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系统工程 SE 导论 主讲 李云霞yunxiali 电子科技大学自动化工程学院 第1章绪论第1节引言 Why 为什么要学一点系统工程 学习了系统工程 理 工科学生的思想会大大地开阔 当他们面对更加复杂的工程问题时 会以系统的观点去认识它 会在系统科学思想的指导下运用系统工程方法去处理它 从而达到系统最优化 获得最优解 引言 Why T型人才 用字母 T 来表示知识结构特点 表示有广博的知识面 表示知识的深度 T型人才是两者的结合 既有较深的专业知识 又有广博的知识面 既集深与博于一身的人才 这种人才不仅在横向上具备比较广泛的一般性知识修养 而且在纵向的专业知识上具有较深的理解能力和独到见解 华罗庚先生的泡茶 想泡壶茶喝 当时的情况是 开水没有 水壶要洗 茶杯要洗 火已升了 茶叶也有了 怎么办 一 问题描述 1 目标 喝到一碗清新的热茶 2 条件 已有一个茶壶 一包好茶叶 一个燃着的火炉和可用的凉水水源 3 其它要求 以最节约资源的方式实现目标 4 系统工程研究任务 为解决喝茶问题设计一个行动计划系统 设计一个解决泡茶问题的行动计划 二 问题分析 1资源需求根据我们的日常经验 现代人类的活动通常需要人 财 物等类资源 在这个泡茶问题上 不涉及资金 所需的资源包括 凉水 茶壶 茶叶 茶碗 火炉 这些资源目前都已齐备 且假设除人外没有限制 2目标要求以最节约资源的方式泡一壶好茶 这个问题中 前面提到的各项资源除了人力资源外 都是没有限制的 但实际上 茶壶的大小是确定的 因而所用水是确定的 再假定炉火的发热量及热效率是确定的 那么 一旦装满水的茶壶放到火上 其消耗的能源也是确定的 茶叶使用量是有定额的 所以 在泡茶问题上 前述各项资源除随机干扰外 不存在节约问题 这个问题 唯一涉及的节约问题是关于一种既无限又有限的资源 时间的节约 3系统工程研究任务界定设计一个解决泡茶问题的行动计划 要求合理安排各道工序 最大限度节约时间 三 定性策划几个备选方案 根据日常经验 对以上泡茶问题可有以下三种解法 甲 洗净水壶 灌上凉水 壶放在火上 等水开 水开后 以最快的速度洗茶杯 找茶叶 泡茶 待茶泡好 喝茶 乙 洗净水壶 洗茶杯 找好茶叶 灌凉水 壶放火上 等水开 水开后 用准备好的茶杯 茶叶泡茶 等待茶泡好 喝茶 丙 洗净水壶 灌凉水 壶放火上 洗茶杯 拿茶叶 水开之前 可干一些其它事 水开 泡茶 喝茶 四 方案分析与比较 系统分析 1 列出泡茶所需的全部工序2 确定每道工序所需的时间3 确定各道工序之间的时间连接关系4 分析计算每种方案所需的总时间5 做出比较结论 工序列表 第一节泡茶问题 图1泡茶系统工程备选方案工序图 方案分析 甲方案总时间 1 0 5 0 3 15 2 2 2 21乙方案总时间 1 1 1 0 5 0 3 15 2 2 21丙方案总时间 1 0 5 0 3 15 2 2 19分析结果 丙方案最节约时间 方案建议 丙 泡茶工程经验总结 几大步骤 确定问题目标分析需求分析方案策划系统分析 统计 计算 比较 决策建议方案实施系统原理 最优化 并行统筹 工序图法 引言 What What SE是以大规模复杂系统为研究对象 在系统理论 管理科学及其运筹学等学科基础上形成的一门交叉学科 通过学习 主要使学生掌握分析与解决各种复杂系统问题的思想 程序和方法 引言 Who Where Who 学生为主体 教师为主导 Where 将课堂内外的学习结合起来 引言 How 建议注重系统思考 坚持问题导向 采用系统化方法 教学要求课堂学习与课外深化 引例 1960年6月4日 一架采用涡轮发动机的飞机从波士顿起飞 飞机刚刚起飞 便有30000只椋鸟冲向发动机 造成气孔堵塞 发动机功率损失3 4 飞机起飞1分钟后便坠入温恩罗普海湾 飞机上的72人中有62人因此丧生 引例分析 