系统工程原理

1、绪论 SE(System Engineering)SE(System Engineering)是以大规是以大规模复杂系统（特别是管理系统）为模复杂系统（特别是管理系统）为研究对象，在研究对象，在系统理论系统理论、管理科学管理科学及其及其运筹学运筹学等学科基础上形成的等学科基础上形成的一一门交叉学科门交叉学科。通过学习，主要使学。通过学习，主要使学生掌握分析与解决各种管理系统问生掌握分析与解决各种管理系统问题的思想、程序和方法。题的思想、程序和方法。什么是系统工程什么是系统工程?绪论n时代特征及社会发展趋势时代特征及社会发展趋势 客观世界三要素 ： 物质、能量和信息不断丰富，事物间联系加强。世界

2、朝复杂性增加的方向发展，各项工作需 抓总抓总管理科学的发展与管理人才培养管理科学的发展与管理人才培养 管理科学发展的“制高点” 系统化管理T型人才为什么要学习系统工程为什么要学习系统工程?绪论 对于我们今天生活中所关心的各种社会经济问题，如经济改对于我们今天生活中所关心的各种社会经济问题，如经济改革、价格问题、体制改革及各种政策的出台都是要经过充分革、价格问题、体制改革及各种政策的出台都是要经过充分的系统的论证，这些都与系统工程有关。例如：的系统的论证，这些都与系统工程有关。例如：n粮食价格的调整：影响肉、菜、生活用品等等，从而影响整粮食价格的调整：影响肉、菜、生活用品等等，从而影响整个社会的

3、物价；个社会的物价；n燃料能源价格：影响原材料、产品及整个物价；燃料能源价格：影响原材料、产品及整个物价；n银行利率：影响消费与积累，反应了国家的经济政策；银行利率：影响消费与积累，反应了国家的经济政策；n外汇牌价：主要用于调节进出口政策，同时反应了一个国家外汇牌价：主要用于调节进出口政策，同时反应了一个国家的经济实力。的经济实力。认识和解决各种重大、复杂现实问题的认识和解决各种重大、复杂现实问题的需要需要绪论 将来在我们的实际工作中，我们会遇到许许多多将来在我们的实际工作中，我们会遇到许许多多的系统工程问题，比如：的系统工程问题，比如：n企业的长远规划：综合考虑企业发展、实力、原企业的长远规

4、划：综合考虑企业发展、实力、原材料、能源、技术、市场、国家政策等；材料、能源、技术、市场、国家政策等；n新产品开发：考虑市场、企业开发技术与实力、新产品开发：考虑市场、企业开发技术与实力、销售网络、经济条件等；销售网络、经济条件等；n区域规划：考虑区域特征、交通、历史、地理等；区域规划：考虑区域特征、交通、历史、地理等；n大项目管理：经过立项、论证、实施、大项目管理：经过立项、论证、实施、绪论案例案例1： 阿波罗登月计划阿波罗登月计划 历时 11 年（19611972年 ），涉及 20000 多家企业、 420000 工程技术人 员、 120 所大学和科研机构、 1000 多万 个零部件 涉及

5、 火箭工程、控制工程、通信 工程、电子工程、计算机工 程、医学、心理学等学科。 但该计划的成功未采用 一项新技术，完全是综合运 用现有技术成果的结果，是 大型系统工程成功的典范。 绪论案例案例2: 航空母舰航空母舰伟大而复杂的系统工程伟大而复杂的系统工程航空母舰（Aircraft Carrier）是一个战斗群，一般包括一艘旗舰，两艘防空巡洋舰，46艘防空反潜驱逐舰，1-2艘攻击型核潜艇组成。航空母舰的主要任务是以其舰载机编队，夺取海战区的制空权和制海权。现代航空母舰及舰载机已成为高技术密集的军事系统工程。 绪论航海系统航海系统推进系统 导航系统 通讯系统 运送系统 海上探测系统 损伤控制系统

