高校课件-系统工程：原理与实务

1、系统工程理论与实务课程简介系统工程是以系统为研究对象，利用系统科学思想、方法进行系统合理开发、运行和控制的一大类工程技术的总称，是一门多学科高度综合的、新兴的交叉学科。系统工程主要内容包括系统与系统工程概念、系统工程方法论、系统结构化模型、分析模型、系统仿真、系统评价等。 一件复杂的事件、规模较大的工程或实施持续时间较长的过程，常常被认为是系统工程问题。2022/8/2032022/8/204系统工程问题三峡水利工程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、生态、移民等等，涉及到几个

2、省的上百个县市，同时实施过程要由众多单位共同努力，时间横跨将近20年，如此的工程必然需要一种统观全局的系统方法来对待，系统工程可以说是最为有效的一种组织方法。2022/8/205系统工程问题当前各种经济改革、价格问题、体制改革及各种政策的出台等社会经济问题， 都要经过充分的系统的论证，都与系统工程有关。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物价。燃料能源价格：影响原材料、产品及整个物价银行利率：影响消费与积累，反映了国家的经济政策外汇牌价：主要用于调节进出口政策，同时反映了一个国家的经济实力2022/8/206系统工程问题管理类学生未来可能遇到的系统工程问题：企业的长远规

3、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。新产品开发：考虑市场、企业开发技术与实力、销售网络、经济条件等区域规划：考虑区域特征、交通、历史、地理等大项目管理：经过立项、论证、实施等。2022/8/207 章 节课 程 内 容 课 时 分 配 讲授实验第1章系统与系统工程概述4第2章系统工程方法论3第3章系统结构化模型6第4章分析模型6第5章系统仿真34第6章系统评价4第7章系统工程应用综合案例2课 时 总计2842022/8/208第一章 系统与系统工程概述第一节 系统的基本概念第二节 系统工程的内涵与发展历程第三节 系统工程的理论基础第四节 系统工程应用领域2022/

4、8/209第一节 系统概述1、系统思想2、系统的内涵3、系统的结构4、系统的分类2022/8/20101、系统思想 系统是系统工程重要组成部分。“系统思想是进行分析和综合的辨证思维工具，它在辨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述形式，在系统工程那里获得了丰富的实践内容”2022/8/2011系统概念的产生公元前古希腊对宇宙大系统的认识我国西周时期的“阴阳二气”及金、木、水、火、土“五行”东汉时期形成的“二十四节气”周秦到西汉时期的“黄帝内经”。2022/8/20122、系统的内涵系统(system): 系统是由相互联系、相互作用的要素（部分）组成的具有

5、一定结构和功能的有机整体。英文中系统一词（system)来源于古代希腊文（systm),意为部分组成的整体。古希腊哲学家德谟克利特所著世界大系统是最早采用系统一词的书。一台机器、一个部门、一项计划、一个研究项目、一种组织、一套制度都可以看成一个系统。系统的存在具有普遍性系统的定义很多，但概念是相对的而不是绝对的，它没有绝对规模的界限2022/8/2013 （1）整体性 系统是由相互依赖的若干部分组成，各部分之间存在着有机的联系，构成一个综合的整体，以实现一定的功能。这表现为系统具有集合性，即构成系统的各个部分可以具有不同的功能，但要实现系统的整体功能。系统不是各部分的简单组合，而要有统一性和整

6、体性，因此，要充分注意各组成部分或各层次的协调和连接，提高系统的有序性和整体的运行效果。保证112的效果系统的特征2022/8/2014（2）目的性 大多数系统的活动或行为可以完成一定的功能，但不一定所有系统都有目的，例如太阳系或某些生物系统。人造系统或复合系统都是根据系统的目的来设定其功能的，这类系统也是系统工程研究的主要对象。 系统的特征2022/8/2015（3）相关性 系统中相互关联的部分或部件形成“部件集”，“集”中各部分的特性和行为相互联系、相互依赖、相互制约和相互作用，这种相关性确定了系统的性质和形态。系统的特征2022/8/2016（4）动态性 物质和运动是密不可分的，各种物质

7、的特性、形态、结构、功能及其规律 性，都是通过运动表现出来的，要认识物质首先要研究物质的运动，系统的动态性使其具有生命周期。开放系统与外界环境有物质、能量和信息的交换，系统内部结构也可以随时间变化。一般来讲，系统的发展是一个有方向性的动态过程。系统的特征2022/8/2017（5）有序性 由于系统的结构、功能和层次的动态演变有某种方向性，因而使系统具有有序性的特点。一般系统论的一个重要成果是把生物和生命现象的有序性和目的性同系统的结构稳定性联系起来，也就是说，有序能使系统趋于稳定，有目的才能使系统走向期望的稳定系统结构。系统的特征2022/8/2018（6）环境适应性 一个系统和包围该系统的环

8、境之间通常都有物质、能量和信息的交换，外界环境的变化会引起系统特性的改变，相应地引起系统内各部分相互关系和功能的变化。为了保持和恢复系统原有特性，系统必须具有对环境的适应能力，例如反馈系统、自适应系统和自学习系统等。系统的特征2022/8/2019（1）系统的整体性（2）系统的目的性（3）相关性（4）动态性（5）有序性（6）环境适应性反映系统的功能，确定系统和环境的边界确定系统的组成要素反映要素之间的关系明确了系统与环境之间的关系反映了系统的变化趋势反映了系统的结构形态系统特征之间的关系2022/8/20203 系统的结构系统结构是指系统的构成要素在时空连续区上的排列组合方式和相互作用方式。系

