系统工程引论课程总结.doc

系统工程引论总结11 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。 人类已经迈开步伐走向茫茫宇宙了。v 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!v 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。v 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。 v 12 系统的定义与属性v 121 系统的定义v 系统工程(systems engineering，SE)的研究对象是系统(system)。v 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。v 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：v 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。v 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。v 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。v 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：v 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。v 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。v 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。v 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。v 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”。 v 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。v 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。”v 在汉语中与System一词相对应的名词还有体系、体制、制度v 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。122 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。v 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。v 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。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。v 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。v 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。v 13 系统的分类131 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v 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v 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， 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。6按照人在系统中工作的属性分为作业系统与管理系统v 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。 132 按照系统的综合复杂程度分类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。v 133 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， 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，。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。v 14 系统的结构与功能141 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：这里，S表示系统(system)，v E表示要素(elements)的集合，v R表示建立在集合E上的各种关系(relations)的集合。v 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。 v 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 v E=E1E2E3 (1-3)E1=E11E12E13 (1-4)v 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。 v R=R1R2R3 (1-5)v 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。v 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。v 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。v 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。v 142 系统的功能，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。 v 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YF(X) 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。v 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。v v 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。v 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。vv 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。 v 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。 v 第二章 系统工程的基本概念21 引言v 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。 v 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。 v 22 系统工程的定义v 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。v 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。v 下面再给出两种定义作为参考。 v 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相互关系，但是每一个系统都是完整的整体，都要求有一个或若干个目标，系统工程则按照各个目标进行权衡，求得最优解(或满意解)，并使各组成部分能够最大限度地相互适应。日本工业标准(JIS，1967年)的定义是：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、信息流动和控制机制等进行分析与设计的技术。 v 系统工程不同于其他传统的工程技术，它是一大类新的工程技术，是定性研究与定量研究相结合(尤其强调从定性到定量的综合集成)、注重整体优化地研究问题和解决问题的科学方法。因而，它与机械工程、电子工程、水利工程等其他工程学科的性质不尽相同。其他各门工程学科都有其特定的工程物质对象(实体系统)，而系统工程则不然，任何一种实体系统和概念系统的组织管理问题都能成为它的研究对象，包括社会经济系统、科学研究系统、军事指挥系统等。v 钱学森院士指出：从20世纪40年代以来，国外对定量化系统思想方法的实际应用相继取了许多不同的名称，例如：Operations Research(运筹学)，Management Science(管理科学)，Systems Engineering(系统工程)，Systems Analysis(系统分析)，Systems Research(系统研究)，Cost-Effectiveness Analysis(费用-效益分析)等。 v 他们所谓运筹学，是指目的在于增加现有系统效果的分析工作；所谓管理科学，是指大企业的经营管理技术；所谓系统工程，是指设计新系统的科学方法；所谓系统分析，是指对若干可供选择的执行特定任务的系统方案进行比较和选择；如果系统分析着重在费用与效益方面，就是费用效益分析；所谓系统研究，是指拟制新系统的实现程序。现在看来，由于历史原因形成的这些不同名称，混淆了工程技术与其理论基础即技术科学的区别，用词不够妥当，认识也不够深刻。国外曾经有人试图给这些名词的含义以精确的区分，但是未见取得成功。其实，用定量化的系统方法处理大型复杂系统的问题，无论是系统的组织建立，还是系统的经营管理，都可以统一地看成是工程实践。 v Engineering(工程)这个词，18世纪在欧洲出现的时候，本来专指作战兵器的制造和执行服务于军事目的的工作。从后一种含义引申出一种更普遍的看法，把服务于特定目的的各种工作的总体称为工程，例如水利工程、机械工程、土木工程、电力工程、电子工程、冶金工程、化学工程等。如果这个特定的目的是系统的组织建立或者是系统的经营管理，就可以统统看成是系统工程。国外所称的运筹学、管理科学、系统分析、系统研究以及费用-效益分析的工程实践内容，均可以用系统的概念统一归入系统工程；国外所称的运筹学、管理科学、系统分析、系统研究以及费用-效益分析的数学理论和算法，都可以统一称为运筹学。 