6、自卫系统 燃料储存系统 航空系统航空系统 弹射系统 拦阻系统 运送系统 作战人员准备系统 战机升降机系统 武器升降机系统 飞机起飞准备系统 人员操作系统 空勤系统 降落辅助系统 救援系统 燃油系统 氧气氮气系统 空中探测系统 停泊控制系统 机库 降落操作系统 甲板控制系统 机库控制系统 车辆操作系统 支持系统支持系统停泊系统 货物操作系统 清洁系统 人员指挥系统 弹药系统 航空母舰被动保护系统 人员工作系统 医疗系统 生活服务系统 人员训练系统 电气系统 淡水生产系统 摄影处理系统 事故伤亡控制系统 人员编制系统 空调系统 润滑系统 通风系统 天象观测系统 绪论绪论绪论1983年苏联军方决定建

7、造库兹涅佐夫级的二号舰年苏联军方决定建造库兹涅佐夫级的二号舰“定单定单106”（1143.6），由当时乌克兰苏维埃社会主义共和），由当时乌克兰苏维埃社会主义共和国的尼古拉耶夫造船厂承建，初名为国的尼古拉耶夫造船厂承建，初名为“里加里加”号，号，1990年更名为年更名为“瓦良格瓦良格”号，号，1985年年12月月4日开工，日开工，1988年年11月下水，由于苏联解体，其后期建造工程被迫中断，月下水，由于苏联解体，其后期建造工程被迫中断，并被划归为乌克兰拥有。并被划归为乌克兰拥有。1998年，澳门创律旅游娱乐公年，澳门创律旅游娱乐公司通过竞标，以司通过竞标，以2000万美元买下瓦良格号。万美元买下

8、瓦良格号。2002年年3月月3日，瓦良格号航母抵达大连。经过日，瓦良格号航母抵达大连。经过9年多的改建。年多的改建。2011年，年，8月月10日，瓦良格首次试航。日，瓦良格首次试航。但航母是个十分复杂的系统工程，中国航母平台从试航但航母是个十分复杂的系统工程，中国航母平台从试航到形成战力还需近到形成战力还需近10年时间年时间 ！中国第一艘航母中国第一艘航母绪论n俄罗斯纽带新闻网就“瓦良格”号服役时间展开猜测认为，可能会在2012年年底编入海军服役，但形成战斗力的时间不会早于2017年。绪论n中国人很早就在不知不觉中运用思想来解决很多实际问题。如田忌赛马-转败为胜、丁渭造宫-一举三得，以及公元前

9、250年秦国蜀郡太守李冰父子的都江堰工程等等，都包含了系统整体运筹的思想。n春秋末期（公元前6世纪），我国古代最杰出的军事家孙武在著名的兵书孙子兵法中，提出了“上兵伐谋，其次伐交，其次伐兵，其下攻城。n“上兵伐谋”这一谋略，体现了“以最小的代价，取得最大的胜利”的系统优化思想。 系统工程在中国系统工程在中国绪论n丁渭造宫:n在我国北宋年间，有一天皇帝居住的皇城失火被烧。为了修复烧毁的宫殿，皇帝诏令大臣丁渭组织民工限期完工。当时，既无汽车、吊车，又无升降机、搅拌机，一切工作都只能人挑肩扛。加之皇宫的建设高大宽敞、富丽堂皇，免不了费时费工，耗费大量的砖、砂、石、瓦和木材等。当时，使丁渭头痛的三个主

10、要问题是：1.京城内烧砖无土，2.大量建筑材料很难运进城内，3.清墟时无处堆放大量的建筑垃圾。如何在规定时间内完成皇宫修复任务呢？聪明的丁渭经过反复思考，想出了一个巧妙的施工方案，不但提前完成了任务，而且节省了大量金银。 绪论n丁渭是怎样做的呢？n首先，丁渭把烧毁了的皇宫前面的一条大街挖成了一条又深又宽的沟渠，用挖出的泥土烧砖，就地取材，解决了无土烧砖的第一个难题；然后，他再把皇城开封附近的汴河水引入挖好的沟渠内，使又深又宽的沟渠变成了一条临时运河，这样，运送砂子、石料、木头的船就能直接驶到建筑工地，解决了大型建筑材料无法运输的问题；最后，当建筑材料齐备后，再将沟里的水放掉，并把建筑皇宫的废杂