9、统结构的普遍形式决定了系统的基本特征。目的性作为构造系统结构的出发点相关性动态性有序性作为系统结构的主要内涵特性整体性环境适应性分别作为系统内、外部综合协调的表征2022/8/2021系统结构分析的目的就是寻求构筑系统合理结构的规律和途径。是指在对应系统总目标和环境因素的约束条件下，系统的组成要素集、要素间的相互关系集以及它们在阶层分布上的最优结合，并使得系统有最优的或最满意的输出。2022/8/2022系统结构分析的作用：通过明确一切和问题有关的要素同实现目标之间的关系，提供完整的资料，以便决策者选择最合理的决策方案。2022/8/2023系统结构分析的内容 从系统结构和系统结构分析的目的与

10、要求可以看出，系统结构分析的主要内容有：构成系统的要素集要素间的相互关系要素在系统中的排列方式系统的整体性2022/8/2024系统结构的主要类型因果关系结构反馈关系结构 S型关系结构多重耦合关系结构2022/8/2025(1) 因果关系系统是由相互联系、相互影响的元素组成。在系统动力学方法中，元素之间的联系或关系可以概括为因果关系（Causal Relationship）因果关系的相互作用，最终形成系统的功能和行为。因果关系分析是系统建模的基础，也是对系统内部结构关系的一种定性描述。2022/8/2026因果关系的描述通常因果关系用一个箭头线表示，即AB，变量A表示原因，变量B表示结果。箭头

11、线标为因果链，表示A到B的作用。一般地，当A变化时将引起B变化，假定A0，B0，分别表示变量A、B的改变量。若满足下列条件之一：（1）A加到B中；（2）A是B的乘积因子；（3）A变到AA，有B变到BB，即A、B的变化方向相同。则称A到B具有正因果关系，简称正关系，用“”号标在因果链上。2022/8/2027若满足下列条件之一：（1）A从B中减去；（2）1/A是B的乘积因子；（3）A变到AA，有B变到B B，即A、B的变化方向相反。 则称A到B具有负因果关系，简称负关系，用“”号标在因果链上。2022/8/2028(2) 反馈关系结构系统中某个因素的变化，导致其他因素的变化，又引起自身的变化现象

12、分为正反馈与负反馈，一般原则是：若反馈回路包含偶数个负的因果链，则其极性为正，叫正反馈回路；若反馈回路包含奇数个负的因果链，则其极性为负，叫负反馈回路。2022/8/2029(3) S型关系结构由正反馈和负反馈构成的系统用途很多系统状态SS型曲线时间t图1-2 S型系统状态趋势2022/8/2030(4) 多重耦合关系结构非常复杂的反馈耦合结构 加拿大哈德逊湾野兔和山猫的生长情况2022/8/20312022/8/20322022/8/2033系统的分类系统形态：自然界所面临的系统是各种各样的，它们以各种各样的形态存在于这个五彩缤纷的世界。因此，我们就可以按照系统在自然界存在的形态及性质，将系

13、统分为各种各样的类型。2022/8/2034面向对象区分的各种系统形态物质系统、人类系统及方法步骤系统作业系统和管理系统社会经济系统 经营系统 根据具体对象划分的各种系统 :工业系统、运输系统、交通系统、通信系统、物资流通系统、金融系统、能源系统等以产业区分系统的形态，或按消费生活系统、医疗系统、军事系统和教育系统等 2022/8/2035自然系统与人造系统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。 人造系统是人们将有关元素，按其属性和相互关系组合而

14、成的系统，亦即用人工方法建立起来的系统。 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造系统。 2022/8/2036自然和人造系统关系举例埃及阿斯旺水坝是一个典型的人造系统，水坝解决了埃及尼罗河洪水泛滥问题，但也带来一些不良影响，如东部的食物链受到破坏，渔业减产;尼罗河流域土质盐碱化加快，发生周期性干旱，影响了农业;由于河水污染使附近居民的健康受到影响等。但如能运用系统工程方法来全面考虑，统筹

15、安排，有可能得到一个既解决洪水问题又尽量减少损失的更好方案。 阿斯旺位于埃及首都开罗以南“第一急滩下”，尼罗河的东岸，素有埃及南大门之称。从区域面积来看，阿斯旺市区不大，但它地处要冲，历来颇受重视。滔滔北流 的尼罗河水，也为它平添了几多景色。在奔腾咆哮的尼罗河上建造的阿斯旺水坝，以巨大的躯体横截尼罗河水，气势雄伟壮观。登上耸立于河岸上的水坝纪念塔，环 形的拱桥式大坝像跨越尼罗河的长虹，粲然入目。 自1971年水坝建成至今的29年间，阿斯旺水坝曾立下了许多汗马功劳，为促进埃及工农业生产的发展发挥了巨大的作用。但是，由于生态环境的一些 变化，尼罗河水连年减少，使得阿斯旺水坝的功能减弱，甚至对埃及工

16、农业生产形成威胁，引起了各国学者的关注。对阿斯旺水坝的利弊，专家们多年来大动笔墨， 争论不休。一、利：阿斯旺水坝是由主坝、溢洪道和发电站三部分组成。主坝全长3600米，坝基宽980米，水坝南面是一个群山环抱的人工湖，阿斯旺水坝所拦截的水注入人工湖而形成一座水库，人称阿斯旺水库，又叫纳赛尔湖。湖长500多公里，平均宽12 公里，总面积为6500平方公里，深度为1210米，为世界第二大人工湖；蓄水量为1820亿立方米，居世界第一。高坝和水库在溢洪、灌溉、发电、养鱼等 方面都发挥了重大作用。周恩来总理曾高度赞扬说：“阿斯旺水坝宏伟的建设工程，体现了埃及人民改造大自然，变沙漠为良田的雄心壮志。”利用现

