《系统与系统工程》PPT课件.ppt

第一章 系统与系统工程 n系统的基本概念 1.系统的定义 2.系统的特征 3.系统的分类 4.系统的结构与功能 n系统工程概述 1.系统工程的定义、特点 2.系统工程的形成与发展 3.系统工程的方法与步骤 本章主要内容 一、系统的基本概念 1.系统的定义 系统（Systems）一词来源于希腊文systema。 由词冠“sys-”和动词词干“tema”构成的复合词。 共同地使定位 原意是指事物中的共性部分和每一事物应占据的位置。 也就是由部分组成整体的意思。 系统的各种定义 有组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；由有规则的相互作用 、相互依赖的诸要素形成的集合等等。 相互作用的诸要素的综合体。 许多组成要素保持有机的秩序向同一目标行动的体系。 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，而且这个系统本身又是它所从属的一个更大系统 的组成部分。 在韦氏大辞典（Webster大辞典）中，系统一词被解释为: 一般系统论的创始人贝塔朗菲把系统定义为 ： 在日本的JIS工业标准中,系统被定义为： 钱学森语 ： 1.系统定义( 概括) 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。 分析系统的定义，它包含三层意义： 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。 2.系统的特征 （1）整体性 （2）相关性 （3）目的性 （4）层次性 （5）动态性 （6）适应性 （1）整体性 （2）相关性 （3）目的性 （4）层次性 （5）动态性 （6）适应性 即系统整体不等于各组成元素之和，即非加和原则 ，有两种情况： 整体小于各组成元素之和，即1+12（也叫整体 的涌现性） 涌现，美约翰霍兰著，陈 禹等译，上海科学技术出版社， 2001年 连战：两 岸合作一 加一大于 二 否则“共 失双输” 2.系统的特征 （1）整体性 （2）相关性 （3）目的性 （4）层次性 （5）动态性 （6）适应性 系统中相互关联的部分或部件形成“部件集”，“ 集”中各部分的特性和行为相互制约和相互影响， 这种相关性确定了系统的性质和形态。 2.系统的特征 （1）整体性 （2）相关性 （3）目的性 （4）层次性 （5）动态性 （6）适应性 人工系统和复合系统都具有一定的目的性，要达到 既定的目的，系统必须具有一定的功能。没有目的 的系统不属于系统工程研究的对象。 2.系统的特征 （1）整体性 （2）相关性 （3）目的性 （4）层次性 （5）动态性 （6）适应性 由于系统的结构、功能和层次的动态演变有某种 方向性，因而使系统具有有序性的特点。系统的系统的 有序性可以表述为：有序性可以表述为：系统是由较低级的子系统组 成，而该系统自己又是更大系统的一个子系统。 系统的有序性揭示了系统与系统之间存在着包含 、隶属、支配、权威、服从的关系，统称为传递 关系。 （有序性） 生 命 系 统 的 层 次 结 构 图 2.系统的特征 （1）整体性 （2）相关性 （3）目的性 （4）层次性 （5）动态性 （6）适应性 如：开放系统和外界环境有物质、能量和信息的交 换，系统内部结构也可以随时间变化。一般来说， 系统的发展是一个有方向性的动态过程。 2.系统的特征 （1）整体性 （2）相关性 （3）目的性 （4）层次性 （5）动态性 （6）适应性 任何系统都存在于物质环境（更大的系统）之 中，它必然要与外界环境产生物质、能量和信息的 交换，外界环境的变化也必然会引起系统内部各要 素之间的变化。 因此为了保持和恢复系统原有特性，系统必须 具有对环境的适应能力，就象元素必须适应环境一 样，因为：系统 + 环境 = 更大的系统。 2.系统的特征 3.系统的分类 （1）自然系统与人工系统 （2）实体系统与概念系统 （3）开放系统与封闭系统 （4）静态系统与动态系统 （5）可控系统和不可控系统 （1）自然系统与人工系统 （2）实体系统与概念系统 （3）开放系统与封闭系统 （4）静态系统与动态系统 （5）可控系统和不可控系统 原始的系统都是自然系统，如： 天体、海洋、生态系统等； 人工系统都存在于自然系统之中 ，如：人造卫星、海运船只、机 械设备、生产管理、物流系统等 等。 3.系统的分类 （1）自然系统与人工系统 （2）实体系统与概念系统 （3）开放系统与封闭系统 （4）静态系统与动态系统 （5）可控系统和不可控系统 实体系统是指以矿物、生物 、机械、能量和人等实体为构成 要素所组成的系统，如：机械系 统、计算机系统等； 概念系统是指以概念、原理 、原则、方法、制度、程序等非 物质实体为构成要素所组成的系 统，如：管理系统、教育系统、 国民经济系统等。 3. 