计算机的发展，出现了分级分布控制系统和分散信号处理系 统，扩展了系统工程理论方法的应用范围。近年来，社会、经济与环境综合性的大系统问题 日益增多，如环境污染、人口增长、交通事故、军备竞赛等。许多技术性问题也带有政治、经济的因素，如北欧跨国电网的供电问题。该电网的系统分析者要综合诸多因素，对 4500 万千瓦的电力做出合理的并能被接受的调度方案，提交各国讨论、协调和决策，这是个典型的系统工程问题。 我国近代的系统工程研究可追溯到 50 年代。1956 年，中国科学院在钱学森、许国志教授的指导下，建立了第一个运筹学小组；60 年代，著名数学家华罗庚大力推广了统筹法、优选法；与此同时，在著名科学家钱学森领导下，在导弹等现代化武器的总体设计组织方面，取得了丰富经验，国防尖端科研的“总体设计部”取得显著成效。1977 年以来，系统工程的推广和应用出现了新局面，1980 年成立了中国系统工程学会，与国际系统工程界 进行了广泛的学术交流。近年来，系统工程在各个领域都取得了许多成果。如今，系统工程发展到解决大系统的最优化阶段，其应用范围已超出了传统工程的概念。从社会科学到自然科学，从经济基础到上层建筑，从城市规划到生态环境，从生物科学到军事科学，无不涉及到系统工程，无不需要系统工程。至此，系统工程经历了产生、发展和初步形成阶段。但是，系统工程作为一门新兴的综合性的边缘科学，无论在理论上、方法上、体系上都处于发展之中，它必将随着生产技术、基础理论、计算工具的发展而不断发展。习题思考题 1：1.1 什么是系统？系统定义中有哪些要点？1.2 系统与要素、要素与要素之间存在什么样的关系？1.3 系统的特征有哪些？系统工程的定义是什么？系统工程有哪些主要特点？1.4 系统工程的理论基础有哪些？并简述其各自特点。1.5 请举出古今中外应用系统思想和系统工程的案例两个。13第二章 系统工程方法论2.1 系统思想2.1.1 系统思想的发展系统思想作为自然观的一部份，其起源可以追溯到古希腊时期，早在公元前六世纪，西方辩证法的奠基人赫拉克利特（Herakleitos）就提出“世界是包含一切的整体”；公元前五世纪原子论的创始人德谟克利特（Demokritos）写了一本题为宇宙大系统的书，以系统的角度来研究宇宙；柏拉图的学生亚里斯多德后来进一步地提出了“整体不同于它各部分的总和”的著名命题，使“整体何以不同于其部分的总和”成为了系统科学史上的重要问题；在古代东方，系统观点则是十分普遍的，例如易经阐述了中国古代的系统模式的动态架构，墨家则论及了系统思想的方法论，最后最具有代表性的是道家对于系统生成的看法，老子强调了自然界的统一性。我们可以说，用自发的系统概念来考察自然现象是希腊哲学与古代中国思想的一个共同特征。古代朴素的系统思想虽然强调对自然界整体性与统一性的认识，但是缺乏对其各部分的各个细节的认识，随着近代自然科学的兴起，在对自然界分门别类的研究中，发展形成了以分析为主的研究方法。这种方法虽然对科学的发展有过巨大的功绩，但是久而久之，却逐渐滑向了不同于古代朴素系统思想的观点，即把整体分割成一块块互不联系、孤立、静止的组成部分的观点。这就是与系统思想相对立的形上学自然观。2.1.2 现代系统思想的特点在当代，随着自然科学的进一步发展，在深入分析与研究自然界的一个个局部之后，这一个个局部之间的联系，局部与整体的联系，使得自然界的系统特性在新的层次上又顽强地反映到人们的头脑中来。现代系统科学的发展同时使得现代系统思想的内容更加充实，与古代朴素的系统思想相比，现代系统思想具有以下的几个特点：现代系统思想去掉了古代朴素观点中模糊与猜测的成分，加进了精确与实际的内容。例如现代系统思想特别强调系统内部结构的有序性，还给秩序性质提供了有效的测度与计算方法。除了对于量的精确性要求，还有对于质的重视，例如我们常说的“整体大于其部分的总和”不仅仅理解在量的差异，也强调在质的差异，现代系统思想强调整体与部分具有不同的质，是不能只用量的差异来刻画的。现代系统科学特别注重对于复杂系统的研究，也就是要求将系统与非线性问题联系起来，认为只有三个或三个以上元素发生非线性相干时才能组成复杂系统，并且对复杂系统的性质、复杂性的测量与描述提供了有效的方法。这使得系统思想不仅对于大量自然与社会现象提出了解释，而且对系统为什么具有这些特殊性质作了合理的回答。14现代系统思想指出了系统创生与演化的机制，这是以往的系统思想所有没明确的内容。现代系统