系统工程导论.docx

目录系统工程概论2第一讲 为什么要学点“系统工程”知识？4一、系统工程的经典案例4二、社会经济技术发展的需要7三、控制学科发展的需要8四、系统工程专业的任务和特点8五、国内外著名的系统科学与系统工程研究机构10六、系统科学与工程系简介13第二讲 系统、系统科学与系统工程23一、什么是系统23二、什么是系统科学25三、什么是系统工程26四、系统工程的应用领域30第三讲 自然物理系统及其复杂性37一、线性系统37二、非线性系统38三、连续动态系统的若干复杂特征40第四讲 社会经济系统及其复杂性51一、社会经济系统的特点51二、社会经济系统的因素复杂性51三、社会经济系统的结构复杂性51四、社会经济系统中的不完全理性52五、社会经济系统中选择（决策）的复杂性54六、社会经济系统的方法论55本讲小结55第五讲 系统工程学科基础56一、系统工程方法论56二、系统工程的理论基础59第六讲 系统分析（1）63一、系统分析概述63二、宏观（定性）分析67三、微观（定量）分析71四、系统分析案例81第七讲 系统分析（2）83一、投入产出表的一般结构83二、投入产出表中的基本关系85三、投入产出表的应用（构建里昂节夫逆矩阵）90第八讲 系统建模与仿真(1)98一、系统模型98二、系统建模99三、系统工程中常用的主要模型101第九讲 系统建模与仿真(2)108四、仿真108第十讲 系统设计与评价120一、系统设计120二、系统评价128三、常用的综合评价方法130第十一讲 系统决策概述136一决策的概念136二、常用的决策模型138三一般决策问题139四风险型决策141五其他决策145系统工程概论l 教学目的 了解自动化学科的C方向（系统工程）的知识结构、专业特点和培养目的；了解作为一个系统工程师应具备的基本素质和专业知识，尤其是如何用系统的观点考虑问题（如复杂系统、大数据问题）、用工程的方法来研究解决问题。 内容安排第一讲 为什么要学点“系统工程”知识？第二讲 系统、系统科学与系统工程第三讲 自然物理系统及其复杂性第四讲 社会经济系统及其复杂性第五讲 系统工程学科基础第六讲 系统分析（1）第七讲 系统分析（2）第八讲 系统建模与仿真（1）第九讲 系统建模与仿真（2）第十讲 系统设计与评价第十一讲 系统决策概述第十二讲 深化的系统思想*l 学习基础 高等数学，线性代数，概率论，以及控制工程或管理工程专业的基本知识l 考核方式平时成绩(40%) + 期终考试(60%) 参考文献1) 梁军、赵勇，系统工程导论，化工出版社，20052) 孙东川、林福永、孙凯，系统工程引论（第2版），清华大学出版社，2010.1.123) 姚德民、李汉铃，系统工程实用教程，哈尔滨工业大学出版社，19974) 王众托，系统工程引论，电子工业出版社，19915) 汪应洛，系统工程理论、方法与应用，高等教育出版社6) 宋健主编，中国大百科全书 自动控制与系统工程卷，科学出版社，19947) 苗东升，系统科学精要(第2版)，中国人民大学出版社，20068) 许国志，系统科学，上海科学技术出版社9) B S Blanchard & W J Fabrycky, Systems Engineering and Analysis（中译本: 系统工程与分析(第三版)），清华大学出版社，200210) Andrew P. Sage, James E. Armstrong Jr., Introduction to Systems Engineering（中译本: 系统工程导论），西安交通大学出版社，2006.9第一讲 为什么要学点“系统工程”知识？一、系统工程的经典案例系统概念和思想来源于古代人类社会实践经验。1）都江堰水利工程 (公元前256年建)l 历史:战国秦昭王时期,蜀郡太守李冰于公元前227年修建，是中国最古老的水利工程，是我国科技史上的一座丰碑，誉为世界奇观。2250多年来，引水灌溉，才使蜀地有“天府之国”的美誉。都江堰是“天府”富庶之源，灌溉良田1000多万亩。 l 总体目标: 分四六 平潦旱l 选址: 岷江出山口与平原接合部 利用地形, 分级排沙 鱼嘴分水 内江: 灌溉 外江: 排洪 宝瓶口 控制内江水量 飞沙堰 分洪排沙l 就地取材: 杩槎断流 清淤2) 丁渭(962-1033)修建皇宫宋真宗祥符年间，皇宫毁于火灾, 丁渭奉命限期修建l 挖道成渠: 取土烧砖l 引水：连汴河以运木石l 皇宫建成后，废料填渠成道3）泰勒的科学劳动组织l 工序分析：工序是一切工业生产的最基本的组织单位。l 动作分析：研究完成各种工序的合理动作。