系统工程引论第一章系统的基本概念.ppt

参考教材1孙东川 林福永 孙凯编等 系统工程引论 清华大学出版社 20092陈宏民主编 系统工程导论 高等教育出版社 2006 第一章系统的基本概念 1 1引言1 2系统的定义与属性1 3系统的分类1 4系统的结构与功能1 5系统思想的演变 1 1引言人类社会当今处在一个什么时代 我们如何为自己所处的时代命名 有人说当今是后工业化时代 他们说 以蒸汽机的改进和大量使用为标志的工业革命 开始了工业化进程 后来又经过电力革命 核能革命 完成了工业化使命 在20世纪后期则进入了后工业化时代 有人说当今是知识经济时代 知识经济的提出源于1996年经济合作与发展组织 OECD 的 以知识为基础的经济 的报告 知识经济的标志之一就是承认知识的扩散与生产同样重要 知识经济是人类社会继游牧经济 农业经济 工业经济之后的经济 知识经济是以知识阶层为社会主体 以知识和信息为主要资源 以高技术产业和服务为支柱产业 以人力资本和科技创新为动力 以可持续发展为宏观特征的新型经济 有人说当今是网络经济时代 20世纪80年代出现了因特网 Internet 如今 以先进的计算机技术和通信技术为基础的信息网络无处不在 发挥着越来越大的作用 电子商务 电子政务 网络学院 远程教学 远程医疗 电子病历 网上购物 网上订票 上网检索 电子邮件 MIS 管理信息系统 HIS 医院信息系统 悄悄进入了我们的工作和生活中 人类是一天也离不开网络了 有人说当今是新经济时代 他们大概对上述几个名称不满意 于是提出 新经济时代 一词 其实这是权宜之计 因为新与旧是相对的 新 是层出不穷 与时俱进的 现在的经济相对于工业经济而言是 新经济 再过一百年或者几百年 现在的 新经济 恐怕就会是 旧经济 了 不过 暂时用一下这个名称以强调当代经济之 新 也未尝不可 还有人说当今是计算机时代 自1946年第1台现代意义上的计算机ENIAC出现以来 计算机不断更新换代 而且更新换代的周期越来越短 20世纪占主导地位的 50年代是电子管计算机 50年代未至60年代中期是晶体管计算机 60年代末至70年代末是集成电路电子计算机 70年代末至今是大规模集成电路和超大规模集成电路电子计算机 计算机的快速发展使其应用领域得到迅速扩展 如文字编排 数据处理 通信联络 设计绘图 教育培训以及各级各类管理工作 无处没有计算机的影子 电子计算机被称为 电脑 现代社会 不可一日无此君 还有人说当今是信息时代 20世纪40年代 人类终于发现 世界是由物质 能量 信息三大要素组成的 而不仅仅是由物质要素组成 或者由物质与能量两种要素组成 现在 没有人能否定信息的存在和作用 没有人能够不接受 不利用信息 信息的作用 处理信息的手段是前所未有的 信息网络 信息高速公路 电子商务 电子政务等 正在改变人类的工作习惯 生活习惯 思维方式 距离变得无关紧要 地球变得越来越小 整个世界可以被因特网 一网打尽 还有人说当今是纳米时代 纳米 nm 是一种度量单位 1nm等于1m的10亿分之一 相当于10个氢原子一个挨一个排起来的长度 纳米结构是指1 100nm尺度内的结构 在这个尺度范围内对原子重新组合 新物质就会表现出不同于单个原子或分子的性质 其基本的物理化学性质 如熔点 磁性 电容 导电性 发光等都可能产生重大变化 这种组合产生新物质的技术 就是所谓的纳米技术 nanotechnology 它使人类可以获得许多用于科研 生产 生活各个领域的新材料 还有人说当今是基因时代 破译基因密码 重组基因 克隆 制造干细胞 有关的新概念 新技术层出不穷 它们甚至有可能改变人类自身 因而引起了关于伦理道德的争论 还有人说是 航天时代 这是非常激动人心的 2003年10月15 16日 我国的神舟五号飞船成功发射 中国第一名航天员杨利伟邀游太空 中国成为 世界航天俱乐部 的第三名成员 2005年10月12 17日 搭载两名航天员费俊龙 聂海胜的神舟六号飞船成功发射 2008年9月25 28日 搭载3名航天员翟志刚 刘伯明 景海鹏的神舟七号飞船成功发射 翟志刚成为中国在太空出舱活动第一人 我国的探月工程已经起步 探月工程分为 绕 落 回 3个阶段 第一期为绕月工程 发射探月卫星 嫦娥一号 对月球表面环境 地貌 地形 地质构造与物理场进行探测 嫦娥一号于2007年10月24日发射升空 经过8次变轨后 于11月7日顺利进入高度为200公里 周期为127分钟的工作轨道 11月18日卫星转为对月定向姿态 11月20日开始传回探测数据 第二期工程时间定为2007 2010年 目标是研制和发射航天器 以软着陆的方式降落在月球上进行探测 第三期工程时间定在2011 2020年 目标是月面巡视勘察与采样返回 其中前期主要是研制和发射新型软着陆月球巡视车 对着陆区进行巡视勘察 后期即2015年以后 研制和发射小型采样返回舱 月表钻岩机 月表采样器 机器人操作臂等 采集关键性样品返回地球 对着陆区进行考察 为下一步载人登月探测 建立月球前哨站的选址提供数据资料 此段工程的结束将使我国航天技术迈上一个新的台阶 人类已经迈开步伐走向茫茫宇宙了 所有不同角度的概括都具有一定的道理 仁者见仁 智者见智 但是 如果换一个角度 从系统工程的角度看 我们要说 人类社会当今处在系统工程时代 什么是系统 什么是系统工程 系统工程的基本概念 基本原理是什么 