11、物建筑垃圾统统填入沟内，这样又恢复了皇宫前面宽阔的大道。绪论n这个当时就被古人赞誉为“一举而三役济”的“丁渭造宫”，用今天的观点看来仍是值得称道的。丁渭将皇宫的修复全过程看成了一个“系统工程”，将取土烧砖、运输建筑材料、垃圾回填看成了一串连贯的环节并有机地与皇宫的修筑工程联系了起来，有效地协调好了工程建设中看上去是无法解决的矛盾，从而不但在时间上提前完成了工程，而且从经济上也节省了大量的经费开支，又快又好地完成了皇宫的修复工作，实现了整个系统的最优既省时又省钱方案 .绪论n都江堰都江堰是著名的古代水利工程，位于四川省成都平原西部的岷江上，今都江堰市城西。它处于岷江从山区泻入成都平原的地方。在都

12、江堰建成以前，岷江江水常泛滥成灾。公元前256年，秦国蜀郡太守李冰和他的儿子，吸取前人的治水经验，率领当地人民兴建水利工程。都江堰建成后，成都平原沃野千里，成为“天府之国”，这项工程直到今天还在发挥着作用。 绪论n都江堰工程包括鱼嘴、飞沙堰和宝瓶口三个主要组成部分。鱼嘴是在岷江江心修筑的分水堤坝，形似大鱼卧伏江中，它把岷江分为内江和外江，内江用于灌溉，外江用于排洪。飞沙堰是在分水堤坝中段修建的泄洪道，洪水期不仅泄洪水，还利用水漫过飞沙堰流入外江水流的漩涡作用，有效地减少了泥沙在宝瓶口前后的淤积。宝瓶口是内江的进水口，形似瓶颈。除了引水，还有控制进水流量的作用。 绪论绪论n三峡水利工程三峡水利工

13、程 是我国建国以来最大的工程项目，它的论证、是我国建国以来最大的工程项目，它的论证、组织、实施与管理可以说就是一个庞大的系组织、实施与管理可以说就是一个庞大的系统工程问题，这项工程涉及到了国家及地方统工程问题，这项工程涉及到了国家及地方的众多部门，如水利、电力、能源、文物、的众多部门，如水利、电力、能源、文物、生态、移民等等，涉及到几个省的上百个县生态、移民等等，涉及到几个省的上百个县市，同时实施过程要由众多单位共同努力，市，同时实施过程要由众多单位共同努力，时间横跨将近时间横跨将近2020年，如此的工程必然需要一年，如此的工程必然需要一种统观全局的系统方法来对待，系统工程可种统观全局的系统方

14、法来对待，系统工程可以说是最为有效的一种组织方法。以说是最为有效的一种组织方法。绪论绪论不能单靠传统方法进行大型复杂系统的规划、设计、 制造、试验和使用，易割断普遍联系， “ 头痛医头、脚痛 医脚 ”。 案例：阿斯旺高坝。 1972 年联合国环境大会称其为一个完全失败的工程 (是非争论较多的项目)失败案例失败案例绪论阿斯旺高坝的得失：效益：良好的灌溉、廉价的电力、控制洪涝、旅游。 苦果： 泥沙和有机物沉积到水库底部，使两岸绿洲失去肥源， 土壤日益贫瘠；下游入海口盛产沙丁鱼的渔场毁于一旦；尼罗河河口供砂不足，河口三角洲平原从向海伸展变为 向陆地退缩；下游的活水成为相对静止的 “湖泊” ，为血吸虫

15、、疟蚊提 供了生存条件，水库一带居民的血吸虫发病率高达 80% 阿斯旺大坝成为敌方攻击的最好目标。 绪论n教材：陈宏民，系统工程导论，高等教育出版社， 2006.4 n参考书：n谭跃进等，系统工程原理 ，国防科大出版社， 1999.11 第1版 汪应洛，系统工程，机械工业出版社2003.8 孙东川，系统工程引论，清华大学出版2005.8 王众托，系统工程引论，电子工业出版社， 2006.7 11 系统的概念12 系统工程的概念13 系统科学体系14 系统工程的应用绪论1.1.1系统的定义系统是什么系统是什么系统一词，来源于古希腊语，是由部分构成整体的意思。系统一词，来源于古希腊语，是由部分构成