l 时间分析：机动时间、手动时间、准备结束时间、自然需要时间等。这三个方面实际上反映了劳动组织的有机联系的三个重要组成部分，是劳动组织系统的整体分析。通过这些分析，使劳动组织达到完整、合理、科学。4）阿波罗登月计划 1961-1972，300多亿美圆，2万多家企业，120所大学与研究机构，400多万人员（其中高级技术人员42万）5）其他还有：丽江古城、北极星计划、三峡工程、神舟飞船等以上典型案例的共性：A. 研究和处理的对象被视为一个整体B. 强调分系统或元素间协调配合C. 涉及科学、技术、工程、生产、经济和管理等多个方面D. 问题的解决有一个合理的步骤与程序E. 整体优化6）古代“朴素”的系统思想系统思想(System Thought)就其最基本的涵义来说，是关于事物的整体性观念、相互联系的观念、演化发展的观念。l 管子地员篇、诗经中的农事诗“七月”等l 周秦至西汉初年古代医学总案的黄帝内经l 我国古天文学l 田忌赛马在古代中国和古希腊哲学中也能反映“朴素”的系统概念：l 古希腊的论自然界（Heracleitus）、宇宙大系统（Democritus）l 春秋时期的思想家老子强调自然界的统一性、南宋陈亮的“理一分殊”系统思想的演变：“朴素”的系统思想近代“还原论”（分解与分析）科学的系统观（综合与集成）二、社会经济技术发展的需要l 自然界和社会、政治、经济、管理、经营以及国家关系之间相互制约、相互联系日趋紧密和复杂。l 通讯技术和信息科学的发展缩短了空间和时间，使社会生产和经济过程的各环节得以迅速地有机联系起来。l 现代化的最优化技术体系已经形成，使得大型复杂问题的定量分析和运算、最优化决策和管理成为可能。l 科学技术和工业生产的高度发展，使各种设备仪器高功能化、小型化、自动化，为大规模、复杂系统问题的处理提供了可靠的物资基础。此外，我们所处的“知识经济时代”、“网络经济时代”、“新经济时代”、“计算机时代”、“信息时代”、“纳米时代”、“基因时代”、“航天时代”等，综合起来可以说是处在一个“系统工程时代”。三、控制学科发展的需要1）控制学科的特点 思想性，方法论研究工程技术中的共性问题2）控制系统组成l 传统的控制系统：控制器和控制对象自动化技术l 现代的控制系统：人、控制器和控制对象控制、决策和管理3）控制对象机器系统生物系统社会系统静态结构系统简单动态系统反馈控制系统细胞系统原生社会系统动物系统人类社会系统超越系统代数方程微分方程控制方程人类系统复杂控制模型系统模型复杂系统模型复杂巨系统模型4）系统科学和系统工程四、系统工程专业的任务和特点数字化、网络化、集成化、智能化、信息化、标准化、模块化、一体化等是当今人机系统控制技术和方法的发展趋势。要实现大型复杂系统或过程的综合控制，其关键之一是系统工程理论与方法，即从整体性和系统性思想出发，对大型复杂系统或过程进行分析、建模、仿真，并实现整体优化。1）主要任务确立大型复杂系统或过程的目标，分析系统的环境，设计出使工程组态与社会环境和自然环境相融合的总体方案，在有风险或不确定情况下，从整体上实现最优的物资、人力、资金和时间的均衡投入。2）特点和培养目标本专业方向属于自然科学、社会科学与工程技术相互交叉与综合的领域，研究的对象是工程技术系统和社会经济系统，人才培养的目标是总工程师。l 特点：素质教育（英语、计算机、数学、表达）3）现代高级工程技术人员应具备的基本素质总工程师是具有高级工程师或工程师技术职称的工业企业科学技术工作的总负责人，在厂长（或经理）的领导下，统一指挥和组织协调企业科技系统的工作。在现代科学技术和管理背景下，一个总工程师或高级管理人才应具有以下素质：A. 具有系统观点B. 要成为T形人才C. 具有协调能力D. 具有实事求是的科学精神和正直的品格E. 能正确看待系统工程研究成果的咨询性4）课程设置与知识体系l 自动化基础知识：控制原理、微机原理、信息技术基础、电类和机械类基础知识等。l 系统工程基础课程：系统工程概论、系统建模与仿真技术、数据结构、数学模型、优化理论等。l 专业课程 信息系统工程：软件工程、电子商务、互联网技术及应用、信息系统工程基础； 过程控制系统工程：过程控制、测控原理、故障诊断等 金融系统工程：经济学、博弈论、金融工程、预测与决策 物流系统工程：物流装备与自动化系统、物流服务与运作管理、库存理论 工程系统工程：工程经济学、工程管理、网络评审计划； 生产系统工程：生产自动化与制造系统、生产计划与调度。l 综合课程设计。5) 毕业生去向大学和科研院所、银行、保险、电信、外资企业、大型国企（华为、中兴、三峡、华能、中核等）；政府机关；出国攻读学位。