这就是本课要讲述的内容 本章将主要介绍系统的基本概念 包括系统的定义与属性 系统的分类 系统的结构与功能以及系统思想的演变等 1 2系统的定义与属性1 2 1系统的定义系统工程 systemsengineering SE 的研究对象是系统 system 系统概念是系统工程的核心和基本概念 系统 一词是大家熟悉的 在汉语中 它通常是作为名词来使用 有时也作为形容词和副词使用 作为系统工程的科学术语 则需要在日常用语的基础上加以提炼和界定 系统无处不在 自然界和人类社会存在着多种多样的系统 在研究系统的分类之前 先让我们列举几组不同类型的系统 例如 一辆汽车 一架飞机 一列火车 一台计算机 一个校园网分别都是一个系统 一个国家 一个政府 一支军队 一个企业 一所学校 一家医院 一支乐队 一个球队 一个家庭也分别都是一个系统 一项工程 例如三峡工程 西部大开发 振兴东北 神舟五号 抗击SARS 举办 奥运 一本教科书 一篇文章 一首歌曲 一张中药处方同样分别都是一个系统 银河系 太阳系 地球 大森林 动植物群落以及联合国 WTO仍然都是一个系统等 这些系统的形态和性质是大不一样的 系统可以互相包含与被包含 可以互相交叉和融合 系统是普遍的客观存在 每一个人都生活在系统之中 而且是生活在多种多样 互相交叉的系统之中 但是 并非任何事物或者事务都可以随心所欲地被称为系统 相对于一辆汽车而言 拆卸下来的若干齿轮与螺丝钉不构成系统 相对于一个球队而言 游离活动的几名队员不构成系统 相对于一场球赛 正常的犯规行为 可能有多次 不构成系统 海边沙滩上休闲的人群不构成系统 在盒子里放得整整齐齐的一副象棋 也不构成系统 从许许多多 实实在在的系统和 非系统 中可以提炼出如下的定义 所谓系统 是由相互联系 相互作用的许多要素结合而成的具有特定功能的统一体 这个统一体又称为整体或总体 要素又称为元素 部分 局部或零部件 在一定的意义上 又称为子系统 系统整体与构成系统的部分是相对而言的 整体中的某些部分可以被看成是该系统的子系统 而整个系统又可成为一个更大规模系统中的一个组成部分或者子系统 例如 一辆汽车或一架飞机的发动机 一个企业的某一条生产线 一所大学的某一个学院等 都分别是一个子系统 而一辆汽车对于一个车队 一架飞机对于一个航空公司 一个企业对于国民经济 一所大学对于全国的或地区的高教系统来说 分别只是其中的一个组成部分或者一个子系统 从系统工程的角度而言 系统的范围或规模是根据我们研究问题的需要而决定的 系统具有特定的结构 表现为一定的功能和行为 系统整体的功能和行为由构成系统的要素和系统的结构决定 而这些功能和行为又是系统的任何一部分都不具备的 某种特定的系统 通常是自然科学和社会科学某一学科的研究对象 例如 太阳系是天文学研究对象 植物群落是植物学研究对象 动物群落是动物学研究对象 人体和疾病是医学研究对象 社会制度是历史学和社会学研究对象等 系统工程以及系统科学 系统工程是系统科学部门的工程技术 的研究对象并不限于某种特定的系统 也不重复其他学科的研究 而是研究各种系统的普遍属性和共同规律 研究各种系统的有效组织与管理问题 中外学者从不同的角度对系统的定义作过描述 例如 美国的韦伯斯特 Webster 大辞典把系统称为 有组织的或被组织化的整体 相联系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的集合 一般系统论的创始人奥地利生物学家冯 贝塔朗菲把系统称为 相互作用的多要素的复合体 如果一个对象集合中存在两个或两个以上的不同要素 所有要素按照其特定方式相互联系在一起 就称该集合为一个系统 其中的要素是指组成系统的不同的最小的 即不需要再细分的 组成部分 钱学森院士在回顾我国研制 两弹一星 的工作历程时说 我们把极其复杂的研制对象称为 系统 即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体 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 在汉语中与System一词相对应的名词还有体系 体制 制度此外 在管理学原理和企业管理中用得最多的单词之一组织 organization 其意义与系统 system 是很相近的 而且常常是等同的 1 2 2系统的属性从系统工程的观点来看 系统的属性主要有一下几个方面 1 集合性集合性表明系统是由许多 至少两个 可以相互区别的要素组成 例如 一个工业企业是一个系统 它的要素集合如图1 1所示 2 相关性所谓相关性是指系统内部的要素与要素之间 要素与系统之间 系统与其环境之间存在着这样那样的联系 联系又称关系 常常是错综复杂的 如果不存在相关性 众多的要素就如同一盘散沙 只是一个集合 set 而不是一个系统 system 3 层次性一个大的系统 包含许多层次 上下层次之间是包含与被包含的关系 或者领导与被领导的关系 例如 我国的行政系统包含国家 省 自治区 直辖市 市 县 乡镇 军队包含军 师 旅 团 营 连 排 一所大学包含学校 学院 系 教研室 一个大企业包含总公司 分公司 工厂 车间 班组 图1 2表示了企业管理的层次 它分为战略计划层 高层 经营管理层 中层 和作业层 基层 大企业的中层又可以分为若干层次 构成一座金字塔 在组织管理工作中 