17、代科学技术筑 造的阿斯旺水坝，灌溉埃及90%以上的耕地，使埃及农田的复种指数大大增加，农业产量迅速提高，棉花平均亩产量达184公斤，水稻为360公斤。过去依靠 尼罗河泛滥进行耕种的时代，已一去不复返了。阿斯旺水坝不仅使埃及灌溉面积增加了130万200万公顷，还使70万公顷的每年一季作物地区变成永久性灌 溉的多季作物地区，使埃及全国共增加25%30%的灌溉面积。阿斯旺水坝使棉花增产50%，耕地增加200万埃亩。原来要在洪水过后才能耕种的盆地灌溉 区，现已改成人工灌溉的稻田，并增加到70万埃亩。埃及已成为大米输出国。更重要的意义在于，由于阿斯旺水坝发电站发出的巨大而廉价的电能，埃及全国的 4000

18、个村庄都相继实现了电气化。水坝每年发电80亿千瓦小时，为全国提供了用电总量的70%，成为埃及的电力基地。阿斯旺水坝使埃及的面貌迅速改变，它对埃及的作用将与日俱增。阿斯旺地区如今已成为新兴的工业基地，埃及民族工业的发展，也进入了一个新时期。 二、弊：几十年来，埃及主要依靠尼罗河水灌溉土地，尼罗河可以说是埃及农业赖以发展的主动脉。虽说阿斯旺水坝建成后，曾对促进埃及工农业生产的发 展发挥了积极作用，但与此同时也引起了生态环境的一些变化，特别是近几年来，尼罗河水连年明显减少，对埃及工农业及电力工业形成巨大威胁。 由于水源不足，阿斯旺水坝的水位在1987年比原设计的60米高度减少3米，严重影响了埃及的电

19、力工业生产。随电力的发展而发展起来的用电部门也为此受到影响。为此，1988年埃及政府不得不采取配给用水用电的措施。1988年上半年，尼罗河流域旱情仍在继续，5月底，开罗地区出现了历史上罕见的45高温天气。为了解决水源问题，埃及有关部门在近两年间采取了应急措施。首先是对农业的生产结构作了必要的调整，规定埃及农业部制定的农作物生产计划必须先得到水利部的同意方为有效。由于干旱，工业用水也受到影响。按常规，工业用水每年约需27亿立方米，其中21.3亿立方米用来发电和电站的冷却。由于尼罗河潮汛一再减少，水 坝的发电量相应不足，迫在眉睫的任务是循环再生水，把工厂生产过程中使用过的水回收起来再次利用，这样做

20、还能附带解决一些工业废水的污染问题。埃及工业部 还决定调整工业用电，限制用电时数，调整工艺工序，减少照明和行政耗电，从而最大限度地减少电网的负荷。埃及采取配给水的做法，说明了阿斯旺水坝并未最终解决埃及的用水问题，同时还产生了副作用。这些副作用在已故总统纳赛尔时期曾被忽视或撇在一边。因为当时建造水坝被认为是一种爱国的行动，因而是不能批评的。而现在不能再忽视这些困难和副作用了。 尼罗河水在流动中夹带淤泥每年达1亿吨。淤泥中含有大量腐殖质，为埃及农业提供了丰富的天然肥料。但在阿斯旺水坝建成后，这些肥沃的淤泥被阻挡住 了，不能再沿泥罗河水而下，埃及不得不从国外进口大量化肥，从而增加了外汇支出和农业成本

21、，也使土地肥质降低，给埃及农业生产带来诸多不利影响。淤泥被阻 挡在水坝上段，不能再随河水流向地中海，也使尼罗河三角洲受到严重影响。过去，淤泥里的沉积物曾对地中海水位的增长起阻碍作用，但现在由于沉积物的消失， 三角洲的水土流失现象日趋严重，拉希德和杜姆亚特两河河口的土壤侵蚀日益加快。据埃及水利专家测算，现在上述两河河口每年分别被海水冲刷掉29米和31 米，使那里的海岸线不断后缩。 阿斯旺水坝和水库的渗水率和蒸发率日益增高，也是个严重问题。70年代水坝建成前，就曾有专家就此提出警告，如今已成事实。据埃及水利部统计，现 在阿斯旺水坝的“垂直”渗漏为60亿立方米，“平行”渗漏为10亿立方米，每年共渗漏

22、70亿立方米，蒸发损失水量每年为100亿立方米。另外，埃及气候大 风可能增加水的蒸发率为40%，即40亿立方米，以上两项共损失水210亿立方米。 阿斯旺水坝还面临水涝和盐碱问题。水坝周围大约有35%的农业耕地受到盐碱的影响，盐碱率每年增加10%。另外，现有95%的埃及农田由于不能及 时排灌而受到水浸影响，但目前排水工程尚未跟上。阿斯旺水坝的种种弊端使埃及农业生产受害很大，近年来，埃及粮食生产已不能满足需要，现在50%的食品又 靠进口。 阿斯旺水坝的利弊得失，已成为当今埃及乃至各国水利专家们谈论的热门话题。 2022/8/2041大坝顶宽40米，坝高111米，所使用的建筑材料约 4300万立方米