五、国内外著名的系统科学与系统工程研究机构1、国际应用系统分析研究所 国际应用研究所（International Institute of Applied Systems Analysis, IIASA）是一个非政府的研究组织，1972年创办，总部设在奥地利的维也纳，有“学术界的小联合国”之称。其目标是：为公众、科学社团、国家和国际研究机构选择有益的解决问题方案；以创新的方式提出严肃的问题；提供及时的相关信息和政策分析。研究特点：利用系统的方法分析全球问题，利用不确定模型探讨动力学过程、决策支持方法以及风险管理和公平问题的新观点，具有突破传统科学研究硬边界的特点。研究范围(http:/www.iiasa.ac.at)：Energy & Technology; Dynamic System (DYN); Energy (ECS); New Technologies (TNT); Environment & Nature Resources; Adaptive Dynamics (AND); Air Pollution (TAP); Forestry (FOR); Land Use (LUC); Radiation Safety (RAD); Population & Society; International Negotiation (PIN); Population (POP); Risk, Modeling & Society (RMS); General Research; Sustainable Rural Development (SRD).2、兰德公司（RAND）兰德公司（Research and Development）是一个非赢利的咨询公司，1945年创立于道格拉斯飞机制造公司，1948年独立。早期研究偏重于系统工程，但很快就偏重于成本和策略。其目标是：向政策制订者提供有足够情况作为依据的政策建议，使决策优化。在21世纪，其致力于“预测能源问题，建立新的咨询角度，为政府、商业和社会规划新的领域”。研究特点：系统分析。研究范围()：Children and Adolescent; Civil Justice; Education; Energy and Environment; Health and Health Care; International Affairs; Population and Aging; Public Safety; Science and Technology; Substance Abuse; Terrorism and Homeland Security; Transportation and Infrastructure; U.S. National Security.主要成就：提供了美国空间计划的基础，以及数字计算机和人工智能的贡献；在不确定情况下为决策者提供理论和工具；博弈论、线性理论、动力学理论、数学模型和仿真、网络理论、成本分析等。兰德公司的系统分析方法由最先为军事决策服务，拓展到社会政策计划和分析上，例如在城市衰落、健康、教育等方面。在社会经济方面，20世纪60年代兰德公司开发出计划-程序-预算系统(PPBS).3、圣菲研究所圣菲研究所(Santa Fe Institute, SFI)也是一个非赢利的研究所，1984年成立于美国新墨西哥首府圣菲市。创办者是George Cowan，倡导者有诺贝尔经济学奖获得者K.J.Arrow, 诺贝尔物理学奖获得者M. Gell-mann和P. W. Anderson等。研究目标：冲破学科界限，打破近代科学中普遍存在的片面强调还原论思想的弊病以及由此而来的种种问题，如学科分割造成的隔阂，综合的、整体的观念缺乏，只见树木不见森林的短视和偏见，在丰富多彩的现实面前的僵化和无能。研究特色：开展跨学科、跨领域的复杂性研究；没有固定的研究人员，可以培养硕士、博士和博士后，并接纳访问学者；20世纪末被评为全美最优秀的5个研究所之一。 研究范围()：认知神经科学，物理和生物系统的计算，经济和社会的相互影响，进化动力学，网络动力学，探测计划，健康，战争与和平等。主要论点：事物的复杂性是由简单性发展来的，是在适应环境的过程中产生的。他们把经济、生态、免疫系统、胚胎、神经系统及计算机网络等称为复杂适应系统，认为存在某些一般性的规律控制着这些复杂适应系统的行为。目前代表性成果有：SWARM软件平台。4、中国系统工程学会在钱学森倡导下1980年成立于北京，挂靠单位是中国科学院系统工程研究所。现有1个学会办公室和20几个专业委员会。