系统的层次与管理的跨度是一对矛盾 从个人的管理能力而言 管理跨度的平均值是一个常数 被称之为 奇妙的7 即一个管理者 他能够直接有效管理的下属是7人左右 不会太多 如果利用计算机技术 建立性能卓越的管理信息系统 MIS 提高管理的跨度 就可以减少管理的层次 当然 管理岗位的设置要考虑多种因素 并非如此单一 但是可以确信 在当代的计算机和信息技术条件下 管理组织的结构可以由金字塔趋向扁平化 在实际管理工作中 层次性并非是一成不变的 在一般情况下 上一级指挥下一级 下一级服从上一级 下一级向上一级反映情况 在特殊情况下 也可以 越级指挥 越级反映情况 上访 上告 我们把前者称为规范的层次性 把后者称为不规范的层次性 后者并不是可有可无的 而是对前者的必要补充 例如 中国共产党党章规定 党员有权 向党的上级组织直至中央提出请求 申诉和控告 并要求有关组织给以负责的答复 党的任何一级组织直至中央都无权剥夺党员的上述权利 4 整体性系统是作为一个整体出现的 是作为一个整体存在于环境之中 与环境发生相互作用的 系统的任何组成要素或者局部都不能离开整体去研究 系统的整体性又称为系统的总体性 全局性 系统的局部问题必须放在系统的全局之中才能有效地解决 系统的全局问题必须放在系统的环境之中才能有效地解决 局部的目标和诉求 要素的质量 属性和功能指标 要素与要素之间 局部与局部之间的关系 都必须服从整体或总体的目的 它们共同实现系统整体或总体的功能 系统的功能和特性 必须从系统的整体或总体来加以理解 加以要求 使之实现并且优化 系统的整体观念或总体观念是系统概念的精髓 5 涌现性系统的涌现性包括系统整体的涌现性和系统层次间的涌现性 系统的各个部分组成一个整体之后 就会产生出整体具有而各个部分原来没有的某些东西 性质 功能 要素 系统的这种属性称为系统整体的涌现性 系统的层次之间也具有涌现性 即当低层次上的几个部分组成上一层次时 一些新的性质 功能 要素就会涌现出来 6 目的性系统工程所研究的对象系统都具有特定的目的 研究一个系统 首先必须明确它作为一个整体或总体所体现的目的与功能 人们正是为了实现一定的目的 才组建或改造某一个系统的 例如 学校的目的主要是培养合格的人才 企业的目的主要是生产合格的产品 提供相应的服务 并获取显著的经济效益等 明确系统的目的性 是开展系统工程项目的首要工作 与目的一词意义相近的术语有目标 指标 系统的目的常常通过更具体的目标或指标来描述 系统总是多目标或多指标的 它们也分为若干层次 构成一个指标体系 7 系统对于环境的适应性任何一个系统都存在于一定的环境之中 在系统与环境之间具有物质的 能量的和信息的交换 环境的变化必定对系统及其要素产生影响 从而引起系统及其要素的变化 系统要获得生存与发展 必须适应外界环境的变化 这就是系统对于环境的适应性 系统必须适应环境 就像要素必须适应系统一样 从图1 3可看到 这就要求研究系统时必须放宽眼界 不但要看到整个系统本身 还要看到系统的环境或背景 只有在一定的背景上考察系统 才能看清系统的全貌 只有在一定的环境中研究系统 才能有效地解决系统中的问题 总之 系统这个概念 其含义十分丰富 它与要素相对应 意味着总体与全局 它与孤立相对应 意味着各种关系与联系 它与混乱相对应 意味着秩序与规律 研究系统 意味着从事物的总体与全局上 从要素的联系与结合上去研究事物的运动与发展 找出其固有的规律 建立正常的秩序 实现整个系统的优化 这正是系统工程的宗旨 案例 大学一所大学就是一个复杂的系统 它由学校的校级党政机关和各个院系 部处以及工会 共青团 学生会等组织机构所组成 所有这些机关 院系 部处和其他组织都可以看作大学系统的元素或者子系统 大学的特定功能是为社会培养有用人才 同时创造新知识和新思想 学校党政机构与这些院系 部处和其他组织之间存在看委托 授权 监督 管理等关系 不同的院系之间 部处之间 以及各院系与部处之间也存在诸多的横向联系 这些联系表现为相互促进 相互支持和相互制约 这些机构 院系和部处以及他们之间的所有关系构成了学校这个整体 学校为了更好地培养社会有用之才 创造新知识 新思想 不仅要重视各院系 各部处的建设 更要理顺它们之间的关系 发挥各院系 部处的协同效应和集成效应 在校党政机关的统一领导下 使这些院系 部处构成一个有机的整体 说大学中的一个院系 部处或者学生会组织是一个子系统 是因为它一方面是大学整体中的一个有机组成部分 另一方面它本身也具有系统的特点 比如学校的学生会组织下还有各个学院或者系的学生会组织 再往下还有各个班级的班委会 这些组织之间显然存在着各种各样的关系 有的学校校级学生会是各个系组织的联盟 也有的学校的系学生会与校学生会之间有明显的隶属关系 对于复杂系统而言 其内部子系统的层次数是刻画其复杂性的一个重要标志 1 3系统的分类1 3 1按照系统属性分类1 按自然属性分为自然系统与社会系统自然系统是自然形成的 单纯由自然物 如天体 矿藏 生物 海洋等 组成的系统 例如太阳系 地质构造 原始森林 它们不具有人为的目的性与组织性 所以不是系统工程直接研究的对象 所谓社会系统是指由人介入自然系统并且发挥主导作用而形成的各种系统 它们具有人为的目的性与组织性 社会系统又称为人工系统 人造系统 社会系统 按照其研究对象 可以分为经济系统 教育系统 行政系统 医疗卫生系统 