飞机失事发动机功率严重损失30000只椋鸟飞向发动机WHY 涡轮轴发出一种声音蟋蟀发出的声音椋鸟的喜爱食物 例子结论 工程设计仅有常规的知识还不够 必须要掌握相关的知识 才能进行全面的工程分析 工程设计 特别是系统工程设计是一个多学科的任务 是一个综合性学科 课程目标培养现代社会需要量极大的T型复合型人才 课程性质系统工程是现代管理科学的杰出代表 在知识经济的当代社会具有强大的生命力 是一门应用性很强的科学 把工程设计视为决策制定过程 三个问题 哪些人应该重视系统工程方法 所有负责重大决策的人都能从系统工程方法中受益 何时需要重视系统工程方法 整个设计过程 为啥要重视系统工程方法 能得到更好的设计决策 更大的利润 更大的社会效益 第2节系统概述 一 系统的概念1 系统的定义系统是相互作用和相互依存的若干要素结合而成的具有特定功能的有机整体 钱学森系统工程研究的对象是系统 2 构成系统的三个必备条件 必须由两个以上要素构成要素之间存在一定的有机联系任何系统都具有特定的功能3 说明系统通过整体作用支配和控制要素要素通过相互作用决定系统的功能和特性系统和要素的概念是相对的 二 系统的属性 特性 集合性相关性层次性整体性涌现性目的性环境适应性 三 系统的分类 1 按照系统的属性分类 自然系统和社会系统实体系统和概念系统封闭系统和开放系统静态系统和动态系统开环系统和闭环系统作业系统和管理系统 2 钱学森的系统分类P10 四 系统的结构与功能 1 系统的结构表示各种系统的具体结构是大不一样的 大系统的结构往往是很复杂的 但是从一般的意义上说 系统的结构可以用以下式子表示 S E R 这里 S 代表系统 E 表示要素的集合 R 要素间的各种关系的集合 由此可知 作为一个系统 必须包括其要素的集合与要素之间关系的集合 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 要素的连接 系统各种要素之间的关系C12 1C21 0C21 1C12 0C12 1C21 1 E1 E2 E1 E2 E1 E2 2 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 向外界输出 将系统看成一种函数关系 可表示为系统工程的任务 提高系统的功能 特别是提高系统处理和转换的效率 3 系统与环境系统与环境相互依存 系统必然要与外部环境产生物质的 能量的和信息的交换 系统必须要适应外部环境的变化 坚持环境适应不变性原则 就是不但要注意系统内部个要素之间相关性的调节 也要考虑系统与环境的关系 只有系统内部关系和外部关系相互协调 统一 才能全面地发挥出系统的整体功能 保证系统整体向最优方向发展 第2章 系统工程概述 系统工程的概念系统工程的技术内容系统工程方法论管理系统工程综述 一 系统工程 SE 的概念 一 系统工程的定义1 钱学森 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 组织管理系统的技术 系统工程 2 美国 H 斯纳 H Chestnut 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 每一个系统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 3 系统工程的研究对象 系统工程的研究对象是系统 特别是大规模复杂系统该类系统的主要特点有 规模庞大 结构复杂 属性及目标多样 一般为人 机系统 经济性突出等 二 SE的产生与发展 1 贝塔朗菲 L V Bertalanffy 1910 1971 提出 一般系统论 GeneralSystemTheory 概念标志 2 40年代出现的系统论 运筹学 控制论 信息论为系统工程提供了理论依据 3 阿波罗飞船登月成功 被公认为是系统工程成功的范例 