23、，其体积相当于开罗西郊库孚大金字塔的17倍，堪称世界七大水坝之一。工程于1960年1月9日破土动工，到1970年7月23日完 工，1971年1月举行竣工仪式，历时10余载，耗资约15亿美元。水坝是一项集防洪、灌溉、航运、发电为一体的综合利用工程。 2022/8/2042实体系统与概念（抽象）系统 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。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统，如管理系

24、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和假设，因此概念系统亦称为软件系统。2022/8/2043 S S S物资流信息流 在实践中，实体系统和概念系统往往是结合在一起的。实体系统是概念系统的基础和服务对象，概念系统是为实体系统提供指导和服务，两者是不可分的。2022/8/2044 动态系统和静态系统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

25、是动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。2022/8/2045孤立系统、封闭系统与开放系统 所谓孤立系统指的是系统与外界环境既不可能进行物质交换，也不可能进行信息、能量交换。换句话说，系统内部的物质和信息能量不能传至外部，外界环境的物质和信息能量也不能传至系统内部。封闭系统是指系统与外界环境之间可以进行信息、能量交换，但不能进行物质交换。环境仅仅为系统提供了一个边界，不管外部环境有什么变化，封闭系统仍表现为其内部稳定的均衡特性。开放系统是指系统与外界环境有信息、物质和能量交互作用的系统。开放系统常是自调整或自适应的系统2022/8/2046第二节 系统工程的内涵与发

26、展历程1、系统工程的内涵2、系统工程的发展历程2022/8/2047系统工程在系统科学结构体系中，属于工程技术类，它是一门新兴的学科。系统工程是多学科的高度综合，它的思想和方法来自各个行业与领域，又综合吸收了邻近学科的理论与工具，故国内外对系统工程的理解就不尽相同。 国内外有一些学者对系统工程的含义有过不少阐述，但至今仍无统一的定义。2022/8/2048系统工程是以系统为研究对象的工程技术，它涉及到“系统”与“工程”两个侧面所谓系统，即是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体。如计算机系统、企业管理系统等系统工程学中的“工程”概念，是指不仅包含“硬件”的设计与制造

27、，而且还包含与设计和制造“硬件”紧密相关的“软件”，诸如预测、规划、决策、评价等社会经济活动过程，故称它为“软工程”，它扩充了传统“工程”概念的含义。两方面有机地结合在一起，即为系统工程。2022/8/2049“系统工程是为了合理开发、设计和运用系统而采用的思想、程序、组织和方法的总称。”（1971年日本寺野寿朗“系统工程学”）1977年日本学者三浦武雄指:“系统工程与其他工程学不同之点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一种边缘学科。因为系统工程的目的是研制系统，而系统不仅涉及到工程学的领域，还涉及社会、经济和政治等领域，为了适当地解决这些领域的问题，除了需要某些纵向技术

28、以外，还要有一种技术从横的方向把它们组织起来，这种横向技术就是系统工程”。2022/8/2050系统工程是研究复杂系统设计的科学，该系统由许多密切联系的元素所组成。设计该复杂系统时，应有明确的预定功能及目标，并协调各个元素之间及元素和整体之间的有机联系，以使系统能从总体上达到最优目标。在设计系统时，要同时考虑到参与系统活动的人的因素及其作用。” （1975年美国科学技术辞典）“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。”（1976年苏联大百科全书）2022/8/2051“系统工程是为了研究由多数子系统构成的整体系统所具有的多种不同目标的相互协调，使系统的功能达到最优化，最大

29、限度地发挥系统组成部分的能力而发展起来的一门科学。”（1977年，美国恰斯诺特“系统工程方法”）1978年我国著名学者钱学森指出:“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方法”。 2022/8/2052系统工程的特征（1）系统工程是一门跨越多个学科领域的方法性学科，它的思想与方法适用于许多领域，它不以某一专门的技术领域为研究对象。 它是横跨自然科学与社会科学的综合性的新学科，它不仅涉及科学技术，还涉及经济、社会、心理等因素，所以系统工程的研究与应用，特别需要把自然科学与社会科学紧密地结合起来，从各门学科中吸取有用的东西，形成自己的

30、思想和方法。2022/8/2053（2）系统工程的目标是实现系统的整体最优。为此，要运用各学科的最新成果（如老三论、新三论、运筹学以及电子计算机等），采用定性与定量分析相结合的方法，研究系统的整体与部分，系统与环境之间的关系与协调，提出最优方案，在实践中，力争实现系统整体最优之效果。2022/8/2054（3）系统工程研究问题途径一般是先决定整体框架，后进入详细设计，通过对系统的综合、分析，构造系统模型来调整改善系统的结构，使之达到系统整体最优。（4）在系统工程的观点和方法中，观点、概念、原则是本质的，是第一位的，一些数学方法是手段，是从属于观点和原则的。2022/8/2055系统工程的任务（

31、1）在开发新的系统（如太空飞船系统、地铁系统、新型工程系统）过程中，解决系统的最优设计、最优管理、最优控制、最优制造等一系列问题，这些问题多属于工程技术系统。（2）用系统的思想和方法重新评价、预测、分析和规划现有的系统，使其充分挖掘潜力，具有新的功能，或找出改进完善的方向，一般称之为“系统化”。2022/8/20564、系统工程与工程技术系统工程也是一种工程技术，用以改造客观世界并取得实际成果。2022/8/2057系统工程与工程技术的区别研究的对象广泛，包括人类社会、生态环境、自然现象和组织管理等。 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