主要任务：围绕本学科领域组织开展国内外学术交流、促进理论与应用研究、科技普及、教育培训、书刊编辑、决策咨询、项目论证、成果鉴定、资格评审、国际合作、科技服务。出版物：系统工程学报 系统工程理论与实践 Journal of Systems Science and Systems Engineering 模糊系统与数学 系统科学与数学 农业系统科学与综合研究 交通运输系统工程与信息 系统工程与电子技术 Journal of Systems Engineering and Electronics六、系统科学与工程系简介1）主要研究方向l 面向社会经济技术系统的决策理论、方法及技术l 以物流为中心的大型工程、企业系统的优化与控制l 以信息为中心的系统分析与集成l 系统科学与控制科学紧密结合的复杂系统理论例如，本人的研究方向包括：n 大型工程项目管理与风险分析n 决策支持系统与信息技术n 可视化支持技术与人工智能n 多目标评价与系统优化设计 n 博弈论与电子商务n 行为决策与经济系统仿真技术n 优化理论与智能算法2）完成的部分典型系统工程项目l 教育规划 (1999-2001)l 湖北省“十五”环境规划 (1999-2001)l 国民经济动员演练系统（2002）l 三峡工程项目管理信息系统规划、开发与实施(1995-目前)l 数字轨道交通工程集成建设关键技术及应用（2008）l 舰船设备调度与指挥决策系统（2004）l 多领域知识驱动的复杂产品创新设计方法和技术的研究与开发（2009）l 我国非传统安全顶层战略及其案例研究（2013）l 应急任务协作规划方法及应急协同决策模拟技术（2012）l 亚行贷款上海苏州河综合整治工程项目管理与决策支持系统（2000-2002）l 广东省直供水工程分析与规划（2010-2012）l 世行贷款湖北污水处理项目服务定价分析与仿真(1998- 2000)l 南水北调中线工程沿岸地区水价测算及经济影响(2001- 2004)l 澜沧江水电梯级电站优化调度与定价对策研究（2002-目前）l 电网资产全寿命成本分析与管理评价（2010）l 武器装备的虚拟采办（2008）举例1：世行贷款湖北城市环境项目经济分析与服务定价的建模与仿真武汉市污水定价问题：The goals of the present pricing model are to provide guidelines to determine an appropriate price for wastewater charge, to ensure WUDDC is able to run as an autonomous enterprise, and to afford repayment of the World Banks loan. Given that various services are provided for different users, setting up respective prices for individual services can improve economic efficiency. 决策分析：n 武汉市宏观经济状况及发展还款能力n 污水处理项目的特点服务成本分析固定成本与可变成本n 居民需求分析需求弹性公共服务的特点定价原则n 低收入居民利益的保障限制垄断性企业的自由定价政府补贴n 因素分析建立数学模型设置政策变量n 多个选择方案的仿真效益分析与评价决策和建议结论与建议：n Wuhans overall economic potential can ensure its ability to repay the loan, but the residents present low income level results in their low willingness to pay wastewater charges. It is necessary for the government to provide appropriate subsidy when adjusting the price of wastewater charge.n the key to setting wastewater charge policies and operating the company as an autonomous enterprise is to raise the residents incomes and environmental protection