交通运输系统 科技系统 军事系统等 其中经济系统又可以进一步细分为工业系统 农业系统 工业系统又可以进一步细分为重工业系统 轻工业系统 化工系统等 社会系统通常都具有经济活动 所以社会系统又常常称为社会经济系统 自然系统及其规律是社会系统的基础 值得指出的是 社会系统 尤其是工业企业 常常导致自然系统的破坏 造成各种公害 正确处理两者之间的关系 控制污染 保护环境 是系统工程的重要课题 今天 保护环境 保护生态 实现可持续发展 已经成为全人类的共识 2 按物质属性分为实体系统与概念系统实体系统是由物质实体所组成 物质实体包括矿物 生物 能量 机械等各种自然物和人造物 人是有主观能动性的物质实体 概念系统则是由概念 原理 法则 制度 规定 习俗 传统等非物质实体所组成 是人脑和习惯的产物 是实体系统在人类头脑中的反映 机械系统是实体系统 但是它的运行需要利用技术 如方法 程序等 而后者是概念系统 在实际系统中 实体系统与概念系统是紧密结合在一起的 实体系统是概念系统的基础 概念系统为实体系统提供指导和服务 实体系统又叫做 硬系统 它主要由硬件组成 概念系统又叫做 软系统 它主要由软件组成 3 按运动属性分为静态系统与动态系统所谓静态系统是其状态参数不随时间显著改变的系统 没有输入与输出 例如未开动的洗衣机 停工待料的工厂等 如果系统内部的结构参数随时间而改变 具有输入 输出及其转化过程 则谓之动态系统 如生产系统 交通系统 服务系统 人体系统等均是动态系统 系统的静态与动态是相对划分的 严格的静态系统是难以找到的 只是有些系统在考察的时间尺度之内 其内部结构与状态参数变化不大的情况下 为研究问题方便 而忽略这些结构与参数的改变 将其近似视为静态系统而已 寒暑假期间的学校 教学活动停止了 大部分学生回家了 机关部门也半休或全休 此时的学校可以说是处于静止状态 4 按系统与环境间的关系分为开放系统与封闭系统与外界环境之间存在着物质的 能量的 信息的流动与交换的系统 称之为开放系统 如果系统与环境之间不发生这些流动与交换 则称之为封闭系统 实际上 严格的封闭系统也是难以找到的 为了研究问题的方便 有时忽略一些较少的流动与交换现象 将这种系统近似看成为 封闭系统 流动现象有两类 一类是由环境向系统的流动 我们称其为系统的输入或干扰 另一类是由系统向环境的流动 我们称其为系统的输出 用圆圈表示系统 用指向系统的箭头线表示输入 用指离系统的箭头线表示输出 则一般的开放系统可用图1 4来表示 开放系统是动态的 活的 系统 封闭系统是僵化的 死的 系统 系统由封闭走向开放 就可以增强活力 焕发青春 5 按反馈属性分为开环系统与闭环系统在开放系统中 系统的输出反过来影响系统输入的现象 称为反馈 增强原输入作用的反馈称为正反馈 削弱原输入作用的反馈称为负反馈 负反馈使得系统行为收敛 正反馈使得系统行为发散 通常讲的 良性循环 与 恶性循环 实际上都是正负反馈作用的表现 没有反馈的系统为开环系统 具有反馈的系统为闭环系统 系统的反馈主要是信息反馈 一般来说 反馈是指负反馈 开环系统可以用图1 5表示 闭环系统可用图1 6表示 6 按照人在系统中工作的属性分为作业系统与管理系统人类的全部活动可以分为两大类 作业活动与管理活动 作业活动是人类在生活 生产中最基本的活动 即直接作用于外界或自身 例如吃饭 穿衣 走路 睡觉等 的活动 我们不妨称之为第一类活动 管理活动作用于作业活动 是对各种作业进行编排和组织的活动 不妨称之为第二类活动 第二类活动以第一类活动为活动对象 使得第一类活动能够有条不紊地进行 实现预定的目标 在任何一项工程中 作业系统与管理系统是紧密结合 难以截然分离的 即便在个人的日常生活中也是这样 在实用词语上常常有交叉 例如说管理作业 那是对管理活动的细分 这里的 作业 二字已不是第一类活动了 自然界和人类社会的许多系统是十分复杂的 以上的分类并不是绝对的 一个复杂的系统往往是多种系统形态的组合与交叉 系统工程所研究的系统 是动态的 开放的 具有反馈的社会系统 是包含实体系统和概念系统在内的复合系统 系统工程就是组织管理系统的技术 1 3 2按照系统的综合复杂程度分类 由图1 7可以看出 系统的复杂性由下向上不断变化 框架这是最简单的系统 如桥梁 房子 其目的是交通和居住 其部件是桥墩 桥梁 墙 窗户等 这些部件有机地结合起来提供服务 它们是静态系统 虽然从微观上说它们也在动 时钟它按预定的规律变化 什么时候到达什么位置是完全确定的 虽动犹静 控制机械它能自动调整 如把温度控制在某个上下限内或者控制物体沿着某种轨道运行 当因为偶然的干扰使运动偏离预定要求时 系统能自动调节回去 细胞它能新陈代谢和自繁殖 它有生命 是比物理系统更高级的系统 植物这是细胞群体组成的系统 它显示了单个细胞所没有的作用 它是比细胞复杂的系统 但其复杂性比不上动物 动物动物的特征是可动性 它有寻找食物 寻找目标的能力 它对外界是敏感的 它也有学习的能力 人类人有较大的存储信息的能力 说明目标和使用语言均超过动物 人还能懂得知识和善于学习 人类系统还指人作为群体的系统 社会这是人类政治 经济活动等上层建筑的系统 社会系统就是组织 宇宙这不仅包括地球以外的天体 而且包括一切我们现在还不知道的东西 这里底层三个是物理系统 中间三个是生物系统 最高层三个是最复杂的系统 1 3 