32、、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。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。 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。 2022/8/2058系统工程与传统工程传统工程 解决问题的方法一清二楚 称为“内容明确的问题” 大目标具体化 评价方法具体化 目标分解、层次化系统工程解决问题的方法不明确称为“内容不明确的问题”系统工程大目标是抽象的评价方法是抽象的，评价方法多方面、多层次的系统目标多方面、多层次的 2022/8/2059系统工程与传统工程的区别系统工程与传统工程，如

33、机械工程、化学工程、电力工程等是有很大差异的。 传统工程侧重于对能量、物质进行变换，完成各种“硬件”生产任务称为“硬技术”。 系统工程侧重于信息聚集、加工、处理和变换，完成各种“软件”生产任务，生产出各种无形产品，如规划、设计、决策、制度、程序等，因此系统工程称为“软技术”，系统科学称为“软科学”。对于一个大型的工作任务或系统来讲，既需要“硬技术”也需要“软技术”。2022/8/2060系统工程的作用系统的价值与技术价值作用在于最大地开发工程价值案例分析：美国石油输送问题2022/8/2061美国石油输送问题背景介绍：阿拉斯加北海岸的Prudhoe Bay发现石油。普拉德霍湾到阿拉斯加南海岸的

34、瓦尔迪兹140万桶原油每天北极圈内，常年处于冰冻状态；最低温度50摄氏度2022/8/2062石油运输方案方案1：超级油轮海上运输方案2：管道运输方案3：管道运输海轮运输2022/8/2063方案1：超级油轮海上运输（1）优势：仅需56艘油轮投资小（2）劣势：须有破冰船在起终点建立大型油库2022/8/2064方案2：管道运输（1）优势：管道技术成熟（2）劣势：输油管道的加热和高架陆地经加拿大国土或者经海底管道2022/8/2065方案3：管道运输海轮运输（1）优势：仅需56艘油轮管道技术成熟（2）劣势：输油管道的加热和高架2022/8/2066方案选择与优化优化思路1：海水加入原油中把含10

35、%到15%氯化钠海水加入原油中，使得低下的原油和海水混合成为乳状液态，在低温中仍然可以在管道中畅流。优化思路2：天然气加入到原油中把石油和油气混合在一起,通过管道进行运输。将天然气转化为甲醇，甲醇再与石油混合在一起，降低了混合物的熔点，并充分利用的有限资源。2022/8/2067阿拉斯加石油管道石油是阿拉斯加一大重要资源，州内90%的财源都来自石油产品、原油及天然气的出口业务。 每天有将近八千万加伦的石油经由阿拉斯加油管(Trans-Alaska Pipeline)输出。 阿拉斯加油管从北海岸的普拉德霍湾一路蜿蜒到中南部的瓦尔迪兹，石油便在此装上油轮。1973年，造价美金80亿美元的Alask

36、a Pipeline纵贯阿拉斯加，每天由北坡油田输送140万桶原油到阿拉斯加湾之滨、景色天成的不冻港瓦尔迪兹上油轮；从北坡到瓦尔迪兹，沿途美景依旧，毫无污染。2022/8/2068从北极圈内的普拉德霍湾延伸到阿拉斯加南海岸的瓦尔迪兹，跨阿拉斯加的输油管道长约1287千米，途中穿过3条山脉、300多条大小河流和将近640千米长的冻土地带。这条输油管于1977年竣工。2022/8/2069未来石油输送问题目前，为增加美国市场的能源供应和减少对进口石油的依赖，美国正准备修建从阿拉斯加到美国中西部地区的大型天然气管道。据美国华盛顿邮报报道，这条天然气管道将从天然气和石油蕴藏量丰富的阿拉斯加北坡地区开始

37、，通往密歇根州的芝加哥，全长约3600英里（约合5700多公里），总耗资估计为200亿美元。管道2012年建成后，每天的天然气输送量将达45亿立方英尺（1英尺合0.0283立方米），约占目前美国产量的8%，从而对美国的能源供应产生重大的影响。目前，美国一些石油公司正在同国会联系，以便争取政府参加这一计划。美国能源界人士普遍预计，由于这一计划不涉及开采石油所面临的自然环境保护问题，因此预计将得到国会的大力支持。2022/8/2070四川都江堰工程战国时期，秦国太守李冰父子主持修建了四川都江堰工程。这一伟大水利工程巧妙地将分洪、排水和排沙结合起来，使各部分组成一个整体，实现了防洪、灌溉、行舟、漂木

38、等多种功能。至今，该工程仍在发挥着重大的经济效益。2022/8/20712022/8/20722022/8/20732022/8/20742022/8/20752022/8/2076系统工程的总体思想从系统总体出发，充分考虑“输入”和“输出”的各种因素开发内部系统。（1）最优思想（2）组合思想（3）分解协调思想2022/8/2077（1）最优思想系统工程的目标和约束往往是多方面、多层次的，且随社会、经济、全球化、技术、市场等多种因素不断变化，所以要追求系统的总体最优，不是局部最优。 系统工程的主要任务是开发整体（综合）最优系统，包括：最优设计、最优管理、最优性能、最优控制2022/8/2078