16、整体的意思。 “ 系统系统” 存在于自然界、人类社会及人类思维描述的各个存在于自然界、人类社会及人类思维描述的各个领域，早已为人们所熟悉。领域，早已为人们所熟悉。拉丁文Syn+ histemi“在一起 ” + “放置 ”英文SystemsS直观理解：把一些东西“放置 ”“”“ 在一起 ”就形成 “S”。绪论军事系统、作战指挥系统、后勤保障系统、情军事系统、作战指挥系统、后勤保障系统、情报系统报系统 自动控制系统、传感系统、采样系统、数据处理系自动控制系统、传感系统、采样系统、数据处理系统、执行系统统、执行系统 城市系统、资源系统、市政系统、文化教育系统、城市系统、资源系统、市政系统、文化教育系

17、统、医疗卫生系统、交通运输系统、商业系统医疗卫生系统、交通运输系统、商业系统 举例举例28第一节第一节 系统概述系统概述29第一节第一节 系统概述系统概述30第一节第一节 系统概述系统概述31第一节第一节 系统概述系统概述绪论定义定义系统是由系统是由相互作用、相互依赖相互作用、相互依赖的的若干组若干组成部分结合成部分结合的的具有特定功能具有特定功能的有机整体的有机整体系统的三个基本特征。系统的三个基本特征。第一，系统是由若干元素第一，系统是由若干元素(=2)(=2)组成的；组成的；组成单元 (component)-达成目的的合作伙伴 (partnership)第二，这些元素相互作用、相互依赖；

18、第二，这些元素相互作用、相互依赖；第三，由于元素间的相互作用，使系统作为第三，由于元素间的相互作用，使系统作为一个整体具有特定的功能一个整体具有特定的功能(function)(function)绪论绪论1.1.2系统的特性绪论1.整体性系统整体性说明，具有独立功能的系统要素以及要素间的相互关系是根据逻辑统一性的要求，协调在于系统整体之中。任何一个要素不能离开整体去研究，要素之间的联系和作用也不能脱离整体去考虑。脱离了整体性，要素的机能和要素之间的作用便失去了原有的意义，研究任何事物的单独部分不能得出有关整体性的结论。绪论2.层次性系统作为一个相互作用的诸要素的总体来看，它可以分解为一系列的子系

19、统，并存在一定的层次结构。这是系统结构的一种形式，在系统层次结构中表述了在不同层次子系统之间的从属关系或相互作用的关系。绪论n一个大的系统包含了许多层次，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：国家省（自治区，直辖市）市县乡镇；军队：军师（旅）团营连排；一所大学：学校学院系教研室；一个大型制造企业：总公司分公司工厂车间班组 绪论n下图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）、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。 战略计划层 经营管理层 作 业 层 生产 销售 财务 人事 按职能分 按层次分 绪论3.3

20、.相关性相关性组成系统的要素是相互联系、相互作用组成系统的要素是相互联系、相互作用的，相关性说明这些联系之间的特定关系和的，相关性说明这些联系之间的特定关系和演变规律。系统内的各个子系统应根据整体演变规律。系统内的各个子系统应根据整体目标，尽量避免系统的目标，尽量避免系统的“内耗内耗”，提高系统，提高系统整体运行的效果。整体运行的效果。绪论 绪论4.4.目的性目的性(purpose)(purpose)-系统存在的原因 (reason)系统都具有某种目的。为达到既定的目的，系系统都具有某种目的。为达到既定的目的，系统都具有一定的功能，而这正是区别这一系统和那统都具有一定的功能，而这正是区别这一系