3钱学森院士的分类钱学森院士提出如下分类 1 按照系统规模可以分为小系统 大系统 巨系统 2 按照系统结构的复杂程度可以分为简单系统和复杂系统 把两个标准结合起来进行分类 形成一种新的完备分类 如图1 8所示 钱学森院士还很重视系统的开放性 倡导研究开放的复杂巨系统 全国规模的社会经济系统就是一种开放的复杂巨系统 因特网也是开放的复杂巨系统 实际上 钱学森院土提供了研究系统分类的一个三维坐标系 如图1 9所示 复杂系统有巨系统 也有小一些的系统 但是 系统工程研究的重点是大系统 巨系统 尤其是开放的复杂巨系统 1 4系统的结构与功能1 4 1系统的结构各种系统的具体结构是大不一样的 许多系统的结构是很复杂的 从一般的意义上说 系统的结构可以用以下式子表示 S E R 1 2 这里 S表示系统 system E表示要素 elements 的集合 R表示建立在集合E上的各种关系 relations 的集合 由式 1 2 可知 作为一个系统 必须包括其要素的集合与关系的集合 两者缺一不可 两者结合起来 才能决定一个系统的具体结构与特定功能 要素集合E可以分为若干子集Ei 例如一个企业 其要素集合E可以分为人员子集E1 设备子集E2 原材料子集E3 产品子集E4等 而人员子集Ei又可以分为工人子集E11 技术人员子集E12 管理人员子集E13等 即E E1 E2 E3 1 3 E1 E11 E12 E13 1 4 不同的系统 其要素集合E的组成是大不一样的 例如学校与企业 企业与军队 中国与美国 其要素集合E的组成有很大差异 但是 在要素集合E之上建立的关系集合R 对系统论而言 却是大同小异的 R R1 R2 R3 1 5 式中 R1 要素与要素之间 局部与局部之间的关系 横向联系 R2 局部与全局 系统整体 之间的关系 纵向联系 R3 系统整体与环境之间的关系 R4 其他各种关系 当然 每一个Ri那是可以细分的 例如R1 不但包含同一层次上不同局部之间 不同要素之间的关系 还包含系统内部不同层次之间的关系 但是 无论对于学校 企业 军队或者国家 式 1 5 都是成立的 在系统要素给定的情况下 调整这些关系 就可以提高系统的功能 这就是组织管理工作的作用 是系统工程的着眼点 系统的涌现性存在于集合R之中 如果说集合E代表了系统的躯体 那么 系统的灵魂存在于集合R之中 系统工程的工作重点在于集合R 即塑造或改造系统的灵魂 1 4 2系统的功能从图1 10可以看出 系统的功能包括 接受外界的输入 在系统内部进行处理和转换 加工 组装 向外界输出 系统的输入是作为原材料的物质 能量与信息 系统的输出是经过处理和转换后的物质 能量与信息 例如产品 人才 成果 服务等 所以 系统可以理解为是一种处理和转换机构 它把输入转变为人们所需要的输出 也可以将系统看成一种函数关系 用数学公式表示为Y F X 1 6 其中 自变量X是输入的原材料 应变量Y是产品和服务 X与Y都是矢量 也就是说是多输入 多输出的 F也可能是矢量函数 即系统具有多种处理和转换功能 从狭义来讲 处理和转换就是系统的功能 扩大一些说 把接受输入与向外输出也作为系统的功能 对于闭环系统 往往把反馈也作为系统的功能 系统工程的任务旨在提高系统的功能 特别是提高系统处理和转换的效率 即在一定的输入条件下 使得输出多 快 好 或者 在一定的输出要求下 使得输入尽可能少与省 在早期的系统理论中有一种一般系统论 它是由奥地利生物学家冯 贝塔朗菲在20世纪中叶创立的 一般系统论重申亚里士多德的一个论断 整体大于部分之和 用数学公式表示为F fi 1 7 其中 F为系统的功能 fi为系统的构成要素的功能 这是系统理论的经典之一 系统工程的主旨就是要实现式 1 7 而且使左边越大于右边越好 这里说的大于 也可以代之以多于 高于 优于 例如 可靠性理论指出 可以用可靠度低一些的元件组装可靠度很高的整机 这是对式 1 7 的另一种说明 在该式的英文陈述中实际上是多于 这是因为 当要素组成系统之后 要素之间发生了这样那样的联系 包括分工与合作 由于层次间的涌现性和系统整体的涌现性使系统的功能出现了量的增加和质的飞跃 俗语说 一个巧皮匠 没张好鞋样 两个笨皮匠 彼此有商量 三个臭皮匠 赛过谙葛亮 这正是对于式 1 7 的生动叙述 然而 不等式 1 7 的成立是有条件的 在不协调的关系下 其不等号的方向亦可以反过来 例如俗话说 一个和尚挑水吃 两个和尚抬水吃 三个和尚没水吃 式 1 7 能否实现 关键在于要素之间的关系 在于系统的结构 既然如此 调整要素之间的关系 建立合理的系统结构 就可以提高和增加系统的功能 我们搞改革开放 主要就是调整各种关系 包括集合R的各个子集Ri 即地方与地方的关系 地方与中央的关系 中国与外国的关系等 改革开放的成功 带来了国民经济的繁荣 社会局面的安定团结以及中国国际地位的提高 必须说明 系统的功能或总体效果最优 并不是要求系统的所有组成要素都孤立地达到最优 那样会使系统的成本太高 另一方面 系统的所有组成要素都孤立地达到了最优并不意味一定能有系统功能或总体效果的最优 为了实现系统总体效果最优 有时还要遏制甚至牺牲某些局部的效果 利益 这里面有一个协调的问题 有一种 抓总 的工作 统筹兼顾的安排 即整个系统的合理组织与管理 各种资源的合理配置与使用 这正是系统工程所要做的工作 1 5系统思想的演变任何一个学科 