39、为达到系统整体最优建立目标体系和评价体系目标体系和评价体系要注重定量和定性方法相结合2022/8/2079（2）组合思想系统是由具有一定功能的要素组合而成组合思想：合理选择要素，既能满足系统目标、又没有不必要的要素选择要素的原则：尽可能选已有要素、尽可能选标准化、规格化、通用化的要素。例：建大厦，要素为砖、水泥、钢筋、木材等。不同水平的建筑师却可以建出不同水平的房子来，原因在于组合思想的水平不同。2022/8/2080 （3）分解和协调思想 大系统一般结构复杂复杂的大系统可以分解为结构相对简单的若干子系统，简化处理同一级的子系统相互关联，要求相互之间密切配合，协调完成大系统的任务目标分解，功能

40、协调2022/8/20812、系统工程的发展历程（1）系统工程的萌芽时期（2）系统工程概念产生时期（3）系统工程应用时期2022/8/2082系统工程的萌芽时期系统工程作为一门科学技术虽然形成于二十世纪中叶，但系统工程的思想方法和实际应用可追溯到远古时代。 系统工程的萌芽时期可追溯到上世纪初的FW泰勒(FWTaylor)系统。系统目的：提高工效途径：泰勒研究了合理工序和工人活动的关系，探索了管理的规律，1911年他的 科学管理原理一书问世后，工业界出现了泰勒系统。 公元前500年的春秋时期，就有著名的军事家孙武写出了“孙子兵法”十三篇，指出战争中的战略和策略问题，如进攻与防御、速决和持久、分散

41、和集中等之 间的相互依存和相互制约的关系，并依此筹划战争的对策，以取得战争的胜利。其著名论点有“知已知彼，百战不殆”，“以我之长，攻敌之短”等。 在水利建设方面，战国时期，秦国太守李冰父子主持修建了四川都江堰工程。2022/8/2083运筹学最早出现于1938年，当时纳粹德国经常派轰炸机越过英吉利海峡轰炸英国本土，为了预警，英国人沿海岸线建立了雷达系统。雷达系统由密布的雷达站组成雷达系统的预警信息传至防空指挥中心，使高射炮和战机能提前准备迎敌。 为了最大效用地发挥防空系统的作用，当时提出了一个问题：对整个防空系统进行研究，以解决各雷达站之间和雷达站与整个防空系统之间应如何协调配合才能有效地防备

42、德国飞机入侵的问题。该项研究导致了运筹学的产生。2022/8/2084系统工程概念产生时期第一次提出系统工程这一名词的是1940年在美国贝尔电话公司试验室工作的 EC莫利纳(ECMolina)和在丹麦哥本哈根电话公司工作的AK厄朗(AKErlang)。 在研制电话自动交换机时，他们意识到不能只注意电话机和交换设备技术的研究，还要从通信网络的总体上进行研究。他们把研制工作分为规划、研究、开发、应用和通用工程等五个阶段，系统地解决了问题。 2022/8/2085EC莫利纳(ECMolina)和AK 厄朗(AK Erlang) 提出了排队论原理，并应用到电话通信网络系统中，推动了电话事业的飞速发展第

43、二次世界大战时期，英国为防御德国的突然空袭，研究了雷达报警系统和飞机降落排队系统，取得了很多战果。2022/8/2086 系统工程应用时期1942年至1945年，美国制造原子弹的“曼哈顿”计划，由于应用了系统工程方法进行协调，在较短的时间内取得了成功。1945年，美国建立了兰德公司(RAND Corp)， 应用运筹学等理论方法研制出了多种应用系统，在美国国家发展战略、国防系统开发、宇宙空间技术以及经济建设领域的重大决策中，发挥了重要作用，兰德又被誉为思想库 和智囊团。2022/8/208750年代后期和60年代中期，美国为改变空间技术落后于苏联的局面，先后制定和执行了北极星导弹核潜艇计划和阿波

44、罗登月计划，这些都是系统工程在国防科研中取得成果的著名范例。50年代，美国的 H H 古德和R E 麦克霍尔出版了第一本以系统工程命名的专著 2022/8/2088案例：阿波罗登月阿波罗登月计划是一项巨大的工程，从1961年开始，持续了11年。工程有三百多万个部件，耗资244亿美元，参加者有两万多个企业和120个大学与研究机构。整个工程在计划进度、质量检验、可靠性评价和管理过程等方面都采用了系统工程方法，并创造了“计划评审技术(PERT)”和“随机网络技术”（又称“图解评审技术（GERT)”），实现了时间进度、质量技术与经费管理三者的统一。实施该工程的过程中及时向各层决策机构提供信息和方案，供

45、各层决策者使用，保证了各个领域的相互平衡，如期完成了总体目标。2022/8/2089系统工程发展时期近代科学技术的发展，特别是计算机的出现和广泛使用，使系统工程在世界范围内迅速发展起来，许多国家有不少成功的重大研究成果。70年代以来。随着微型计算机的发展，出现了分级分布控制系统和分散信号处理系统，扩展了系统工程理论方法的应用范围。80年代以来，社会、经济与环境综合性的大系统问题日益增多，如环境污染、人口增长、交通事故、军备竞赛等。许多技术性问题也带有政治、经济的因素，如北欧跨国电网的供电问题。趋势：数学工具大量应用；各式各样的方法及综合的方法形成普遍适用的理论；在主导思想上已从原来整体考虑、总