系统的分类 （1）自然系统与人工系统 （2）实体系统与概念系统 （3）开放系统与封闭系统 （4）静态系统与动态系统 （5）可控系统和不可控系统 开放系统是指与外部环境有 物质、能量和信息交换的系统， 如：教育系统、企业系统等； 封闭系统是指与外部环境无 关的系统，实际上，没有绝对的 封闭系统，只是有时把与环境联 系较少，相对独立的系统看作封 闭系统。 3. 系统的分类 （1）自然系统与人工系统 （2）实体系统与概念系统 （3）开放系统与封闭系统 （4）静态系统与动态系统 （5）可控系统和不可控系统 静态系统是指决定系统特性 的因素不随时间推移而变化的系 统，没有绝对的静态系统； 动态系统是指这些因素随时 间的推移而变化的系统，如：人 体系统、企业系统等。 3. 系统的分类 （1）自然系统与人工系统 （2）实体系统与概念系统 （3）开放系统与封闭系统 （4）静态系统与动态系统 （5）可控系统和不可控系统 凡是人能够改变其状态的系 统称为可控系统，反之称为不可 控系统。人工系统是可控的，大 多数自然系统是不可控的。 3. 系统的分类 4.系统的结构与功能 系统的结构可以用以下式子表示： 式中 S代表系统； 代表元素的集合； R表示元素之间的各种关系的集合。 系统的功能可以用以下图示表示： 原材料 产品、人才、 成果、服务等 4.系统的结构与功能 二、系统工程概述 日本学者三浦武雄 认为：系统工程与其它工程学的不同 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 究一个系统，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。所以为了圆满地解决这些领 域的问题，除了需要某些纵向技术外，还要有一种技术 从横的方向把它们组织起来，这种横向的技术就是系统 工程。 日本工业标准(JIS)中定义: 系统工程学是为了最优地达 到系统目标而对系统的构成要素、组织结构、信息流通 和控制机构进行分析的技术。 我国著名学者钱学森认为: 系统工程是组织管 理系统的规划、研究、 设计、制造、试验与使 用的科学方法，是一种 对所有系统都具有普遍 意义的方法。 1.系统工程的定义 系统工程是在系统思想的指导下，用近代数学方法和计算机 工具来研究一般系统的分析、规划、开发、设计、组织、管 理、调整、控制、评价等问题，使系统整体最佳地实现预期 目标的一门综合性的工程技术。 系统工程既是一个技术过程，又是一个管理过程。 因此，系统工程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。 系统工程的研究对象：大型复杂的人工系统和复合系统； 系统工程的研究内容：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； 系统工程的目的：实现系统整体目标最优化。 系统工程与常规工程学的区别 n常规工程学以自己特定的物质为对象，而系统工程则不限于某一特 定的物质对象，各种自然的、生态的、人类的、企业的和社会的组 织等都可以作为它的研究对象。 n系统工程具有多学科综合性的特点，它不仅应用于自然科学，而且 也要用到其他工程技术，如管理科学、经济学、社会学，乃至心理 学、生态学和医学等知识。 n常规工程学多着眼于技术的合理性，往往是利用组成元素的良好程 度来确保和维持整个系统的总体功能。而系统工程则是从整个系统 的最优出发，首先确定整体的目标，然后再参照这个目标来决定各 元素所必需的性能，并利用各元素间的巧妙联系和协调运转来实现 总体目标。这样做往往更能提高整个系统的水平 系统工程的特点 （1）整体性（系统性） （2）关联性（协调性） （3）综合性（交叉性） （4）满意性（最优性） 上世纪80年代时，日本科技代表团参观“长征”火箭，回国后 嘲笑中国工艺和产品粗糙落后，认为没有几件东西是日本不能生 产。然而至今，日本最优秀的2火箭平均两三枚就炸掉一 枚，技术指标虽优于中美，但是实用性能不佳。“长征”和“神舟” 追求的并非“单项最优”而是“整体最优”，这就是钱学森在中国大 力提倡的系统工程（System Engineering）。中国航天工业正是 在系统工程精神指导下，取得了瞩目成就。神六发射和回收成功 ，得益于全国的庞大系统工程网络，涉及全国二十多个省市的航 空、航天、电子、兵器、舰船、冶金、食品、化学、科研院校等 。只有高超的协调能力才能做好系统工程，这是真正的大国和强 国才能做到的。 摘自/20060413/n242784884_2.shtml 小案例1 n有一项调查显示，在日本、美国生产的 同一种产品，若考察该产品各部件的合 格率，美国大于95%，日本70%多一点 ；若看产品的整体合格率，则日本不低 于98%，美国90%左右。 小案例2 附：钱学森的系统观 钱学森提出的系统科学结构图 2. 