如果要探讨其朴素的基本思想起源 都可以追溯到很远 人类远在能说出什么是系统概念 什么是系统工程之前 就已经在一定程度上辩证地 系统地思考和处理问题了 因为人类从来都是处于一定的自然系统与一定的社会系统之中 系统的存在决定了人类的系统意识 在人类历史上 凡是人们成功地从事比较复杂的工程建设和其他社会活动时 就已经不自觉地运用了系统思想和系统工程的某些方法 正像人们不自觉地运用辩证法与唯物论一样 下面先做一些古例分析来阐明这一点 然后沿着历史的轨迹来察看系统思想和系统方法的演变 必须说明 这些典型的古例在今天看来 明显地带有系统思维和系统工程的特征 虽然它并不意味着系统工程学科古已有之 但是却有力地证明了系统工程学科的出现乃是历史的必然 它是人类改造客观世界的强大武器 1 5 1古例分析1 大禹治水传说在4000多年以前 神州大地洪水泛滥 舜先派鲧治水 鲧采取 湮 的办法 治了9年 什么效验也没有 受了处分 被冲军到羽山 舜又派大禹治水 大禹经过调查研究 认识到他父亲鲧采用 湮 的办法是错误的 毅然决定改用 导 的办法 他率领群众挖了9条大川 放田水入川 放川水入海 他把全国分成12州5大区 分派5个首领掌管 在治水过程中 他还注意调运物资 救济灾荒 让大家有饭吃 不断改善生活 调动广大群众的积极性 经过13年的艰苦奋斗 终于治理了洪水 由于治水有功 大禹深受人民群众的信任与爱戴 舜就把 国家元首 的职位禅让给他 这个故事所体现的系统思想是很明显的 处理的问题是一个开放的复杂巨系统 不仅包括 治水 的工程问题 而且包括 治人 的社会问题 大禹采用的方法是优的 导 他实现的系统的总体效果也是优的 治理了洪水 得到了 禅让 即实现了 一个系统 两个最优 2 都江堰 成都平原位于四川省的北部 自古以来 那里的几百万亩农田主要依靠岷江水灌溉 但是 在利用岷江水源时遇到了几个迫切需要解决的难题 1 没有灌溉网络 水资源利用率不高 2 由于岷江水源的很大部分来自于雪山上的冰雪融化 水量的季节分布很不均匀 3 每年春天 伴随着雪水的融化 有大量山上的沙石冲击而下 如果直接用带有大量沙石的河水进行灌溉 农田的土壤会受很大损害 4 如果要建设水利工程 不能影响岷江的通航功能 为了解决上述诸多问题 战国时代 公元前250年 秦国太守李冰父子主持修建了著名的都江堰水利工程 整个工程的构思与设计非常巧妙 在科学技术还很不发达的古代堪称一绝 工程包括三个主要部分 鱼嘴 飞沙堰 和 宝瓶口 首先 在岷江的一个拐角处设置 鱼嘴 把岷江分为内江和外江 外江保持通航而内江作为灌溉的水源 鱼嘴 是个分水工程 根据现代水利工程者的测试 鱼嘴 的拐角位置选择得非常合适 它能够做到 当岷江水量很多时 大部分水量通过拐角的反弹流向外江 而当水量较少时 大部分江水合流入内江 以用于灌溉 其次 在 鱼嘴 下游内江侧一两公里处劈山开凿了引水口 宝瓶口 这是一项引水工程 把内江的水通过 宝瓶口 引向成都平原的数百万亩农田 用以灌溉 最后 为了进一步调节水位和减少岷江的沙石随江水进入农田 又在距 宝瓶口 不远的下游处修建了 飞沙堰 分洪排沙工程 飞沙堰 是一条岷江的内江通向外江的几乎与水面齐平的堤堰 当内江水流量较大时 一部分江水可以通过 飞沙堰 从内江回到外江 以进一步调控用于灌溉的水量 同时根据江流特点 大块的沙石都漂浮在江水的上层 容易从堤堰上溢过而回到外江 飞沙 因此而命名 以减少对农田灌溉的负面效应 3 田忌赛马公元前350多年的战国时代 齐威王同田忌赛马 约定每胜一匹赢得千金 他们各出三匹马 分成上 中 下三个等级 田忌的上等马劣于齐王的上等马而优于齐王的中等马 田忌的中等马劣于齐王的中等马而优于齐王的下等马 田忌的下等马劣于齐王的下等马 如果用同等的马比赛 田忌必定三场皆输 田忌在谋士孙膑的建议下 用下等马对齐王上等马 用中等马对齐王下等马 用上等马对齐王中等马 结果二胜一负 总和为胜 赢得千金 我们看到 系统的要素没有变化 比赛双方及其6匹马 但是运用不同的策略 进行不同的组合 得到了不同的总体效果 4 丁渭工程北宋 宋真宗统治时期 皇城失火 宫殿被毁 皇帝任命一个名叫丁渭的大臣负责皇宫的修复工程 这项工程怎样才能进行得又快又好 经过反复考虑 丁渭提出一套施工方案 首先把皇宫旧址前面原有的一条大街挖成沟渠 用挖沟的土烧砖 解决部分建筑材料问题 再把开封附近的汴水引入沟内 形成航道 从外地运输砂石木料等 待皇宫修复后 把沟里的水排掉 用建筑垃圾 废弃杂物填入沟中 恢复原来的大街 这是一个杰出的方案 它把皇宫修复全过程看成一个系统 划分成许多并行的与交叉的作业子系统 蕴涵了统筹法 PERT CPM 的原理 1 5 2系统思想的演变朴素的系统思想 不仅表现在古代人类的实践中 而且在古代中国和希腊的哲学思想中也得到了反映 古代杰出的思想家都从承认统一的物质本原出发 把自然界当作一个统一体 古希腊辩证法奠基人之一赫拉克利特在 论自然界 一书中说过 世界是包括一切的整体 我国春秋末期的思想家老子强调自然的统一性 道生一 一生二 二生三 三生万物 南宋陈亮提出 理一分殊 思想 试图从总体角度说明部分与总体的关系 其 理一 是说天地万物具有协调一致的总体规律 分殊 是说在这个总体规律之下各种事物的功能 形态和规律是多种多样的 中国是一个文明古国 合久必分 分久必合 在几千年的文明史中 