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系统工程认识浅谈五系十队安国富(303200935004)系统工程认识浅谈 系统工程是运用系统思想直接改造客观世界的一大类工程技术的总称。系统是由互相关联、互相制约、互相作用的若干组成部分构成的具有某种功能的有机整体。人们对于系统的认识，即关于系统的思想来源于社会实践，人们在长期的社会实践中逐渐形成了把事物的各个组成部分联系起来从整体角度进行分析和综合的思想，即系统思想。系统思想古已有之，但系统工程的诞生却是近40年来的事。随着科学技术的迅速发展和生产规模的不断扩大，迫切地需要发展一种能有效地组织和管理复杂系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的技术，即系统工程。 发展历史 20世纪40年代，美国贝尔电话公司在设计电话通信网络时，应用了一些科学方法，按时间顺序把工作划分为规划、研究、开发、开发过程中的研究和通用工程等5个阶段,取得了良好效果。他们把这种工作方法称为系统工程。50年代中，美国密执安大学的H.H.古德和R.E.麦克霍尔发表了第一本以系统工程命名的专著，并于60年代中编著了系统工程手册。60年代初，A.D.霍尔发表了系统工程方法论。1969年，他又提出了著名的霍尔三维i结构，即系统工程形态图，为系统工程提供了一种广泛采用的方法论。50年代以来，系统工程在大型工程项目和军事装备系统的开发中充分显示了它在解决复杂问题时的效用。50年代末，美国在研制北极星导弹时首先创用了计划协调技术(PERT)。60年代，美国国家航空航天局(NASA)在执行阿波罗登月计划中又把PERT发展成图解协调技术(GERT)，并应用计算机仿真技术，确保各项试验项目按期完成。在解决各种复杂的社会技术系统和社会经济系统的最优设计和最优控制方面,系统工程也得到广泛应用,其研究领域不断扩大。60年代初中国在导弹研制过程中建立了总体设计部，采用了计划协调技术。70年代后期，中国科学家钱学森等发表组织管理的技术系统工程的文章，把系统工程看成是系统科学中直接改造客观世界的工程技术，从而澄清了国外把一些学科名称混用的现象，随后又提出系统工程可以分为工程系统工程、企业系统工程、经济系统工程和军事系统工程等十几个专业。1980年成立了中国系统工程学会，迅速推动了中国系统工程的研究和应用。 系统工程是一间工程技术，用以改造客观世界并取得实际成果，这与一般工程技术问题有共同之处。但是，系统工程又是一类包括了许多类工程技术的一大工程技术门类，与一般工程比较，系统工程有三个特点:(1)研究的对象广泛，包括人类社会、生态环境、自然现象和组织管理等。(2)系统工程是一门跨学科的边缘学科。不仅要用到数、理、化、生物等自然科学，还要用到社会学、心理学、经济学、医学等与人的思想、行为、能力等有关的学科，是自然科学 和社会科学的交叉。因此，系统工程形成了一套处理复杂问题的理论、方法和手段，使人们 在处理问题时，有系统的整体的观点。(3)在处理复杂的大系统时，常采用定性分析和定量计算相结合的方法。因为系统工程所研究的对象往往涉及到人，这就涉及到人的价值观、行为学、心理学、主观判断和理性推理，因而系统工程所研究的大系统比一般工程系统复杂得多，处理系统工程问题不仅要 有科学性，而且要有艺术性和哲理性。系统思想的形成系统思想的形成可追溯到古代。中国古代著作易经、尚书中提出了蕴含有系统思想的阴阳、 五行、 八卦等学说。中国古代经典医著黄帝内经把人体看作是由各种器官有机地联系在一起的整体，主张从整体上研究人体的病因。古希腊哲学家赫拉克利特在论自然界一书中指出：“世界是包括一切的整体。”古希腊哲学家德谟克利特认为一切物质都是原子和空虚组成的。他的世界大系统一书是最早采用系统这个名词的著作。古希腊哲学家亚里士多德提出整体大于部分之和的观点。古代系统思想还表现在一些著名的古代工程中。埃及的金字塔和中国的长城、大运河、都江堰以及梦溪笔谈中叙述的皇宫重建工程无不体现朴素的系统思想(见中国古代系统思想)。古代系统思想常用猜测的和臆想的联系代替尚未了解的联系，是自然哲学式的。16世纪，近代自然科学兴起。在当时的条件下难以从整体上对复杂的事物进行周密的考察和精确的研究。因此，近代自然科学的研究方法是把整体的系统逐步地分解,研究每个较简单的组成部分,排除臆想的东西。这种方法后来被称为还原论和机械唯物论。但是，在当时这种方法还是先进的。它的进步作用曾得到恩格斯的肯定。到19世纪，科学的系统思想才逐渐形成。恩格斯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，即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。