v 钱学森院士关于系统工程的定义以及上面这段话，把“人各一词，莫衷一是”的情况澄清为“分门别类，共居一体”。他对于系统工程给出了一个确切的描绘，提出了系统科学体系，并且进而提出了现代科学技术体系和人类知识体系，论述了系统工程在其中的地位。 v 中国系统工程学会前理事长、中国工程院院士许国志教授认为：系统工程是一大类工程技术的总称，它有别于经典的工程技术；它强调方法论，亦即一项工程由概念到实体的具体过程，包括规范的确立，方案的产生与优化、实现、运行和反馈；因为优化理论成为系统工程的主要内容之一，规划运行中的问题不少是离散的，所以组合优化又显得至关重要。v 23 v 系统工程的主要特点有以下几个。v 1一个系统，两个最优：一个系统是指系统工程以系统为研究对象，要求全面地、综合地考虑问题；两个最优是指研究系统的目标是实现系统总体效果最优，同时，实现这一目标的方法或途径也要求达到最优。需要说明：“最优”只是理想，实际上是尽量“优化”，即所谓“没有最好，只有更好”，这是由系统的复杂性决定的。v 2以软为主，软硬结合v 传统的工程技术，如电子工程、土建工程、机械工程等，以“硬件对象为主，可以将它们划归为广义的物理学(对物进行处理的学问)的范畴，是以硬技术为主的工程技术。传统工程技术的单元学科性较强。而系统工程是一大类新兴的工程技术的总称，以对事进行合理筹划为主，可以将它们划归为广义的事理学(对事进行处理的学问)的范畴，是以软技术为主的工程技术。系统工程的学科综合性较强。v 实际上，所谓事物，是事与物的合成体。在社会系统中，找不到有事无物或有物无事的研究对象。系统工程与传统的工程技术对事与物二者的研究，只是侧重点有所不同而已。研究物理与事理还需要人理，运用硬件和软件还需要斡件。v 3跨学科多，综合性强v 所谓跨学科多可以从两方面理解：一是用到的知识是多个学科的，系统工程的研究要用到系统科学、自然科学、数学科学、社会科学等各方面的知识；二是开展系统工程项目要有多个学科的专家参加。 所谓综合性强是说，不同的学科、各个部门的专家要互相配合，协同作战，而不是各自为战，各行其是，或者攻其一点，不及其余。4从定性到定量的综合集成研究这是钱学森院土提出的系统工程方法论，具有丰富的内容，将在第4章系统工程方法论中详细介绍。5以宏观研究为主，兼顾微观研究v 宏观与微观，在不同的学科有不同的定义。在物理学中，研究宇宙问题，包括太阳系、银河系、河外星系等，称为宏观研究；研究物质结构，包括分子结构、原子结构、基本粒子等，称为微观研究。在经济学中，研究全国的国民经济问题，称为宏观研究；研究企业经营问题，称为微观研究，由此而有宏观经济学和微观经济学。系统工程认为，系统不论大小，皆有其宏观与微观：凡属系统的全局、总体和长远的发展问题，均为宏观；凡属系统内部低层次上的问题，则是微观。系统工程以宏观研究为主，兼顾微观研究。宏观调控、微观搞活是系统管理的一条基本原理，不论系统大小，都是普遍适用的。研究微观问题，必须重视它的宏观背景，不能就事论事，只顾局部、不顾全局，必须至少上升一个层次考虑问题。6实践性与咨询性v 系统工程的应用研究是针对实际问题的，是要解决问题并且接受实践检验的，不是纸上谈兵或者闭门造车，这是系统工程的实践性。v 这种研究主要是给领导(或用户，即委托方)当参谋，研究成果是为他们提供多种备选方案，由他们去进行决策。系统工程人员并不进行决策，不搞“拍板定案”。系统工程人员是为决策者当好参谋与助手，而并不取代决策者(领导者)的地位。系统工程的研究机构是咨询性的学术团体。v 最后有必要说明的是：必须破除对于系统工程的神秘感，以及系统工程需要高深的数学这类的误解。这些神秘感和误解使得不少人对系统工程望而生畏，敬而远之。系统工程强调从定性到定量的综合集成研究，并不是单一地依靠数学模型与计算，并不偏废定性研究。系统思想、系统工程方法论以及许多系统工程理论与方法，是所有人都可以学习和掌握的。当然，如果一点数学都不要，纯粹是定性的描述性研究，也是搞不了系统工程的。开展一项较大的系统工程项目，需要擅长定量研究的专家，也需要擅长定性研究的专家，而且要把两方面的专家结合起来，共同组成一个项目组来开展研究。v 26 系统工程范例：神舟五号与中国航天v 发展载人航天对国家和社会发展有着重大的现实意义和深远的影响，可以从以下几个方面来看。v 1充分利用空间环境资源传统意义上的资源是土地、矿藏、水利等，人类进入地球轨道和外层空间后发现，太空的特殊环境和条件也是人类可以利用的重要资源。浩瀚无垠的太空具有高远的位置、高真空、高洁净、无污染、微重力、强宇宙粒子射线辐射的特点，是地面所不具备的极其宝贵的资源。这种得天独厚的太空环境对发展空间工业有着远大的潜在开发前景，其中空间微重力环境的开发和利用尤其重要。开发和利用空间环境资源必须有人的参与才行，因此需要发展载人航天。v 2促进我国科技进步和高新技术产业的发展载人航天是高技术密集的综合性尖端科学技术，它集中了现代科学技术众多领域的最新成果，载人航天的发展水平全面地反映了一个国家的整体科学和高技术产业的水平，特别是自动控制、计算机、推进、通信、遥感、测试、新材料、新工艺、激光、微电子、光电子等技术以及近代力学、天文学、地球科学、航天医学及空间科学的水平，而载人航天的发展，同时又对现代科学技术的各个领域提出了新的发展需求，从而进一步推动我国科学技术的进步和高技术产业的发展。v 科学界普遍认为，20世纪中叶，电子计算机技术的迅猛发展，在很大程度上是由于载人航天技术的需求和牵引。载人航天工程还有力地推动了系统工程理论和实践的发展。