46、体分析发展到控制系统使之达到总体的优化。 2022/8/2090北欧跨国电网的供电问题北欧电力交易市场是目前世界上唯一一个开展多国间电力交易的市场。北欧包括挪威、瑞典、丹麦、芬兰和冰岛。挪威电网中绝大部分为水电机组，水电装机占全网总装机的98.9%。瑞典电网水电装机占全网总装机的一半，核电占31%，火电占17%。芬兰大部分是燃烧泥煤的火电厂，占装机容量的66%，其余为水电和核电。由于环保组织的抵制，芬兰短期内不会发展核电。丹麦绝大部分为火电，占总装机的88%。冰岛电网独立运行。2022/8/20911991年挪威建立了国家电力市场， 1996年瑞典率先加入，1998年6月芬兰加入，最后，丹麦于

47、2000年10月加入。 北欧四国间的电力构成具有很大的互补性，使得北欧四国的国际间电力交易非常频繁。北欧四国的水电主要集中在其地理版图的北部，这些地区人口较少，负荷较低；火电则主要集中在南部地区，这些地区相对人口稠密，负荷较大。在丰水季节，北欧北部地区大量成本较低的富裕水电凭借价格优势流入南部地区，导致市场实时电价较低；在枯水季节则相反，南部的火电流入北部地区，市场实时价格则较高。北欧四国除内部进行资源优化外，和俄罗斯、德国、波兰也有电能交易，国际间电力交易非常频繁，北欧地区在用电高峰时期，需要从邻国俄罗斯、德国、波兰进口电能，国际联络线为这种电力交易提供了保障。 2022/8/2092特点：

48、电网有水、火、核等多种能源形式，规模庞大。北欧电网的装机构成以水电和核电为主。其中：水电占总装机容量的50以上，核电约占30，火电为15，其他可再生能源约为5。2022/8/2093电网调度本身在技术上已相当复杂，而且还要受到各国经济利益冲突、地理条件限制、环境保护政策制约和人口迁移状况的影响。负荷调度的目标和最佳运行方式的评价标准十分复杂，涉及多个国家社会经济因素。电网的系统分析者要综合这些因素，对4500 万千瓦的电力做出合理的并能被接受的调度方案，提交各国讨论、协调和决策，这是个典型的系统工程问题。北欧四国的电力交易可分为3种：期货交易、现货交易和实时交易，分别由两种市场完成。2022/

49、8/2094中国系统工程的发展我国近代的系统工程研究可追溯到50年代。1956年，中国科学院在钱学森、许国志教授的创导下，建立了第一个运筹学小组;60年代，著名数学家华罗庚大力推广了统筹法、优选法;与此同时，在著名科学家钱学森领导下，在导弹等现代化武器的总体设计组织方面，取得了丰富经验，国防尖端科研的总体设计部取得显著成效。1977年以来，系统工程的推广和应用出现了新局面，1980年成立了中国系统工程学会，与国际系统工程界进行交流。2022/8/2095第三节 系统工程的理论基础一般系统论耗散结构论大系统理论信息论突变论协同论其他2022/8/20961、一般系统论美籍奥地利生物理论专家贝塔朗

50、菲（Bertalanffy ）背景：本世纪初，物理学、力学、化学等已得到深入发展、学科体系已趋于完整。 生物学却仍处于一种想象、试验的阶段。例如，生命的起源、生命的本质等问题，就存在两种激烈争论的观点：机械论与活力论。2022/8/2097机械论：认为生物体应像机械体一样服从物理学、化学所阐明的各种规律，也就是说，把生命问题简化为物理和化学问题，纯粹用物理原因和化学原因来说明一切生命的生理现象和心理过程。无法说明生命体的统一性。活力论：认为不能把生命现象简单地归结为物理与化学过程，但却用“超自然的活力”来解释生命现象，认为有机界和无机界之间有一道不可逾越的鸿沟，支配生物体的是一种超物质力量。2

51、022/8/2098一般系统论来源于机体论，这是一种与机械论相对立的生物学理论，贝塔朗菲认为机械论有三个错误观点。相加的观点“机械”的观点被动反应的观点2022/8/2099贝塔朗菲总结了机体论发展的成就，把协调、秩序、目的性等概念用于研究有机体。系统观点，即有机整体性原则 认为一切有机体都是一个开放的系统，都是一个有机整体。动态观点，即自组织性原则 认为一切生命现象本身都处于积极的活动状态，是自组织开放系统。组织等级观点 认为事物存在着不同组织等级和层次，各自的组织能力不同，并具有自身目的性和自身调节性有序性观点 构成系统的诸要素通过相互作用，在时间和空间上按一定秩序组合和排列，由此而形成一

52、定的结构，决定系统的特定功能。2022/8/20100一般系统的内容系统科学理论原理部分系统哲学系统的哲学基础和哲学意义系统技术应用技术 不仅适合于有机体，而且也适合于经济、社会和科学技术等一切系统。2022/8/201012、耗散结构理论比利时学者普利高津(I.Prigogine)提出耗散结构理论：远离平衡态的开放系统与外界不断地交换物质和能量，当这一外界条件达到一定阀值时，系统可能从原有的混乱状态转变为一种在时间上、空间上、或功能上的有序状态，这种在远离平衡态所形成的新的有序结构称作耗散结构。耗散结构理论就是研究耗散结构的形成/性质/稳定性和演化的规律。产生耗散结构的条件开放系统即系统不断

53、从外界摄取能量,以维持系统形成新的有序结构.远离平衡态:系统处于近平衡态时,实际上是处于线性区,系统总是趋于无序。只有远离平衡态，越出非平衡线性区,系统才可能形成新的结构。涨落：热力学系统失稳只能说是为系统演变准备好了必要条件。在临界点附近，涨落可能不被耗散掉，它将使系统进入到新的有序的耗散结构。2022/8/201022022/8/20103自组织系统组织：一个系统的要素按照特定的指令，形成特定结构或功能的过程叫组织。 自组织：一个系统的要素按彼此的协同性、相干性或某种默契形成特定结构与功能的过程称为自组织。形成自组织系统的条件：（1）系统是开放系统；（2）系统必须远离平衡态；（3）系统内存