其中各个似乎稳定的事物以及它们在我们头脑中的思想反映即概念，都处在生成和灭亡的不断变化中。在这种变化中，前进的发展，不管一切表面的偶然性，也不管一切暂时的倒退，终究会给自己开辟出道路。”恩格斯的这段话标志着科学的现代系统思想的产生。系统思想在历史上的发展贯穿于从自然哲学到辩证唯物主义的发展过程中。 系统工程的萌芽19世纪末，电力、石油等新能源的开发大大促进了工业的发展。电气化工业和化学工业的出现又使生产技术设备日趋复杂，并进一步促使交通和通信系统大规模扩建。同时,物质的生产开始丰富,市场的需求成为制约生产发展的重要因素，企业间的竞争开始出现。在这种情况下，人们开始重视生产与经营之间的协调和综合，即开始运用系统思想来研究这类问题。另一方面，经典物理学的最终完成使人们认识到，只有通过对客观事物的数学描述才能深入分析事物的本质、了解它的构成机理和各种变异。人们开始用数学模型和分析的方法去研究工程、经济、生物、军事和社会等方面的系统。一、排队论的产生1910年，丹麦数学受热力学统计平衡理论的启发而建立了电话系统统计平衡模型。1925年成立贝尔电话实验室时，就在该室内设立了系统开发部。贝尔电话实验室发展了埃尔朗的电话系统模型，创造了一套电话系统分级复联的科学方法，并利用概率模拟装置，经过理论计算和实验验证来求出最佳通话服务方式。30年代，瑞典数学家巴尔姆和苏联数学家欣钦又对电话呼叫过程进行深入的数学分析，提出呼叫过程的普遍性、平稳性、有限性和无后效性等4个特征,奠定了关于系统中随机聚散现象的基本理论 排队论的理论基础。在近代工程技术中对系统工程的产生和发展影响最大的首推电话通信工程。二、一般系统论、信息论和控制论30年代，生物学界提出了生命有机体论，把生命看成是一个有机整体用以解释复杂的生命现象。 用协调、有序、目的性等概念来研究生命有机体，并把系统定义为相互作用的诸要素的复合体，具有特殊的整体水平的功能和属性。他还提出开放系统概念，认为要从有机体与环境的相互作用来说明生命的本质。1937年，贝塔朗菲首先提出一般系统论的原理，并于1945年发表关于一般系统论。他指出这个理论属于逻辑和数学的领域，任务是建立适用于系统的一般原则。40年代以来，随着通信技术的发展和工业自动化的兴起，出现了研究系统中信息和控制的基本规律的信息论和控制论。N.维纳提出的控制论和C.E香农提出的信息论几乎是与一般系统论同时出现的。一般系统论提出的对系统的描述性的研究方法为后来系统学的形成做了先导。而信息论和控制论则为系统工程的发展提供了养分。三、军事系统模型和运筹学在第一次和第二次世界大战期间，军事上的需要促使人们去研究提高作战指挥能力和武器效能的方法。1914年1916年期间，英国F.W.兰彻斯特提出描述作战双方兵力变化过程的数学方程式，后称兰彻斯特方程。30年代后期，英国成立了世界上第一个运筹学研究小组，研究雷达配置和高炮效率。后来又在陆、海、空三军分别设置研究组织，研究雷达的合理配置和运用、飞机出击时间和队形编列的效能以及有效的后勤保障等问题。美国和加拿大等国也相继成立运筹学研究组织。美国数学家用概率论方法研究反潜问题，提出了舰艇躲避或攻击潜艇的最优战术。第二次世界大战以后，运筹学迅速推广到经济管理部门，为制定政策提供依据，取得了良好的经济效果。系统工程的产生第二次世界大战以来，科学技术迅猛进步，社会经济空前发展，同时资源和生态环境也严重恶化。人们面临着越来越复杂的大系统的组织、管理、协调、规划、计划、预测和控制等问题。这些问题的特点是在空间活动规模上越来越大，时间上变化越来越快，层次结构上越来越复杂，后果和影响上越来越深远和广泛。要解决这样高度复杂的问题，单靠人的经验已显得无能为力，需要采用科学的方法。信息科学和计算机的发展又大大提高了信息的收集、存储、传递和处理的能力，为实现科学的组织和管理提供了强有力的手段。系统工程正是在这样的情况下，首先从军事和大型工程系统的研制中产生和发展起来的。一、美国微波中继通信网美国贝尔电话实验室在1940年开始建立横跨美国东西部的微波中继通信网时就充分利用当时的科学技术成就来规划和设计新系统。这项工作因第二次世界大战而停顿。战后分别于1947年和1951年完成该网的TD-X和TD- 2系统，并投入使用。贝尔电话实验室遂于1951年正式把研制微波通信网的方法命名为系统工程。二、兰德公司和系统分析1945年，美国国防部和科学研究开发署与道格拉斯飞机公司订立了称为兰德计划的合同，为美国空军研究洲际战争，并提出有关技术和设备的建议。1947年，在福特基金会的支持下，成立了兰德公司，继续为战后美国空军的发展战略和规划提供咨询服务。50年代以后，扩大了工作范围，成为一个非营利的咨询机构。兰德公司在多年积累的研究经验的基础上创立了系统分析。