21、统和那一系统的标志。系统的目的一般用更具体的目标来一系统的标志。系统的目的一般用更具体的目标来体现，比较复杂的社会经济系统都具有不止一个目体现，比较复杂的社会经济系统都具有不止一个目标，因此，需要用一个指标体系来描述系统的目标。标，因此，需要用一个指标体系来描述系统的目标。一般人造系统具有目的性，而自然系统不具有目的性，但具有功能性或原因性绪论5.5.适应性适应性任何一个系统都存在于一定的物质环境任何一个系统都存在于一定的物质环境之中，因此，它必然要与外界产生物质、能之中，因此，它必然要与外界产生物质、能量和信息交换，外界环境的变化必然会引起量和信息交换，外界环境的变化必然会引起系统内部各要素

22、的变化。不能适应环境变化系统内部各要素的变化。不能适应环境变化的系统是没有生命力的，只有能够经常与外的系统是没有生命力的，只有能够经常与外界环境保持最优适应状态的系统，才是具有界环境保持最优适应状态的系统，才是具有不断发展势头的理想系统。不断发展势头的理想系统。绪论2) 整体与局部的关系：突现性整体与局部的关系：突现性 不同于传统学科，它强调系统整体特性不同于传统学科，它强调系统整体特性-系统作为整体，具有其要素所不具有的性质系统作为整体，具有其要素所不具有的性质和功能；整体的性质和功能不等同于其各要和功能；整体的性质和功能不等同于其各要素性质和功能的叠加。素性质和功能的叠加。 一个良好的系统

23、，其整体功能一定一个良好的系统，其整体功能一定“大于大于”各各要素功能的要素功能的“总和总和” 。一个不好的系统，其整。一个不好的系统，其整体功能一定体功能一定“小于小于”各要素功能的各要素功能的“总和总和”。“The whole is more than the sum of its parts.”绪论臭臭1臭臭2臭臭3= 诸葛亮诸葛亮30303010030 + 30 + 30 = 90 00绪论分类1）自然系统与人造系统：）自然系统与人造系统：2）实体系统与概念系统：）实体系统与概念系统：3）动态系统和静态系统：）动态系统和静态系统：4）控制系统和行为系统：）控制系统和行为系统：5）开放系

24、统与封闭系统）开放系统与封闭系统 1.1.2系统的分类绪论1.自然系统与人造系统n自然系统是由自然发生而产生与形成的系统，这类系统的组自然系统是由自然发生而产生与形成的系统，这类系统的组成部分是自然物（山、海、河流、矿物、植物及动物等）所成部分是自然物（山、海、河流、矿物、植物及动物等）所自然形成的系统。像海洋系统、矿藏系统、生态系统、太阳自然形成的系统。像海洋系统、矿藏系统、生态系统、太阳系、宇宙系等，都属于自然系统。系、宇宙系等，都属于自然系统。 n 人工系统是人们将有关元素，按其属性和相互关系组合而人工系统是人们将有关元素，按其属性和相互关系组合而成的系统，亦即用人工方法建立起来的系统。

25、例如，人类对成的系统，亦即用人工方法建立起来的系统。例如，人类对自然物质通过加工，用人工方法制造出来的工具和机械装置自然物质通过加工，用人工方法制造出来的工具和机械装置等构成的各种工程系统；人类通过人为地规定的组织、制度、等构成的各种工程系统；人类通过人为地规定的组织、制度、步骤、手续等建立起来的各种管理系统和社会系统；人类通步骤、手续等建立起来的各种管理系统和社会系统；人类通过对自然现象和社会现象的科学认识，用人工方法研究出来过对自然现象和社会现象的科学认识，用人工方法研究出来的科学体系和技术体系等都属于人工系统。的科学体系和技术体系等都属于人工系统。绪论2.实体系统与概念系统n所谓实体系统

26、，是指以物理状态的存在物作为组成要素所谓实体系统，是指以物理状态的存在物作为组成要素的系统，这些实体占有一定空间，如自然界的矿物、生的系统，这些实体占有一定空间，如自然界的矿物、生物，生产部门的机械设备、原始材料等。由于自然物都物，生产部门的机械设备、原始材料等。由于自然物都为实实在在的存在物，因此，实体系统亦称为硬件系统为实实在在的存在物，因此，实体系统亦称为硬件系统n与实体系统相对应的是概念系统，它是由概念、原理、与实体系统相对应的是概念系统，它是由概念、原理、假说、方法、计划、制度、程序等非物质实体构成的系假说、方法、计划、制度、程序等非物质实体构成的系统，如管理系统、科学技术体系、教育