系统工程的形成与发展 系统工程的发展大致可以分为萌芽、发展和初步 成熟三个时期 ： 1萌芽时期（20世纪50年代以前） 2发展时期（20世纪50年代至60年代） 3初步成熟时期（20世纪60年代以后） 萌芽时期（20世纪50年代以前） 我国古代朴素的系统工程思想 ： 四川都江堰水利工程 大铜钟浇铸工程 齐王赛马的故事 李冰的都江堰水利工程 n战国初期秦国李冰设计修造了伟大的都江堰，包括“ 鱼嘴”岷江分水工程、“飞沙堰”分洪排沙工程、“ 宝瓶口”引水工程三大主体工程和120个渠堰工程， 工程之间的联系处理的恰到好处，形成一个协调运转 的工程总体。科学地解决了江水自动分流、自动排沙科学地解决了江水自动分流、自动排沙 、控制进水流量等问题，消除了水患，使川西平原成、控制进水流量等问题，消除了水患，使川西平原成 为为“水旱从人水旱从人”的的“天府之国天府之国”。 二王庙李冰父子塑像 珍贵的李冰石刻像 都江堰水利工程 李冰的都江堰工程 造福千秋的都江堰 李冰的都江堰水利工程 都江堰灌溉区 明朝永乐大钟 钟高6.75米，重 46.5吨， 钟内外有文字23 万多字。 萌芽时期（20世纪50年代以前） n1940年美国贝尔电话公司首先使用了“系统工程（ system engineering）”命名设计新系统（研究发展微波 通信网）的科学方法。 我国古代朴素的系统工程思想 ： 四川都江堰水利工程 大铜钟浇铸工程 齐王赛马的故事 20世纪初，美国的泰勒(FWTaylor)从合理安排工序、 分析工人的操作、提高劳动生产率入手，研究科学管理的 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”。 发展时期（20世纪50年代至60年代） n1957年美国的古德（A.H.Goode）和麦考尔（ R.E.Machal）合作出版了第一本以“系统工程”命 名的书 n兰德公司倡导“系统分析（System analysis）” n1958年美国在北极星导弹的研制中，首先采用了 计划评审技术（PERT），有效地推进了计划管理 。 在这一时期，一般系统论、运筹学、控制论、信息学等学科相互渗 透融合，对系统工程的发展发挥的巨大的推动作用。 （1）一般系统论 （贝塔朗菲 ） 本世纪二十年代，奥地利学者贝塔朗菲研究理论 生物学时，用机体论生物学批判并取代了当时的机械 论和活力论生物学，建立了有机体系统的概念，提出 了系统理论的思想。 1945年他发表关于一般系统论，这可以看作 是他创立一般系统论的宣言。 贝塔朗菲定律：整体(系统)的属性与功能大于各孤立部分(小系统)的 简单总和。 发展时期(20世纪50年代至60年代)(续) （2）运筹学 : A.物资资运输问题输问题 ;B.深水炸弹弹爆炸深度问题问题 ;C.飞机极限使用问题 。 发展时期(20世纪50年代至60年代)(续) 系统工程 战略部署 克敌制胜！ 运筹学 战术安排 二战期间，产生和发展了运筹学，其广泛应用是系统工 程产生和发展重要因素。 （3）控制论 (维纳（N.Wiener，18941964） ) 维纳于1948年出版了控制论一书，揭示了机器、生物和人所 遵循的共同规律信息变换和反馈控制规律，为机器模拟人和动物的 行为或功能提供了理论依据，由此诞生了一门崭新的学科控制论。 研究大系统的结构方案、稳定性、最优化、 建模及模型简化等。 经典控制论现代控制论大系统控制理论 诺伯特维纳名言： 一个天才的儿童，如果在精神力量方面不 能与其天才相称，就必须取得巨大的成功，做 不到的话，他就很可能认为自己是个失败者， 而实际上也是个失败者。 发展时期(20世纪50年代至60年代)(续) （4）信息论 (美国数学家申农（C.E.Shannon）) 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。 在1948年的贝尔系统技术杂志的7月号 和10月号上，申农发表了其具有划时代意义的论 文： 通讯的数学理论 （ athematical heory of ommunication） 发展时期(20世纪50年代至60年代)(续) 初步成熟时期（20世纪60年代以后） n1965年美国学者麦考尔（R.E.Machal）编写了系统工程手册 n “阿波罗”登月计划的实现 始于1961年的阿波罗等月计划，是一项巨大的系统工程该 工程有300多万个零部件，参加人员约42万，2万多个企业，120 所大学与研究机构，耗资244亿美元，1969年实现登月。在这个 高科技系统下面，有众多的分系统，如：飞船系统、通讯系统 和测试系统等等。这些分系统下面又包含无数小系统。实现总 体最优。 3.系统工程的方法与步骤 逻辑维 知 识 维 时间维 环境科学 社会科学 工程技术 计算机科学 管理科学 经济 法律 运筹阶段 分析阶段 拟定方案 规划阶段 运行阶段 更新阶段 系统实施阶段 明 确 问 题 指 标 设 计 系 统 综 合