54、在着非线性反馈的动力学机制；（4）系统存在随机涨落。2022/8/20104 3、大系统理论大系统的特征大系统理论研究内容大系统的结构方案大系统模型的简化大系统的优化2022/8/20105大系统的特征 规模庞大，构成大系统的要素本身就是一个完整系统，如：大型钢铁联合企业往往由炼铁厂、炼钢厂、轧钢厂等要素组成，而这些工厂本身就自成一个系统。 结构复杂，各要素（子系统）之间存在多级递阶的复杂结构。 影响因素众多2022/8/20106 大系统一般都是多目标、多输入、多输出、多变量、多干扰的复杂系统，因此大系统往往具有不确定性（如模糊性、随机性等），并且由于信息不足，从而造成不确知性。同时，正因为

55、对大系统的影响因素众多，所以大系统的数学模型往往是高维的、高阶的,系统分析和设计的工作量随维数增大即迅速增长，导致“维数灾难”。2022/8/20107大系统理论研究内容大系统结构方案的研究大系统稳定性研究大系统的最优化问题研究大系统模型简化的研究2022/8/20108大系统的结构方案递阶控制方案分散控制方案2022/8/20109递阶控制各决策单元和谐地工作以实现总目标。“递阶”是“等级”的含义递阶控制的特点：下级决策单元只接受上级决策单元的命令，上级决策单元不逾越下级决策单元而直接控制被控大系统。整个递阶系统有一个总优化2022/8/20110多层控制多层控制按照总任务和各层的任务目标进

56、行分解、分层，各层运行的周期不同，愈到上层，运行周期愈长，解决总是愈复杂。多层控制常用于工业企业的生产安排和管理上。2022/8/20111第一层是直接控制层，根据上层的决策（设定）直接控制大系统的运行过程或状态，处理经常发生的、变化快的外部扰动。第二层是优化层，根据上层给定的各项技术经济指标和约束条件，以及提供的资源等，建立优化模型以实现大系统的最优控制，并及时调节因条件变化而引起的扰动。第三层是决策层，例如根据市场供销情况来调节生产计划、修正营销策略。2022/8/20112决 策 层 优 化 层直接控制层被控大系统第三层第二层第一层控制总任务设定校正 扰动多层控制2022/8/20113

57、多级控制将总目标分解成局部目标，并利用各级局部决策单元进行控制和协调。多级控制常用于经济管理组织机构，下级机关将劳动力组织到生产岗位上，上级机关指挥与协调各下级机关的工作。每一级却力求有效地管理其下一级，同时又紧跟其上一级的指挥，以保证整个组织机构高效率工作，并完成总任务。2022/8/20114 协调级局部决策单元局部决策单元局部决策单元子系统 1子系统 2子系统 n 输入输出总任务多级控制2022/8/20115分散控制分散控制实际上是一种两级递阶控制的特例分散控制可以减少集中控制或递阶控制时在信息传输方面的技术困难和设备费用，但只能得到一个次优解。2022/8/20116局部控制器1局部

58、控制器2局部控制器n子系统 1子系统 2子系统 n输入输出分散控制2022/8/20117大系统模型的简化简化大系统模型方法：集结法通过一个常量的集结矩阵，以低维状态空间描述来简化原是高维的系统，但却保留原系统的主要模式。线性化法2022/8/20118大系统优化大系统优化分为静态优化和动态优化 大系统优化的主要任务是：按大系统的最优化目标和总体系统和各子系统之间的关系，以及各子系统之间的关系，最优地分配各子系统的子目标，并以此来控制子系统，从而使总体系统达到最优化。例：企业在现有人力、物力和财力的条件下，如何合理安排生产计划，如何开发新产品，如何提高产品质量和劳动生产率等等。2022/8/2

59、01194、信息论信息论是一门研究信息传输和信息处理一般规律的学科。信息论起源于通讯理论，是美国科学家香农（Shannon）在1948年创立的2022/8/20120信息论的基本思想和方法完全撇开了物质、能量等各种具体客观形态，而把任何通讯和控制系统都看作是一个信息的传输和加工处理系统，把系统有目的运动抽象为信息变换过程，通过系统内部的信息交流使系统维持正常的有目的的运动。系统，在信息论的框架中，是一个进行信息变换和信息处理的机构。2022/8/20121信息的度量信息熵设描述某一事件的消息源可能发出的消息分为x=(x, x xn)，而各可能消息是否会发出的概率为p(xi),并满足归一性条件：

60、 p(x1)p(x2)p(xn)1按以上概率从消息源中随机地发送消息，形成一个消息序列。2022/8/20122设该消息列中包含的消息总数为N，N非常大。在统计意义上，该序列N中包含消息xi的数目为p(xi)N个。申农的信息量公式：H(x) =p(xi)h(xi) =-p(xi)log2p(xi)2022/8/20123信息与系统的关系 信息是系统的一种重要特征 不存在与系统无关的信息，也不存在没有信息的系统;有系统内部、系统与环境之间的相互作用，就有信息的产生和交换;系统的形成、发展、运行都离不开信息的活动。2022/8/20124信息与系统的关系 普利高津把信息概念引入耗散结构理论。 赫尔