统一的年代多于分裂的年代 中国人关于 大一统 的思想是非常强烈的 普天之下 莫非王土 率土之滨 莫非王臣 今天的中华民族是由56个兄弟民族经过长期融合而形成的伟大民族 统一的思想 融合的实践 就是系统思想及其实践 古代朴素唯物主义哲学思想虽然强调对自然界的总体性 统一性的认识 却缺乏对这一总体各个细节的认识能力 因而对总体和统一性的认识是不完全的 对自然界这个统一体各个细节的认识 则是近代科学的任务 15世纪下半叶 近代科学开始兴起 力学 天文学 物理学 化学 生物学等学科逐渐从浑然一体的古代哲学中分离出来 获得日益迅速的发展 近代自然科学发展了研究自然界的方法论 称为还原论 及其一整套分析方法 包括实验 解剖 观察以及数据的收集 分析与处理 把自然界的细节从总的自然联系中抽出来 分门别类地加以研究 这种自然科学的方法上升到哲学 就成为形而上学 形而上学的出现是有历史根据的 是时代的需要 在深入的 细节的考察方面它比古代哲学是一个进步 但是 形而上学撇开总体的联系去考察事物和过程 因而它就堵塞了自己从了解部分到了解总体 观察普遍联系的道路 著名的德国物理学家普朗克 量子论的奠基人 较早地认识到了这一问题 他指出 科学是内在的整体 它被分解为单独的部分不是取决于事物本身 而是取决于人类认识能力的局限性 实际上存在着从物理学到化学 通过生物学和人类学到社会学的连续的链条 这是任何一处都不能被打断的链条 系统思想 系统工程和系统科学就是研究这根链条的 在近代科学技术发展的基础上 到了19世纪 系统思想进一步从经验上升为哲学 从思辨进展到定性论述 19世纪上半期 自然科学取得了伟大的成就 特别是能量转化 细胞和进化论的发现 使人类对自然过程相互联系的认识有了很大提高 恩格斯说 由于这三大发现和自然科学的其他巨大进步 我们现在不仅能够指出自然界中各个领域内的过程之间的联系 而且总的来说也指出了各个领域之间的关系 这样 我们就能够依靠经验自然科学本身所提供的事实 以近乎系统的形式描绘出一幅自然界联系的清晰图画 19世纪的自然科学本质上是整理材料的科学 关于过程 关于这些事物的发生和发展以及关于把这些自然过程结合为一个伟大整体的联系的科学 这样的自然科学 为唯物主义哲学提供了丰富的材料 马克思主义的辩证唯物主义认为 物质世界是由无数相互联系 相互依赖 相互制约 相互作用的事物和过程所形成的统一体 辩证唯物主义体现的物质世界普遍联系及其统一性的思想 就是系统思想 70多年前 奥地利生物学家冯 贝塔朗菲也较早地看到了还原论的局限性 他指出 当生物学的研究深入到细胞层次以后 对生物体的整体认识和对生命的认识反而模糊 渺茫了 于是他领悟到在分解还原的同时 还应回过头来从系统的整体上研究问题 这样就转到了系统方法上 提出了一般系统论 贝塔朗菲把生物的整体 生物整体及其环境作为系统来研究 并且研究更广泛的问题 例如人的生理 人的心理以及社会现象等 1937年贝塔朗菲在美国芝加哥大学C Monis主持的哲学讨论会上第一次提出了一般系统论的概念 他是从有关生物和人体系统的问题出发的 其理论可以归纳为四点 整体性原则 动态结构原则 能动性原则和有序性原则 第一 在他看来 生物体是一个开放系统 生命的本质不仅要从生物体各个组成部分的相互作用去认识 而且要从生物体和环境的相互作用中去说明 生物体是在有限的时空中具有复杂结构的一种自然整体 从中分割出来的某一部分截然不同于在生物体中发挥作用的那一部分 生物体的各个部分是不能离开整体而独立存在的 就人而言 精神同肉体有着不可分割的联系 一般地 分立部分的行为不同于整体的行为 第二 生物体是一种动态结构 以其组成物质的不断变化为自身存在的条件 代谢作用是每一机体的基本特征 而由于代谢 机体的组成要素每时每刻都在变化 所以生物体与其说是存在的 不如说是发生与发展的 第三 生物体是一个能动系统 具有自身目的性与自动调节性 例如心跳 呼吸等生理机能主要地不是对外界刺激的反应 而是维持自身生存的内在要求的实现 相反 被动系统 例如机器 只有被动的更换性 第四 生命问题本质上是个组织问题 而生物体组织是有序的 所以 对生命现象必须在生物体组织的所有层次 物理化学层次 基因层次 细胞层次 器官组织层次 个体层次以及群体层次上加以研究 每一层次的存在 总是以其次级层次的生长 衰老和死亡为前提的 这正是生命的表现形式 正是生物的繁衍途径 社会实践活动的大型化和复杂化 要求系统方法不仅能定性 而且能定量 解决当代社会种种复杂的系统问题 定量要求越来越强烈 这尤其表现在军事活动中 因为战争中决策的成败关系到国家的生死存亡 第二次世界大战是定量化系统方法发展的里程碑 这次战争在方法和手段上的复杂程度较以往的战争有很大增长 交战双方都需要在强调全局观念 从全局出发合理使用局部 最终求得全局效果最佳的目标下 对所拟采取的措施和反措施进行精确的定量研究 才有希望在对抗中取胜 这样一种强烈的需要 以极大的力量把一大批有才干的科学家和工程师吸引到拟订与评价战争计划 改进作战技术与军事装备使用方法的研究中 其结果就是定量化系统方法及强有力的计算工具 电子计算机的出现及其成功的运用 1946年 美国学者莫尔斯和金博尔编写了 运筹学的方法 一书 1948年 美国科学家维纳编写了 控制论 或关于在动物和机器中控制和通信的科学 一书 同年 香农编写了 通信的数学理论 一书 