27、系统、文化系统统，如管理系统、科学技术体系、教育系统、文化系统等。由于概念系统，对应着的多是人们对自然界的认识等。由于概念系统，对应着的多是人们对自然界的认识和假设，因此概念系统亦称为软件系统。和假设，因此概念系统亦称为软件系统。绪论n动态系统就是系统的状态变量是随时间不断变化的，动态系统就是系统的状态变量是随时间不断变化的，即系统的状态变量是时间的函数。例如，学校就是一即系统的状态变量是时间的函数。例如，学校就是一个动态系统，它不仅有建筑物，还有教师和学生。企个动态系统，它不仅有建筑物，还有教师和学生。企业也是动态系统的一个典型例子业也是动态系统的一个典型例子n静态系统则是表征系统运行规律的

28、数学模型中不含有静态系统则是表征系统运行规律的数学模型中不含有时间因素，即模型中的变量不随时间而变化，它是动时间因素，即模型中的变量不随时间而变化，它是动态系统的一种极限状态，即处于稳定的系统。例如大态系统的一种极限状态，即处于稳定的系统。例如大桥、公路、房屋等。桥、公路、房屋等。3.动态系统和静态系统绪论4.控制系统与行为系统n控制就是为了达到某个目的给对象系统所加的必控制就是为了达到某个目的给对象系统所加的必要动作，因此，为了实行控制而构成的系统叫做要动作，因此，为了实行控制而构成的系统叫做控制系统。当控制系统由控制装置自动进行时，控制系统。当控制系统由控制装置自动进行时，称之为自动控制系

29、统，如计算机控制的机械加工称之为自动控制系统，如计算机控制的机械加工生产过程自动控制系统。生产过程自动控制系统。n行为系统是以完成目的行为作为构成要素而形成行为系统是以完成目的行为作为构成要素而形成的系统。的系统。绪论5.开放系统与封闭系统开放系统是指与其环境之间有物质、能量或信息交换的系统，封闭系统则相反，即系统与环境互相隔绝，它们之间没有任何物质、能量和信息交换。绪论S =f ( E ，R )S（Systems） 系统E（Elements） 要素的集合R（Relationship ） 要素之间各种关系的集合由上式可知，作为一个S，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

30、。两者结合起来，才能决定一个 S的结构与功能。1.1.3 系统的功能和结构的关系绪论补充说明： 要素不同，会形成不同功能的S； 要素相同，但要素间关系不同，也会产生不同的S； 相同功能可用不同结构来实现，如人脑与电脑具有不 同的结构，但在某些方面却具有相同的功能； S的结构与功能之间不存在必然的一一对应关系。 绪论1.2.1系统工程的定义定义定义系统工程是一门现代化的系统工程是一门现代化的组织管理技术组织管理技术，是特，是特殊的工程技术，是跨越多学科的边缘科学。殊的工程技术，是跨越多学科的边缘科学。绪论绪论1.2.2系统工程的特点整体性（系统性）整体性（系统性）:整体性和系统化观点（前提）整体性和系统化观点（前提）关联性（协调性）关联性（协调性）:总体最优或平衡协调观点（目的）总体最优或平衡协调观点（目的）综合性（交叉性）综合性（交叉性）:多种方法综合运用观点（手段）多种方法综合运用观点（手段） 满意性（最优化）满意性（最优化）:问题导向及反馈控制观点（保障）问题导向及反馈控制观点（保障）绪论传统的工程系统工程概念“硬件”的工程,生产有形的产品的技术过程“软件”的工程,规划,计划,方案,程序等活动过程对象特定领域的具体的有形的对象普遍联系,相互影响,规模和层次都极其复杂的综合系统任务解决具体技术问题解决系统的全盘统