引起了人们对系统工程的广泛重视 4 从70年代到80年代 这一时期的发展主要是系统自组织理论的建立 5 80年代以来 非线性科学 NonlinearScience 和复杂性研究 ComplexityStudy 的兴起对系统科学的发展起了很大的积极推动作用 兰德公司正式成立于1948年11月 总部设在美国加利福尼亚州的圣莫尼卡 在华盛顿设有办事处 负责与政府联系 二次大战期间 美国一批科学家和工程师参加军事工作 把运筹学运用于作战方面 获得成绩 颇受朝野重视 战后 为了继续这项工作 1944年11月 当时陆军航空队司令亨利 阿诺德上将提出一项关于 战后和下次大战时美国研究与发展计划 的备忘录 要求利用这批人员 成立一个 独立的 介于官民之间进客观分析的研究机构 以避免未来的国家灾祸 并赢得下次大战的胜利 根据这项建议1945年底 美国陆军航空队与道格拉斯飞机公司签订一项1000万美元的 研究与发展 计划的合同 这就是有名的 兰德计划 兰德 Rand 的名称是英文 研究与发展 researchanddevelopment 两词的缩写 不久 美国陆军航空队独立成为空军 1948年5月 阿诺德在福特基金会捐赠100万美元的赞助下 兰德计划 脱离道格拉斯飞机公司 正式成立独立的兰德公司 系统工程在中国的发展及应用 上世纪50至60年代 我国的一些研究机构和著名学者为SE的研究与应用作了理论上的探讨 应用上的偿试和技术方法上的准备 其主要标志和集中代表是钱学森的 工程控制论 华罗庚的 统筹法 和许国志的 运筹学 我国大规模地研究与应用SE是从70年代末 80年代初开始的 1978年9月27日 钱学森 许国志 王寿云在 文汇报 发表题为 组织管理的技术 系统工程 的长篇文章 从1978年起 西安交大 天津大学 清华大学 华中理工大学 大连理工大学等国内著名大学开始招收了第一批SE专业硕士研究生 1980年11月 中国系统工程学会在北京成立 1980年10月至1981年1月 中国科协 中央电视台会同中国系统工程学会 中国自动化学会联合举办 系统工程电视普及讲座 45讲 取得了良好的社会效果 70年代末以来 应用SE理论和方法来研究与解决我国的重大现实问题 在许多领域和方面取得了较好的效果 如 人口问题的定量研究及应用 始于1978年 2000年中国的研究 1983至1985年 全国和地区能源规划 始于1980年 全国人才和教育规划 始于1983年 农业系统工程 始于1980年 区域发展战略 始于1982年 投入产出表的应用 始于60年代和1976年 军事系统工程 始于1978年 水资源的开发利用 始于1978年 等 90年代以来 系统工程在与企业发展结合 与现代信息技术结合 与实施可持续发展战略结合 与思维科学结合等方面已具有初步结果和强劲势头 系统工程与传统工程的比较 综上所述 系统工程是按照系统科学的思想 运用信息论 控制论 运筹学等理论与方法 以电子计算机及其网络为工具 对于系统的规划 研究 设计 制造 试验和使用进行组织和管理的工程技术 四 系统工程 SE 的主要特点 1 一个系统 两个最优 一个系统 以系统为研究对象 综合全面地考虑问题 两个最优 研究系统的目标是总体效果最优 实现这些目标的具体的方法或途径也要求达到最优 2 以 软 为主 软硬结合3 综合性强一是用到的知识是综合性的 系统工程的研究要用到自然科学 数学科学 社会科学 系统科学等各方面的知识 二是开展系统工程项目要有各方面的专家参加 协同作战 4 实践性与咨询性5 以宏观研究为主 兼顾微观研究6 从定性到定量的综合集成研究 综合性强的说明 1阿波罗计划的总指挥韦伯说 阿波罗计划中没有一项新发明的自然科学理论和技术 全部工作都是现成技术的运用 关键在于综合 其实 综合本身就是一项发明创造 2 曼哈顿工程 担任这项工程的技术总指挥的并不是第一流的物理学家爱因斯坦 费米等人 而是年仅38岁的加州理工大学教授奥本海默