它们分别标志了运筹学 控制论和信息论学科的诞生 第二次世界大战以后 定量化系统方法凭借电子计算机广泛地被用来对工程 经济 社会领域的大型复杂系统的问题进行分析 一旦取得了数学表达形式和计算工具 系统思想和方法就从一种哲学思维发展成为专门的学科 系统工程 系统工程从辩证唯物主义中吸取了丰富的哲学思想 从运筹学 控制论 信息论和其他工程学科 社会科学中获得了定性与定量相结合的科学方法 并充实了丰富的实践内容 当代科学技术对于系统思想方法来说 一方面使系统思想定量化 发展成为运用数学理论 能够定量处理系统各个组成部分的关联的科学方法 另一方面为定量化系统思想的应用提供了强有力的计算工具和智能化工具 电子计算机 电脑 运筹学 控制论 信息论的成就把科学的定量的系统思想的适用范围 从自然系统扩展到社会系统 从物理学范畴扩展到事理学范畴 20世纪七八十年代 产生了系统自组织理论 比利时物理化学家普利高津于1969年提出了耗散结构理论 与此同时 德国物理学家哈肯提出了协同学理论 耗散结构理论和协同学理论从宏观 微观以及两者的联系上回答了系统自动走向有序结构的基本问题 其成果被称为自组织理论 20世纪70年代还有一些理论对系统科学的发展有着重要的意义 德国科学家艾根吸收了进化论思想和自组织理论 于1979年提出了超循环理论 把生命起源解释为自组织现象 提出了自然界演化的自组织原理 超循环理论 法国数学家托姆于1972年发表了 结构稳定性与形态发生学 对突变现象及其理论作出了系统的深刻的阐述 创建了突变论 20世纪80年代以来 非线性科学和复杂性研究的兴起对系统科学的发展起到了非常积极的推动作用 国际学术界兴起了对复杂性的研究 一个突出的标志是1984年在美国新墨西哥州首府圣菲成立了以研究复杂性为宗旨的圣菲研究所SFI 这是由3位美国诺贝尔奖获得者 物理学家盖尔曼 经济学家阿罗和物理学家安德森为首的一批不同学科领域的著名科学家组织和建立的 其宗旨是开展跨学科 跨领域的研究 他们称之为复杂性研究 SFI提出 适应性造就复杂性 他们注重于研究复杂适应系统 CAS 并且研制出相应的系统软件平台SWARM 系统工程的另一个基本概念是优化 它与系统概念密切相关 也是人类自古就有的 寻求最优 如多 快 好 省 准确 精确 精密等 既是人类的本能 又是人类有意识的活动 寻求最优 也是生物界普遍的能动行为 蜂巢的结构 使得建筑学家叹为观止 小小的蜜蜂 用很少的材料建造最大的空间 构筑了自己的 住宅群 蜂巢的角度是十分精确的 向日葵花盘的转动 使它能够吸收尽可能多的太阳光和热 这些 不都是寻求最优吗 对于 万物之灵 的人类来说 一方面 随着生产力的发展和科学技术的进步 人类关于优化的概念 实现最优的手段不断加强 另一方面 可以说 正是人类有意识地研究系统 寻求最优 推动了生产力的发展和科学技术的进步 形成了各种工程技术 钱学森院士指出 系统思想和系统方法是进行分析和综合的辩证思维工具 它在辩证唯物主义那里取得了哲学的表达形式 在运筹学和其他系统科学那里取得了定量的表达形式 在系统工程那里获得了丰富的实践内容 系统思想经历了从经验到哲学又到科学 从思辨到定性又到定量的发展过程 习题1 1系统的定义是什么 其中有哪些要点 请在其他文献上再找出两种关于系统的定义进行比较 1 2请查阅我国权威词典和其他英语词典上关于系统的解释 与本书关于系统的概念进行比较 1 3系统的属性有哪些 它们之间的关系如何 1 4系统与要素的关系是什么 1 5系统与环境的关系是什么 为什么要重视系统的环境 1 6什么是开放系统 系统为什么要开放 1 7什么是闭环系统 它与封闭系统有什么区别 1 8什么是系统的涌现性 系统整体的涌现性 系统层次间的涌现性 1 9 整体大于部分之和 这句话有什么意义 1 l0 l十l 2 是什么意思 它与式 1 7 相矛盾吗 1 11系统研究的新进展是什么 第二章系统工程的基本概念2 1引言2 2系统工程的定义2 3系统工程的产生与发展2 4系统工程的主要特点2 5系统工程在现代科学技术体系中的地位2 6系统工程范例 神舟五号与中国航天 2 1引言系统工程尽管已经有了大约半个世纪的历史 但它仍是一门年轻的学科 还在发展之中 它的普遍适用性 吸引了许多原来从事不同学科的学者来研究它 并做出了各自的贡献 于是 系统工程也就有了若干流派 其中主要的流派有两个 管理流派 自动化流派 它们好像是一颗树干上长出来的两个茁壮的分枝 各自枝叶茂盛 中国的系统工程在世界上是后起之秀 30年来 已经达到世界先进水平或者领先水平 形成鲜明的特色 这首先应该归功于我国著名科学家钱学森院士 他不但大声疾呼 在高层次的各种场合进行大力倡导和推动 而且身体力行 对该学科进行了深入的研究 并获得丰硕的成果 代表了中国的水平 2 2系统工程的定义系统工程的基本定义 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 简言之 系统工程就是组织管理系统的技术 上面的定义来自钱学森 许国志 王寿云联合署名发表在1978年9月27日 文汇报 上的一篇重要文章 组织管理的技术 系统工程 下面再给出两种定义作为参考 美国学者切斯纳1967年指出 系统工程认为虽然每个系统都是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