系统分析的目的是根据系统目标来寻求最优方案。系统分析几乎是同系统工程并行地发展起来的，这两个名词之间也常出现混用现象。三、网络技术和系统管理1958年，美国海军特别计划局在执行“北极星”导弹核潜艇计划中发展了控制工程进度的新方法，使“北极星”导弹提前两年研制成功。这些方法用网络技术来进行系统管理，可在不增加人力、物力的情况下使工程进度提前、成本降低。四、阿波罗工程美国1961年开始进行的阿波罗工程，由地面、空间和登月三部分组成，于1972年成功结束。在工程高峰时期有两万多家厂商、 200余所高等院校和80多个研究机构参予研制和生产,总人数超过30万人,耗资255亿美元。完成阿波罗工程不仅需要火箭技术,还需要了解宇宙空间和月球本身的环境。为此又专门制定了“水星”计划和“双子星座”计划，以探明人在宇宙空间飞行的生活和工作条件。为了完成这项庞大和复杂的计划，美国成立了总体设计部以及系统和分系统的型号办公室，以对整个计划进行组织、协调和管理。在执行计划过程中自始至终采用了系统分析、网络技术和计算机仿真技术，并把计划协调技术发展成随机协调技术。由于采用了成本估算和分析技术，使这项无前例的庞大工程基本上按预算完成。阿波罗工程的圆满成功使世界各国开始接受系统工程。系统工程方法论的形成系统工程教育系统工程教育始于50年代。当时已开始在高等院校开设有关专业课，成立系统工程系或者在公司企业内部办培训班来培养人才。60年代以来，许多国家已开始大量培养系统工程师、系统分析师和系统科学家。 系统工程的发展70年代以来，系统工程发展的趋势是应用领域继续向社会、经济、生态等方面扩展和发展应用于软系统工程的方法论。1972年在一些国家科学院的倡议下，在维也纳成立了国际应用系统分析研究所。它是一个用系统工程方法研究复杂的社会、经济、生态等问题的国际性研究机构。该所先后选择了能源、环境、生态、城市建设、资源开发、医疗、工业生产等研究课题，在推动系统工程的发展和应用方面产生了重要影响。 1979年，中国科学家钱学森提出建立系统科学体系的完整思想。他认为系统科学是以系统为研究和应用对象的一个科学技术部门。如同自然科学和社会科学一样，它是由三个层次组成的，即：系统工程，它是系统科学的下层技术层次，是用系统思想直接改造客观世界的技术；系统科学的技术科学层次，包括运筹学、控制论、信息论等；系统学，是系统科学的基础科学。系统学是研究系统一般演化规律的学科，目前尚处于形成阶段。系统科学与哲学之间的桥梁则称为系统论或系统观，它为发展和深化马克思主义唯物辩证法提供素材。系统科学体系的形成标志着系统工程已经逐步成熟。研究对象 系统工程的研究对象是复杂的大系统。系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分或要素结合成的、具有特定功能的有机整体。系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。系统的组成部分称为该系统的子系统。系统的复杂性主要体现在：构成系统的要素本身就是一个系统，从而体现了系统的多层次；系统涉及的因素是多维的；系统是由不同质的要素集合而成的；系统可以是包含人在内的人机系统。如阿波罗工程这个大系统是由确定登月方案，四项辅助计划，研制“土星”号运载火箭，试验飞行，研制“阿波罗”号飞船，实现载人飞行这6个子系统组成,其目的是把人送上月球。它们之间既有着相互支持的关系，又有着相互制约的关系。例如，为了增加飞船的可靠性而采用的冗余技术，势必增加飞船重量，因而需要增加火箭的推力。所以飞船重量受到火箭推力的制约。系统开发过程也是对系统的认识不断深化的过程。人们不可能一开始就对系统所涉及的专业技术，各部分之间的信息、能量、物质沟通关系有清晰的认识，所以必须遵循分析-实践-再分析-再实践的反复认识过程。这里的实践常常是指对分析结论的验证试验。开发过程中分析、综合的思维过程和系统工程活动如下图所示，常称为系统工程过程（SEP） 系统工程过程是一个自顶层开始，依次反复应用于开发全过程的、规范化的问题解决过程，它把要求逐步转化为系统规范和一个相应的体系结构。1.在系统研制过程中始终要保持对要求的跟踪。系统工程过程的第一步是任务分析。任务分析活动是要澄清和确认用户的需求和工作的目标，明确限制条件，然后依此提出对系统的功能和性能要求。通过任务分析得到的共识是后续成功的功能和物理设计的基础。2.经过任务分析得到的系统级功能和性能，通过功能分析和分配活动进一步分解成为低层次功能。结果得到的是对一个系统功能的全面描述，即系统的功能结构。这个功能结构不仅描述了必须具有的全部功能，还反映了各种功能和性能要求之间的逻辑关系。3.设计综合或称系统设计，是按照从功能分析与分配过程中得到的系统功能和性能描述，在综合