不仅如此，我国开展载人航天工程，还将培养和锻炼一大批优秀青年科技人才，大大加快航天科技队伍的建设，为中国航天的快速发展奠定雄厚的人力资源基础。v 3载人航天对经济建设具有重要推动作用目前，虽然载人航天直接经济效益还不明显，但是，载人航天活动中开发的许多新技术、新产品，已经在带动传统产业技术改造，提高经济效益，促进经济建设等方面，发挥了重要作用。v 人员到了太空，可以利用太空环境进行一系列试验，这些试验将为地面生产提供技术和手段。例如，我国是世界上土豆种植大国，但是，中国的土豆质量差，“肯德基”制作土豆泥时只用美国土豆，不用中国土豆，在我国的连锁店每年消费的土豆泥、薯条，金额达数亿元。据了解，我国科研人员早就繁育出了这种专用品种的土豆，但是种薯繁育至少需要五六年的时间，产量低、成本高，农民买不起。正当我们科技人员束手无策的时候，美国人用载人航天中的空间环境控制技术解决了这些问题。如果我国领先进行载人航天，如果我们的科研人员领先掌握这种控制技术，我国的土豆生产就不会出现这种尴尬局面。v 利用太空奇特的环境，建立材料加工厂、制药厂和太空育种基地等，具有巨大的经济潜力和应用前景，可以获得巨大的经济效益。v 4载人航天是衡量国家综合国力的重要标志在当今世界上，没有什么比载人航天更能充分展示一个国家的综合国力。实现载人航天，将飞船连同人员送入太空预定轨道，并安全地返回，如果没有高度发达的科学技术和科研能力，如果一个国家没有雄厚的经济基础和强劲的经济能力，就不可能开展。因此，载人航天充分显示了我国的综合国力，提高了我国的国际地位和国际威望，增强了民族自豪感和凝聚力。v 载人航天是一项庞大的系统工程，它包括载人飞船、运载火箭、航天员、测控通信网、发射场、着陆场及有效载荷等7个分系统。v 其中，飞船分系统设计了116种飞船故障模式确保航天员安全，火箭点火后上升段有8种故障模式，飞船运行和回收段有108种，无论出现什么紧急情况，项项都有对策，完全可以让航天员放心。v 第三章 系统工程的若干专v 34 信息系统工程v 341 信息系统工程的一般概念v 信息系统工程是较新的系统工程的重要分支，它运用系统工程原理和方法来开展信息系统建设与管理。信息系统工程是信息科学、系统科学、计算机科学与通信技术相结合的综合性、交叉性学科，最近30多年来得到了飞速的发展，它应用的触角已深入到社会生活的各个方面，包括信息系统工程在内的信息产业已成为当代社会最有生机、最有潜力的支柱产业之一。中国系统工程学会设有信息系统工程专业委员会。v 信息系统工程的含义比较广泛，包括技术领域和管理领域。我国如何实现信息化，如何以信息化带动工业化，这是信息系统工程在宏观层面最大的、首要的战略研究课题。在国家宏观战略的指导下，国家、地区、部门、企事业单位的信息系统如何规划、组织、建设、运作和管理，这是一系列的信息系统工程研究课题。从技术角度来说，可以包含信息处理、通信工程、软件工程、人工智能等技术领域。但是，作为组织管理的技术，信息系统工程主要是研究各级各类管理信息系统的构建与运作问题。 v 管理信息系统作为一种应用系统，在所有的企事业单位和政府部门得到了广泛的应用。管理信息系统几乎成了现代化管理的代名词。一个管理信息系统的建立与运行本身就是一项系统工程。v 由于信息系统是一个社会技术系统，因此，信息系统工程的研究方法不能仅限于工程技术方法。信息系统工程的研究方法分为：v 1 技术方法2 行为方法3 社会技术系统方法。 v 1技术方法信息系统工程的技术方法是研究信息系统规范的数学模型，并侧重于系统的基础理论和技术手段。支持技术方法的学科有计算机科学、数理逻辑、运筹学。计算机科学涉及计算理论、计算方法、数据储存与访问方法；数理逻辑侧重于运用集合论、关系理论等研究信息系统的规范化方法；运筹学则强调优化组织的已选参数。v 2行为方法信息系统工程领域中正在成长的部分是关于行为问题的研究。许多行为问题，如系统的使用程度、系统的实施和创造设计等，不能用技术方法中采用的规范的模型来表达；需要利用行为科学的研究成果；应该重视信息系统对于个人和群体的行为、对于组织和社会的作用；需要利用心理学研究成果关注个人对信息系统的反应和人类推理的认知模型。v 行为方法并不忽视技术。实际上，信息系统的技术方法经常是引发行为问题的因素。但是，行为方法的重点一般不在技术方案上，它侧重在态度、政策、行为等方面。 v 3社会技术系统方法研究信息系统工程的人员应该了解信息系统所涉及的各个学科的观点和看法。事实上，信息系统工程的挑战性恰恰是它需要理解和包容许多不同的看法。v 社会技术系统方法有助于避免对信息系统采取单纯的技术看法。比如，要正视这样的现实：采用信息技术使得成本快速下降和能力迅速增强并不一定能够转化为生产率或利润的提高；还要从政治的角度考虑信息系统的政治影响和用途。v 342 信息系统工程与计算机技术及信息网路的关系v 信息系统工程与计算机技术及信息网络具有十分密切的关系。可以打一个比方：信息网络为信息系统工程提供了宽阔的舞台，计算机技术是信息系统工程的主要演员，信息系统工程则是演出的剧本。v 计算机现在已越来越成为管理的重要工具，但是在计算机出现以前，人们已经用工具帮助运算和管理，1929年就出现了机械记账机。所以当第一台电子计算机于1946年问世以后，到1954年，短短几年，计算机就已用于工资计算，即用于管理了，如图3-1所示。 v 由图3-1可以看出，西方国家在第一台计算机出现以后，能很快用于管理，是由于有了前一段的准备。我