consciousness. Thus, relevant education and enforcement should simultaneously be strengthened.n the pricing strategy should not be fixed. With changes resulting from inflation or other economic drivers (such as the residents income, purchasing power, and the services cost), the rate of the wastewater services charge should be dynamically offset.举例2：南水北调中线工程沿岸地区水价测算及经济影响CGE模型是模拟经济系统中生产创造收入，收入引发需求，需求导致生产的经济循环过程。它是在一致的帐户平衡关系和闭合的核算体系内，通过一组供给、需求以及均衡方程，在各种经济行为主体最优化（生产者成本最小化、消费者效益最大化、进口收益利润最大化、出口成本优化等等）的约束条件下求解这一方程组，得到在各个市场都达到均衡时的一组数量和价格。它常被用于模拟由外在冲击和变化引发供给或需求变化，而导致各经济系统部门间发生直接或间接波及影响，以及对经济整体的全局性影响。生产收入需求导致引发带动政府储蓄l 模型框架国内其他地区生产国外要素进口出口中间投入增加值要素收入居民资本中央地方政府省际间调出省际间调入家庭储蓄政府储蓄最终消费税 收转移支付居民消费生产税企业资本要素收入留存收益分配投资消费企业储蓄关税、消费税商品外汇储蓄净调出企业所得税无南水北调情景组B1（水资源非可持续利用情景）B2（水资源可持续利用情景）第一组：基准情景 总供水量保持基年水平; 继续年超采4.26亿M3; 保持80%的地表水利用率; 生态用水为零; 居民用水年均增长2%。 停止超采地下水，使地区总供水量年均减少4.26亿M3； 地表水利用率降至60%; 逐年恢复地区生态用水，从1997零用水量线性增长到2020年的9.2亿M3; 居民生活用水年均增长2。南水北调情景组S1S2第二组：对照情景所有假设与B1类似, 但还包括 从2008年起，南水北调工程调水完工，向北京输送10.2亿M3的水； 调水首先满足居民用水需求，随后在工、农业和商业用途分配。所有假设与B2类似, 但还包括： 2008年工程完工，开始输送10.2亿M3的水； 调水首先满足居民用水需求，随后在工、农业和商业用途分配。拟回答的问题包括：1) 调水工程对北京市的经济增长促进作用有多大？2) 调水工程对地区财政收入有何影响?3) 调水带动的生产对于地区居民收入和就业状况有何影响？主要结论与建议： 在没有南水北调工程调水的非可持续情景B1中，至2010年和2020年间，北京市经济增长率仍可保持在7.5；但北京市实施水资源可持续利用战略的B2情景中，GDP增长速度会急速下降至5.5%。这充分说明在现有的水资源状况下，维持地区经济的高速增长目标与保护地区生态环境目标之间具有不可调和的矛盾性，地区经济高速增长是建立在对水资源的超常规利用和生态环境恶化的基础之上。在实施南水北调工程后，地区的GDP增长将基本平稳保持在8.5的水平。由此可见，南水北调工程对于地区经济的可持续增长，以及对地区的环境保护起着重要的作用。 南水北调工程供水后，至2010年，南水北调工程新增水量将使北京市GDP年均增长率提高约12.3，GDP的增益约为890亿元；调水带动的生产扩大将使北京市新增劳动就业机会约70万人；平均将增加居民人均收入约577元左右，约占当年居民人均收入2.54.1个百分点；并促进政府财政收入增加180亿元。从长远看，随着地区用水效率的提高，南水北调工程的调水影响效应将更大，到2020年，调水产生的GDP增益约为5271亿元，将年均增加约100万左右的就业机遇，直接促使居民人均收入增加约7825元，并产生约870亿元的政府财政收入增益。147举例3：华能澜沧江梯级水电站定价建模与仿真 2008 2009 2006 2007电站建设工作内容小湾水电站筹备建设，组建澜沧江水电开发有限公司工程管理业务流程分析与设计 开发大型水电工程管理信息系统 流域梯级水电站上网电价机制的分析与研究 2002 2003 2004 2005水电工程项目管理数学模型和项目风险管理小湾水电站建设成本与进度控制偏差分析出现问题小湾、景洪等水电站陆续投产发电糯扎渡、景洪等水电站陆续开工大坝浇筑物资调运系统 举例4：电网公司资产全寿命周期管理成本分析与决策支持系统我国电网资产产权制度中监督激励机制和权利相互制约机制的缺乏，加上管理观念的落后、管理体制的不健全、管理组织的不规范，使得电网从资源投入到目标产出的转换效率很难定量测定。在资产的运营管理成本相当大的情况下，如何突破传统管理模式的束缚，探寻提高电网安全稳定运行能力和资产赢利能力，延长电网经济寿命的新途径和新方法，成为电网企业亟待解决的关键问题。建立资产全寿命周期成本分析模型和评估决策模型，为资产全寿命周期的管理奠定科学合理的理论与技术基础，促进电网企业资产管理的 管理目标从注重设备效率向注重资产效率的转变 管理方法从技术决策向技术经济决策的转变 管理方式从职能管理向流程管理的转变 设计成本规划设计采购建设安装调试初次投入成本(资产账面价值)安装调成本 其他成本 建设成本-残值回收巡视日常管理运行人工及维护成本大修临检预防性试验备品、备件运行人工成本其它维护成本检修成本材料成本装置性材料成本检修人工成本机械成本预防性试验成本日常运行故障停电损失故障停电运行损耗成本备件成本材料成本检修人工成本机械成本备件采购成本备件仓储成本责任成本停电诉讼、纠纷报废退役处置成本提前报废价值损失报废清理成本事故引起人员伤亡 采购成本业务成本成本明细初次投入成本初次投入费用运行费用故障费用退役处置费用运行损耗成本检修成本故障停电成本责任成本退役处置成本备件成本国网全寿命周期成本变压器全寿命周期成本检修维护费用运行人工及维护成本预防性试验成本例：变压器全寿命周期成本模型举例5：武器装备的虚拟采办示范系统运行和后勤仿真战争分析（初始条件）基于仿真的综合集成决策过程训练仿真虚拟制造虚拟测试需求决策产品定义概念设计武器系统虚拟样机运行系统（实或虚）各编配系统（实或虚）评估研讨经验教训武器装备本讲小结l 系统工程是不同于传统工程技术的工程技术l 系统工程是工程战略l 是对工程技术的管理和组织l 是管理和工程的哲学统一l 系统工程的核心是: 整体最优化第二讲 系统、系统科学与系统工程一、什么是系统1、“系统”定义系统（System） 一词最早见于古希腊德谟克利特（B.C.460370, 原子论创始人）的宇宙大系统一书。书中关于系统的含义：“任何事物都是在联系中显现出来的，都是在系统中存在的，系统联系规定每一事物，而每一联系又能反映系统的联系的总貌。”中国大百科全书（钱学森）由相互关联、相互制约、相互作用的一些部分组成的、具有某种功能的有机整体。韦伯斯特（Webster）大词典l 由许多通常是不同种类的部分, 按照一个共同的计划或用于一个共同的目的而形成的复杂的统一体.l 在有规律的相互作用、相互依赖中联系在一起的要素所构成的聚集体或集合体.l 由自然或人工组合成为一个完整的、有机的、或者有组织的整体的单元的集合. l 一个收集信息和分配信息的机械或网络.日本的工业标准 许多组成要素保持有机的秩序面向同一目的的行动的集合体。一般系统论的创始者L. Von Bertalanfy处于特定相互关系中的诸要素的集合2、系统的基本特点l 多元性: 系统是由若干元素组成的。l 相关性：这些元素相互作用、相互依赖。l 整体性：由于元素间的相互作用，使系统作为一个整体，具有特定功能。其他特点l 集合性：具有某种属性的对象的集合人员物质能量资金信息工人、技术人员、管理者厂房、机器、设备、工作煤炭、蒸汽、电力现金、支票、股份、债券情报、指标、数据、规章工业企业图 工业企业的组成要素l 层次性：系统一般可分解为一系列的子系统，并存在一定的层次结构例如，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。如果要管理一个10万人的企业，设管理跨度为7，则，求得n=5.9166，就是说，需要6个管理层次，理论上的管理人员总数为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。假设管理的跨度提高到18，通过简单计算可知：管理层次可以降低至3，管理人员总数只需6000人左右，可以减少2/3以上。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。l 目的性：系统都是具有目的的。l 适应性：任何一个系统都要与外界产生物质、能量和信息的交换，外界环境的变化必然会引起系统内部各要素的变化。l 涌现性：系统的组成部分没有而整体具有某些性质、功能和要素等。3. 系统分类1）按自然属性分：u 自然系统: 宇宙、星系、太阳系、气象系统l 生物系统: 生物个体、呼吸、循环、消化、生殖、神经u 人造（社会）系统: 电力系统、自动化生产线、炼油厂、机器人l 社会经济系统: 国家、工业、农业、商业、教育2）按物质属性分：u 实体系统：由矿物、生物、机械等实体物资组成。u 概念系统：由概念、原理、法则、制度等非物质实体组成。3）按照系统的综合复杂程度分：宇宙社会人类动物植物细胞控制机械时钟框架人类社会及宇宙生物物理4）钱学森的分类：系统简单系统复杂系统小系统大系统巨系统大系统巨系统特殊复杂巨系统（社会系统）一般复杂巨系统4系统的结构 S= E, R S-系统；E-元素；R-关系5系统的功能输入X 加工处理 输出Y 反馈控制输入(出)的可以是材料、能量、信息：1) Y=F(X)2)二、什么是系统科学1）科学辞海关于自然、社会和思维的知识体系。它适应人们改造自然和社会的需要而产生和发展，是实践经验的结晶。科学可分为自然科学和社会科学两大类，哲学是二者的概括和总结。科学用逻辑和概念等抽象形式反映世界。科学的任务是揭示事物发展的客观规律，探求客观真理，作为人们改造世界的指南。大不列颠百科全书涉及对物质世界及其各种现象、并需要无偏见的观察和系统实验的所有各种智力活动。一般来说，科学涉及一种对知识的追求，包括追求各种真理或各种基本规律的作用。2）系统科学辞海： 以系统及其机理为对象，研究系统的类型、性质和运动规律的科学。 20世纪40年代末产生，包括五个方面内容：系统概念，即关于系统的一般思想与理论；一般系统理论，即用数学的形式描述和确定系统的结构与行为的纯数学理论；系统理论分论，指为了解决各种特点的系统结构与行为的一些专门学科，如图论、博弈论、排队论、运筹学、控制论、信息论等；系统方法，即为了对系统对象进行分析、计划、设计和运用时所采用的具体应用理论及技术的方法步骤，主要指系统分析和系统工程；系统方法的应用，即将系统科学思想和方法用到各个具体领域中去。三、什么是系统工程1、工程泛指需要投入大量人力物力的工作，尤其是指土木建筑或其它生产制造部门的用大而复杂设备来进行的工作。工程(学)：把自然科学的原理应用到工农业生产中去而形成的各种学科的总称，目的在于利用和改造自然来为人类服务，主要包括工程的勘测、设计、施工原材料选择研究及置备、产品设计制造、工艺和施工方法研究。2、系统工程的定义中国大百科全书自动控制与系统工程卷:从整体出发合理开发、设计、实施和运行系统的工程技术. 它根据总体协调的需要, 综合应用自然科学和社会科学中的有关思想、理论和方法,利用电子计算机对系统的结构、要素、信息和反馈等进行分析, 以达到最优规划、最优管理和最优控制.美国大百科全书系统工程研究怎样选择人员和设备的最适当组合方式以完成特定的目标。苏联大百科全书系统工程是一门研究复杂系统的设计、建立、试验和运行的科学技术.大英百科全书系统工程是一门把已有学科分支中的知识有效地组合起来用于解决综合性问题的技术.钱学森、许国志:l 系统工程是组织、管理系统的工程技术l 系统工程是系统科学中直接改造客观世界的工程技术l 是规划、研究、设计、制造、测试和使用系统的科学方法日本工业标准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、信息流动和控制机理等进行分析与设计的技术. 寺野寿郎(日本) 系统工程学系统工程是为了合理地开发、设计和运用系统而采用的思想、程序、组织和方法的总称.三浦武雄现代系统工程学概论系统工程与其它学科不同之处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边缘学科。系统工程的目的是研究系统，而系统不仅涉及工程学领域，还涉及社会经济和政治领域。为了解决这些领域的问题，除了需要某些纵向技术，还需要一种技术从横向把它们组织起来，这种横向技术就是系统工程，也就是研制系统的思想、技术和理论体系的总称。3、系统工程的产生与发展1）系统工程的产生是科学技术进步的必然结果（1）物质文明三要素与社会发展 物质文明三要素: 材料 Material、能量 Energy、信息 Informationl 冶炼技术的发展 材料的进步由石(木、骨)等天然材料 到 使用青铜、铁等冶炼材料 农业社会的发展l 第一次科学革命(1670-1740)建立了以经典物理学为基础的自然科学 能源的变革生产动力 由人、畜力为主发展成机械能为主 工业社会的形成和发展1900年开始电力的广泛应用导致二次工业革命.l 第二次科学革命(30年代开始) 信息科学形成信息处理 由人的脑力为主发展到计算机及其网络为主 信息时代(知识经济、后工业社会)的形成 1980年开始, 知识经济的发展导致全新的经济发展模式.（2）系统工程形成和发展的直接动因l 二次世界大战以来科学技术进步迅猛, 社会经济发展加速。同时, 资源短缺、环境恶化，人们面临越来越复杂的大系统的组织、管理(规划、计划、研究、设计、制造和控制)问题。越来越复杂的大系统 指系统的活动空间越来越广系统的活动时间上的变化越来越快系统的层次结构越来越复杂系统的活动产生的后果影响越来越深远 人们原有的知识和经验已无法应付l 科学、技术、生产相互渗透形成统一整体l 现代科学、技术、理论发展的整体化趋势l 科学管理的作用日益重要 运筹学、控制论、信息论的形成和发展 系统工程的形成、发展 1940年Bell公司首次使用系统工程(Systems Engineering)1969年阿波罗计划成功后系统工程作为学科得以确立2）系统工程在中国的发展1956年由于有计划、按比例的经济建设的需要，“运筹学”开始在中国发展。许国志、华罗庚等。1978年组织管理的技术系统工程在文汇报上发表，钱学森、许国志、王寿云。标志着系统工程在中国开始起步。 同年，清华大学、天津大学、西安交大、上海交大、大连理工和华中工学院6校成立系统工程专业。1980.11, 中国系统工程学会在北京成立，钱学森、薛幕桥为名誉理事长，关肇直为理事长。其后的理事长有许国志、顾基发、陈光亚、汪寿阳等，每2年举行一次全国性学术年会。系统工程学会专业委员会：教育、军事、环境、信息、农业等。系统工程地区学会4、系统工程在现代科学技术中的地位1）系统工程与其他工程技术间的关系 在系统工程的规划下，各种具体的工程技术作为实现总体目标的手段，可以发挥出最好的作用。脱离了其他工程技术，系统工程也就成了“无本之水，无源之水”。 系统工程在自然科学、工程技术与社会科学之间构筑了一座桥梁。2）现代科学技术体系自然科学的3个层次：第一层，直接用来改造客观世界的工程技术。第二层，为工程技术直接提供理论基础的技术科学。第三层，揭示客观世界规律的基本理论，即基础科学。系统科学体系:人类知识体系:马克思主义哲学人类认识客观和主观世界的科学哲学性 智 量 智文艺活动美学建筑哲学人学军事哲学地理哲学人天观认识论系统论数学哲学唯物史观自然辩证法桥梁文艺理论建行军地人思系数社自基础科学筑科为科事科理科体科维科统科学科会科然科技术科学文艺创作学学学学学学学学学学工程技术实践经验知识库和哲学思维前科学不成文的实践感受5、系统工程的特点1）一般特点n 一个系统，二个最优n 以软为主，软硬结合n 跨学科多，综合性强n 从定性到定量的综合集成n 以宏观研究为主，兼顾微观研究n 实践性与咨询性2）华中科技大学系统工程所研究的系统的特点l 人造的l 有整体性的（狄斯塔尔现象）l 庞大而复杂的l 半自动的l 输入不确定的l 许多系统具有竞争性以上各条没有哪一条是必要的, 任一子集均不充分。四、系统工程的应用领域作为系统科学体系中的工程技术，系统工程是一个总类名称，可以分为下表中所示的一些专业：系统工程的专业对应的专业学科基础系统工程的专业对应的专业学科基础工程系统工程工程设计教育系统工程教育学科研系统工程科学学社会系统工程社会学、未来学企业系统工程生产力经济学计量系统工程计量学信息系统工程信息学、情报学标准系统工程标准学军事系统工程军事科学农业系统工程农事学经济系统工程政治经济学行政系统工程行政学环境系统工程环境科学法制系统工程法学1、工程系统工程 古代的能工巧匠：设计师、劳动者、管理者。 现代工程体系：技术分工组织协调总体设计部系统工程1）北极星计划 1957年开始，8家总承包公司，250家分包公司，300家三包公司CPM (critical path method)，PERT (program evaluation and review technique)华罗庚：双法优选法和统筹法2）阿波罗计划 1961-1972，300多亿美圆，2万多家企业，120所大学与研究机构，400多万人员（其中高级技术人员42万）PERTGERT (graphical evaluation and review technique)*阿波罗11号宇宙飞船登月的主要环节上计划时间与实际时间的比较项目计划实际相差日时分日时分小时分飞船发射1620321620320进入飞向月球轨道231623160进入绕月球的椭圆轨道20026200224登月舱进入接近月面轨道2121021282登月舱在月面登陆3193172宇航员走出登月舱踏上月面1319956323宇航员回到登月月舱离开月面开始上升22055220550宇航员进入返回地球的轨道115611